CHƯƠNG 4 : TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
4.3. Thiết bị gia nhiệt hỗnhợp đầu
- Chọn thiết bị gia nhiệt dịng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt vỏ ống đặt nằm ngang.
- Dùng hơi nước bão hịa cĩ áp suất tuyệt đối 2at ngưng tụ ngồi ống, dịng nhập liệu đi trong ống. Ống truyền nhiệt gồm 19 ống được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống: 38x3mm.
- Các thơng số của hơi ngưng tụ:
Nhiệt độ ngưng tụ: th = 119,6oC.
Ẩn nhiệt ngưng tụ: rh = 2208*103(J/kg). - Các thơng số của dịng nhập liệu:
Nhiệt độ vào: tV = 30oC.
Nhiệt độ ra: tR = 90,42oC.
Lưu lượng GF = 2427,3 (kg/h).
- Nhiệt độ trung bình của dịng nhập liệu: ttb = (𝑡𝑉 + 𝑡𝑅)
2 = 30+90,42
2 = 60,20C
- Các thơng số vật lý của dịng nhập liệu được tra ở nhiệt độ trung bình. - Nhiệt dung riêng: cF = 4059,484 (J/kg.độ).
Khối lượng riêng: F = 953,727 (Kg/m3).
Độ nhớt động lực: F = 6,751*10-4 (N.s/m2).
Hệ số dẫn nhiệt: F = 0,614 (W/mđộ). - Nhiệt lượng cung cấp cho dịng nhập liệu:
QF = GF*CF*(tR - tV) = 2427,3*4059,484*(60,21 - 30) = 297676818,4 (J/h). - Suất lượng hơi nước cần dùng để gia nhiệt:
GN = 𝑄𝐹
𝑟 = 297676818,4
2208∗103 = 134,817 (Kg/h). - Xác định bề mặt truyền nhiệt:
Ftb = 𝑄𝐹
𝐾∗∆𝑡𝑙𝑜𝑔 (𝑚2) (1)
Trong đĩ:
K: hệ số truyền nhiệt.
tlog: nhiệt độ trung bình logarit.
a. Xác định tlog
- Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
∆𝑡𝑙𝑜𝑔 = (119,6−30)−(119,6−90,42) 𝑙𝑛 119,6−30 119,6−90,42 = 53,8560C b. Xác định hệ số truyền nhiệt K K = 1 1 𝛼𝑁+∑𝑟𝑡+ 1 𝛼𝐹 ( 𝑊 𝑚2độ) (2) Trong đĩ:
αF : hệ số cấp nhiệt của hỗn hợp đầu trong ống (W/m2độ).
N : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2độ).
rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
- Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
Vận tốc hỗn hợp đầu đi trong ống: VF = 𝐺𝐹 3600𝜌𝐹 ∗ 4 𝜋∗𝑑𝑡𝑟2 ∗19 = 2427,3∗4 3600∗953,727 ∗𝜋∗0,0322∗19 = 0,046 (m/s) Chuẩn số Reynolds: ReF = 𝑉𝐹𝑑𝑡𝑟𝜌𝐹 𝐹 = 0,046∗0,032∗953,727 6,751∗10−4 = 2079,523 Xác định chuẩn số Nusselt:
Vì 2300 < ReF < 104: chế độ chảy quá độ, cơng thức xác định chuẩn số Nusselt là:
NuF = 𝑘𝑜1𝑃𝑟𝐹0,43(𝑃𝑟𝐹
𝑃𝑟𝑤)0,25
Trong đĩ:
Dựa vào phương pháp nội suy T16 [2] ta cĩ: k0 = 2,47.
1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào 𝑅𝑒𝐹 và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống.
ReF = 2079,523 𝑣à 𝐿
𝑑𝑡𝑟 = 2
0,032 > 50 nên 1 = 1. 𝑃𝑟𝐹 : chuẩn số prandlt của hỗn hợp đầu ở 60,21oC ⇒ PrF = 𝐶𝐹𝐹
𝜆𝐹 = 4059,484 ∗6,751∗10−4
0,614 = 4,436.
𝑃𝑟𝑤 : chuẩn số prandlt của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ trung bình của vách ⇒ NuF = 2,47*1*4,4630,43*(4,463
𝑃𝑟𝑤)0,25 = 22,919 𝑃𝑟𝑤0,25
Hệ số cấp nhiệt của hỗn hợp đầu trong ống: 𝛼𝐹 =𝑁𝑢𝐹𝜆𝐹
𝑑𝑡𝑟 =22,919∗0,614
𝑃𝑟𝑤0,25∗0,032 =439,758
𝑃𝑟𝑤0,25 (3)
Nhiệt tải phía hỗn hợp đầu:
qF = 𝛼𝐹(𝑡𝑤2− 𝑡𝑡𝑏) = 439,758
𝑃𝑟𝑤0,25 (tw2 – ttb)
( tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hỗn hợp đầu trong ống) - Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu cặn:
qt = 𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
∑𝑟𝑡 (𝑊/𝑚2)
Trong đĩ:
𝑡𝑤1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước ngưng tụ (ngồi ống).
