CHƯƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
4.1. Tính kích thước thiết bị
4.1.3. Xác định hệ số cấp nhiệt
∆t = tD1− tT1 = 57,30 − 50 = 7,3℃.
Nhiệt độ màng lỏng ngưng:
tm =tD1 + tT12 =57,30 + 502 = 53,65℃.
Bảng 4.1.3. Thông số vật lý của các cấu tử ở 53,65oC.
Thông số Aceton Nước
Khối lượng riêng (�, kg/m3) 753 985,8
Độ nhớt (�,10-3N/m2.s) 0,240 0,520
Ẩn nhiệt hóa hơi (r, J/kg) 524480,4 2427480,5
Hệ số dẫn nhiệt (�, W/m.độ) 0,165 0,652
Nhiệt dung riêng (Cp, kJ/kg.độ) 2,284 4,185
Khối lượng riêng của lỏng ngưngρhh:
1 ρhh= xD ρAceton+ 1 − xD ρnước = 0,98 (753kg/m3)+ 0,02 (985,8kg/m3). → ρhh = 756,6 kg/m3.
Độ nhớt hỗn hợp lỏng ngưngμhh(I. 12,trang 84, [1]):
logμhh = ��. log μA + (1 − ��) log μB = 0,98 . log 0,240 + 0,02 . log 0,520. → μhh = 100,98 .log 0,240+0,02 .log 0,520 = 0,244. 10−3N/m2.s.
Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp lỏng ngưng rhh:
rD = xD. rAceton+ (1 − xD). rnước =
= 0,98. (524480,4J/kg) + 0,02. (2427480,5J/kg) = = 562540,9 J/kg.
Hệ số dẫn nhiệt lỏng ngưngλhh(I.33, trang 124,[1]):
λhh = xD. λAceton+ (1 − xD). λnước− 0,72. xD. (1 − xD). (λnước− λAceton) =
= 0,98. (0,165W/m. độ) + 0.02. (0,652W/m. độ) − 0,72.0,98.0,02. (0,652 − 0,165)W/m. độ = = 0,175 W/m. độ.
Nhiệt dung riêng của lỏng ngưngChh:
Chh = xD. CpAceton+ (1 − xD). Cpnước =
= 0,98. (2,284kJ/kg. độ) + 0,02. (4,185kJ/kg. độ) = = 2,322kJ/kg.độ.
Bảng 4.1.4. Thông số vật lý của hỗn hợp ở 53,65oC.
Thông số Giá trị
Khối lượng riêng (���, kg/m3) 756,5
Độ nhớt (���, 10-3N/m2.s) 0,244
Ẩn nhiệt hóa hơi (rhh, J/kg) 562540,9
Hệ số dẫn nhiệt (���, W/m.độ) 0,175
Nhiệt dung riêng (Cphh, kJ/kg.độ) 2,322
Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ (phía mang ngưng):
α1 = C4 rhhν . ρhh. λn3. g
hh. ∆t. dng = C
4 rhh. ρhh2 . λhh3 . g
μhh. ∆t. dng (trang 156, [7]).
Trong đó: C = 0,72 đối với bình ngưng nằm ngang. rhh- ẩn nhiệt hóa hơi của lỏng ngưng, J/kg.
g - gia tốc rơi tự do, m/s2.
→ α1' = 0,72.4 (562540,9J/kg). (756,6kg/m3)2. (0,175W/m.độ)3. (9,81m/s2) (0,244. 10−3N/m2. s). (7,3℃). (0,025m) =
= 3179,3W/m2. độ.
Chọn hệ số phụ thuộc vào cách bố trí và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là: ε = 0,75.
�1 = �1'. � = 3179,3. 0,75 = 2384,5W/m2. độ.
Nhiệt tải hơi ngưng tụ q1:
�1 = α1. (tD1 − tT1) = (2384,5W/m2. độ). (7,3℃) = 17406,7W/m2.
Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi ngưng:r1 = 116001 m2. độ/W.
Nhiệt trở cặn bẩn phía dịng nước:r2 = 80001 m2. độ/W.
Nhiệt độ bề mặt trong của thành ống tT2:
tT2 = tT1 − q1. (r1+λδ thép+ r2) = = 50℃ − (17460,7W/m2). ((116001 m2. độ/W) + 0,0025m 16,3W/m. độ + ( 1 8000 m2. độ/W)) = = 44,19℃. Chuẩn sốPrTtại nhiệtđộ44,19oC: PrT= 3,99 Chuẩn số Nu của nước:
Nun= 0,021. Ren0,8. Prn0,43. PrnPrT 0,25 = 0,021. 219840,8. 4,820,43. 4,823,99 0,25 = 128,9.
α2 =Nun. λndtr =128,9. (0,632W/m. độ)0,02m = 4072,7 W/m2. độ.
