Báo cáo đồ án quá trình thiết bị công nghệ hóa học thiết kế trạm chiết nạp CNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
KHOA DẦU KHÍ
BỘ MƠN LỌC – HĨA DẦU
------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN Q TRÌNH THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ
HĨA HỌC

THIẾT KẾ TRẠM CHIẾT NẠP CNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Ths. Trần Quang Khải
Ts. Lê Thị Mỹ Linh

Tháng 06/2015
1


Mục lục

1. Mục lục
2. Giới thiệu đề tài đồ án
Chương I: Tổng Quan
-

Các công nghệ trạm chiết nạp CNG phổ biến

-

Thuyết trình về cơng nghệ trạm CNG sẽ thiết kế

Chương II: Thiết kế thiết bị chính – Bình chứa
-

Thể tích thiết kế

-

Vật liệu, độ dày

-

Các chiều thiết kế

-

Phần phụ

-

…

Chương III: Thiết kế phần phụ
1. Phần máy nén và thiết bị làm lạnh
-

Giới thiệu về máy nén

-

Tính tốn cơng suất máy nén

-

…

-

Tính tốn diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

-

Tính tốn lượng mơi chất làm lạnh

-

Tính tốn các chiều thiết bị làm lạnh

2. Tính tốn đường ống
-

Tính tốn độ dày ống

-

Tính đường kính ống

-

Tính độ sụt áp

-

Tính chiều dài ống
2


Chương IV: Kết luận
Tài liệu tham khảo

3


1. Giới thiệu – tổng quát

Định nghĩa CNG
CNG là tên viết tắt của cụm từ tiếng Anh Compressed Natural Gas - khí nén thiên nhiên, với thành
phần chủ yếu là methan (CH4) được lấy từ đường ống dẫn khí, nén ở áp suất cao (200 - 250 bar) vào
các bồn chứa chuyên dụng để vận chuyển đến nơi tiêu thụ.

Ưu điểm của CNG
a) CNG là nguồn nhiên liệu sạch
Khi Sử dụng CNG khơng thải ra các khí độc hại như CO, NO, SOx - là các loại khí đặc biệt gây nguy hại
cho môi trường và sức khỏe con người
Bảng so sánh lượng khí thái của CNG so với các nguồn nhiên liệu khác.

b) Tiết kiệm chi phí sử dụng nhiên liệu
Chi phí dử dụng CNG thấp hơn so với FO, DO, LPG từ 10 - 15% sẽ giúp doanh nghiệp giảm giá thành
sản phẩm.
Bảng so sánh chi phí sử dụng CNG so với các nguồn nhiên liệu khác.

-

Sử dụng CNG giúp các doanh nghiệp giảm thời gian, chi phí bảo trì, bảo
dưỡng và tăng tuổi thọ máy móc, thiết bị.
4


c) Sử dụng CNG sẽ cải thiện chất lượng sản phẩm
Với thành phần ổn định, khơng có tạp chất, khi đốt CNG ln duy trì nhiệt trị ổn định, giúp việc vận
hành máy móc thiết bị dễ dàng hơn, chất lượng sản phẩm tốt hơn. Các doanh nghiệp sản xuất và chế
biến thực phẩm sẽ tránh việc bị nhiễm chéo các chất độc hại từ DO, FO sang thực phẩm chế biến.

d) Giảm chi phí sản xuất .
Bảng chi phí sản xuất nhiên liệu

e) Sử dụng an tồn hơn.
Khí tự nhiên là mơt trong nhưng nguồn năng lượng an tồn nhất trên thế giới do đ ăc tnh của nó, do
đơ tin cây của các phương tiên sử dụng khí tự nhiên (NGV) và h ê thống cung cấp nhiên li êu cho các
phương tiện đó.
CNG cịn có nhiệt độ tự bốc cháy cao. Trong trường hợp tràn ho ăc rị ri, khí tự nhiên sẽ bốc hơi vào
khơng khí, không giống như xăng chảy tràn trên m ăt đất gây nguy cơ hỏa hoạn.
Các thung nhiên liêu khí tự nhiên có cấu trúc vưng chắc được chế tạo băng polyme và các hợp chất
bên hơn thép, điêu này đồng nghia với việc giảm nguy cơ bị hỏng ho ăc rỏ ri.
Các trạm tiếp nhiên liêu khí tự nhiên được xây dựng theo tiêu chuẩn nghiêm ngăt của liên bang
nhăm đảm bảo an tồn.

