6.1. Tớnh toỏn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 57-
6.1.2. Xỏc định hệ số truyền nhiệt K 59-
Quỏ trỡnh truyền nhiệt bao gồm 3 phần:
Cấp nhiệt bằng hơi nước bóo hũa cho thành ống truyền nhiệt phớa bờn hơi: q1 = α1.Δt1 (W/m2)
Trong đú: +) α1 là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m2.độ)
+) Δt1 = tbh – tT1 là hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và thành ống tiếp xỳc với hơi đốt
60
Dẫn nhiệt từ thành ống phớa tiếp xỳc hơi (tường trỏi) sang thành ống tiếp xỳc với lỏng (tường phải) (dẫn nhiệt qua 1m2 thành ống): qT = 1
∑ 𝑟.ΔtT (W/m2) Trong đú: +) Σr là tổng nhiệt trở của thành ống (m2.độ/W)
+) ΔtT = tT1 – tT2 là hiệu số nhiệt độ giữa hai phớa thành ống +) tT1, tT2 là nhiệt độ hai phớa thành ống
Cấp nhiệt từ thành ống phớa tiếp xỳc với pha lỏng cho hỗn hợp lỏng: q2 = α2 . Δt2 (W/m2)
Trong đú: +) α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m2.độ)
+) Δt2 = tT2 – ttb là hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xỳc với hỗn hợp lỏng.
Do đú hệ số truyền nhiệt K sẽ được tớnh theo cụng thức: K = 1 1 𝛼1+∑ 𝑟+ 1 𝛼2 [2 – 3 – V.5] (W/m2.độ) Trong đú: +) Σr = ∑𝛿𝑖 𝜆𝑖 = r1 + 𝛿 𝜆 + r2 là tổng nhiệt trở của thành ống (m2.độ/W) +) r1, r2 là nhiệt trở cặn bẩn ở 2 phớa của thành ống (m2.độ/W) +) δ là bề dày của thành ống, m
+) λ = 50 (W/m.độ) là hệ số dẫn nhiệt của thành ống
6.1.2.1. Xỏc định hệ số cấp nhiệt α2:
a. Tớnh chuẩn số Re, xỏc định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống:
Re = 𝜔.𝑙.𝜌
𝜇 [2 – 13 – V.36]
Trong đú: +) ω là tốc độ của lỏng chảy trong ống, do lỏng vào ống nhờ bơm mà tốc độ lỏng trong ống đẩy của bơm ω = 1,5-2,5 (m/s) [1 – 370]. Chọn ω = 2 m/s
+) l = dtd là kớch thuớc hỡnh học, đường kớnh tương đương của ống truyền nhiệt
61
+) ρ là khối lượng riờng của hỗn hợp lỏng, (kg/m3)
+) μ (N.s/m2) là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bỡnh ttb=57,87⁰C.
