2. Tính toán và chọn thiết bị phụ
2.1.2. Bích nối buồng đốt với thân thiết bị
Chọn theo bảng XIII.27 - trang 419 - Tài liệu 4. Bích liền bằng thép, kiểu 1, ta được bảng dưới:
Dt D Db D1 Dn
Bulong Chiều cao
db z h 860 1000 925 870 819 M20 24 20 Db D1 Dt Dn D db h
2.1.3. Bích nối nắp với thân của thiết bị ngưng tụ
Chọn theo bảng XIII.27 - trang 420 - Tài liệu 4. Bích liền bằng thép, kiểu 1, ta được bảng dưới:
Dt D Db D1 Dn
Bulong Chiều cao
db z h
200 219 290 255 232 M12 8 14
2.2. Các đường ống dẫn cửa
2.2.1. Ống và cửa nhập liệu
Lưu lượng nhập liệu:
Vnl=3600.1023 .66178,13 =4.8.10−5m3/s
Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống m/s (trang 74 Tài liệu [2])
Vậy đường kính ống nhập liệu
dnl=√4.Vnl
π .ω =√4.4,8.10−5
π.1.5 =4,8. 10−3mm
Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 trang 435 Tài liệu [2] Đường kính trong 50 mm
Bề dày 3 mm
Chiều dài ống 80 mm
2.2.2. Ống và cửa tháo liệu
Lưu lượng tháo liệu:
Vtl=3600.1254,0819,79 =4,4. 10−6m3/s
Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống
ω=1 m/s (trang 74 Tài liệu [2]) Đường kính ống tháo liệu
dtl=√4.Vtl
π .ω=√4.4,4.10−6
π.1 =4,8. 10
−3mm
Đường kính trong 50 mm Bề dày 3 mm
Chiều dài 70 mm
2.2.3. Ống dẫn hơi thứ
Lượng hơi thứ 158,34 kg ( kg/m3) Vậy lưu lượng hơi thứ
Vht=0,2224.3600158,34 =0,21m3/s
Chọn vận tốc hơi đi trong ống vht = 20 m/s đường kính ống dẫn hơi thứ dht=√4.Vht π .vht=√4. 0,21 π.20 =0,11m=110mm Chọn dht = 80 mm Bề dày S = 4 mm Chiều dài 95 mm 2.3.4. Ống dẫn hơi đốt Lượng hơi đốt D = 197,38 kg
Khối lượng riêng hơi đốt ở 3 at kg/m3
lưu lượng hơi đốt
Vhd=ρD hd=1,628.4500197,38 =0,03m3/s Chọn vận tốc hơi đốt vhđ = 20 m/s đường kính ống dẫn hơi đốt dhd=√4.Vhd π .vhd=√4.0,03 π.20 =0,044m=44mm Chọn dhd = 70 mm Bề dày S = 4 mm Chiều dài 100 mm 2.3.5. Ống dẫn nước ngưng
Lượng nước ngưng mn = 158,34 kg Khối lượng riêng nước ngưng ở 132,9oC
lưu lượng nước ngưng
Vnn= 158,34
932,277.4500=3,8. 10
−5
Chọn vận tốc nước ngưng chảy trong ống vnn = 1.5 m/s đường kính ống dẫn nước ngưng
dnn=√4.Vnn π .vnn=√4.3,8.10−5 π.20 =1,5. 10 −3m=1,53mm Chọn dnn = 20 mm Bề dày S = 2,5 mm Chiều dài 70 mm 2.3. Thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm
Chọn kết cấu của bề mặt truyền nhiệt bình ngưng là chùm ống trơn bằng thép dài 1 m, đường kính ngoài dn=25 mmvà đường kính trong dt=20 mm.
