Đang tải... (xem toàn văn)
Đề bài: Một thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu điêzen đi bên trong các ống trao đổi nhiệt để đun nóng dòng dầu thô đi bên ngoài các ống trao đổi nhiệt có các yêu cầu như bên dưới. Giả sử dòng dầu điêzen và dòng dầu thô chuyển động ngược chiều. Hãy tính toán và lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống trong hai trường hợp (1) ống trong là ống tròn trơn và (2) ống trong là ống tròn, mặt ngoài có gân dọc. Các yêu cầu như sau: Thông số Dầu thô Điêzen Lưu lượng, kgh 35000 11000 Nhiệt độ đầu vào, oC 25 280 Nhiệt độ đầu ra, oC 150 Tỷ khối, 0,89 0,8 Độ nhớt động học, cSt 20 oC 40 oC 100 oC 200 oC 250 oC 300 oC 6,2 3,8 1,4 0,5 0,4 0,3 1,10 0,81 0,45 0,26 0,21 0,15
4.2- Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống Đề bài: Một thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu điêzen đi bên trong các ống trao đổi nhiệt để đun nóng dòng dầu thô đi bên ngoài các ống trao đổi nhiệt có các yêu cầu như bên dưới. Giả sử dòng dầu điêzen và dòng dầu thô chuyển động ngược chiều. Hãy tính toán và lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống trong hai trường hợp (1) ống trong là ống tròn trơn và (2) ống trong là ống tròn, mặt ngoài có gân dọc. Các yêu cầu như sau: Thông số Dầu thô Điêzen Lưu lượng, kg/h 35000 11000 Nhiệt độ đầu vào, o C 25 280 Nhiệt độ đầu ra, o C 22 T 150 Tỷ khối, 293 277 d 0,89 0,8 Độ nhớt động học, cSt 20 o C 40 o C 100 o C 200 o C 250 o C 300 o C 6,2 3,8 1,4 0,5 0,4 0,3 1,10 0,81 0,45 0,26 0,21 0,15 Qui trình tính: Phương pháp chung để tính thiết bị trao đổi nhiệt 4.2.1. Xác định tải nhiệt Q - Chất tải nhiệt nóng: Diesel - Chất tải nhiệt lạnh: Dầu thô Chọn: Chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ, chất tải nhiệt lạnh đi trong không gian giữa 2 ống. Để xác định tải nhiệt Q ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt giữa 2 chất tải nhiệt ( ) ( ) 21221211 TT2TT1 HHGHHGQ −=η−= (1) Trong đó: 5/21/2015 1 Q là tải nhiệt hay lượng nhiệt trao đổi [W] hay [kW] G 1 , G 2 là lưu lượng chất tải nhiệt nóng và lạnh [kg/giờ] 11 T H , 12 T H là entanpy của chất tải nhiệt nóng ở nhiệt độ 11 T và 12 T [kJ/kg] 21 T H , 22 T H là entanpy của chất tải nhiệt lạnh ở nhiệt độ 21 T và 22 T [kJ/kg] η là hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt ( ) 97,095,0 ÷=η Theo yêu cầu: 11000 1 =G kg/giờ 35000 2 =G kg/giờ Hệ số sử dụng nhiệt: chọn 95,0=η Tìm entanpy: coi các chất tải nhiệt là các phân đoạn dầu mỏ, dùng đồ thị (phụ lục 1) (hay các bảng biểu) để tìm entanpy của các phân đoạn dầu mỏ khi biết tỷ trọng d và nhiệt độ Từ phụ lục , ta tìm được các giá trị entanpy (coi như đã hiệu chỉnh): kg/kJ69,690kg/kcal165HH 553T 11 =≈= kg/kJ88,334kg/kcal80HH 423T 12 =≈= kg/kJ23,50kg/kcal12HH 298T 21 =≈= Từ số liệu trên, ta tính Q theo công thưc 1: ( ) hkJQ /5,371821495,0.88,33469,69011000 =−= kWhkJQ 84,1032/5,3718214 == kWQ 84,1032= Cũng từ công thức 1, ta tính được 22 T H và từ đó tìm được 22 T ( ) 23,50.350005,3718214 22 −== T HQ kgkJH T /46,156 22 = Từ đó ta tìm được: KT 353 22 = hay 80 0 C 4.2.2. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình Trước hết ta phải chọn chiều của chất tải nhiệt. Trong thực tế, người ta thường chọn thiết bị trao đổi nhiệt làm việc theo nguyên lý ngược chiều. Khi đó 5/21/2015 2 thường có lợi ích kinh tế cao hơn. Trong trường hợp này, ta cũng chọn thiết bị trao đổi nhiệt có 2 dòng chất tải nhiệt chuyển động ngược chiều. KT 200353553 max =−=∆ K125298423T min =−=∆ Ta dùng hiệu nhiệt độ trung bình logarit. Áp dụng công thức 2 […] min max minmax min max minmax tb T T lg3,2 TT T T ln tT T ∆ ∆ ∆−∆ = ∆ ∆ ∆−∆ =∆ Như vậy ta có: KT tb 75,159 125 200 lg3,2 125200 = − =∆ KT tb 75,159=∆ 4.2.3. Xác định hệ số truyền nhiệt Khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt loại “ống lồng ống”, các ống trao đổi nhiệt có thể là các ống tròn trơn hoặc có gân dọc. Ta có thể sử dụng một số công thức sau để tính hệ số truyền nhiệt K. Khi ống không có gân, bề mặt ống sạch: [ ] KW/m 11 1 K 2 2t t 1 α + λ δ + α = Khi ống không có gân, bề mặt ống bẩn: 5/21/2015 3 [ ] KW/m 11 1 K 2 22 2 1 1 t t 1 α + λ δ + λ δ + λ δ + α = Khi ống có gân, bề mặt ống sạch: [ ] KW/m F F 11 1 K 2 2 1 ' 2t t 1 α + λ δ + α = Khi ống có gân, bề mặt ống bẩn: [ ] KW/m F F 11 1 K 2 2 1 ' 22 2 1 1 t t 1 α + λ δ + λ δ + λ δ + α = Trong công thức từ (3) đến (6): k là hệ số truyền nhiệt [ Km/W 2 ] 1 α là hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt chảy trong ống nhỏ đến bề mặt trong của ống nhỏ [ Km/W 2 ]. 2 α là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ đến chất tải nhiệt chảy giữa 2 ống [ Km/W 2 ]. 21t ,, δδδ lần lượt là chiều dày của ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong và ngoài của ống nhỏ [ m ] 21t ,, λλλ lần lượt là hệ số dẫn nhiệt ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong và ngoài của ống nhỏ [ mK/W ] 21 F,F lần lượt là diện tích toàn bộ bề mặt trong và bề mặt ngoài của ống nhỏ (có gân). a) Tìm F 1 và F 2 Việc tìm F 1 và F 2 liên quan đến TB TĐN cụ thể, do vậy ta phải chọn sơ bộ TB TĐN. Để chọn sơ bộ TB TĐN ta phải tính được bề mặt trao đổi nhiệt giả định cần thiết. Muốn thể ta giả định hệ số truyền nhiệt K. 5/21/2015 4 Trên cơ sở số liệu chất tải nhiệt đã chọn, ta giả sử K = 300 W/m 2 K. Biết Kt tb 75,159=∆ , biết K = 300 W/m 2 K, ta tính được bề mặt trao đổi nhiệt theo công thức 7. tb tK Q F ∆ = 2 3 2255,21 75,159.300 10.84,1032 mF ≈== Trong thực tế, có các loại TB TĐN loại ống lồng ống có bề mặt trao đổi nhiệt là 15 m 2 (TTP 7.1 ) ; 30 m 2 (TTP 7.2) và loại 45 m 2 (TTP 7.3 ) Cũng có loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống, bề mặt ống trong có gân (loại TT 7.2) có diện tích là 30 m 2 , hệ số thêm gân khi có 24 gân là 5=ϕ , khi có 20 gân , đường kinh ống trong d = 48x4 mm, đường kính ống ngoài D = 89 x 5 mm, có 2 ngăn,mỗi ngăn có 2 hành trình và mỗi hành trình gồm 7 ống với chiều dài mỗi làm việc mỗi ống l= 6.5 m ;nhiệt độ làm việc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối đa là 25 at. Vậy Với F=22m 2 , thì cần 1 thiết bị loại 30m 2 là đủ. Khi đó, ta có: số ống N= 22.28/30 =20,53 ≈ 21 ống, Suy ra số ống cho 1 hành trình N l =21/4=5,25≈ 6 ống Với ống không có gân F = F 1 = 22 m 2 Với ống có gân dọc F 1 = 22 m 2 Ống có 20 gân 2 12 6,9422.3,4. mFF === ϕ Ống có 