2.4 .Tính hiệu số nhiệt độ trung bình ∆tlog
2.4.3 .Trường hợp chảy chéo
∆ tlog=ε∆t∆ tđ−∆tc 2,3lg∆tđ
∆ tc
(2.15)
Hệ số ε∆tphụ thuộc vào tỷ số nhiệt độ của các chất tải nhiệt, theo P và R
P=t2c−t2đ
t1đ−t1c
R=t1đ−t1c
t2c−t2đ
2.4.4. Tính lượng nhiệt và chất tải nhiệt Q [2] 2.4.4.1. Không chuyển pha
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học Lượng nhiệt lưu thể nóng mất đi giảm từ t1đ đến t1c đúng bằng lượng nhiệt lưu thể lạnh tăng lên t2đ đến t2c
Q=G1×C1×(t1đ−t1c)=G2×C2×(t2đ−t2c) (2.16) Trong đó:
Q: nhiệt lượng (W)
C1,C2: nhiệt dung riêng của chất lỏng (J/Kg.độ)
G1,G2: lượng chất lỏng nóng, nguội chảy qua bề mặt trao đổi nhiệt (kg/s)
2.4.4.2. Chuyển pha
Q=D × r=G2×C2×(t2đ−t2c) (2.17)
Q=D1×(I1−i1)=G2×C2×(t2c−t2đ) (2.18) Trong đó:
(I1-i1) = r : nhiệt ngưng tụ
D1,D2: lượng chất tải nhiệt khi truyền nhiệt thay đổi trạng thái (kg/s)
G1,G2: : lượng chất tải nhiệt khi truyền nhiệt không thay đổi trạng thái (kg/s) C1,C2:Nhiệt dung riêng tương ứng với G1,G2 (J/Kg.độ)
I1,I2: nhiệt hàm của hơi (J/Kg) i1,i2: nhiệt hàm chất lỏng (J/Kg) t1,t2: nhiệt độ của 2 chất tải nhiệt (oC)
2.4.5. Xác định hệ số truyền nhiệt K [2]K =1 K =1 1 α1 +∑λi δi +1α2 (2.19) Trong đó: K: hệ số truyền nhiệt (W/m2.độ) λi: hệ số dẫn nhiệt kim loại (W/m.OC) δi: bề dày thiết bị truyền nhiệt (m)
2.4.5.1. Tính α1
B1: Giả sử tT1 bằng 1 giá trị bất kỳ [1] B2: Tính Nu1
Cấp nhiệt trong bình phản ứng cánh khuấy mái chèo
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học 2,86.102≤Ref ≤2.58.105 Nu = 0,87 . ℜf0,62. Pr0,33f .( μf μω)0,14 (2.20) 20≤Ref ≤ 4000 Nu = 0,145 . ℜ2f/3. Pr1/3f .( μf μω)0,24 (2.21) Trong đó:
Pr: chuẩn số Prant của dịng tính theo nhiệt độ trung bình của tường, các thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dịng
μf: độ nhớt của chất lỏng ở bề mặt truyền nhiệt.
μw: độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ trung bình ttb=(tt+td)
Cấp nhiệt trong bình phản ứng cánh khuấy mỏ neo
− Trường hợp dịng nóng
Nu = 0,33.(Re.Pr0,5 +4000)2/3 (2.22)
Pr: chuẩn số Prant của dịng tính theo nhiệt độ trung bình của tường, các thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dịng
− Trường hợp dòng lạnh
Nu= 0,23.(Re.Pr0,5 +4000)2/3 (2.23)
Pr: chuẩn số Prant của dịng tính theo nhiệt độ trung bình của tường, các thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dịng
Nu=α × Dλ ℜ=ρ× n×dμ 2 Pr=Cp× μ
λ (2.24)
Trong đó:
D: Đường kính thiết bị (m)
λ: Hế số dẫn nhiệt của lưu chất (W/m.độ) ρ: khối lượng riêng (kg/m3)
n: số vòng quay cánh khấy trong 1 giây (vg/s) d: đường kính cánh khuấy (m)
Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.độ)
µt: độ nhớt chất lỏng ở nhiệt độ bề mặt truyền nhiệt µ: độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ trung bình ttb=(tt+td)
Cấp nhiệt trong bình phản ứng cánh khuấy chân vịt, có ống xoắn truyền nhiệt dành cho chất lỏng Newton
Nu = 0,55 . ℜ0,64. Pr0,3.(d )0,4.(μf )
0,32
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học Trong đó:
Pr: chuẩn số Prant của dịng tính theo nhiệt độ trung bình của tường, các thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dịng
μf: độ nhớt của chất lỏng ở bề mặt truyền nhiệt.