Chọn nhiệt độ:
Nhiệt độ nước vào bình ngưng: tv = 20 0C Nhiệt độ nước ra bình ngưng: tr = 40 0C
Tính hệ số truyền nhiệt K
Ta có: Ght = 0,044 (kg/s)
r = 251,1.103 (J/kg): ẩn nhiệt ngưng tụ ( theo bảng I.249 – trang 310 – tài liệu 3)
Nhiệt lượng cần cấp để ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi thứ là: Qk = r.Ght = 251,1.103. 0,044 =11048 (W) Hệ số truyền nhiệt K= 1 1 α1+Σrv+a1 2 (W/m2độ) Trong đó :
α1: hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài ống truyền nhiệt (W/m2độ)
α2: hệ số trao đổi nhiệt bên trong ống truyền nhiệt (W/m2độ)
λ: hệ số dẫn nhiệt của vách (W/mK), λ = 17,5(W/m2độ)
- Tính nhiệt độ trung bình :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều : Chênh lệnh nhiệt độ đầu vào :
∆ t1=59,7−20=39,7℃
Chênh lệnh nhiệt độ ra vào :
∆ t2=59,7−40=19,7℃ ∆ tTB=∆ t1−∆ t2 ln∆ t∆ t1 2 =39,7−19,7 ln 39,7 19,7 =28,5℃
Nhiệt độ trung bình của nước trong thiết bị :
tntb=tn−∆ tTB=59,7−28,5=31,2℃
- Hệ số cấp nhiệt phía trong ống:
Các thông số của nước tại nhiệt độ 31,2 ℃
ρ = 995,68 kg/m3
μ= 0,784.10-3 N.s/m2
λ = 0,618 W/m.độ Cp = 4177,63 J/kg.độ
( theo bảng I.5 trang12, bảng I.102 trang 94, bảng I.139 trang 133, bảng I.149 trang 168 – tài liệu 3)
Chuẩn số Prandlt của nước:
Pr=Cp.μ λ =4177,63.0,784.10 −3 0,618 =5,3 Ta có :ℜ=ω.lv trong đó ω=π Gn 4.d2.n. ρ (m/s) Chuẩn số Nusselt : N u=0,021.εk.ℜ0,8. Pr0,43.( Pr PrT)0,25
Khi tính i v i ch t t i nhi t l ng ho c khí ta luôn ph i ch n ch ch y α đố ớ ấ ả ệ ỏ ặ ả ọ ế độ ả xoáy (Re > 104) m b o l n, ngoài ra khi ch n ch dòng ch y xoáy s để đả ả α ớ ọ ế độ ả ẽ
xoáy (Re >104) thu n ti n cho vi c truy n nhi t x y ra. Ch n Re = 11000ậ ệ ệ ề ệ ả ọ
Vì
L
d=0,021 =50≥50
Ch n ọ εk=1 ( theo b ng V.2 – trang 15 – tài li u 4)ả ệ
Thay s li u ta ố ệ được:
N u=0,021.1.110000,8.5,30,43.(5,3
PrT)0,25
=73,58.(5,3
Vậy hệ số tỏa nhiệt của nước là : α2=Nu. λd =73,68.0,0,6180,02 .10−2.(5,3 PrT)0,25 =2673,62(5,3 PrT)0,25 (W/m2độ) - Hệ số cấp nhiệt bên ngoài ống truyền nhiệt
α1=1,28.A .( r ∆ t1.d)0,25 Thực hiện phép tính lặp ta chọn ∆ t1=3℃ tv1 = 59,7 – 3 = 56,7 °C tm = 12 . (59,7 + 56,7) = 58,2 °C => A = 153,56 =>α1=1,28.153,56.(251,1.103 3.0,02 )0,25 =8407,8(W/m2độ) q1 = α1× Δt1 = 8407,8 × 3 = 25223,5 W/m2
Chênh lệnh nhiệt độ giữa 2 thành ống:
Δtv = q1 . Σrv = 25223,5 . 6,714 . 10-4 = 16,9 °C Nhiệt độ tường phía trước:
tv2= 56,7 – 16,9 = 39,8 °C
Nhiệt độ giữa thành ống và ống nước:
Δt2 = 39,8 – 31,2 = 8,6 °C
Các thông số của nước tại nhiệt độ tv2= 39,8 °C μ= 0,656.10-3 N.s/m2
λ = 0,634 W/m.độ Cp = 4176,9 J/kg.độ
( theo bảng I.102 trang 94, bảng I.139 trang 133, bảng I.149 trang 168 – tài liệu 3) Pr=Cp.μ λ =4176,9.0,656.10 −3 0,634 =4,32 α2=2673,62( 5,3 4,32)0,25 =2813,83(W/m2độ) q2 = α2× Δt2 = 2813,83 . 8,6 = 24198,93 W/m2 qtb = 12 (q1 + q2) = 12.(25223,5+24198,93) = 24711,22 W/m2 ss =¿ q1−qqtb 1 ∨¿ = ¿25223,525223,5−24711,22∨¿ = 0,02 = 2% (thỏa mãn) Vậy hệ số truyền nhiêt thực là:
K= 1 1 α1+Σrv+a1 2 = 1 1 8407,8+6,714. 10 −4+2813,831 =872,81(W/m 2độ)
F=K .∆ tQ
TB=872,81.28,511048 =0,44m2 Chọn số ống truyền nhiệt
n=π dF
nL=π.0,025.1,20,44 =6ống
Tra bảng V.11 – trang 48 – tài liệu 4 ta chọn n = 7 ống
Chọn cách sắp xếp vỉ ống
Chọn các sắp xếp vỉ ống theo đỉnh lục giác đều có số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 3
Bước ống t lấy bằng khoảng từ (1,2 ÷ 1,5). d t= 1,5 . 0,02 = 0,03 (m)
Xác định đường kính trong của vỏ thiết bị ống chùm
Vỏ trong của thiết bị được xác định bởi:
Dt = t.(b – 1) + 4.d = 0,03.(3– 1) + 4. 0,02 = 0,14 (m) Chọn Dt = 0,14 (m).