Vài trị của CNG với hiện tại và tương lai.
Là một trong nguồn năng lượng thay thế các nguồn nguyên liệu truyên thống có tnh khả thi cao nhất,
bởi các nguyên nhân sau:

-

Mang lại hiệu quả kinh tế
Thân thiện với môi trường
Được nhận các ưu đãi về thuế từ chính phủ
Dễ dàng và linh hoạt trong sử dụng.

Tình hình sử dụng CNG ở Việt Nam
Hiện các khách hàng sử dụng CNG rất đa dạng, hoạt động sản xuất kinh doanh trên nhiêu linh vực
khác nhau: ngành sắt thép, ngành gạch men, ngành thực phẩm...
5


Sử dụng trong ngành giao thông vận tải: CNG thay thế xăng cho các phương tiện giao thông vận tải
với cơng nghệ đơn giản, an tồn, dễ sử dụng. Việc chuyển đổi sang sử dụng CNG sẽ góp phần bảo vệ
mơi trường và tiết kiệm được ít nhất 30% chi phí nhiên liệ
Sử dụng cho các khu chung cư: CNG sẽ cấp cho các khu chung cư để thay thế các nhiên liệu khác
nhăm đưa đến cho người dân một nguồn nhiên liệu sạch, giá rẻ.

Nhiệm vụ và vai trò trạm chiết nạp CNG
Một trong nhưng thử thử thách khi sử dụng khí thiên nhiên là mật độ năng lượng thấp, do đó phải
tiến hành nén hay hóa lỏng. Và trạp chiết nạp CNG (mother station) có nhiệm vụ chính là nén và phân
phối dịng khí thiên nhiên có áp suất cao đến các thiết bị tồn trư lưu động.
Khí thiên nhiên được dẫn đi qua trạm đo đưa vê trạm máy nén, tại đây khí được nén lên đến khoảng
áp suất 200 barg và gọi là khí CNG (Compressure Natural Gas), thơng qua đường ống, khí được nạp
vào xe bồn chuyên dung và chở đi giao cho khách hàng. Tại khách hàng thơng qua các trạm giảm áp,
khí được giảm áp xuống áp suất mà khách hàng yêu cầu để cung cấp cho các đầu đốt của khách hàng.

Phân loại công nghệ
- Công nghệ Time-fill: CNG được phân phối chậm đến xe bồn, sử dụng với

vốn đầu tư thấp, thích hợp cho đồn xe trở về nạp nạp và qua đêm tại trạm.
- Công nghệ fast-fill: giống như trạm nạp nhiên liệu lỏng, CNG được nạp
nhanh vào xe bồn.
- Công nghệ combination-fill: kết hợp cả time-fill và fast-fill.

6


Chương I: Tổng quát
1. Các công nghệ trạm CNG phổ biến
Các loại trạm CNG
Về cơ bản có 2 loại trạm CNG đó là time-fill và fasr-fill
1. Time-fill
Với loại này thi thường dùng để nạp nhiên liệu cho các loại xe có thể tích bình chứa
lớn, những loại xe mà nạp nhiên liệu có thể địi hỏi thời gian là ngun 1 đêm. Trạm
này có thể sử dụng với cơng suất nhỏ như sử dụng tại các hộ gia đình. Trạm này có 1
điểm khác biệt so với fast-fill nữa là khơng địi hỏi áp suất cao, do đó máy nén có kích
thước nhỏ hơn nhiều so với fast-fill. Một điểm khác biệt so với fast-fill nữa là ở trạm
time-fill thì nhiên liệu được nạp trực tiếp sau khi đi ra khỏi máy nén, tức là khí sau khi
đi ra khỏi máy nén thì được nạp trực tiếp vào phương tiện ln, khơng đi qua các bể
chứa. Mặc dù vậy thì vẫn có 1 bình chứa nhỏ chứa khí để phịng trường hợp khơng có
phương tiện nạp khí, nó giữ cho máy nén ở trạng thái hoạt động hay không hoạt động
để tránh sự lãng phí năng lượng. Thời gian nạp liệu đối với loại phương tiện này là tùy
vào thiết phương tiện nạp liệu, có thể là vài phút cũng có thể là vài giờ. Một lợi thế
nữa từ time-fill là lượng nhiệt tỏa ra từ quá trình nén đối với trạm này là nó nhở hơn,
do đó tiết kiệm được năng lượng và dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ, thiết bị có thể hoạt
động cả đêm mà khơng sợ q nhiệt.

