CHƯƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
4.2.9. Bích ghép các ống dẫn
Thơng số của bích được chọn theo (tra bảng XIII.26, trang 409, [2]). Bảng 4.1.4. Kích thước bích ghép các ống dẫn. Ống Dy Dn D Dδ D1 h Bulong db Z mm cái Ống nước vào 100 108 230 190 162 14 M20 8 Ống nước ra 100 108 230 190 162 14 M20 8 Ống lỏng ngưng 100 108 230 190 162 14 M20 8 Ống hơi vào 125 133 245 210 188 14 M16 8 4.2.10. Vỉ ống
Chọn vỉ ống hình trịn phẳng và vật liệu làm ống là thép CT3, bố trí theo hình tam giác đều.
Đường kính vỉ ống bằng đường kính trong của thiết bị: D = Dt= 500 mm. Đường kính ngồi của ống truyền nhiệt: dng= 25 mm.
Bề dày tối thiểu của vỉ ống (8-51, trang 182, [5]).
Vậy chọn bề dày thực của vỉ ống là 20 mm.
4.2.11. Vách ngăn lưu chất phía vỏ
Để tạo chuyển động cắt ngang qua đường ống, tăng cường quá trình trao đổi nhiệt, chống rung động cho các ống và đỡ các ống khỏi bị cong xuống người ta lắp các tấm ngăn hình vành khăn, viền khăn hay đĩa.
Ở đây ta chọn 1 tấm ngăn hình viên phân, INOX 304.
Tấm ngăn hình viên phân được cắt một khoản h = 25% Dngăn. Các lỗ trên tấm ngăn thường có đường kính lớn hơn đường kính ống chừng 1mm.
Hình 4.4. Ngăn hình viên phân.Các thơng số kích thước (Tra bảng 1.2, 1.3 trang 22, [6]) ta được: Các thơng số kích thước (Tra bảng 1.2, 1.3 trang 22, [6]) ta được: Đường kính vách ngăn: Dngăn= 497 mm.
Bề dày tối thiểu của vách ngăn: 8 mm.
4.2.12. Bố trí tấm ngăn phía ống ở đáy (nắp)
Tấm ngăn nhằm tạo pass (chặng) cho lưu chất phía ống. Chúng có thể bố trí kiểu rẽ quạt, đồng tâm hay cát tuyết.
Chọn cách bố trí song song cho các tấm ngăn ở nắp, sử dụng tấm hình elip dày 10mm bằng INOX 304.
4.2.13. Tính tốn trở lực
4.2.13.1. Tổn thất do ma sát
∆pms = ρ. λ.L.ωtt2
Trong đó: ρ - khối lượng riêng của nước tại 350C là 993,5 J/kg.
ωtt- vận tốc dòng nước đi trong ống là 0,24 m/s.
L - chiều dài một ống truyền nhiệt nhân với số chặn 3 . 4 = 12 m. dtr- đường kính trong ống truyền nhiệt 0,020 m.
λ - hệ số ma sát của dịng nước vào thành ống. Ta có:
���
� =20��0,1 = 200với �-độnhám tuyệtđối (bảng II.15, trang 381, [1]).
Khu vực chảy quá độ Regh< Re < Renvới ���
� = 200 (nội suy bảng II.14, trang 379, [1]). Ta được: λ = 0,036. ∆pms = (993,5kg/m3). 0,036.12m. (0,24m/s)(0,02m). 2 2 = 618 N/m2. 4.2.13.2 Tổn thất trở lực cục bộ ∆pcb = ξ ×ρ×ωtt2 2 (II.56, trang 377, [1]). ξ = ξ1+ ξ2 + 3ξ3 + 3ξ4 + ξ5.
Trong đó (Tra bảng II.6, trang 382, [1]):
ξ1: là trở lực do đột mở cửa vào, ξ1= 0,25 vớiF0
F =100200 = 0,5 (bảng No11, trang 387, [1]). ξ2: là trở lực do đột thu khi nước đi từ nắp vào chùm ống, ξ2= 0,47 vớiF0
F =20020 = 0,1 (nội suy bảng No13, trang 388, [1]).
