tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống và thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm vỏ bọc

4.2- Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống
Đề bài:
Một thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu điêzen đi bên
trong các ống trao đổi nhiệt để đun nóng dòng dầu thô đi bên ngoài các ống
trao đổi nhiệt có các yêu cầu như bên dưới. Giả sử dòng dầu điêzen và dòng
dầu thô chuyển động ngược chiều. Hãy tính toán và lựa chọn thiết bị trao đổi
nhiệt loại ống lồng ống trong hai trường hợp (1) ống trong là ống tròn trơn và
(2) ống trong là ống tròn, mặt ngoài có gân dọc. Các yêu cầu như sau:
Thông số Dầu thô Điêzen
Lưu lượng, kg/h 40 000 15 000
Nhiệt độ đầu vào,
o
C 25 280
Nhiệt độ đầu ra,
o
C
22
T
150
Tỷ khối,
293
277
d
0,897 0,806
Độ nhớt động học, cSt
20
o
C
40
o
C

100
o
C
200
o
C
250
o
C
300
o
C
6,2
3,8
1,4
0,5
0,4
0,3
1,10
0,81
0,45
0,26
0,21
0,15
Qui trình tính:
Phương pháp chung để tính thiết bị trao đổi nhiệt
4.2.1. Xác định tải nhiệt Q
- Chất tải nhiệt nóng: Diesel
- Chất tải nhiệt lạnh: Dầu thô
Chọn: Chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ, chất tải nhiệt lạnh đi trong không

gian giữa 2 ống.
Để xác định tải nhiệt Q ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt giữa 2 chất tải
nhiệt
( ) ( )
21221211
TT2TT1
HHGHHGQ −=η−=
(1)
Trong đó:
10/5/2014 1
Q là tải nhiệt hay lượng nhiệt trao đổi [W] hay [kW]
G
1
, G
2
là lưu lượng chất tải nhiệt nóng và lạnh [kg/giờ]
11
T
H
,
12
T
H
là entanpy của chất tải nhiệt nóng ở nhiệt độ
11
T
và
12
T
[kJ/kg]

21
T
H
,
22
T
H
là entanpy của chất tải nhiệt lạnh ở nhiệt độ
21
T
và
22
T
[kJ/kg]
η
là hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt
( )
97,095,0 ÷=η
Theo yêu cầu:
15000G
1
=
kg/giờ
40000G
2
=
kg/giờ
Hệ số sử dụng nhiệt: chọn
95,0=η
Tìm entanpy: coi các chất tải nhiệt là các phân đoạn dầu mỏ, dùng đồ thị (phụ

lục 1) (hay các bảng biểu) để tìm entanpy của các phân đoạn dầu mỏ khi biết
tỷ trọng d và nhiệt độ
Từ phụ lục , ta tìm được các giá trị entanpy (coi như đã hiệu chỉnh):
kg/kJ69,690kg/kcal165HH
553T
11
=≈=
kg/kJ88,334kg/kcal80HH
423T
12
=≈=
kg/kJ23,50kg/kcal12HH
298T
21
=≈=
Từ số liệu trên, ta tính Q theo công thưc 1:
( )
h/kJ5,507029295,0.88,33469,69015000Q =−=
kW4,1408h/kJ5,5070292Q ==
kW4,1408Q =
Cũng từ công thức 1, ta tính được
22
T
H
và từ đó tìm được
22
T
( )
23,50H.400005,5070292Q
22

T
−==
kg/kJ17799,176H
22
T
≈=
Từ đó ta tìm được:
K357T
22
=
hay 84
0
C
4.2.2. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình
Trước hết ta phải chọn chiều của chất tải nhiệt. Trong thực tế, người ta thường
chọn thiết bị trao đổi nhiệt làm việc theo nguyên lý ngược chiều. Khi đó
10/5/2014 2
thường có lợi ích kinh tế cao hơn. Trong trường hợp này, ta cũng chọn thiết bị
trao đổi nhiệt có 2 dòng chất tải nhiệt chuyển động ngược chiều.
KT 196357553
max
=−=∆
K125298423T
min
=−=∆
Ta dùng hiệu nhiệt độ trung bình logarit. Áp dụng công thức 2 […]
min
max
minmax
min

max
minmax
tb
T
T
lg3,2
TT
T
T
ln
tT
T
∆
∆
∆−∆
=
∆
∆
∆−∆
=∆
Như vậy ta có:
KT
tb
16,157
125
196
lg3,2
125196
=
−