Thuận lợi mang lại từ Time-fill
• Có thể nạp nhiên liệu cho phương tiện xuyên đêm khi mà phương tiện không

phải hoạt động.
7


• Giảm được chi phí chờ đợi mà lái xe phải chờ nếu phải nạp vào ban ngày, nó có
thể tiết kiệm được khoảng 60 giờ trên 1 năm
• Sử dụng máy nén nhỏ hơn, giảm thiểu được chi phí thiết bị, chi phí cho trạm
CNG loại này có thể giảm tới 30% so với fast-fill
• Giảm được chi phí điện để vận hành máy nén.
• Máy nén chỉ tắt và mở 1 lần trong ngày do đó giảm được chi phí bảo trì và tăng
tuổi thọ của thiết bị
• Khơng u cầu vận tốc thể tích dịng khí cao bằng fast-fill.
• Chi phí sản xuất ít hơn
• Có thể nạp liệu tự động cho thiết bị khi thiết bị gắn vào và tự động ngắt khi
phương tiện đầy nhiên liệu

2. Fast fill
Trạm này thì nó phù hợp với các phương tiện có yêu cầu nạp liệu với số lượng nhiên
liệu ít,và yêu cầu thời gian nạp liệu ngắn. Với trạm chiết nạp loại này thì khí sau khi đa
ra khỏi máy nén thì được đưa và lưu trữ trong bể chứa để khí có thể sẵn sàng sử dụng
khi yêu cầu nạp nhiên liệu nhanh. Thời gian nạp liệu tại trạm chiết nạp này thì nó cũng
gần tương tự như thời gian nạp liệu tại các trạm xăng thông thường. Việc khí nén được
lưu trữ trong các bể chứa thì nó rút ngắn lại được thời gian nạp nhiên liệu hơn là so với
lấy khí ra trực tiếp từ máy nén và nạp vào thiết bị. Ngoài ra với trạm này thì trong bình
chưa áp suất cao phải sử dụng sensor để đo đạc và tính tốn lượng khí có trong bình để
đảm bảo an tồn. Do đó chi phí đầu tư cũng như các chi phí khác cũng cao hơn, nhưng
mà lại vận hành linh hoạt hơn.

2. Thuyết trình cơng nghệ trạm CNG sẽ thiết kế

8


Chương II: Tính tốn các thiết bị chính

9


Chương III: Tính tốn các thiết bị phụ
1. Máy nén và thiết bị làm mát
I.

Tính tốn lựa chọn máy nén

các thơng số giúp ta trong việc tính tốn và lựa chọn cơng suất máy nén.
•
•
•
•

Áp suất đầu vào: 22 bar
Áp suất đầu ra: 250 bar
Lưu lượng 2500 sm3/h
Nhiệt độ khí đầu vào 200C

Thơng số về dịng khí thiên nhiên do của mình, được lấy tại các nguồn:
/> />Với thơng số như sau
• Thành phần: 85%CH4 , 10%C2H6 , 3%C3H8 , 1%C4H10 , 0.5%N2 ,
0,5%CO2
• MW= 18,91