24 gân 2 12 11022.5. mFF === ϕ b). Tính 1 α : hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ đến bề mặt trong của ống Ta có thể sử dụng các công thức sau để tính 1 α nếu dòng chảy rối. 25,0 1, 1 43,0 1 8,0 1 1 1 Pr Pr .PrRe021,0 = t d λ α 5/21/2015 5 Hay: 45,0 t t 4,0 1 8,0 1 1 1 d D .PrRe d 027,0 λ =α Trong đó: 1 λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, [W/mK] d t : đường kính trong của ống nhỏ, [m] (d t = 0,04 m) D t : đường kính trong của ống ngoài, [m] (D t = 0,079 m) Các thông số nhiệt vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình của Diesel. Re 1 và Pr 1 là chuẩn số Reynold và chuẩn số Prandt khi các thông số vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình. Trong tính toán, vì chuẩn số Pr ít thay đổi theo nhiệt độ nên có thể coi. 1 Pr Pr 1,t 1 = Nhiệt độ trung bình phía Diesel: 1tb T K TT T tb 488 2 423553 2 1211 1 = + = + = (215 0 C) Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình: 1 λ có thể tính theo công thức (10): ( ) 1tb 288 277 1 T.00047,01 d 1346,0 −=λ với ( ) 293000725,0 293 277 288 277 −−= Tdd ( ) 293288000725,08,0 288 277 −−=d = 0,804 ( ) 129,0488.00047,01 804,0 1346,0 1 =−= λ [W/mK] 129,0 1 =λ [W/mK] Tính chuẩn số Reynold (Re 1 ): 1 Re được tính theo công thức: 1 t1 1 d Re υ ω = Với 1 ω là vận tốc diesel chảy trong ống, [m/s] 1 υ là độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình, [m 2 /s] 5/21/2015 6 Vận tốc dòng diesel được tính: 11tb 1 1 f.3600 G ρ =ω 1tb ρ là khối lượng riêng của diesel ở nhiệt độ trung bình 488 K. Biết 293 277 d = 0,8. Tính ( ) 293T000725,0dd 293 277 488 277 −−= ( ) 659,0293488000725,08,0 488 277 =−−=d Coi tỷ khối bằng trọng lượng riêng nên: 659 1 = tb ρ kg/m 3 1 f là tiết diện cắt ngang của các ống trong 1 hành trình. Thiết bị có 2 ngăn, 34 ống, mỗi ngăn có 2 hành trình, mỗi hành trình có 6 ống ( 6 1 =N ). ( ) 007536,06 4 04,0.14,3 4 2 1 2 1 === N d f t π m 2 Do vậy: 615,0 007536,0.659.3600 11000 1 == ω m/s 615,0 1 = ω m/s Độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình Từ bảng giá trị độ nhớt theo nhiệt độ, ta vẽ đồ thị độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ. Từ đồ thị ta sẽ tìm được giá trị độ nhớt ở một nhiệt độ nào đó. 5/21/2015 7 Từ đồ thị hình 3, ta xác định độ nhớt động học ở 215 0 C: 24,024,0 1 == cSt υ .10 -6 m 2 /s Ta cũng có thể xác định độ nhớt ở một nhiệt độ bất kỳ khi biết độ nhớt ở 2 nhiệt độ khác theo công thức: 273T 273T lgnlg 1 2 2 1 − − = υ υ Biết T 1 , T 2 , 1 υ , 2 υ , ta xác định được n. Sau đó ta tính ngược lại để xác định được độ nhớt tại một nhiệt độ nào đó. Ví dụ: Ở K373T 1 = có 45,0 1 =υ K523T 2 = có 21,0 2 =υ 273373 273523 lgn 21,0 45,0 lg − − = 8317,0n =→ Vậy ở nhiệt độ K488T 1tb = ta có: 273373 273488 lg8317,0 45,0 lg − − = υ 24,0238,0 ≈=υ→ Từ các số liệu đã cho ta tính được chuẩn số Reynold: 1000056,102544 10.24,0 04,0.615,0 Re 6 1 >== − 5/21/2015 8 56,102544Re 1 = Vậy dòng là dòng chảy rối - Tính chuẩn số Prandt: Chuẩn số Pr được xác định theo công thức: Với: C là nhiệt dung riêng, [J/kg.K] ( ) ( ) 488.0034,0762,0 804,0 1 .0034,0762,0 1 1 288 277 1 +=+= tb T d C =2,7 [J/kg.K] 3103,3Pr 1 = Tính 1 α : Áp dụng