=∆
K16,157T
tb
=∆
4.2.3. Xác định hệ số truyền nhiệt
Khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt loại “ống lồng ống”, các ống trao đổi nhiệt
có thể là các ống tròn trơn hoặc có gân dọc. Ta có thể sử dụng một số công
thức sau để tính hệ số truyền nhiệt K.
Khi ống không có gân, bề mặt ống sạch:
[ ]
KW/m
11
1
K
2
2t
t
1
α
+
λ
δ
+
α
=
Khi ống không có gân, bề mặt ống bẩn:
10/5/2014 3
[ ]
KW/m
11

1
K
2
22
2
1
1
t
t
1
α
+
λ
δ
+
λ
δ
+
λ
δ
+
α
=
Khi ống có gân, bề mặt ống sạch:
[ ]
KW/m
F
F
11
1

K
2
2
1
'
2t
t
1
α
+
λ
δ
+
α
=
Khi ống có gân, bề mặt ống bẩn:
[ ]
KW/m
F
F
11
1
K
2
2
1
'
22
2
1

1
t
t
1
α
+
λ
δ
+
λ
δ
+
λ
δ
+
α
=
Trong công thức từ (3) đến (6):
k là hệ số truyền nhiệt [
Km/W
2
]
1
α
là hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt chảy trong ống nhỏ đến bề mặt trong của
ống nhỏ [
Km/W
2
].
2

α
là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ đến chất tải nhiệt chảy giữa
2 ống [
Km/W
2
].
21t
,, δδδ
lần lượt là chiều dày của ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong
và ngoài của ống nhỏ [
m
]
21t
,, λλλ
lần lượt là hệ số dẫn nhiệt ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt
trong và ngoài của ống nhỏ [
mK/W
]
21
F,F
lần lượt là diện tích toàn bộ bề mặt trong và bề mặt ngoài của ống nhỏ (có
gân).
Trên thực tế, phải tính toán thiết bị trao đổi nhiệt đảm bảo yêu cầu vận hành
trong mọi điều kiện nên thường sử dụng công thức 4 và 6 để tính toán hệ số
truyền nhiệt. Đây là các công thức xác định hệ số truyền nhiệt khi bề mặt bị
bám bẩn, hệ số truyền nhiệt giảm đi.
a) Tìm F
1
và F
2

10/5/2014 4
Việc tìm F
1
và F
2
liên quan đến TB TĐN cụ thể, do vậy ta phải chọn sơ bộ TB
TĐN. Để chọn sơ bộ TB TĐN ta phải tính được bề mặt trao đổi nhiệt giả định
cần thiết. Muốn thể ta giả định hệ số truyền nhiệt K.
Trên cơ sở số liệu chất tải nhiệt đã chọn, ta giả sử K = 300 W/m
2
K. Biết
K16,157t
0
tb
=∆
, biết K = 300 W/m
2
K, ta tính được bề mặt trao đổi nhiệt theo
công thức 7.
tb
tK
Q
F
∆
=
2
3
m3087,29
16,157.300
10.4,1408

F ≈==
Trong thực tế, có loại TB TĐN loại ống lồng ống có bề mặt trao đổi nhiệt là
30 m
2
với các đặc tính: đường kinh ống trong d = 48x4 mm, đường kính ống
ngoài D = 89 x 5 mm, nhiệt độ làm việc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối
đa là 25 at, bề mặt ống không có gân (loại TTP 7.2) (còn loại TTP 7.1 có diện
tích trao đổi nhiệt là 15 m
2
, loại TTP 7.3 có diện tích trao đổi nhiệt là 45 m
2
)
Cũng có loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống, bề mặt ống trong có gân
(loại TT 7.2) có diện tích là 30 m
2
, hệ số thêm gân khi có 24 gân là
5=ϕ
, khi
có 20 gân , đường kinh ống trong d = 48x4 mm, đường kính ống ngoài D = 89
x 5 mm, nhiệt độ làm việc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối đa là 25 at.
Như vậy, với loại TB TĐN với ống nhẵn hay ống gân, ta đều chỉ cần chọn 1
thiết bị là đủ.
Với ống không có gân F = F
1
= 30 m
2
Với ống có gân dọc F
1
= 30 m
2

Ống có 20 gân
2
12
m12930.3,4F.F ==ϕ=
Ống có 24 gân
2
12
m15030.5F.F ==ϕ=
b). Tính
1
α
: hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ đến bề mặt
trong của ống
10/5/2014 5
Ta có thể sử dụng các công thức sau để tính
1
α
nếu dòng chảy rối.
25,0
1,
1
43,0
1
8,0
1
1
1
Pr
Pr
.PrRe021,0









=
t
d
λ
α
Hay:
45,0
t
t
4,0
1
8,0
1
1
1
d
D
.PrRe
d
027,0









λ
=α
Trong đó:
1
λ
: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, [W/mK]
d
t
: đường kính trong của ống nhỏ, [m] (d
t
= 0,04 m)
D
t
: đường kính trong của ống ngoài, [m] (D
t
= 0,079 m)
Các thông số nhiệt vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình của Diesel.
Re
1
và Pr
1
là chuẩn số Reynold và chuẩn số Prandt khi các thông số vật lý
được tính ở nhiệt độ trung bình.
Trong tính toán, vì chuẩn số Pr ít thay đổi theo nhiệt độ nên có thể coi.

