Bài tập: thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống cần làm nóng nước,lưu lượng nước 6000kg/h , tv = 200C,tr = 900C ; hơi nước bảo hòa ts =1350C

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CHẾ BIẾN-BỘ MÔN KT LẠNH BÀI TẬP THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Bài tập: thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống cần làm nóng nước,lưu lượng nước 6000kg/h , tv = 200C,tr = 900C ; hơi nước bảo hòa ts =1350C. GVHD : TS. Trần Đại Tiến SINH VIÊN : Bùi Đình Quang MSSV : 50131247 LỚP : 50NL NhaTrang , ngày ….. tháng ….năm…. MỤC LỤC MỞ ĐẦU Đây là bài tập thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dành cho sinh viên lớp 50 nhiệt lạnh ĐH Nha Trang,được sự hướng dẫn bởi thầy Trần Đại Tiến. với các loại môi chất và thông số khác nhau .nhằm tìm hiểu tổng quan về các loại thiết bị trao đổi nhiệt hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thực tế.Tính toán chọn tbtdn nhằm nâng cao hiệu suất của thiết bị đồng thời tăng năng suất lanh,nhiệt.Như đã được biết tb trao đổi nhiệt là thành phần quan trọng không thể thiếu trong hệ thống lạnh của ngành chúng ta nhiệm vụ của nó là tải nhiệt từ chất mang nhiệt đến chất cần gia công nhiệt đi sử dụng. Bài tập mình được giao là : thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống cần làm nóng nước,lưu lượng nước 6000kg , tv = 200C,tr = 900C ; hơi nước bảo hòa ts =1350C. vì vậy dưới đây mình xin được trình bày về thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống. gồm các phần: chương I : tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt................................................page 3 chương II: tính toán thiết kế thiết bị…………………………………………page 7 chương III: tính trở lực thiết bị chọn bơm nước…………………………….page 17 Chương I : Tổng Quan Về Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Định Nghĩa . Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chất cần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh. Chất mang nhiệt hoặc lạnh được gọi chung là môi chất có nhiệt độ cao hoặc thấp hơn nhiệt độ chất gia công, dùng để nung nóng hoặc làm nguội chất gia công điển hình trong hệ thống lạnh là dàn lạnh dung hạ nhiệt độ phòng còn dàn nóng làm hạ nhiệt độ môi chất hoặc sưỡi ấm.Chất gia công và môi chất thường là ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng. Các chất này có nhiệt độ khác nhau. Phân Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt : 1. Phân Loại Theo Nguyên Lý Làm Việc Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt : a) TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp), là loại TBTĐN trong đó chất gia công và môi chất tiếp xúc nhau, thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, tạo ra một hỗn hợp. Ví dụ bình gia nhiệt nước bằng cách sục 1 dòng hơi. b) TBTĐN hồi nhiệt, là loại thiết bị TĐN có mặt trao đổi nhiệt được quay, khi tiếp xúc chất lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt toả nhiệt. Quá trình TĐN là không ổn định và trong mặt trao đổi nhiệt có sự dao động nhiệt. Ví dụ: bộ sấy không khí quay trong lò hơi nhà máy nhiệt điện. ví dụ : bộ sấy không khí quay trong lò hơi nhà máy nhiệt điện . c) TBTĐN vách ngăn, là loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh và 2 chất lỏng TĐN theo kiểu truyền nhiệt. Loại TBTĐN vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối giữa hai chất, làm cho chất gia công được tinh khiết và vệ sinh, an toàn, do đó được sử dụng rộng rãi trong mọi công nghệ. d) TBTĐN kiểu ống nhiệt, là loại TBTĐN dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏng nóng đến chất lỏng lạnh. Môi chất trong các ống nhiệt nhân nhiệt từ chất lỏng 1, sôi và hoá hơi thành hơi bão hoà khô, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏng rồi quay về vùng nóng để lặp lại chu trình. Trong ống nhiệt, môi