CHƯƠNG 5 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ
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.
Nhiệt độ bề mặt thành trong của ống là:
tv2 = tv1 − q. r1 +δλ + r2 = = 96,5℃ − (22547,2 W/m2). (11600 m1 2. độ/W) + 0,0025m 16,3W/m.độ + ( 1 8000 m2. độ/W) = 89℃.
Hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu bên trong ống,α2. Tạitv2 =89oC, ta có:
Thơng số Giá trị Nội suy theo bảng.
Độ nhớt (���', 10-3N/m2.s) 0,243 Bảng I.101, tr 91- 92, [1].
Nhiệt dung riêng (CpF2’, kJ/kg.độ) 3,267 Bảng I.153, tr 171-172, [1].
Hệ số dẫn nhiệt dòng nhập liệu ở 89oC:
λF2' = 3,58. 10−8. CPF2'.3 MρF2'4
tbF = 3,58. 10−8. (3267J/kg. độ).3 (811,5kg/m(28kmol/kg)3)4 = 0,285 W/m. độ.
Chuẩn số Pr của dòng nhập liệu ở 89oC:
PrF2' =CPF2'. μF2' λF2' =
(3267J/kg. độ). (0,243. 10−3N/m2. s)
0,285W/m. độ = 2,78.
Chuẩn số Nu của dòng nước trong ống:
Nu = k0. ε1. PrPrF2
F2' 0,25
. PrF20,43 = 27.1. 2,892,78 0,25. 2,890,43 = 43,1. → α2 =Nu. λF2dtr =43,1. 0,3120,020 = 672,4 W/m2. độ.
Nhiệt tải của dòng nước,q2:
q2 = α2. tv2 − t2 = (672,4 W/m2. độ). 89 − 57 ℃ = 21516,8 W/m2.
Kiểm tra điều kiện sai số:
ε0 < 0,05: ε0 = q1q− q2
2 = 22547,2 − 21516,821516,8 = 0,047.
Ta thấy, tại116,9oC thỏa mãn điều kiệnε0 < 0,05. Hệ số truyền nhiệt K ứng vớitv1 = 96,5 ℃là:
K = 1 1 α1 + r1+ δλ + r2+ 1α 2 = 1 1 8672W/m2. độ+ ( 111600 m2. độ/W) + 0,0025m16,3W/m. độ + ( 18000 m2. độ/W) +672,4 W/m1 2. độ = 551,3W/m2. độ.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F:
F = K. ∆TQ. 1000
log. 3600=
(92785kJ/h) . 1000
(551,3W/m2. độ). (42,1℃). 3600 = 1,11 m2.
Chiều dài một ống tương ứng với diện tích F là:
L = F
π. n.dtr+ d2 ng =
1,11m2
π. 19. 0,020 + 0,0252 = 0,83 m.
Vậy để dự trữ 20% diện tích bề mặt truyền nhiệt an toàn ta chọn chiều dài mỗi ống truyền nhiệt là 1 m.