Nhiệt tải dòng nước q2:
q2 = α2. (tT2 − ttbn) = (4072,7 W/m2. độ). (44,19℃ − 40℃) = 17055,9 W/m2.
Hệ số sai số��:
�� = 1 −��1
2 = 1 −17055,917406,7 = 0,02.
Ta thấy tại tT1= 50oC thỏa mãn điều kiện��< 0,05. Hệ số truyền nhiệt K ứng vớitT1= 50oClà:
K = 1 1 α1+ r1+ δ λthép+ r2 + 1α2 = = 1 1 2384,5W/m2+ ( 111600m2. độ/W)+ 0,0025m 16,3W/m. độ+ ( 18000m2. độ/W)+4072,7W/m1 2 = 1001,2 W/m2. ℃.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F:
F = Qnt
K. ∆tlog =
967406,8 kJ/h. 1000
(1001,2 W/m2. ℃). (21,92℃). 3600= 12,24 m2.
Để dữ trữ 30% diện tích bề mặt truyền nhiệt ta có F = 12,24m2.(1+0,3) = 15,9m2~ 16m2. Chiều dài ống ứng với diện tích F:
L = F
π.dtr+ dng2 =
16m2
n =Ll =226,43 = 75,5 ống.
Ta chọn cách sắp xếp ống theo kiểu hình lục giác.
Bước ống S lấy bằng khoảng từ (1,2 – 1,5).dng, ta chọn:
S = 1,4.dng.= 1,7 x 0,025 = 0,0375 m = 37,5 mm. Số ống trên cạnh hình lục giác lớn nhất a:
n = 3a.(a - 1) + 1 (V.139, trang 48, [2]). Trong đó: n - tổng số ống trong thiết bị truyền nhiệt.
a - số ống trên một cạnh của hình lục giác lớn nhất. → a = 6.
Xác định số ống trên đường chéo của lục giác lớn nhất b:
b = 2a – 1 = 2 x 6 – 1 = 11 (V.139, trang 48, [2]).
Bố trí kết cấu ống trên mặt sàng với 91 ống ta bố trí với đường chéo chính có 11 ống và theo hình lục giác đều mỗi cạnh 6 ống (có thể thay đổi khi bố trí chặn ở nắp).
Đường kính trong thiết bị được tính theo cơng thức (V.140, trang 49, [2]):
Dt = S × b − 1 + 4 × dng = 0,0375 × 11 − 1 + 4 × 0,025 = 0,475 m.
Ta chọn thiết bị truyền nhiệt có đường kính trong 500 mm. Vận tốc thực của dịng nước trong thiết bị ngưng tụ, vtt:
ωtt = 4 × Gn
3600 × π × ρN× n × dt2 =
Do đó để vận tốc của dịng nước đúng với vận tốc thiết kế thì ta phải tăng số chặn phía ống.
Số chặn phía ống:z =ωω
tt =0,24m/s0,8m/s = 3,33.
Vậy ta chọn thiết bị có 4 chặng phía ống.
Kiểm tra Re ứng với 4 chặn phía ống, Re > 10000
Re = 4 × Gn
3600 × π × n4 × dtr× μN =
= 4 × 25000kg/h
3600 × π × 914 × 0,02m × 0,723 × 10−3N/m2. s = = 26878,1.
Kết luận:Thiết bị có đường kính trong Dt= 500 mm, có tổng cộng 91 ống truyền nhiệt có kích thước Φ25 x 2 mm dài l = 3 m, chia làm 4 chặng phía ống, mỗi chặng có 23 ống, bước ống t = 37,5 mm.
4.2. Tính cơ khí thiết bị
4.2.1. Bề dày thân
Thiết bị hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thiết bị có thân hình trụ được gia cơng bằng phương pháp hồ quan tự động dưới lớp thuốc, kiểu hàn giáp mối hàn hai phía. Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và độ ăn mòn của thiết bị ta sẽ chọn vật liệu làm thân thiết bị là thép khơng gỉ INOX 304.
Chọn nhiệt độ tính tốn:do nhiệt độ môi trường làm việc bé hơn 250oC nên chọn nhiệt độ tính tốn bằng nhiệt độ làm việc: ttt= tD1= 57,3oC (trang 9, [5]).
Chọn áp suất làm việc:thiết bị làm việc ở áp suất thường nên khơng có áp suất dư và xem chiều cao cột áp thủy tĩnh là khơng đáng kể thì áp suất tính tốn: ptt= 0,1 N/mm2(bảng 1-
Chọn ứng suất cho phép: chọn ứng suất cho phép tiêu chuẩn đối với thép INOX 304 tại 57,3oC:[σ]∗ = 145 N/mm2(tra đồ thị hình 1.2 với 4-X18H10T, X18H12T; trang 16; [5]). Hệ số hiệu chỉnh:η = 1 (trang 17, [5]).
