CHƯƠNG 6 : Tính tốn thiết bị phụ
6.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong: 10 x 16 và kích thước ống ngồi là 20 x 2.
Chọn:
- Nước làm lạnh đi trong ống 10 x 16 (ống trong) với nhiệt độ đầu t1=40 oC, nhiệt độ cuối t2=50oC.
- tD=79,78 oC, nhiệt độ cuối tD' =35 oC.
Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra tài liệu [1] ứng với nhiệt độ trung bình:
ttbN=t1+t2 2=40+250=45 oC
- Nhiệt dung riêng: CN=4,185 kJ.kg-1.độ-1 (I.147, trang 156, [1]) - Khối lượng riêng: ρN=989,95 kg.m-3 (I.5, trang 11, [1])
- Độ nhớt động học: μN=0,83.10−3 N.s.m-2 (I.102, trang 94, [1]) - Hệ số dẫn nhiệt: λN=0,6454 W.m-1.độ-1 (I.129, trang 133, [1]) Các thơng số của dịng sản phẩm đỉnh ứng với:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Nguyễn Việt Bách
ttbD=tD+t'D
2 =78,782+50=57,389 oC
- Nhiệt dung riêng: CD=3,487 kJ.kg-1.độ-1 (bảng I.154, trang 172, [1]) - Khối lượng riêng: ρD=777,01 kg.m-3 (bảng I.2, trang 9, [1])
- Độ nhớt động học: μD=0,67.10−3 N.s.m-2 (bảng I.101, trang 91, [1]) - Hệ số dẫn nhiệt: λD=0,164 W.m-1.độ-1 (bảng I.130, trang 134, [1])
6.2.1. Suất lượng hơi dùng để làm mát sản phẩm đỉnh
Suất lượng sản phẩm đỉnh:
GD=D . MD=0,18kg.s-1 Lượng nhiệt cần tải:
Qt=GD.CD.(tD−tD' )=0,18.3,48.(78,78−50)=28,23 (kJ.s-1) Suất lượng nước cần dùng:
GN= Qt
CN.(t2−t1)=4,185.(50−40)28,23 =0,67 (kg.s-1)
6.2.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Ftb= QntD
K . Δtlog (V.1, trang 3, [2])
Với:
- K: hệ số truyền nhiệt
- Δtlog: nhiệt độ trung bình logarit
Xác định Δtlog:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
Δt Δt1−Δt2 lnΔt1 Δt2 (79,78−50)−(40−35) ln(78−50) (40−35) =13,88 ❑ oK (V.8, trang 5, [2]) Xác định hệ số truyền nhiệt K: K= 1 1 αN+∑rt+α1 D (W.m-2.K-1) (V.5, trang 4, [2]) Với:
αN: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống W.m-2.K-1
SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 7
αD: hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ W.m-2.K-1
∑rt: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
❖Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngồi:
Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngồi:
vD=GD
ρD⋅ π .(Dtr24−Dng2 )= 0,118
777 ⋅π .(0,03442−0,0612)=0,987 (m.s-1) Đường kính tương đương:
dt đ=Dtr−Dng=0,016−0,006=0,01 (m) Chuẩn số Reynolds: ℜD¿υD.dt đ. ρD μD =0,987.0,01.7770,67.10−3 =11516,3>104 (chế độ chảy quá độ) Xác định chuẩn số Nusselt: N uD=0,021.ε1.ℜ0,43D .( PrD❑ Prw1❑)0,25 (V.44, trang 16, [2]) (5-25) Trong đĩ: 1
: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReD và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống:
ℜD¿11516,3 và dL
t đ=0,012 =200>50 nên chọn ε1=1 (tra bảng V.2, trang 15, [2])
K: hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds, ℜD¿3038,544 nên C=15,194 (V.44, trang 16, [2])
PrD❑: chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh tính 56,6 oC nên
PrD¿μD.CD
λD =0,67.1 0
−3.3,407 .103
0,164 =14,1 (V.35, trang 12, [2]) (5-26)
Prw1❑: chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh tính theo nhiệt độ trung bình của vách.
Suy ra: N uD= 225,28
Prw10,25❑
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngồi:
αD=N udt đD. λD=225,28.0,164 0,01.Prw0,251 ❑=
3694,59
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Nguyễn Việt Bách
Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh:
qD=αD(ttbD−tw1)=3694,59
Prw10,25❑⋅(57,38−tw1) (5-28)
Với tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (ngồi ống nhỏ).
