CHƯƠNG 6 : Tính tốn thiết bị phụ
6.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang
Ống truyền nhiệt làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25 x 2, chiều dài ống
𝐿 = 1,5 (m)
Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu 𝑡1 = 28 oC và nhiệt độ cuối
𝑡2 = 42 oC
Nhiệt độ trung bình trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu: 𝑡𝑡𝑏𝐷 = 35oC
Các tính chấtlý học của nước được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình 𝑡𝑡𝑏𝐷 = 35oC:
Nhiệt dung riêng: 𝐶𝑁 = 4,1809 J.kg-1.độ-1 Khối lượng riêng: 𝜌𝑁 = 994 kg.m-3
Độ nhớt động học: 𝜇𝑁 = 0,7225.10−3 N.s.m-2
Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆𝑁 = 0,6257 W.m-1.K-1
6.1.1. Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
𝐷. (𝑅𝑥 + 1). 𝑟𝐷 = 𝐺𝑁. 𝐶𝑁. (𝑡2− 𝑡1) (IX.165, trang 198, [2]) (5-15) Tra bảng I.212, trang 254, [1] ở 𝑡𝐷 = 78,2oC ta được 𝑟𝐷 = 848,748 kJ.kg-1
⇒ 𝐺𝑁 =𝐷.(𝑅𝑥+1).𝑟𝐷
𝐶𝑁.(𝑡2−𝑡1) =42,696.7,202.(1,714+1).848,7484,1809.(42−28) = 12101,274 (kg.h-1)
⇒ 𝐺𝑁 = 3,361 (kg.s-1)
Nhiệt lượng dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
𝑄𝑛𝑡𝐷 = 𝐺𝑁. 𝐶𝑁. (𝑡2− 𝑡1) = 12101,274.4,1809. (42 − 28) = 708319030,5 (kJ.h-1)
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]) (5-16) Với:
- 𝐾: hệ số truyền nhiệt
- 𝜟𝒕𝒍𝒐𝒈: nhiệt độ trung bình logarit Xác định 𝜟𝒕𝒍𝒐𝒈:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
𝛥𝑡𝛥𝑡1−𝛥𝑡2 𝑙𝑛𝛥𝑡1 𝛥𝑡2 (78,2−28)−(78,2−42) 𝑙𝑛(78,2−28) (78,2−42) (oC) (V.8, trang 5, [2]) Xác định hệ số truyền nhiệt K: 𝐾 = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+𝛼𝑅1 (W.m-2.độ-1) (V.5, trang 4, [2]) (5-17) Với:
𝛼𝑁: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W.m-2.độ-1)
𝛼𝑅: hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W.m-2.độ-1)
∑ 𝑟𝑡: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
6.1.2. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống
Chọn vận tốc nước đi trong ống: 𝑣𝑁 = 0.8 m.s-1
Số ống trong một đường nước:
𝑛 = 𝐺𝑁 𝜌𝑁.𝜋.𝑑4 𝑣 2.𝑣𝑁=3,361994 .𝜋.0,02142.0,8= 12 (ống) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝑁 =𝑣𝑁.𝑑𝑣.𝜌𝑁 𝜇𝑁 =0,8.0,021.9940,7225.10−3 = 23113,08 > 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]) (5-18)
Trong đĩ:
𝜀1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống.
𝑅𝑒𝑁 = 23113,08 và 𝐿
𝑑𝑣=0,0211,5 = 71,43 > 50 ⇒ 𝜀1 = 1 (bảng V.2, trang 15, [2])
𝑃𝑟𝑁 : chuẩn số Prandlt của nước ở 35 oC nên 𝑃𝑟𝑁 = 4,9 (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 ⋅ 2311,080,8 ⋅ 4, 90,43 ⋅ (𝑃𝑟4,9
𝑤 )0,25 = 191,707
𝑃𝑟𝑤0,25 Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
𝛼𝑁 =𝑁𝑢𝑁.𝜆𝑁
𝑑𝑣 =191,707.0,6257𝑃𝑟
𝑤0,25.0,021 =5711,956𝑃𝑟 𝑤0,25
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 54
Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
𝑞𝑁 = 𝛼𝑁. (𝑡𝑤2− 𝑡𝑡𝑏𝑁) = 5711,956𝑃𝑟
𝑤0,25 ⋅ (𝑡𝑤2− 𝑡𝑡𝑏𝑁) (5-19) Với 𝑡𝑤2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống).
