10. Tính hệ số cấp nhiệt và nhiệt lượng trung bình từng nồi α
10.2. Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ
Gọi q1i là nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ của nồi i Ta có: q1i = 1 × ∆ 1 [3-278]
→11 = 11 × ∆ 11 = 6967,26 × 4,53= 31561,71 (W/m2)
→12 = 12 × ∆ 12 = 6613,09 × 4,54 = 30023,43 (W/m2)
Bảng 4: Bảng giá trị hệ số cấp nhiệt và tải nhiệt riêng về phía hơi ngưng tụ
Nồi ∆
1 2
10.3. Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt ống truyền nhiệt đến chất lỏng sôi:
Dung dịch sôi ở chế độ sủi bọt, có đối lưu tự nhiên, hệ số cấp nhiệt xác định theo công thức: α2i = 45,3.(pi′).0,5.∆t2i.2,33
.Ѱi [W/m2.độ]
∆t2i: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch ∆t2i = tT2i − tddi = ∆Ti − ∆t1i − ∆tTi
Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống truyền nhiệt ∆tTi = q1i. ∑ r
Tổng nhiệt trở cùa thành ống truyền nhiệt: ∑ =
1
r1; r2: nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của thành ống. Tra bảng II.V.1 [2-4]:
r2 = 0,000232 [m2.độ/W]: nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hòa : bề dày ống truyền nhiệt, = 2. 10−3( )
22
λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt. Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép Crom Niken Titan (X18H10T) hệ số dẫn nhiệt của nó là λ=16,3 [W/m.độ]
Thay số ta được:
Tính hệ số hiệu chỉnh :
= (
Trong đó:
- λ: Hệ số dẫn nhiệt, [W/m.độ] (lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch)
- ρ: Khối lượng riêng [Kg/m3]
- μ: Độ nhớt của dung dịch tại nhiệt độ sôi
b) Các thông số của nước:
Tra bảng I.129 [1-133] và nội suy:
ts1 =116,04 oC, λ 1 = 0,685 W/m.độ
ts2 = 75,02oC, λ 2 =0,671 W/m.độ
Tra bảng I.104 [1-96] và nội suy:
ts1 =116,04 oC, μ 1 = 0,242. 10−3 Ns/m2
ts2 = 75,02oC, μ 2 =0,379.10-3 Ns/m2
Tra bảng I.148 [1-166] và nội suy:
ts1 = 116,04 oC, C 1 = 4242,34 J/kg.độ
ts2 = 75,02oC, C 2 = 4194,45 J/kg.độ
Tra bảng I.5 [1-11] và nội suy:
ts1 =116,04 oC, ρn 1 = 946,40 kg/m3 ts2 = 75,02oC, ρ 2 =974,88 kg/m3
b) Các thông số của dung dịch trong nồi cô đặc:
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch KNO3 tính theo công thức:
3
λ = .C . . √
Trong đó:
- A: Hệ số tỷ lệ với chất lỏng liên kết A = 3,58.10-8
- Cdd: Nhiệt dung riêng của dung dịch. Tính toán ở bước 9 ta có:
Cdd1 = 3846,52 [J/kg.độ] ;
Cdd2 =3456,41 [J/kg.độ]
- : Khối lượng riêng của dung dịch NaOH
Với ts1 =116,04 oC, x1 = 8,11% ρdd1 = 1006,3 kg/m3
Với ts2 = 75,02 oC, x2 = 23% ρdd2 = 1041,0 kg/m3
-M: Khối lượng mol của dung dịch được tính theo công thức:
M= MKNO3. NKNO3 + MH2O. NH2O = 101. NKNO3 + 18. (1 – NKNO3) NKNO3: Phần mol của KNO3 trong dung dịch
Thay vào công thức trên ta có:
M1= 101.0,0155+ 18. (1-0,0155) = 19,29 M2= 101.0,0505+ 18. (1-0,0505) = 22,20 Từ các giá trị đã tính được, ta có: λ = . C 1 1 λ = . C 2 2
Độ nhớt của dung dịch được tính theo công thức của Pavalov:
1−2= 1−2
Với nồi cô đặc 1:
Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước, t1 = 20oC; t2 = 30
o
C Tra bảng I.107 [1-100] và nội suy ta có:
t1 = 20oC, x = 8,11% → μ11 = 0,9738. 10−3 [N.s/m2]
t2 = 30oC, x = 8,11% → μ21 = 0,8. 10−3[N.s/m2]
Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy ta có:
μ21 = 0,8. 10−3[N.s/m2] → θ21= 30,04 oC
Tại ts1 = 116,04 oC, dung dịch có độ nhớt là μdd1 tương ứng với đột nhớt của nước có nhiệt độ là θ31:
24
20− 30
21,32 − 30,04
Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ31 = 105,07 oC ta được μdd1 = 0,2698. 10-3 [N.s/m2]
Với nồi cô đặc 2:
Chọn chất lỏng chuẩn là nước
Tra bảng I.107 [1-100] và nội suy ta có:
t1 = 20oC, x = 23% → μ12 = 1,028. 10−3 [N.s/m2]
t2 = 30oC, x = 23% → μ22 = 0,834. 10−3[N.s/m2]
Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy ta có:
μ12 = 1,028. 10−3 [N.s/m2] → θ11= 19,08 oC μ22 = 0,834. 10−3[N.s/m2] → θ21= 28,11 oC
Tại ts2 = 75,02 oC, dung dịch có độ nhớt là μdd1 tương ứng với đột nhớt của nước có nhiệt độ là θ32:
20 − 30
19,08 − 28,11
Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ31 = 68,77 oC ta được μdd2 = 0,413. 10-3 [N.s/m2]
Thay các số liệu vào công thức tính hệ số hiệu chỉnh ta có:
Với nồi cô đặc 1:
1
= ( )
1
1
Với nồi cô đặc 2:
2 = (
2
Từ các số liệu đã tính ở trên, ta tính được hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch ở từng
25
α21 = 45,3(p′ )0,5∆t212,33 Ѱ1 = 45,3 × 1,590,5 × 7,122,33 ×0,823 = 4555,73 [W/m2.độ] α22 = 45,3(p′ )0,5∆t212,33 Ѱ2 = 45,3 × 0,210,5 × 9,542,33 ×0,762 = 3029,31 [W/m2.độ] 10.4. Tính nhiệt tải riêng q2 về phía dung dịch:
Theo công thức: q2i = α2i.∆t2i Thay số ta có: q21 = 4555,73× 7,12= 32439,48 q22 = 3029,31× 9,54=28894,86 Nồi 1 2 2.1.1. So sánh q1i và q2i Ta có: 1 2
Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận giả thiết: ∆ 11=4,53(oC);∆ 12=4,54(oC)
11. Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi:
Áp dụng công thức:
Trong đó:
∆ : hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi
2
26
Phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau và nhỏ nhất. Thay số vào công thức:
= 1
2
Nhiệt lượng tiêu tốn:
=
1
=1. 2
2 3600
12. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi:
Tỉ số:
1
1
2
2
Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi theo công thức:
∆ ∗ = (∆
∆ ∗ = (∆
2
{
13.So sánh ∆ ∗và ∆
Sai số < 5 %, vậy nên chấp nhận giả thiết phân bố áp suất P Nồi
1 2
14. Tính bề mặt truyền nhiệt F
Theo phương pháp phân phối nhiệt độ hữu ích, điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau :
Với nồi cô đặc 1:
28
PHẦN 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
Trong tính toán cơ khí ta chỉ cần tính cho nồi 1, thông số nồi 2 lấy giống nồi 1.
1.Buồng đốt nồi cô đặc
Thiết bị là việc ở điều kiện áp suất thấp (<1,6 N/m2), chọn nhiệt độ thành thiết bị là nhiệt độ môi trường, đối với thiết bị đốt nóng có cách nhiệt bên ngoài. Chọn thân hình trụ hàn, làm việc chịu áp suất trong, kiểu hàn giáp mối hai bên, hàn tay hồ quang điện, vật liệu chế tạo là thép bền không gỉ X18H10T. Khi chế tạo cần chú ý:
-Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt. -Chỉ hàn giáp mối.
