Nếu coi sự mất mát của nhiệt khi truyền từ lưu thể này sang lưu thể kia ko quá 5%, thì ta tính toán nhiệt tải riêng q1 và q2 cũng không chênh lệch quá 5%. Thực hiện các bước như sau:
Chọn nhiệt độ chênh lệch giữa hơi và thành ống:
∆𝑡1 = 𝑡ℎ𝑐 − 𝑡𝑇1
Tính α1 và q1 (nhiệt tải riêng phía hơi).
Tính ∆t = tT1 −tT2 chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên thành ống: ∆𝑡 = 𝑞1 × ∑𝑟
Từ đó suy ra tT2 là nhiệt độ tường phía nước. Tính chuẩn số Prandlt tường PrT theo nhiệt độ tT2.
Tính α2 theo công thức đã xác định, từ đó tính 𝑞2 = 𝛼2× ∆𝑡2
So sánh q1 và q2: |𝑞1 − 𝑞2
𝑞1 | 〈 5% thì phù hợp. Tính qtb là nhiệt tải riêng trung bình: 𝑞𝑡𝑏 = 1
2(𝑞1 + 𝑞2) (W/m2) Chọn 𝛥𝑡 = 9 𝑜𝐶, ta có: 𝑡𝑇1 = 𝑡ℎ𝑐 − 𝛥𝑡 = 78,4 − 9 = 69, 40𝐶 - Nhiệt độ màng cồn là: 𝑡𝑚 =1 2× (𝑡ℎ𝑐+ 𝑡𝑇1) = 1 2× (78,4 + 69,4) = 73,9 ℃
- Tại t = 73,9 oC tra các thông số:
- 𝜌𝑐ồ𝑛 = 753,012 (𝑘𝑔/𝑚3) (tra bảng I.2 trang 9 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 1 sau đó nội suy kết quả)
- 𝜆𝑐ồ𝑛 = 0,193 ( 𝑊/𝑚. độ) (tra bảng I.130 trang 135 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 1 sau đó nội suy kết quả)
37
SVTH: Nguyễn Thị Dung
- 𝜇𝑐ồ𝑛 = 0,513 × 10−3(𝑘𝑔/𝑚. 𝑠) (tra bảng I.101 trang 92 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 1 sau đó nội suy kết quả)
Ta có: 𝐴 = (𝜌2×𝜆3 µ ) 0.25 𝐴 = (753,012 2× 0,1933 0,513. 10−3 ) 0,25 = 53,09
Hệ số cấp nhiệt phía hơi là:
𝛼 = 1,28 × 53,09 × (939338,4 9. 0,02667)
0.25
= 3022,469(𝑊/𝑚2. độ)
Chọn cách sắp xếp ống là xen kẽ, số ống 1 dãy đứng là 4 suy ra: 𝜀𝑡𝑏 = 0.85 ( tra đồ thị hình V.30 trang 30 sổ tay hóa công tập 2)
𝛼1 = 𝜀𝑡𝑏× 𝛼 = 0,8 × 3022,469 = 2417,975 (𝑊/𝑚2. độ) Nhiệt tải riêng: 𝑞1 = 𝛼1. ∆𝑡1 = 2417,975 × 9 = 21761,775( 𝑊/𝑚2)
Chênh lệch nhiệt độ giữa hai thành ống:
∆𝑡 = 𝑞1. ∑𝑟 = 21761,775 × 0.709 × 10−3 = 15,43℃
Nhiệt độ tường phía nước:
𝑡𝑇2 = 𝑡𝑇1− ∆𝑡 = 69,4 − 15,43 = 53,97℃
Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và ống nước:
∆𝑡𝑇2 = 𝑡𝑇2− 𝑡𝑛𝑡𝑏 = 53,97 – 40,22 = 13,75 ℃
Tại tT2 = 53,97 0C
𝜇 = 0,5148 × 10 −3𝑘𝑔/𝑚. 𝑠 (tra bảng I.102 trang 95 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 1 sau đó nội suy kết quả)
𝐶𝑝 = 4187,20 𝐽/𝑘𝑔. ℃ (tra bảng I.102 trang 168 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 1 sau đó nội suy kết quả)
38
SVTH: Nguyễn Thị Dung
𝜆 = 0,652 𝑊/𝑚. ℃ (tra bảng I.129 trang 133 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 1 sau đó nội suy kết quả)
Vậy:
𝑃𝑟𝑇 =𝜇. 𝐶𝑝
𝜆 =
0,5148. 10−3. 4187,20
0,652 = 3,31
Khi đó hệ số cấp nhiệt phía nước là
𝛼2 = 1493,43 × (4,32 3,31)
0,25
= 1596,242 𝑊/𝑚2. độ
Nhiệt tải riêng phía nước là:
𝑞2 = 𝛼2. ∆𝑡2 = 1596,242 × 13,75 = 21948,327 𝑊/𝑚2 So sánh: 𝜂 = |𝑞1−𝑞2
𝑞1 | = |21761,775−21948,327
21761,775 | . 100% = 0,86% < 5% (thỏa mãn)
Vậy 𝛥𝑡1 = 9℃ phù hợp.
