CHƯƠNG 6 : Tính tốn thiết bị phụ
6.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép khơng gỉ X18H10T, kích thước ống trong 25 x 2, kích thước ống ngồi 38 x 2.
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 72
Dịng nhập liệu đi trong ống 25 x 2 với nhiệt độ đầu 𝑡′′
𝐹 = 81,3 oC, nhiệt độ cuối
𝑡𝐹′ = 84,5 oC.
Chọn hơi đốt là hơi nước ở 2,025 at, đi trong ống 38 x 2 cĩ 𝑡𝑠𝑁 = 120 oC, ẩn
nhiệt ngưng tụ: 𝑟𝑁 = 2711 kJ.kg-1
Ứng với nhiệt độ trung bình 𝑡𝑡𝑏𝐹 =𝑡𝐹′+𝑡′′𝐹
2 =81,3+84,5
2 = 82,9 oC ta cĩ : Nhiệt dung riêng: 𝐶𝐹 = 3,828 kJ.kg-1.độ-1 (I.147, trang 156, [1])
Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [1]): 𝜌𝐹 = 895,25 kg.m-3
Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [1]): 𝜇𝐹 = 0,576.10−3 N.s.m-2
Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [1]): 𝜆𝐹 = 0,484 W.m-1.độ-1
Suất lượng hơi nước cần dùng: Suất lượng dịng nhập liệu:
𝐺𝐹 = 𝐹. 𝑀𝐹 = 1691,34 (kg.h-1) = 0,469 (kg.s-1)
Lượng nhiệt cần tải:
𝑄𝐶 = 𝐺𝐹. 𝐶𝐹. (𝑡𝐹 − 𝑡𝐹′′) = 0,469.3,828. (84,55 − 81,3) = 20742410 (kW)
Suất lượng hơi nước cần dùng:
𝐺𝑁 =𝑄𝐶 𝑟𝑁 =20742410 2711 = 7651,2 (kg.s-1) Xác định bề mặt tuyền nhiệt 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄 𝐾.𝛥𝑡𝑙𝑜𝑔 (V.1, trang 3, [2]) Xác định 𝜟𝒕𝒍𝒐𝒈:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:
𝛥𝑡𝛥𝑡1−𝛥𝑡2 𝑙𝑛𝛥𝑡1 𝛥𝑡2 (120−81,3)−(120−84,5) 𝑙𝑛(120−81,3 120−84,5) = 37,07 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)
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
∑ 𝑟𝑡: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
Hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu ở ống trong Vận tốc của dịng nhập liệu đi trong ống:
𝑣𝐹 =𝐺𝐹 𝜌𝐹⋅ 4 𝜋.𝑑2 𝑡𝑟= 0,469 895,26⋅ 4 𝜋.0,0212 = 1,51 (m.s-1) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐹 =𝑣𝐹.𝑑𝑡𝑟.𝜌𝐹 𝜇𝐹 =1,51.0,021.895,26 576.10−3 = 49411,17 > 104 (chế độ chảy quá độ) Chuẩn số Nusselt: 𝑁𝑢𝐹=0,021.ε1.Re0,8.Pr𝐹0,43. (Pr𝐹 Prw1)0,25 (V.44, trang 16, [2]) (5-51) Trong đĩ:
𝜀1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào 𝑅𝑒𝐹 và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống
𝑅𝑒𝐹 = 49411,17, 𝐿
𝑑𝑡𝑟= 1,5
0,021 = 72 > 50 nên chọn 𝜀1 = 1 (bảng V.2, trang 15,
[2])
𝑃𝑟𝐹 : Chuẩn số Prandlt của dịng nhập liệu ở 71 oC nên:
𝑃𝑟𝐹 =𝜇𝐹.𝐶𝐹
𝜆𝐹 =0,576.10−3.3828
0,484 = 4,56 (V.35, trang 12, [2]) (5-52)
𝑃𝑟𝑤1 : chuẩn số Prandlt của dịng nhập liệu tính theo nhiệt độ trung bình của vách
Suy ra: 𝑁𝑢𝐹 = 266,62
𝑃𝑟𝑤10,25
Hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu:
𝛼𝐹 =𝑁𝑢𝐹.𝜆𝐹
𝑑𝑡𝑟 = 266,62.0,484
0,021.𝑃𝑟𝑤10,25 = 129,04
𝑃𝑟𝑤10,25 = 6144,95 (5-53) Nhiệt tải phía dịng nhập liệu:
𝑞𝐹 = 𝛼𝐹. (𝑡𝑤1− 𝑡𝑡𝑏𝐹) = 6144,95
𝑃𝑟𝑤10,25 ⋅ (𝑡𝑤1− 71) = 82,9 (5-54)