Ứng suất cho phép:[σ] = η. [σ]∗ = 1. 145 N/mm2 = 145 N/mm2 (1-9, trang 17, [5]). Chọn hệ số bền mối hàn:�ℎ = 0,95(tra bảng 1-8, trang 19, [5]).
Thời hạn sử dụng thiết bị là 15 năm. Chọn hệ số bổ sung bề dày tính tốn:
C = Ca+ Cb+ Cc+ Co (1-10, trang 20, [5]). trong đó:
Ca= 1mm (trang 20, [5]): hệ số bổ sung do ăn mịn hóa học của mơi trường, mm. Cb= 0mm (trang 20, [5]): hệ số bổ sung do bào mịn cơ học của mơi trường, mm. Cc= 0mm: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm.
Co= 0mm : hệ số bổ sung để quy trịn kích thước, mm.
→ C = 1mm + 0mm + 0mm + 0mm = 1mm.
Vậy bề dày thực của thiết bị:Stt = Smin+ C = 3mm + 1mm = 4mm(5-9, trang 97, [5]). Kiểm tra áp suất tính tốn cho phép, [p]:
[p] =2.[σ].φh.(S−Ca)
Dt+(S−Ca) =2.(145N/mm500mm+(4mm−1mm)2).(0,95).(4mm−1mm)= 1,64 N/mm2 (6-10, trang 97, [5]). Vì [p] > ptt nên bề dày thiết bị là S = 4 mm.
Bảng 4.2.1. Các thơng số ban đầu tính tốn thân thiết bị thiết bị ngưng tụ.
Thơng số Giá trị Tra cứu
Áp suất tính tốn ptt= 0,1 N/mm2 Bảng 1-1, trang 10, [5]
Ứng suất cho phép [σ]= 145 N/mm2 1-9, trang 17, [5]
Đường kính thân thiết bị Dt = 500mm
Hệ số bền mối hàn φh = 0,95 Tra bảng 1-8, trang 19, [5]
Thời hạn sử dụng thiết bị 15 năm
Bề dày tối thiểu của thân thiết bị Smin = 3mm Tra bảng 5.1, trang 94, [5]
Bề dày thực của thiết bị Stt = 4mm 5-9, trang 97, [5]
4.1.2. Bề dày nắp (đáy)
Chọn nắp (đáy) có dạng hình elip tiêu chuẩn có gờ, làm bằng thép khơng gỉ INOX 304.
Hình 4.1 Đáy (nắp).
Bảng 4.2.2. Các thơng số ban đầu tính tốn đáy (nắp) thiết bị ngưng tụ.
Thơng số Giá trị Tra cứu
Nhiệt độ tính tốn ttt = 57,30C Trang 9, [5]
Áp suất tính tốn ptt= 0,1 N/mm2 Bảng 1-1, trang 10, [5]
Hệ số bền mối hàn φh = 0,95 Tra bảng 1-8, trang 19, [5]
Thời hạn sử dụng thiết bị 15 năm
Bề dày thực của thiết bị Stt = 4mm 5-9, trang 97, [5]
Hệ số hiệu chỉnh η = 1, vì mơi trường là nước. Bề mặt đáy và nắp cần thỏa mãn điều kiện:
�−��
��� =4−1500 = 0,006 ≤ 0,125(6-10, trang 126, [5]). Kiểm tra áp suất tính tốn cho phép, [p]:
p =2. σ .φh. S−Ca
Rt+ S−Ca =2.(127,3N/mm500mm+ 4−1 mm2).0,95 . 4−1 mm = 1,44N/mm2 (6-10, trang 126, [5]).
Kết luận:
[p] > [ptt], nên bề dày nắp (đáy): S = 4 mm.
Chiều sâu bên trong của phần Elip: ht= 0,25 . Dt= 0,25 . 500 = 125 mm. Chiều cao gờ: h = 25 mm (bảng XIII.10, trang 382, [2]).
Diện tích bề mặt trong của nắp (đáy): Ft= 0,31 m2.
Khối lượng của nắp (đáy): mn= 10 kg (bảng XIII.11, trang 384, [2]).
Đường kính phơi của nắp (đáy) elip: D’= Dt= 500mm (bảng XIII.12, trang 385, [2]). Thể tích của nắp (đáy): Vn= 0,0115 m3 .
4.1.3. Bích ghép thân và nắp (đáy)
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.
Chọn bích ghép thân, nắp (đáy) là loại bích phẳng hàn làm bằng thép INOX 304. Ứng suất cho phép của bích tại 57,3oC: [σ]bi = 127,3 N/mm2(bảng 2-9, trang 29, [5]).
Hình 4.2 Bích ghép thân.Số mặt bích cần dùng là 2 được hàn vào 2 nắp (đáy). Số mặt bích cần dùng là 2 được hàn vào 2 nắp (đáy). Bu lông làm bằng thép CT3.