1
Pr
Pr
1,t
1
=
Nhiệt độ trung bình phía Diesel:
1tb
T
K488
2
423553
2
TT
T
1211
1tb
=
+
=
+
=
(215
0
C)
Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình:
1
λ
có thể tính theo công thức (10):
( )

1tb
288
277
1
T.00047,01
d
1346,0
−=λ
với
809,0d
288
277
=
( )
129,0488.00047,01
809,0
1346,0
1
=−=λ
[W/mK]
129,0
1
=λ
[W/mK]
Tính chuẩn số Reynold (Re
1
):
1
Re
được tính theo công thức:

1
t1
1
d
Re
υ
ω
=
10/5/2014 6
Với
1
ω
là vận tốc diesel chảy trong ống, [m/s]
1
υ
là độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình, [m
2
/s]
Vận tốc dòng diesel được tính:
11tb
1
1
f.3600
G
ρ
=ω
1tb
ρ
là khối lượng riêng của diesel ở nhiệt độ trung bình 488 K.
Biết

293
277
d
= 0,806. Tính
( )
293T000725,0dd
293
277
488
277
−−=
( )
664,0293488000725,0dd
293
277
488
277
=−−=
Coi tỷ khối bằng trọng lượng riêng nên:
664
1tb
=ρ
kg/m
3
1
f
là tiết diện cắt ngang của các ống trong 1 hành trình.
Thiết bị có 2 ngăn, 14 ống, mỗi ngăn có 7 ống (
7N
1

=
).
( )
0088,07
4
04,0.14,3
N
4
d
f
2
1
2
t
1
==
π
=
m
2
Do vậy:
713,0
0088,0.664.3600
15000
1
==ω
m/s
713,0
1
=ω

m/s
Độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình
Từ bảng giá trị độ nhớt theo nhiệt độ, ta vẽ đồ thị độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt
độ. Từ đồ thị ta sẽ tìm được giá trị độ nhớt ở một nhiệt độ nào đó.
10/5/2014 7
Từ đồ thị hình 3, ta xác định độ nhớt động học ở 215
0
C:
24,024,0
1
== cSt
υ
.10
-6
m
2
/s
Ta cũng có thể xác định độ nhớt ở một nhiệt độ bất kỳ khi biết độ nhớt ở 2
nhiệt độ khác theo công thức:
273T
273T
lgnlg
1
2
2
1
−
−
=
υ

υ
Biết T
1
, T
2
,
1
υ
,
2
υ
, ta xác định được n. Sau đó ta tính ngược lại để xác định
được độ nhớt tại một nhiệt độ nào đó.
Ví dụ:
Ở
K373T
1
=
có
45,0
1
=υ

K523T
2
=
có
21,0
2
=υ

273373
273523
lgn
21,0
45,0
lg
−
−
=
8317,0n =→
Vậy ở nhiệt độ
K488T
1tb
=
ta có:
273373
273488
lg8317,0
45,0
lg
−
−
=
υ
24,0238,0 ≈=υ→
Từ các số liệu đã cho ta tính được chuẩn số Reynold:
1000033,118833
10.24,0
04,0.713,0
Re

6
1
>==
−
10/5/2014 8
33,118833Re
1
=
Vậy dòng là dòng chảy rối
- Tính chuẩn số Prandt:
Chuẩn số Pr được xác định theo công thức:
λ
ρυ
=
.C
Pr
Với:
C
là nhiệt dung riêng, [J/kg.K]
323,3
129,0
664.10.69,2.10.24,0
Pr
36
1
111
1
===
−
λ

ρυ
C
323,3Pr
1
=
Vì nhiệt dung riêng C
1
được tính theo công thức:
( ) ( )
488.0034,0762,0
809,0
1
T.0034,0762,0
d
1
C
1tb
288
277
1
+=+=
[kJ/kg.K]
Tính
1
α
:
Áp dụng công thức 8, ta có:
1303323,333,118833
04,0
129,0

021,0
43,08,0
1
==α
W/m
2
K
1303
1
=α
W/m
2
K
c) Tính
2
α
: hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ống nhỏ đến dầu thô.
Nếu dòng chảy rối, có thể sử dụng công thức 8 hoặc 9 để tính
2
α
, trong đó các
tính chất vật lý là của dầu thô ở nhiệt độ trung bình.
- Nhiệt độ trung bình của dầu thô
2tb
T
5,328
2
298359
2
TT