- Tính qtb là nhiệt tải riêng trung bình:
𝑞𝑡𝑏 = 1 2 (𝑞1+ 𝑞2) = 1 2 (21761,775 + 21948,327) = 21855,051(𝑊/𝑚 2) - Hệ số truyền nhiệt K là: 𝐾 = 1 1 𝛼1+ ∑ 𝑟 + 1 𝛼2 = 1 1 2417,975+ 0,709.10−3+ 1 1596,242 = 571,742
- Diện tích truyền nhiệt :
𝐹 = 𝑄 𝑞𝑡𝑏 =
86975,778
21855,051 = 3,98 𝑚
2
- Lượng nước cần thiết cho quá trình làm lạnh được tính theo công thức
39 SVTH: Nguyễn Thị Dung Suy ra 𝐺𝑛 = 𝑄 𝐶𝑝. (𝑡𝑐− 𝑡đ) = 86975,778 4178,43 × (45 − 35) = 2,08 𝑘𝑔/𝑠 2.2 Tính toán thiết bị chính 2.2.1 Số ống truyền nhiệt 𝑛 = 𝐹 𝜋. 𝑑𝑡đ. 𝐿 = 3,98 𝜋. 0,02456 . 1,5 = 34,39 ố𝑛𝑔 Trong đó: 𝑑𝑡đ = 1 2 × (0,02667 + 0,02245) = 0,02456 𝑚
Tra bảng V.11 trang 48 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất Tập 2: - Tổng số ống n = 37 ống.
- Xếp ống theo hình sáu cạnh (kiểu bàn cờ)
- Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh: b = 7 ống.
- Chiều dài ống: L = 1,5 m.
2.2.2 Chia ngăn trong thiết bị
Vận tốc thực tế của nước trong ống là:
𝜔𝑡𝑡 =𝜋 𝐺𝑛
4× 𝑑2× 𝑛 × 𝜌
=𝜋 2,08
4× 0,022452× 37 × 992
= 0,143 𝑚/𝑠
Vận tốc chảy giả thiết theo Re = 10000 là:
𝜔𝑔𝑡 =𝑅𝑒 × 𝜇 𝑑 × 𝜌 =
10000 × 0,656 × 10−3
0,02245 × 992 = 0,295 𝑚/𝑠
Ta thấy 𝜔gt > 𝜔tt nên phải chia ngăn trong thiết bị. Số ngăn: 𝑚 = 𝜔𝑔𝑡
𝜔𝑡𝑡 =0,295
0,143= 2,06 ngăn Chọn m = 2 ngăn
40 SVTH: Nguyễn Thị Dung 𝑛1 =𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố ố𝑛𝑔 𝑆ố 𝑛𝑔ă𝑛 = 𝑛 𝑚 = 37 2
Tính lại chuẩn số Reynolds:
𝑅𝑒 = 4𝐺𝑛 𝜋. 𝑑. 𝑛1. 𝜇 =
4.2,08
𝜋. 0,02245.372 . 0,656. 10−3
= 9720,342
Re = 9720,342 < 10000 khoảng 2,97 %. Suy ra chấp nhận được.
Như vậy với m = 2 chế độ vận chuyển của nước ở chế độ chảy rối.
2.2.3 Cách sắp xếp vỉ ống
Chọn cách sắp xếp vỉ ống theo ống theo hình sáu cạnh (kiểu bàn cờ) có số ống xuyên tâm hình sáu cạnh
Trong đó: 𝑏 = 7 ố𝑛𝑔
dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, 𝑑𝑛 = 0,02667𝑚
t: bước ống, thường chọn 𝑡 = (1,2 ÷ 1,5) 𝑑𝑛
Chọn 𝑡 = 1,5. 𝑑𝑛 = 1,5. 0,02667 = 0,04 𝑚 = 40 mm
2.2.4 Đường kính trong của thiết bị
𝐷 = 𝑡. (𝑏 – 1) + 4. 𝑑𝑛
Khi đó: 𝐷 = 0,04. ( 7 – 1) + 4. 0,02667 = 0,3467 𝑚
Lấy 𝐷 = 0,4 𝑚
2.2.5 Xác định độ dày vỏ ngoài của thiết bị
Theo cơ sở tính toán thiết bị thì thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong, nên chiều dày của thiết bị được tính theo công thức 23a.182 trang 360 sổ tay hóa công tập 2.