μw: độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ trung bình ttb=(tt+td) d: đường kính cánh khuấy (m)
D: Đường kính thiết bị (m)
ℜ=ρ× n×dμ 2 Pr=Cp× μ
λ (2.26)
Cấp nhiệt khi sơi
− Toả nhiệt khi sôi màng
α=0,677.√4λh3 . ρh . rhh . (ρf- ρh).g
μh.Δt.H (2.27) − Tỏa nhiệt sôi bọt
α=b.( λ2 υ .σ .Ts)1/3 . Δt2 (2.28) b=0,075.[1+10.(3,4.ρh ρf−ρh)2/3 ] (2.29) Trong đó:
λ: Hế số dẫn nhiệt của chất mang nhiệt (W/m.độ) ρh: khối lượng riêng của hơi (kg/m3)
ρf: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3) σ : sức căng bề mặt chất mang nhiệt H: chiều cao thân thiết bị
rhh: nhiệt ẩn hóa hơi của chất mang nhiệt ∆t = tv – ts
tT: nhiệt độ thành phía tiếp xúc với chất lỏng. ts : nhiệt độ sơi của chất lỏng
B3: Tính q1
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học B4: Tính tT2 qT=λ δ×(tT1−tT2) (2.31) B5: Tính α2 [1] 2.4.5.2. Tính Nu2 Cấp nhiệt vỏ ngồi thiêt bị
αN=Cs.λN.(Gr . Pr)f.H−1T (2.32) Gr = g.HT3. βN.(tN−tNtb).v−N2 (2.33) Pr = vN.CN. ρN. λ−1N (2.34) Trong đó: Cs và f: hệ số tra bảng 4.3 HT chiều cao phần vỏ trụ bọc (m)
λN: độ dẫn nhiệt của chất mang nhiệt (W/moC)
vN: độ nhớt động học của chất mang điện (m2. s−1¿
Cs:nhiệt dung riêng của chất mang điện (J/kgoC)
ρN: khối lượng riêng của chất mang nhiệt (kg/m3)
βN: hệ số nở thể tích vì nhiệt của chất mang nhiệt (℃−1¿ Bảng 2. 3 Mối liên hệ giữa Cs và f
Gr.Pr Cs f ≤103 103 −¿5.102 5.102 −¿2.107 >2.107 0,450 1,180 0,540 0,135 0 0,125 0,125 0,330 Gr.Pr = HT3.(tT−tNtb).∆ Trong đó:
∆: hệ số đối với nước ∆=¿g.βN. ρ2N.CN.(ηN. λN)−1
Cấp nhiệt từ hơi ngưng tụ ở trong vỏ bọc trơn đến thành thùng khuấy
α =1,15[λ . ρ .(ρ −ρ ' ).g.r ]0,25
[η (t −t ' )H ]0,25
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học Trong đó:
tN: nhiệt độ ngưng tụ, ℃
ρN, ρ'N: khối lương riêng của nước ngưng và hơi bão hòa, kg/m3
ηN: độ nhớt động lực học của nước ngưng, W/moC rN: nhiệt hóa hơi của hơi bão hịa, J/kg
g: gia tốc trọng trường, m/s2
t 'N = 0,5(tKtb+tN¿
tKtb: nhiệt độ trung bình của mơi trường khuấy
Cấp nhiệt từ chất lỏng trong vỏ bọc loại ống xoắn
αN=0.232. λN.ηN0.14.εN.ℜ0.8. Pr0.33. d−1rd .(ηNT)−0.14 (2.36) Re= ρN.vN.dtd.ηN−1
Pr=CN.ηN. λN−1 εN=1+3,6.dtd. D−1
Trong đó:
Cs:nhiệt dung riêng của chất mang nhiệt (J/kgoC)
ρN,: khối lương riêng củachất mang nhiệt (kg/m3)
λN: độ dẫn nhiệt của chất mang nhiệt (W/moC)
ηN: độ nhớt động lực học của nước ngưng (W/moC) D: đường kính thiết bị (m)
dtd: đường kính tương đương (m)
vN : vận tốc chất lỏng đi trong thiết bị (m/s)
Vận tốc thiết bị đi trong vỏ bọc loại nửa ống xoắn hoặc ống xoắn:
vN=VSN
SN (2.37)
Trong đó:
SN:diện tích tiết diện chảy, m2
VSN: lưu lượng chất mang nhiệt, m3/s − Đối với với xoắn
SN= 0,25.π.no.do2 (2.38) − Đối với vỏ bọc
SN=0,5.ro.[l2−l2.(1−A1)] (2.39) Trong đó:
Trường Đại Học Cơng Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học do: đường kính ống xoắn (m)
no: số ống xoắn ro: bán kính nửa ống
l1, l2: chiều dài cung và chiều dài dây cung của ống (m)
l1=ro.√8.A1+5,3.A1−1 (2.36)
l2=2.ro.√2.A1−1 (2.37) A1= ho
ro (2.40)
Trường hợp ngưng hơi trên bề mặt vỏ áo
Nu = 1,15 . (Ga.Pr.K)1/4 (2.41)
Trong đó:
Ga: Chuẩn số Galie của nước ngưng Ga = H3.ρ2.9,18
μ2 (2.42) Trong đó:
H: Chiều cao thiết bị (m) ρ: khối lượng riêng (kg/m3)
µ: độ nhớt của hơi bảo hịa ở nhiệt độ trung bình ttb = (tt+td)
Pr: chuẩn số Prant của dịng tính theo nhiệt độ trung bình của tường, các thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dịng.
K: Chuẩn số ngưng
K=Cr
P. ∆t
Với:
Cp: nhiệt dung riêng của nước ngưng J/kg.độ
Cấp nhiệt từ hơi ngưng tự trong vỏ bọc loại nửa ống xoắn hoặc ống xoắn đến tường thiết bị αN=2,5.λN√Q . ρN.ρ0,1.lN0,35.(FrN ηN )−0,5 .(g. ρN' .σN)−0,3 .d−0,25td (2.43) Trong đó:
Q:lượng nhiệt cần truyền trong một đơn vị thời gian, J/s;
λN, ρN, ηN, σN: độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, độ nhớt động lực học và sức căng bề mặt của nước ngưng
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
ρ'N: khối lượng riêng của hơi bão hịa (kg/m3) lN: chiều dài của dòng mang nhiệt
với vỏ bọc loại nửa ống xoắn lN=π .(D+2.S).nV
với ống xoắn: lN= π .Dx. nx
Ở đây: S: chiều dày thùng khuấy; nx: số vịng xoắn
dtd: đường kính tương đương
B6: Tính q2
q2=α2×(tT2−t2) (2.44)
B7: So sánh q1 với q2 sai số 5% , nếu sai số lớn hơn 5% thì giả sử lại tT1 và tính lại
%q=|q1−q2|
q1+q2
2
.100 (2.45)
2.4.6.Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
Q=K . F .∆tlog (2.46)
¿≫F=K .∆Q
tlog (2.47)
2.4.7.Cơng suất khuấy trộn
N=KN. ρ.n3.dk3 (2.46) Trong đó:
N: công suất khuấy trộn, W KN: chuẩn số công suất
KN= ρ .nN3.dk5
2.4.8.Chuẩn số Frud: tỉ số giữa lực quán tính và trọng trường
Fr = n.dg2 (2.48)
Trong đó:
n: vận tốc của cánh khuấy, m/s g: gia tốc trọng trường, m/s2
d: đường kính thiết bị, m;
2.4.9.Chuẩn số Weber: tỉ số giữa lực quán tính và sức căng bề mặt
We=n 2.ρ.dck3
σ (2.49)
σ: sức căng bề măt chất lỏng được khuấy, N/m
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
τ . n=Kn (2.50)
Trong đó: n: số vòng quay cánh khuấy, (vòng/s)
Kτ=6,7.( D dk)5/3
. Kn−1/3
(2.51)
2.4.11. Đáy thiết bị
Chiều dày của đáy nón làm việc dưới áp suất trong S=( p
2.φ . σcp−p).cosDα+C (2.52) Trong đó
D: đường kính đáy lớn, m
α: nửa góc đỉnh
Đáy nón chịu áp suất ngồi thì chiều dày đáy nón tăng lên 1,4 lần Chiều dày đáy khum và đáy elip
S=( p
2.φ . σcp−0,5.p).4.Dh
đ+C (2.53)
Trong đó
hđ: chiều cao của đáy, m
D:đường kính đáy, m Tăng bền cho lỗ do=2.[(S−C) Sv −0,875.√Dt.(S−C)−C] (m) (2.54) Trong đó: Sv = S-C-C’ Dt: đường kính tình tốn
Với hình trụ Dt = D, với đáy nón Dt = cosDα, với đáy khum hoặc elip Dt = 2.hD2
