bài tập lớn Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống

4. Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ
Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ làm mát dầu thô. (1)145 kg/s dầu thô đi vào phần
vỏ với nhiệt độ ban đầu bằng (2)109 oC, nhiệt độ ra (3)69oC. Nước làm mát đi trong ống có
nhiệt độ ban đầu (4)22 oC, lưu lượng nước bằng (5) 70kg/s. Tổn thất áp suất phía vỏ hạn chế ở
155 kPa.

Bài giải

I: Giả thiết và tính sơ bộ cho thiết bị trao đổi nhiệt
Ta chọn nước biển nằm trong ống và dầu nằm ngoài ống vì:
-Dầu nóng nên để ngoài ống để có thể thải nhiệt ra bên ngoài.
-Nước dễ bẩn hơn nên nằm ở trong để có thể dế vệ sinh.
-Dầu có độ nhớt cao hơn cho nằm phía vỏ để có độ rối cao hơn.

1.Cân bằng nhiệt
t1=(109+69)/2=890C

Nhiệt độ trung bình của dầu thô:

Tra bảng thông số vật lý của dầu mỏ B.12

υ1 =

ρ1
= 847,5 Kg/m3

Cp1 = 2,17 kJ/Kg.K
k = 0,137 W/m.K

µ 0, 024
=

=
ρ 847,5
2,83 .10-5

Prf = 392

Nhiệt lượng do dầu tỏa ra
Qd = m1 . Cp1 . ( t1’ – t1” ) = 145.2,17 .( 109 – 69 ) = 12586 (kW)
Giả sử nhiệt đô nước làm mát ra là t2” = 650C
nhiệt độ trung bình của nước làm mát t2 = 43,50C

ρ2
0

tra thông số của nước ở 43,5 C

Cp2 = 4,179 kJ/Kg.K

= 991,6 Kg/m3


Để thiết kế có độ dư ta bỏ qua phần nhiệt dầu tỏa ra ở vỏ thiết bị
Qn = Qd = 12586 = 70. 4,179. ( t2” – 22)
->t2” = 65,030C chấp nhận được

Nhiệt độ trung bình của nước chuyển động trong ống là t2 =

65, 03 + 22
= 43,52
2

0

C

2.Tính chọn ống và vỏ thiết bị
Chênh nhiệt độ trung bình logarit

Từ bảng 8.4 ta chọn các hệ số trao đổi nhiệt phía vỏ và phía ống tương tự là 5000 (W/m 2.K) và
250 (W/m2.K) giả thiết ống không có cánh và ống bố trí hình vuông .Hệ số truyền nhiệt coi như
tính theo vách phẳng d2/d1<1,4 vì độ dày không đáng kể
Chọn ống thép cacbon có đường kính

λ

=60W/m.K

Hệ số truyền nhiệt
k= (W/m2.K)
Khi kể đến cặn do nước với hệ số φ = 0,85 ta có
Kbẩn= k. φ = 236,22. 0,85 = 200.79 (W/m2.K)
Hệ số hiệu chỉnh

ε

= f( P, R)

P= (t”2- t’2)/(t’1- t’2) = (66 - 22)/(109 - 22)= 0,506
R= (t’1-t”1)/(t”2-t’2) = (109 - 69)/(66 - 22)= 0,91
Tra bảng tính hệ số hiệu chỉnh cho thiết bị cắt nhau 1 bước vỏ 2,4,6… bước ống

Tra được hệ số

ε

= 0,84


-> Độ chênh nhiệt độ ∆tcắt nhau =

ε

.∆tnc = 0,84.45,45 = 38,18 oC

Diện tích trao đổi nhiệt
F= Q/(kbẩn. ∆tcắt nhau) =12586000/( 200,79. 38,18 )= 1648,25(m2)
Dựa vào bảng 8.3 Theo tiêu chuẩn TEMA
Chọn thiết bị 1 hành trình vỏ, 4 hành trình ống
Đường kính vỏ 39in =0,99 (cm) =1 (m )
ống có đường kinh 1 in = 2,54 cm, Bước ống Pt=1 1/4 in=3,175cm
có 700 ống bố trí hình tam giác
số ống trong một hành trình ống m=175 ống
Tính toán lại chiều dài ống
Tổng diện tích trao đổi nhiệt
F = N.(.d2).L
-> L = F/ N.(.d2) = 1648,25/ 700.( 3,14 . 0,0234) = 32(m)
II: Tính toán lại kết quả
1 : Hệ số trao đổi nhiệt của nước.
43,52

Tra các thông số của nước tại nhiệt độ trung bình t=

0

C

ρ2
Cp2 = 4,179 kJ/Kg.K

υ

= 991,6 Kg/m3 Pf=4,04

λ2 =0,64W/m.K

−7

=6,17.10

2

(m2/s)

Vận tốc nước
ω2 = (G2)/( m.ρ2.π . d21/4 ) = (70 . 4)/(991,6 . 3,14 .0,02342 .175 ) = 0,938(m/s)


