Huong-Dan-Do-an-Mon-Hoc-Truyen-Nhiet

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (246.26 KB, 37 trang )

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
Lưu lượng, kg/h
Nhiệt độ đầu vào, oC
Nhiệt độ đầu ra, oC
293
Tỷ khối, d 277
Độ nhớt động học, cSt
20 oC
40 oC
100 oC
200 oC
250 oC
300 oC

Dầu thô
40 000
25
0,897

Điêzen
15 000
280
150

0,806

6,2
3,8
1,4
0,5
0,4
0,3

1,10
0,81
0,45
0,26
0,21
0,15

T22

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

(

)

(

Q = G1 H T11 − H T12 η = G 2 H T22 − H T21

)

(1)

Trong đó:

4/26/2012

1

Q là tải nhiệt hay lượng nhiệt trao đổi [W] hay [kW]
G1, G2 là lưu lượng chất tải nhiệt nóng và lạnh [kg/giờ]
H T11 , H T12 là entanpy của chất tải nhiệt nóng ở nhiệt độ T11 và T12 [kJ/kg]
H T21 , H T22 là entanpy của chất tải nhiệt lạnh ở nhiệt độ T21 và T22 [kJ/kg]
η là hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt ( η = 0,95 ÷ 0,97 )

Theo yêu cầu: G 1 = 15000 kg/giờ

G 2 = 40000 kg/giờ

Hệ số sử dụng nhiệt: chọn η = 0,95
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):
H T11 = H 553 ≈ 165 kcal / kg = 690,69 kJ / kg
H T12 = H 423 ≈ 80 kcal / kg = 334,88 kJ / kg
H T21 = H 298 ≈ 12 kcal / kg = 50,23 kJ / kg

Từ số liệu trên, ta tính Q theo công thưc 1:
Q = 15000 ( 690,69 − 334,88).0,95 = 5070292 ,5 kJ / h
Q = 5070292 ,5 kJ / h = 1408,4 kW
Q = 1408,4 kW

Cũng từ công thức 1, ta tính được H T và từ đó tìm được T22
22

(

Q = 5070292 ,5 = 40000 . H T22 − 50,23

)

H T22 = 176,99 ≈ 177 kJ / kg

Từ đó ta tìm được: T22 = 357 K hay 840C
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

4/26/2012

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.

5
5
3

∆
T
m
in

∆
T
m
a
x

t

G
a
s
o
il

3
5

9

4
2
3

2
9
8
D
ầ
uth
ô

F

∆Tmax = 553 − 357 = 196 K
∆Tmin = 423 − 298 = 125 K

Ta dùng hiệu nhiệt độ trung bình logarit. Áp dụng công thức 2 […]
∆Ttb =

∆Tmax − ∆t min ∆Tmax − ∆Tmin
=
∆Tmax
∆T
ln
2,3 lg max
∆Tmin
∆Tmin

Như vậy ta có:
∆Ttb =

196 − 125
= 157,16 K
196
2,3 lg
125
∆Ttb = 157,16 K

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:
K=

1
1 δt
1
+
+
α1 λ t α 2

[ W/m K ]
2

Khi ống không có gân, bề mặt ống bẩn:

4/26/2012

3

1
1 δ t δ1 δ 2
1
+
+
+
+
α1 λ t λ1 λ 2 α 2

K=

[ W/m K ]
2

Khi ống có gân, bề mặt ống sạch:
K=

1
1 δt
1 F
+ + ' 1
α1 λ t α 2 F2

[ W/m K ]
2

Khi ống có gân, bề mặt ống bẩn:
K=

1
1 δ t δ1 δ 2
1 F
+
+
+
+ ' 1
α1 λ t λ1 λ 2 α 2 F2

[ W/m K ]
2

Trong công thức từ (3) đến (6):
k là hệ số truyền nhiệt [ W / m 2 K ]
α 1 là hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt chảy trong ống nhỏ đến bề mặt trong của

ống nhỏ [ W / m 2 K ].
α 2 là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ đến chất tải nhiệt chảy giữa

2 ống [ W / m 2 K ].
δ t , δ1 , δ 2 lần lượt là chiều dày của ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong

và ngoài của ống nhỏ [ m ]
λ t , λ1 , λ 2 lần lượt là hệ số dẫn nhiệt ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt

trong và ngoài của ống nhỏ [ W / mK ]

