Tài liệu Đồ án thiết bị trao đổi nhiệt

Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC MỤC LỤC Trang PHẦN 1: MỞ ĐẦU.................................................................................03 1.1 Nhiệm vụ của đồ án....................................................................03 1.2 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt..........................................03 1.2.1. Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt...................13 1.2.2. Sơ lược về quá trình đun nóng............................................06 1.3 Tổng quan về vật liệu..................................................................07 1.3.1. Tính chất của nguyên liệu....................................................08 1.3.2. Thông số của thiết bị.............................................................08 PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ.................................................09 2.1 Sơ đồ công nghệ...........................................................................09 2.2 Tính nhiệt lượng trao đổi Q.......................................................10 2.3 Nhiệt độ trung bình giứa hai lưu thể........................................10 2.4. Hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể..............................................11 2.5 Tính bề mặt truyền nhiệt...........................................................21 2.6 Số ống truyền nhiệt.....................................................................21 2.7 Đường kính trong thiết bị đun nóng.........................................22 2.8 Tính lại vận tốc và chia ngăn.....................................................22 PHẦN 3: TÍNH CƠ KHÍ.......................................................................24 3.1. Tính buồng gia nhiệt..................................................................24 3.1.1. Các thông số tra và chọn....................................................24 3.2.1. Tính và chọn bề dày – tính bền cho buồng gia nhiệt.........24 3.2. Tính toán đáy – nắp thiết bị......................................................25 3.3. Tính toán vỉ ống..........................................................................25 PHẦN 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ TRỢ.....................................27 4.1. Tai treo.........................................................................................27 4.2. Chọn bích.....................................................................................27 4.3. Chọn bơm....................................................................................27 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 1 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC PHẦN 5: KẾT LUẬN.............................................................................28 PHẦN 6 : TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................29 *** NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ..........................30 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 2 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - PHẦN 1: Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC MỞ ĐẦU 1.1 Nhiệm vụ của đồ án Nhiệm vụ của đồ án môn học là: “Tính toán, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho dung dịch NaCl trong quá trình điều chế xút NaOH” với năng suất 1200 kg/h, nhiệt độ NaCl vào là 20oC, nhiệt độ NaCl ra là 84oC, được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa. Đồ án gồm 5 phần chính:  Phần 1: Mở đầu  Phần 2:Tính toán công nghệ  Phần 3:Tính cơ khí  Phần 4: Lựa chọn thiết bị phụ trợ  Phần 5: Kết luận Có thể nói thực hiện Đồ án môn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại toàn bộ các kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học. Ngoài ra đây còn là dịp mà sinh viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn, tính toán và thiết kế các chi tiết của một thiết bị với các số liệu rất