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
𝑞𝑡 =𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
∑ 𝑟𝑡 (5-20)
Trong đĩ:
- 𝑡𝑤1: nhiệt độ vách tiếp xúc với rượu (ngồi ống)
∑ 𝑟𝑡 =𝛿𝑡
𝜆𝑡+ 𝑟1+ 𝑟2 (5-21)
Bề dày thành ống: 𝛿𝑡 = 2 mm = 0,002 m
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 trong nước với nước sạch: 𝑟1 =50001 m2.độ.m-1
- Nhiệt trở lớp cấu tử sản phẩm đỉnh với tường ngồi ống: 𝑟2 = 1 5000 m 2.độ.m- 1 ⇒ ∑ 𝑟𝑡 =𝛿𝑡 𝜆𝑡 + 𝑟1+ 𝑟2 =0,00216,3 +50001 +50001 = 5,227.10−4 (m2.độ.W-1) Vậy: 𝑞𝑡 = 𝑡𝑤1−𝑡𝑤2 5,227.10−4 (5-22)
6.1.3. Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ
Đặt: 𝐴 = 0,725. √𝑟𝑅.𝜆𝑅3.𝜌𝑅2 𝜇𝑅.𝑑𝑛𝑔 4 với 𝑅𝑅 = [J.kg-1] 𝛼𝑅 = 0,725. √ 𝑟𝑅.𝜆𝑅3.𝜌𝑅2 𝜇𝑅.(𝑡𝐷−𝑡𝑤1).𝑑𝑛𝑔 4 =(78,2−𝑡𝐴 𝑤1)0,25 (5-23) Nhiệt tải ngồi thành ống:
𝑞𝑅 = 𝛼𝑅. (78,2 − 𝑡𝑤1)0,75 (W.m-2) (5-24)
Từ (5-19), (5-22), (5-24) sử dụng phương pháp lặp để xác định 𝑡𝑤1, 𝑡𝑤2. Chọn 𝑡𝑤1 = 55,8oC
Các tính chất lý học của rượu ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình:
𝑡𝑡𝑏𝐷 =𝑡𝐷+𝑡𝑤1
2 =78,2+55,82 = 67oC
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [1]): 𝜌𝑅 = 762,363 kg.m-3
Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [1]): 𝜇𝑅 = 0,5364.10−3 N.s.m-2
Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [1]): 𝜆𝑅 = 0,164 W.m-1.K-1
Khi đĩ: 𝐴 = 0,725. √892,722.0,1643.762,3632 0,5364.10−3.0,025 4 = 2620,437 Từ (5-5) ta cĩ: 𝑞𝑅 = 2620,437. (78,2 − 55,8)0,75 = 26981,105 (W.m-2)
Xem nhiệt tải mất mát là khơng đáng kể: 𝑞𝑅 = 𝑞𝑡 = 26981,105 (W.m-2) Từ (5-22) ta cĩ:
𝑡𝑤2 = 𝑡𝑤1− 𝑞𝑡. 5,227.10−4 = 55,8 − 26981,105.5,227.10−4 = 41,7
oC
Suy ra: 𝑡𝑡𝑏𝑊 =𝑡𝑤1+𝑡𝑤2
2 =55,8+41,72 = 48,8oC Tra bảng I.249, trang 310, [1]: 𝑃𝑟𝑤 = 3,641 Từ (5-19) ta cĩ:
𝑞𝑁 =5711,956𝑃𝑟
𝑤0,25 . (𝑡𝑤2− 𝑡𝑡𝑏𝑁) = 27704,766 (W.m-2) Kiểm tra sai số:
𝜀 = |𝑞𝑁−𝑞𝑅|
𝑞𝑅 =|27704,766−26981,105|26981,105 ⋅ 100 = 2,68% < 5%(thỏa điều kiện) Vậy: 𝑡𝑤1 = 55,8 oC và 𝑡𝑤2 = 41,7 oC Khi đĩ: 𝛼𝑁 =5711,956 𝑃𝑟𝑤0,25 =5711,9563,6410,25 = 4135,04 (W.m-2.độ-1) 𝛼𝑅 =(78,2−𝑡𝑤1)𝐴 0,25 =(78,2−55,8)2620,4370,25 = 1204,514 (W.m-2.độ-1) Hệ số truyền nhiệt: 𝐾 = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+𝛼𝑅1 = 1 1 4135,04+5,227.10−4+1204,5141 = 627,059 (W.m-2.độ-1) Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡𝐷
𝐾.𝛥𝑡𝑙𝑜𝑔3600.627,059.43708319030,5 (m
2)
Chiều dài ống truyền nhiệt:
𝐿′ =𝜋.12.0,025+0,0217,328
2 = 8,456 (m)
So với 𝐿 = 1,5m thì số đường nước là 𝐿′
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 56
Khi đĩ số ống tăng lên 6 lần: 𝑛 = 12.6 = 72 ống nên chọn n = 91 ống
Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của ethanol khi cĩ kể để sự ảnh hưởng của sự sắp xếp, bố trí ống. Chọn cách sắp xếp ống xen kẻ, bố trí theo dạng lục giác đều, ta sắp xếp được 11 hàng.
Số ống trung bình trong một hàng: 91
11= 8(ống) Tra hình V.20, trang 30, [2] ta được 𝜀𝑡𝑏 = 0,65
Khi đĩ: 𝛼𝑅 = 0,65.1204,514 = 782,934 (W.m-2.độ-1)
Tính lại hệ số truyền nhiệt K, ta cĩ 𝐾 = 489,768 (W.m-2.độ-1) Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
𝐹𝑡𝑏 =3600.489,768.43708319030,5 = 9,382 (m2) Khi đĩ chiều dài ống truyền nhiệt:
𝐿′ =𝜋.91.0,025+0,0219,382
2 = 1,43 < 1,5 (thỏa điều kiện)
Vậy thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống gồm n = 91 ống và 𝐿 = 1,5 m.
Ống được bố trí theo hình lục giác đều, nên ta cĩ số ống trên đường chéo hình lục giác: b = 11 ống. Chọn bước ngang giữa hai ống: 𝑡 = 1,2. 𝑑𝑛𝑔 = 0,03 m (trang 49, [2]).
Đường kính vỏ thiết bị:
𝐷𝑣 = 𝑡. (𝑏 − 1) + 4. 𝑑𝑛𝑔 = 0,03. (11 − 1) + 4.0,025 = 0,4 m (V.140, trang 49, [2])
Bảng 6-1: Tĩm tắt thơng số thiết bịlàm ngưng tụ sản phẩm đỉnh
`Thơng số Kí hiệu Giá trị
Loại thiết bị Vỏ-ống
Đường kính ngồi của ống dng 25 mm
Bề dày ống 2 mm
Chiều dài ống L 1,5 m
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
`Thơng số Kí hiệu Giá trị
Hệ số truyền nhiệt K 627,059 W.m-2.độ-1
Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 7,328 m2
Đường kính vỏ thiết bị Dv 0,4 m