-Bố trí các đường hàn dọc.
-Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát. -Không khoan lỗ qua mối hàn. -Tính số ống trong buồng đốt
1.1: Tính số ống trong buồng đốt
= . . (ống)
Trong đó:
- dtr: Đường kính trong của ống truyền nhiệt, m
- H: Chiều cao của ống, m
- F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của nồi, m2 Chọn đường kính ngoài của ống: dn = 38 (mm) [2-81] Bề dày của ống truyền nhiệt: = 2 (mm)
Đường kính trong của ống: dtr = dn ‒ 2. = 38 – 2.2 = 34 (mm) Thay vào ta có = .0,03486,3.5 = 161,69 (ống)
Quy chuẩn theo bảng V.11 [4-48] ta được n = 187 ống. Ta có bảng sau: Số ống Số ống hình trên sáu đường cạnh xuyên tâm của hình sáu cạnh 7 15
Chọn cách bố trí ống theo đường lục giác đều Diện tích bề mặt truyền nhiệt thực của ống:
= n. π. d. H = 187. .0,034.5= 99,87 (m2)
1.2:Đường kính trong của buồng đốt
Tính theo công thức: Dt = t. (b – 1) + 4. dn [m] [4 – 49] Trong đó:
-b: số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác, b = 15 -dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn = 38 mm
-t: bước ống của chùm ống truyền nhiệt trong buồng đốt, t = 1,45. dn Thay số ta có:
Dt = 1,45. 0,038. (15 – 1) + 4.0,038 = 0,9234 (m) Quy chuẩn theo bảng XIII.6 [4 – 359] chọn Dt = 1000 mm
1.3. Tính chiều dày buồng đốt
Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép crôm – niken – titan (X18H10T) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn.
Bề dày buồng đốt được tính theo công thức XIII.8 [2-360]
=
Trong đó:
-Dtr: đường kính trong của buồng đốt, m
- φ: hệ số bền hàn của thanh hình trụ theo phương dọc
- Pb : áp suất trong của thiết bị, N/m2
- C : hệ số bổ sung do ăn mòn và dung sai về chiều dày, m
- b : ứng suất cho phép, N/m2
(Xác định đại lượng C
Theo bảng XIII.8 [2-362] nếu hàn tay bằng hồ quang điện với Dtr ≥ 700 (mm), thép không gỉ thì φ = 0,95
Đại lượng bổ sung C trong công thức XIII.8 [2-362] phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Xác định đại lượng C theo công thức
= 1+ 2+ 3, 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, m
30
Đối với vật liệu bền (0,05 ÷ 0,1 mm/năm) ta lấy C1 = 1 (mm)
- C2 : đại lượng bổ sung do hao mòn, chỉ tính đến trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyến động với tốc độ lớn ở trong thiết bị. Chọn C2 = 0 (mm)
- C3 : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu. Tra bảng XIII.9 [2-364] chọn C3 = 0,4 (mm)
Vậy C = 1 + 0 + 0,4 = 1,40 (mm) = 0,0014 (m)
(*) Xác định ứng suất cho phép b
Khi tính toán sức bền của thiết bị trước hết cần xác định ứng suất cho phép. Đại lượng ứng suất cho phép phụ thuộc vào dạng ứng suất, đặc trưng bền của vật liệu chế tạo, nhiệt độ tính toán, công nghệ chế tạo và điều kiện sản xuất. Ứng suất cho phép được xác định theo các công thức XIII.1, XIII.2 [2-355]:
[ ] =.[4-356]
[ ] = . [4-356]
Trong đó:
- nk, nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy
Tra bảng XIII.3 [2-356] với thép không gỉ cán, rèn dập ta xác định được nk = 2,6 và nc = 1,5.
- [ k], [ c]: ứng suất cho phép khi kéo, theo giới hạn chảy
- k : giới hạn bền khi kéo.
Tra bảng XII.4 [2-309] với thép không gỉ X18H10T dày 4 – 25 mm ta được k = 550.106 (N/m2 )
-c : giới hạn chảy. Tra bảng XII.4 [2-309] với thép không gỉ X18H10T dày 4 – 25
mm ta được c = 220.106 (N/m2 )
-η : hệ số điều chỉnh. Các chi tiết, bộ phận không bị đốt nóng hay được cách ly với
nguồn đốt nóng trực tiếp (nhóm thiết bị 2). Các thiết bị dùng để sản xuất ở áp suất
cao (loại 1). Tra bảng XIII.2 [2-356] ta xác định được η = 0,9 Suy ra : [ ] =550.106.0,9 = 190,38.106(N/m2) 2.6 [ ] =220.106.0,9= 132,00.106(N/m2) 1,5
Vậy ứng suất cho phép của vật liệu:
[ ] = {[ ],[ ]} = 132,00. 106 (N/m2 )
31
(*) Xác định áp suất làm việc (áp suất trong thiết bị)
Môi trường là hỗn hợp hơi bão hòa – nước ngưng nên áp suất làm việc bằng tổng áp suất hơi (khí) và áp suất thủy tĩnh pl của chất lỏng.
= + ≈ , N/m2 Có Pmt = Phđ = 5,00 (at) = 5,00.98100 = 490500 (N/m2 ) Vậy = 490500 (N/ 2) ( Xác định chiều dày buồng đốt Ta có: [ ]. = 132,00.106. 0,95= 255,66 > 50 490500
Vì vậy bỏ qua Pb ở mẫu trong công thức tính S. Vây tính đươc chiều dày buồng đốt:
=
.
2. []. −
Quy chuẩn theo bảng XIII.9 [4-364] lấy S = 4mm
(*) Kiểm tra ứng suất thành thiết bị theo áp suất thử
Trong tất cả mọi trường hợp sau khi đã xác định được chiều dày thiết bị, ta cần kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bằng công thức XIII.26 [2-365]
=
Trong đó:
- Po: Áp suất thử được tính theo công thức XIII.27 [2-366]
= ℎ + 1 , N/m2
Với + Pth : áp suất thử thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [2-358]. Ta có Pth = 1,5.Pb = 1,5. 490500= 735750 (N/m2 )
+ P1 : áp suất thủy tĩnh của nước được tính theo công thức XIII.10 [2-360] P1 = ρ.g.H (N/m2 )
Tra bảng I.5 [1-11] với nước ở 25 oC được khối lượng riêng của nước tại 25 oC là = 997,08 (kg/m³)
Ta có: P1 = 997,08.9,81.(5 + 0,5) =53797,45 (N/m2 ) Suy ra Po = 735750 + 53797,45= 789547,45 (N/m2 ) Vậy ta có:
32
=
= 183,33. 106 ( / 2)
Vậy chiều dày phòng đốt là S = 4mm
1.4. Tính chiều dày lưới đỡ ống
Chiều dày lưới đỡ ống phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Yêu cầu 1: Giữ chặt ống sau khi nung, bền
′ =8 +5=38
8+5=9,75( )
Để đáp ứng yêu cầu này chọn chiều dày tối thiểu của mạng ống là S’ = 10 (mm)
- Yêu cầu 2: Chịu ăn mòn tốt
Để đáp ứng yêu cầu này thì chiều dày mạng ống là S = S’ + C = 10 + 1,40 = 11,40
(mm) . Chọn S= 12 mm
- Yêu cầu 3: Giữ nguyên hình dạng của mạng khi khoan, khi nung cũng như sau khi nung ống
Để thỏa mãn yêu cầu này thì cần đảm bảo tiết diện dọc giới hạn bởi ống là f ≥ fmin Tiết diện dọc giới hạn bởi ống là = . ( − ) ≥ = 4,4 + 12 ( 2)
Trong đó:
-S: Là chiều dày mạng ống, mm
-t: Là bước ống, t = .dn = 1,45. 38 = 55,1 (mm)
-dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn = 38 (mm) Suy ra
f = 12. (55,1 - 38) = 205,2 (mm2) fmin = 4,4.38 + 12 = 179,2 (mm2)
Vậy f ≥ fmin
- Yêu cầu 4: Bền dưới tác dụng của các loại ứng suất
Để thỏa mãn yêu cầu này ta tiến hành kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn với điều kiện
′
Trong đó:
-Pb: áp suất làm việc, N/m2
-dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m
33
Dựa vào hình vẽ ta có:
AB = t.cos300 = 55,1.√
23 = 47,72 (mm)
AD = t + ED = t + t.sin300 = t(1 + sin300 ) = 55,1.(1 + 0,5) = 82,65 (mm)
= + 22= 47,72+82,65= 65,12 ( )
Thay số vào công thức ta được:
σu = 1,4[σ] = 1,4.1,32. 108 = 184,8. 106 (N/m2 )
′
1.5. Tính chiều dày đáy buồng đốt
Dtr
hb
Đáy buồng đốt là thiết bị quan trọng của thiết bị thường được chế tạo cùng vật liệu với thân thiết bị, ở đây là thép không gỉ X18H10
Đáy nối với thân thiết bị bằng cách ghép bích.
