Thiết kế tháp đệm dùng để hấp thu khí so2 bằng nước-Thuyết minh

Thiết kế tháp đệm dùng để hấp thu khí so2 bằng nước-Thuyết minh.

Phần I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

I/ Khái niệm

- Tủ cấp đông tiếp xúc là một hệ thống lạnh thuộc nhóm phòng lạnh thườngđược dùng để đông lạnh nhanh thủy hải sản, thịt Sản phẩm làm lạnh gần nhưđược tiếp xúc với dàn lạnh nên thời gian đông lạnh được rút ngắn, chất lượngsản phẩm tốt

- Tủ cấp đông tiếp xúc được cấu tạo bởi dàn khung kim loại chịu lực Giữa 2lớp vỏ là lớp vật liệu cách nhiệt polyuretan Vì vậy kết cấu bao che của tủ cấpđông tiếp xúc đơn giản, gọn nhẹ

- Dàn lạnh là các khay (plate) bằng hợp kim nhôm Các khay này vừa là kệđể sản phẩm vừa là dàn lạnh Tác nhân lạnh được dẫn vào từng khay Các khaynày có thể nâng lên hay hạ xuống bằng xy lanh thủy lực để đảm bảo sản phẩmlàm lạnh luôn được tiếp xúc tốt nhất với dàn lạnh từ hai phía

Như vậy sự truyền nhiệt trong tủ cấp đông tiếp xúc không phải theo nguyêntắc đối lưu như các máy lạnh thông thường mà theo nguyên tắc dẫn nhiệt với bềmặt truyền nhiệt là các khay Tác nhân lạnh làm lạnh các khay bằng dẫn nhiệt,khay truyền nhiệt cho sản phẩm

II/ Các thông số và thiết bị được chọn trong quy trình công nghệ Giải thích sự lựa chọn.

1/ Tác nhân lạnh

Sử dụng tác nhân lạnh là Amoniac (NH3 , R717) vì:

* Ưu điểm của NH3

- Tính chất nhiệt động tốt

- Không ăn mòn kim loại đen và nhôm, trong thiết bị thì NH3 tiếp xúc trựctiếp với các khay bằng nhôm  dùng NH3 là hợp lý

- NH3 có mùi đặc trưng  dễ phát hiện khi rò rỉ

- Rẻ tiền, dễ kiếm, dễ vận chuyển và bảo quản

- Năng suất lạnh riêng thể tích lớn nên máy nén và thiết bị gọn nhẹ

- Hệ số dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt lớn, thuận tiện cho thiết kế, chế tạo cácthiết bị ngưng tụ và bay hơi

- Độ nhớt nhỏ  lưu động tốt  đỡ tổn thất áp suất

Tóm lại sử dụng Amoniac là hoàn toàn phù hợp.

2/ Chu trình lạnh và máy nén pittông

Hệ thống làm việc theo chu trình lạnh 2 cấp nén sử dụng bình trung gianống xoắn, 2 van tiết lưu

* Chọn máy nén 2 cấp vì:

- Tỉ số nén cao, vượt khỏi giá trị cực đại  max

- Cần có nhiệt độ dầu nhỏ hơn 60oC

- Hệ số cấp >0,6

Khi gặp những điều kiện tiên quyết trên ta phải chọn máy nén 2 cấp.Hơn nữa:

- Máy nén 2 cấp phù hợp với vận hành liên tục

- Hiệu suất cao, giá vận hành rẻ Mặc dù vốn đầu tư ban đầu cao nhưng giáthành một đơn vị lạnh thấp hơn, đặc biệt là ở các chế độ làm việc mà máynén một cấp hầu như không vận hành nổi

* Chọn chu trình 2 cấp sử dụng bình trung gian ống xoắn, 2 van tiết lưu vì:

- Sử dụng bình trung gian để hạ nhiệt độ hơi môi chất trước khi vào máynén cao áp để đạt đến điểm bảo hòa khô  thực hiện làm mát trung gianhoàn toàn

