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 cuối 𝑡’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)
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
𝐶𝑅 = 3,218 kJ.kg-1.độ-1 (bảng I.154, trang 172, [1])
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" = 𝑄𝑤
𝐶𝐹.𝐺𝐹+ 𝑡𝐹′ = 94680
3,72.1691,353600 + 30 = 45,04 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"+𝑡𝐹′
2 =30+48,04
2 = 37,5 oC
Khối lượng riêng: 𝜌𝐹 = 924,486 kg.m-3 (bảng I.2, trang 9, [1]) Độ nhớt động học: 𝜇𝐹 = 13.10−3 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 = 𝑄
𝐾.𝛥𝑡𝑙𝑜𝑔 (V.1, trang 3, [2])
Xác định 𝜟𝒕𝒍𝒐𝒈:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:
𝛥𝑡𝛥𝑡1−𝛥𝑡2 𝑙𝑛𝛥𝑡1 𝛥𝑡2 (120−45,04)−(40−30) 𝑙𝑛(100−5860−30) 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:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh SVTH: Phạm Văn Tín Trang 68 𝑣𝑊 =𝐺𝑤 𝜌𝑤⋅ 4 𝜋.(𝐷𝑡𝑟2−𝑑𝑛𝑔2 )=0,284 806 ⋅ 4 𝜋.(0,0342−0,0252)= 0,623 (m.s-1) Đường kính tương đương:
𝑑𝑡đ = 𝐷𝑡𝑟− 𝑑𝑛𝑔 = 0,035 − 0,025 = 0,009 (m) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝑤 =𝑣𝑤.𝑑𝑡đ.𝜌𝑤 𝜇𝑤 =0,623.0,009.806 0,355.10−3 = 12718,8 > 2300 (chế độ chảy quá độ) Chuẩn số Nusselt: 𝑁𝑢𝑤 = 𝜀1. 𝑅𝑒0,18. 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
𝑅𝑒𝑤 = 12718,8 và 𝐿
𝑑𝑡đ= 1,5
0,009 = 167 > 50 nên chọn 𝜀1 = 1 (tra bảng V.2, trang
15, [2])
𝐶: hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds, 𝑅𝑒𝑤 = 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: 𝑁𝑢𝑤 = 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 =𝑁𝑢𝑤.𝜆𝑤
𝑑𝑡𝑑 = 69,38.0,672
0,009.𝑃𝑟𝑤10,25 = 5180,37
𝑃𝑟𝑤10,25 (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). Nhiệt tải qua thành ống nhỏ và lớp cặn bẩn:
𝑞𝑡 =𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
∑ 𝑟𝑡 (5-45) Trong đĩ:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
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 = 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) (5-46)
Hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu trong ống Vận tốc nước đi trong ống:
𝑣𝐹 =𝐺𝐹 𝜌𝐹⋅ 4 𝜋.𝑑𝑡𝑟2 = 0,47 924,48⋅ 4 𝜋.0,0212 = 1,468 (m.s-1) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐹 =𝑣𝐹.𝑑𝑡𝑟.𝜌𝐹 𝜇𝐹 =1,468.0,021.924,48 10−3 = 21866 > 10−4 (chế độ chảy rối) Cơng thức xác định chuẩn số Nusselt:
𝑁𝑢𝐹 = 0,021. 𝜀1. 𝑅𝑒𝐹0,8. 𝑃𝑟𝐹0,43. (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:
𝑅𝑒𝐹 = 21866 và 𝐿
𝑑𝑡𝑟 = 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)
- 𝑃𝑟𝑤2 : chuẩn số Prandlt của dịng nhập liệu tính theo nhiệt độ trung bình của vách Suy ra: 𝑁𝑢𝐹 = 0,021.1. 218660,8. 7,550,43. ( 5,683 𝑃𝑟𝑊2 ) 0,25 = 246 𝑃𝑟𝑤20,25 Hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh SVTH: Phạm Văn Tín Trang 70 𝛼𝐹 =𝑁𝑢𝐹.𝜆𝐹 𝑑𝑡𝑟 = 246.0,642 0,021.𝑃𝑟𝑤20,25 = 5412 𝑃𝑟𝑤20,25 (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) 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+4484,951 = 1009,9 (W.m2.K-1)
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
𝐹𝑡𝑏 = 94680,64.1000
1009,9.360032,25 = 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 = 21 0,021= 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 6-4: 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 7 dãy Hệ số truyền nhiệt K 1009,9 W.m-2.độ-1 Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 0,8 m2