chất sôi, ngưng và chuyển động tuần hoàn, tải 1 lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2. a. Bình gia nhiệt hỗn hợp b. Thùng gia nhiệt khí hồi nhiệt c. Bình ngưng ống nước d. Lò hơi ống nhiệt 2. Phận Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Theo Sơ Đồ Chuyển Động Chất Lỏng (Với Loại Thiết Bị Có Vách Ngăn ): Sơ đồ song song cùng chiều Sơ đồ song song ngược chiều Sơ đồ song song đổi chiều Sơ đồ giao nhau 1 lần Sơ đồ giao nhau nhiều lần. 3. Phận Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Theo Thời Gian : Phân làm 2 loại Thiết bị liên tục : Như bình ngưng , calorifer Thiết bị làm việc theo chu kỳ : như nồi thanh trùng , thiết bị sấy theo mẻ 4. Phân Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Theo Công Dụng : Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm : như nồi nấu lò hơi Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường : như tháp giải nhiệt, binh làm mát dầu. Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhở hơn nhiệt độ môi trường : như tủ lạnh, tủ đông Một vài đặt điểm của thiết bị ống lồng ống: Thực tế cho thấy rằng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống có cấu tạo rất gọn gàng do hiệu quả trao đổi nhiệt cao. chúng có các ưu điểm nổi trội sau: - Thường được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa các chất lỏng với nhau hoặc chất lỏng với môi chất đang sôi hay đang ngưng với khả năng trao đổi nhiệt lớn. - Cả hai môi chất khi chuyển động qua thiết bị đều chuyển động đối lưu cưỡng bức với tốc độ rất lớn nên thời gian đạt được yêu cầu trao đổi nhiệt sẽ giảm xuống. - Kết cấu gọn gàng, an toàn Tuy nhiên, chúng có các nhược điểm sau: các thi ết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ là các ống trơn có hiệu quả thấp, ít nhiều còn bị hạn chế, đặc biệt trong trường hợp ngưng tụ môi chất, ống trơn sẽ hạn chế khả năng ngưng tụ của môi chất. Mặc khác, khi màng ngưng hình thành nó sẽ hạn chế quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng hơi và bề mặt vật rắn. Trong các hệ thống Freon, hệ số tỏa nhiệt khi ngưng khá thấp, vì vậy cũng rất cần thiết phải có các biện pháp để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, đặc biệt là người ta sẽ làm cánh bên ngòai của ống trong để tăng cường khả năng tỏa nhiệt về phía môi chất.đối với thiết bị này còn nhược điểm nữa là chế tao hơi phức tạp và khó vệ sinh. * Trong thực tế, ta có các loại thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có các dạng như sau: Với các ưu điểm và nhược điểm trên ta thấy thiết bị dạng ống lồng ống là loại đang được sử dụng nhiều trên thị trường với tính ưu việc của nó Chương II : Tính toán thiết kế thiết bị Các thông số ban đầu : Nhiệt độ hơi vào : 1350C Nhiệt độ nước vào : 200C Nhiệt độ nước ra : 900C Lưu lượng nước : 6000 kg/h II. thiết kế thiết bị ngưng tụ ống lồng ống : A. Tính toán chọn số ống cho 1 hành trình n’ Nhiệt do nước thu vào: Trong đó : khối lượng của nước (kg) C : nhiệt dung riêng của nước (C = 1kcal/kgđộ = 4,186 kj/kgđộ) độ chênh lệch nhiệt độ nước ra và vào (độ C) Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị Ta có : Trong đó : k : hệ số truyền nhiệt F : diện tích trao đổi nhiệt độ chênh lệch nhiệt trung bình Ta có : hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ Chọn ; Vì chọn thiết bị dạng ống lồng ống : Ta có : (kcal/hm2độ) chọn (kcal/hm2độ) Giả sử chọn thiết bị có hai hành trình như hình vẽ : Chọn ống thép inox: Với thông số sau: chọn Số ống trong thiết bị : Ta có : chọn n=28 (ống) Chọn 2 hành trình : n’= 14 B. Tính hệ số truyền nhiệt kt (tính theo vách phẳng) Tính Ta có : (w/m2.độ) (5) Với ts = tk = 1350C (tra bảng thông số của hơi bảo hòa ) (1) Chọn Tính : Ta có : Thể tích của nước: Vận tốc nước đi trong ống : Trong đó : : diện tích của ống (m2) : số ống trong một hành trình Ta có : Tra bảng 2.5(nước trên dường bảo hòa )(1) với t= 550C ta được: Hệ số Raynoon: (chảy rối)(2) Xác định Nu : Ta có : (w/m2.