- Sử dụng 2 van tiết lưu làm năng suất lạnh riêng tăng, công nén giảm

- Nếu sử dụng bình trung gian loại thường (tức là lỏng ra khỏi thiết bịngưng tụ và hơi ra khỏi máy nén thấp áp cùng vào bình trung gian) thì cónhược điểm về vận hành là: dầu từ máy nén hạ áp đi vào bình trung gian,theo môi chất lỏng, qua van tiết lưu 2 vào thiết bị bốc hơi Ở nhiệt độ thấpdầu bị quánh lại tạo lớp trở nhiệt, làm giảm khả năng trao đổi nhiệt của bình

Để khắc phục nhược điểm trên ta sử dụng bình trung gian ống xoắn,trong đó dòng lỏng từ thiết bị ngưng tụ được chia ra làm 2 nhánh: nhánhchính đi qua ống xoắn được qúa lạnh để qua van tiết lưu (2) vào bình bayhơi Nhánh phụ qua van tiết lưu (1) vào bình trung gian bay hơi làm mát hơinén hạ áp Sơ đồ nguyên lý và quy trình lạnh thể hiện trên hình 1 và hình 2dưới đây:

Hình 1: sơ đồ nguyên lý của hệ thống lạnh

Hình 2: đồ thị lgP - h của hệ thống lạnh

3/ Các thiết bị

a) Thiết bị ngưng tụ

- Sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu vỏ ống nằm ngang làm mát bằng nước vìthiết bị loại này gọn, dễ vệ sinh và dĩ nhiên là nước giải nhiệt tốt hơn không khí

- Dòng môi chất đi ngoài ống, nước đi trong ống cũng là để dễ vệ sinh

- Để tiết kiệm nước ta sử dụng tháp giải nhiệt Ngoài ra khi sử dụng thápgiải nhiệt thì nhiệt độ ngưng tụ và do đó cả công suất lạnh rất ổn định, ít phụthuộc nhiệt độ môi trường và mùa khí hậu trong năm

- Một lý do khác để ta chọn thiết bị ngưng tụ vỏ ống nằm ngang là hệ sốtruyền nhiệt cao, tiêu hao kim loại ít, dễ chế tạo, lắp đặt, vận hành, sửa chữa vàvệ sinh ống

b) Van tiết lưu

Một thiết bị nhỏ bé nhưng vô cùng quan trọng trong bất kỳ hệ thống lạnhnào Van tiết lưu dùng để tiết lưu tác nhân lạnh lỏng từ áp suất ngưng tụ Pk đếnáp suất sôi Po đồng thời điều chỉnh việc cung cấp lỏng cho hệ thống lạnh

Để tự động hóa hệ thống lạnh ta sử dụng van tiết lưu nhiệt được điều khiểnbằng cảm biến nhiệt dựa trên tín hiệu qúa nhiệt của hơi.

c) Các thiết bị phụ.

(1) Bình tách dầu – dùng 2 bình

Phải tách dầu vì môi chất không hòa tan dầu Bình tách dầu luôn được đặtđứng và vuông góc với đường đẩy vì như vậy mới dễ thực hiện việc tách

(2) Bình chứa dầu

Gom dầu từ: bình tách dầu, bình chứa cao áp, bình trung gian… để giảm tổnthất và giảm nguy hiểm khi xả dầu từ áp suất cao về máy nén

(3) Bình chứa cao áp

Đặt dưới bình ngưng để chứa lỏng đã ngưng tụ nhằm giải phóng bề mặt traođổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ (tức là ta hoàn toàn có thể kết hợp thiết bị ngưngtụ và bình chứa cao áp), đồng thời duy trì sự cấp lỏng liên tục cho van tiết lưu.(4) Bình tách lỏng

Để tách các giọt lỏng khỏi luồng hơi hút về máy nén, tránh cho máy nén hútphải lỏng gây va đập thủy lực làm hỏng máy

- Bình tách khí không ngưng được gắn cùng với bình chứa cao áp

Phần II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

I/ Các thông số chọn và tính toán sơ bộ.