𝛿𝑣 = 𝑃 × 𝐷
41
SVTH: Nguyễn Thị Dung
Trong đó:
P: áp suất bên trong thiết bị, coi bằng áp suất khí quyển: 𝑃 = 0.1 𝑁/𝑚𝑚2
D: đường kính trong của vỏ, 𝐷 = 400𝑚𝑚
[𝜎𝑘]: là ứng suất kéo cho phép của thép không gỉ (SUS 304)
𝜑: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C: Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, mm Nguyên nhân làm cho thiết bị yếu đi là do hàn và khoét lỗ ở thiết bị.
- Giá trị hệ số bền của mối hàn h phụ thuộc vào dạng mối hàn và vật liệu chế tạo: ở đây vật liệu chế tạo thân thiết bị là thép tấm Inox 304 và kiểu hàn giáp mối một bên, cách hàn là hàn tay bằng hồ quang điện. Tra bảng XIII.8 sổ tay hóa công tập 2 trang 362 ta có: h 0,9 - Giá trị hệ số bền của thân hình trụ do khoét lỗ phụ thuộc vào vị trí và đường kính lỗ: trên thân thiết bị có khoét 3 lỗ: một cửa dẫn hơi cồn vào, một cửa dẫn cồn lỏng ra và một cửa thoát khí không ngưng. Áp dụng công thức XIII.14 và XIII.15 sổ tay hóa công tập 2 trang 361 ta có: 0,076 0,014 1, 2 0, 4 (0,038 0,014) 2 1,86 1, 2 0, 4 l Hệ số bền: h l 0,9 1,86 2, 76
Đại lượng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Ta xác định đại lượng C theo công thức sau:
1 2 3
C C C C
Trong đó:
C1 - bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị. Đối với vật liệu bền như Inox- 304 ta lấy 0,05 mm/ năm, cho thời gian làm việc 20 năm. Vậy lấy C1 = 0,05.20 = 1 mm.
42
SVTH: Nguyễn Thị Dung
C2 - đại lượng bổ sung do hao mòn chỉ cần tính đến trong các trường hợp nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị. Đại lượng này thường được chọn theo thực nghiệm. Đa số trường hợp khi tính toán thiết bị hóa chất ta có thể bỏ qua C2 = 0
C3 - đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu. Đối với vật liệu Inox 304 có chiều dày từ 3- 5mm lấy C3 = 1,5 mm. ( Tra bảng XIII.9, Sổ tay hóa công tập II)
Suy ra: C C 1 C2 C3 1 1,5 2,5 mm
Ứng suất cho phép của thép S theo giới hạn bền xác định theo công thức XIII.1 và bảng XIII.3. Thiết bị thuộc nhóm 2 loại II ( 1, xem bảng XIII.2).
540.106 6 2 . .1, 0 208.10 / 2, 6 k k k k N m n
Ứng suất cho phép giới hạn chảy – theo công thức XIII.2 và bảng XIII.3 sổ tay hóa công tập 2 ta có: 220 6 2 . .1,0 146,67.10 / 1,5 ch k ch N m n
Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả vừa tính được của ứng suất để tính toán tiếp:
Chiều dày vỏ thiết bị:
𝛿𝑣 = 𝐷𝑡.𝑃𝑡
2.[𝜎𝑘].𝜑−𝑃𝑡 + 𝐶 = 0,4.105
2.146,67.106.2,76−105+ 2,5 = 2.67 (mm)
Để đảm bảo độ bền cơ học cũng như đồng bộ thiết kế của thiết bị ta chọn độ dày vỏ ngoài thiết bị 𝛿𝑣 = 3 𝑚𝑚
43
SVTH: Nguyễn Thị Dung
2.3 Tính toán các bộ phận khác 2.3.1 Mặt bích 2.3.1 Mặt bích
Sử dụng vỉ ống làm mặt bích luôn cho thiết bị nên các kích thước của vỉ ống được tra theo bảng XIII.26 trang 415 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất – Tập 2
Sử dụng kiều bích liền có cổ: Bích liền ngoài kiểu 1 (tra Bảng XIII.26 trang 415 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất – Tập 2).