độ) =2213,32 (kcal/hm2.độ) Tính chọn ; m2.h.độ/kcal Chọn vật liệu ống thép : l = 50 N/m2. độ = 43 kcal/h.m2. độ (kcal/hm2.độ) Sai số : đạt yêu cầu. C. kích thước vỏ ngoài thiết bị : Trong đó: n - Số ống t – khoảng cách giửa 2 ống ( t = 1.3 ÷ 1.6 dN) chọn t= 1,5 dN k – hệ số sắp xếp ống ( 0.75 ÷ 0.85 ) chọn k=0,8 a – hệ số hiệu chỉnh ( a= 1,05) vậy đường kính vỏ ngoài thiết bị là Chọn D = 192 (m) Tính toán miệng vào và ra của hơi: Miệng vào của hơi môi chất: Ta có: Chọn ω = 20(m/s) (đối với hơi bảo hòa) Và r = 2159,65(kj/kg) ; Q = 420000 (kcal/h) Mặt khác: lưu lượng gas qua thiết bị là: Từ công thức: Q = m.r => m = = Ta có dT = Trong đó: m : khối lượng hơi vào khối lượng riêng vận tốc hơi vào Chọn đường kính trong ống bằng 95 mm, khi đó: ω = = Kích thướt Miệng ra môi chất lỏng: có kích thướt bằng kích thướt đường ống dẫn lỏng: Ta có: Chọn ω = 1(m/s) (2) (ω = 0.5 ÷ 2m/s, đối với nước) Và = 1000 (kg/m3); m = 0.2638(kg/s) dT = chọn dt = 18(mm) khi đó : ω = = Chọn đường ống nối từ bơm đến đầu vào của thiết bị : Ta có : Trong đó : đường kính ống dẫn(m) lưu lượng (kg/s) = 1,667(kg/s) khối lượng riêng của môi chất (kg/m3) tốc độ dòng chảy trong ống (m/s) Ta có :chọn Cũng là đường kính đoạn cong 1800 ta chọn dT=41mm và dN=48mm Chương III: Tính trở lực thiết bị chọn bơm nước: Trở lực chọn bơm được tính như sau: H = ΔPTB + ΔP Trong đó: ΔPTB – là trở lực tại thiết bị ΔP – trở lực trên đường ống và các cua A. Tính trở lực của thiết bị: ΔPTB ΔPTB = ΔPms + ΔPcb Tính ΔPms: Trong đó: L: chiều dài ống hoặc kênh (m) d : đường kính ống (m) ρ : khối lượng riêng chất lỏng, (kg/m3) ω : vận tốc dòng chảy (m/s) ζ : hệ số ma sát Ở đây ta tính được dòng chãy rối với Re = 13331,2 Chảy rối: ζ = => == 0,029 Ta có: L = ln = 2x2 = 4(m) dT = 0.022 (m), , ω = 0,31328(m/s) ΔPms = = ΔPms = =573,82 (Pa) Tính ΔPcb: (4) Trong đó: ω – tốc độ dòng chảy, (m/s) ρ – mật độ dòng chảy, (kg/m3) ζ – hệ số trở kháng cục bộ 1,Tại ống loe hình nón: Ta có: Trong đó: f1 = ==0,00132 (m2); f2 = == 0,0289 (m2) G = 1,667 (kg/s); = 985,67 (kg/m3) ω2 = (m/s) Vì α = 300 nên ta có: k = 0.81 => ζc = k ()2 = ΔPcb1 = n*= (pa) (n=2, có 2 đoạn loe mở rộng) 2, Tại thu hẹp hình nón: Ta có: (d1 / d2) = 192/48 = 4 Tra bảng ta được: ζc = 0.185; ω2 = 1.34(m/s) (4) ΔPcb2 = = = 327,4 (Pa) 3, Tại vị trí thu hẹp đột ngột: Ta có: f1 = = 0,0289 (m2) f2 = = 5,32.10-3 (m2) () = () = 0.184 Tra bảng ta được: ζ = 0.45; ΔPcb3 = = 43,53(Pa) 4,Tại vị trí mở rộng đột ngột: Trong đó : vận tốc trong ống nhỏ vận tốc trông ống lớn 5,Tại 2 ống vòng 1800: Ta có: r/R = 20,5/ 186 = 0.11 tra bảng ta thấy: ζc(900) ≈ 0.131 (5); α0 = 1800 => (=1,chọn lúc tính chọn dT co 1800) Tổng tổn thất cục bộ là: ΔPcb = ΔPcb1 + ΔPcb2 + ΔPcb3 + ΔPcb4 + ΔPcb5 = 1132,4 +327,4+43,54+93,6+108,42 =1705,35 (Pa) Vậy: Tổng tổn thất của thiết bị là: ΔPTB = ΔPms + ΔPcb = 573,82 + 1705,35 = 2279,17(Pa) = =0,254(mH2O) B.Trở lực trên đường ống và trên các cua: Giả sử chọn : += 15 (mH2O) Vậy : Tổng tổn thất của toàn hệ thống để chọn bơm: H = = 0,254 + 15 = 15,254 (mH2O) Theo phần mềm chọn bơm của hãng EBARA ta chọn được bơm với thông số sau: Model: EVM4 3N/0.55 Năng suất: 1.67 (l/s) Cột áp:15.6 mH2O Hiệu suất: 54.1% TÀI LIỆU THAM KHẢO: Nguyễn Đức Lợi – Phạm Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh cơ sở, Nhà xuất bản giáo dục. Nguyễn Đức Lợi : Hướng Dẫn Thiết Kế Hệ Thống Lạnh – Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Hoàng Đình Tín : Truyền Nhiệt Và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt – Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật PGS.TS Hoàng Văn Quý – GS.TS Nguyễn Cảnh Cầm, Bài tập thủy lực, Nhà xuất bản xây dựng – 2007. Hoàng Đình Tín – Bùi Hải, Bài tập nhiệt kỹ thuật.