Hệ thống thiết bị làm việc tại Thành phố Hồ Chí Minh, có các thông số khítượng :

+ Độ ẩm không khí: 74% (mùa hè)

+ Nhiệt độ không khí trung bình: 37,3oC (mùa hè)

 + Nhiệt độ nhiệt kế ướt: tư = 33 oC

+ Nhiệt độ đọng sương: ts =32 oC

1/ Nhiệt độ ngưng tụ t k

- Nhiệt độ nước vào bình ngưng:

1

w

t = tư + (35) oC = 33 oC + 4 oC = 37 oC

- Nhiệt độ nước ra:

- Nhiệt độ bốc hơi to = f(môi trường làm lạnh)

Nhiệt độ bốc hơi to phụ thuộc nhiệt độ môi trường làm lạnh (thấp hơn nhiệtđộ môi trường làm lạnh từ 513 oC)

Trong trường hợp hệ thống lạnh là tủ cấp đông tiếp xúc thì không khí khôngđóng vai trò làm lạnh sản phẩm nhưng ta vẫn coi chúng là môi trường làm lạnhhay môi trường bị ảnh hưởng lạnh trực tiếp với nhiệt độ là -35 oC

 Nhiệt độ bốc hơi: to=(-35) - 5 = -40 oC

tql= f(môi trường giải nhiệt (nước))

Nhiệt độ qúa lạnh càng thấp năng suất lạnh càng lớn, chọn tql = tk - tql =5

- Áp suất bốc hơi: po= 0,7171 bar = 0,07171 MPa

- Áp suất ngưng tụ: pk=18,794 bar = 1,8794 MPa

- Áp suất trung gian: p tg  p k p o

= 3,671 bar = 0,3671 MPa

- Các thông số của chu trình tra và tính dựa trên bảng 7.40 và bảng 7.51TLTK[11] Các ký hiệu của những thông số đó được thể hiện trên hình 3 dướiđây và bảng 1:

Hình 3: đồ thị lgp – h tương ứng với các thông số cho trong bảng 1

Bảng 1: các thông số của các điểm trên trình

-II/ Tính cách nhiệt

Tủ cấp đông tiếp xúc được cấu tạo gồm dàn khung kim loại chịu lực bao bọchai phía bằng thép không rỉ Giữa 2 lớp thép người ta phun vật liệu cách nhiệtpolyuretan

+ Lớp (1), (3): thép không rỉ, có bề dày

m 005 , 0

+ Lớp (2) polyuretan: cn  0 , 028 kcal/mhđộ

- Hệ số truyền nhiệt k của lớp vỏ tủ:

2 cn

cn i

i 1

1 1

1 k

1: hệ số tỏa nhiệt từ ngoài  tường cách nhiệt

2: hệ số tỏa nhiệt từ tường  buồng

i

1 cn

cn

11

k1

theo bảng 3-3, p63[1]: k = 0,19 W/m2độ = 0,163 kcal/m2hđộ



mm 1672 , 0

8

1 39

05 , 0 2 29

1 163 , 0

1 028 , 0

19 , 0 39

05 , 0 2 8

1 29 1

s 1 1 s

t t

t t 95 , 0 k k

Trong đó:

tp = -35 oC (nhiệt độ trong buồng lạnh)

t1 = 37,3 oC (nhiệt độ không khí ngoài trời)

ts = 32 oC (nhiệt độ đọng sương của không khí)

ks = 2,02  k  tt k s, tức là đảm bảo không đọng sương

- Kích thước tổng cộng bề dày tủ:

m 20 , 0

005 , 0 2 19 , 0

III/ Chọn tủ

- Tủ MCF – 10 của hãng Mycom:

+ Tác nhân: NH3

+ Năng suất: 1 tấn/mẻ

+ Kích thước khay: 2000x1250mm

+ Chiều dày khay: 22mm

+ Số khay: 10 khay để sản phẩm + 1 khay ép ở trên

- Làm lạnh sản phẩm là “tôm vỏ không đầu” đã được làm lạnh sơ bộ trước

khi đưa vào tủ cấp đông tiếp xúc để cấp đông, chúng có đặc điểm:

