Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:
QF + Qủ = QW + QD + Qnt + Qm (IV.1) Trong đó:
Q nt : nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng. Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng.
Qnt = D.(R+1).MD . rD , (KJ/h).
Xác định rD (ẩn nhiệt hoá hơi của sản phẩm ủổnh):
Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ở tD = 78,5oC ta có:
Aồn nhiệt hoỏ hơi của nước: rN = 2346,253 (KJ/kg).
Aồn nhiệt hoỏ hơi của rượu: rR = 848,084 (KJ/kg).
Suy ra: rD = rR . +(1- ).rN = 848,084.0,935+(1- 0,935).2346,253
= 945,465 (KJ/kg).
Vậy: Qnt =11,8 .(2,9497+1) .41,8 .945,465=1841890,133 (KJ/h).
Q F : nhiệt lượng do hỗn hợp rượu nhập liệu mang vào tháp.
QF = GF .HF =GF .cF .(tF –to ) ,(KJ/h).
Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20oC.
Ở oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có nhiệt dung riêng của rượu: cR =2882,25 (J/kg.độ).
Suy ra: cF = .cR +(1- ).4186
=31,08%.2882,25+(1-31,08%).4186 = 3780,79(J/kg.độ).
Vậy: QF = 1500.3780,79.(84,85-20) = 367776,35 (KJ/h).
Q W : nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra từ nồi ủun.
QW = GW .HW =W.MW.cW .(tW –to ) ,(KJ/h).
Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20oC.
Do sản phẩm đáy chứa nhiều nước nên nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy có thể tính gần đúng theo công thức sau:
cW = (1- ).4186=(1- 0,0048).4186= 4165,9 (J/kg.độ).
Vậy: QW = 55,767. 18,052 .4165,9 .(100- 20)=335526,05(KJ/h).
Q D : nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra từ bộ phận tách hoàn lưu.
QD = GD .HD =D.MD .cD .(tD –to ) ,(KJ/h).
Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20oC.
Ở oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có nhiệt dung riêng của rượu: cR =2830,25 (J/kg.độ).
Suy ra: cD = .cR +(1- ).4186
=0,935.2830,25+(1-0,935).4186 = 2918,373(J/kg.độ).
Vậy: Từ (IV.1), ta được:
QF = 11,8 .41,8 .2918,373 .(78,5-20) = 84208,33(KJ/h).
Q m : nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh.
Chọn: Qm = 0,05.Qđ
Vậy: nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp:
Qủ = .(QW + QD + Qnt – QF )
= (335526,05+84208,33+1841890,133- 367776,35)
= 1993524,382 (KJ/h) = 553,756 (KW).
Chọn: + Nhiệt độ nguyên liệu ban đầu: t’F = 28oC.
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D = 35oC.
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nguyên liệu ban đầu: t’W = 60oC.
1 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH đặt nằm ngang.
Oáng truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống: 25x2, chiều dài ống là L = 1,5 (m).
Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu: t1 = 28oC, nhiệt độ cuối: t2 = 40oC.
Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbN =
=34oC:
+ Nhiệt dung riêng: cN = 4,181 (KJ/kg.độ).
+ Khối lượng riêng: N = 994,4 (Kg/m3).
+ Độ nhớt động lực: N = 0,7371.10-3 (N.s/m2).
+ Heọ soỏ daón nhieọt: N = 0,6242 (W/moK).
a . Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phaồm ủổnh:
GN = = 10,189 (Kg/s).
b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyeàn nhieọt:
Ftb = ,(m2) (IV.2).
Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
+ tlog : nhiệt độ trung bình logarit.
Xác định tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(oK).
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
,(W/m2.oK) (IV.3).
Với: + N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.oK).
+ R : heọ soỏ caỏp nhieọt cuỷa hụi ngửng tuù (W/m2.oK).
+ rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
* Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
Chọn vận tốc nước đi trong ống: vN = 0,75 (m/s).
Số ống trong một đường nước:
(oáng).
Chuaồn soỏ Reynolds :
> 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
Trong đó:
+ l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính
ống:ReN=21247,86và ,nên l =1.
+ PrN : chuẩn số Prandlt của nước ở 34oC, nên PrN
= 5.
+ Prw : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.
Suy ra:
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
N =
Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
(W/m2) (IV.4).
Với tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong oáng).
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
, (W/m2).
Trong đó:
+ tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống).
+
Bề dày thành ống: t = 2 (mm).
Heọ soỏ daón nhieọt cuỷa theựp khoõng gổ: t = 17,5 (W/moK).