d
2.4.12. Nắp thiết bị
[σ]
p .φh (2.55)
[σ]: ứng suất cho phép khi kéo, N/mm2
φh: hệ số bền mối hàn
p: ấp suất tính tốn trong thiết bị Nếu 4,5≤[σ]
p φh≤25
S'=p.Rt
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học Nếu [σp]φh≥25
S'= p. Dt
2.[σ].φh (2.57)
Rt: bán kính cong bên trong của đỉnh, mm Nếu nắp phẳng
S=k .Dko .√ p
σcp+C (2.58)
Trong đó
D: đường kính nắp, m
C: lượng dư kể tới ăn mịn và sia lệch do chế tạo p: áp suất tính tốn, lấy bằng áp suất làm việc, N/m2
σcp: ứng suất cho phép của vật liệu, N/m2
2.4.13.Thông số kết cấu
a. Độ gọn thiết bị
g =VF (2.59)
b. Suất tiêu hao kim loại
b =GF (2.60)
2.4.14. Bích và đệm nối bít kín thiết bị
‒ Chọn loại bích liền khơng cổ bằng thép CT3
‒ Theo ([4], Bảng XIII.27/417), cho kiểu bích liền bằng thép CT3 (Kiểu I) với thiết bị đáy nắp
‒ Theo ([4], Bảng XIII.31/433), tương ứng với ([4], Bảng XIII.27/417).
2.4.15. Tai treo Chân đỡ
Thiết bị làm bằng thép thép khơng rỉ (X18H10T), có khối lượng riêng ρ = 7.9 × 103 (kg/m3 )
a. Khối lượng của nắp và đáy.
‒ Ta có khối lượng của đáy và nắp là như nhau.
‒ Tra ([4], Bảng XIII.11/384)có khối lượng của đáy và nắp là như nhau.
b. Khối lượng thân thiết bị
m1=(π.Dn2 4 -
π.Dt2
4 ).H.ρ (2.61) Trong đó:
Trường Đại Học Cơng Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học Dt: đường kính trong thiết bị (m)
H: chiều cao thiết bị (m)
ρ: khối lượng riêng của thép (kg/m3 )
c. Khối lượng bích ghép
m2=n.(π .Db2 4 −
π .Dt2
4 ). H'. ρL (2.62) Dt: đường kính trong thiết bị (m)
H′: chiều cao thiết bị (m)
ρL: khối lượng riêng của chất lỏng trong thiết bị (kg/m3 )
d. Khối lượng của chất lỏng trong thiết bị
F1=F
n =m.gn (2.63) n: số chân và tai treo
e. Tổng khối lượng thiết bị
m = m1 + m2 + m3 (2.64)
CHƯƠNG III. MÔ PHỎNG
2.
3.1. Sơ lược thiết kế giao diện bằng App Designer 3.1.1. Khởi động chương trình:
Bước 1: Sau khi đã cài đặt xong phần mềm MATLAB (phiên bản có phần mềm AppDesigner), tạo Shortcut ra màn hình hoặc vào ổ có chứa tệp tin thư mục
MATLAB. Có 2 cách khởi động giao diện: nhấn vào biểu tượng hoặc chuột phải Open.
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học
Hình 3. 1 Mở file MATLAB
Bước 2: Sau khi khởi động xong, giao diện MATLAB hiện ra như hình ảnh phía dưới đây
Hình 3. 2 Giao diện của phần mềm MATLAB sau khi khởi động
Bước 3: Gõ chữ appdesigner vào khung command window. Lưu ý chỉ có thể đánh “appdesigner” khơng thể đánh cách khác vì MATLAB quy định chữ viết thường và
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công nghệ Kỹ thuật Hóa học viết in hoa khác nhau. Nhấn Enter
Hình 3. 3 Khởi động phần mềm AppDesigner
Bước 4: MATLAB sẽ thực thi lệnh mở cửa sổ của appdesigner. Sau khi khởi động xong, sẽ thấy có cửa sổ appdesigner hiện lên trên màn hình.