Áp suất Đường kính trong
Kích thước ống nối Bu lông
P Dt D Db Dl D0 db Z h
N/m2 mm mm mm mm mm mm cái mm
105 400 515 475 450 411 M16 20 20
2.3.2 Đáy và nắp thiết bị
Đáy và nắp có thể nối với thân bằng cách ghép bích hoặc hàn. Đáy và nắp thường dùng trong các thiết bị hóa chất có dạng cầu, elip, nón, phẳng… đối với các thiết bị làm việc ở áp suất thường nên dùng đáy và nắp phẳng vì chế tạo đơn giản giá rẻ.
44
SVTH: Nguyễn Thị Dung
Tra bảng XIII.24 trang 404 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 2.
Thông số Giá trị
Đường kính trong của thiết bị Dt = 400 mm Bán kính cong của đáy R R = 10 mm
Chiều cao đáy ht = 28 mm
Chiều cao gờ đáy h = 15 mm
Bề mặt trong của đáy F = 0,151 m2
45
SVTH: Nguyễn Thị Dung
Khối lượng của đáy và nắp m = 3.69 kg Đường kính phôi đáy, nắp phẳng tròn 477 mm
Bề dày đáy và nắp S= 3 mm
Chú ý: nếu thiết bị không chịu áp lực, thì nên chọn bề dày ống bé đến mức có thể, để đạt hiệu quả truyền nhiệt tốt nhất, giá thành rẻ, nhẹ….
Do đáy làm việc không chịu áp suất nên thông thường ta lấy chiều dày đáy bằng với chiều dày thân thiết bị.
2.3.3 Kích thước trong của ống dẫn nước
Vận tốc nước đi vào trong thiết bị là v= 4,5 m/s. Từ phương trình lưu lượng ta tính được đường kính trong của ống dẫn nước
𝐷1𝑛 = √ 4 × 𝐺𝑛
𝜋 × 𝜌 × 𝑣 = √
4 × 2,08
𝜋 × 992 × 4,5= 0,0243 𝑚
Ta lấy đường kính trong của ống dẫn nước làm mát vào và nước ra là 𝑑1𝑛 = 𝑑2𝑛 = 25 𝑚𝑚 Tra trang 410 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 2.
46
SVTH: Nguyễn Thị Dung
Dy= 25 mm, Dn = 32 mm, D =100 mm, Db = 75 mm, D1 = 60 mm, bu lông M10, 4 cái, h=12 mm
2.3.4 Ống dẫn hơi cồn vào
Chọn vận tốc hơi vào thiết bị là vh1= 10 m/s với lưu lượng Gh1 = 0,0926 (kg/s) Khối lượng riêng của hơi cồn 96% vào tại t = 78,4 0C là:
𝜌 =[46 × 0,96 + (1 − 0,96). 18] × 273
22,4 × (273 + 78,4) = 1,56 𝑘𝑔/𝑚
3
Lưu lượng hơi vào trong thiết bị là:
𝐺ℎ2 =0,0926
1,56 = 0,0594 𝑚
3/𝑠
Đường kính trong của đường hơi cồn vào là
𝑑ℎ1 = √4 × 𝐺ℎ2 𝜋 × 𝑣ℎ = √
4 × 0,0594
𝜋 × 10 = 0,0869 𝑚𝑚
Tra trang 413 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 2.
Dt = 100 mm, Dn = 108 mm, D = 205 mm, Db = 170 mm, D1 = 148 mm, Bulong M16, 4 cái, h=14mm 2.3.5 Đường kính của ống cồn lỏng ra Chọn vận tốc cồn ra là 0,25 m/s lưu lượng G = 0,0926 kg/s, 𝜌 = 765,84 (kg/m3) 𝐷𝑐𝑟 = √ 4 × 𝐺ℎ1 𝜋 × 𝜌 × 𝑣 = √ 4 × 0,0926 𝜋 × 765,84 × 0,25= 0,0248 𝑚
Tra trang 410 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 2.
