Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

Bùi Hoàng Tùng 20073276 Hóa Dầu 2 — K52
1
PHẦN I: So’ đồ và nguyên tắc làm việc của thiết bị:
Do kết cấu của thiết bị trao đổi nhiệt kiếu ống chùm, nên cho luu thế
nào sạch (không tạo ra cặn bấn trên bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hệ số dẫn
nhiệt a) sẽ được cho đi ở khoảng không gian ngoài ống. Lưu thể nào tạo ra
cặn bân trog quá trình làm việc cho đi ở khoảng không gian trong ống. Mặt
khác, lưu thể nào làm việc tại áp suất lớn hoặc cần thay đối vận tốc lưu thế
cũng cần được cho đi ở khoảng không gian trong ống vì ống chịu áp tốt hơn
vỏ và khi cần, có thế dễ dàng thay đối vận tốc lưu thể bằng bom.
Như vậy, với bài này, ta cho hơi nước bão hòa đi ở khoảng không gian
ngoài ống theo hướng từ dưới lên trên và hỗn hợp (NH
4
)
2
S0
4
5% khối lượng
đi ở khoảng không gian trong ống theo hướng từ trên xuống dưới.
Hơi nước bão hòa khi đi vào không gian trong thiết bị sẽ cung cấp
nhiệt lượng đun nóng hỗn họp gián tiếp qua ống chùm.
PHÀN II: Tính toán thiết kế thiết bi:
•
1/ Tính lượng nhiệt trao đôi Q:
Q = F Cp (t
F
- tf)
Trong đó:
F: lưu lượng hồn hợp đầu, F= 1.389 kg/s t
F
:

nhiệt độ sôi của hỗn họp, tp =101°c C
p
: nhiệt dung riêng
của hỗn họp tại tp Tại At=76°c, có Cp=4187 J/kg°C
VậyQ = 1389 X 4187 X (101-25) = 441 996.468 w
2/Hiệu số nhiệt trung bình giữa hai lưu thế:
a/Hiệu sô nhiệt độ lớn:
Bùi Hoàng Tùng 20073276 Hóa Dầu 2 — K52
2
Chọn thđ= 115.17°c
Có: At
đ
= 115.17-25 = 90.17 °c b/ Hiệu sô nhiệt độ bẻ:
At
c
= 115.17-101 = 14.17 °c
c/ Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thế:
CÓ Ãtc ~ 11.17 “ nên nhiệt độ trung bình giừa hai lưu thể được
xác định theo công thức:
Atđ — ầtc 90.17-14.17 “
fbtđ\ ~ 90.17
Attb
2,3 g
W
2,3 g
14.17
Attb = 4 1 ( ° C )
d/ Nhiệt độ trung hình của tìmg lưu thê là: hơi nước bão hòa: titb =
115.17°c hỗn hợp cần đun : Í2tb
=

115.17 — 41 = 74.17 °c
3/ Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thế:
a/ Tỉnh hệ số cấp nhiệt phía hơi nước hão hòa theo công thức:
‘í. r
ai = 2.04 X A J
Afl
x H Wm
2o
C
Trong đó:
r : ấn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa
At| : chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền
nhiệt.
H : chiều cao ống truyền nhiệt A : hằng số tra theo nhiệt độ màng nước
ngưng.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt H = 2m ứng với thđ =115.17°c ta có r =
2216 000 J/kg
Giả sử chênh lệch nhiệt độ Àti = 2°c khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng
là:
Bùi Hoàng Tùng 20073276 Hóa Dầu 2 — K52
3
2
t
m
= 115.17 - 2 = 114.17 °c Từ t
m
=
114.17°c, tra bảng ta được: A = 183
Vậy:
4 2216 uuo

ai = 2.04 X 183 X J
2
X
2
ƠI = 10 184.945
W/m
2
độ
b/ Tỉnh hệ sổ cấp nhiệt phía hôn họp (NH
4
)
2
S0
4
:
Do không có yêu cầu đặc biệt, chọn chế độ chảy xoáy ốn định.
Chọn Re = 35 000
Hệ số cấp nhiệt a tính theo công thức:
Nu = 0.021 .
k
Re
0 8
Pr
0
-
43
(m )
0
'
25

Ả Pr
-* a = 0.321 —
n
0.8
n
0.43 / -pr— \0.25 d -k Re Pr ( Prt )
Trong đó:
Pr
t
: chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường, còn các thông
số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng.
.
k
: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài / và đường
kính d của ống.
Ta chọn : d- 30 X 2 mm
H = 2 m
d = Õẳ6 =
58823 > 50
Cp X (1
Tính chuấn số Pr theo công thức: Pr = Ã Trong đó :
Bùi Hoàng Tùng 20073276 Hóa Dầu 2 — K52
4
Cp: nhiệt độ riêng hỗn hợp ở ttb p : độ nhớt hỗn hợp ở ttb
X : hệ số dẫn nhiệt của hỗn họp ở ttb tính theo công thức:
Bùi Hoàng Tùng 20073276 Hóa Dầu 2 — K52
5
1 Ị977.7
J22Ä7
X = . X Cp X p Ở