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch:
r = 1/5000 (m2.oK/W).
Suy ra: rt = 1/3181,818 (m2.oK/W).
Vậy: qt = 3181,818.(tw1-tw2) (IV.5)
* Heọ soỏ caỏp nhieọt cuỷa hụi ngửng tuù:
Đặt: A= với [rR]=[J/kg].
Aồn nhieọt ngửng tuù: rR = rD = 945,465 (KJ/
;kg).
Nhiệt tải ngoài thành ống:
qR = R.(78,5-tw1) = A.(78,5-tw1)0,75 (IV.6).
Từ (IV.4), (IV.5), (IV.6) ta dùng phương pháp lặp để xác ủũnh tw1, tw2 :
Chọn: tw1 = 53,7oC :
Các tính chất lý học của rượu ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD =
oC:
+ Khối lượng riêng: R = 767,68 (Kg/m3).
+ Độ nhớt động lực: R = 0,6018.10-3 (N.s/m2).
+ Heọ soỏ daón nhieọt: R = 0,2073 (W/moK).
Khi đó: A = 3090,099
Từ (IV.6): qR = 3090,099.(78,5-53,7)0,75 = 34340,859 (W/m2).
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qR
=34340,859 (W/m2).
Từ (IV.5), ta có: tw2 = tw1- =42,907oC
Suy ra: ttbw = = oC
Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], Prw = 3,672
Từ (IV.4): qN = (W/m2).
Kieồm tra sai soỏ:
= =1,2% < 5% : thoả.
Vậy: tw1 = 53,7oC và tw2 = 42,907oC.
Khi đó: (W/m2.oC).
(W/m2.oC).
Từ (IV.3): (W/m2.oC).
Từ (IV.2), bề mặt truyền nhiệt trung bình:
= 14,9545 (m2).
Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt :
L’= (m).
So với L = 2 (m) thì số đường nước là (đường nước).
Khi đó số ống tăng lên 3 lần: n=39.3 =117 (ống)
* Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của rượu khi có kể đến sự ảnh hưởng của sự sắp sếp, bố trí ống. Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo dạng lục giác đều,vậy với 117 ống thì ta sếp được 9 hàng.
Số ống trung bình trong 1 hàng: , tra tài liệu tham khảo II, ta có tb = 0,58.
Vậy : Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ – ống gồm n=117(ống), dài L=2 (m).
Oáng được bố trí theo hình lục giác đều. Nên ta có số ống trên đường chéo hình lục giác: b = 13(ống). Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,4.dng = 1,4.0,025 = 0,035 (m).
Đường kính vỏ thiết bị: Dv = t.(b-1)+4.dng = 0,035(13- 1)+4.0,025
= 0,52(m).
2 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Oáng truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong: 16x1,6 ; kích thước ống ngoài: 25x2,5.
Chọn: + Nước làm lạnh đi trong ống 16x1,6 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t1 = 28oC, nhiệt độ cuối: t2 = 40oC.
+ Sản phẩm đỉnh đi trong ống 25x2,5 (ống ngoài) với nhiệt độ đầu:tD = 78,5oC, nhiệt độ cuối: t’D = 35oC.
Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbN =
=34oC:
+ Nhiệt dung riêng: cN = 4,181 (KJ/kg.độ).
+ Khối lượng riêng: N = 994,4 (Kg/m3).
+ Độ nhớt động lực: N = 0,7371.10-3 (N.s/m2).
+ Heọ soỏ daón nhieọt: N = 0,6242 (W/moK).
Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbD =
oC:
+ Nhiệt dung riêng: cD= 3014,63 (J/kg.độ).
+ Khối lượng riêng: D = 775,95 (Kg/m3).
+ Độ nhớt động lực: D = 0,6988.10-3 (N.s/m2).
+ Heọ soỏ daón nhieọt: D = 0,2029 (W/moK).
a . Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phaồm ủổnh:
Suất lượng sản phẩm đỉnh:
GD = D.MD = 11,8.41,8 = 493,24 (Kg/h) = 0,137 (Kg/s).
Lượng nhiệt cần tải:
Qt = GD.cD.(tD-t’D) = 0,137.3014,63.(78,5-35) =17967 (J/s) = 17,967 (KJ/s).
Suất lượng nước cần dùng:
GN = = 0,358 (Kg/s).
b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyeàn nhieọt:
Ftb = ,(m2) (IV.7).
Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
+ tlog : nhiệt độ trung bình logarit.
Xác định tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(oK).
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
,(W/m2.oK) (IV.8).
Với: + N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.oK).