Với 𝑡𝑤1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với dịng nhập liệu. Nhiệt tải qua thành ống nhỏ và lớp cặn bẩn:
𝑞𝑡 =𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
∑ 𝑟𝑡 (5-55) Trong đĩ:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 74
𝑡𝑤2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với dịng sản phẩm đáy 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 = 1
5000 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 + 1 5000+ 1 5000 = 5,227.10−4 (m2.oK.độ-1) Vậy: 𝑞𝑡 = 𝑡𝑤1−𝑡𝑤2 5,227.10−4 W.m-2 (5-56) Hệ số cấp nhiệt của hơi nước: Đường kính tương đương:
𝑑𝑡đ = 𝐷𝑡𝑟 − 𝐷𝑛𝑔 = 0,034 − 0,025 = 0,009 (m)
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được tính theo cơng thức:
𝛼𝑁 = 0,725𝐴 ( 𝑟𝑁 (𝑡𝑠𝑁−𝑡𝑤2)𝑑𝑡đ) 0,25 = 0,725𝐴 ( 2711.1000 (120−𝑡𝑤2).0,009) 0,25 = 98,8 𝛼𝑁 = 90,725𝐴 (120−𝑡𝑤2)0,25 Nhiệt tải phía hơi nước:
𝑞𝑁 = 𝛼𝑁. (𝑡𝑠𝑁 − 𝑡𝑊2) = 98,8. 𝐴.(120− 𝑡𝑊2)0,75 (5-57)
Chọn 𝑡𝑤1 = 91,223 oC, các tính chất lý học của rượu ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ 𝑡𝑤1:
Nhiệt dung riêng (bảng I.154, trang 172, [1]): 𝐶𝑅 = 3,963 kJ.kg-1.độ-1 Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [1]): 𝜌𝑅 = 881,35 kg.m-3
Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [1]): 𝜇𝑅 = 0,41.10−3 N.s.m-2
Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [1]): 𝜆𝑅 = 0,52 W.m-1.độ-1
Khi đĩ: 𝑃𝑟𝑤1 =𝜇𝑅.𝐶𝑅 𝜆𝑅 =0,41.10−3.3963 0,52 = 2,49 (V.35, trang 12, [2]) Từ (5-54) và (5-56) ta cĩ: 𝑞𝑡 = 𝑞𝐹 = 438,64 2,490,25⋅ (91,223 − 829) = 55022,198,16 (W.m-2) 𝑡𝑤2 = 𝑡𝑤1+ 𝑞𝑡. 5,227.10−4 = 91,223 + 5200,198.8,22.10−4 = 114,98 oC ⇒ 𝑡𝑡𝑏𝑤 =119,98+120 2 = 105,6 oC
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Tra bảng V.101, trang 29, [2] ta được 𝐴 = 181,52
Từ (5-57) ta cĩ: 𝑞𝑁 = 988.181,552. (120 − 119,98)0,75 = 53004,16
(W.m-2)
Kiểm tra sai số:
𝜀 = |𝑞𝑁−𝑞𝐹|
𝑞𝑁 =|53004,16−55022,198|
53004,16 ⋅ 100 = 3,6% < 5% (thỏa điều kiện)
Vậy 𝑡𝑤1 = 91,223 oC và 𝑡𝑤2 = 119,98 oC Khi đĩ: 𝛼𝐹 = 129.0,1 2,490,25= 66127(W.m-2.độ-1) 𝛼𝑁 = 6643,67 (W.m-2.độ-1) Nên: 𝐾 = 1 1 66126+5,277.10−4+6043,681 = 1191,34 (W.m2.độ-1) Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
𝐹𝑡𝑏 = 100570.1000
1191,34.37,05 = 0,632 (m2) Chiều dài ống truyền nhiệt:
𝐿 = 0,632 𝜋⋅0,025+0,0212 = 1313 (m) Chọn 𝐿 = 14 m (dự trữ khoảng 25%) Kiểm tra: 𝐿 𝑑𝑡𝑟 = 14 0,021= 625,54 > 50 thì 𝜀1 = 1 (thỏa)
Vậy thiết bị gia nhiệt là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt 𝐿 = 14 m. Chia thành 4 dãy mỗi dãy dài 2 m.
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 76
Bảng 6-5: 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 Bề dày ống trong 2 mm Chiều dài ống L 2 m Số dãy ống N 4 dãy Hệ số truyền nhiệt K 1191,34 W.m-2.độ-1
Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 0,633 m2