F1 , F2 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 F1 và F2

4/26/2012

4

Việc tìm F1 và F2 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/m2K. Biết
∆t tb = 157,16 0 K , biết K = 300 W/m2K, ta tính được bề mặt trao đổi nhiệt theo

công thức 7.
F=

Q
K∆t tb

1408,4.10 3
F=
= 29,87 ≈ 30 m 2
300.157,16

Trong thực tế, có loại TB TĐN loại ống lồng ống có bề mặt trao đổi nhiệt là
30 m2 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 m2, loại TTP 7.3 có diện tích trao đổi nhiệt là 45 m2)
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 m2, hệ số thêm gân khi có 24 gân là ϕ = 5 , 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 = F1 = 30 m2
Với ống có gân dọc F1 = 30 m2
Ống có 20 gân F2 = ϕ.F1 = 4,3.30 = 129 m 2
Ống có 24 gân F2 = ϕ.F1 = 5.30 = 150 m 2
b). Tính α1 : hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ đến bề mặt
trong của ống

4/26/2012

5

Ta có thể sử dụng các công thức sau để tính α1 nếu dòng chảy rối.
 Pr 
λ
α1 = 0,021 1 Re10,8 Pr10,43 . 1 
d
 Prt ,1 

0, 25

D
λ
Hay: α1 = 0,027 1 Re10,8 Pr10, 4 . t
d
 dt





0, 45

Trong đó: λ1 : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, [W/mK]
dt: đường kính trong của ống nhỏ, [m] (dt = 0,04 m)
Dt: đường kính trong của ống ngoài, [m] (Dt = 0,079 m)
Các thông số nhiệt vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình của Diesel.
Re1 và Pr1 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.
Pr1
=1
Prt ,1

Nhiệt độ trung bình phía Diesel: Ttb1
Ttb1 =

T11 + T12 553 + 423

=
= 488 K (2150C)
2
2

Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình:
λ1 có thể tính theo công thức (10):
λ1 =

0,1346
(1 − 0,00047 .Ttb1 ) với d 288
277 = 0,809
d 288
277

λ1 =

0,1346
(1 − 0,00047 .488) = 0,129 [W/mK]
0,809
λ1 = 0,129 [W/mK]

Tính chuẩn số Reynold (Re1):
Re1 được tính theo công thức:
Re1 =

ω1d t
υ1

4/26/2012

6

Với ω1 là vận tốc diesel chảy trong ống, [m/s]
υ1 là độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình, [m2/s]

Vận tốc dòng diesel được tính:
G1
3600.ρ tb1f1

ω1 =

ρ tb1 là khối lượng riêng của diesel ở nhiệt độ trung bình 488 K.
488
293
Biết d 293
277 = 0,806. Tính d 277 = d 277 − 0,000725 ( T − 293 )
293
d 488
277 = d 277 − 0,000725 ( 488 − 293 ) = 0,664

Coi tỷ khối bằng trọng lượng riêng nên: ρ tb1 = 664 kg/m3
f1 là tiết diện cắt ngang của các ống trong 1 hành trình.

Thiết bị có 2 ngăn, 14 ống, mỗi ngăn có 7 ống ( N1 = 7 ).
πd 2t
3,14.( 0,04 )
N1 =
7 = 0,0088 m2

4
4
2

f1 =

Do vậy:
ω1 =

15000
= 0,713 m/s
3600.664.0,0088

ω1 = 0,713 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.

4/26/2012

7

Hình 3: Đồ thị xác định độ nhớt diesel
1.2
1

Độ nhớt

0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

100

200

300

400

Nhiệt độ

Từ đồ thị hình 3, ta xác định độ nhớt động học ở 215 0C: υ1 = 0,24cSt = 0,24 .10-6
m2/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:
lg

υ1
T − 273
= n lg 2
υ2
T1 − 273

Biết T1, T2, υ1 , υ 2 , 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 T1 = 373 K có υ1 = 0,45
T2 = 523 K có υ 2 = 0,21
lg

