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

4.2- Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ốngĐề 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 b

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:

1,100,810,450,260,210,15

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

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 , 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= 15000 kg/giờ G2 = 40000 kg/giờ

H

HT11 = 553≈ =

kg / kJ 88 , 334 kg / kcal 80

H

HT 423

kg / kJ 23 , 50 kg / kcal 12

/ kJ 5

,

5070292

kW 4 , 1408

Q =

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

(H 50 , 23).

40000 5

,

5070292

kg / kJ 177 99

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.

F

t

4

2 3

Tmin = − =

∆

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

Ttb =

∆

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:

[W/m K]1

1

1

2 t

t

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

1

2

1 ' 2 t

t

δ + α

=

Khi ống có gân, bề mặt ống bẩn:

[W/m K]F

F 1 1

1

2

1 ' 2 2

2 1

1 t

t

δ + λ

δ + λ

δ + α

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 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

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

t

t 4 , 0 1 8 , 0 1

1 1

d

D Pr Re d 027

=

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

423 553 2

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

, 0

f 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).

( ) 7 0,0088

4

04 , 0 14 , 3 N

4

d

f

2 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

Hình 3: Đồ thị xác định độ nhớt diesel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

273 T

273 523

273 488 lg 8317

, 118833 10

33 ,

, 0

664 10 69 , 2 10 24 , 0 Pr

3 6

1 T

0034 , 0 762 ,

, 3 33 , 118833 04

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 , 328 2

298 359 2

126 , 0

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

Dtb = t− n = − = m

+ Vận tốc dòng dầu thô

2 2 tb

2

2

f

0 d

2 2

2 2

Do vậy

58 , 0 022 , 0 871

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

0 1 2 3 4 5 6 7

273 373

273 373 lg 08975

25 , 0

2 t

2 43 , 0 2 t

1 T

0034 , 0 762 , 0

, 0

871 10 98 , 1 10

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:

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)

422

.

2

001 , 0 57 , 0 013 , 0 2 1 43 , 422 S

h 1

001 , 0 57 , 0 013 , 0 2 1

( ) ( ) {

t

t

2 1

2 2

2 1

2 2

2

1

2 2

2 2

2

2 1

2 2

2 1

2 2

2

2 1

+ Khi ống không có gân, bề mặt sạch

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):

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

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:

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

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

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 tháp 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):

Qui trình tính:

Phương pháp chung để tính một thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp.

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

hoặc nối tiếp cần thiết

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:

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

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 =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

• Nồng độ phần mol của các cấu tử trong hơi đi ra khỏi nồi tái đun y phải thỏa mãn các phương trình:

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:

Bảng 2: Nồng độ phần mol và khối lượng các cấu tử trong A, R và V

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)

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

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

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

Do vậy, ta có thể thay việc tính hằng số nhiệt độ trung bình bằng việc tính chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước bão hòa với nhiệt độ vào và ra của chất tải nhiệt lạnh (chất lỏng cần đun bay hơi)

Theo yêu cầu, hỗn hợp chất lỏng A cần gia nhiệt từ nhiệt độ T = 365K đến T =370K

Theo bảng tính chất của hơi nước bão hòa ( trang 375_sổ tay …Tập 1) phụ thuộc nhiệt độ:

• Nếu hơi nước bão hòa có áp suất P=6.34at sẽ có nhiệt độ là T =433K và nhiệt ngưng tụ là 2086.72 KJ/Kg=r

• Nếu hơi nước bão hòa có áp suất P=8.08at sẽ có nhiệt độ là T =443K và nhiệt ngưng tụ là 2053.665 KJ/Kg=r

Nếu ta chọn hơi nước bão hòa có áp suất P=8.08at, nhiệt độ T =443K, nhiệt ngưng tụ là 2053.65KJ/Kg làm chất tải nhiệt nóng thì chênh lệch nhiệt

độ giữa hỗn hợp A với hơi nước bão hòa có giá trị là:

∆T =443-365=78K

∆T =443-370=73K

Vì = =1.068 < 2 nên ∆T được tính như sau:

∆T = =75.5K

Tuy nhiên khi tính toán ta có thể coi ∆T=∆T

Đồng thời với việc lựa chọn điều kiện của hơi nước bão hòa ta đã quyết định lượng hơi nước bão hòa cần thiết sử dụng (G ).G được tính theo công thức:

G = =4967.3 Kg/Giờ

4.3.3- Xác định hệ số truyền nhiệt K (kJ/m giờ.K, kJ/m giờ.C hay w/m.K)

Nồi tái đun được coi là thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm, vỏ bọc, có không gian bay hơi

Trong trường hợi này, hơi nước bão hòa ở 443K đi trong các ống trao đổi nhiệt còn hỗn hợp A đi bên ngoài các ống trao đổi nhiệt hay đi trong không gian giữa các ống trao đổi nhiệt và vỏ thiết bị:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:

K= (6)

Ở đây , α là hệ số cấp nhiệt phía đun hồi lưu (hỗn hợp A), thực chất α là

hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài ống trao đổi nhiệt đến hỗn hợp A [w/m K]