∑𝑟𝑡 = 𝑟1 +𝛿𝑡
𝜆𝑡 + r2 Bề dày thành ống: t = 3(mm).
Hệ số dẫn nhiệt của thép khơng gỉ: t = 16,3 (W/mđộ).
Nhiệt trở của lớp bẩn bám ở hai bên tường ống xem như khơng đáng kể, cĩ thể bỏ qua.
⇒ ∑𝑟𝑡 = 0,003
16,3 = 1,84*10-4 (m2.độ/W) ⇒ qt = 𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
1,84∗10−4 (4) - Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ:
𝛼ℎ = 1,28𝐴√ 𝑟ℎ (𝑡ℎ − 𝑡𝑤1)𝑑𝑛𝑔 4 = 111,754𝐴 (119,6 − 𝑡𝑤1)0,25 Trong đĩ:
Ẩn nhiệt ngưng tụ: rh = 2208*103(J/kg).
Trị số A đối với nước tra bảng ở nhiệt độ màng ngưng: tm = 𝑡ℎ+𝑡𝑤1
2
Nhiệt tải ngồi thành ống:
qh = 𝛼ℎ (119,6 – tw1) = 111,75*A(119,6 – tw1)0,75 (5)
Từ (3), (4), (5) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2 : Chọn: tw1 =118,5oC ⇒ tm =119,05oC ⇒ Khi đĩ: A = 186,393.
Từ (5): qh = 111,75*186,393*(119,6 - 118,5)0,75 = 22912,359 (W/m2). Xem nhiệt tải mất mát là khơng đáng kể: qt = qh = 22912,359 (W/m2). Từ (4) ya cĩ tw2 = tw1 - ∑𝑟𝑡𝑞𝑡 =113,8380C.
- Các tính chất lý học của hỗn hợp đầu được tra ứng với nhiệt độ tw2 =113,834
Nhiệt dung riêng: cF = 4179,353(J/kg.độ).
Độ nhớt động lực: F = 6,494*10-4 (N.s/m2).
Hệ số dẫn nhiệt: F = 0,264(W/mđộ). Từ (3) ⇒ qF = 439,758
10,25 (113,834 − 60,21) = 23581,583(𝑊/𝑚2)
- Kiểm tra sai số: = |𝑞𝐹−𝑞ℎ| 𝑞ℎ = |23581,583−22912,359| 22912,358 = 2,917% < 5% (thỏa). ⇒ tw1 = 118,5oC và tw2 = 113,834oC. Khi đĩ: 𝛼ℎ = 111,754∗186,393 (119,6−118,5)0,25 = 20339,698 (W/m2.độ). 𝛼𝐹 = 439,758 10,25 = 439,758 (W/m2.độ) Từ (2) ⇒ K = 1 1 20339,686+1,84∗10−4+ 1 439,758 = 398,86 (W/m2.độ). Từ (1) ⇒ Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Ftb = 297676818,4
398,86∗53,856∗3600 = 3,849 (m2). Vậy chiều dài ống truyền nhiệt :
L’ = 3,849 𝜋∗19∗0,032+0,038
2
= 1,84m.
Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của aceton khi cĩ kể đến sự ảnh hưởng của sự sắp sếp, bố trí ống. Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo dạng lục giác đều,vậy với 19 ống thì ta sếp được 5 hàng.
Số ống trung bình trong 1 hàng: 19
5 = 3,8. Tra tài liệu tham khảo[2], ta cĩ tb = 0,764.
Khi đĩ: h = 0,764 * 20339,698= 153059,529 (W/m2.độ).
Tính lại hệ số truyền nhiệt K từ (2), ta cĩ: K = 398,86 (W/m2độ). Suy ra bề mặt trung bình: Ftb = 4,364 (m2).
Khi đĩ: chiều dài ống truyền nhiệt: L’ = 4,364
𝜋∗19∗0,038+0,032 2
= 2,088 (m) < 3(m) thỏa Vậy:
- Thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt vỏ – ống gồm n=19(ống), dài L = 3(m).
- Ống được bố trí theo hình lục giác đều nên ta cĩ số ống trên đường chéo hình lục giác: b = 5(ống).
- Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,5*dng = 1,5*0,038 = 0,057 (m). - Đường kính vỏ thiết bị: Dv = t(b-1)+4dng=0,048*(5- 1)+4*0,038= 0,344(m).