0,45
523 − 273
= n lg
→ n = 0,8317
0,21
373 − 273

Vậy ở nhiệt độ Ttb1 = 488 K ta có:
lg

0,45
488 − 273
→ υ = 0,238 ≈ 0,24
= 0,8317 lg
υ
373 − 273

Từ các số liệu đã cho ta tính được chuẩn số Reynold:
Re1 =

0,713.0,04
= 118833,33 > 10000
0,24.10 −6

4/26/2012

8

Re1 = 118833,33

Vậy dòng là dòng chảy rối
- Tính chuẩn số Prandt:
Chuẩn số Pr được xác định theo công thức:
Pr =

υC.ρ
λ

Với: C là nhiệt dung riêng, [J/kg.K]
Pr1 =

υ1C1 ρ 1 0,24.10 −6.2,69.10 3.664
=
= 3,323
λ1
0,129

Pr1 = 3,323

Vì nhiệt dung riêng C1 được tính theo công thức:
1

C1 =

d

288
277

( 0,762 + 0,0034.Ttb1 ) =

1
( 0,762 + 0,0034.488) [kJ/kg.K]
0,809

Tính α1 :
Áp dụng công thức 8, ta có:
α1 = 0,021

0,129
118833,330,83,323 0, 43 = 1303 W/m2K
0,04
α1 = 1303 W/m2K

c) Tính α 2 : 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 α 2 , trong đó các
tính chất vật lý là của dầu thô ở nhiệt độ trung bình.
- Nhiệt độ trung bình của dầu thô Ttb 2
Ttb 2 =

T21 + T22 359 + 298
=
= 328,5 K

2
2

- Hệ số dẫn nhiệt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình Ttb 2
λ2 =

0,1346
(1 − 0,00047 .Ttb 2 )
d 288
277

λ2 =

0,1346
(1 − 0,00047 .328,5) = 0,126 W/mK
0,900

4/26/2012

9

λ 2 = 0,126 W/mK
293
Trong đó: d 288
277 = d 277 − 0,000725 ( 288 − 293 ) = 0,897 − 0,000725 ( 288 − 293)

→ d 288
277 = 0,900

- Tính tiêu chuẩn Reynold Re 2
Re 2 được tính theo công thức 11
Re 2 =

ω 2 D tb
υ2

Với ω2 là vận tốc dòng dầu thô chảy trong tiết diện hình vành khăn giữa 2 ống,
[m/s]
υ 2 là độ nhớt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình. [m2/s]
D tb là đường kính tương đương của hình vành khăn, [m].

+ Đường kính tương đương được xác định theo công thức:
D tb = D t − d n = 0,079 − 0,048 = 0,031 m

+ Vận tốc dòng dầu thô
ω2 =

G2
3600.ρ tb 2 f 2

Trong đó:
ρ tb 2 là khối lượng riêng của dầu thô ở nhiệt độ trung bình Ttb 2
,5
293
d 328
277 = d 277 − 0,000725 ( 328,5 − 293) = 0,897 − 0,000725 ( 328,5 − 293)
,5
d 328
277 = 0,871

Coi tỷ trọng bằng khối lượng riêng nên ρ tb 2 = 871 kg/m3
f 2 là tiết diện hình vành khăn, tính theo công thức:
f2 = N

(

)

π
3,14
2
(0,079 2 − 0,0482 ) = 0,022 m2
Dt − d n2 = 7.
4
4

Do vậy
ω2 =

40000
= 0,58 m/s
3600.871.0,022

4/26/2012

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 υ 2
Hình 5: Đồ thị xác định độ nhớt theo nhiệt độ
7
6
Độ nhớt

5
4
3
2
1
0
0

50

100

150

200

250

300

350

Nhiệt độ

Từ hình 5, ta xác định được υ 2 = 2,7
υ 2 = 2,7.10 −6 m2/s

Ta cũng có thể xác định độ nhớt ở một nhiệt độ trung bình từ công thức 11.4
Ở T1 = 313 K có υ1 = 3,8
T2 = 373 K có υ 2 = 1,4
lg

3,8
373 − 273
= n lg
→ n = 1,08975
1,4
313 − 273

Vậy ở nhiệt độ Ttb 2 = 328,5 K ta có:
lg

3,8
373 − 273
= 1,08975 lg
→ υ = 0,266 ≈ 0,27
υ
328,5 − 273

Vậy:
υ 2 = 2,7.10 −6 m2/s

+ Từ số liệu tính được, ta xác định được chuẩn số Reynold.
Re 2 =

0,58.0,031
= 6659,3
2,7.10 −6

Re 2 = 6659,3

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]