+ D : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.oK).
+ rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
* Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài:
Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài:
(m/s).
Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,02- 0,016 = 0,004 (m). Chuaồn soỏ Reynolds :
> 2320 : cheá độ quá độ, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
Trong đó:
+ l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ông1, chọn l =1.
+ C : hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds, ReD
= 8759,75 neân C = 7,252.
+ PrD : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở
56,75oC, neân = 10,383.
+ Prw1 : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ trung bình của vách.
Suy ra:
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngoài:
D =
Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh:
(W/m2) (IV.9).
Với tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (ngoài ống nhỏ).
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
, (W/m2).
Trong đó:
+ tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ).
+
Bề dày thành ống: t = 1,6 (mm).
Heọ soỏ daón nhieọt cuỷa theựp khoõng gổ: t = 17,5 (W/moK).
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch:
r1 = 1/5000 (m2.oK/W).
Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W).
Suy ra: rt = 1/2034,884 (m2.oK/W).
Vậy: qt = 2034,884.(tw1-tw2) (IV.10).
* Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ:
Vận tốc nước đi trong ống:
(m/s).
Chuaồn soỏ Reynolds :
> 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
Trong đó:
+ l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReN= 60373,6 chọn l =1.
+ PrN : chuẩn số Prandlt của nước ở 34oC, nên PrN
= 5.
+ Prw2 : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.
Suy ra:
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
N =
Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
(W/m2) (IV.11).
Chọn: tw1 = 42,65oC :
Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ tw1=42,65oC:
+ Nhiệt dung riêng: cR= 2841,64 (J/kg.độ).
+ Độ nhớt động lực: R = 0,9049.10-3 (N.s/m2).
+ Heọ soỏ daón nhieọt: R = 0,1966 (W/moK).
Khi đó xem:Prw1 ~
Từ (IV.9): qD = (W/m2).
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qD
=13392,391 (W/m2).
Từ (IV.10), ta có: tw2 = tw1- =36,069oC
Suy ra: ttbw = = oC
Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], Prw2 = 4,386
Từ (IV.11): qN = (W/m2).
Kieồm tra sai soỏ:
= =0,58% < 5% :
thoả.
Vậy: tw1 = 42,65oC và tw2 = 36,069oC.
Khi đó: (W/m2.oC).
(W/m2.oC).
Từ (IV.8): (W/m2.oC).
Từ (IV.7), bề mặt truyền nhiệt trung bình:
= 1,65 (m2).
Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt :
L (m).
Chọn: L = 40(m),(dự trữ khoảng 15%).
Kiểm tra: thì l = 1: thoả.
Vậy: thiết bị làm mát sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 40(m), chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 4 (m).
3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy:
Chọn nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là nồi đun Kettle, ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước oáng 25x2.
Chọn hơi đốt là hơi nước 2 at, đi trong ống 25x2. Tra tài liệu tham khảo [4(tập1)], ta có:
+ Nhiệt độ sôi: tsN = 119,6oC.
+ Aồn nhieọt ngửng tuù: rN = 2208 (KJ/kg).
Sản phẩm đáy trước khi vào nồi đun có nhiệt độ là t’1
= 99oC (do x1’=0,0096 ), nhiệt độ ra là tW = 100oC.
a . Suất lượng hơi nước cần dùng :
Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho đáy tháp: Qđ = 553,756 (KW).
Suất lượng hơi nước cần dùng:
GhN = = 0,25 (Kg/s).
b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyeàn nhieọt:
Ftb = ,(m2) (IV.12).
Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
+ t : nhiệt độ trung bình logarit.
Xác định tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(oK).
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
,(W/m2.oK) (IV.13).
Với: + N : hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m2.oK).
+ D : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/m2.oK).
+ rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
* Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước:
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức:
N =
=
Với: + tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước(trong ống).
+ A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, được tra ở tài liệu tham khảo Nhiệt tải phía hơi:[2].
(W/m2) (IV.14).
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
, (W/m2).
Trong đó:
+ tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngoài ống).
+
Bề dày thành ống: t = 2 (mm).
Heọ soỏ daón nhieọt cuỷa theựp khoõng gổ: t = 17,5 (W/moK).
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W).
Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đáy: r2
=1/500(m2.oK/W).
Suy ra: rt = 1/1944,444 (m2.oK/W).
Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.15).
* Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy:
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy được xác định theo công thức (chế độ sôi sủi bọt và xem sản phẩm đáy như là nước):
D = .39.p0,5.(tw2 – 100)2,33
Với: + p: áp suất để đạt nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy, khi đó
p = 1 at = 105 (N/m2).