• Pc= 670psia
• Tc=382 R
• Ratio of heat specific heat: 1,27
• Hắng số khí: 0,5
Dưa vào các thơng số của dịng khí như lưu lượng, áp suất vào áp suất ra thì ta tiến
hành việc lựa chọn máy nén. Tiêu chí lựa chọn máy nén được tham khảo ở bảng sau:
Loại máy nén
Quạt roto một
cấp
Pitong
Một cấp/hai
cấp
Đa cấp
Trục vít
Một cấp
Hai cấp
Ly tâm

Năng suất (m3/h)
Từ
Đến
100
30000

Áp suất (bar)
Từ
Đến
0.1
1

100

12000

0.8

12

100

12000

12

700

100
100
600

2400
2200
300000

0.8
0.8
0.1

13
24

450

Việc sử dụng nhiều cấp nén trong máy nén bởi các lý do sau đây
10


 Tiết kiệm năng lượng
 Giới hạn nhiệt độ đầu ra của khí vì khi nén khí lên áp suất cao mà khơng
có làm lạnh trong máy nén thì có thể dẫn tới sự tăng nhiệt độ quá mức
cho phép
 Nén với áp suất cao với chỉ 1 cấp máy nén cũng địi hỏi máy nén phải có
cấu tạo phức tạp, tính bền cơ khí của máy nén.
 Với này nén nhiều cấp thì có sử dụng thiết bị làm lạnh giữa các cấp của
máy nén
1) Máy nén 2 bậc

Trước tiên ta xem xét đối với máy nén 2 bậc lý tưởng với các đặc điểm sau
 Công tại mỗi bậc máy nén là bằng nhau (W1=W2)
 Khí sau khi đi ra khỏi thiết bị làm lạnh trong thì được đưa lại đến nhiệt
độ ban đầu ( T1=T3)
 Khơng có sự mất áp suất trong thiết bị làm lạnh intercooler (P2=P3=PX) :
Px là áp suất tại thiết bị làm lạnh

11


Đồ thị biểu thị quá trình nén 2 bậc lý tưởng. ( P,V)
Công thực hiện tại tại từng cấp nén được biểu thị như sau:
Tại cấp nén thứ nhất

W=

*

kW

W=

*

kW

Tại cấp nén thứ 2

Đối với điều kiện lý tưởng của máy nén ta có các tỉ số sau
Tỉ số áp suất: P2/P1 = P4/P3
Và P2=P3=PX
Công tổng cộng của máy nén là
W=W1 + W2
Mà W1 = W2 từ đó ta được

W=

*

kW

12

Đồ thị T-S trong q trình nén khí
Đối với máy nén khơng lý tưởng, tức là
o có sự mất áp suất trong quá trình làm lạnh trong P2≠P3
o thiết bị làm lạnh trong có thể khơng làm lạnh hỗn hợp sau khi nén về lại
nhiệt độ ban đầu T1≠T3
o công tại mỗi cấp máy nén là có thể khơng bằng nhau W1≠W2
khi đó cơng tại mỗi cấp của máy nén vẫn như cũ, nhưng công suất tổng cộng của 2 cấp
máy nén không rút gọn được như công thức cũ.

Đồ thị P,V của máy nén 2 bậc với trường hợp không lý tưởng
2) Máy nén 3 bậc.

13


Cũng như máy nén 2 bậc đầu tiên ta tính tốn cơng của máy nén trong điều kiện lý
tưởng, với điều kiện lý tưởng như đối với máy nén 2 bậc.
Với điều kiện làm lạnh trong lý tưởng thì ta có:
Cơng của máy nén tại cấp thứ nhất:

W=

.

kW

.

kW

.

kW

Cơng của máy nén tại cấp thứ 2:

W=
Công của máy nén tại cấy thứ 3:

W=

Vì trong điều kiện lý tưởng ta có W1=W2=W3 do đó cơng tổng cộng trong máy nén là
W= 3.W1

W=

.

kW

W=

.

kW

Hay

14

Đồ thị P,V của máy nén 3 bậc lý tưởng
Đối với máy nén 3 cấp không lý tưởng, tức là có sự mất áp trong thiết bị làm lạnh,
nhiệt độ sau khi đi ra khỏi thiết bị làm lạnh k được đưa trở lại nhiệt độ ban đầu, công
của mỗi cấp máy nén là không bằng nhau. Đối với loại này thì tính tốn hết sức phức
tạp, do đó để đơn giản hóa thì ta chỉ xem xét là có sự mất áp trong q trình làm lạnh
để tiện tính tốn. Việc mất áp trong q trình làm lạnh nó phụ thuộc vào mỗi loại
máy nén khác nhau và công nghệ của các khác sản xuất nên cũng rất khó để biết
chính xác chi tiết được, do đó nhóm em quyết định lựa chọn áp suất lý thuyết lý
tưởng của máy nén là 260bar để bù trừ vào mất áp suất ở thiết bị làm lạnh và đường
ống.
3) Tính tốn cơng suất cho máy nén của mình.
Trong q trình tính tốn cơng suất, nhóm em quyết định tính tốn cơng suất đầu ra
của máy nén là 250bar, với giá trị đầu ra lớn hơn. Hiệu suất thể tích thể hiện sự mất
mát thể tích do sự rị rỉ qua các vách làm kín nhóm em lấy là 90%. Hiệu suất cơ khí
là do khắc phục ma sát cơ khí và truyền dẫn của các cơ cấu cơ học phục như mất mát
trong thiết bị làm lạnh, mất áp trong đường ống trong nhóm em lấy 85%
Tiến hành tính tốn cơng suất cho máy nén:
Với khí của mình là khí thiên nhiên, khơng phải là khí lý tưởng, nên cơng thức
của khí lý tưởng khơng áp dụng được mà khi đó công thức được áp dụng là:
P.V=z.n.R.T với z là hệ số nén, với khí của mình thì hệ số nén thì hệ số nén là 0.937 .
15


Dịng ngun liệu ban đầu của mình là khí với lưu lượng là 2500m 3/h với đơn vị này
thì dịng khí được đo ở điều kiện là 200C và áp suất là 22bar.
Từ điều kiện đề bài và phương trình liên hệ P.V=z.n.R.T ta có
P.V=z.n.R.T
22.0,987.2500 = 0,937.n.8,2.10-5.288
N= 2453,2 kmol → m= 46394 kg/h =12,886kg/s

Với máy nén 3 cấp tại điều kiện lý tưởng thì cơng suất được tính theo cơng thức:

W=

*

WLT=

*

W=4955,1 kw
Kết hợp với hiệu suất đã chọn thì cơng suất thực tế của máy nén là:
WTT =

=

= 6477,2 kW

4) Tính tốn nhiệt độ đầu ra cho máy nén
Trước khi tiến hành tính tốn ta phải giả thiết các điều kiện lý tưởng sau đây
 Tỉ số nén tại mỗi cấp máy nén là bằng nhau
 Hỗn hợp khí sau khi đi qua thiết bị làm lạnh trong thì được đưa về lại nhiệt độ
ban đầu
Nhờ các điều kiện đó ta có các kết quả sau
T1 = T3 = T5
T2 = T4 =T6
P2/P1 = P4/P3 = P6/P5
16

Gọi x là tỉ số nén cho từng cấp nén thì ta có: x3 = P6/P1 = 255/22 =15.59
x=

= 2,263

Đối với máy nén của mình thì nó đang hoạt động ở quá trình đa biến, khi ở quá trình
đa biến thì ta có cơng thức liên hệ giữa nhiệt độ và áp suất là: ( n chọn =1,2)

T2= T1.

= 335,70K = 630C

T2 = 293.
Vậy nhiệt độ ra khỏi máy nén là 630C

Lưu lượng dịng khí đi ra khỏi máy nén được tính theo cơng thức:
PVn = Const
Ta có 22.25001,2 = 250. V1,2
Từ đó tính được V= 330m3/h
5) Tính tốn thiết bị làm mát khí sau khi nén.
Các thơng số tính tốn, nhiệt độ khí trước khi làm mát: 630C làm mát đến nhiệt độ môi
trường 250C.
Ở đây ta sử dụng nước để làm mát, nhiệt độ nước làm mát vào là 00C và nhiệt dộ dòng
nước ra ra là 200C. Ta xét q trình làm mát khí là q trình đẳng áp.
Lượng nhiệt mà khí sau khi nén tỏa ra để giảm nhiệt độ từ 630C xuống 250C được tính
theo công thức:
Q = Cp.m.(T1 – T2) = 3,25. 46394. ( 63-25) = 5,73.106 kj/h =1,59.106 W
Nhiệt lượng mà nước nhận để tăng nhiệt độ từ 50C đến 200C cũng chính bằng lượng
nhiệt mà nước tỏa ra. Mà nhiệt lượng của nước nhận thì được tính bằng cơng thức
Q=Cp’.m.(t2’-t’1) = 4.18.m.15= 5,73.106 kj/h