công thức 8, ta có: 17,11563103,356,102544 04,0 129,0 021,0 43,08,0 1 == α W/m 2 K 17,1156 1 = α W/m 2 K c) Tính 2 α : hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ống nhỏ đến dầu thô. Nếu dòng chảy rối, có thể sử dụng công thức 8 hoặc 9 để tính 2 α , trong đó các tính chất vật lý là của dầu thô ở nhiệt độ trung bình. - Nhiệt độ trung bình của dầu thô 2tb T 5,325 2 298353 2 2221 2 = + = + = TT T tb K - Hệ số dẫn nhiệt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình 2tb T ( ) 2tb 288 277 2 T.00047,01 d 1346,0 −=λ 5/21/2015 9 3103,3 129,0 659.10.7,2.10.24,0 Pr 36 1 111 1 === − λ ρυ C λ ρυ . Pr C = ( ) 128,05,325.00047,01 894,0 1346,0 2 =−= λ W/mK 128,0 2 = λ W/mK Trong đó: ( ) ( ) 293288000725,089,0293288000725,0 293 277 288 277 −−=−−= dd 894,0 288 277 =→ d - Tính tiêu chuẩn Reynold 2 Re 2 Re được tính theo công thức 11 2 tb2 2 D Re υ ω = Với 2 ω là vận tốc dòng dầu thô chảy trong tiết diện hình vành khăn giữa 2 ống, [m/s] 2 υ là độ nhớt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình. [m2/s] tb D là đường kính tương đương của hình vành khăn, [m]. + Đường kính tương đương được xác định theo công thức: 031,0048,0079,0dDD nttb =−=−= m + Vận tốc dòng dầu thô 22tb 2 2 f.3600 G ρ =ω Trong đó: 2tb ρ là khối lượng riêng của dầu thô ở nhiệt độ trung bình 2tb T ( ) ( ) 2935,325000725,089,02932000725,0 293 277 5,325 277 −−=−−= Ttbdd 866,0 5,325 277 =d Coi tỷ trọng bằng khối lượng riêng nên 866 2 = tb ρ kg/m 3 2 f là tiết diện hình vành khăn, tính theo công thức: ( ) ( ) 0185,0048,0079,0 4 14,3 .6 4 222 2 2 =−=−= nt dDNf π m 2 Do vậy 5/21/2015 10 [...]... trường hợp ống trao đổi nhiệt bị bẩn Do vậy phải sử dụng các hệ số truyền nhiệt K khi bề mặt ống bị bẩn Do diện tích trao đổi nhiệt F này là diện tích trao đổi nhiệt tối thiểu cần phải có a, Khi ống không có gân, bề mặt ống bị bẩn F’=Q/(k.∆ttb)=1032,84.103/(198,63.159,75)=32,55 m2 5/21/2015 16 b, Khi ống có gân, bề mặt ống bị bẩn - ống có 20 gân F’= 1032,84.103/(345,28.159,75) =18,72 m2 - ống có 24... K=198,63 W/m2K + Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống sạch: K= 1 1 δt 1 F + + ' 1 α1 λ t α 2 F2 [ W/m K ] 2 ống 20 gân: K= K = 880,12 W/m2K 5/21/2015 15 ống 24 gân: K= K=916,69 W/m2K + Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống bẩn: K= 1 1 δ t δ1 δ 2 1 F + + + + ' 1 α1 λ t λ1 λ 2 α 2 F2 [ W/m K ] 2 ống 20 gân: K= K=345,28 W/m2K ống 24 gân: K= K=350,76 W/m2K 4.2.4 Xác định bề mặt trao... Chọn thiết bị trao đổi nhiệt a, Khi ống không có gân Bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là F’ = 32,55 m2 Nếu sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống như đã chọn sơ bộ (F = 30 m2) thì số thiết bị cần sử dụng là: z’ = F’/F =32,55/30=1,085 Để đảm bảo yêu cầu ta sẽ sử dụng 2 thiết bị (z’ = 2) Hai thiết bị này có thể lắp nối tiếp b, Khi bề mặt ngoài của ống có gân - ống có 20 gân: Diện tích tối thiểu... Pr Dt t2 0 , 25 k 0 là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold ε1 là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold và tỷ số giữa chiều dài và đường kính ống (l/d) Với Re 2 = 6605,3 thì k 0 = 21,77 [16 – Sổ tay T2] Với thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống đã chọn, chiều dài ống thường là l=6,5 m Như vậy tỷ số l/d >50 Do vậy ε1 = 1 - Tính chuẩn số Prandt Theo công thức 12 ta có: Pr2 = υ2 C 2ρ 2 λ2 Vì nhiệt dung... Z’=18,72/30 =0,624 Ta sẽ sử dụng 1 thiết bị trao đổi nhiệt là đủ - ống có 24 gân: bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là 18,43 m2 Z’= 18,43/30 =0,614 Cũng chỉ cần 1 thiết bị trao đổi nhiệt 5/21/2015 17 Như vậy, theo kinh nghiệm và thực tế tính toán để đảm bảo yêu cầu đặt ra ta nên sử dụng 1 thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống, bề mặt ngoài của ống nhỏ có gân Đặc tính của thiết bị như sau Các thông số thiết... 428,77 W/m2K 0,031 α 2 = 428,77 W/m2K 5/21/2015 12 d) Tính α 2 ' : hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ có gân đến dầu thô Khi ống có gân, có thể xác định hệ số cấp nhiệt theo công thức: 2 hβ − δ α g = α t 1 + S Với α g là hệ số cấp nhiệt khi ống có gân [W/m2K] α t là hệ số cấp nhiệt khi ống không có gân [W/m2K] h là chiêu cao gân, [m] (h=0,013 m) δ là chiều dày gân, [m] ( δ =0,001 m)... Trở nhiệt lớp cặn bẩn: diedel r1= Dầu thô r2= 5/21/2015 =0,00123 m2K/W =0,00053 m2K/W 14 Theo các công thức (3) đến (6) ta tính được hệ số truyền nhiệt K ứng với các trường hợp cụ thể: + Khi ống không có gân, bề mặt sạch K= 1 1 δt 1 + + α1 λ t α 2 [ W/m K ] 2 = K=305,39 W/m2K + Khi ống không có gân, bề mặt bẩn K= [ W/m K ] 1 1 δ t δ1 δ 2 1 + + + + α1 λ t λ1 λ 2 α 2 2 = K=198,63 W/m2K + Khi ống. .. 52,50C bảng XII.7 Trang 313 Sổ tay T2) Từ đó tính m: m= 2.428,77 = 128,79 0,001.51,7 5/21/2015 13 Do vậy m.h = 1,674 Suy ra β= = ( )=0,5568 Ống 20 gân: 2.0,013.0,5568 − 0,001 2hβ − δ α 2 ' = α 2 1 + = 428,771 + S 0,0075 α 2 ' = 1199,26 W/m2K Ống 24 gân: 2.0,013.0,5568 − 0,001 α 2 ' = 428,771 + 0,0063 α 2 ' = 1345,98 W/m2K e Tính hệ số truyền nhiệt K Sau khi lựa chọn sơ... [m] ( δ =0,001 m) S là bước gân, [m] β là hệ số phụ thuộc vào tích số (m.h) với m được tính theo công thức: m= 2α t δ.λ t Bước gân S được tính theo công thức: πd n S= Với ống có 20 gân, d = 0,048 m thì: S= 3,14.0,048 = 0,0075 m 20 Với ống có 24 gân, d = 0,048 m thì: S= 3,14.0,048 = 0,0063 m 24 Tìm β : α t = α 2 = 428,77 W/m2K δ =0,001 m λ t = 51,7 là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu chế tạo gân (dùng thép... mặt ngoài của ống nhỏ có gân Đặc tính của thiết bị như sau Các thông số thiết bị F D D P N’ Lo L N Tmax N δ H ϕ Vật liệu 5/21/2015 30 m2 89 × 5mm 48 × 4mm 25at 2 hành trình (ngăn dọc) 6500 mm 7635 mm 14 ống 723 K 20 (24) gân 0,001 m 0,013 m 4,3(5) Thép cacbon 18 . đổi nhiệt loại ống lồng ống Đề bài: Một thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu điêzen đi bên trong các ống trao đổi nhiệt để đun nóng dòng dầu thô đi bên ngoài các ống trao đổi nhiệt. tính toán và lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống trong hai trường hợp (1) ống trong là ống tròn trơn và (2) ống trong là ống tròn, mặt ngoài có gân dọc. Các yêu cầu như sau: Thông. loại ống lồng ống , các ống trao đổi nhiệt có thể là các ống tròn trơn hoặc có gân dọc. Ta có thể sử dụng một số công thức sau để tính hệ số truyền nhiệt K. Khi ống không có gân, bề mặt ống