T
2221
2tb
=
+
=
+
=
K
- Hệ số dẫn nhiệt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình
2tb
T
( )
2tb
288
277
2
T.00047,01
d
1346,0
−=λ
( )
126,05,328.00047,01
900,0
1346,0
2
=−=λ
W/mK
10/5/2014 9
126,0

2
=λ
W/mK
Trong đó:
( ) ( )
293288000725,0897,0293288000725,0dd
293
277
288
277
−−=−−=
900,0d
288
277
=→
- Tính tiêu chuẩn Reynold
2
Re
2
Re
được tính theo công thức 11
2
tb2
2
D
Re
υ
ω
=
Với

2
ω
là vận tốc dòng dầu thô chảy trong tiết diện hình vành khăn giữa 2 ống,
[m/s]

2
υ
là độ nhớt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình. [m2/s]

tb
D
là đường kính tương đương của hình vành khăn, [m].
+ Đường kính tương đương được xác định theo công thức:
031,0048,0079,0dDD
nttb
=−=−=
m
+ Vận tốc dòng dầu thô
22tb
2
2
f.3600
G
ρ
=ω
Trong đó:
2tb
ρ
là khối lượng riêng của dầu thô ở nhiệt độ trung bình
2tb

T
( ) ( )
2935,328000725,0897,02935,328000725,0dd
293
277
5,328
277
−−=−−=
871,0d
5,328
277
=
Coi tỷ trọng bằng khối lượng riêng nên
871
2tb
=ρ
kg/m
3
2
f
là tiết diện hình vành khăn, tính theo công thức:
( )
( )
022,0048,0079,0
4
14,3
.7
4
222
2

2
=−=−=
nt
dDNf
π
m
2
Do vậy
58,0
022,0.871.3600
40000
2
==ω
m/s
10/5/2014 10
Độ nhớt động học của dầu thô ở nhiệt độ trung bình:
Từ số liệu độ nhớt theo nhiệt độ, vẽ đồ thị độ nhớt phụ thuộc t từ đó tìm
2
υ
Từ hình 5, ta xác định được
7,2
2
=υ
6
2
10.7,2
−
=υ
m
2

/s
Ta cũng có thể xác định độ nhớt ở một nhiệt độ trung bình từ công thức 11.4
Ở
K313T
1
=
có
8,3
1
=υ

K373T
2
=
có
4,1
2
=υ
273313
273373
lgn
4,1
8,3
lg
−
−
=
08975,1n =→
Vậy ở nhiệt độ
K5,328T

2tb
=
ta có:
2735,328
273373
lg08975,1
8,3
lg
−
−
=
υ
27,0266,0 ≈=υ→
Vậy:
6
2
10.7,2
−
=υ
m
2
/s
+ Từ số liệu tính được, ta xác định được chuẩn số Reynold.
3,6659
10.7,2
031,0.58,0
Re
6
2
==

−
3,6659Re
2
=
Như vậy, dầu thô chảy ở chế độ quá độ, ở chế độ này, ta có thể sử dụng công
thức gần đúng sau [7]
10/5/2014 11
25,0
2t
2
43,0
2
t
2
102
Pr
Pr
Pr
D
k








λ
ε=α

0
k
là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold
1
ε
là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold và tỷ số giữa chiều dài và đường kính
ống (l/d)
Với
3,6659Re
2
=
thì
22k
0
=
[7 – Sổ tay T2]
Với thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống đã chọn, chiều dài ống thường là
l=6,5 m. Như vậy tỷ số l/d >50. Do vậy
1
1
=ε
- Tính chuẩn số Prandt
Theo công thức 12 ta có:
2
222
2
C
Pr
λ
ρυ

=
Vì nhiệt dung riêng C
1
được tính theo công thức:
( ) ( )
98,15,328.0034,0762,0
900,0
1
T.0034,0762,0
d
1
C
1tb
288
277
1
=+=+=
kJ/kgK
Do vậy:
37955,36
126,0
871.10.98,1.10.7,2
Pr
36
2
≈==
−
37Pr
2
=

- Tính
2
α
: do dòng chảy quá độ nên sử dụng công thức 13, coi Pr là ít thay đổi
theo nhiệt độ:
43,42237
031,0
126,0
.1.22
43,0
2
==α
W/m
2
K
43,422
2
=α
W/m
2
K
Nếu sử dụng công thức 8 thì:
( ) ( )
63,461373,6659
031,0
126,0
021,0
43,08,0
2
==α

W/m
2
K
10/5/2014 12
d) Tính
'
2
α
: hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ có gân đến dầu thô
Khi ống có gân, có thể xác định hệ số cấp nhiệt theo công thức:






δ−β
+α=α
S
h2
1
tg
Với
g
α
là hệ số cấp nhiệt khi ống có gân [W/m
2
K]

t

α
là hệ số cấp nhiệt khi ống không có gân [W/m
2
K]
h là chiêu cao gân, [m] (h=0,013 m)
δ
là chiều dày gân, [m] (
δ
=0,001 m)
S
là bước gân, [m]
β
là hệ số phụ thuộc vào tích số (m.h) với m được tính theo công thức:
t
t
.
2
m
λδ
α
=
Bước gân S được tính theo công thức:
n
d
S
π
=
Với ống có 20 gân, d = 0,048 m thì:
m0075,0
20

048,0.14,3
S ==
Với ống có 24 gân, d = 0,048 m thì:
m0063,0
24
048,0.14,3
S ==
Tìm
β
:
43,422
2t
=α=α
W/m
2
K
δ
=0,001 m
7,51
t
=λ
là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu chế tạo gân (dùng thép các bon, tra ở
328,5 K hoặc 55,5
0
C)
Từ đó tính m:
83,127
7,51.001,0
43,422.2
m ==

10/5/2014 13
Do vậy m.h = 1,66
Tra bảng trang 450 [16] ta tìm được
57,0=β
. Cũng có thể tính
β
theo công
thức: ………………
Từ công thức 14:
Ống 20 gân:






−
+=






δ−β
+α=α
0075,0
001,057,0.013,0.2
143,422
S

h2
1'
22
83,1200'
2
=α
W/m
2
K
Ống 24 gân:






−
+=α
0063,0
001,057,0.013,0.2
143,422'
2
1,1349'
2
=α
W/m
2
K
Theo một số tác giả, nếu số hạng
δα

λ
2
2
> 5 thì nên sử dụng bề mặt có cánh:
Trong trường hợp này:
577,244
001,0.43,422
7,51.2
>=
vậy nên dùng ống có gân ngoài
e. Tính hệ số truyền nhiệt K
Sau khi lựa chọn sơ bộ thiết bị và tính toán 1 số thông số, ta biết được:
10/5/2014 14
( ) ( )
{
t
t
2
1
2
2
2
1
2
2
2
1
2
2
2

2
δ = 0,004 m (dày 4 mm)
λ = 51,7 W/mK (thép cacbon, T = 328,5K)
α =1303W/m K
α =422,43W/m K
α =1303W/m Kông 20 gân kích thuoc gân cho o phan trên
α =422,43W/m K
30
129 (ông 20 gân)
F 150 (ông
F m
F m
m
 
 
 
 
=
=
=
2
2
2
2
1
1
dâu thô 0,00053 / W
24 gân)
dau diedel 0,00123 / W
m K

m K
δ
λ
δ
λ




















=








=


( ) ( )
{
t
t
2
1
2
2
2
1
2
2
2
1
2
2
2
2
δ = 0,004 m (dày 4 mm)
λ = 51,7 W/mK (thép cacbon, T = 328,5K)
α =1303W/m K
α =422,43W/m K
α =1303W/m Kông 20 gân kích thuoc gân cho o phan trên
α =422,43W/m K

30
129 (ông 20 gân)
F 150 (ông
F m
F m
m
 
 
 
 
=
=
=
2
2
2
2
1
1
dâu thô 0,00053 / W
24 gân)
dau diedel 0,00123 / W
m K
m K
δ
λ
δ
λ
=





=
Theo các công thức (3) đến (6) ta tính được hệ số truyền nhiệt K ứng với các
trường hợp cụ thể:
10/5/2014 15
+ Khi ống không có gân, bề mặt sạch
2
1
311,32 /
1 0,004 1
1303 51,7 422,43
k W m K= =
+ +
+ Khi ống không có gân, bề mặt bẩn
2
1
' 201,12 /
1 0,004 1
0,00053 0,00123
1303 51,7 422,43
k W m K= =
+ + + +
+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống sạch:
- ống 20 gân:
2
1
1
962,93 /

1 0,004 1 30
.
1303 51,7 1200,83 129
k W m K= =
+ +
- ống 24 gân:
2
2
1
1006,97 /
1 0,004 1 30
.
1303 51,7 1349,1 150
k W m K= =
+ +
+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống bẩn:
- ống 20 gân:
2
1
1
' 357,33 /
1 0,004 1 30
0,00123 .
1303 51,7 1200,83 129
k W m K= =
+ + +
- ống 24 gân:
2
2
1