Từ đó ta có m=91387 kg/h
Ngồi ra thì lượng nhiệt mà nước nhận thì được tính theo cơng thức:
Q=K.A.▲ttb
Trong đó:

K là hệ số truyền nhiệt
17


A là diện tích bế mặt truyền nhiệt
#td −#tc
43 − 20
#
t
▲ttb = ln . d = ln . 43 = 300C
#tc
20

Để tính tốn diện tích bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt thì trước tiên ta phải lựa chọn thiết
bị trao đổi nhiệt, ở đây vì hệ số truyền nhiệt của khí là khá nhỏ, do đó phải chọn thiết
bị truyền nhiệt có diện tích bề mặt lớn. Ở đây nhóm em chọn thiết bị loại ống có cánh (
Tube fin)

Dịng nước được cho di chuyển trong ống, dịng khí được chạy bên ngồi.
Tính tốn hệ số tỏa nhiệt của khí nén
Hệ sộ tỏa nhiệt của khí nén đối với thiết bị truyền nhiệt loại này được tính theo cơng
thức.
α1 = C.

.

.(

.

( công thức 16.3 Tr 494, Truyền nhiệt và tính

tốn thiết bị truyền nhiệt)
với C và n lấy được từ thực nghiệm C=0,094 và n=0.72 đối với cánh hình chữ nhật và
chùm ống song song.
Sp là bước cánh (m)
do là đường kính ngồi ống (m)
18


h là chiều cao cánh (m)
ℷ là hệ số dẫn nhiệt. W/m.K
Re=
ꙍ là vận tốc dịng khí
v là độ nhớt động học.

Với bài tốn của nhóm em thì nhóm tiến hành chọn
dngoài = 20mm
dtrong =18mm
Bước cánh: Sc = 3mm
Bước ống: là 9mm và 8,5mm
Chiều dày cánh: δc= 0,3mm
Chiều cao cánh : 20mm
Vận tốc dịng khí ꙍ = 6m/s ( vận tốc tối đa là 7,5m/s)

19


Hệ số dẫn nhiệt của hốn hợp khí được tính theo công thức: ( I.35 tr 125 Sổ tay QTTB
1)
ℷ= B.Cv.ℰ W/m.độ
Với:
B= (9*k-5)/4 với k=Cp/Cv
Cv là nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp khí J/Kg.độ
ℰ là độ nhớt động lực của hốn hợp khí khí N.s/m2
Dùng hysys thì với điều kiện của dịng khí tại áp suất là 250bar, nhiệt độ trung bình là
440C thì ta có được các giá trị
Tỉ trọng là 220,8 kg/m3
Cv= 1,876 J/Kg.độ
k= 1,791
độ nhớt ℰ =7,5. 10-5 N.s/m2
độ nhớt động học v = 0,117.10-6 m2/s
Từ đó tính được ℷ

.Cv. ℰ =

. 1,876. 7,5.10-5 = 3,9.10-4

Vậy hệ số dẫn nhiệt của hốn hợp khí là ℷ= 3,9.10-4 W/m.K
Tính chuẩn số Renol cho hỗn hợp khí.
Re =

= 155.103

Re =

Thay vào cơng thức để tính hệ số tỏa nhiệt của hốn hợp khí ta được

α1 = C.

.

.

.

20


3.9.10−4
α1 =0,094. 0.003 .

.