Theo tiêu chuẩn Re của nước
Ref = = (0,938. 23,4.10-3)/ (0,617.10-6) =35574> 104
=)) Như vậy nước chảy rối trong ống
Nuf = 0,021. Ref0,8. Prf0,43 . (Prf/Prw)0,25 . εl . εR

L> 50d2 =)) hệ số ảnh hưởng của chiều dài εl =1 ,
Coi ống như ống thẳng nên hệ số ảnh hưởng độ cong εR =1
Để tra Prw ta phải biết nhiệt độ bề mặt trong ống
Tính tương đối nhiệt độ bề mặt trong ống là:
tw2 = ( t’1+ t’’1)/2 - ∆tnc/2 = - = 66,3 (oC)
tra bảng nước ta có Prw = 2,71
Thay số vào công thức tính Nu ta có:
Nuf = 0,021. 355740,8.4,040,43.(4,04/2,71)0,25 = 185
Hệ số tỏa nhiệt của nước
α2 = (Nuf . λ2)/d1 = (185. 0,64)/0,0234 = 5059,82 (W/m2.K)
2 :Tính Hệ số trao đổi nhiệt của dầu
Tra các thông số của dầu thô tại nhiệt độ trung bình 89oC

υ1 =

ρ1
Cp1 = 2,17 kJ/Kg.K

µ 0, 024
=
=
ρ 847,5

= 847,5 Kg/m3

Prf = 392

Đường kính tương đương

de =

4.0,86.s 2
4.0,86.0, 031752
− d2 =
− 0, 0254 = 0, 018(m)
π .d 2
3,14.0, 0254

Vận tốc dầu thô

2,83 .10-5


2

S = π.12- 700.π.0,02542 = 1.72(m )
1

-> ω1 = G

1

/ (S. ρ ) = 0,099(m/s)

Hệ số Re
0, 099.0, 018
= 62,96
2,83.10−5
Ref = =
chùm ống so le

Nuf = 0,41. Ref0,6. Prf0,3 . (Prf/Prw)0,25
Nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt Tw
 t ' + t" t ' + t" 
Tw = 0,5  2 2 + 1 1 ÷
2 
 2

= (109+69 +22+ 66)/4 = 66,5 0C

Prw
0

Tra thông số vật lí của dầu ở 63,3 C

được

= 795

->Nuf = 0,41 . 62,960,6 . 7950,33 . ( 392/795 )0,25 = 37,36
Hệ số tỏa nhiệt của dầu thô
α1 = (Nu. λ)/dtđ = (37,36.0,137)/ 0,018 = 284.35 (W/m2.K)
-

Hệ số truyền nhiệt của thiết bị

kof= (W/m2.K)
Khi kể đến cặn do nước với hệ số φ = 0,85 ta có
kf= kof. φ = 266,83. 0,85 = 226,8 (W/m2.K)
Tính diện tích trao đổi nhiệt

:

Q = k.F.∆tcắt nhau=> F= Q/(kf .∆tcắt nhau) = 12586000/( 226. 38,18 )= 1458,62 (m2)
Chiều dài của thiết bị
l = (F/ N.(.d2))/4 = (1458,62/ 700.( 3,14 . 0,0254))/4 = 6,53 (m)


Kết luận:
thiết bị 1 hành trình vỏ, 4 hành trình ống
Đường kính vỏ 39in =0,99 (cm) =1 (m )
ống có đường kinh 1 in = 2,54 cm, Bước ống Pt=1 1/4 in=3,175cm
có 700 ống bố trí hình tam giác
số ống trong một hành trình ống m=175 ống
chiều dài thiết bị:6,53m

3:Tính trở lực thuỷ kháng của đường nước
∆p = ∆pm+ ∆pc
Trở kháng ma sát
∆pm =
Với
ξ : Hệ số ma sát
ξ = 1/ (1,82.logRef – 1,64)2 = 1/ (1,82.log35574 – 1,64)2 = 0,0226
L= 4.6,53 =26,12 m
3
nc = 991,6 (Kg/m )
nc =0,938m/s ,d1 = 0,0234m
∆pm= = (0,0226.26,12.991,6 . 0,9382)/(2.0,0234)
= 11004 (Pa)
Trở kháng cục bộ
∆pc =

Với: ϵ : Hệ số trở kháng cục bộ
Khi dòn chảy vào ra ỏ van : 2.6,3 =12,6
dòng chảy quay 180 độ trong ống chữ u: 3.0,5=1.5
Khi dòng chảy vào và ra khỏi thiết bị : 2.1,5 = 3
=)) ϵ = 12,6 + 1,5 + 3 = 17,1


∆pc = (17,1 . 991,6 .0.9382)/2 = 7459,48 Pa
Tổng trở kháng :
∆p = ∆pm + ∆pc = 11004+ 7459,48 = 18463 Pa =18kPa-> phù hợp