+ Khối lượng riêng đổ đống (khối lượng riêng xốp):   850 kg / m 3

+ Nhiệt độ trước khi vào tủ: tđ =10 oC

+ Nhiệt độ sản phẩm: tc =-18 oC

+ Enthanpy đầu: iđ =67,6 kcal/kg

+ Enthanpy cuối: ic =1,2 kcal/kg

- Khuôn đựng tôm có kích thước:





207 x 267

60 x 217 x 277

p91, TLTK[8]

Kích thước khuôn tôm được thể hiện trên hình 4:

Hình 4: hình dáng và kích thước khuôn tôm

- Các khuôn này được đặt lên một mâm tôm có kích thước 590 x 480x30mm, mỗi mâm đặt được 4 khuôn Mâm được làm bằng tôn tráng kẽm Nhưvậy gồm 10 khay tức là đặt được 80 mâm hay tổng cộng là 320 khuôn

IV/ Thời gian làm lạnh đông một mẻ sản phẩm.

h,

1P

Q.tt

q

i

i

m p

+ : khối lượng riêng của tôm,   850 kg / m 3

+ : chiều cao khuôn tôm,  = 60mm = 0,06m

+ t1 = 37,3 oC ;

tp = -35 oC+  m= 1,155kcal/mhđộ

+ : hệ số cấp nhiệt của tác nhân lạnh, = 5,29 kcal/m2hđộ

1 5 , 0 155 , 1

06 , 0 125 , 0 35 3 , 37

06 , 0 850 4 , 66

= 4,8 giờ 5 giờ/mẻ

V/ Cân bằng nhiệt cho tủ cấp đông tiếp xúc.

1/ Tổn thất do truyền nhiệt.

Vì không thông gió buồng lạnh nên các tổn thất lạnh khác gồm:

 Q31: tổn thất do làm lạnh khuôn sản phẩm

Q31 = Gk.Ck.( tđ - tc) Khuôn làm bằng nhôm có nhiệt dung riêng: Ck = 0,22kcal/kgđộ

có khối lượng: Gk= 0,3.Gsp = 0,3.1000 =300 kg

 Q31= 300.0,22.(25-(-35))

=3960 kcalTính trung bình trên 1 giờ:

h / kcal 825 8

, 4

h / kcal 44 , 24033 7

, 0

15294 1 , 1

Qo







VI/ Tính chọn máy nén.

A/ Cấp hạ áp.

1/ Năng suất lạnh riêng

10 ' 1

q   =1407,3 – 209

=1198,3 kj/kg2/ Lưu lượng hơi thực tế qua máy nén thấp áp

3 , 1198

98 , 27 q

Q m

o o

3/ Thể tích thực tế hút vào cấp nén hạ áp

1 1 ttHA m

= 0,02335 1,588

= 0,0371 m3/s4/ Hệ số cấp của máy nén hạ áp

tg o o

o o m 1

o

tg tg o

o o w i

T p

p p p

p p c p

p p

, 0

005 , 0 07171 , 0 07171

, 0

005 , 0 3671 , 0 04 , 0 07171

, 0

005 , 0 07171 , 0

0371 , 0 V

7/ Hiệu suất chỉ thị

o w

i    b t.

= 0,87 + 0,001 (-40)

= 0,838/ Công suất chỉ thị

kW 034 , 6 / N

Ni  s i 

9/ Công suất ma sát

kW 189 , 2 59 0371 , 0

p V

kW 62 , 9 9 , 0 95 , 0

223 , 8

N N

el td

B/ Cấp cao áp

1/ Lưu lượng hơi thực tế qua máy nén cao áp

s / kg 031 , 0

385 3 , 1456

209 9 , 1632 02335 , 0

h h

h h m m

7 3

6 2 1 3

= 0,031 0,3352

= 0,0104 m3/s3/ Hệ số cấp của máy nén hạ áp

k tg tg

tg tg m 1

tg k k tg

tg tg w i

T p

p p p

p p c p

p p

Trong đó:

Pk = 1,8794 MPa

ptg = 0,3671 MPaChọn:

, 0

005 , 0 3671 , 0 3671

, 0

005 , 0 8794 , 1 04 , 0 3671

, 0

005 , 0 3671 , 0

88 , 268

0104 , 0 V

tg w

i    b t.