. (155.103) 0,72 = 18,4 W/m2.K

Hệ số tỏa nhiệt của khí: α1 = 18,4 W/m2.K
Do nhiệt độ ngồi cánh phân bố khơng đều, ở gốc cánh nhiệt độ cánh gần bằng nhiệt
độ dịng nước phía trong, nên ở đó độ chênh lệch nhiệt độ là lớn nhất. Càng ra xa
ngồi cánh nhiệt độ càng tăng, do đó độ chênh lệch nhiệt độ cũng giảm dần nên khả
năng truyền nhiết cũng kém hơn, do đó người ta đưa ra khái niệm hiệu suất cánh. Theo
tài liệu tham khảo với thơng số về cánh như trên thì hiệu suất cánh là 0,94. Một điểm
nữa là do cường độ tỏa nhiệt trên cánh khơng đều, nên khi tính tốn người ta cũng tính
đến hệ số khơng đều, ở đây nhóm chọn hệ số khơng đều là 0.85
Do đó cường độ tỏa nhiệt của cánh là:

α= 18,4.0,94.0,85 = 14,7 W/m2.K
Diện tích cánh trên 1m ống:
2( S1S 2 − 0, 785.d 02 )
FC =
=
Sc

0,724 m2/m

Diện tích bề mặt ngồi của ống nằm giữa cánh tương ứng với 1m ống.

F0C = Ƞd0 .(1-

) = 3,14. 0,02 .(1-

) = 0,05652 m2/m

Tổng diện tích bề mặt ngoài trên 1m ống là:
F = FC + F0C = 0,724 + 0,0562 = 0,7805 m2/m
Diện tích trong ống tương ứng với 1m ống là:
F1 = Ƞd1 = 3,14. 0,018 = 0,0565 m2/m
Hệ số làm cánh.
F

ᵝ=F

1

=

= 13,8

Tính tốn hệ số dẫn nhiệt của nước.

21


Việc tính tốn giá trị

2

là rất phức tạp nó phụ thuộc vào chế độ dòng chảy, chiều dài

cũng như đường kính của ống thiết bị trao đổi nhiệt. Ta cũng đồng thời chọn thiết bị
trao đổi nhiệt được làm bằng thép không rỉ, với độ dày của ống thiết bị trao đổi nhiệt là
2mm., và hệ số truyền nhiệt của thép không rỉ là ℷ= 23.2 W/m0C chọn ống loại
⌽=20/18mm
Vận tốc nước chảy trong ống là ꙍ=0,5m/s ( thông thường thì vận tốc dịng chất lỏng
chảy trong ống được giới hạn trong khoảng từ 0,5-2m/s)
nhiệt độ trung bình của nước trong thiết bị là ttb =

=

12,50C

tại 12,50C ta tra được các giá trị của nước ( tra ở tr 552 Cuốn Truyền nhiệt và tính tốn
thiết bị truyền nhiệt)
v=1,26.10-6 m2/s (Độ nhớt động học)
D=999,3kg/m3
Pr=9,2

Ta có chỉ số Renol của nước được tính theo cơng thức:
Re=

=

= 14285 > 104

Từ đó ta có chuẩn số Nu của nước là
Nu= 0,021.Re0,8.Pr0,43
Nu=0,021.142850,8 .9,20,43 = 115
Hệ số cấp nhiệt của nước được tính theo cơng thức
= 3705 W/m2

α2 = Nu. = 115 .

Hệ số truyền nhiết được quy về 1 đơn vị diện tích bề mặt ngồi sẽ là ( Cơng thức 16.11
Tr 497 sách Truyền nhiệt và tính tốn thiết bị truyền nhiệt)

K=(

+ Rb + + ( Rc +

22

). ᵝ )—1


Trong đó Rb là nhiệt trở do bụi khoảng 0,0003 m2.K/W
Rc Là nhiệt trở do cáu cặn. từ 0,0002-0,0005 ở đây chọn là 0,0004 m2.K/W

K=(

+ 0,0003 +

+ ( 0,0004 +

). 13,8)—1 = 15,65 W/m2.K

Diện tích cần cho thiết bị trao đổi nhiệt là:
Q

A = K .#ttb

= 3386,6 m2

=

Kiểm tra lại các giả thuyết:
Nhóm em chọn thiết bị trao đổi nhiệt có 200 ống, với chiêu cao 10 ống và chiêu rộng
có 20 ống. Diện tch bê mặt của mỗi ống là: A0 = 3,14.

