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′ = 35oC.
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+502 = 45oC
- 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:
𝑡𝑡𝑏𝐷 =𝑡𝐷+𝑡𝐷′
2 =78,78+502 = 57,389oC
- 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:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 58
𝐺𝑁 =𝐶 𝑄𝑡
𝑁.(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:
𝛥𝑡𝛥𝑡1−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+𝛼𝐷1 (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
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.(𝐷 4
𝑡𝑟2−𝐷𝑛𝑔2 )=0,118777 ⋅𝜋.(0,03424−0,0612)= 0,987 (m.s-1) Đường kính tương đương:
𝑑𝑡đ = 𝐷𝑡𝑟 − 𝐷𝑛𝑔 = 0,016 − 0,006 = 0,01 (m) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐷 =𝜐𝐷.𝑑𝑡đ.𝜌𝐷 𝜇𝐷 =0,987.0,01.7770,67.10−3 = 11516,3 > 104 (chế độ chảy quá độ) Xác định chuẩn số Nusselt: 𝑁𝑢𝐷 = 0,021. 𝜀1. 𝑅𝑒𝐷0,43. (𝑃𝑟𝐷 𝑃𝑟𝑤1 )0,25 (V.44, trang 16, [2]) (5-25)
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Trong đĩ:
: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReD và tỷ lệ chiều dài với đường kính ống:
𝑅𝑒𝐷 = 11516,3 và 𝐿
𝑑𝑡đ =0,012 = 200 > 50 nên chọn 𝜀1 = 1 (tra bảng V.2, trang 15, [2])
𝐾: hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds, 𝑅𝑒𝐷 = 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.𝐶𝐷𝜆
𝐷 =0,67.100,164−3.3,407.103 = 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: 𝑁𝑢𝐷 =𝑃𝑟225,28 𝑤10,25
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngồi:
𝛼𝐷 =𝑁𝑢𝐷.𝜆𝐷
𝑑𝑡đ =0,01.𝑃𝑟225,28.0,164
𝑤10,25 =𝑃𝑟3694,59
𝑤10,25 (5-27) Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh:
𝑞𝐷 = 𝛼𝐷(𝑡𝑡𝑏𝐷− 𝑡𝑤1) = 𝑃𝑟3694,59
𝑤10,25 ⋅ (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∑ 𝑟
𝑡 (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 m
2.độ.m-1
Nhiệt trở lớp bẩn ở tường ngồi ống: 𝑟2 =50001 m2.độ.m-1
⇒ ∑𝑟𝑡 = 𝛿𝑡 𝜆𝑡 + 𝑟1 + 𝑟2 = 0,0016 16,3 + 1 5000 + 1 5000 = 5,7.10−4 (m2.oK.W-1) 1
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 60
Vậy: 𝑞𝑡 =𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
5,7.10−4 (5-31)
❖ Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ:
Vận tốc nước đi trong ống:
𝑣𝑁 =𝐺𝑁 𝜌𝑁⋅ 0,67.989,854 𝜋.𝑑𝑡𝑟2 =989,820,176 ⋅ 0,67.989,854 𝜋.0,00612 = 8,68 (m.s-1) Với 𝑑𝑡𝑟 = 10 − 2.2 = 6 mm Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝑁 =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:
𝑁𝑢𝑁 = 0,021. 𝜀1. 𝑅𝑒𝑁0,8. 𝑃𝑟𝑁0,43. (𝑃𝑟𝑁
𝑃𝑟𝑤 )0,25 (V.40, trang 14, [2]) (5-32) Trong đĩ:
𝜀1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào𝑅𝑒𝑁 và tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống
𝑅𝑒𝑁 = 70628,9 và 𝐿
𝑑𝑣=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: 𝑁𝑢𝑁 = 0,021.1.70628,9018.3, 80,43.(𝑃𝑟3,8
𝑊2 )0,25 = 4297,25
𝑃𝑟𝑤0,25 Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống trong:
𝛼𝑁 =𝑁𝑢𝑁.𝜆𝑁
𝑑𝑡𝑟 =4297,25.0,645𝑃𝑟
𝑤20,25.0,006 =𝑃𝑟277495 𝑤20,25 Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
𝑞𝑁 = 𝛼𝑁. (𝑡𝑊2− 𝑡𝑡𝑏𝑁) = 𝑃𝑟277495
𝑤20,25 . (𝑡𝑤2− 45) (5-33) Chọn 𝑡𝑤1 = 46,55oC.
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 = 0,8.10−3 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])
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Khi đĩ xem: 𝑃𝑟𝑤1 ≈𝜇𝑅.𝐶𝑅𝜆 𝑅 =0,8.100,16−3.3908= 18,9 Từ (5-28) ta cĩ: 𝑞𝐷 =𝑃𝑟3694,59 𝑤10,25 . (57,36 − 46,55) = 3092,305 (W.m-2) Từ (5-31) ta cĩ : 𝑡𝑤2 = 𝑡𝑤1− 𝑞𝑡. 5,227.10−4 = 46,55 − 3092,3.5.10−4 = 45,011oC ⇒ 𝑡𝑡𝑏𝑤 =46,55+45,0112 = 45,78oC
Tra bảng I.249, trang 310, [1] ta cĩ: 𝑃𝑟𝑤2 = 3,86
Từ (5-33) ta cĩ:
𝑞𝑁 =3,862774950,25. (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 =3,43627749,50,25= 277495 (W.m-2.độ-1) 𝛼𝐷 =3694,5918,90,25 = 285,3 (W.m-2.độ-1) Hệ số truyền nhiệt: 𝐾 = 1 1 277495+5.10−4+285,321 = 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 =𝜋.0,016+0,0068
2 = 141,54 (m)
Chọn 𝐿 = 18 m (dự trữ khoảng 25%) Kiểm tra: 𝐿
𝑑𝑡𝑟 =141,540,006 = 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 = 18m. Chia thành 9 dãy, mỗi dãy dài 2 m.
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 62
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 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