cụ thể và rất thực tế. Trong quá trình thực hiện đồ án này em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của giảng viên ThS. Nguyễn Tiến Hưng, và các thầy cô bộ môn Máy và thiết bị hóa chất khoa Công nghệ Hóa học trường Đại học Công nghiệp Việt Trì. Em xin chân thành cảm ơn giảng viên ThS. Nguyễn Tiến Hưng và các thầy cô trong bộ môn cũng như các bạn đồng môn đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án. 1.2 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt 1.2.1 Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt a) Định nghĩa: Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình truyền nhiệt giữa các chất mang nhiệt. b) Phân loại: - Trao đổi nhiệt dạng vách ngăn - Trao đổi nhiệt dạng hồi nhiệt - Trao đổi nhiệt dạng hỗn hợp Trong kỹ thuật cũng như trong sản xuất đời sống thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp thông qua vách ngăn là loại được sử dụng phổ biến nhất. Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 3 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Các loại thiết bị thường gặp: *) Dạng ống lồng ống: Cấu tạo: Gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, mỗi đoạn có 2 ống lồng vào nhau.Chất tải nhiệt I đi trong ống từ dưới lên. Còn chất tải nhiệt II đi trong ống ngoài từ trên xuống. Khi năng suất lớn đặt nhiều dãy làm việc song song. Được dùng cho cả mục đích đun nóng và làm nguội. Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn vì có thể tạo ra tốc độ lớn cho cả 2 chất tải nhiệt. Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao, khó làm sạch khoảng trống giữa 2 ống. *) Dạng giàn tưới: Dùng để làm nguội và ngưng tụ, chất lỏng phun ở ngoài đường ống là nước lạnh. Nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ trên xuống dưới đổ vào máng chứa CTN nóng đi trong ống. Khi trao đổi nhiệt sẽ có 1 phần nước bay hơi. khi bay hơi như vậy nó sẽ lấy đi 1 phần nhiệt từ CTN nóng ở trong ống do đó lượng nước dùng để làm nguội ở đay ít hơn so với các thiết bị làm nguội khác. Thiết bị cần đặt ở nơi thoáng gió, ngoài trời. Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn vì có thể tạo vận tốc lớn ở 2 phía, năng suất cao. Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao, khó làm sạch khoảng cách giữa 2 ống. *) Ống xoắn ruột gà: Cấu tạo: Gồm các đoạn ống thẳng nối với nhau bằng ống khuỷu gọi là xoắn gấp khúc, hoặc các ống uốn cong theo hình ren ốc gọi là ống xoắn ruột gà. Khi làm việc 1 chất tải nhiệt đi trong ống còn 1 chất tải nhiệt khác đi ngoài ống. Hệ số cấp nhiệt trong ống xoắn thường lớn hơn 1 ít. Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 4 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Ưu điểm: Thiết kế đơn giản có thể là bằng những vật liệu chống ăn mòn, dễ kiểm tra và sửa chữa, chạy êm. Nhược điểm: Cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt phía ngoài bé, khó làm sạch phía trong ống, trở lực thủy lực lớn hơn ống thẳng. Chất lỏng cho vào từ dưới lên để ống xoắn luôn chứa đầy còn hơi thì cho từ trên xuống để tránh va đập thủy lực. *) Ống chùm: Thiết bị ống chùm được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hóa chất, nó có những ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn. Thiết bị truyền nhiệt ống chùm loại đứng gồm: 1- Vỏ hình trụ. 2- Lưới đỡ ống. 3- Ống truyền nhiệt. 4- Mặt bích có bu lông ghép. Trên vỏ, nắp, và đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt. Thiết bị truyền nhiệt được đặt trên chân đỡ hoặc tai treo hàn vào vỏ 1. Chất tải nhiệt I (dung dịch NaCl) đi vào từ dưới đáy qua các ống lên trên và ra khỏi thiết bị, còn chất tải nhiệt II (hơi nước bão hòa) đi từ cửa trên của vỏ vào khoảng trống giữa các ống và vỏ rồi đi ra phía dưới. Trong thiết bị diễn ra quá trình truyền nhiệt của hơi bão hòa tới hỗn hợp. Cấu tạo: Gồm vỏ hình trụ 1, hai đầu hàn hai lưới ống 2, các ống truyền nhiệt 3 được lắp kín, chắc vào lưới ống. Trên vỏ, nắp và đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt. thiết bị được cài đặt trên giá đỡ bằng tai treo hàn vào vỏ. Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn, đôi khi người ta còn dùng đệm để lắp kín. Ưu điểm: Kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn. Nhược điểm: Khó chế tạo bằng vật liệu giòn, giá thành cao. Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 5 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC 1.2.2 Sơ lược về quá trình đun nóng Đun nóng là việc sử dụng chất tải nhiệt để có nhiệt độ cao để làm tăng nhiệt độ của một chất tải nhiệt khác. Đây là một quá trình phổ biến trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, nó có tác dụng làm tăng vận tốc của một số quá trình phản ứng hóa học, ngoài ra nó còn là một phương tiện cần thiết để thực hiện các quá trình khác như cô đặc, chưng cất, sấy khô. Nhiệt năng lượng dụng cho quá trình đun nóng có thể được tạo ra bằng nhiều phương pháp và từ nhiều nguồn nhiệt khác nhau. Ví dụ như khói lò, khí thải, chất lỏng thải nhiệt độ cao hay các chất tải nhiệt trung gian như hơi nước, hơi nước quá nhiệt, chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao… Khi lựa chọn nguồn nhiệt ta cần quan tâm đến các yếu tố quan trọng sau: - Nhiệt đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ. - Áp suất hơi bão hòa và độ bền do ảnh hưởng của nhiệt độ. - Độ độc và tính hoạt động hóa học. - Độ an toàn khi đun nóng (không gây cháy nổ). - Rẻ tiền, dễ kiếm. Tùy thuộc vào nguồn nhiệt sử mà ta có các phương pháp đun nóng khác nhau: - Đun nóng bằng hơi nước bão hòa. - Đun nóng bằng khói lò. - Đun nóng bằng dòng điện. - Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt (hơi nước quá nhiệt, chất tải nhiệt hữu cơ, chất lỏng có nhiệt độ sôi cao…) - Đun nóng bằng chất lỏng thải, khói thải. Thiết bị sử dụng trong quá trình đun nóng rất đa dạng, tùy từng phương pháp trao đổi nhiệt (TĐN) gián tiếp hay trực tiếp mà ta có thể sử dụng các thiết bị đun nóng: - Thiết bị TĐN loại xoắn ốc - Thiết bị TĐN loại tấm - Thiết bị TĐN loại ống chùm - Thiết bị TĐN loại ống lồng ống - Thiết bị đun nóng loại sục - Thiết bị đun nóng loại sủi bọt… Mỗi chất tải nhiệt khi sử dụng các thiết bị TĐN và phương pháp đun nóng đều có những ưu nhược điểm nhất định do vậy tùy từng trường hợp cụ thể mà ta đưa sự lựa chọn phù hợp để đạt hiệu quả cao. Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 6 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Trong phạm vi đề tài này ta xét đến quá trình gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa sử dụng thiết bị TĐN loại ống chùm. Đun nóng bằng hơi nước bão hòa. Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hòa được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học với nhiều ưu điểm như: - Hệ số cấp nhiệt lớn (α = 10000 ÷ 15000 W/m 2.độ) do đó bề mặt truyền nhiệt nhỏ tức là thiết bị nhỏ gọn hơn so với các thiết bị đun nóng bằng chất tải nhiệt khác khi cùng một năng suất tải nhiệt. - Lượng nhiệt cung cấp lớn vì đó là lượng nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ hơi. - Đun nóng đồng đều do hơi ngưng tụ trên toàn bộ bề mặt TĐN. - Nhiệt độ của hơi nước bão hòa không thay đổi trong suốt quá trình TĐN. - Dễ điều chỉnh nhiệt độ hơi nước đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất hơi. - Vận chuyển hơi đi xa dễ dàng bằng đường ống. Tuy nhiên , không thể sử dụng hơi nước bão hòa để đun nóng ở nhiệt độ quá cao được vì nhiệt độ hơi càng tăng thì áp suất hơi bão hòa cũng tăng đồng thời ẩn nhiệt hóa hơi giảm. Do đó khi nhiệt độ cao thì thiết bị sẽ phức tạp hơn, hiệu suất sử dụng nhiệt giảm. Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bảo hòa chỉ sử dụng trong trường hợp đun nóng với nhiệt độ t < 1800C 1.3 Tổng quan về vật liệu Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành công nghiệp sản xuất hóa chất cơ bản. Nó đóng vai trò rất lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu, sản xuất phèn... NaoH là một bazơ mạnh, có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao. Vì vậy cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất. Trước đây trong công nghiệp NaOH thường được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa. Trong đó công đoạn gia nhiệt cho dung dịch NaCl trong quá trình điều chế xút NaOH là một công đoạn rất quan trọng, nó giúp rút ngắn thời gian sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Quá trình gia nhiệt có thể sử các thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, ống xoắn ruột gà, ống lồng ống... Trong đó thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là loại thiết bị có kết cấu đơn giản, chắc gọn, bề mặt truyền nhiệt lớn, dễ vận hành, sửa chữa mà vẫn mang lại hiệu quả cao. 1.3.1 Tính chất của nguyên liệu Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 7 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC - NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion - Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày - Khối lượng riêng dung dịch 10% là 1073 (kg/m3) - Độ nhớt là 1,07.10-3 (Ns/m2) ở 20oC (dung dịch 10%). - Độ hòa tan ở 50oC là 27,1% ,ở 20oC là 26,3% - Nguyên liệu đem đi gia nhiệt là dung dịch NaCl 10% với chất tải nhiệt là hơi nước bão hòa. 1.3.2 Thông số của thiết bị Các ống trong thiết bị được bố trí theo hình sáu cạnh, cách lắp ống kiểu hàn. Chọn thông số kỹ thuật: - Chọn vật liệu thép CT3. - Chiều cao giữa hai mặt bích: H = 2 m. - Chuẩn số Reynolds: Re = 10500. - Đường kính ống: d = 30  2 mm. - Bề dày ống truyền nhiệt: δ = 2 mm = 0,002 m. - Nhiệt độ của hơi nước bão hòa có áp suất 4at là: 142,9 oC (I.251 – Tr314 – STQTTB 1) Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 8 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - PHẦN 2: Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ công nghệ Các chi tiết chính 1 Lò hơi 2 Bơm gia nhiệt 3 Thùng chứa nguyên liệu 4 Bơm nhiên liệu 5 Đáy thiết bị 6 Thân thiết bị 7 Nắp thiết bị 8 Áp kế 9 Nhiệt kế 10 Trai treo 11 Ống xả khí ngưng 12 Thiết bị điện phân Thuyết minh sơ đồ dây chuyền: Bơm dung dịch ban đầu có nhiệt độ 20 oC từ bể chứa nguyên liệu vào thiết bị gia nhiệt bằng bơm ly tâm. Quá trình nhập liệu diễn ra trong vòng 15 phút đến khi nhập đủ 1200 kg thì ngừng. Khi đã nhập liệu đủ 1200 kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa ở áp suất 4 at) vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch. Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống chùm). Dung dịch chảy trong ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống. Dung dịch trong ống sẽ được gia nhiệt. Dung môi là nước bốc hơi và thoát ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt. Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngòai qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngoài. Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 9 P T Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nhiệt độ 84 oC thì ngưng cấp hơi. Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu và dung dịch đã được gia nhiệt được đưa sang thiết bị điện phân để tiến hành công đoạn tiếp theo. 2.2 Tính nhiệt lượng trao đổi Q Q = Gđ.Cp.(tF –tf) (W) Trong đó: Gđ - Lưu lượng hỗn hợp đầu, Gđ = 1200 kg/h tF - Nhiệt độ của hỗn hợp , tF = t = 84oC. tf - Nhiệt độ thường (tf = 20oC) t1 - Nhiệt độ làm việc của hỗn hợp ở P = 4at có t1 = 142,9oC (I.251 – Tr314 / ST QTTB 1) Cp - Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại tF, ta có: Nồng độ NaCl là 10% < 20%, áp dụng CT : C = 4186.(1 – x) = 4186.(1 – 0,1) = 3394,8 (J/kg.độ) Vậy nhiệt lượng trao đổi Q : Q 1200.3394,8.