Dy = 25 mm, Dn = 32 mm, D = 100 mm, Db = 75 mm, D1 = 60 mm, h=12 mm, Bulong M10, 4 cái
47
SVTH: Nguyễn Thị Dung
2.3.6 Ống tháo khí không ngưng
Chọn theo tham khảo
Dt = 10 mm, D = 90 mm, Db = 60 mm, D1 = 40 mm, h = 12 mm, bulong M12: 4 cái Các thông số:
- Áp suất tính toán là 0,1x 106 N/m2 - Hệ số bền mối hàn là 0,8
- Chiều dày thân thiết bị là 3 mm - Chiều dày đáy và nắp thiết bị 3mm
- Chế tạo bằng cách hàn do làm việc ở áp suất thấp Các chú ý:
- Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt. - Chỉ hàn giáp mối (giáp mối một bên)
- Bố trí các đường hàn dọc cách nhau ít nhất là 100 mm. - Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát
- Không khoan lỗ qua mối hàn
2.3.7 Tính chân đỡ thiết bị
Khối lượng tải mà chân thiết bị phải chịu là:
tt n c than day nap ong m m m m m m m
Trong đó:
Khối lượng của nước trong ống truyền nhiệt:
𝑚𝑛 = 𝑛.𝑑𝑡
2
4 . 𝜋. 𝐿. 𝜌𝑛 = 48.
0,022452
4 . 3,14.1,5.992 = 28,27 𝑘𝑔
48 SVTH: Nguyễn Thị Dung 𝑚𝑐 = (𝑉𝑡𝑏− 𝑉𝑜𝑛𝑔). 𝜌𝑐 = (𝐷 2 𝑡 4 . 𝜋 − 37. 𝑑𝑛2 4 ) . 𝐿. 𝜌𝑐 = (0, 4 2 4 . 3,14 − 48. 0,026672 4 ) . 1,5. 753 = 132,29 𝑘𝑔
Khối lượng thân thiết bị:
𝑚𝑡ℎ𝑎𝑛=(𝐷2
𝑛− 𝐷2𝑡)
4 . 𝜋. 𝐿. 𝜌𝑡ℎ𝑒𝑝 =
(0,4062− 0, 42)
4 . 3,14. 1,5. 7930 = 45,18 𝑘𝑔
Khối lượng ống truyền nhiệt:
𝑚𝑜𝑛𝑔 = 48.(𝑑𝑛 2− 𝑑2𝑡) 4 . 𝜋. 𝐿. 𝜌𝑜𝑛𝑔 = 48. (0,026672− 0,022452) 4 . 3,14.1,5.7930 = 92,95 𝑘𝑔
Khối lượng nắp và đáy thiết bị:
𝑚𝑑𝑎𝑦 = 𝑚𝑛𝑎𝑝 = 5,86 𝑘𝑔
Thay vào công thức ta có:
𝑚𝑡𝑡 = 28,27 + 132,29 + 45,18 + 92,95 + 5,86 × 2 = 310,41 (𝑘𝑔)
Tải trọng mà chân đỡ thiết bị phải chịu là:
𝑞𝑡𝑡 = 𝑚𝑡𝑡. 9,81 = 310,41 . 9,81 = 3045,12 (𝑁)
Dựa vào tải trọng mà chân đỡ thiết bị phải chịu ta tra bảng XIII.37 Sổ tay hóa công tập 2 trang 439 ta chọn được kích thước của chân đỡ như sau:
49 SVTH: Nguyễn Thị Dung Tải trọng cho phép trên một chân đỡ G.10-4 N Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị
khi không có lót
Chiều dày tối thiểu của thiết bị khi có
lót S H B SH
mm
0,25 8 4 260 140 6
Chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, đặt nằm ngang có đường kính trong D = 0,4 m, chiều dài L = 1,5 m, số ống truyền nhiệt n = 37 ống, ống xếp theo hình 6 cạnh (kiểu lục giác). Số ngăn trong thiết bị m = 2 ngăn.
50
SVTH: Nguyễn Thị Dung
3 KẾT LUẬN
Như vậy, hiệu quả trao đổi nhiệt khá ổn định đối với khi sử dụng ống chùm nằm ngang, ít phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường. Cấu tạo chắc chắn, gọn với suất tiêu hao kim loại nhỏ, hình dạng phù hợp với yêu cầu thẩm mỹ trong công nghiệp. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm dễ chế tạo, lắp đặt cũng như vệ sinh, bảo dưỡng và vận hành, tuổi thọ cao. Tốc độ ăn mòn diễn ra chậm do thiết bị thường xuyên chứa nước nên không tiếp xúc với không khí. Yêu cầu vệ sinh thiết bị định kì nhằm nâng cao hiệu quả làm việc cũng như tránh được các hư hỏng không đáng có. Khi lau thiết bị cần chú ý tránh làm trầy xước bề mặt trong bình dẫn đến việc khó lau cặn bẩn vào các lần sau. Cách chia ống và kích thước của thiết bị là khá hợp lí, phù hợp với mục đích sủ dụng để đạt được hiệu quả cao nhất.