4/26/2012

11

λ
0 , 43  Pr 
α 2 = k 0 ε1 2 Pr2  2 
Dt
 Prt 2 

0 , 25

k 0 là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold
ε1 là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold và tỷ số giữa chiều dài và đường kính

ống (l/d)
Với Re 2 = 6659,3 thì k 0 = 22 [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 ε1 = 1

- Tính chuẩn số Prandt
Theo công thức 12 ta có:
Pr2 =

υ2 C 2ρ 2
λ2

Vì nhiệt dung riêng C1 được tính theo công thức:
C1 =

1
d

( 0,762 + 0,0034.Ttb1 ) =

288
277

1
( 0,762 + 0,0034.328,5) = 1,98 kJ/kgK
0,900

Do vậy:
Pr2 =

2,7.10 −6.1,98.10 3.871
= 36,955 ≈ 37
0,126

Pr2 = 37

- Tính α 2 : do dòng chảy quá độ nên sử dụng công thức 13, coi Pr là ít thay đổi
theo nhiệt độ:
α 2 = 22.1.

0,126 0, 43
37 = 422,43 W/m2K
0,031

α 2 = 422,43

W/m2K
Nếu sử dụng công thức 8 thì:
α 2 = 0,021

0,126
( 6659,3) 0,8 ( 37 ) 0, 43 = 461,63 W/m2K
0,031

4/26/2012

12

d) Tính α 2 ' : 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:
 2 hβ − δ 
α g = α t 1 +

S 



Với α g là hệ số cấp nhiệt khi ống có gân [W/m2K]
α t là hệ số cấp nhiệt khi ống không có gân [W/m2K]

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:
m=

2α t
δ.λ t

Bước gân S được tính theo công thức:
S=

πd
n

Với ống có 20 gân, d = 0,048 m thì:
S=

3,14.0,048
= 0,0075 m
20

Với ống có 24 gân, d = 0,048 m thì:
S=

3,14.0,048
= 0,0063 m
24

Tìm β : α t = α 2 = 422,43 W/m2K
δ =0,001 m

λ t = 51,7 là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu chế tạo gân (dùng thép các bon, tra ở

328,5 K hoặc 55,50C)
Từ đó tính m:
m=

2.422,43
= 127,83
0,001.51,7

4/26/2012

13

Do vậy m.h = 1,66
Tra bảng trang 450 [16] ta tìm được β = 0,57 . Cũng có thể tính β theo công
thức: ………………
Từ công thức 14:
Ống 20 gân:
 2.0,013.0,57 − 0,001 
 2hβ − δ 

α 2 ' = α 2 1 +

 = 422,431 +
S 
0,0075



α 2 ' = 1200,83

W/m2K
Ống 24 gân:
 2.0,013.0,57 − 0,001 
α 2 ' = 422,431 +

0,0063


α 2 ' = 1349,1 W/m2K
2λ

Theo một số tác giả, nếu số hạng α δ > 5 thì nên sử dụng bề mặt có cánh:
2
Trong trường hợp này:
2.51,7
= 244,77 > 5 vậy nên dùng ống có gân ngoài
422,43.0,001

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:

4/26/2012

14








δ t = 0,004 m (dày 4 mm)
 λ t = 51,7 W/mK (thép cacbon, T = 328,5K)

α1 =1303W/m 2 K

2
α 2 =422,43W/m K

2
( 20 gân ) kích
( thuoc gân cho o phan trên ) 
 α1 =1303W/m Kông

 α =422,43W/m 2 K

2



{ F1 = 30m 2

δ2

2
  F = 129m2 (ông 20 gân) dâu thô λ = 0, 00053m K / W
2
 2
  F2 = 150m 2 (ông 24 gân)
δ
dau diedel 1 = 0, 00123m 2 K / W

λ1


δ t = 0,004 m (d
ày 4 mm)
λ t = 51,7 W /mK (th
ép cacbon, T = 328,5K)
2
α1 =1303W /m
K
2
α 2 =422,43W /m
K
2
 α1 =1303W /m
ông
o trên)

