Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

PHẦN I: Sơ đồ và nguyên tắc làm việc của thiết bị: Do kết cấu của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, nên cho lưu thể nào sạch (không tạo ra cặn bẩn trên bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hệ số dẫn nhiệt α) sẽ được cho đi ở khoảng không gian ngoài ống. Lưu thể nào tạo ra cặn bẩn trog quá trình làm việc cho đi ở khoảng không gian trong ống. Mặt khác, lưu thể nào làm việc tại áp suất lớn hoặc cần thay đổi vận tốc lưu thể cũng cần được cho đi ở khoảng không gian trong ống vì ống chịu áp tốt hơn vỏ và khi cần, có thể dễ dàng thay đổi vận tốc lưu thể bằng bơm. Như vậy, với bài này, ta cho hơi nước bão hòa đi ở khoảng không gian ngoài ống theo hướng từ dưới lên trên và hỗn hợp (NH4)2SO4 5% khối lượng đi ở khoảng không gian trong ống theo hướng từ trên xuống dưới. Hơi nước bão hòa khi đi vào không gian trong thiết bị sẽ cung cấp nhiệt lượng đun nóng hỗn hợp gián tiếp qua ống chùm. PHẦN II: Tính toán thiết kế thiết bị: 1/ Tính lượng nhiệt trao đổi Q: Q = F Cp ( tF – tf ) Trong đó: F: lưu lượng hỗn hợp đầu, F= 1.389 kg/s tF: nhiệt độ sôi của hỗn hợp, tF =101oC Cp: nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại tF Tại ∆t=76oC, có Cp=4187 J/kgoC Vậy Q = 1389 × 4187 × (101-25) = 441 996.468 W 2/ Hiệu số nhiệt trung bình giữa hai lưu thể: a/ Hiệu số nhiệt độ lớn: Chọn thđ = 115.17oC Có: ∆tđ = 115.17 – 25 = 90.17 oC b/ Hiệu số nhiệt độ bé: ∆tc = 115.17 – 101 = 14.17 oC c/ Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể: Có nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể được xác định theo công thức: ∆ttb ∆ttb = 41( oC ) d/ Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể là: hơi nước bão hòa: t1tb = 115.17oC hỗn hợp cần đun : t2tb = 115.17 – 41 = 74.17 oC 3/ Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể: a/ Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa theo công thức: α1 = 2.04 × A Wm2 oC Trong đó: r : ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa ∆t1 : chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt. H : chiều cao ống truyền nhiệt A : hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng. Chọn chiều cao ống truyền nhiệt H = 2m Ứng với thđ = 115.17oC ta có r = 2216 000 J/kg Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 2oC khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm = 115.17 − = 114.17 oC Từ tm = 114.17oC, tra bảng ta được: A = 183 Vậy: α1 = 2.04 × 183 × α1 = 10 184.945 W/m2 độ b/ Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp (NH4)2SO4: Do không có yêu cầu đặc biệt, chọn chế độ chảy xoáy ổn định. Chọn Re = 35 000 Hệ số cấp nhiệt α tính theo công thức: Nu = 0.021 ɛk Re 0.8 Pr0.43 ( )0.25 ɛk Re 0.8 Pr 0.43 ( )0.25 Trong đó: Prt : chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường, còn các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng. ɛk : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống. Ta chọn : d = 30 × 2 mm H = 2 m Tính chuẩn số Pr theo công thức: Pr = Trong đó : Cp: nhiệt độ riêng hỗn hợp ở ttb µ : độ nhớt hỗn hợp ở ttb λ : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở ttb tính theo công thức: λ = ɛ × Cp × ρ Ở đây: ρ : khối lượng riêng của hỗn hợp M : khối lượng phân tử của hỗn hợp Vậy: λ = 3.58 × 10-8 × 4203.547 × 977.7 × λ = 0.518 W/m độ Do đó: Pr = = 3.933 Tính chuẩn số Prt : Prt = Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1 × ∆t1 = 10184.945 × 2 q1 = 20 369.89 W/m2 Hiệu số nhiệt độ hai phần thành ống: ∆t1 = tt1 – tt2 = q1 × Σrt Trong đó: t2 : nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp Σrt : nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt. Σrt = rt1 + + rt2 Với: rt1, rt2 : nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường δ : bề dày của ống truyền nhiệt. Chọn δ = 2mm = 0.002m λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống. Với thép CT3 có λ = 46.5 W/m độ Chọn: rt1 = 0.00116 m2 độ/W rt2 = 0.00046 m2 độ/W Σrt = 0.00116 + + 0.00046 Σrt = 0.001667 m2 độ/W Do đó: ∆t1 = 20369.89 × 0.001667 = 34.01 oC t2 = tt1 − ∆t1 = 113.17 – 34.01 = 79.16 oC ∆t2 = tt2 – t2tb = 79.16 – 74.17 = 5 oC Tại nhiệt độ đang xét, có: Cpt = 4303.547 J/kg độ. có: λt = ɛ × Cpt × ρt = 3.58 × 10-8 × 4303.547 × 982.7 × λt = 0.55 W/m độ Prt = = Prt = 2.5 Vậy: α2 ɛk Re 0.8 Pr 0.43 ( )0.25 = 0.021 × × 35 0000.8 × 3.930.43 × ( )0.25 α2 = 3667.98 W/m2 độ q2 = α2 × ∆t2 = 3667.68 × 5 q2 = 18 338.4 W/m2 Có: ɛ = = × 100% = 11% 4/ Tính bề mặt truyền nhiệt: F = = = 24.102 m2 5/ Số ống truyền nhiệt: Có: n = = = 138 ống dtd = ( dl + dn ) = 0.028 (m) Quy chuẩn theo cách sắp xếp ống hình lục giác đều: n = 140 ống Cách bố trí: Số ống trên một cạnh viền lục giác đều: 8 ống Số ống trên đường xuyên tâm lục giác đều: 14 ống Tổng số ống: 140 ống. 6/ Đường kính trong thiết bị đun nóng: D = t ( b – 1 ) + 4dn Trong đó: t : bước ống. Chọn t = 1.3dn dn : đường kính ngoài ống truyền nhiệt b : số ống trên đường xuyên tâm lục giác đều Vậy: D = 1.3 × 0.03 × ( 14 – 1 ) + 4 × 0.03 D = 0.627 m Chọn D = 0.7 m = 700 mm 7/ Tính lại vận tốc và chia ngăn: a/ Xác định vân tốc thực: ωt = F = 5 t/h = 1.389 kg/s n = 140 ống d = 0.026 m ρ = 977.7 kg/m3 Vậy: ωt = = 0.019 m/s b/ Xác định vận tốc giả thiết: ωgt = = = 0.66 m/s Chia ngăn thiết bị trao đổi nhiệt để quá trình cấp nhiệt diễn ra ở chế độ chảy xoáy: Số ngăn cần thiết: m = ωgt ωt = = 34 ngăn Số ngăn quy chuẩn: 64 ngăn. Tính lại chuẩn số Re: Re = = = 64 814 104 Đáp ứng chế độ chảy xoáy. Vậy các kích thước của thiết bị đung nóng cần thiết kế là: Bề mặt truyền nhiệt: F = 25 m2 Số ống truyền nhiệt: n = 140 ống Đường kính trong thiết bị: D = 700 mm Chiều cao giữa hai mặt bích: H = 2 m