(84  20)  72422,4 (W) 3600 2.3 Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể to o C t1đ t1c t2c t2đ Hiệu số nhiệt độ lớn: Ta chọn t1 = 142,9 oC, tf = 20 oC, tF = 84 oC ∆tđ = 142,9 – 20 = 122,9 (oC). Hiệu số nhiệt độ bé: ∆tc = 142,9 – 84 = 58,9 (oC). t 122,9 đ Vì t  58,9  2,1  2 nên nhiệt độ trung bình theo CT (Tr67 – QTTB 3) c Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 10 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Nhiệt độ trung bình của hai lưu thể được xác định: tđ  tc 122,9  58,9  87,012  oC  ∆ttb = ln  tđ  = ln 122,9  (Tr67 – QTTB 3)    58,9   tc  Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể là: (Tr67 – QTTB 3) Hơi đốt: t1tb = 142,9 oC Phía hỗn hợp: t2tb = 142,9 – 87,012 = 55,888 (oC) Tại t2tb = 55,888 (oC) (nội suy theo [3.171] (Tr67 – QTTB 3) Của NaCl: CNaCl = 3394,8 J/kg.oC Của nước: CN = 4186,916 J/kg.oC → Cp = aMCNaCl + (1 – aM)CN Cp = 0,25.3394,8 + 0,75.4186,916 = 3988,88 (J/kg.oC) 2.4 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể. Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức: 1  2,04. A.4 r t1.H W / m 2 o . C  (V.101 – Tr28 – STQTTB 2) Trong đó: r - Nhiệt ngưng tụ của hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa, J/kg; ∆t1 - Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, oC; H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = 2 (m). A - hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng tm. Chọn t1 = 10 0C vậy tm = thđ – 0,5.t1 = 142,9 – 0,5.10 = 137,9oC; vậy A = 195 Ứng với thđ = 142,9 oC nội suy, ta có: r = 2135,5.103 J/kg (I.251 – Tr314 – STQTTB 1)  2135,5.103   1  2,04.195.  2.10    0, 25 2  7190,882 (W/m .độ) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ q1  1.t1  7190,882.20  71908,82 (N/m2) Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 11 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống: t '1  tT1  tT2  q1.rt (oC ) Trong đó: r : Tổng nhiệt trở của ống. Với rt  r1  r2   (W/m2.độ)  r1, r2: Nhiệt trở cặn bẩn 2 phía tường (W/m2.độ) σ: Bề dày ống truyền nhiệt (m2) λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt (W/m. độ) Theo bảng V.1[2-4] r1 = 0,387.10-3 (W/m2.độ) r2 = 0,232.10-3 (W/m2.độ) σ = 2mm. Ống làm bằng thép CT3 có λ=50 (W/m.độ)  rt  0,387.10 3  0,232.10 3  2.10 3 2  0,3928.10 3 (W/m .độ) 50 Vậy: t '1  42819,675.0,3928.10 3  28,218 (oC) tt1  t1  t1  142,9  10  132,9 (oC) tT2  tt1  t '1  132,9  28,218  104,082 (oC) t2  tT2  t2tb  104,082  58,888  45,194 (oC) Tính hệ số cấp nhiệt:  2  Pr     .0,021. Re 0,8 . Pr 0, 43 .  d  Prt  0 , 25 . k Pr Ta có: Pr  1 t k: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống. L = H = 2m; d = 0,030 Vậy: l 2   66,67 ~ 70 .Tra d 0,030 bảng (V – 2) [1-15]  k = 1 Nên ta có:  2  Mà Pr  C p .  l .0,021. Re 0,8 . Pr 0, 43 chọn Re = 10500 d (1.22 –[4 -21]) Trước tiên ta tính hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở ttb là  1   A.C p . .3  M (W/m. độ) Trong đó: Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 12 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC A: Hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng A = 3,58.10-3 Cp : Nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch , Cp=3394,8 (J/Kg.độ) M : Khối lượng phân tử của hỗn hợp NaCl, ta có M = a NaCl .58,5  1  a NaCl .18 (*) Mà a NaCl  18,9 / 58,5  0,067 18,9 / 58,5  81,1 / 18 Thay vào (*) ta được M = 20,713 (kg/kmol)  : khối lượng riêng của dd ở ttb2 = 40 và Xđ = 18,9%. Tra bảng I.57 - [1-42] ta được  = 1188 (kg/m3)  : độ nhớt của dung dịch ở ttb2 = 40 và Xđ = 18,9%. Tra bảng I.107 – [1 - 100] ta có  = 0,932.10-3 (N.s/m2)   3,58.10 8.3394,8.1188.3  Pr = 1188  0,55 20,713 (W/m.độ) 3394,8  0,932.10 3  5,685 0,55 0,55 0 ,8 0 , 43 Vậy  2  0,030 .0,021.10500  . 5,685 .1  1339,51 (W/m2.độ) q2 = α2.t2 = 1339,51.45,194 = 60537,81 (W/m2) Tính lần 1: Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 2 oC. a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ: * Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 2 oC → tt1= t1tb – ∆t1 = 142,9 – 2 = 140,9 (oC) Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm  t1tb  tt1 142,9  140,9   141,9 2 2  C o Từ tm = 141,9 oC tra bảng ta được: A = 194,285 Vậy : 1  2,04.194,285.4  2135,5.103  10713,45 W / m 2 .o C 2.2  b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Chọn Re = 10500 Hệ số cấp nhiệt α được tính theo công thức: Nu  0,021. k . Re . Pr 0,8 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi 0 , 43  Pr     Prt  0 , 25 Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 13 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  Suy ra: Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC  Pr     0,021.  k . Re0,8 . Pr 0, 43   d  Prt  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; εk- 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. Dựa vào bảng 1.3 ta có: L 2   58,823  50   k  1 d 0,026 Tính chuẩn số Pr theo công thức : Pr  C p .  Trong đó: Cp - nhiệt độ riêng của hỗn hợp ở t2tb; μ - độ nhớt của dung dịch ở t2tb; λ - hệ số dẫn nhiệt độ ở t2tb tính theo công thức:    .C p . .3  M Trong đó: ρ - khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3; M - khối lượng phân tử của hỗn hợp, kg/kmol; Ta có : Cp = 3825,561 J/kg oC ε - hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, với chất lỏng kết hợp (dung dịch NaCl - nước) thì ε kết hợp = 3,58.10-8. Tại t2tb = 55,888 oC nội suy ta có : ρNaCl = 759,7008 kg/m3 ρN = 984,8504 kg/m3 1  0,75   0,25 →      916,915 kg / m3  759,7008 984,8504   Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp là: Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 14 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC   3,58.10 8.3825,561.916,9153 916,915  0,448 W / m 2 .o C  20,212 Tại t2tb = 55,888 oC ta có: ΜNaCl = 0,35.10-3 Ns/m2 μN = 0,5.10-3 Ns/m2 → lg(μhh) = xF.lg(μM) + ( 1 – xF ).lg(μN) lg(μhh) = 0,158lg(0,35.10-3) + (1 – 0,158).lg(0,5.10-3) → μhh = 0,4726.10-3 (Ns/m2) Do đó: Pr  C p .   3825,561.0,4726.103  3,974 0,455 Tính chuẩn số Prt : Prt  C pt . hh t Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 10713,45.2 q1 = 21426,9 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Trong đó: tt2 - nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp, oC; ∑rt - nhiệt trở ở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC /W rt  rt1    rt  2 Trong đó: rt1, rt2 - nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, m2.độ/W; δ - bề dày của ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = 2 mm = 0,002 m; λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m. oC; với thép CT3 ta có λ = 46,5 W/m.độ. Dựa vào bảng [3.4] ta chọn: rt1 = 1,16.10-3 m2.độ/W rt2 = 0,464.10-3 m2.độ/W rt  1,16.10 3  0,002  0,464.10 3 46,5 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 15 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  -3 Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC 2 ∑rt = 1,667.10 (m .độ/W) Do đó: ∆tt = q1.∑rt= 21426,9.1,667.10-3 = 35,719 (oC) → tt2 = tt1 – ∆tt = (142,9 - 2) – 35,719 = 105,181 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb = 105,181- 55,888 = 49,293 (oC) Tại tt2 = 105,181 oC nội suy ta có: CNaCl = 2990,905 J/kg.độ CN = 4241,657 J/kg.độ → Cpt = 0,25.2990,905 + 0,75.4241,657 Cpt = 3928,969 (J/kg.độ) Tại tt2 = 105,181 oC nội suy ta có: ΡNaCl = 707,783 kg/m3 ρN = 954,114 kg/m3 1  0,75   0,25 → t      877,743 kg / m3  707,783 954,114   Tại tt2 = 105,181 oC nội suy ta có: μM = 0,2.10-3 Ns/m2 μN = 0,27.10-3 Ns/m2 → lg(μhh) = xF.lg(μM) + (1 – xF ).lg(μN) lg(μhh) = 0,158.lg(0,2.10-3) + (1 – 0,158).lg(0,27.10-3) → μhh = 0,257.10-3 (Ns/m2) Ta được: t   k .C pt . t .3 t M t  3,58.10 8.3928,969.877,743.3 Prt  C pt . hh t  877,743  0,434 20,212 (W/m2.oC) 3928,969.0,257.10 3  2,327 0,434  Pr    Vậy:  2  0,021. . k . Re 0,8 . Pr 0, 43  d Pr  t 0 , 25 0,434  3,974   2  0,021. .1.10500 0,8.3,9740, 43   0,026  2,327  Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi 0 , 25 Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 16 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC 2 α2 = 1191,955 (W/m .độ) → q2 = α2.∆t2 = 1191,955. 