ξ3: là trở lực đột mở khi nước từ ống chùm đi ra khoang nắp, ξ3= 0,943 với F0
F =60020 = 0,03(nội suy bảng No12, trang 387, [1]).
ξ4: là trở lực đột thu khi nước đi từ khoang nắp vào chùm ống, ξ4= 0,493 vớiF0
F =60020 = 0,03(nội suy bảng No13, trang 388, [1]).
ξ5: là trở lực đột mở khi nước đi từ chùm ống ra nắp, ξ4= 0,81 với F0F =20020 = 0,1 (nội suy bảng No12, trang 387, [1]).
ξ6: là trở lực đột thu cửa ra, ξ6= 0,30 vớiF0
F =100200= 0,5 (bảng No13, trang 388, [1]). ξ7: là trở lực do đối chiếu 1800giữa các lối, ξ6= 2,5
� = �1+ �2 + 3�3+ 3�4+ �5 + �6 + �7 =
= 0,25 + 0,47 + 3.0,943 + 3.0,493 + 0,81 + 0,3 + 2,5 = 8,638.
Vậy tổng trở lực cục bộ là:
∆pcb = ξ .ρ × ω2 tt2 = 8,638 ×(993,5kg/m32). (0,24m/s)2 = 247,2 N/m2.
4.2.14. Chân đỡ
4.2.14.1. Tính tốn sơ bộ khối lượng thiết bị
Bảng 4.2.6. Thơng số cơ tồn thiết bị.
Đối tượng Vật liệu h (mm) Dt(mm) Dn(mm) Z
Thân thiết bị INOX 304 4 500 508 1
Nắp (đáy) INOX 304 4 500 508 1x2
Bích ghép nắp (đáy) INOX 304 20 630 1x2
Bu lơng ghép bích CT3 M20 20x2
Ống truyền nhiệt INOX 304 2,5 20 25 91 Ống Dy Dn D Dδ D1 h l Bulong db Z mm cái Ống nước vào 100 108 230 190 162 14 120 M20 8 Ống nước ra 100 108 230 190 162 14 120 M20 8 Ống lỏng ngưng 100 108 230 190 162 14 120 M20 8 Ống hơi vào 125 133 245 210 188 14 120 M16 8
Khối lượng riêng của thép không gỉ INOX 304: ρ304= 7930 kg/m3. Khối lượng riêng của thép CT3: ρCT3= 7850 kg/m3.
Khối lượng của 1 nắp (đáy): mn= 10 kg (bảng XIII.11, trang 384, [2]). Khối lượng của 1 chặn ở nắp (đáy):
mcn =π2 .Dt(nắp)2 . L. h. ρ304 =π2 .(0,5m)2 . (0,140m). (0,01m). (7930kg/m3) = = 4,4 kg.
Khối lượng 1 bích ghép thân và nắp (đáy):
mbích =π4 . D2− Dn2 . h. ρ304 =
mthân =π4. Dn2 − Dt2 . l. ρ304 =
=π4. (0,508m)2 − (0,500m)2 . (3m). (7930kg/m3) = 150,7 kg.
Khối lượng 1 vỉ ống:
mvỉ=π4 . D2. h. ρCT3 =π4 . (0,630m)2. (0,02m). (7850kg/m3) = 48,9 kg.
Khối lượng của 1 chặn ở vỏ thiết bị:
mcv =34.π4. (Dngăn2 − 91. Dng2 ). h. ρ304 =
=34.π4. [(0,497m)2− 91. (0,025m)2). (0,008m). (7930kg/m3) = = 7,1 kg.
Khối lượng của chùm ống truyền nhiệt:
mống = n.π4. dng2 − dtr2 . l. ρ304 =
= 91.π4 . (0,025m)2 − (0,020m)2 . (3m). (7930kg/m3) = 382,6 kg.
