CHƯƠNG 6 : Tính tốn thiết bị phụ
6.4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy
Chọn thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thếp khơng gỉ X18H10T, kích thước ống trong 25 x 2, kích thước ống ngồi 38 x 2.
Dịng nhập liệu đi trong ống 25 x 2 với nhiệt độ đầu tF' =30 oC. Sản phẩm đáy đi trong ống 38 x 2 với nhiệt độ đầu tw=120 oC, nhiệt độ cuốit’w=40 oC
Ứng với nhiệt độ dịng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy:
ttbw=tw' +tw
2 =80 oC
Nhiệt dung riêng: Cw=4,198 kJ.kg-1.độ-1 (I.147, trang 156, [1]) Suất lượng sản phẩm đáy:
Gw=W . Mw=0,982 (kg.s-1) Lượng nhiệt cần tải:
Qw=Gw.Cw.(tw−tw' )=0,282.4,198.(120−40)=26,3 (kW)
Ở 30 oC ta xem như nhiệt dung riêng của dịng nhập liệu là hằng số [1]:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Nguyễn Việt Bách
CN=4,176 kJ.kg-1.độ-1 (I.147, trang 156, [1])
→CF=3,72 (kJ.kg-1.độ-1)
Nhiệt độ dịng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy:
tF} = {{Q} rsub {w}} over {{C} rsub {F} . {G} rsub {F}} + {t} rsub {F} rsup {'} = {94680} over {3,72. {1691,35} over {3600}} +30=45,0¿
oC
Các tính chất lý học của dịng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình:
ttbF=tF} + {t} rsub {F} rsup {'}} over {2} = {30+48,04} over {2} =37,¿¿ oC
Khối lượng riêng: ρF=924,486 kg.m-3 (bảng I.2, trang 9, [1]) Độ nhớt động học: μF=13.1 0−3 N.s.m-2 (bảng I.101, trang 91, [1]) Nhiệt dung riêng: CF=3,844 kJ.kg-1.độ-1 (bảng I.154, trang 172, [1]) Hệ số dẫn nhiệt: λF=0,642 W.m-1.độ-1 (bảng I.130, trang 134, [1]) Xác định bề mặt tuyền nhiệt
Ftb=K . ΔtQ
log (V.1, trang 3, [2])
Xác định Δtlog:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:
Δt Δt1−Δt2 ln Δt1 Δt2 (120−45,04)−(40−30) ln(100−58 60−30 ) log oC Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
K= 1 1
αF+∑rt+ 1
αW (W.m-2.độ-1 ) (V.5, trang 4, [2]) Với:
αF: hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu trong ống W.m-2.độ-1
αW: hệ số cấp nhiệt của dịng sản phẩm đáy đi trong ống ngồi W.m-2.độ-1
∑rt: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy ở ống ngồi Vận tốc của sản phẩm đáy đi ở ống ngồi:
SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 17
vW=Gw
ρw ⋅π .(Dtr24−dng2 )= 0,284
806 ⋅π .(0,03442−0,02 52)=0,623 (m.s-1) Đường kính tương đương:
dtđ=Dtr−dng=0,035−0,025=0,009 (m) Chuẩn số Reynolds: ℜw¿vw.dt đ. ρw μw =0,623.0,009 .8060,355.1 0−3 =12718,8 > 2300 (chế độ chảy quá độ) Chuẩn số Nusselt: N uw=ε1.ℜ0,18. Prw0,43.( Prw❑ Prw1❑)0,25 (V.44, trang 16, [2]) (5-41) Trong đĩ:
- ε1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Rew và tỷ lệ chiều dài với đường kính
ống
ℜw¿12718,8 và dL
t đ=0,0091,5 =167>50 nên chọn ε1=1 (tra bảng V.2, trang 15, [2])
C: hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds, ℜw¿12718,8 nên C=26 (V.44, trang 16, [2])
Prw❑: Chuẩn số Prandlt của dịng sản phẩm đáy ở 80 oC nên
Prw¿μw.Cw
λw =0,355.10
−3.4198
0,672 =2,22 (V.35, trang 12, [2]) (5-42)
Prw1❑: chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh tính theo nhiệt độ trung bình của vách
Suy ra: N uw=0,021.1.12718,80,8.2,220,43⋅ 2,220,25
Prw10,25❑=
693,38
Prw10,25❑ Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống ngồi:
αw=N uw. λw
dtd =0,009.69,38.0,672Prw0,251 ❑=
5180,37
Prw0,251 ❑ (5-43) Nhiệt tải phía sản phẩm đáy:
qw=αw(ttbw−tw1)=5180,37
Prw10,25❑⋅(80−tw1) (5-44)
Với tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngồi ống nhỏ).