Thơng số của bích được chọn theo bảng XIII.27, trang 417, [2]. Bảng 4.2.3. Kích thước bích ghép thân và đáy (nắp) thiết bị ngưng tụ.
Đường kính thiết bị Dt Đường kính ngồi mặt bích D Đường kính vịng bulong Db Đường kính gờ mặt bích D1 Đường kính đến vành trong đệm Do Chiều dày mặt bích h Bulong db Z (mm) (cái) 500 630 580 550 511 20 M20 20
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật liệu đệm quyết định. Đệm được làm bằng vật liệu mềm dễ biến dạng, khi siết bu lông đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích. Chọn đệm Paronit có bề dày 3 mm.
Bề rộng thực của vòng đệm:b = D1−D0
bo= 0,8 x b = 0,8 x 19,5 = 15,6 mm. Đường kính trung bình của vịng đệm: Dtb =D1+D0
2 =550+5112 = 530,5 mm. Hệ số áp suất riêng: m = 2 (tra bảng 7-4, trang 156, [5]).
Áp suất riêng phần cần thiết để biến dạng vòng đệm: qo= 11 N/mm2(tra bảng 7-4, trang 156, [5]).
Lực cần thiết để ép chặt vòng đệm (7-11, trang 155, [5]):
Q2 = π. Dtb. bo. qo = π. (530,5mm). (15,6mm). (11N/mm2) = 285991,1 N.
Lực nén chiều trục sinh do siết bu lông (7-10, trang 155, [5]):
Q1 = π4. Dt2. ptt + (π. Dtb. bo. m. ptt) =
= π4 . (500mm)2. (0,1N/mm2) + π. (530,5mm). (15,6mm). (2 . (0,1N/mm2) = = 24834,8 N/mm2.
Lực tác dụng lên một bu lông (7-14, trang 157, [5]):
Qb =QZ =max Q1, Q2Z =285991,1N20 = 14299,6 N.
Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lông [σ] (tra bảng 7-7, trang 158, [5]): Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lông tại 57,30C:[σ]b = 89,2 N/mm2. Hệ số giảm ứng suất với db= 20 là ko= 0,8 (trang 157, [5]).
Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lông:
[σ]b' = ko× [σ]b = 0,8 × 89,2 = 71,36 N/mm2.
Ta thấy[σ]b' < [σ]bi thỏa điền kiện.
l =Db − D12 =580 − 5502 = 15 mm.
Momen uốn tại tiết diện AB:
M = Q. l = (285991,1N). (15mm) = 4289866,5 N. mm.
Monmen chống uốn tại tiết diện AB:
W =π. D61. h2 =π. (550mm). (20mm)6 2 = 115191,7 mm3.
Ứng suất tại tiết diện AB (7-7, trang 154, [5]):
[σ]AB=MQ = 6. Q. l
π. D1. h2 =6. (285991,1N). (15mm)
π. (550mm). (20mm)2 = 37,2 N/mm2.
Mối hàn thuộc loại hàn chồng (ngang).
Hình 4.3.Mối hàn ngang.Kiểm tra ứng suất uốn mối hàn bích với thân thiết bị: Kiểm tra ứng suất uốn mối hàn bích với thân thiết bị:
[σ]u =WM
u =0,7.δ.l6.M
n
2 (trang 154, [5]). với:δ= S: bề dày thiết bị, mm.
ln: chiều dài mối hàn (chu vi thiết bị), mm.
Ứng suất cắt mối hàn:
τ = 2.0,7.δ.lQ
n =2.0,7.(4mm).(1596mm)(285991,1N) = 32 N/mm2 (trang 154, [5]). Ứng suất tương đương của mối hàn:
[σ]td = σu2 + τ2 = (3,6N/mm2)2+ (32 N/mm2)2 = 32,2 N/mm2 (7-8, trang 154, [5]).
[σ]td ≤ 0,8. [σ] = 0,8.σBm .
Với:σB = 490 MPa: giới hạn bềnởnhiệtđộlàm việcđối với thép CT3.
m = (4÷5): hệ số an tồn bền. Chọn m=4.
→ [σ] = 0,8.490. 1034N/mm2 = 98000 N/mm2.
Vậy[σ]td ≤ 0,8. [σ]thỏa điều kiện.
4.2.4. Đường kính các ống dẫn – bích ghép các ống dẫn
Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được. Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được. Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn; loại có mặt bích thường dùng với ống có Dy > 10 mm; loại ren chủ yếu dùng với ống có Dy ≤ 10 mm, đơi khi có thể dùng với ống cóDy ≤32 mm (trang 434, [2]).
Chọn ống dẫn và bích được làm bằng thép khơng gỉ INOX 304, cấu tạo của bích là bích liền khơng cổ.