= 0,84 + 0,001 (-4,12)

= 0,8367/ Công suất chỉ thị

kW 97 , 8 503 , 7 N







8/ Công suất ma sát

kW 614 , 0 59 0104 , 0

p V

kW 21 , 11 9 , 0 95 , 0

584 , 9

N N

el td

= 9,62 + 11,21

= 20,83 kW

C/ Chọn máy nén

Các thông số của hệ tiêu chuẩn:

 =1,7 m3/kg

- Năng suất lạnh riêng khối lượng tiêu chuẩn:

kg kj h

, 1

q q

oTC oTC

oTC

tgTC tgTC

oTC

oTC oTC

Tp

p

pp

pp

cp

pp

MPa P

MPa P

K t

T

K t

T

c MPa P

P

tgTC oTC

tgTC tgTC

oTC oTC

tgTC oTC

312 , 0

072 , 0

265 273

233 273

04 , 0 , 005 , 0

, 0

005 , 0 072 , 0 072

, 0

005 , 0 312 , 0 04 , 0 072

, 0

005 , 0 072 , 0

54 , 0 6 , 754

73 , 0 3 , 735 98 , 27

, 1

3 ,

VII/ Tính thiết bị ngưng tụ

- Nhiệt độ nước vào bình ngưng: t 37 o C

t t t

1

w w

385 32 , 1698 031 , 0

h h m

min max

min max

log

t

tln

tt

K 10 t

t t

2 1

w k min

w k max

5 10

tlog   



- Lượng nước qua bình ngưng:

s / kg 95 , 1 5 18 , 4

713 , 40 t

C

Q m

w p

k





trong đó Cp: nhiệt dung riêng của nước, Cp =4,18 kJ/kgđộ

- Chọn ống trao đổi nhiệt cho bình ngưng có các thông số đường kính ngoài,đường kính trong, chiều dày như sau:

mm 5 , 2 s

mm 20 d

mm 25 d

t n

m / m 0785 , 0 f

2 t

2 n





- Chọn tốc độ nước trong bình ngưng: w  1 , 3 m / s

- Số ống trong một lối của bình ngưng:

w w

2 t

w 1

d

m4n







Các thông số của nước ở nhiệt đột 39 , 5 o C

w 

36 , 4 Pr

s / m 10 659 , 0

K m / W 627 , 0

m / kg 2 , 992

2 6

3 w

3 , 1 2 , 992 02 , 0

95 , 1 4







chọn n1 = 5 ống trên một lối, khi đó vận tốc nước là: w  1 , 25 m / s

- Hệ số tỏa nhiệt từ vách trong đến nước làm mát:

t w

10 659 , 0

02 , 0 25 , 1 d

16 , 182

36 , 4 3 , 37936 021 , 0

Pr Re 021 , 0 d Nu

43 , 0 8 , 0

43 , 0 8 , 0 t

, 0

627 , 0 16 , 182 d

Nu

2 t

v log

1

t t

, 0 5711 1

1 1

1 A

i

i t

Vì mật độ dòng nhiệt tính theo diện tích xung quanh bề mặt ống trụ thay đổitheo đường kính ống và giá trị nhiệt độ tại toạ độ tính toán nên để xác định mậtđộ dòng nhiệt tại bề mặt trong của ống cần chọn sơ bộ kết cấu bình ngưng và giátrị q i để tính sơ bộ rồi kiểm tra lại

- Chọn  t v  0 , 3  t log  q ie  2298 , 32 0 , 7  t log

= 11600W/m2

Các ống được bố trí trên vĩ ống theo đỉnh tam giác đều, chùm ống dạnghình lục giác với số ống đặt trên đường chéo lục giác lớn là:

3

t t ie

k

D/.d.S.q

Q

75,0

m 

t

D

/ : tỉ số chiều dài ống và đường kính trong của thân, chọn / D t=8

S: bước ống ngang, S =1,3.dn

= 1,3.0,025 = 0,0325 m

8 02 , 0 0325 , 0 11600

10 713 , 40

75 , 0

3





chọn m =7 ống, đây cũng là số hàng ống theo chiều ngang n2=m

- Hệ số tỏa nhiệt từ phía môi chất ngưng tụ tính theo bề mặt trong của ống  nđối với hơi NH3 ngưng tụ trên ống trơn nằm ngang:

h 4

v n

3 2

t d

g h 72 ,

3 3

m / Ns 10 1 , 113

K m / W 10 430

m / kg 96 , 567

385 32 , 1698

h h

167 , 0

167 , 0 2 h

5 , 3

2 7

2 / n

167 , 0 4

6

2 3 2

3 n

t 13336

5 , 3 025

, 0 10 1 , 113

81 , 9 10 430 92 , 567 10 32 , 1313

72 , 0

v n n

t 13336

t q

- Mật độ dòng nhiệt phía trong

, 2298 x

13336

t 21 , 7 32 , 2298 t

13336

75 , 0

v 75

, 0 v

m / W 14096

t 21 , 7 32 , 2298 q

Q

Tổng bề dài ống trao đổi nhiệt: 46 m

0628 , 0

89 , 2 f

F L

46 n

37 n

n z

1







lấy số đường nước là 8 đường

- Đường kính mặt sàng dùng để núc các ống vào:

D = m.S

= 7.0,0325

= 0,2275

228 mm

 l D  5 , 46   4  8  tức là đạt tiêu chuẩn,

- Độ hở giữa mặt sàng và thân thiết bị ngưng tụ: 5 mm, chiều dày thân 6 mm

- Đường kính ngoài của thân: Dn  D  2 ( 5  6 )  228  22  250 mm

- Đường kính ngoài của rốn bình: Dr  50 mm

* Tính bền thiết bị ngưng tụ:

a) Thân bình

- Chiều dày thân được tính theo công thức:

C p

2

D p

Vật liệu chế tạo thiết bị là thép CT3,

- Các thông số tính bền:

: hệ số bền mối hàn,  = 0,7

C: hệ số bổ sung bề dày, C = 0,002

* cp

252 , 0 2

002 , 0 2 7 , 0 140 9 , 0 2

128 , 0 2

p /  C

d ,

d) Chiều dày ống nước

C d

E 10

l p 10 d 47 , 0

4 , 0

n 6

2 n

, 0 10 92 , 1 10

243 , 1 2

10 025 , 0 47 , 0

4 , 0

5 6

Tóm lại các số liệu của thiết bị ngưng tụ là:

+ Đường kính: 252 mm

+ Chiều dày thân: 6 mm

+ Chiều dài ống nuớc: 1,3 m

VIII/ Tính bình trung gian

- Nhiệt độ trung gian: t t t 4 , 12 o C

8 7

tg    

- Phụ tải nhiệt của chùm ống xoắn:

Do lượng lỏng qua van tiết lưu (1) không đáng kể so với lượng qua ống xoắn

 Qtg  G ( i5 i6)

G = m3

kW 456 , 5

) 209 385 (

031 , 0

) i i (

Nhiệt độ NH lỏng ra khỏi bình trung gian: o

Nhiệt độ trung bình NH3 lỏng trong bình trung gian: 21 , 5 C

2

1 42

Các thông số vật lý của NH3 ở nhiệt độ trung bình này:

4395 , 1 Pr

s / m 10 2462 , 0

mK / W 4225 , 0

m / kg 04 , 608

2 6 3

mm 20 d

mm 25 d

t n

3 , 0

- Vận tốc NH3 lỏng trong ống xoắn:

s / m 0811 , 0 2 4

02 , 0 04 , 608

031 , 0 2

4

d

G

2 2

02 , 0 0811 , 0 d

4395 , 1 6592 008 ,

, 0

4225 , 0 6 , 25 d

4 , 0 3 , 0 4

D D

02 , 0 8 , 1 1 R

d 8 , 1