Xác định độ dày của vỏ ngoài thiết bị
Theo cơ sở tính toán thiết bị, thì thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong, nên chiều dày của vỏ được tính theo công thức:
Trong đó:
P – áp suất bên trong vỏ, bằng áp suất khí quyển: 0,1 (N/mm2); Dt – đường kính trong của vỏ: Dt = 140 (mm)
[σk] = 101 N/mm2 - ứng suất kéo cho phép của thép; φ – hệ số bền mối hàn giáp mối bằng máy: φ = 0,8; C – hệ số bổ sung: C = 2 (mm);
⇒δv= P . Dt
2[σk]φ+C=
140.0,1
2.101.0,8+2=2,1(mm)
Để đảm bảo độ bền cơ học chọn độ dày vỏ thiết bị là δv = 6 (mm)
Xác định kích thước vỉ ống
Chọn vỉ ống làm bích luôn cho thiết bị nên các kích thước của vỉ ống được tra theo bảng XIII.26 - trang 414 –tài liệu 4 ta có các kích thước là:
Đường kính tâm lỗ bulong: 225 (mm) do lấy 2 đệm làm kín nên chọn đường tròn đi qua lỗ bulong có đường kính là 218 (mm)
Độ dày của vỉ là δvỉ = 16(mm)
Tính bền cho vỉ theo kết cấu cứng được xác định theo công thức:
Trong đó:
[σu] - ứng suất uốn của thép: [σu] = 6.107 (N/m2) K – hệ số: K=1,162 P – áp suất: P = 0,1 (MN/m2) - hệ số do đục lỗ: φdl=t−dn t =0,03120,0312−0,025=0,23 ⇒δvi=√K . P(Dt2−m D2) 100[σu].φdl =√1,162.1 05(0,142−37.0,0 22) 100.6.107.0,23 =24(mm)
Với δvỉ = 24 (mm) là thỏa mãn độ bền về kết cấu cứng.
Xác định số lối ống
Lưu lượng nước cần:
Gn= Q
c .(tr−tv)=4177,63.11048(40−20)=0,13(kg/s)
Vận tốc của nước đi trong ống:
ω= 4Gc n . ρ. π .D2= 4.0,13 7.995,68. π.0,0 22=0,06¿ Chuẩn số Reynolds: Rett=ρ.ω. D μ =995,68.0,06 .0,020,784.10−3 =2841
Vậy số lối cần chia là:
n= ℜ
ℜtt=110002841 =4
Số lối chia là n = 4 (lối)
Tính lại chuẩn số Reynolds sau khi chia lối
ℜtt¿ 4Gn π . D .μ. m n = 4.0,13 π .0,022.0,784 .10−3.7 4 =11605,58≥11000
Tính đường kính trong của ống dẫn nước lạnh vào và ra
Vận tốc nước đi vào trong ống thiết bị chọn là v = 2 (m/s). Từ phương trình lưu lượng ta tính được đường kính trong của ống dẫn nước:
dn1=√ 4Gn
π . ρ .v=√ 4.0,13
3,14.995,68 .2=0,009(m)≈10¿
Ta lấy đường kính trong của ống dẫn nước ra là dn2 = 0,010 (m) = 10 (mm)
Xác định đường kính trong của ống tháo thứ ngưng
Đường kính trong của ống dẫn hơi vào thiết bị
Chọn vận tốc hơi vào thiết bị là vh1 = 10 (m/s) với lưu lượng Gh1 = 0,044 (kg/s) thì lưu lượng thể tích hơi thứ tương ứng là:
Gh2 = 4,4.10-5 (m3/s)
Chọn ống DN90 theo tiêu chuẩn ASTM
Chọn vận tốc thứ lỏng ra khỏi thiết bị là vh2 = 1,5 (m/s) thì đường kính trong của cửa ra thứ lỏng là:
dh2=√4Gh
π vh2=√4.4,4 .10−5
3,14.1,5 =6.10−3m=6mm
Chọn đường kính ống cửa hơi ra là ống DN8 theo tiêu chuẩn ASTM
Kích thước nắp thiết bị
- Nắp thiết bị chọn là hình elip cho phải chia thành nhiều lối, chọn nắp elip để giảm trở lực thủy lực hơn nắp phẳng. Nắp elip dễ chế tạo hơn nắp hình bán cầu.