Khối lượng của ống dẫn nước vào và bích ghép:
m1 = π4. Dn2 − Dy2 . l. ρ304 + π4. D2− Dn2 . h. ρ304
= π4. 0,108m)2 − (0,100m)2 . (0,120m). (7930kg/m3) +
+ π4. (0,230m)2− (0,108m)2 . (0,014m). (7930kg/m3) = 4,8 kg. Khối lượng của ống dẫn nước ra và bích ghép:
Khối lượng của ống dẫn lỏng ngưng ra khỏi thiết bị và bích ghép:
m3 = m1 = 4,8 kg.
Khối lượng của ống dẫn hơi vào thiết bị và bích ghép:
m4 = π4. Dn2 − Dy2 . l. ρ304 + π4. D2− Dn2 . h. ρ304 =
= π4. 0,133m)2 − (0,125m)2 . (0,120m). (7930kg/m3) +
+ π4. (0,245m)2− (0,133m)2 . (0,014m). (7930kg/m3) = 5,2 kg. Khối lượng của 1 bộ bu lông M20:
mM20 = 0,259 kg.
Khối lượng của 1 bộ bu lông M16:
mM16 = 0,125 kg.
Vậy khối lượng của toàn thiết bị ngưng tụ là:
m = 2mnắp+ 3mcn+ 2mbích+ mthân+ mcv+ 2mvỉ+ mống+ 3m1+ m4+ 64mM20+ 8mM16 = = 2. (10 kg) + 3. (4,4 kg) + 2. (17,3 kg) + (150,7kg) + (7,1kg) + 2. (48,9kg) + +(382,6kg) + 3. (4,8kg) + (5,2kg) + 64. (0,259kg) + 8. (0,125kg) = 743,2 kg.
4.2.14.2. Chọn chân đỡ (tai treo)
Thiết bị gồm có 2 chân đỡ, được chế tạo bằng phương pháp hàn, các tấm chân đỡ được hàn vào nhau, vật liệu là thép CT3.
Hình 4.5. Chân đỡ.Trọng lượng của toàn thiết bị là: Trọng lượng của toàn thiết bị là:
Ptb = m. g = (743,2kg). (9,81m/s2) = 7291N = 7,3 kN < 35kN.
Ta lựa chọn kích thước chân đỡ cho thiết bị có đường kính 0,5m và trọng lượng 7,3kN. Bảng 4.2.5. Thơng số kích thước chân đỡ.
Đường kính thiết bị V Y C E J G t2 t1 mm 500 430 150 450 205 80 95 16 16
Khoảng cách giữa 2 chân đỡ được tính theo sơ đồ hình 8.24a, trang 196, [5].
Khối lượng riêng của vật liệu làm thân và khối lượng riêng của môi trường chứa trong thiết bị lần lượt là: ρ304= 7930 kg/m3và ρn= 1000 kg/m3.
Chiều dài nắp (đáy) khi chứa đầy môi trường trong thiết bị:
Ln = g. mn+ Vn. g. ρn
0,785. g. ρ304 × Dn2 − Dt2 + ρn. Dt2 =
= (9,81m/s2). (10kg) + (0,0115m3). (9,81m/s2). (1000kg/m3)
= 0,087 m = 87 mm.
Chiều dài thân trụ, Lt= 3000 mm
Chiều dài thiết bị có hai đáy giống nhau: L = Lt+ 2Ln= 3000 + 2.87 = 3174 mm. Khoảng cách giữa hai chân đỡ, l:
l = 1 − 2. 0,207 . L = 1 − 2. 0,207 . 3174mm = 1860 mm.
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ5.1. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 5.1. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị dạng ống lồng ống, dịng nhập liệu đi vào khơng gian của ống 1 (ống trong), còn dịng sản phẩm đáy vào khơng gian giữa ống 1 và ống 2 (ống ngoài).
Ống truyền nhiệt được làm băng thép INOX 304 có các thơng số sau: Ống 1:
Thơng số Giá trị.
Đường kính ngồi của ống dng1= 38 mm = 0,038 m.
Đường kính trong của ống dtr1= 34 mm = 0,034 m.
Bề dày thành ống δ = 2 mm = 0,002 m.
Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép λ = 16,3 (W/m.oC ). Nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh đi vào ống tD2v= 57,3oC. Nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh ra khỏi ống tD2r= 40oC. Ống 2:
Thơng số Giá trị.
Đường kính ngồi của ống dng2= 57 mm = 0,057 m.
Đường kính trong của ống dtr2= 53 mm = 0,053 m.
Bề dày thành ống δ = 2 mm = 0,002 m.
Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép λ = 16,3 (W/m.oC ).
Nhiệt độ nước đi vào ống tnv= 30oC.
Suất lượng làm nguội sản phẩm đỉnhGn2 = 1,1 tấn/h. Nhiệt lượng trao đổi giữa 2 dòng là: Qng =41553,4 kJ/h. Xác định độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ΔTlog ngược chiều:
∆Tlog = tD2v − tnr − tD2r− tnv ln tD2v− tnr
tD2r − tnv
= 57,3 − 40 − (40 − 30)
ln 57,3 − 4040 − 30 = 13,32 ℃.
Nhiệt độ trung bình của dịng sản phẩm đỉnh:
tD2 =tD2+ tD22 =57,3 + 402 = 48,65 ℃.
TạitD2 = 48,65 ℃ta có:
Thơng số Giá trị Nội suy theo bảng.
Khối lượng riêng (���, kg/m3) 853,7 Bảng I.2,tr 9, [1].
Độ nhớt (���, 10-3N/m2.s) 0,368 Bảng I.101, tr 91- 92, [1].
Nhiệt dung riêng (CpD2, kJ/kg.độ) 3,187 Bảng I.153, tr 171-172, [1].
Hệ số dẫn nhiệt (���, W/m.độ) 0,310 Bảng I.130, tr 134, [1]. Chuẩn số Pr của dòng sản phẩm đỉnh: PrD2 =CPD2. μD2 λD2 = (3187J/kg. độ). (0,368. 10−3N/m2. s) 0,310W/m. độ = 3,87.
Nhiệt độ trung bình của dịng nước:
tn= tD2− ∆Tlog = 48,65℃ + 13,32℃ = 35,33 ℃.
Tạitn = 35,33 ℃ta có:
Độ nhớt (��, 10-3N/m2.s) 0,724 Bảng I.101, tr 91- 92, [1].
Nhiệt dung riêng (Cpn, kJ/kg.độ) 4,176 Bảng I.153, tr 171-172, [1].
Hệ số dẫn nhiệt (��, W/m.độ) 0,631 Bảng I.130, tr 134, [1].
Chuẩn số Pr của dòng nước :
Prn =CPn. μn λn =
(4176J/kg. độ). (0,724.10−3N/m2. s)
0,631W/m. độ = 4,79.
Hệ số cấp nhiệt của dòng nước , αn:
Đường kính tương đương: dtd= dtr2– dng1= 0,053 – 0,038 = 0,015 m. Vận tốc dòng nước: vn= 4. Gn2 3600. π. ρ2. dtr22 − dng12 = 4. (1100 kg/h) 3600. π. (993,4kg/m3). 0,0532 − 0,0382 = 0,29 m/s. Chuẩn số Re dòng nước: Ren =vn. dμtd. ρn n =(0,29 m/s). (0,015m). (993,4kg/m3) (0,724.10−3N/m2. s) = 5968,3.
Vậy thuộc chế độ quá độ 2300 < Re < 10000.
Giả sử chọn nhiệt độ trong thành ống 1 làtv1 = 39,8 ℃.
Tạitv1 = 39,8 ℃, ta có: Chuẩn số Nu của dịng nước:
Nun = 0,008. Ren0,9. Prn0,43 = 0,008. 5968,30,9. 4,790,43 = 39,3. → αn =Nun. λnd
td =39,3. (0,631W/m. độ)0,015m = 1653,2 W/m2. độ.
qn = q = αn. tn− tv1 = (1653,2 W/m2. độ). 35 − 39,8 ℃ = = 7935,4 W/m2.
Nhiệt tải qua thành ống 1 và lớp cặn:
Nhiệt trở cặn bẩn trong thành ống 1:r1 =56001 m2. độ/W.
