Chuong 2 THIẾT BỊ TRAO đổi NHIỆT TÍNH TOÁN TBTĐN PHẦN 2

Xác định lượng nước ngưng tụ tạo thành trong l ngày đêm, trong ống dẫn không bọc lớp cách nhiệt.. Hỏi lượng nhiệt tổn thất sẽ giảm đi bao nhiêu phần trăm nếu ống dẫn hơi của bài tập trên

Trên thành thắng đứng của thiết bị cô đặc được bọc một lớp cách nhiệt dày 45 mm (A = 0,1 kcal/ mh°C) Nhiệt độ sôi của dung dịch 120”, nhiệt độ không khí trong phòng 20” Xác định nhiệt tổn thất bằng bức xạ và đối lưu qua 1m? trong 1 h, ta lay nhiét

độ bè mặt tường tiếp xúc với dung dịch sôi, bằng nhiệt độ sôi của dung dịch

Người ta cho hơi nước bão hòa dưới áp suất 4 ata đi vào ống dẫn hơi nằm ngang đường kính ð1 x 2,5 mm, dài 50 m Xác định lượng nước ngưng tụ tạo thành trong l ngày đêm, trong ống dẫn không bọc lớp cách nhiệt Nhiệt độ không khí trong xưởng 15°C? Hỏi lượng nhiệt tổn thất sẽ giảm đi bao nhiêu phần trăm nếu ống dẫn hơi của bài tập trên được bọc một lớp chất cách nhiệt dày 40 mm, độ dẫn nhiệt của vật liệu cách © nhiệt là 0,08 kcal/h°C

Một thiết bị có 1 lớp gạch sa-mốt ngăn cách dày 125 mm ñamtidse 0,5 kcal / mh°C),

kế đó là lớp amiăng ngăn cách (2 = 0,1 kcal/mh°C) Nhiệt độ của bề mặt ngoài thiết

bi 500° Tìm chiều dày cần thiết của lớp amiăng ngăn cách để cho nhiệt độ mặt ngoài của nó không quá 50°, khi nhiệt độ của không khí trong xưởng 25” (xét cho trường hợp thành thiết bị dạng phẳng: và dạng ống)

NHỮNG VÍ DỤ TÍNH TOÁN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Ví dụ I: Tính lượng phụ tải nhiệt riêng qg truyền đi trong thiết bị trao đổi nhiệt vỏ-ống 1-1 để làm lạnh G, = 5 tấn/h ête-êtylic từ tạ = 30” dén t, = 5° Etylic được làm lạnh bằng nước muối từ hệ thống thiết bị làm lạnh đi vào có nhiệt độ t = (= 17)° Nước muối chứa 20% clorua natri Theo sơ đồ kỹ thuật thì ête và nước muối được dùng bơm đẩy đi

Giải:

I- Điều kiện nhiệt độ của quá trình:

- Chon sơ đồ ngược chiều

- Chọn nhiệt độ ban cuối của muối t, = 9° Hiệu số nhiệt độ trung bình khi ngược chiều:

Trong đó: c, = 0,514 keal/ kg”C - nhiệt dung riêng trung bình của ête

- Lưu lượng nuóc muối cần thiết:

Cmuø; = Cmustt’s — t’a)’ 0,813{9 — (— 17)] 9 = C4000 = 3000 kg/h

Trong đó: cmuøi¡ = 0,813 kcal/kg°C - nhiệt dung riêng trung bình của dung dich clonff

Trong đó “#muøi = 3,23 cp - độ nhớt của nước muối

Đến đây ta thấy có thể có 2 phương án chọn kết cấu thiết bị như sau:

thường dùng ống trong d38 x 2" "ống ngoài d76 x 3` Như vậy ta phải chọn loại chuẩn này Tuy nhiên như vậy ta sé cé sé Re < 104

Ta thử tính tiếp cho trường hợp này (cho nước muối đi trong ống nhỏ, còn ête đi ở không gian giữa 2 ống)

4- Xác định hệ số cấp nhiệt từ ête đến thành ống (ête đi ngoài ống)

Tiết diện sống (thực) của đòng:

S = 0,78%D” — đ) = 0,785(0,072 — 0,038”) = 0,00271 m2

Tốc độ ôte:

Gee _— - 5000

3609S 3600 716 0,00271

Trong đó ø = 716kg/m* - khối lượng riêng của ête-êtylic

Đường kính tương đương đối với khoảng giữa hai ống:

Chuẩn số Pr đối với ête ở tạ = 17,5°

Trong đó: ø = 1150 kg/ mỀ - khối lượng riêng của dung dịch clorua natri 20%

- Chuẩn số Re đối với nước muối ở t„us¡= (— 4)”:

Re - 232 _ 0,795 0,031 9810

kg 3,23 9,81 Chuẩn số Pr đối với nước muối ở t„uz;¡= (— 4)”:

= 9600 < 10°

Pr = 3600 _ 3600 0,813 3,23 9,81 _ 99 7

A 0,456 9810

Trong đó: Â = 0,456 kcal/rmh°C - độ dẫn nhiệt của dung dich clorua natri 20%,

Tra theo phụ lục khi Re = 9600, ta có:

Ở đây: ó„ - chỉầu dày thành ống, bằng 0,002 m;

Ay - 46 dan nhiệt của thép, bằng 40 kcal/mh°C;

Tcáu, ~ nhiệt trở của lớp cáu ở phía ête;

Feáu, ~ nhiệt trở của lớp cáu ở phía muối;

Nhưng khi hiệu số nhiệt độ trung bình không lớn lắm thì ảnh hưởng của tỷ số 0,25

eI cũng không lớn

Pr,,

Trong trường hợp đã cho dé việc tính toán được đây đủ và tổng quát hơn ta tính cho

162.

& một loạt như sau:

Pr, được thuận tiện, ta lập bảng 3-8 Khi tính lần thứ nhất ta tìm được trị số của nhiệt tải riêng q và đại lượng e,

Hiệu số nhiệt độ giứa ête và thành ống, lúc này sẽ bằng:

Do đó, nhiệt độ bề mặt ống tiếp xúc với ête:

 = 0,117 kcal/mh?°C - độ dẫn nhiệt của ête;

Đối với ête:

0,25 0,35

- Tiếp tục tính toán, được số liệu trong bang 3-8

Đối với nước muối khi to = 2,6”:

Ở đây: c = 0,815 kcal/kg°C - nhiệt dung của dung dịch clorua natri 20%;

un= 2,43 10 ' kg.s / m” - độ nhớt của nước muối;

A = 0,476 kcal / mh°C - độ dẫn nhiệt của nước muối;

tỷ số này là:

10450 — 10200 100 = 2,5%

10450 Sai số tìm được này nằm trong giới hạn tính toán kỹ thuật thông thường

8 Bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết:

Thiết bị làm lạnh “ống trong ống” gồm có 14 dãy, mỗi dảy dai 5 m

Ví dụ II: Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ ống 1-1 để làm lạnh 350m Ì/h khí nhiệt phan tử 30 đến 0°

Thành phân khí nhiệt phân:

Áp suất của khí nhiệt phân 6 ata Chất làm lạnh cúng là khí đó ở áp suất đó, nhưng

có nhiệt độ biến thiên từ (— 30)°C đến (+ 20)°C

Giải:

1 Điều kiện nhiệt độ của quá trình:

Sơ đồ nhiệt độ đối với trường hợp ngược chiều:

2 Nhiét tdi riéng:

Tính lượng nhiệt thoát ra khi làm lạnh khí nhiệt phân từ 30° đến O°C theo từng cấu

tử Khối lượng riêng của khí trong điều kiện tiêu chuẩn (ở 0°C và 760 mmHg), lấy theo bảng 4, có:

- Lưu lượng khí là G:

Hy: 81,5 0,00898 = 7,3 kg/h CHạ: 150,4 0,717 = 108, 0 kg/h CgHiy: 89 1,26 = 112,0 kg/h

- Làm lạnh hydrô:

qH, = GH.C: +, a — tv) = 7,3 3,4(30 — O0) = 746kcal/h

Trong đó: Gy, - lượng hydrô bằng 7,3 kgih;

CoH, - nhiệt dung riêng của hydrô 6 15°, 3,4kcal/ kg°C;

c+ a - nhiệt đệ ban đâu của hỗn hợp, 30°; «

t - nhiét dé ban cuéi cia hén hap, 0°;

- Lam lanh métan: oe -

Ở đây, nhiệt dung của prô-py-len là:

cp = 15,5 — (16,42 — 15,55) — = 15,2 kcal/kg phan ti °C

= 15:2 — 0,361kcal / kg°C

42,1 Tổng số nhiệt lượng truyền đi trong thiết bị trao đổi nhiệt là:

fy = 106, đối với êtylen #3 = 99, đối với prô-py-len “4 =

87, đối với mêtan

T.T Chất Phântử | Nhiệt độ | Hệ số độ nhớt „, 10% | Hệ số dẫn | Số moi N, | Tỉ lệ phần

lượng M, tới hạn (cp) nhiệt, 4; mol, x;

P(p,T) = Po š = 4,9 kg/m 7

4 Xác định hệ số cấp nhiệt bên trong ống:

Cho khí lạnh đi trong ống với lưu lượng là 282,8 Kg và khí nóng đi ngoài ống; để tăng h

độ truyền nhiệt bên ngoài ống người ta làm thêm nhứng tấm ngăn

Giả thiết là bên trong ống đạt tới trị số Re = 30.000

Ở đây: 5p - diện tích tiết diện ngang của ống, mĩ

5- Xdc dinh hé sé cap nhiệt cho bên ngoài ống | |

Chọn thiết bị truyền nhiệt có tấm chắn bên dit ded da | ngoài ống Khoảng cách giữa các tấm chắn là | | | | |

ngang qua 2 tấm chắn kề nhau, tính theo đường

- Téc d6 cia khi di ngoài ống, tính theo ở 2 “ Wa ⁄⁄ Nư/ Na

Trong đó: ðz„„ - chiều dày thành ống, bằng 0,002 m;

Âøng - độ dẫn nhiệt của thép, bằng 40 kcal/mh°C;

Fcáu - nhiệt cản ca hai bên thành ông;

170

= 2000 (phụ lục)

Tráu

7- Bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết là:

(hệ số dự trứ Ø = 1,28)

Chọn 2 thiết bị trao đổi nhiệt mỗi cái 4 m”, bố tri làm việc nối tiếp nhau

-Ổ Đặc tính của thiết bị trao đổi nhiệt: bè mặt trao đổi nhiệt 4 m^, đường kính vỏ thit

bị là 200 mm, chiều dài ống là 4 m, đường kính ống 25 mm, bước ống 35 mm, điều kiện

áp suất 6 kg/cm”, Tổng số bè mặt cần thiết là 8 m”

Ví du III: Can làm lạnh 1240 mỶ/h khí nitơ (tính theo điều kiện tiêu chuẩn) áp suất

fa 0,5 ati, lam lạnh từ 76° đến 31° Nước làm

lạnh có nhiệt độ là 16” Xác định kích thước

chủ yếu của thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ ống

Giải

Khi tính toán cần chú ý đến phương pháp

làm sạch thiết bị trao đổi nhiệt bởi vì trên bè

mặt ống về phía nước được đun nóng có thể

bị đóng cáu mà lớp cáu này làm giảm hệ số 2800

truyền nhiệt rất nhiều Vì nguyên nhân đó mà VAN *

trong thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ ống thì

cần phải cho nước vào bên trong ống để dễ

dàng rửa sạch, còn bên ngoài ống thực tế thì

rất khó làm sạch

Hệ số truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi #200

nhiệt giữa khí và lỏng chủ yếu là phụ thuộc

vào trị số của hệ số cấp nhiệt đối với khí Để ll

tăng cường quá trình cấp nhiệt về phía khí thì 1 28 29 20 32 2»

ngoài ống Trong phép tính này có thé thực

hiện được như là đối với trường hợp chảy

ngang ống khi góc tới 90° thì thêm vào hệ số bab ke Coho at ee TET)

l- Diéu kién nhiét d6 cia qua trình:

Giả thiết là nước trong thiết bị trao đổi nhiệt được dun nóng đến 26” Sơ đồ nhiệt độ

50 — 15

Hiéu sé nhiệt độ trung bình là: Attp = = 29,0°C

50 Ln—

15

Nhiệt độ trung bình của nước là: tyz,9 = 20+ 18 = 21°

2 Nhiệt độ trung bình của nito la: tn, = 21 + 29,5 = 50,5"

0,25 - nhiệt dung riêng của khi nite, keal/kg °C;

3- Lưu lượng nước:

4- Xác định sơ bộ bề mặt trao đổi nhiệt:

Theo bảng 3-4 đối với không khí đi ngang ống, ta chọn hệ số cấp nhiệt là 1Í

kcal/m”h°C

Hệ số truyền nhiệt K lấy bằng = 60 kcal/ m°h*C

Vậy, bề mặt trao đổi nhiệt là:

„+ Q = 17 437 _ 19,2

Dùng loại ống d25 x 2 mm, t = 0,035 m, dai 4 m

Vậy số ống n = = 10 = 32 Sng Ta chon thiét bj trao déi nhiét vd-dng

nHdL 3,14.0,025.4 với đường kính vỏ thiết bị là 300 mm va số ống n = 32 Đường kính ống là d = 25 x 2 mm đài L = 4 m (Thực tế thiết bị này có thể bố trí được 37 ống) Nước đi trong ống, khí Nụ

đi ngoài ống

3- Xác định nhiệt trở của thành thép và lớp cáu

Ta lấy độ dẫn nhiệt của lớp cáu về phía nước và phía nitZ là bằng nhau và lấy trung

6- Xác định hệ số cấp nhiệt của nitơ khi chảy ngang vuông góc với ống

Ta sơ bộ xác định vị trí của các ống xếp ở đỉnh A đều, bố trí cửa vào của nitơ và vị

trí của các tấm chắn, khoảng cách giữa các tấm chắn là l = 200 mm Ta bố trí số ống qua

tâm dọc đường kính theo đường đi của khí n` = 7 ống

‹ Diện tích mặt cắt ngang giữa 2 tấm chắn tính theo đường kính thiết bị là:

7- Xác định hệ số cấp nhiệt đối với nước:

Xác định tốc độ nước chảy trong ống:

d = 0,021 m - đường kính trong của ống

- Chuẩn số Re đối với nước:

n

Re = 2d ~ 0,038 0,02! _~ soo (chảy tầng, chảy màng)

0,986 10_

v = 0,986.10 mỂ /s - hệ số độ nhớt động học của nước ở 21°C

- Công thức tính đối với trạng thái chảy tầng:

0,25 — 1640:038 ato? | Pr ,33 0,25 0,33

- Xuất phát từ cân bằng nhiệt lượng truyền qua 2 bề mặt trong và ngoài của 1™ di ống ta có:

Aty = At, + DAts + Aty = 50,5 — 21 = 29,5°C

- Sơ b6 chon: DAty = 2°C

Vay: At, + Aty = 27,5°C

2,5662 Aty'! + Aty = 27,5°C

- Ta giai phương trình này để tìm Aty bang phương pháp tính gần đúng hay vẽ đồ th