Đáy chọn elip có gờ đối với thiết bị có thân hàn thẳng đứng chịu áp suất trong Chiều dày đáy phòng đốt được xác định theo công thức XIII.47 [2-385]:
=
Với điều kiện:
< ≤2,5 0,6 2ℎ
Trong đó
- Dt: Là đường kính trong buồng đốt, Dt= 1 m
- hb: Chiều cao phần lồi của đáy
34
Theo XIII.10 [4 – 382]: Dt = 1 m → hb = 250 mm
- [ ]: Ứng suất cho phép của vật liệu
- φh: Hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm, φh = 0,95
- k: Hệ số bền của đáy, được xác định theo công thức
k = 1 − (CT XIII.48 [4-385])
- d: Đường kính lỗ, tính theo đáy buồng đốt có cửa tháo dung dịch:
= √0,785. (m)
Trong đó:
- ω: Là vận tốc dung dịch ra khỏi nồi 1 => lấy ω = 0,6 (m/s)
- V: Lưu lượng dung dịch ra khỏi nồi 1, =
- ρ: Khối lượng riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1, ρ = 1006,3 (kg/ 3) =10800−4167,02 3600.1006,3 = 1,83.10−3 (m3/s) Do đó: = √1,83.10−3 = 0,062 (m) 0,785.0,6 => k = 1 −0,0621 = 0,938 Ta có:
- C: Hệ số bổ xung tính theo công thức XIII.17 [4-363], tăng thêm một ít tùy theo chiều dày. Khi 10 ≤ S – C ≤ 20 mm. C = 2 + 1,4 = 3,4 mm
- p: áp suất làm việc của thiết bị (p = p1 + ρdd.g. Hdd)
ρdd.g. Hdd: áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong buồng đốt Hdd = Hống + hb + h1= 5 + 0,25 + 0,5 = 5,75 m p1: áp suất của hơi thứ trong nồi, p1 = 1,59 at = 155979 (N/m2)
p = p
Xét:
[σ]. . ℎ
Nên có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu, vậy chiều dày đáy lồi phòng đốt là:
S =
Quy chuẩn theo bảng XIII.11 [4-384] lấy S = 5mm để dễ chế tạo và ghép nối
(Kiểm tra ứng suất theo áp suất thuỷ lực Po. Theo công thức XIII.49 [2-386]:
35
=
Với Po= 1,5p= 1,5. 212741,87=319112,76 (N/m2 ) Ta có:
=
Độ bền đảm bảo an toàn.
Thoả mãn điều kiện ứng suất thuỷ lực. Vậy chọn S = 5 (mm)
1.6. Tra bích lắp vào thân và đáy, số bu lông cần thiết để lắp ghép
Tra bảng XIII.26 [4-413] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
Py.10-6 (N/m2)
0,6
2. Buồng bốc nồi cô đặc2.1. Thể tích không gian hơi 2.1. Thể tích không gian hơi
Thể tích không gian hơi của buồng bốc được tính theo công thức VI.32 [2-71]