Suy ra: D = 14343,143(tw2 – 100)2,33 Nhiệt tải phía sản phẩm đáy:
(W/m2) (IV.16).
Chọn: tw1 = 116,655oC :
Khi đó, ở nhiệt độ trung bình = 118,128oC ta tra được
A = 187,1574
Từ (IV.14): qN =73,415.187,1574.(119,6-116,655)0,75
= 30889,133(W/m2).
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qN
=30889,133 (W/m2).
Từ (IV.15), ta có: tw2 = tw1- =100,769oC Từ (IV.16): qD =14343,143.(100,769-
100)3,33=31708,196(W/m2).
Kieồm tra sai soỏ:
= =2,65% < 5% :
thoả.
Vậy: tw1 = 116,655oC và tw2 = 100,769oC.
Khi đó: (W/m2.oC).
(W/m2.oC).
Từ (IV.13):
(W/m2.oC).
Từ (IV.12), bề mặt truyền nhiệt trung bình:
= 17,9 (m2).
Chọn số ống truyền nhiệt: n = 91 (ống).
Chiều dài ống truyền nhiệt:
L (m).
Chọn: L = 2,8(m),(dự trữ khoảng 10%).
Vậy: nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống với số ống n = 91, chiều dài ống truyền nhieọt L = 2,8(m).
Oáng được bố trí theo hình lục giác đều. Nên ta có số ống trên đường chéo hình lục giác: b = 9(ống). Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,4.dng = 1,4.0,025 = 0,035 (m).
Đường kính vỏ thiết bị: Dv = t.(b-1)+4.dng = 0,035(9- 1)+4.0,025
= 0,380(m).
4 . Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy:
Chọn thiết bị thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống.
Oáng truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong: 25x2 ; kích thước ống ngoài: 38x2.
Dòng nhập liệu đi trong ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t’F = 28oC.
Sản phẩm đáy đi trong ống 38x2 (ống ngoài)với nhiệt độ đầu: tW = 100oC, nhiệt độ cuối: t’W = 60oC.
Các tính chất lý học của sản phẩm đáy được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbW =
=80oC:
+ Nhiệt dung riêng: cW = 4,195 (KJ/kg.độ).
+ Khối lượng riêng: W = 971,8 (Kg/m3).
+ Độ nhớt động lực: W = 0,355.10-3 (N.s/m2).
+ Heọ soỏ daón nhieọt: W = 0,675 (W/moK).
a . Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy:
Suất lượng sản phẩm đáy:
GW = W.MW = 55,767.18,053 = 1006,76 (Kg/h).
Lượng nhiệt cần tải:
Qt = .cW.(tW-t’W) = .4,195.(100-60)= 46,926 (KW).
Ở 28oC, ta xem nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh là hằng số, hay nhiệt dung riêng của rượu cR = 2,595 (KJ/kg.độ).
Suy ra: cF = cR . +(1- ).4,18 = 2,595.0,3108+(1- 0,3108).4,18
= 3,687 (KJ/kg.độ).
Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy:
t”F = = 58,55oC.
Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF =
oC:
+ Khối lượng riêng: F = 954,37 (Kg/m3).
+ Độ nhớt động lực: F = 1,06.10-3 (N.s/m2).
+ Heọ soỏ daón nhieọt: F = 0,5184 (W/moK).
b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyeàn nhieọt:
Ftb = ,(m2) (IV.17).
Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
+ tlog : nhiệt độ trung bình logarit.
Xác định tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(oK).
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
,(W/m2.oK) (IV.18).
Với: + F : hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m2.oK).
+ W : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/m2.oK).
+ rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu ở oáng trong:
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống:
(m/s).
Chuaồn soỏ Reynolds :
> 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có
dạng:
Trong đó:
+ l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReF và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReF=
23832,72ứ,chọn l =1.
+ PrF : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 43,275oC, neân
PrF = = 7,539.
+ Prw2 : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở nhiệt độ trung bình của vách.
Suy ra:
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống:
N =
Nhiệt tải phía dòng nhập liệu:
(W/m2) (IV.19).
Với: tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ).
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
, (W/m2).
Trong đó:
+ tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (trong ống nhỏ).
+
Bề dày thành ống: t = 2(mm).
Heọ soỏ daón nhieọt cuỷa theựp khoõng gổ: t = 17,5 (W/moK).
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch:
r1 = 1/5000 (m2.oK/W).
Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W).
Suy ra: rt = 1/1944,444 (m2.oK/W).
Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.20).
* Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy ngoài ống nhỏ:
Vận tốc nước đi trong ống ngoài:
= 0,69(m/s).
Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,034- 0,025 = 0,009 (m).
Chuaồn soỏ Reynolds :
> 104 : chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
Trong đó:
+ l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính ống:ReW=16289,9 ứ,chọn l =1.
+ PrW : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đáy ở ˆ80oC, xem sản phẩm gần như là nước nên PrW = 2,21.
Suy ra:
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống ngoài:
W =
Nhiệt tải phía sản phẩm đáy:
(W/m2) (IV.21).
Chọn: tw1 = 72,1oC :
Khi đó xem:Prw1 ~ 2,487 (tra ở tw1).
Từ (IV.21): qW = (W/m2).
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qW
=33080,779 (W/m2).
Từ (IV.20), ta có: tw2 = tw1- =55,087oC
Suy ra: ttbw = = oC
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo
[4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbw = 63,594 oC:
+ Nhiệt dung riêng: cR = 3,947 (KJ/kg.độ).
+ Độ nhớt động lực: R = 0,6987.10-3 (N.s/m2).
+ Heọ soỏ daón nhieọt: R = 0,5479 (W/moK).
Khi đó: Prw2 = = 5,033
Từ (IV.19): qF = (W/m2).
Kieồm tra sai soỏ:
= =0,282% < 5%: thoả.
Vậy: tw1 = 72,1oC và tw2 = 55,087oC.
Khi đó: (W/m2.oC).
(W/m2.oC).
Từ (IV.18): (W/m2.oC).
Từ (IV.17), bề mặt truyền nhiệt trung bình:
= 1,367 (m2).
Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt :
L (m).
Chọn: L = 20(m),(dự trữ khoảng 20%).
Kiểm tra: thì l = 1: thoả.
Vậy: thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 20(m), chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 2
5 . Thiết gia nhiệt nhập liệu :(m).
Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Oáng truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong:25x2; kích thước ống ngoài: 38x2.
Dòng nhập liệu đi trong ống 25x2 (ống trong) với nhiệt độ đầu: t”F =58,55oC ,nhiệt độ cuối: tF =84,85oC.
Chọn hơi đốt là hơi nước 1 at, đi trong ống 38x2(ống ngoài). Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có:
+ Nhiệt độ sôi: tsN = 100oC.
+ Aồn nhieọt ngửng tuù: rN = 2260 (KJ/kg).
Các tính chất lý học của dòng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình ttbF =
=71,7oC:
+ Nhiệt dung riêng: cF = 3,968 (KJ/kg.độ).
+ Khối lượng riêng: F = 937,58 (Kg/m3).
+ Độ nhớt động lực: F = 0,5786.10-3 (N.s/m2).
+ Heọ soỏ daón nhieọt: F = 0,5652 (W/moK).
a . Suất lượng hơi nước cần dùng :
Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dòng nhập liệu:
Qc = .cF.(tF – t”F) = .3,968.(84,85 –58,55)=43,48 (KW).
Suất lượng hơi nước cần dùng:
GhN = = 0,0192 (Kg/s).
b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyeàn nhieọt:
Ftb = ,(m2) (IV.22).
Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
+ tlog : nhiệt độ trung bình logarit.
Xác định tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(oK).
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
,(W/m2.oK) (IV.23).
Với: + F : hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m2.oK).
+ N : hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m2.oK).
+ rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ:
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống ngoài:
= 1,2825 (m/s).
Chuaồn soỏ Reynolds :
> 104 : cheá độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
Trong đó:
+ l : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReW và tỷ lệ chiều dài ống với đường kính
ống:ReF=4366262ứ,chọn l =1.
+ PrF : chuẩn số Prandlt của dòng nhập liệu ở 74,033oC, neân
PrF = = 4,062
Suy ra:
Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ:
F =
Nhiệt tải phía dòng nhập liệu:
(W/m2) (IV.24).
Với tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (trong ống nhỏ).
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
, (W/m2).
Trong đó:
+ tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (ngoài ống nhỏ).
+
Bề dày thành ống: t = 2(mm).
Heọ soỏ daón nhieọt cuỷa theựp khoõng gổ: t = 17,5 (W/moK).
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch:
r1 = 1/5000 (m2.oK/W).
Nhiệt trở lớp cấu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W).
Suy ra: rt = 1/1944,444 (m2.oK/W).
Vậy: qt = 1944,444.(tw1-tw2) (IV.25).
* Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước trong ống nhỏ: