CẤU TẠO – NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA THIẾT BỊ ỐNG CHÙM; CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH, VÍ DỤ MINH HỌA

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm có cấu tạo như hình trên. Thiết bị gồm thân hình trụ (1), hai đầu có hai vỉ ống (6,7), các ống truyền nhiệt (5) được ghép chắc chắn kín vào vỉ ống (6,7). Đáy thiết bị (3) được nối với vỏ (1) bằng mặt bích có bu lông ghép chắc. Trên vỏ có bọc một lớp chất cách nhiệt bằng amiăng hoặc bông thủy tinh, nắp và đáy có nối ống để dẫn chất tải nhiệt. Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn, trong trường hợp ống truyền nhiệt và vỉ ống cùng loại vật liệu thì mối ghép giữa ống và vỉ ống bằng phương pháp hàn, trường hợp ống truyền nhiệt và vỉ ống khác loại vật liệu chế tạo thì mối ghép giữa ống và vỉ ống bằng phương nong ống. Cách bố trí ống

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

SỐ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH,

VÍ DỤ MINH HỌA

4 Huỳnh Ngọc Trọng 2005140677

Thành phố Hồ Chí Minh – 2017

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

CẤU TẠO – NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA THIẾT BỊ ỐNG CHÙM; CÁC THÔNG

SỐ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH,

VÍ DỤ MINH HỌA

4 Huỳnh Ngọc Trọng 2005140677

Thành phố Hồ Chí Minh – 2017

MỤC LỤC

I Thiết bị ống chùm 1 pass 4

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 4

a Cấu tạo 4

b Nguyên lý hoạt động 5

2 Ưu điểm - nhược điểm - Ứng dụng 6

a Ưu điểm 6

b Nhược điểm 6

c Ứng dụng 6

II Thiết bị ống chùm 2 pass 7

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 7

a Cấu tạo 7

b Nguyên lý hoạt động 7

2 Ưu điểm – nhược điểm - Ứng dụng 7

a Ưu điểm 7

b Nhược điểm 8

c Ứng dụng 8

III Các thông số cơ bản của quá trình và ví dụ minh họa 8

1 Các thông số cơ bản của quá trình 8

2 Ví dụ minh họa 8

I Thiết bị ống chùm 1 pass

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

a Cấu tạo

Chú thích 1- Thân thiết bị

chất đi ngoài ống

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm có cấu tạo như hình trên Thiết bị gồm thân hình trụ (1), hai đầu có hai vỉ ống (6,7), các ống truyền nhiệt (5) được ghép chắc chắn kín vào vỉ ống (6,7) Đáy thiết bị (3) được nối với vỏ (1) bằng mặt bích có bu lông ghép chắc Trên vỏ có bọc một lớp chất cách nhiệt bằng amiăng hoặc bông thủy tinh, nắp và đáy có nối ống để dẫn chất tải nhiệt Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn, trong trường hợp ống truyền nhiệt và vỉ ống cùng loại vật liệu thì mối ghép giữa ống và vỉ ống bằng phương pháp hàn, trường hợp ống truyền nhiệt và vỉ ống khác loại vật liệu chế tạo thì mối ghép giữa ống và vỉ ống bằng phương nong ống Cách bố trí ống

Hình 1: Thiết bị ống chùm 1 pass

trên vỉ có thể bố trí theo hình lục giác đều hoặc hình tròn đồng tâm hoặc theo thẳng hàng

Chất tải nhiệt II đi vào đáy dưới qua các ống từ dưới lên trên và ra khỏi thiết bị, còn chất tải nhiệt I đi từ cửa trên của vỏ vào khoảng không giữa ống và

vỏ rồi ra phía dưới ra ngoài

Thiết bị này có thể tiến hành đun nóng, làm nguội hoặc ngưng tụ và được dùng phổ biến trong công nghiệp hoá chất, thực phẩm.

 Các ống trao đổi nhiệt bên trong có thể bố trí theo hình lục giác đều, hình tròn đồng tâm, hình vuông.

Một môi chất cho đi trong các ống nhỏ, môi chất khác đi trong không gian giữa các ống và chuyển động dọc theo các ống nếu không có tấm chắn.

Nếu có tấm chắn sẽ chuyển động cắt ngang và dọc theo các ống để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt.

Với dòng môi chất đi trong ống, khi gọi quãng đường đi của môi chất từ đầu này đến đầu kia của thiết bị là hành trình thì thiết bị có thể có 1 hành trình,

2 hoặc 4,6,8, hành trình Số hành trình tăng sẽ làm tăng tốc độ của dòng môi chất chảy trong ống khi lưu lượng không đổi.

Vị trí đặt thiết bị có thể nằm ngang (vững chắc nhưng chiếm nhiều không gian) hoặc thẳng đứng(kém bền vững nhưng chiếm ít không gian) Khi đặt thiết

bị nằm ngang, chất lỏng chiếm đầy ống và chuyển động bên trong ống Khi thiết bị đặt thẳng đứng, chất lỏng không chiếm đầy ống mà được phân bố tạo ra lớp màng mỏng xung quanh bề mặt trong của ống và chảy từ trên xuống.

2 Ưu điểm - nhược điểm - Ứng dụng

- Làm bình ngưng tụ và hơi môi chất.

- Làm bình bốc hơi cho máy lạnh.

- Làm bình quá lạnh.