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
qt=tw1−tw2
∑rt (5-29)
Trong đĩ:
tw2: nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ)
∑rt=δt
λt+r1+r2 (5-30) Bề dày thành ống: δt=2 mm
Hệ số dẫn nhiệt của thép khơng gỉ: λt=16,3 W.m-2.K-1 (XII.7, trang 313, [2]) Nhiệt trở lớp bẩn ở tường trong của ống: r1= 1
5000 m2.độ.m-1 Nhiệt trở lớp bẩn ở tường ngồi ống: r2=50001 m2.độ.m-1
⇒∑rt=δλt
t+r1+r2=0,001616,3 +50001 +50001 =5,7.10−4 (m2.oK.W-1) Vậy: qt=tw1−tw2
5,7.1 0−4 (5-31)
❖Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ:
Vận tốc nước đi trong ống:
vN=GN ρN ⋅ 0,67.989,85 4 π .dtr2 =989,820,176 ⋅ 0,67.989,85 4 π.0,00612 =8,68 (m.s-1) Với dtr=10−2.2=6 mm Chuẩn số Reynolds: ℜN¿vn.dtr. ρn μn =8,68.0,006.989,850,83.10−3 =70628,9>104 (chế độ chảy rối) Cơng thức xác định chuẩn số Nusselt:
N uN=0,021.ε1.ℜ0,8N . Pr0,43N .(PrN❑
Prw❑)0,25
(V.40, trang 14, [2]) (5-32)
SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 9
Trong đĩ:
ε1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ℜN❑ và tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống
ℜN¿70628,9 và dL
v=0,0062 =150>50⇒ε1=1 (bảng V.2, trang 15, [2])
- PrN❑:chuẩn số Prandlt của nước ở 45 oC nên PrN¿3.8 (bảng I.249 trang 310, [1])
- Prw❑: chuẩn số Pandlt của nước tính theo nhiệt độ trung bình của vách Suy ra: N uN=0,021.1 .70628,9018.3,80,43.( 3,8
PrW2❑)0,25
=4297,25
Prw0,25❑ Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống trong:
αN=N uN. λN
dtr =4297,25.0,645Prw20,25.0,006 =
277495
Prw20,25❑ Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
qN=αN.(tW2−ttbN)=277495
Prw0,252 ❑.(tw2−45) (5-33) Chọn tw1=46,55 oC.
Các thơng số của rượu ngưng tụ ứng với nhiệt độ tw1=46,55 oC được tra ở tài liệu [1]:
- Nhiệt dung riêng: CR=3,908 kJ.kg-1.độ-1 (I.154, trang 172, [1]) - Độ nhớt động học: μR=0,8.1 0−3 N.s.m-2 (I.101, trang 91, [1]) - Hệ số dẫn nhiệt: λR=0,16 W.m-1.K-1 (I,130, trang 134, [1]) Khi đĩ xem: Prw1≈μR.CR λR =0,8.10 −3.3908 0,16 =18,9 Từ (5-28) ta cĩ: qD=3694,59 Prw10,25❑.(57,36−46,55)=3092,305 (W.m-2) Từ (5-31) ta cĩ : tw2=tw1−qt.5,227.1 0−4=46,55−3092,3.5 .10−4=45,011 oC ⇒ttbw=46,55+245,011=45,78 oC
Tra bảng I.249, trang 310, [1] ta cĩ: Prw2¿3,86 Từ (5-33) ta cĩ:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Nguyễn Việt Bách
qN=277495
3,860,25.(45,011−45)=3052,44 (W.m-2) Kiểm tra sai số:
ε=|qN−qD|
qD =
|3052,44−3092,305|
3052,44 .100=4,29 %<5% (thỏa điều kiện) Vậy: tw1=46,55 oC và tw2=45,011oC Khi đĩ: αN=27749,5 3,4360,25=277495 (W.m-2.độ-1) αD=3694,59 18,90,25 =285,3 (W.m-2.độ-1) Hệ số truyền nhiệt: K= 1 1 277495+5.10 −4+ 1 285,32 =249,5 (W.m-2.độ-1) Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
Ftb=249,5.13,8828,23 =8,151. 10−3
(m2) Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt:
L= 8 π .0,016+0,0062 =141,54 (m) Chọn L=18 m (dự trữ khoảng 25%) Kiểm tra: dL tr =141,54
0,006 =23583,3>50 thì ε1=1 (thỏa điều kiện)
Vậy: thiết bị làm mát sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L=18 m. Chia thành 9 dãy, mỗi dãy dài 2 m.
Bảng 6-20: Tĩm tắt thơng số thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Thơng số Kí hiệu Giá trị
Loại thiết bị Ống lồng ống
Đường kính ống ngồi dng 20 mm
Bề dày ống ngồi 2 mm
SVTH: Đỗ Huỳnh Trung Trang 11
Thơng số Kí hiệu Giá trị Đường kính ống trong dtr 10 mm Bề dày ống trong 2 mm Chiều dài ống L 2 m Số dãy ống 9 dãy Hệ số truyền nhiệt K 249,5 W.m-2.độ-1
Bề mặt truyền nhiệt trung bình
Ftb 8 m2