đây:
p : khối lượng riêng của hỗn hợp M : khối
lượng phân tử
của hỗn hợp
Vậy:
X = 3.58 X 10‘
8
X 4203.547 X 977.7 X X =
0.518 W/m độ Do đó:
4203.547 X 0.30048 Pr= 0.518
=3.933
Tính chuấn số Pr
t
:
Cpt X |iír
Pr
t
= It
Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: qi = (Xi
X Atị = 10184.945 X 2 qi = 20 369.89 w/m
2
Hiệu số nhiệt độ hai phần thành ống:
Ati = tti - t
t2
= qi X Er
t
Trong đó:
t
2
: nhiệt độ thành ống phía hỗn họp Er

t
:
nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt.
8
Lr
t
= r
t
i + I + r
t2
Bùi Hoàng Tùng 20073276 Hóa Dầu 2 - K52
6
Ằt = . X Cp
t
X p
t
= 3.58 X 10’
8
X 4303.547 X 982.7 X Xt = 0.55
w/m độ
Cpt X |11 4303.547 X 0.0033
Pr
t
= Ảt
Với:
r
tl
, r
ữ
: nhiệt trở của cặn bấn ở hai phía của tường

ô : bề dày của ống truyền nhiệt. Chọn ô = 2mm = 0.002m
À.: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống. Với thép C
T
3 có X = 46.5 w/m độ
Chọn:
r
t
i = 0.00116 m
2
độ/w r
t2
= 0.00046 m
2
độ/w
Zr
t
= 0.00116 + 46.5 + 0.00046 Ir
t
= 0.001667 m
2
độ/w Do đó:
At, =20369.89 X 0.001667 = 34.01 °c t
2
= tti — Ati = 113.17-34.01 = 79.16 °c
At
2
= tt2-t
2
,b = 79.16 -74.17 = 5 °c Tại nhiệt độ đang xét, có:
Cp

t
= 4303.547 J/kg độ. có:
Pr
t
= 2.5
Bùi Hoàng Tùng 20073276 Hóa Dầu 2 — K52
7
3.93
F
Vậy:
§
= 0.021 X 0.026 X 35 ooo
0
-
8
X 3.93
043
X ( 2.5 )
0
-
25
a
2
= 3667.98 w/m
2
độ q?
= (X? X At? = 3667.68 X 5 q
2
= 18 338.4 w/m
2

2C369.89 - 18338.4
CÓ: . = q2 = 18338.4 X 100% = 11%
4/ Tính bề mặt truyền nhiệt:
Q

441996.468
F = Ọ2 = 18333.4 = 24.102 m
2
5/Số ống truyền nhiệt:
24.102
Pr
d .
k
Re °'
8
Pr
043
( Pr t f
2 5
Bùi Hoàng Tùng 20073276 Hóa Dầu 2 — K52
8
Có:
n = ndH = 3.14 X 0.028 X 2 = 1 38 ống
1
dtd = 2 ( di + d
n
) = 0.028 (m)
Quy chuấn theo cách sắp xếp ống hình lục giác đều: n = 140 ống
Cách bố trí:
- Số ống trên một cạnh viền lục giác đều: 8 ống

- Số ống trên đường xuyên tâm lục giác đều: 14 ống
- Tổng số ống: 140 ống.
Bùi Hoàng Tùng 20073276 Hóa Dầu 2 — K52
9
6/Đường kỉnh trong thiết bị đun nóng:
D = t (b - 1 ) + 4d„
Trong đó:
t: bước ống. Chọn t = 1.3d
n
d
n
: đường kính ngoài ống
truyền nhiệt b : số ống trên đường xuyên tâm lục giác
đều Vậy: D = 1.3 X 0.03 X ( 14- 1 ) + 4 X 0.03
D = 0.627 m
Chọn D = 0.7 m = 700 mm
7/ Tính lại vận tốc và chia ngăn:
a/ Xác định vân tôc thực:
4 ĩ
íứ
l
= Tĩd xdn p
F = 5 t/h = 1.389 kg/s n = 140 ống d = 0.026 m p =
977.7 kg/m
3
Vậy:
4 X 1.389
co
t
= 3.14 X 0.026 X 0.026 X 14D X 977.7 = 0.019 m/s

h/Xác định vận tôc giả thiết:
Re

X n 35000 X 0.00048 COgt = d X p =
0.026 X 977.7 = 0.66 m/s
Chia ngăn thiết bị trao đối nhiệt đế quá trình cấp nhiệt diễn ra ở chế độ chảy
xoáy:
Số ngăn cần thiết:
0.66
m = C0gt CD
t
= 0.019 = 34 ngăn Sô ngăn quy chuân: 64 ngăn.
Tính lại chuân số Re:
4 X 1.389
^ 140
Re = 7T X d X nl X u =
3,14 x 0026
x~ẽĩ
x
°-
0004
® = 64 814 > 10
4
Đáp ứng chế độ chảy xoáy.
Vậy các kích thước của thiết bị đung nóng cần thiết kế là:
• Bề mặt truyền nhiệt: F = 25 m
• Số ống truyền nhiệt: n = 140 ong
• Đường kính trong thiết bị: D = 700 mm
• Chiều cao giữa hai mặt bích: H = 2 m