Hình 3. 4 Giao diện AppDesigner
Trường Đại Học Cơng Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học
3.1.2.1. Giao diện thiết kế
‒ Trong cửa sổ này gồm có các thành phần chính sau
1. Giao diện thiết kế: cho phép thực hiện các thao tác kéo và thả các chi tiết để thiết kế giao diện cho ứng dụng. Cho phép đặt tên các chi tiết theo ý muốn của người sử dụng và tìm kiếm chi tiết tại ơ tìm kiếm (phần Component Browser). Ngồi ra cho biết các thuộc tính của chi tiết (phần Component Properties).
2. Thư viện thành phần: cho phép lựa chọn các chi tiết để thiết kế cho ứng dụng của mình
3. Giao diện viết chương trình: là phần sau khi thực hiện thiết kế bên ngoài ứng dụng của người sử dụng xong sẽ viết các lệnh bên trong cho mỗi đối tượng để thực thi theo ý muốn của người dùng.
4. Cửa số thiết kế: thiết kế ngoại quan cho giao diện của ứng dụng
Hình 3. 5 Các thành phần chính trong cửa sổ‒ Ở cửa sổ thiết kế, sẽ có 2 tab là Designer và Canvas. ‒ Ở cửa sổ thiết kế, sẽ có 2 tab là Designer và Canvas.
a. Tab Designer
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học
‒ New : mở thêm file AppDesigner (.mlapp). Lưu ý đối với AppDesigner mở file không thể di chuyển Tab, không tách thành 2 cửa sổ được trừ khi mở thêm một cửa sổ MATLAB nữa
‒ Open : cho phép mở tệp tin gần đây để xem hoặc chỉnh sửa
‒ Save : có 3 chế độ là Save (lưu tệp tin đang mở) , Save As (lưu với một tên khác đè lên tên file cũ, file mới hiện lên, file cũ đóng) và Save Copy As ( giữ nguyên file cũ, sau khi đổi tên file mới, file mới sẽ nằm trong thư mục)
‒ Run : chạy và kiểm tra chương trình đã viết, có 2 chế độ chạy: 1 là chạy hết tồn bộ chương trình, 2 là chạy đến điều kiện đầu vào đã đưa ra.
b. Tab Canvas
Hình 3.7 Các cơng cụ trong tab Canvas
‒ Align : canh chỉnh lề cho các chi tiết đã chọn gồm có canh trái , canh giữa , canh phải , canh thẳng hàng ở phía trên chi tiết , canh thẳng hàng dựa vào trung điểm của các chi tiết theo chiều ngang , canh thẳng hàng ở phía dưới chi tiết .
‒ Same size (Arrange) : Sắp xếp các đối tượng có cùng kích cỡ với nhau, có 3 chế độ sắp xếp: theo chiều rộng và chiều cao giữa 2 chi tiết, theo chiều cao của chi tiết, theo chiều rộng của chi tiết.
‒ Grouping (Arrange) : Nhóm các chi tiết với nhau, phím tắt Ctrl + G, có thể thêm chi tiết mới vào group bằng Add to Group hoặc bỏ chi tiết ra khỏi group bằng Remove from Group. Hủy không tạo group giữa các chi tiết với nhau Ungroup (Ctrl + Shift + G).
Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học ‒ Space : chỉnh khoảng cách giữa tiêu đề chi tiết với chi tiết, có thể áp dụng cho hàng ngang (Apply Horizontally) hoặc hàng dọc(Apply Vertically).
‒ View : xem chế độ dạng lưới (tick vào ô Show Grid) hoặc không xem (bỏ tick vảo ô Show Grid), xem trợ giúp về canh chỉnh (Show alignment hints), xem trợ giúp về chỉnh kích cỡ giao diện (Show resizing hints)
‒ Run : chạy và kiểm tra chương trình đã viết, có 2 chế độ chạy: 1 là chạy hết tồn bộ chương trình, 2 là chạy đến điều kiện đầu vào đã đưa ra.