Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống, đặt nằm ngang, gồm 1 pass phía vỏ và 4 pass phía ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, gồm 61 ống xếp vòng lục giác, xếp thành 4 vòng, số ống trên đường xuyên tâm là 9. (ST2_V.11/49)
Chọn đường kính ngồi của ống dng = 0,025m, đường kính trong của ống dtr = 0,021m Bước ống, chọn : t = 1,2.dống = 1,2.0,025 = 0,03 m
Đường kính trong của thiết bị ống chùm ( ST2_V.141/49 ) D = t.(b-1) + 4d = 0,03.(9-1) + 4.0,025 = 0,34 m
→ Chọn D = 0,4 m
Nhiệt độ vào là tv = 25C và ra là tr = 40C. Sản phẩm đỉnh đi trong ống 25x2 (ống ngoài) với nhiệt độ vào là tDv = 65,03C và nhiệt độ ra là tDr = 40C.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo cơng thức: 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡
𝐾.∆𝑡̅̅̅ ( ST2_V.1/3 ) Hiệu số nhiệt độ trung bình:
∆𝑡 ̅̅̅ =∆𝑡1−∆𝑡2 𝑙𝑛 (∆𝑡1 ∆𝑡2) =(65,03−40)−(40−25) 𝑙𝑛 (65,03−4040−25 ) = 16,59℃ ( ST2_V.8/5 ) Tính 𝜀(1−4): 𝑅 =𝑇𝐷1 − 𝑇𝐷2 𝑇2 − 𝑇1 =65,03−40 40−25 = 1,67 (ST6_3.61/192) 𝑆 = 𝑇2 − 𝑇1 𝑇𝐷1 − 𝑇1 = 40 − 25 65,03 − 25= 0,37 (ST6_3.61/192) 𝜀(1−4) = √𝑅 2+1.𝑙𝑛1 − 𝑅𝑆1 − 𝑆 (𝑅−1).𝑙𝑛2 − 𝑆.(𝑅+1 − √𝑅2+1) 2 − 𝑆.(𝑅+1+√𝑅2+1) = 0,82 (ST6_3.71/192)
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
𝐾 = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝐷 ( ST2_V.5/3 ) Trong đó:
𝛼𝑁: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.K) 𝛼𝐷: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.K) ∑ 𝑟𝑡: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu (m2.K/W)
Nhiệt lượng cần tải:
𝑄𝑡 = 𝐺𝐷. 𝐶𝐷. (𝑡𝐷𝑣− 𝑡𝐷𝑟) = 447,17.2755,5. (65,03 − 40) = 30841,39 (𝑘𝐽
ℎ)
* Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đi trong ống
Các thông số của sản phẩm đỉnh tại nhiệt độ tDtb = (65,03 + 40)/2 = 52,52oC: Suất lượng đỉnh GD = 447,17/3600 = 0,124 (kg/s)
Nhiệt dung riêng CD = 2726,34 (J/kg.oC) Khối lượng riêng ρD = 762,73 (kg/m3) Độ nhớt động lực µD = 0,385.10-3 (N.s/m2 )
Hệ số dẫn nhiệt λD = 0,206 W/m.oC ( nội suy ST1_ bảng I.130/134) Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống:
𝜈𝐷 = 4𝐺𝐷 𝜌𝐷𝜋4𝑛𝑑𝑡𝑟2= 4.0,124 762,73.𝜋4.61.0,0212= 0,03 (m/s) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐷 =𝜈𝐷.𝑑𝑡𝑑.𝜌𝐷 𝜇𝐷 =0,03.0,021.762,73 0,385.10−3 = 1248,1 < 2300 (ST2_V.36/13) → Chế độ chảy dịng, chuẩn số Nusselt được tính theo cơng thức:
𝑁𝑢 = 0,15. 𝜀1. 𝑅𝑒0,33. 𝑃𝑟0,43. 𝐺𝑟0,1. (𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑡)0,25 (ST2_V.45/17) Chuẩn số Gratkov: (ST2_V.39/13) 𝐺𝑟 =𝑔. 𝑑ố𝑛𝑔 3 . 𝜌𝐷2. 𝛽. ∆𝑡𝐿 𝜇𝐷2 =9,81. 0,021 3. 762,732. 1,25. 103. 10 (0,385. 10−3)2 = 4,5. 1012
Tra ST1_Bảng I.235/285, hệ số giãn nỡ thể tích của sản phẩm đỉnh coi như là methanol ở 52,52oC: 𝛽 = 1,25.103oC-1
Với:
𝜀1: hệ số phụ thuộc vào ReD và tỉ số L/dtr. Giả sử L/dtr > 50, nên 𝜀1= 1. PrD: Chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 52,52C
𝑃𝑟𝐷 =𝜇𝐷.𝐶𝐷
λD =0,385.10−3.2726,34
0,206 = 5,1 ( ST2_V.35/12 ) → 𝑁𝑢𝑛 = 66,75
𝑃𝑟𝑤0,25
Hệ số cấp nhiệt của nước ngoài chùm ống : 𝛼𝐷 =𝑁𝑢𝐷.λD
𝑑𝑛𝑔 = 66,75.0,206
𝑃𝑟𝑤0,25.0,021 = 654,8
𝑃𝑟𝑤0,25 (W/m2.oC) (ST2_V.33/11) Nhiệt tải phía nước lạnh:
𝑞𝐷 = 𝛼𝐷. (𝑡̅ − 𝑡𝐷 𝑤1) = 654,8
* Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi ngồi ống