' 363,23 /
1 0,004 1 30
0,00123 0,00053 .
1303 51,7 1349,10 150
k W m K= =
+ + + +
4.2.4. Xác định bề mặt trao đổi nhiệt (F)
Để xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F ta dùng biểu thức (15):
3
157,16
1408,4.10 W
tb
tb
t K
Q
F
k t
Q
∆ =
=
∆
=
10/5/2014 16
Thiết bị trao đổi nhiệt phải đảm bảo nhiệt lượng trao đổi ngay cả trong trường
hợp ống trao đổi nhiệt bị bẩn. Do vậy phải sử dụng các hệ số truyền nhiệt K
khi bề mặt ống bị bẩn. Do diện tích trao đổi nhiệt F này là diện tích trao đổi
nhiệt tối thiểu cần phải có.
a, Khi ống không có gân, bề mặt ống bị bẩn
3
2 2

1408,4.10
' 44,56 ' 44,56
201,12.157,16
F m F m= = ⇒ =
b, Khi ống có gân, bề mặt ống bị bẩn
- ống có 20 gân
3
2 2
1 1
1408,4.10
' 25,1 ' 25,1
357,33.157,16
F m F m= = ⇒ =
- ống có 24 gân
3
2 2
1 2
1408,4.10
' 24,7 ' 24,7
363,23.157,16
F m F m= = ⇒ =
4.2.5. Chọn thiết bị trao đổi nhiệt
a, Khi ống không có gân
Bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là F’ = 44,56 m
2
. Nếu sử dụng thiết bị trao đổi
nhiệt kiểu ống lồng ống như đã chọn sơ bộ (F = 30 m
2
) thì số thiết bị cần sử
dụng là:

' 44,56
' 1,48
30
F
z
F
= = =
Để đảm bảo yêu cầu ta sẽ sử dụng 2 thiết bị (z’ = 2). Hai thiết bị này có thể lắp
nối tiếp
b, Khi bề mặt ngoài của ống có gân
- ống có 20 gân:
Diện tích tối thiểu là 25,1 m
2
1
1
' 25,1
' 0,84
30
F
z
F
= = =
10/5/2014 17
Ta sẽ sử dụng 1 thiết bị trao đổi nhiệt là đủ
- ống có 24 gân: bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là 24,7 m
2
2
2
' 24,7
' 0,82

30
F
z
F
= = =
Cũng chỉ cần 1 thiết bị trao đổi nhiệt
Như vậy, theo kinh nghiệm và thực tế tính toán để đảm bảo yêu cầu đặt ra ta
nên sử dụng 1 thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống, bề mặt ngoài của ống
nhỏ có gân. Đặc tính của thiết bị như sau
Các thông số thiết bị
F 30 m
2
D
89 5mm
×
D
48 4mm
×
P 25at
N’ 2 hành trình (ngăn dọc)
L
o
6500 mm
L 7635 mm
N 14 ống
T
max
723 K
N 20 (24) gân
δ

0,001 m
H 0,013 m
ϕ
4,3(5)
Vật liệu Thép cacbon
4.3- Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm vỏ bọc
Đề bài 1:
10/5/2014 18
Tính toán thiết bị đun bốc hơi loại Kettle ở đáy tháp tách C /C .
• Chất tải nhiệt nóng: hơi nước bão hòa ở 8.08 at, 170 C (443K)
• Chất tải nhiệt lạnh (sản phẩm cần đun bốc hơi): sản phẩm đáy
tháp tách C /C ở 16.5 at, 97 C (370 K)
• Lưu lượng sản phẩm đáy tháp tách C /C (R=15000 Kg/giờ)
• Thành phần sản phẩm đáy R (% mol):
C
3
H
8
C
4
H
10
C
5
H
12
2 96 2
Qui trình tính:
Phương pháp chung để tính một thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp.
1. Xác định lượng tải nhiệt: Q(KJ/Giờ, KW)

2. Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆t
10/5/2014 19
3. Xác định hệ số truyền nhiệt K (Tìm K), (KJ/m.giờ . C) hoặc
[W/m .độ]
4. Xác định bề mặt trao đổi nhiệt: F ( m )
5. Tìm số thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động tiêu chuẩn lắp song
song hoặc nối tiếp cần thiết
4.3.1-X¸c ®Þnh t¶i nhiÖt Q:
Tải nhiệt Q được xác định dựa vào phương trình cân bằng năng lượng:
Q+Q =Q +Q =>A.H + Q = R.H + V.H
hay M .H + Q = M.H + M .H (1)
Q = Q - Q
Trong đó:
A, R, V là lưu lượng nguyên liệu, lượng lỏng, lượng hơi
H là entanpy của nguyên liệu lỏng ở nhiệt độ trước khi đun (T) (chưa
biết)
H là entanpy của lỏng ở nhiệt độ sau khi đun T (T =370K)
H là entanpy của hơi ở nhiệt độ sau khi đun T
Ta mới biết A, T còn các thông số khác chưa biết:
• M , M , M: lưu lượng cấu tử i trong
A, R, V(Kg/giờ)
• H: entanpy của cấu tử i ở nhiệt độ T
(KJ/Kg)
• H , H: entanpy của cấu tử i ở thể lỏng
và hơi ở nhiệt độ T (KJ/Kg)
4.3.1.1- Tính A, R, V, T hay M , M , M và T
• Tính R, V: Để tính R, V
ta dựa vào các phương trình cân bằng vật chất
10/5/2014 20
Ở trạng thái lỏng-hơi ta có quan hệ:

x = x.[1 + v ( k - 1)] (2)
Trong đó:
x là số mol cấu tử i trong 1 mol hỗn hợp ra khỏi đáy tháp A(nồng độ
phần mol)
k là hằng số cân bằng cấu tử i ở 16.5 at, 97 C (370K)
v là tổng số mol của các cấu tử ở thể hơi trong 1 mol hỗn hợp đầu
A.Chọn v=0.7
Kết quả tính x cho ở bảng 1:
Bảng 1: kết quả tính x và y
Cấu tử Phần mol
(x)
k (16.5at, 97 C) x y
C H 0.02 1.95 0.0333 0.039
C H 0.96 0.99 0.9543 0.9504
C5 H 0.02 0.46 0.0124 0.0096
Tổng 1.00 1 0.999≈1
Để tính A, v ta phải tính được khối lượng các cấu tử trong R
• Gọi số kmol của lỏng R trong hỗn hợp A là n
n = , R=15000Kg/giờ
M là phân tử lượng, được tính theo công thức:
M = x .M = 0.02*44+0.96*58+0.02*72=58
M là phân tử lượng của cấu tử i
Do vậy, n = =258.62069 kmol/giờ
Số mol các cấu tử trong R (n ) và khối lượng các cấu tử trong R (M) là:
Với n =n .x , M =M .n
n =5.1724 kmol/giờ và M=227.5856 kg/giờ ≈ 227.59 kg/giờ
10/5/2014 21
n =248.2759 kmol/giờ và M =14400.0016 kg/giờ ≈ 14400 kg/giờ
n =5.1924 kmol/giờ và M =372.4128 kg/giờ ≈ 372.41 kg/giờ
Gọi số kmol hỗn hợp đầu A là n ;số kmol hơi v là n , ta có:

n = n . =862.06896 kmol/giờ và n = n - n = 603.44827 kmol/giờ
số mol các cấu tử trong A (n ) và khối lượng các cấu tử trong A (M) là:
với n =n * x và M = M * n
n =28.7069 kmol/giờ và M = 1263.1036 kg/giờ ≈ 1263.1 kg/giờ
n =822.6724 kmol/giờ và M =47714.9992 kg/giờ ≈ 47715 kg/giờ
n =10.6897 kmol/giờ và M = 769.6555 kg/giờ ≈ 769.65 kg/giờ
• Nồng độ phần mol của các cấu tử trong hơi đi ra
khỏi nồi tái đun y phải thỏa mãn các phương trình:
y =k * x (3) và y =1
Ta tính được:
y =1.95*0.02=0.039
y =0.99*0.96=0.9504
y =0.46*0.02=0.0092
y =0.999 ≈ 1
Do vậy, số kmol các cấu tử trong v (n ) và khối lượng các cấu tử trong v
( n)
Với n = n *y và M =M *n
n =23.53448 kmol/giờ và M =1035.5172 kg/giờ ≈ 1035.52 kg/giờ
n =573.51724 kmol/giờ và M =33263.9997 kg/giờ ≈ 33264 kg/giờ
n =5.55172 kmol/giờ và M =339.724 kg/giờ ≈ 339.72 kg/giờ
Số liệu tính được của các cấu tử trong A, R và V cho trong bảng 2:
10/5/2014 22
Bảng 2: Nồng độ phần mol và khối lượng các cấu tử trong A, R và V
Cấu
tử
R, 16.5at, 97 C A, 16.5at, T V, 16.5at, 97 C
x M x M y M
C H 0.02 227.59 0.0333 1263.1 0.039 1035.52
C H 0.96 14400 0.9543 47715 0.9504 33264
C5 H 0.02 327.41 0.0124 769.65 0.0092 339.72