(K 20 gân) ( kích thuoc gân chophan

2
 α 2 =422,43W /m K





{ F1 = 30 m2

δ2
dâu
thô
= 0, 00053
m2 K
/W
2
 F2 = 129 m (ông 20 gân)
λ2

2
δ
24 gân)
 F2 = 150m (ông
dau diedel 1 = 0, 00123
m2 K
/W
λ1
Theo các công thức (3) đến (6) ta tính được hệ số truyền nhiệt K ứng với các

trường hợp cụ thể:

4/26/2012

15

+ Khi ống không có gân, bề mặt sạch
k=

1
= 311,32W / m 2 K
1
0, 004
1
+
+
1303 51, 7 422, 43

+ Khi ống không có gân, bề mặt bẩn
1

k'=

1
0, 004
1
+
+
+ 0, 00053 + 0, 00123

1303 51, 7 422, 43

= 201,12W / m 2 K

+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống sạch:
- ống 20 gân:
k1 =

1
= 962,93W / m 2 K
1
0, 004
1
30
+
+
.
1303 51, 7 1200,83 129

- ống 24 gân:
k2 =

1
= 1006,97W / m2 K
1
0, 004
1
30
+
+

.
1303 51, 7 1349,1 150

+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống bẩn:
- ống 20 gân:
k '1 =

1
1
0, 004
1
30
+
+ 0, 00123 +
.
1303 51, 7
1200,83 129

= 357,33W / m2 K

- ống 24 gân:
k '2 =

1
1
0, 004
1
30
+
+ 0, 00123 + 0, 00053 +

.
1303 51, 7
1349,10 150

= 363, 23W / m 2 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):
F=

Q ∆ttb = 157,16 K
k ∆ttb Q = 1408, 4.103 W

4/26/2012

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
1408, 4.103
= 44,56m 2 ⇒ F ' = 44,56m2
201,12.157,16

F'=

b, Khi ống có gân, bề mặt ống bị bẩn

- ống có 20 gân
F1 ' =

1408, 4.103
= 25,1m2 ⇒ F1 ' = 25,1m2
357,33.157,16

- ống có 24 gân
1408, 4.103
F1 ' =
= 24, 7 m 2 ⇒ F2 ' = 24, 7m2
363, 23.157,16

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 m2. Nếu sử dụng thiết bị trao đổi
nhiệt kiểu ống lồng ống như đã chọn sơ bộ (F = 30 m2) thì số thiết bị cần sử
dụng là:
z'=

F ' 44,56
=
= 1, 48
F
30

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 m2
z1 ' =

F1 ' 25,1
=
= 0,84
F
30

4/26/2012

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 m2
z2 ' =

F2 ' 24, 7
=
= 0,82
F
30

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

D
D
P
N’
Lo
L
N
Tmax
N
δ

H
ϕ

Vật liệu

30 m2

89 × 5mm
48 × 4mm

25at
2 hành trình (ngăn dọc)
6500 mm
7635 mm
14 ống
723 K
20 (24) gân
0,001 m
0,013 m

4,3(5)
Thép cacbon

4.3- Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm vỏ bọc
Đề bài 1:

4/26/2012

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
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):

tháp

C3H8
2

C4H10
96

C5H12
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

4/26/2012

19

3.

Xác định hệ số truyền nhiệt K (Tìm K), (KJ/m.giờ . C) hoặc [W/m

4.

Xác định bề mặt trao đổi nhiệt: F ( m )

.độ]

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
•
ta dựa vào các phương trình cân bằng vật chất

4/26/2012

Tính R, V: Để tính R, V

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 k (16.5at, 97 C)
(x)

x

y

CH

0.02

1.95

0.0333

0.039

CH

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

4/26/2012

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
•

khỏi nồi tái đun y

Nồng độ phần mol của các cấu tử trong hơi đi ra
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:

4/26/2012

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

CH

0.02

227.59

0.0333

1263.1

0.039

1035.52

CH

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

CH

P=16.5at, T=92 C
k

k .x

0.0333

1.8

0.05994

CH

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

4/26/2012

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

Hỗn hợp đầu A

Lỏng R

Hơi V

tử

M

H

M

H

M

H

CH

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 + Vvẫn 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.

4/26/2012

24

R là nhiệt ngưng tụ: r=2053.65 KJ/Kg
η là hệ số hay hiệu suất truyền nhiệt, η=0.95

4/26/2012

25

Huong-Dan-Do-an-Mon-Hoc-Truyen-Nhiet

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về