Nhiệt trở cặn bẩn ngoài thành ống 1:r2 =116001 m2. độ/W.
Nhiệt độ thành trong của ống 1:
tv2 = tv1− q. r1+ r2 +δλ = = 39,8 + (24915,3 W/m2). (56001 m2. độ/W) + (116001 m2. độ/W) + 0,002m 16,3W/m. độ = 42,9 ℃ Hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đỉnh,αD2: Vận tốc dòng nước: vD2 = 4. GD 3600. π. ρD2. dtr12 = 4. (1041,6kg/h) 3600. π. (853,7kg/m3). (0,034m)2 = 0,37 m/s. Chuẩn số Re dòng sản phẩm đỉnh: ReD2 =vD2. dtr1. ρD2 μD2 = (0,37m/s). (0,034m). (853,7kg/m3) 0,368. 10−3N/m2. s = 29183,5.
Vậy chế độ chảy rối Re > 10000 Tại tv2=42,9oC, ta có:
Độ nhớt (���, 10-3N/m2.s) 0,398 Bảng I.101, tr 91- 92, [1].
Nhiệt dung riêng (Cpv2, kJ/kg.độ) 3,175 Bảng I.153, tr 171-172, [1].
Hệ số dẫn nhiệt (���, W/m.độ) 0,309 Bảng I.130, tr 134, [1]. Chuẩn số Pr của dòng sản phẩm đỉnh: Prv2 =CPv2. μv2 λv2 = (3175J/kg. độ). (0,398. 10−3N/m2. s) 0,309W/m. độ = 4,08. Chuẩn số Nu của dòng sản phẩm đỉnh: NuD2 = 0,021. ε1. ReD20,8. PrPrv2D2 0,25. PrD20,43 = = 0,021.1. 50471,30,8. 3,874,08 0,25. 3,870,43 = 153,4. → αD2 =NudD2. λD2 tr1 =153,4. (0,310W/m. độ)0,034m = 1398,6 W/m2. độ. Nhiệt tải dòng sản phẩm đỉnh: qD2 = αD2. tD2 − tv2 = (1398,6 W/m2. độ). 48,65 − 42,9 ℃ = 8077,3 W/m2.
Kiểm tra điều kiện
ε0 < 0,05: ε0 = qD2qn− qn = 8077,3 − 7935,47935,4 = 0,018.
Tạitv1 = 65 ℃ thỏa mãn điều kiệnε0 < 0,05.
Hệ số truyền nhiệt K ứng vớitv2 = 42,9 ℃.
K = 1 1
αD2 + r1+ δλ + r2+ 1α
n
= 1 1
1398,6W/m2. độ+ ( 15600 m2. độ/W) +16,3W/m. độ0,002m + ( 111600 m2. độ/W) +1653,2W/m1 2. độ = 585,7W/m2. độ.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F:
F = K. ∆TQng. 1000
log. 3600 =
(41553,4kJ/h). 1000
(585,7W/m2. độ). (13,32℃). 3600 = 1,5m2.
Chiều dài ống truyền nhiệt ứng với diện tích F:
L = F
π.dtr1+ dng12 =
1,5m2
π. 0,034m + 0,038m2 = 13,3 m.
Vậy để dự trữ 20% diện tích truyền nhiệt an toàn ta chọn ống truyền nhiệt dài 16 m, chia thành 6 dãy, mỗi dãy 3 m.
5.2. Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu
Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang.
Chọn các ống truyền nhiệt được làm bằng INOX 304 có các thơng số sau:
Thơng số Giá trị.
Đường kính ngồi của ống dng= 25 mm = 0,025 m. Đường kính trong của ống dtr= 20 mm = 0,02 m.
Bề dày thành ống δ = 2,5 mm = 0,0025 m.
Chiều dài ống l = 2 m.
Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép λ = 16,3 (W/m.oC ). Nhiệt độ dòng nhập liệu đi vào ống tF2v= 50oC.
