Bài tập lớn tinh tính toán thiết bị truyền nhiệt

9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN TRUYỀN NHIỆT
**************************************
BÀI TẬP LỚN
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP
Họ và tên :
Dương Quốc Bảo MSSV: 61300217 Lớp: Vô Cơ-Silicat K13
Trịnh Hoàng Phương Nguyên MSSV:61302654 Lớp : Hóa Lý K13
Đề tài:
Đun nóng dung dich:

bằng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm đặt thẳng đứng với:
• Lưu lượng dung dịch 15m
3
/h
• Dùng hơi nước bão hòa làm chất tải nhiệt có áp suất : 6at
• Ngưng tụ hoàn toàn lỏng sôi
• Dung dịch được đun nóng từ nhiệt độ ban đầu 30
o
C đến nhiệt độ cuối 105
o
C.
Yêu cầu:
Hãy xác định:
• Xác định lượng hơi nước sử dụng
• Bề mặt trao đổi nhiệt.
• Số ống truyền nhiệt.
• Đường kính của thiết bị.

Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
MỤC LỤC
A. LÝ THUYẾT
I. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
1. Cấu tạo:
• Gồm có vỏ hình trụ, hai đầu hàn hai lưới đỡ ống, các ống truyền nhiệt 5 được ghép
chắc, kín vào lưới ống. Đáy và nắp nối với vỏ bằng mặt bích có bulông ghép chắc.
Trên vỏ, nắp và đáy có cửa ( ống nối ) để dẫn chất tải nhiệt. Thiết bị được cài đặt
trên giá đỡ bằng tai treo hàn vào vỏ. Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng
cách nong hoặc hàn, đôi khi người ta còn dùng đệm để ghép kín.
10\* MERGEFORMAT - Thân thiết
bị
2\* MERGEFORMAT 2- Nắp trên
3- Đáy dưới
4- Mặt bích và bu lông
5- Ống truyền nhiệt
6+7- Lưới đỡ ống
8- Tai đỡ
• Các ống trao đổi nhiệt bên trong có thể bố trí theo hình lục giác đều, hình tròn
đồng tâm, hình vuông.
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
164,2
30
105
to
oC

9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
2. Nguyên lý làm việc
Dung dịch

đi từ dưới đáy qua các ống lên trên và ra khỏi thiết bị, còn hơi nước bão hòa
đi vào từ cửa trái của vỏ vào khoảng trống giữa các ống và vỏ, sau khi trao đổi nhiệt ở thân (hơi
nước bão hòa truyền nhiệt cho hỗn hợp) rồi đi ra phía dưới bên phải.
B. TÍNH TOÁN
Chọn thông số kỹ thuật:
• Chọn vật liệu thép CT3
• Chiều cao của ống: H = 1,5 (m ).
• Chuẩn số Reynolds: Re = 10.10
3
.
• Đường kính ống: d = 34x2 mm.
• Bề dày ống truyền nhiệt: δ = 2 mm = 0,002 m.
I. Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể:
Ở 7at, hơi nước bão hòa có t
o
= 164,2
o
C, ta chọn t
hđ
= 164,2(
o
C)
• Hiệu số nhiệt độ lớn:
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên

164,2
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
∆T = 164,2 – 30 = 134,2(
o
C).
• Hiệu số nhiệt độ bé:
∆ = 164,2 – 105 = 59,2 (
o
C).
• Nhiệt độ trung bình của hai lưu thể được xác định:
• ∆T
log
= =91,6 (
o
C).
Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể là:
T
hd
= T
1tb
= 164,2 (
o
C)
T
2tb
= T
1tb
- ∆T
log

= 164,2 – 91,6 =72,6 (
o
C)
• Tại T
atb
= 67,5 (
o
C) nội suy theo sổ tay quá trình và thiết bị quyển 1:

C
p
= 2642 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của dung dịch acid

=985,55 kg/m
3
là khối lượng riêng của dung dịch
II. Tính nhiệt lượng trao đổi Q
Q = G
a
.C
p
(t
c
– t
đ
)
Trong đó: G
a
- lưu lượng dung dịch , G
a