Ứng với ttb = 57,87⁰C. Tra sổ tay tập 1 cú độ nhớt của CH3OH và H2O tương ứng lần lượt là: μCH3OH = 0,375 (cP), μH2O = 0,486 (cP)
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng thường khụng liờn hợp [1 – 84 – I.12]
log μ = xF . log μCH3OH + (1 – xF). log μH2O = 0,489.log 0,375 + (1 – 0,489).log 0,486 → μhh = 0,428 cP = 0,428.10-3 (N.s/m2)
Ứng với ttb = 57,87⁰C. Tra sổ tay tập 1 quỏ trỡnh thiết bị cú khối lượng riờng của CH3OH và H2O tương ứng lần lượt là ρCH3OH= 773,29; ρH2O= 983,96 (kg/m3)
- Khối lượng riờng của hỗn hợp lỏng [2 – 183 – IX.104]
1 𝜌ℎℎ = 𝑎𝐹 𝜌𝐶𝐻3𝑂𝐻 + 1−𝑎𝐹 𝜌𝐻2𝑂 = 0,489 773,29 + 1−0,489 983,96 ⇒ ρhh = 868,29 (kg/m3)
Chọn ống truyền nhiệt kớch thước 25x2 (mm) (đường kớnh ngoài 25mm, dày 2mm) nờn đường kớnh trong của ống: dt = 25 – 2.2 = 21 (mm). Ống dạng trũn nờn đường kớnh tương đương; dtd = dt = 21 (mm)
Do đú: Re = 2 . 0,021 . 868,29
0,428.10−3 = 85206,03 > 104
b. Tớnh chuẩn số Pran:
Pr = 𝐶𝑝.𝜇
𝜆 [2 – 12 – V.35]
Trong đú: +) CP là nhiệt dung riờng đẳng ỏp của hỗn hợp đầu tại ttb=57,87⁰C. Đó tớnh được ở trờn CP = 3485,2 (J/kg.độ)
+) μ (N.s/m2) là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bỡnh ttb=57,87⁰C. Đó tớnh ở trờn μ =0,428.10-3 (N.s/m2)
+) λ là hệ số dẫn nhiệt của dung dịch (W/m.độ).
62 λ = A . CP . ρ . √𝜌
𝑀
3
[1 – 132 – I.32]
Trong đú: +) CP là nhiệt dung riờng đẳng ỏp của hỗn hợp đầu tại ttb=57,87⁰C. Đó tớnh được ở trờn CP= 3485,2 (J/kg.độ)
+) ρ = 868,29 (kg/m3).là khối lượng riờng của hỗn hợp lỏng.
+) M = 22,9 (kg/kmol) là khối lượng mol trung bỡnh của hỗn hợp đầu
+) A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liờn kết của chất lỏng. Với chất lỏng liờn kết (CH3OH-H2O), A = 3,58.10-8 [1 – 123] Thay số: λ = 3,58.10-8 . 3485,2 . 868,29 . √868,29 22,9 3 = 0,363 (W/m.độ) Do đú: Pr = 3485,2 .0,428 .10−3 0,363 = 4,12
c. Tớnh chuẩn số Nuyxen, xỏc định hệ số cấp nhiệt α2:
Chuẩn số Nuyxen được xỏc định theo cụng thức: Nu = 𝛼 . 𝑙
𝜆 [2 – 11 – V.33] ⇒ α = Nu . 𝜆
𝑙
Trong đú: +) α = α2 là hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m2.độ) +) l = dtd = 0,021 (m) là kớch thước hỡnh học
+) λ = 0,363 (W/m.độ) là hệ số dẫn nhiệt của dung dịch.
Do chế độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoỏy nờn: Nu = 0,021.ε1.Re0,8.Pr0,43.(𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡)0,25 [2 – 14 – V.40]
Trong đú: +) Prt là chuẩn số Pran của hỗn hợp lỏng tớnh theo nhiệt độ trung bỡnh của tường
+) ε1 là hệ số hiệu chỉnh tớnh đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kớnh d của ống. Do tỉ số 𝑙
𝑑 > 50 và Re = 85206,03 nờn tra bảng V.2 [2 – 15] cú ε1 = 1.