Các thơng số của nước ở nhiệt độ trung bình tNtb = (tv + tr) = (25+40)/2 = 32,5oC Nhiệt dung riêng Cn = 4180,9 J/kg.oC ( Nội suy ST1_Bảng I.147/165 ) Khối lượng riêng ρn = 995,2 kg/m3 ( Nội suy ST1_ Bảng I.2/ 9 ) Độ nhớt động lực μn = 0,765.10-3 N.s/m2 ( Nội suy ST1_Bảng I.101/91 ) Hệ số dẫn nhiệt λn = 0,62 W/m.oC ( Nội suy ST1_Bảng .129/133 ) 𝐺𝑛2 =𝐷̅.𝐶𝐷.(𝑡𝐷−𝑡𝐷′)
𝐶𝑛.(𝑡2−𝑡1) =447,17.2726,34.(65,03−40)
4180,9.(40−25) = 486,58 (kg/h) Vận tốc thực tế của nước ở ngoài ống:
𝜈𝑛 = 4.𝐺𝑛2 𝜌𝑛.𝜋.𝑑2𝑡𝑑 = 4.486,58 995,2.𝜋.(0,42−61.0,0252).3600= 1,42.10-3 (m/s) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝑛 =𝜈.𝑑𝑡𝑑.𝜌𝑛 𝜇𝑛 =5,22.10−3.√0,42−61.0,0252.995,2 0,765.10−3 = 2270,7 < 2300 ( ST2_V.36/13) → Chế độ chảy dịng, chuẩn số Nusselt được tính theo cơng thức:
𝑁𝑢 = 0,23. 𝜀𝜑. 𝑅𝑒0,65. 𝑃𝑟0,33. (𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡)0,25 ( ST2_V.47/18 ) Với:
𝜀𝜑: hệ số tính đến ảnh hưởng của góc 𝜃 ( giả sử 90o ) nên 𝜀𝜑 = 1.
Prn: Chuẩn số Prandlt của nước ở 32,5oC, Prn = 4,75 (ST2_ Hình V.12/12) Prw: Chuẩn số Prandlt của nước ứng với nhiệt độ trung bình của vách.
→ 𝑁𝑢𝑛 = 46,4
𝑃𝑟𝑤0,25
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: 𝛼𝑛 =𝑁𝑢𝑛.λn
𝑑ố𝑛𝑔 = 46,4.0,62
𝑃𝑟𝑤0,25.0,025=1150,72
𝑃𝑟𝑤0,25 (W/m2.oC) Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
𝑞𝑛 = 𝛼𝑛. (𝑡𝑤2− 𝑡𝑛𝑡𝑏) =1150,72
𝑃𝑟𝑤0,25. (𝑡𝑤2− 32,5) (**) Với tw2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước ở phía trong ống.
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
𝑞𝑡 =𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
∑ 𝑟𝑡 (W/m2)
Với: tw1 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu ở ngoài ống và ∑ 𝑟𝑡 =𝛿𝑡
𝜆𝑡+ 2𝑟 Bề dày thành ống: 𝛿𝑡 = 0,002 m
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: 𝜆𝑡 = 17,5 (W/m.oK) (ST3_Bảng 28/28) Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống: r =1/5000 (m2.oK/W) (ST2_V.1/4) Suy ra: ∑ 𝑟𝑡 = 5,14.10-4 (m2.oK/W). Vậy qt = 1944,44 (𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤2) (***)
Từ (*),(**),(***) tính lặp để tìm tw1 và tw2. Chọn tw1 = 41,41oC
Các thông số của sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ tw1: Nhiệt dung riêng 𝐶𝑤1 = 2676,35 J/kg.oC
Độ nhớt động lực µw1= 0,442. 10−3N. s/m2
Hệ số dẫn nhiệt 𝜆𝑤1 = 0,208 𝑊/𝑚𝐾 ( nội suy ST1_ bảng I.130/134) 𝑃𝑟𝑤1 =𝜇𝑤1.𝐶𝑤1
𝜆𝑤1 =0,442.10−3.2676,35
0,208 = 5,69 ( ST2_V.35/12) Từ (*) → qD = 4710,26 (W/m2)
Xem như nhiệt mất mát không đáng kể: qt = qD = 4710,26 (W/m2) Từ (***) → tw2 = 38,99oC → twtb = (41,41+38,99)/2 = 40,2oC → Prw2 = 5,77 (ST2_V.12/12)
Từ (**) → qn = 4818,59 (W/m2)
Kiểm tra sai số: 𝜀 =|𝑞𝑛−𝑞𝐷|
𝑞𝐷 . 100% = 2,3% < 5% (thoả)
Vậy tw1 = 41,41oC và tw2 = 38,99oC
Khi đó: αn = 742,46 (W/m2.C) và αD = 422,49 (W/m2.C) Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
𝐾 = 1 1 742,46+5,14.10−4+422,491 = 198,53 (W/m2.oC) (ST2_V.8/5) Bề mặt truyền nhiệt: ( ST6_3.72/192 ) 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡 𝐾.∆𝑡̅̅̅.𝜀(1−4) = 8567,05 198,53.16,59.0,82= 6,34 m2 Chiều dài ống: 𝐿 = 𝐹𝑡𝑏 𝜋. 𝑛.(𝑑𝑛+ 𝑑𝑡𝑟)/2= 1,61 (𝑚)
Chọn chiều dài ống là 2 m, đường kính trong của vỏ tiêu chuẩn Dtr = 0,4 m. Kiểm tra lại tỉ số L/Dtr:
𝐿 𝐷𝑡𝑟 = 2