α là hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (hơi nước bão hòa

G ) thực chất α là hệ số cấp nhiệt từ hơi nước bão hòa đến bề mặt trong của ống trao đổi nhiệt [w/m K]

là nhiệt trở của thành ống trao đổi nhiệt (ống sạch), δ và λ lần lượt là chiều dày ống và độ dẫn nhiệt của ống trao đổi nhiệt

và là nhiệt trở của hai lớp bẩn bám trên 2 bề mặt ống trao đổi nhiệt (mặt trong (phía hơi nước bão hòa) và mặt ngoài (phía hỗn hợp A) của ống trao đổi nhiệt)

δ , λ lần lượt là chiều dày và độ dẫn nhiệt của lớp bẩn bám ở mặt trong ống trao đổi nhiệt

δ , λ lần lượt là chiều dày và độ dẫn nhiệt của lớp bẩn bám ở mặt ngoài ống trao đổi nhiệt

=0.0002 (m K/w); =0.0006 (m K/w) (cho trước)

(có thể chọn =0.0005 (m K/w))

δ =0.0025(m)(chọn); λ =33.53 (w/m.K)(đồng thau),

λ =49.13(w/m.K)(thép các bon) , …ở 170 C

Như vậy, ta cần phải tính α , α

a Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp đun hồi lưu (hỗn hợp A): α

Hỗn hợp hidrocacbon Atrong nồi tái đun được coi là hỗn hợp sôi.Khi sôi sủi bọt trong thể tích lớn ở điều kiện đối lưu tự nhiên, đối với chất lỏng thấm ướt bề mặt đun nóng và áp suất nhỏ hơn áp suất tới hạn thì hệ số cấp nhiệtα được tính theo công thức:

α =7.77*10 *( ) *( ) *( )(tr25.SổtayT2)(7)

Ở đây:

λ là hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng R [w/m.K]

µ là độ nhớt động lực [N.s/m ]

ρ , ρ là khối lượng riêng của lỏng R và hơi V.[Kg/m ]

r là nhiệt hóa hơi[J/Kg]

T là nhiệt độ bão hòa[K], (T là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ sau khi đun T=370K)

C là nhiệt dung riêng của lỏng R[J/Kg.K]

σ là sức căng bề mặt lỏng hơi [N/m]

q là nhiệt tải riêng [w/m ]

Các thông số vật lí lấy ở nhiệt độ bão hòa T, nghĩa là ở nhiệt độ tạo thành hơi, xác định từ áp suất chung trên chất lỏng (coi T=370K)

Cường độ cấp nhiệt thực tế không phụ thuộc vào chiều cao của lớp chất lỏng trên bề mặt trao đổi nhiệt

Khối lượng riêng pha hơi được tính theo phương trình Clapeyron):

mendeleep-ρ = ρ * * (8)

Ở đây:

ρ là khối lượng riêng ở điều kiện chuẩn [kg/m ]

T là nhiệt độ sau khi đun [T=370K]

P là áp suất hỗn hợp A[P=16.5at=16.5*10 Pa]

P là áp suât chuẩn [ P=98.1*10 Pa]

T là nhiệt độ chuẩn [T =273K]

 Tính ρ:

ρ được tính theo công thức:

ρ = , với M là phân tử lượng hỗn hợp hơi

M= y M =0.039*44+0.9504*58+0.0092*72=57.5

Do vậy, ρ = =2.567[kg/m ]

 Tính ρ:

ρ =2.567* * =31.85 [kg/m ]

• Tính khối lượng riêng của lỏng (ρ )

Khối lượng riêng lỏng được tính như sau:

Trước tiên, ta tính được tỉ khối ρ theo công thức:

ρ = ρ - 0.000725(T-293) (10)

 ρ =0.58 - 0.000725(370-293)

 ρ =0.524 Tương tự, ta cũng tính được ρ =0.583

Coi tỉ khối bằng khối lượng riêng nên ta có:

ρ =524 kg/m

• Tính nhiệt hóa hơi ( r)

Nhiệt hóa hơi r có thể tính theo công thức:

r = (11)

Ở đây,

M là phân tử lượng A

M là phân tử lượng cấu tử i

H , H là entanpy của cầu tử i ở trạng thái hơi và lỏng ở nhiệt độ T

M là phân tử lượng lỏng R[M =58]

ρ là khối lượng riêng lỏng R[kg/m ], [ ρ =524 kg/m ]

T là nhiệt độ sau khi đun[K], [T =370K]

T là nhiệt độ tới hạn của R[K], [cần tính]

δ là hằng số δ =7k

Nhiệt độ tới hạn của lỏng R được xác định theo công thức:

T = x T

Với,

x là nồng độ phần mol của cấu tử i trong R

T là nhiệt độ tới hạn của cấu tử i

Với T =369.82K;T =425.16K;T =469.65K (tra từ bảng thong số tới hạn của các cấu tử C H ;C H ;C H )