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Nguyễn Việt Bách
qt=tw1−tw2
∑rt (5-45) Trong đĩ:
tw2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với dịng nhập liệu (trong ống nhỏ)
Bề dày thành ống: δt=2 mm
Hệ số dẫn nhiệt của thép khơng gỉ: λt=16,3 W.m-2.độ-1 (XII.7, trang 313, [2]) Nhiệt trở của lớp bẩn ở tường với hơi nước sạch: r1=50001 m2.K.độ-1
Nhiệt trở của lớp cáu phía sản phẩm đáy: r2= 1
5000 m2.K.độ-1 ⇒∑rt=δt λt+r1+r2=0,002 16,3 +50001 +50001 =5,227.1 0 −4 (m2.oK.độ-1) Vậy: qt= tw1−tw2 5,227.1 0−4 (W.m-2) (5-46)
Hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu trong ống Vận tốc nước đi trong ống:
vF=GρFF⋅ 4 π .dtr2 =924,480,47 ⋅ 4 π.0,0212=1,468 (m.s-1) Chuẩn số Reynolds: ℜF¿vF.dtr. ρF μF =1,468.0,021 .924,4810−3 =21866>10−4 (chế độ chảy rối) Cơng thức xác định chuẩn số Nusselt:
N uF=0,021.ε1.ℜ0,8F .Pr0,43F .( PrF❑ Prw2❑)0,25
(V.40, trang 14, [2]) (5-47) Trong đĩ:
- ε1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReF và tỷ lệ chiều dài với đường kính
ống: ℜF¿21866 và dL
tr
= 1,5
0,021=72>50⇒ε1=1 (bảng V.2, trang 15, [2])
PrF❑: chuẩn số Prandlt của dịng nhập liệu ở 44 oC
PrF¿μF.CF
λF =0,13.10
−3.3,72.10−3
0,642 =7,55 (5-48)
SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 19
- Prw2❑: chuẩn số Prandlt của dịng nhập liệu tính theo nhiệt độ trung bình của vách Suy ra: N uF=0,021.1.218660,8.7,550,43.( 5,683 PrW2❑)0,25 = 246 Prw0,252 ❑ Hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu:
αF=N udtrF. λF= 246.0,642 0,021.Prw0,252 ❑=
5412
Prw0,252 ❑ (5-49)
Nhiệt tải phía nhập liệu:
qF=αF(tw2−ttbF)= 5412
Prw20,25❑⋅(tw2−34,5) (5-50) Chọn tw1=69,4 oC.
Sản phẩm đáy lúc này được xem như nước nên:
Prw1¿2,57 (I.249, trang 310, [1]) Từ (5-46) ta cĩ: qw=5180,37 2,570,25 ⋅(80−69,4)=43348,33 (W.m-2) Từ (5-13) ta cĩ: tw2=tw1−qt.5,227 .10−4=69,4−43348,33.5,227.10−4=46,74 oC ⇒ttbw=69,4+46,74 2 =58,07 oC
Các thơng số của dịng nhập liệu ứng với nhiệt độ ttbw=58,07 oC được tra ở tài liệu tham khảo [1]:
Nhiệt dung riêng: CR=3,685 kJ.kg-1.độ-1 (I.154, trang 172, [1]) Khối lượng riêng: ρR = 911,25 kg.m-3 (I.2, trang 9, [1])
Độ nhớt động học: μR = 0,5936.10-3 N.s.m-2 (I.101, trang 91, [1]) Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,421 W.m-1.độ-1 (I,130, trang 134, [1]) Khi đĩ: Prw2¿μR.CR λR =0,36.10 −3.3,685 0,44 =7,76 Từ (5-50) ta cĩ: qF= 5412 7,760,25⋅(46737,5−44)=41344,76 (W.m-2)
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Nguyễn Việt Bách
Kiểm tra sai số:
ε=|qw−qF|
qF =
|43348,33−41344,76|
41344,76 ⋅100=0,0418 %<5% (thỏa điều kiện) Vậy tw1=69,4 oC và tw2=46,7 oC Khi đĩ: αw=5180,37 2,570,25 =4089,46 αF= 5412 7,760,25=4484,95 Nên: K= 1 1 4089,46+5,277.10 −4+ 1 4484,95 =1009,9 (W.m2.K-1) Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Ftb=1009,9.360032,2594680,64.1000 =0,8 (m2) Chiều dài ống truyền nhiệt:
L= 0,8 π⋅0,025+0,0212 =11,07 (m) Chọn L=21 m (dự trữ khoảng 15%) Kiểm tra: L dtr=0,02121 =1000>50 thì ε1=1 (thỏa)
Vậy thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và dịng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L=21m. Chia thành 7 dãy mỗi dãy dài 2 m.
Bảng 6-22: Tĩm tắt thơng số thiết bị trao đổi nhiệt với dịng nhập liệu
Thơng số Kí hiệu Giá trị
Loại thiết bị Ống lồng ống
Đường kính ngồi của ống
dng 38 mm
Bề dày ống ngồi 2 mm
Đường kính ống trong dtr 25 mm
SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 21
Thơng số Kí hiệu Giá trị Bề dày ống trong 2 mm Chiều dài ống L 2 m Số dãy ống N 7 dãy Hệ số truyền nhiệt K 1009,9 W.m-2.độ-1 Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 0,8 m2