Số lượng ống 19. Lượng nhập liệu cần gia nhiệt GF= 2000 kg/h.
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà đi bên ngoài ống ở áp suất tuyệt đối: PF= 1at; tra bảng I.250, trang 312 [1] được giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rnước= r1= 2,260 kJ/kg. Nhiệt độ là th= 99,1oC.
Nhiệt lượng cung cấp để đun sơi dịng nhập liệu làQD1 = 92785 kJ/h.
Xác định độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ΔTlog:
∆���� = �ℎ− ��2� − �ℎ− ��2� ln��ℎ− ��2�
ℎ − ��2�
= 99,1 − 50 − 99,1 − 63,3
�� 99,1 − 5099,1 − 63,3 = 42,1 ℃.
Nhiệt độ trung bình của dịng nhập liệu:
��2 = �ℎ − ∆����=99,1 – 42,1 = 57oC. Tại��2 =570C , ta có:
Thơng số Giá trị Nội suy theo bảng.
Khối lượng riêng (���, kg/m3) 846,3 Bảng I.2,tr 9, [1].
Độ nhớt (���, 10-3N/m2.s) 0,335 Bảng I.101, tr 91- 92, [1].
Hệ số dẫn nhiệt (���, W/m.độ) 0,312 Bảng I.130, tr 134, [1].
Nhiệt dung riêng (CpF2, kJ/kg.độ) 2,689 Bảng I.153, tr 171-172, [1].
Chuẩn số Pr của dòng nhập liệu ở 57oC:
PrF2 =CPF2. μF2
λF2 =
(2689J/kg. độ). (0,335. 10−3N/m2. s)
0,312W/m. độ = 2,89.
vF2 = 4. GF 3600. π. ρF2. dtr2. n = 4. (2000kg/h) 3600. π. (846,3kg/m3). (0,020m)2. 19= 0,11 m/s. Xác định chuẩn số Re: Re = vF2. dtr. ρF2μ F2 =(0,11m/s). (0,020m). (846,3kg/m3) (0,335. 10−3N/m2. s) = 5557,8.
Vậy thuộc vùng chảy quá độ, 2300 < Re < 10000.
Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài ống chùm nằm ngang,α1 Giả sử chọn nhiệt độ bề mặt ngoài thành ống làtv1 =96,5oC.
Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ bề mặt ngoài thành ống:
∆t = th − tv1 = 99,1 − 96,5 = 2,6℃. Nhiệt độ màng lỏng ngưng: tm =th+ tv1 2 = 99,1 + 96,5 2 = 97,8 ℃.
Tạith = 99,1 ℃ẩn nhiệt ngưng tụ của dòng hơi làrh =2260453,3 J/kg. Tại tm= 97,8oC, ta có:
Thơng số Giá trị Nội suy theo bảng.
Khối lượng riêng (��, kg/m3) 959,5 Bảng I.2,tr 9, [1].
Độ nhớt (��, 10-3N/m2.s) 0,292 Bảng I.101, tr 91- 92, [1].
Hệ số dẫn nhiệt (��, W/m.độ) 0,679 Bảng I.130, tr 134, [1].
Nhiệt dung riêng (CpN, kJ/kg.độ) 4,226 Bảng I.153, tr 171-172, [1].
α = 0,72.4 rh. λμN. ∆t. dngN3. ρN2. g=
= 0,72.4 (2260453,3J/kg) . (0,679W/m. độ)(0,292. 10−3N/m2. s). (2,6℃). (0,025m)3. (959,5kg/m3)2. (9,81m/s2)
= 17344 W/m2. độ.
Chọn hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là:� =0,5.
α1 = α × ε = (17344 W/m2. độ). 0,5 = 8672W/m2. độ.
Nhiệt tải của hơi ngưng tụ ngoài thành ống,q1:
q1 = q = α1. th− tv1 = (8672W/m2. độ) 99,1 − 96,5 ℃ = 22547,2 W/m2.
Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi ngưng:r2 =80001 m2. độ/W.
Nhiệt trở cặn bẩn phía dịng nhập liệu:r1 =116001 m2. độ/W.