= 3,14. .

= 2,54.10-4 m2

Vậy tổng diện tch bê mặt của 200 ống là: Aot = 200.2,54.10-4 = 0,05 m2
Lưu lượng nước mình tnh tốn ở trên là m=91387 kg/h = 0,0254m3/s
Từ đó ta có vận tốc nước đi trong ống là: vnc = m/ Aot =

= 0,5 m/s

Từ đó ta thấy vận tốc nước đúng với giá trị mình giả thiết.
Kiểm tra vận tốc dịng khí so với giả thuyết
Lưu lượng khí ra khỏi máy nén là 330m3/h = 0,092m3/s
Với chiêu cao là 10 ống, chiêu rộng là 20 ống, với bươc ống lần lượt là 9mm và 8,5mm
ta tnh được diện tch bê mặt cắt ngang của thiết bị trao đổi nhiệt là:
Abm = 10.0,009.20.0,0085= 0,0153 m2
Từ đó ta tnh được vận tốc khí khi chuyển trong thiết bị trao đổi nhiệt là:
Vkhi = Q/A =

= 6,01m/s

23


Ta cũng có thể thấy giá trị vận tốc dịng khí của mình cũng đúng với giá trị mà mình
giả thiết.
Tính độ dài thiết bị trao đổi nhiệt:
Diện tch mình cần cho thiết bị trao đổi nhiệt của mình là 3386,6m 2. Diện tch bê mặt
ngoài của 1 ống trên 1m ống là 0,7805 m2/m
Từ đó ta tính được giá trị chiều dài của ống là:
L=

=

= 21,69m

24

2. Tính tốn đường ống

Tính Tốn Đường Ống
1. Đường kính trong đường ống
Đường kính trong của đường ống (Inner Dimeter) phụ thuộc vào vận tốc
của dịng khí đi trong ống. Giá trị vận tốc này thường không vượt quá 60-80 ft/s
(18 – 24 m/s) và cũng không được nhỏ hơn 10-15 ft/s (3 – 5 m/s). Lý do vận tốc
đi trong ống không được quá lớn vượt quá giá trị 60 – 80 ft/s là để đảm bảo vấn
đề tiếng ồn nhỏ nhất và khơng có q trình ăn mịn. Ngược lại vận tốc cũng
không được quá nhỏ để tối thiểu
Để đảm bảo quá trình vận hành bình thường ta chọn tốc độ của dịng khí
đạt trung bình 30 ft/s tương đương 9.14 m/s
Ta có mối quan hệ giữa vận tốc của dóng khí với đường ống như sau:
Ở đây:
Vg :vận tốc dịng khí, ft/sec
Qg: Lưu lượng thể tích dịng khí, ft3/s
T : Nhiệt độ dịng khí, oR
P: Áp suất dịng khí, psia
z: Hệ số nén của khí, (khơng đơn vị)
D: Đường kính của ống dẫn khí, ft
1.1. Tính tốn các giá trị đường kính tới hạn
- Từ mối quan hệ giữ vận tốc dịng khí và đường kính ống dẫn ta có cơng thức
tính đường kính

-

Các ký hiệu có ý nghĩa tương tự cơng thức (1)
• Các thơng số của dịng khí.
- Điều kiện vận hành của dịng khí sau khi qua máy nén
- Áp suất: P = 255 barg = 3698.46 psig = 3713.16 psia

- Nhiệt độ: T = 25oC = 536.69oR = 298K
- Lưu lượng dịng khí ra khỏi máy nén:
- Qg = 330 m3/h = 3.24 ft3/s
- Hệ số nén của dịng khí có giá trị: 0.937
• Đường kính trong của đường ống
- Với vận tốc của dịng khí (30 ft/s) ta có giá trị tương ứng của đường kính
trong.

-

Đường kính được làm chuẩn thành 300 mm (12 in)
25