II Thiết bị ống chùm 2 pass

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

a Cấu tạo

- Có vỏ hình trụ, bên trong có lắp các ống trao đổi nhiệt.

- Trên vỏ và nắp thiết bị có các cửa để dẫn chất tải nhiệt ra và vào.

- Các ống trao đổi nhiệt bên trong có thể bố trí theo hình lục giác đều, hình

tròn đồng tâm hoặc hình vuông.

- Các yếu tố quyết định được xem như là mô hình bố trí ống, số lần đi qua

ống, khoảng cách vách ngăn, cắt vách ngăn, đường viền đường kính đến vách ngăn, độ dài đường kính ống, và độ dày lớp ống.

- Bộ trao đổi vỏ và ống bao gồm ống, vách ngăn, vỏ, đầu trước, đầu phía

sau, ống và vòi phun.

b Nguyên

lý hoạt động

- Hai môi chất trao đổi nhiệt với nhau thông qua vách ống Môi chất lỏng

thường đi trong ống, môi chất khí và hơi đi ngoài ống.

- Môi chất nóng cũng thường được bố trí đi trong ống.

Hình 4: Thiết bị ống chùm

2 pass

2 Ưu điểm – nhược điểm - Ứng dụng

- Các mặt bích phải có đệm bít kín mới không bị rò rỉ.

- Khó thay thế các ống khi bị ăn mòn.

20 60

đ c

t t

 Tính nhiệt lượng trao đổi Q

Q = G.C p (t c – t đ )

Trong đó: G - lưu lượng hỗn hợp ban đầu, G = 1,5 kg/s;

Cp - nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại t2tb = 35 oC Với Cp = 928,675 J/kg.độ

Vậy : Q = 1,5 928,675 (60 – 20) = 55720,5 (W)

 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể

Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức:

4 1

1

2,04 .

.

r A

t H

 



, W/m2.độ Trong đó: r - Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa, J/kg;

∆t1 - Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thànhống truyền nhiệt, oC;

H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = 1,5 m;

A - hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng

 Ứng với thđ = 112,7 oC nội suy, ta có:

r = 2226,98.103 J/kg

 Tính lần 1: giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 2 o C.

a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:

 Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 2 oC

→ tt1= t1tb- ∆t1= 112,7- 2= 110,7 (oC) Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:

2226,98.10 2,04.184, 265.

  

Suy ra:

0,25 0,8 0,43

1 2

Pr 0,021 .Re Pr

1,5

50 0,03

Trong đó: ρ - khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3;

M - khối lượng phân tử của hỗn hợp, kg/kmol;

Trong đó: tt2 - nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp, oC;

∑rt - nhiệt trở ở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC /W

δ - bề dày của ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = 2 mm = 0,002 m;

λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m.độ; với thép CT3 ta có

→ q2 = α2.∆t2 = 302,69 38,913

q2 = 11778,594 (W/m2)

Ở đây ta thấy rằng nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ q1= 22067,43 W/m2khác rất xa với nhiệt tải riêng về phía hỗn hợp chảy xoáy q2= 11778,594 W/m2 Màbài toán ta đang xét là truyền nhiệt ổn định nên q1= q2= qtb, do vậy, để tìm giá trị qtb taphải tính lặp

 Tính lần2: Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 0,8 o C

a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:

 Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 0,8 oC

→ tt1= t1tb- ∆t1= 112,7- 0,8= 111,9(oC)Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:

Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:

∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt

Ta có ∑rt = 1,667.10-3 (m2.độ/W)

Do đó: ∆tt = q1.∑rt= 11115,5939 1,667.10-3 = 18,53 (oC) → tt2 = tt1 – ∆tt = (112,7 – 0,8) – 18,53 = 93,37 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb = 93,37- 35 = 58,37 (oC)

Tại tt2 = 93,37 oC nội suy ta có:

Pr0,021 .Re Pr

0,8 1,0 1,1 1,2 2,0

 Tính lần 3: Chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa tính theo đồ thị

trên là 1,23 o C.

a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:

Dựa vào đồ thị ta suy ra được ∆t1 = 1,23 oC vậy ta có:

1

2226,98.10 2,04.184, 438.

1, 23.1,5

 

α1 =12471,267 (W/m2.độ)

b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α 2

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q q q

F n

 Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 7 ( ống ).

 Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân là: 37( ống )

 Đường kính trong thiết bị đun nóng

D = t.( b – 1 ) + 4.dn, m

Trong đó : t – bước ống, thường lấy t = 1,2 – 1,5 dn ;

dn – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m;

b – số ống trên đường xuyên tâm sáu cạnh

Vậy: D = 1,4.0,034.(7 – 1 ) + 4.0,032

D = 0,414 (m)

Làm tròn: D = 0,4 m = 400 mm

 Tính chiều cao của thiết bị

Với D = 400 mm,chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta chọn:Chiều cao của lắp thiết bị: hl = ht + h

Trong đó dựa bảng số liệu ta có: ht = 100 mm

d = 0,03 m

ρ = 826,015 kg/m3

1,5.4 3,14.0,03 1434, 01.37



m = 3,95 ( ngăn )

Quy chuẩn m = 4 ( ngăn )

 Tính lại chuẩn số Reynolds:

4 3

1

37 3,14.0,03. .0,6467.10

D = 400 (mm) – đường kính của thiết bị;

H = 1750 ( mm ) – chiều cao giữa hai mặt bích

D = 0,025 ( kg ) – lượng hơi bão hòa cấp cho quá trình