- Chiều cao của nắp thiết bị: hb = 0,25.D = 0,25.140 = 35 (mm). - Chọn chiều cao nắp thiết bị là 35 (mm).
2.4. Tính toán chọn tai treo
Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3
Tai treo được hàn vào thiết bị, chọn số gân là 2 Tra bảng XII.7 – 313 – tài lệu 4
Khối lượng riêng của thép CT3; ρ=7850 kg/m3
Khối lượng riêng của thép không rỉ X18H10T :ρ=7900kg/m3 Khối lượng tổng cộng: M= MTB+Mdd
2.4.1. Tính khối lượng MTB
- Khối lượng buồng đốt:
П
4 . H .¿-Dt2).ρ = 3,144 . 0,5 .(0,862- 0,8462).7900 = 74 kg - Khối lượng buồng bốc
П
4 . H .¿-Dt2).ρ = 3,144 . 0,6.(0,762- 0,722).7900 = 54 kg Tra bảng X.III.11 – trang 384 – tài liệu 4
- Khối lượng nắp S= 5 mm, Dt= 720mm => M3= 24 kg - Khối lượng đáy S=7 mm, Dt= 797 mm => M4= 30 kg - Khối lượng động cơ và cánh khuấy => M5 = 40kg - Khối lượng các chi tiết phụ khác => M9= 32kg Mtb= 74 + 54 + 24 + 30 + 40 + 32 = 254 kg
2.4.2. Tính Mdd
Mdd = 178,13kg
Vậy tổng khối lượng nồi cô đặc là : M = 432,13kg Chọn 4 tai treo. Tải trọng cho mỗi tai treo:
G=9,81.432,1 34 =1059,8N
Chọn G =1.104kg Tra bảng X.III.36 – trang 438 – tài liệu 4 Thông số tai treo cho TB thẳng đứng
L= 110mm, B= 85mm, B1= 90mm, H= 170mm, S= 8mm, l= 40mm, a= 15mm, d= 18mm
2.5. Chọn đệm
Đệm để làm kín mối ghép bích, nó được làm bằng các vật liệu mềm dễ biến dạng. Chọn đệm paronit có bề dày S = 3 mm
2.6. Chọn kính quan sát
Vật liệu chế tạo là thép X18H10T và thủy tinh. Đường kính quan sát là 150 mm.
Kính được bố trí sao cho mực chất lỏng có thể nhìn thấy. Do đó, có 2 kính giống nhau ở 2 bên buồng bốc tạo thành góc 180
2.7. Tính toán cánh khuấy
Đối với cao ba kích là dung dịch đặc, có độ nhớt cao nên ta sử dụng cánh khuấy mái chèo, tốc độ chậm.
Vật liệu: Trục ở đây được chọn inox 304 để chế tạo [σ]= 600MPa ứng suất uốn cho phép, [τ]=14 N/mm ứng suất xoắn cho phép.