49,293 q2 = 58755,04 (W/m2) Ở đây ta thấy rằng nhiê êt tải riêng về phía hơi ngưng tụ q1= 21426,9 W/m2 khác rất xa với nhiê êt tải riêng về phía hỗn hợp chảy xoáy q2= 58755,04 W/m2. Mà bài toán ta đang xét là truyền nhiê êt ổn định nên q1= q2= qtb, do vâ êy để tìm giá trị qtb ta phải tính lă êp. Tính lần 2: Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 0,8 oC. a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức: 1  2,04. A.4 r t1.H W / m 2 o . C  Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 0,8 oC tt1= t1tb- ∆t1= 142,9 - 0,8 = 142,1 (oC) → Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm  t1tb  tt1 142,9  142,1   142,5 (oC) 2 2 Từ tm = 142,5 oC tra bảng ta được: A = 194,375 2135,5.103  13477,69 W / m 2 .o C  Vậy : 1  2,04.194,375.4 0,8.2 b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Chọn Re = 10500 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 13477,69. 0,8 = 10782,152 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Ta có: ∑rt = 1,667.10-3 , m2.độ/W. → ∆tt= 10782,152.1,667.10-3 = 17,974 (oC) tt2 = tt1 – ∆tt = 142,1 – 17,974 = 124,126 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb= 124,126 – 55,888 = 68,238 (oC) Tại tt2 = 124,126 oC ta có: CNaCl = 3085,359 J/kg.độ Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 17 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC CN = 4273,158 J/kg.độ → Cpt = 0,25.3085,359 + 0,76.4273,158 Cpt = 3976,208 (J/kg.độ) Tại tt2 = 124,126 oC ta có:  NaCl = 792,544 kg/m3 ρN = 787,582 kg/m3 1  0,75   0,25 → t      861,442 kg / m3  686,160 954,623   Tại tt2 = 124,126 oC nội suy ta có: ΜNaCl = 0,15.10-3 Ns/m2 μN = 0,15.10-3 Ns/m2 → lg(μhh) = xF.lg(μM) + ( 1 – xF ).lg(μN) lg(μhh) = 0,158.lg(0, 15.10-3) + (1 – 0,158).lg(0,15.10-3) → μhh = 0,15.10-3 (Ns/m2) t  3,58.10 8.3976,208.861,442.3 Prt  C pt . hh t  861,442  0,428W / m.o C  20,212 3976,208.1,5.10 3  1,394 0,428 0,428  3,974  Vậy:  2  0,021. .1.105000,8.3,9740, 43   0,026 1 , 394   0 , 25  1339,425 (W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 1339,425.68,238 = 91399,683 ( W/m2) Dựa vào 2 lần tính ta có đồ thị: Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 18 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC q q2 q1 ∆t 0 0,8 3,5 2 Tính lần 3: Chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa theo đồ thị trên là 3,5 oC. a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ: Dựa vào đồ thị ta suy ra được ∆t1 = 3,5 oC vậy ta có: tt1 = t1tb- ∆t1= 142,9 – 3,5 = 139,4 (oC) tm  t1tb  tt1 142,9  139, 4   141, 2 (oC) 2 2 Từ tm = 141,2 oC tra bảng ta được: A = 194,18 2135.103  9309,686 (W/m2.độ) Vậy : 1  2,04.194,184 3,5.2 b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 9309,686.3,5= 32583,901 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt= 32583,901.1,667.10-3 ∆tt = 54,317 (oC) tt2 = tt1 – ∆tt = 139,4 – 54,317 = 85,083 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb = 85,083 – 55,888 = 29,195 (oC) Tại tt2 = 85,083 oC nội suy ta có: CNaCl = 2886,686 J/kg.độ Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 19 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** -  - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC CN = 4200,166 J/kg.độ → Cpt = 0,25.2886,686 + 0,75.4200,166 Cpt = 3871,796 (J/kg.độ) Tại tt2 = 85,083 oC nội suy ta có:  ΡNaCl = 730,4087 kg/m3 ρN = 968,4419 kg/m3 1   t   0,25  0,75   895,484 kg / m3  730,4087 968,4419   Tại tt2 = 85,083 oC nội suy ta có: ΜNaCl = 0,25.10-3 Ns/m2 μN = 0,338.10-3 Ns/m2 → lg(μhh) = xF.lg(μM) + ( 1 – xF ).lg(μN) lg(μhh) = 0,158.lg(0, 25.10-3) + (1 – 0,158).lg(0,338.10-3) → μhh = 0,313.10-3 (Ns/m2) Ta được: t  3,58.10 8.3871,796.895,484.3 Ta có: Prt  895,494  0,439 20,212 (W/m.độ) C pt . hh 3871,796.0,313.10 3   2,761 t 0,439 0,439  3,974  Vậy:  2  0,021. .1.10500 0,8.3,9740, 43   0,026  2,761  0 , 25  1158,095 (W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 1158,095.29,195 = 33810,584 (W/m2) Dựa trên số liệu tính toán ta có bảng số liệu: Số lần tính 1 2 3 Nhiệt trở và hiệu số Phía hơi nước ngưng tụ t1tb 142,9 142,9 142,9 tt1 140,9 142,1 139,4 ∆t1 2 0,8 3,5 tm 141,9 142,5 142,2 α1 10713,45 13477,690 9309,686 q1 21426,9 10782,152 32583,901 nhiệt độ ∑rt ∆tt -3 1,667.10 35,719 1,667.10-3 17,974 1,667.10-3 54,317 Phía hỗn hợp chảy xoáy Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 20