Tổng 1 15000 1 49747.75 0.999 34639.24
Kiểm tra lại: A≈R + V ( sai lệch khoảng 0.2% khối lượng)
• Tính T: Nhiệt độ hỗn hợp ra khỏi đáy tháp chưng
cất trước khi vào nối tái đun (A)
Bằng phương pháp giả sử hỗn hợp rat a tính được nhiệt độ đáy tháp
chưng cất ở 16.5 at.Nhiệt độ đáy tháp chưng cất phải thỏa mãn phương trình:
k .x =1 (5)
k là hằng số cân bằng ở 16.5at và nhiệt độ giả định
Kết quả tính toán cho ở bảng 3:
Bảng 3: Kết quả tính toán nhiệt độ đáy tháp (nhiệt độ hỗn hợp A)
Cấu tử x
P=16.5at, T=92 C
k k .x
C H 0.0333 1.8 0.05994
C H 0.9543 0.98 0.93521
C5 H 0.0124 0.4 0.00496
Tổng 1 1.00011≈1

Vậy nhiệt độ hỗn hợp A trước khi đun là 92 C (365K=T )
4.3.1.2- T×m Entanpy :
Tìm entanpy: Bằng cách tra các bảng entanpy của các cấu tử theo nhiệt
độ và áp suất trạng thái hơi, lỏng hay hỗn hợp và chuyển đổi đơn vị ta tính
10/5/2014 23
được entanpy của các cấu tử ở nhiệt độ và áp suất tính.Kết quả tra entanpy cho
trong bảng 4:
Bảng 4: Entanpy(H) và khối lượng các cấu tử
Cấu
tử
Hỗn hợp đầu A Lỏng R Hơi V
M H M H M H

C H 1263.1 581.5 227.59 604.76 1035.52 837.36
CH 47715 534.98 14400 597.78 33264 790.84
CH 769.65 511.72 327.41 593.13 339.72 814.1
Tổng 49747.75 15000 34639.24
H , H là entanpy hơi và lỏng của các cấu tử i tra ở 16.5at và 97 C
(242.55Psia và 206.6 F)
H là entanpy của cấu tử i ở 16.5at và 92 C(242.55psia và 197 F)
4.3.1.3 - T×m Q :
Ta có phương trình cân bằng năng lượng:
Q + Q = Q + Q hay (1)26698978.21 + Q = 8939866.022 +
27450170.84
Q = 9691058.655 KJ/giờQ=2691.96 KW
Do R + V<A khoảng 0.2 % nên có thể Q sẽ bé hơn giá trị này. Tuy nhiên, ta
vẫn chọn tải nhiệt này để tính toán.
4.3.2- Tính hiệu số nhiệt độ trung bình (∆T) và lượng hơi nước bão hòa
cần thiết.
Việc tính hiệu số nhiệt độ trung bình (chênh lệch nhiệt độ trung bình)
liên quan đến việc chọn chất tải nhiệt nóng và việc chọn chiều lưu thể.
Trong trường hợp này ta sẽ chọn chất tải nhiệt nóng là hơi nước bão hòa
và nhiệt độ phía bề mặt nóng tiếp xúc với hơi nước bão hòa được coi là bằng
nhiệt độ của hơi nước bão hòa.
10/5/2014 24
Do vậy, ta có thể thay việc tính hằng số nhiệt độ trung bình bằng việc
tính chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước bão hòa với nhiệt độ vào và ra của chất
tải nhiệt lạnh (chất lỏng cần đun bay hơi)
Theo yêu cầu, hỗn hợp chất lỏng A cần gia nhiệt từ nhiệt độ T = 365K
đến T =370K
Theo bảng tính chất của hơi nước bão hòa ( trang 375_sổ tay …Tập 1)
phụ thuộc nhiệt độ:
• Nếu hơi nước bão hòa có áp suất P=6.34at sẽ có

nhiệt độ là T =433K và nhiệt ngưng tụ là 2086.72 KJ/Kg=r
• Nếu hơi nước bão hòa có áp suất P=8.08at sẽ có
nhiệt độ là T =443K và nhiệt ngưng tụ là 2053.665 KJ/Kg=r
Nếu ta chọn hơi nước bão hòa có áp suất P=8.08at, nhiệt độ T =443K,
nhiệt ngưng tụ là 2053.65KJ/Kg làm chất tải nhiệt nóng thì chênh lệch nhiệt
độ giữa hỗn hợp A với hơi nước bão hòa có giá trị là:
∆T =443-365=78K
∆T =443-370=73K
Vì = =1.068 < 2 nên ∆T được tính như sau:
∆T = =75.5K
Tuy nhiên khi tính toán ta có thể coi ∆T=∆T
Đồng thời với việc lựa chọn điều kiện của hơi nước bão hòa ta đã quyết
định lượng hơi nước bão hòa cần thiết sử dụng (G ).G được tính theo
công thức:
G =
Q là tải nhiệt: Q=9691058.655 KJ/Giờ (2691.96 Kw)
R là nhiệt ngưng tụ: r=2053.65 KJ/Kg
η là hệ số hay hiệu suất truyền nhiệt, η=0.95
10/5/2014 25