- Ta đặt yị = 2,ð662At¿'` - ham ma don diéu tang khi At, tang

- Va yg = 27,5 — At¿ - đường thẳng có hệ số góc âm, đơn điệu giảm khi Ats tăng Giao điểm của 2 đường cho ta giá trị Ato

* Phương pháp tính gần đúng (theo bảng 3-9):

174

(Sai số khi tính q¡ không đáng kể)

- Vay chiều dài cần thiết L của thiết bị truyền nhiệt là:

qL - Như vậy lúc đầu sơ bộ chọn thiết bị dài 4” là thích hợp (dự trữ gần 10% diện tích bề mặt truyền nhiệt) .ò

- Kết luận: thiết bị đã chọn là thích hợp

Ví dụ IV: Hãy xác định bê mặt truyền nhiệt của 1 thiết bị vỏ - ống loại 1-1, ngược chiều để đun nóng đầu máy từ t'¡ = 20°C đến t''¡ = 130°C bằng 1 chất tải nhiệt hứu cơ có nhiệt độ ban đầu là 150°C Lưu lượng dòng lạnh 3500 kg/h, dòng nóng 8000 kg/h; nhiét dung riêng trung bình tương ứng là c¡ = 1600 j/kg.độ, c¿ = 1700 j/kg.độ

Hệ số cấp nhiệt z; của các dòng thay đổi theo nhiệt độ như sau:

t °C 20 30 40 60 80 100 | 110 | 120 | 130 | 140 | 150 z¡ |w/m2dộ| 120 | 175 | 205 | 240 | 267 | 285 | 293 | 300 | 305 : 5

z |w/m2độ| - 7 - 535 | 545 | 550 | 557 | 561 | 563

ˆ `, " ˆ > A;

Tổng độ dẫn nhiệt của thành truyền nhiệt (kể cả bẩn) là Ls = 2500 w/mˆ độ?

i

Giai Bài này nói chung có rất nhiều cách giải gần đúng theo nguyên tắc: cách tính càng đứt giản thì sai số càng lớn, cách tính càng phức tạp, tỉ mỉ thì độ chính xác càng cao

Sau đây xin giới thiệu vài cách tính `

po @ = IMA 9 gg?

ky, At, 138,90 44,82 Cách 2: Để tính tổng diện tích bè mặt truyền nhiệt, ta phải chia thiết bị ra nhiều đoạn

và tính diện tích truyên nhiệt của từng đoạn AF); ‹

- Tính nhiệt độ Tạ tương ứng với các điểm của nhiệt độ dòng lạnh đó,

- Xác định các giá trị z¡ (ứng với tị) và œa (ứng với Tạ) từ số liệu ở bảng đã cho,

- Tính các giá trị k tương ứng và tính giá trị trung bình cộng của tất cả các giá trị k

e Giá trị trung bình cua đi la:

Cách 5: Dùng phương pháp tích phân bằng công thức Simpson:

e Giới thiệu về công thức Simpson

Dùng công thức Simpson để tính giá trị bằng số của 1 tích phân định hạn Có 2 công

Dạng I: Biết giá trị bằng số của hàm số y = fŒœ) tại các điểm x có bước đều là h thì

- Các hệ số nhân trước y; lân lượt là 4 và 2

Dang 2: Cũng tương tự như công thức dang 1 nhưng chọn 4nh = b — a:

- Dùng phương trình cân bằng nhiệt để xác định quan hệ giửa T¿(x) và t,(x):

WI[t)Œ) — E)] = w2[Tạa(x) — T”'2],

Ta sẽ dùng công thức Simpson dạng 1 để tính tích phân trên

Các bước tính như squ:

x; = 47,5°C; x3 = 102,5°C

- Tinh a(x) tai cdc tri số Xị:đi = f(t)

° Tinh To(x) tuong ứng các giá trị tịŒœ)

° Từ đó tính các hệ số truyền nhiệt kị tại các điểm nút tị và Tạ tương ứng có zi và

> Tính giá trị của f;:

f, = £(20°), f) = £(47,5°), fo = £(75°C)