Đường kính sơ bộ trục được xác định theo [3], công thức 10.4, trang 351]:
d ≥√3 5T τ mm
Với 𝑃1- công suất động cơ (P1= 1,5 kW) n- số vòng quay (n= 80 v/ph)
=> T = 9,55 . 106 P1 n
Thay vào ta được:
d ≥√3 5.179062,5
14 =39,99mm
Vậy để đảm bảo an toàn ta chọn d = 40 mm - Kích thước trục 1: Đường kính trục: d = 35 mm Độ dài trục: 1180 mm - Kích thước trục 2: Đường kính trục: d = 45 mm Độ dài trục: 300 mm
- Chọn cánh khuấy mái chèo . Kích thước cánh khuấy
Chiều cao cánh h = 400 mm
Đường kính cánh d = 670 mm
Chiều rộng cánh: b = 30 mm - Chọn động cơ khuấy:
Tốc độ motor điện 1400 (4 cực điện- 4 poles tua chậm)
Đường kính cốt (trục) của motor 25 mm
Cường độ dòng điện lúc chưa có tải là 7.8-8.3 Ampe
Hệ số bảo vệ bụi và nước IP 54,cấp chịu nhiệt F, chế độ làm mát toàn phần
Trọng lượng motor 22 kg
Nguyên liệu: tôn silic xanh cán nguội, dây đồng cách điện (dây ê may)
Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ chân đế dọc trục 140 mm
Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ chân đế ngang trục 160 mm
2.8. Tính toán chọn bơm chân không.
Ta chọn bơm cho hệ thống là bơm pít-tông tác dụng đơn (một chu kì hút đẩy). Theo 1.1 – trang 5 – tài liệu 3, năng lượng cần thiết để dịch chuyển lượng khí cần thiết ra khỏi thiết bị được tính theo công thức:
[J.m-3]
Trong đó: P1 = 20000 [N.m-2], P2 = 100000 [N.m-2] – Áp suất không khí tại đầu vào và ra của bơm.
[kg.m-3] – khối lượng riêng không khí. g = 10 [m.s-2] – gia tốc trọng trường.
H1 = H2 = 13.6 [m] – chiều cao tại đầu vào và ra của bơm so với điểm hút.
C1 = 0 [m.s-1], C2 = 10 [m.s-1] – Vận tốc khí đầu vào và ra của bơm.
Thay số vào công thức ta có:
[J.m- 3]
E = 80065 [J.m-3]
Lượng khí cần hút ra Wkh = 8 [m3.h-1] = 2,3.10-3 [m3.s-1] Suy ra công suất theo lý thuyết của bơm là:
Pbơm = E . Wkh = 80065 . 2,3.10-3 = 185 [W]
Công suất thực tế cần: [W] Với là hệ số hiệu dụng tổng. Hệ số hiệu dụng tổng:
Trong đó: - hệ số hiệu dụng thể tích, chọn . - hệ số hiệu dụng áp suất, chọn . - hệ số hiệu dụng cơ học, chọn .
(theo 3.21 – trang 24 – tài liệu 3)
Thay số vào ta có:
Công suất thực tế cần:
[W]
KẾT LUẬN
Về phương pháp tính toán, phần tính toán sử dụng dựa trên các tài liệu đáng tin cậy của các tác giả có nhiều năm kinh nhiệm giảng dạy và thực tế. Các thông số về kích thước cơ bản đã được tính một cách rõ ràng và logic. Các số liệu sau khi tính toán đã được sự góp ý của giảng viên hướng dẫn để phù hợp hơn với thực tế.
Về phương diện thiết kế, bản vẽ đã trình bày rõ về hình dạng cũng như các kích thước cơ bản của thiết bị; phóng to một số các kết cấu quan trọng như: các kết cấu ghép của các mặt bích.
Tuy nhiên, phần tính toán thiết kế vẫn còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Ngoài ra, do kinh nghiệm thiết kế cũng như thực tế còn thiếu nên không thể tránh khỏi những thiếu sót không đáng có. Vì vậy, trong thời gian tới, em sẽ tiếp tục học hỏi các kiến thức và kĩ năng cần thiết để phần tính toán thiết kế thêm đầy đủ, hoàn thiện và sát hơn với thực tế.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy Lê Ngọc Cương đã cho em những gợi ý, những lời khuyên và những kiến thức thực tế hữu ích để em có thể hoàn thành tốt đồ án chuyên ngành của mình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. NXB Đại học Quốc gia TP. HCM ,(2004), Bảng tra cứu quá trình cơ học, truyền nhiệt và truyền khối.
[2]. Tôn Thất Minh, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tân Thành, (2016), Giáo trình các quá trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm & công nghệ