= 15m
3
/h = 4,167.10
-3
(m
3
/s);
C
p
- nhiệt dung riêng của tại T
2tb
= 67,5
o
C
Với C
p
=2642 J/kg.độ
Vậy : Q =15 . 2642. (105-30) = 2972250(W) =710079 (J/s)
Mặt khác vì quá trình trong dòng nóng là ngưng tụ lỏng sôi nên:
Q = G
h
. r với r = 494,1 (kcal/kg) là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
Vậy hơi nước đi vào thiết bị với lưu lượng là
III. Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể
Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức:
, W/m

2
.độ
Trong đó: r - Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa, J/kg;
∆T - Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống
truyền nhiệt,
o
C;
H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = 1,5 m;
A - hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng. Sẽ được tra ở bảng 1.5
trang 43 sách bài tập Truyền Nhiệt tác giả Phạm Văn Bôn
• Ứng với T
hđ
= 164,2
o
C nội suy, ta có:
r = 2069,46.10
3
J/kg
1. Tính lần 1 : giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ
thành ống truyền nhiệt là 5
o
C.
a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:
• Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆T = 5
o
C
→ t
w1
= T
hđ

- ∆T= 164,2 – 5 = 159,2 (
o
C)
Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:
161,7 (
o
C)
Từ t
màng
= 161,7
o
C tra bảng ta được:
A = 197,17
Vậy :
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
α
1
=W/m
2
.độ
b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α
2
Chọn Re = 10000
Hệ số cấp nhiệt α được tính theo công thức:

0,25
0,8 0,43

1
Pr
0,021. .Re .Pr
Pr
t
Nu
ε
 
=
 ÷
 

2
.Nu
d
α
λ
=


Suy ra:
Trong đó :
Pr
w
- chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường (t
w
) , còn các thông
số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng (T
2tb
= 72,6

o
C);
ε
1
-

hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d
của ống.
Ta chọn d = 34x2 mm. H = 1,5 m . Dựa vào bảng 1.3 ta có :

1,5
50
0,03
l
d
= =
→ ε
1
= 1
• Tính chuẩn số Pr theo công thức :

.
Pr =
p
C
µ
λ
Trong đó: C
p
- nhiệt độ riêng của hỗn hợp ở T

2tb
;
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
μ - độ nhớt của dung dịch ở T
2tb
;
λ - hệ số dẫn nhiệt độ ở T
2tb
là 0,2623 (W/(m.K)) bảng 1.130 trang 135 sổ tay
quá trình thiết bị

• Tại t
2tb
= 72,6
o
C ta có:
μ
acid
=0,6118.10
-3
Ns/m
2
μ
H2O
= 0,3984.10
-3
Ns/m

2
→ lg(μ
hh
) = x
F
.lg(μ
acid
) + ( 1 – x
F
).lg(μ
H2O
)
lg(μ
hh
) = 0,8lg(0,6118.10
-3
) + (1 – 0,8).lg(0,3984.10
-3
)
→ μ
hh
= 0,5615.10
-3
(Ns/m
2
)
Do đó:
• Tính chuẩn số Pr
w
:

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
q
1
= α
1
.∆T = . 5= 25532,2 (W/m
2
)
q
1
= 25532,2(W/m
2
)
Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:
∆t
w
= t
w1
– t
w2
= q
1
.∑r
t
Trong đó: t
t2
- nhiệt độ thành ống phía acid,
o
C;

Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
∑r
w
- nhiệt trở ở hai bên ống truyền nhiệt, m
2
.
o
C /W

Trong đó: r
w1
, r
w2
- nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, m
2
.độ/W;
δ - bề dày của ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = 2 mm = 0,002 m;
λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m.độ; với thép CT
3
ta có
λ = 46,5 W/m.độ.
Dựa vào bảng [ 3.4 ] ta chọn:
r
w1
= 2,299.10
-4
, m

2
.độ/W
r
w2
= 1,724.10
-4
, m
2
.độ/W

∑r
w
= 4,453.10
-4
(m
2
.độ/W)
Do đó: ∆t
w
= q
1
.∑r
w
= 25532,2 . 4,453.10
-4
= 11,37 (
o
C)
→ t
w2

= t
w1
–

∆t
w
= 159,2 – 11,37 = 147,83 (
o
C)
Tại t
w2
= 147,83
o
C nội suy ta có:
C
H2O
= 4337,62J/kg.độ
C
acid
= 2681,11J/kg.độ
→ C
dd
=0,2* C
H2O
+0,8 * C
acid
= 0,2* 4337,62 + 0,8* 2681,11
C
dd
= 3012,41 (J/kg.độ)