63
Tỉ số 𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡 thể hiện ảnh hưởng của dũng nhiệt (đun núng hay làm nguội). Khi chờnh lệch giữa tường và dũng nhỏ thỡ (𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑡)0,25 ≈ 1 [2 – 15] Thay số: Nu = 0,021.1. 85206,030,8 . 4,120,43 .1 = 330,99 Do đú: α2 = Nu . 𝜆 𝑙 = 330,99 . 0,363 0,021 = 5721,4 (W/m2.độ) 6.1.2.2. Xỏc định tổng trở nhiệt của thành ống Σr:
Giả thiết lớp cặn bẩn bỏm trờn bề mặt truyền nhiệt (ở 2 bờn thành ống phớa hơi đốt và phớa dung dịch) cú bề dày khoảng 0,5 mm và cú nhiệt trở trung bỡnh - Lớp cặn bẩn phớa hơi nước ngưng tụ: r1 = 0,464 .10-3 (m2.độ/W) [2 – 4] - Lớp cặn bẩn phớa hỗn hợp: r2 = 0,116.10-3 (m2.độ/W) [2 – 4] Thành ống dày δ = 2 (mm) = 0,002 (m); làm bằng thộp CT3 cú hệ số dẫn nhiệt λ = 50 (W/m.độ). Do đú, tổng nhiệt trở của thành ống là: Σr = ∑𝛿𝑖 𝜆𝑖 = r1 + 𝛿 𝜆 + r2 = 0,464 .10-3 + 0,002 50 + 0,116.10-3 = 6,2 . 10-4 (m2.độ/W)
6.1.2.3. Xỏc định hệ số cấp nhiệt của hơi nước bóo hũa α1:
Khi tốc độ hơi trong ống nhỏ (Wh < 10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dũng thỡ hệ số cấp nhiệt α1 của hơi nước bóo hũa đối với ống thẳng đứng: α = 2,04 . A . √∆𝑟
𝑡1.𝐻
4
[2 – 28 – V.101], (W/m2.độ) Trong đú: +) α = α1 là hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m2.độ)
+) A là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm +) r (J/kg) là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt
+) Δt1 là hiệu số nhiệt độ giữa nước ngưng (tn = tbh = 99,1⁰C) và nhiệt độ phớa thành ống tiếp xỳc (tT1) → Δt1 = tbh – tT1
64
Ứng với hơi nước bóo hũa ở 99,1⁰C, 1 at, tra bảng tớnh chất húa lý của hơi nước bóo hũa phụ thuộc ỏp suất [1 – 314] cú ẩn nhiệt ngưng tụ r = 539,9 (kcal/kg) = 2264.103 (J/kg)
Giả thiết Δt1 = 5,4⁰C → tT1 = tbh – Δt1 = 99,1 – 5,4 = 93,7⁰C
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm=0,5(tT1+tbh)=0,5.(93,7+99,1)=96,4⁰C, tra cứu dựa vào bảng số liệu [2 – 29] ta cú: A = 177,2
Do đú: α1 = 2,04 . 177,2 . √2264.103
5,4 . 1,5
4
= 8311,74 (W/m2.độ)
Tải nhiệt riờng phớa hơi đốt: q1 = α1 . Δt1 = 8311,74 . 5,4 = 44883,37 (W/m2)
Hiệu số nhiệt độ giữa 2 phớa thành ống là:
ΔtT = tT1 – tT2 = Σr . q1 = 6,2 . 10-4 . 44883,37 = 27,83⁰C
⇒ tT2 = tT1 – ΔtT = 93,7 – 27,83 = 65,87⁰C
Hiệu số nhiệt độ hỗn hợp lỏng và thành ống tiếp xỳc với hỗn hợp lỏng: Δt2 = tT2 – ttb = 65,87 – 57,87 = 8⁰C
Tải nhiệt riờng phớa hỗn hợp CH3OH-H2O: q2 = α2.Δt2 = 5721,4 . 8 = 45784,41 (W/m2)
Sai số: |𝑞1−𝑞2
𝑞1 | = |44883,37−45784,41
44883,37 | = 2 % < 5%. Giả thiết đưa ra chấp nhận
được. Chọn giỏ trị α1 = 8311,74 (W/m2.độ) và lượng nhiệt truyền cho 1m2 ống trung bỡnh: qtb = 𝑞1+𝑞2 2 = 44883,37+45784,41 2 = 45333,89 (W/m2) 6.1.2.4. Xỏc định hệ số truyền nhiệt K: K = 1 1 𝛼1+∑ 𝑟+ 1 𝛼2 = 1 1 8311,74 +6,2.10−4+ 1 5721,4 = 1092,78 (W/m2.độ)