truyền nhiệt 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 Dầu thô Điêzen Lưu lượng, kgh 35000 11000 Nhiệt độ đầu vào, oC 25 280 Nhiệt độ đầu ra, oC 150 Tỷ khối, 0,89 0,8 Độ nhớt động học, cSt 20 oC 40 oC 100 oC 200 oC 250 oC 300 oC 6,2 3,8 1,4 0,5 0,4 0,3 1,10 0,81 0,45 0,26 0,21 0,15

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:

Tỷ khối, 293

277

Độ nhớt động học, cSt

20 oC

40 oC

100 oC

200 oC

250 oC

300 oC

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

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

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

( T 11 T 12) 2( T 22 T 21)

G

Trong đó:

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]

11

T

H , H T 12là entanpy của chất tải nhiệt nóng ở nhiệt độ T 11 và T 12[kJ/kg]

21

T

H , H T 22là entanpy của chất tải nhiệt lạnh ở nhiệt độ T 21 và T 22[kJ/kg]

η là hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt (η = 0 , 95 ÷ 0 , 97)

Theo yêu cầu: G1 = 11000 kg/giờ G2 = 35000 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):

kg / kJ 69 , 690 kg / kcal 165

H

kg / kJ 88 , 334 kg / kcal 80

H

kg / kJ 23 , 50 kg / kcal 12

H

Từ số liệu trên, ta tính Q theo công thưc 1:

kW h

kJ

kW

Q= 1032 , 84

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

35000 5

,

Q

kg kJ

H T 156 , 46 /

22 =

Từ đó ta tìm được: T22 = 353 K hay 800C

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

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

K

Tmax = 553 − 353 = 200

∆

K 125 298 423

∆

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

min max

min max

min max

min max

tb

T

T lg 3 , 2

T T

T

T ln

t T

T

∆

−

∆

=

∆

∆

=

∆

Như vậy ta có:

K

T tb 159 , 75

125

200 lg 3 , 2

125

=

∆

K

T tb = 159 , 75

∆

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:

1 1

1

2 t

t

1 λ +α

δ + α

=

Khi ống không có gân, bề mặt ống bẩn:

[W/m K]

1 1

1

2 2

2 1

1 t

t

δ + λ

δ + λ

δ + α

=

Khi ống có gân, bề mặt ống sạch:

[W/m K]

F

F 1 1

1

2

1 ' 2 t

t

1 λ +α

δ + α

=

Khi ống có gân, bề mặt ống bẩn:

F

F 1 1

1

2

1 ' 2 2

2 1

1 t

t

δ + λ

δ + λ

δ + α

=

Trong công thức từ (3) đến (6):

k là hệ số truyền nhiệt [W / m 2 K]

1

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

2

α là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ đến chất tải nhiệt chảy giữa

2 ống [W / m 2 K]

2

1

t , δ , δ

δ lần lượt là chiều dày của ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong

và ngoài của ống nhỏ [m]

2

1

t , λ , λ

λ lần lượt là hệ số dẫn nhiệt ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt

trong và ngoài của ống nhỏ [W / mK]

2

1 , F

F lần lượt là diện tích toàn bộ bề mặt trong và bề mặt ngoài của ống nhỏ (có gân)

a) Tìm F1 và F2

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

K

t tb = 159 , 75

∆ , biết K = 300 W/m2K, ta tính được bề mặt trao đổi nhiệt theo công thức 7

tb

t

K

Q

F

∆

=

2

3

22 55 , 21 75 ,

159

.

300

10

.

84

,

1032

m

Trong thực tế, có các loại TB TĐN loại ống lồng ống có bề mặt trao đổi nhiệt

là 15 m2(TTP 7.1 ) ; 30 m2 (TTP 7.2) và loại 45 m2 (TTP 7.3 ) 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, có

2 ngăn,mỗi ngăn có 2 hành trình và mỗi hành trình gồm 7 ống với chiều dài mỗi làm việc mỗi ống l= 6.5 m ;nhiệt độ làm việc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối đa là 25 at

Vậy Với F=22m2, thì cần 1 thiết bị loại 30m2 là đủ

Khi đó, ta có: số ống N= 22.28/30 =20,53 ≈ 21 ống,

Suy ra số ống cho 1 hành trình Nl=21/4=5,25≈ 6 ống

Với ống không có gân F = F1 = 22 m2

Với ống có gân dọc F1 = 22 m2

1

2 F 4 , 3 22 94 , 6m

1

2 F 5 22 110m

b) Tính α 1: hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ đến bề mặt

trong của ống

Ta có thể sử dụng các công thức sau để tính α 1 nếu dòng chảy rối

25 , 0

1 ,

1 43 , 0 1 8 , 0 1

1

1

Pr

Pr Pr Re 021

,

0









=

t

d

λ

α

Hay:

45 , 0 t

t 4 , 0 1 8 , 0 1

1 1

d

D Pr Re d 027

,

0







 λ

=

α

Trong đó: λ 1: 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

1

Pr

Pr

1

,

1 =

Nhiệt độ trung bình phía Diesel: T tb 1

K T

T

2

423 553 2

12

11

Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình:

1

λ có thể tính theo công thức (10):

288

277

d

1346

,

=

277

288

277 =d − T −

d

804

,

0

1346

,

0

129 , 0

1 =

Tính chuẩn số Reynold (Re1):

1

Re được tính theo công thức:

1

t

1

1

d

Re

υ

ω

=

Với ω 1 là vận tốc diesel chảy trong ống, [m/s]

1

υ là độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình, [m2/s]

Vận tốc dòng diesel được tính:

1 1

tb

1

1

f

3600

G

ρ

=

ω

1

tb

ρ là khối lượng riêng của diesel ở nhiệt độ trung bình 488 K.

Biết 293

277

d = 0,8 Tính d d 293 0 , 000725(T 293)

277

488

(488 293) 0 , 659 000725

,

0

8

,

0

488

d

Coi tỷ khối bằng trọng lượng riêng nên: ρtb1 = 659 kg/m3

1

f là tiết diện cắt ngang của các ống trong 1 hành trình

Thiết bị có 2 ngăn, 34 ống, mỗi ngăn có 2 hành trình, mỗi hành trình có 6 ống (N1 = 6)

4

04 , 0 14 , 3 4

2 1

2

Do vậy:

615 , 0 007536 ,

0 659

.

3600

11000

615

,

0

1 =

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

Từ đồ thị hình 3, ta xác định độ nhớt động học ở 2150C: 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:

273 T

273 T

lg

n

lg

1

2

2

1

−

−

=

υ

υ

Biết T1, T2, υ 1, 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 υ2 = 0 , 21

273 373

273 523

lg

n

21

,

0

45

,

0

lg

−

−

Vậy ở nhiệt độ Ttb1= 488 K ta có:

273 373

273 488 lg 8317

,

0

45

,

0

lg

−

−

=

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

10000 56

, 102544 10

.

24

,

0

04 , 0

.

615

,

0

56 , 102544

Vậy dòng là dòng chảy rối

- Tính chuẩn số Prandt:

Chuẩn số Pr được xác định theo công thức:

Với: Clà nhiệt dung riêng, [J/kg.K]

804 , 0

1

0034 , 0 762 , 0

1

1 288

277

d

3103

,

3

Pr1 =

Tính α 1:

Áp dụng công thức 8, ta có:

17 , 1156 3103

, 3 56 , 102544 04

,

0

129

,

0

021

,

17 , 1156

1 = α

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 T tb 2

5 , 325 2

298 353 2

22

21

2 =T +T = + =

- Hệ số dẫn nhiệt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình T tb 2

288

277

d

1346

,

=

λ

3103 , 3 129

, 0

659 10 7 , 2 10 24 , 0

1

1

1

1

λ

ρ

λ

ρ

Pr = C

(1 0 , 00047 325 , 5) 0 , 128

894

,

0

1346

,

0

128 , 0

2 =

Trong đó: 293 0 , 000725(288 293) 0 , 89 0 , 000725(288 293)

277

288

d

894

,

0

288

277 =

- Tính tiêu chuẩn Reynold Re 2

2

Re được tính theo công thức 11

2

tb

2

2

D

Re

υ

ω

=

Với ω 2là vận tốc dòng dầu thô chảy trong tiết diện hình vành khăn giữa 2 ống, [m/s]

υ 2là độ nhớt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình [m2/s]

D tblà đường kính tương đương của hình vành khăn, [m]

+ Đường kính tương đương được xác định theo công thức:

031 , 0 048 , 0 079 , 0 d

D

+ Vận tốc dòng dầu thô

2 2 tb

2

2

f

3600

G

ρ

=

ω

Trong đó:

2

tb

ρ là khối lượng riêng của dầu thô ở nhiệt độ trung bình Ttb2

000725 ,

0

293

277

5

,

325

d

866

,

0

5

,

325

277 =

d

Coi tỷ trọng bằng khối lượng riêng nên ρtb2 = 866 kg/m3

2

f là tiết diện hình vành khăn, tính theo công thức:

4

14 , 3 6 4

2 2

2 2

2 =N D t −d n = − =

m2

Do vậy

603 , 0 0185 , 0 869

.

3600

35000

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

Từ hình 5, ta xác định được υ2 = 2 , 83 tại T= 325,5K

6

2 = 2 , 83 10−

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 υ2 = 1 , 4

273 313

273 373

lg

n

4

,

1

8

,

3

lg

−

−

Vậy ở nhiệt độ T tb2 = 325 , 5K ta có:

273 313

273 5 , 325 lg 08975

,

1

8

,

3

lg

−

−

=

Vậy:

6

2 = 2 , 83 10 −

+ Từ số liệu tính được, ta xác định được chuẩn số Reynold

3 , 6605 10

.

83

,

2

031 , 0

.

603

,

0

3

,

6605

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]

25 , 0 2 t

2 43 , 0 2 t

2

1

0

Pr Pr

D

k







 λ

ε

=

α

0

k là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold

1

ε là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold và tỷ số giữa chiều dài và đường kính

ống (l/d)

Với Re2 = 6605 , 3 thì k0 = 21 , 77[16 – 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:

2

2

2

2

2

C

Pr

λ

ρ

υ

=

Vì nhiệt dung riêng C1 được tính theo công thức:

4 89 , 0

1

0034 , 0 762 , 0

1

1 288

277

d

Do vậy:

84 , 37 128

, 0

866 10 976 , 1 10

.

83

,

2

84

,

37

Pr2 =

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

77 , 428 84

, 37 031 , 0

128 , 0

1

.

77

,

77

,

428

2 =

α

W/m2K

d) Tính α2': 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:











α

=

α

S

h 1

t

g

Với α glà hệ số cấp nhiệt khi ống có gân [W/m2K]

α tlà hệ số cấp nhiệt khi ống không có gân [W/m2K]

h là chiêu cao gân, [m] (h=0,013 m)

δlà chiều dày gân, [m] (δ=0,001 m)

Slà bước gân, [m]

βlà hệ số phụ thuộc vào tích số (m.h) với m được tính theo công thức:

t

t

.

2

m

λ

δ

α

=

Bước gân S được tính theo công thức:

n

d

Với ống có 20 gân, d = 0,048 m thì:

m 0075 , 0 20

048

,

0

.

14

,

3

Với ống có 24 gân, d = 0,048 m thì:

m 0063 , 0 24

048

,

0

.

14

,

3

Tìm β: αt = α2 = 428 , 77 W/m2K

δ=0,001 m

7

,

51

t =

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

325,5 K hoặc 52,50C bảng XII.7 Trang 313 Sổ tay T2)

Từ đó tính m:

79 , 128 7 , 51

.

001

,

0

77

,

428

.

2

=

=

m

Do vậy m.h = 1,674

Ống 20 gân:











=











=

0075 , 0

001 , 0 5568 , 0 013 , 0 2 1 77 , 428

2

1

2

S

hβ δ α

α

26

,

1199

'

2 =

α

W/m2K

Ống 24 gân:











=

0063 , 0

001 , 0 5568 , 0 013 , 0 2 1

77

,

428

'

2

α

98

,

1345

'

2 =

α

W/m2K

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:

α’

Theo các công thức (3) đến (6) ta tính được hệ số truyền nhiệt K ứng với các trường hợp cụ thể:

+ Khi ống không có gân, bề mặt sạch

1 1

1

2 t

t

1 λ +α

δ

+

α

=

=

 K=305,39 W/m2K

+ Khi ống không có gân, bề mặt bẩn

1 1

1

2 2

2 1

1 t

t

δ + λ

δ +

λ

δ

+

α

=

=

K=198,63 W/m2K

+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống sạch:

[W/m K]

F

F 1 1

1

2

1 ' 2 t

t

1 λ +α

δ

+

α

=

ống 20 gân: K=

 K = 880,12 W/m2K

ống 24 gân: K=

K=916,69 W/m2K

+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống bẩn:

F

F 1 1

1

2

1 ' 2 2

2 1

1 t

t

δ + λ

δ +

λ

δ

+

α

=

ống 20 gân: K=

K=345,28 W/m2K

ống 24 gân: K=

K=350,76 W/m2K

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/(K.∆ttb)

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

F’=Q/(k.∆ttb)=1032,84.103/(198,63.159,75)=32,55 m2

b, Khi ống có gân, bề mặt ống bị bẩn

- ống có 20 gân

F’= 1032,84.103/(345,28.159,75) =18,72 m2

- ống có 24 gân

F’=1032,84.103/(350,76.159,75) =18,43m2

4.2.5 Chọn thiết bị trao đổi nhiệt

a, Khi ống không có gân

Bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là F’ = 32,55 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’/F =32,55/30=1,085

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 18,72 m2

Z’=18,72/30 =0,624

Ta sẽ sử dụng 1 thiết bị trao đổi nhiệt là đủ

- ống có 24 gân: bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là 18,43 m2

Z’= 18,43/30 =0,614

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