Tại t
w2
= 147,83
o
C nội suy ta có:
�
H2O
=919,27 kg/m
3
�
acid
= 871,91 kg/m
3
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
Tại t
w2
= 147.83
o
C nội suy ta có:
μ
H2O
=0,16. 10
-3
Ns/m
2
μ
acid

=0,46.10
-3
Ns/m
2

→ lg(μ
dd
) = x
F
.lg(μ
H2O
) + ( 1 – x
F
).lg(μ
acid
)
lg(μ
dd
) = 0,2.lg(0,16.10
-3
) + (1 – 0,2).lg(0,46.10
-3
)
→ μ
dd
=0,37.10
-3
(Ns/m
2
)

Tại t
w
= 147,83
o
C ta nội suy được hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
λ
dd
= 0,2544 (W/m
2
.
o
C)


Vậy:
α
2
= 633,8 (W/m
2
.độ)
→ q
2
= α
2
.∆t
2
= α
2
. (t
w2

– t
2tb
) = 733,33. (147,83 – 72,6)
q
2
= 47680,7 (W/m
2
)
Ở đây ta thấy rằng nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ q
1
= 25532,2W/m
2
khác rất xa với nhiệt
tải riêng về phía hỗn hợp chảy xoáy q
2
= 47680,7 W/m
2
. Mà bài toán ta đang xét là truyền nhiệt
ổn định nên q
1
= q
2
= q
tb
, do vậy, để tìm giá trị q
tb
ta phải tính lặp.
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9

Bài tập lớn Truyền Nhiệt
2. Tính lần2: Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 10
o
C
a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:
• Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t
1
= 10
o
C
→ t
w1
= T
1tb
- ∆t
1
= 164,2 – 10= 154,2(
o
C)
Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:
(
o
C)
Từ t
m
= 159,2
o
C tra bảng ta được:
A = 196,865
Vậy :

α
1
=4287,34 W/m
2
.độ
b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α
2
Chọn Re = 10000
Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
q
1
= α
1
.∆t
1
=4287,34.10 = 42873,4
q
1
= 42873,4 (W/m
2
)
Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:
∆t
w
= t
w1
– t
w2
= q

1
.∑r
t
Ta có ∑r
w
= (m
2
.độ/W)
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
Do đó: ∆t
w
= q
1
.∑r
w
=42873,4. = 19,1 (
o
C)
→ t
w2
= t
w1
–

∆t
w
= 154,2 – 19,1 = 135,1 (

o
C)
Tại t
w2
= 135,1
o
C nội suy ta có:
C
acid
=2614,275 J/kg.độ
C
H2O
=4308,975 J/kg.độ
→ C
dd
= 0,8 . C
acid
+ 0,2 . C
H2O
= 0,8 . 2614,275 + 0,2 . 4308,975
C
dd
=2953,215 (J/kg.độ)
Tại t
w2
= 135,1
o
C nội suy ta có:
=0,19274.10
-3

Ns/m
2
=0,46.10
-3
Ns/m
2

→ lg(μ
dd
) = x
F
.lg(μ
H2O
) + ( 1 – x
F
).lg(μ
acid
)
lg(μ
dd
) = 0,2.lg(0,19274.10
-3
) + (1 – 0,2).lg(0,46.10
-3
)
→ μ
dd
=0,3865.10
-3
(Ns/m

2
)
Tại t
w2
= 135,1
o
C nội suy ta có



dd
=0,2. 0,688775 + 0,8. 0,14798= 0,25614 (W/m
2
.
o
C)

Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
Vậy:

α
2
= 635,39 (W/m
2
.độ)
→ q
2

= α
2
.∆t
2
= 635,39 . (135,1 - 72,6) q
2
= 39711,875 (W/m
2
)
Dựa vào 2 lần tính, ta có đồ thị:
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
5,0
6,0
10
10000
47680,7
10000
39711,86
42873,4
q
1
q
2
q
q
25532,2
9,4
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt

3. Tính lần 3: Chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa tính theo đồ
thị trên là 9,4
o
C.
a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:
Dựa vào đồ thị ta suy ra được ∆t
1
= 1,23
o
C vậy ta có:
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
t
w1
= T
1tb
- ∆t
1
= 164,2 – 9,4 = 154,8 (
o
C)
= 159,5(
o
C)
– Từ t
m
= 159,5

o
C tra bảng ta được:
A = 196,925
Vậy :
α
1
=4355,51 (W/m
2
.độ)
b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α
2
Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
q
1
= α
1
.∆t
1
= 4355,51 . 9,4 = 40941,794 (W/m
2
)
Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:
∆t
w
= t
w1
– t
w2
= q
1

.∑r
t
= 40941,794 . 4,453. 10
-4
= 18,23(
o
C)
∆t
w
= 18,23 (
o
C)
t
w2
= t
w1
–

∆t
w
= 154,8 – 18,23 = 136,57 (
o
C)
∆t
2
= t
w2
– t
2tb
= 136,57 – 72,6 = 63,97 (

o
C)
Tại t
w2
=136,57
o
C nội suy ta có:
C
acid
=2621,99 J/kg.độ
C
H2O
= 4312,28J/kg.độ
→ C
dd
= 0,2 . 4312,28 + 0,8. 2621,99
C
dd
=2960,048 (J/kg.độ)
Tại t
t2
= 136,57
o
C nội suy ta có:
μ
H20
=0,1889.10
-3
Ns/m
2

Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
μ
acid
=0,46.10
-3
Ns/m
2

→ lg(μ
dd
) = x
F
.lg(μ
acid
) + ( 1 – x
F
).lg(μ
H2O
)
lg(μ
dd
) = 0,8.lg(0,46.10
-3
) + (1 – 0,8).lg(0,1889.10
-3
)
→ μ

dd
=0,385.10
-3
(Ns/m
2
)
Tại t
w2
= 136,57
o
C nội suy ta có



dd
=0,2. 0,6891+ 0,8. 0,1477 = 0,25598(W/m
2
.
o
C)

Vậy:


α
2
= 635,14 (W/m
2
.độ)
→ q

2
= α
2
.∆t
2
= 635,14 . (136,57 - 72,6)= 40629,91
q
2
= 40629,91 (W/m
2
)
Từ trên ta có:

q
tb
= 40785,852 W/m
2
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
• Kiểm tra sai số

( chấp nhận)
IV. Tính bề mặt truyền nhiệt.

V. Số ống truyền nhiệt.

( )
d

0,03 0,034
0,032
2 2
t n
t
d d
d m
+
+
= = =
Số ống truyền nhiệt:

n: số ống truyền nhiệt.
Dựa bảng quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là :
n = 127 ( ống ).
• Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh lớn là: 7 ( ống ).
• Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 13 ( ống ).
• Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân là: 127( ống ).
VI. Đường kính trong thiết bị đun nóng
D = t.( b – 1 ) + 4.d
n
( m)
Trong đó : t – bước ống, thường lấy t = 1,2 – 1,5 d
n
;
d
n
– đường kính ngoài của ống truyền nhiệt( m);
b – số ống trên đường xuyên tâm sáu cạnh.
Vậy: D = 1,4.0,034.(13 – 1 ) + 4.0,032

Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
D = 0,6992 (m)
Làm tròn: D = 0,7 m = 700 mm.
VII. Tính chiều cao của thiết bị.
Với D = 700 mm,chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta chọn:
Chiều cao của lắp thiết bị: h
l
= h
t
+ h
Trong đó dựa bảng số liệu ta có: h
t
= 100 mm.
h = 25 mm
Vậy chiều cao của thiết bị:
L = H + 2.h
l
= 1,5.1000 + 2.( 100 + 25 ) = 1750 mm
VIII. Tính lại vận tốc chia ngăn:
• Xác định vận tốc thực:

G = 1,5 (/h) = 4,1667.
n = 127 ống
d = 0,03 m
→
ω
t

= 0.00464 (m/s)
• Xác định vận tốc giả thiết:

ω
gt
= 0,2036 (m/s)
Vì:
Nên ta cần phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy.
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên
9
Bài tập lớn Truyền Nhiệt
• Số ngăn:
Số ngăn cần thiết:
m = 44 ( ngăn )
Quy chuẩn m = 50 ( ngăn ).
• Tính lại chuẩn số Reynolds:

4
3
1
4. 4.1,5
Re 10647,7 10 .
37
. . .
3,14.0,03. .0,6467.10
4
G
d n
π µ

−
= = = >
Dương Quốc Bảo
Trịnh Hoàng Phương Nguyên