4 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ làm mát dầu thô (1)145 kg/s dầu thô vào phần vỏ với nhiệt độ ban đầu (2)109 oC, nhiệt độ (3)69oC Nước làm mát ống có nhiệt độ ban đầu (4)22 oC, lưu lượng nước (5) 70kg/s Tổn thất áp suất phía vỏ hạn chế 155 kPa Bài giải I: Giả thiết tính sơ cho thiết bị trao đổi nhiệt Ta chọn nước biển nằm ống dầu nằm ống vì: -Dầu nóng nên để ống để thải nhiệt bên -Nước dễ bẩn nên nằm để dế vệ sinh -Dầu có độ nhớt cao cho nằm phía vỏ để có độ rối cao 1.Cân nhiệt t1=(109+69)/2=890C Nhiệt độ trung bình dầu thô: Tra bảng thông số vật lý dầu mỏ B.12 υ1 = ρ1 = 847,5 Kg/m3 Cp1 = 2,17 kJ/Kg.K k = 0,137 W/m.K µ 0, 024 = = ρ 847,5 2,83 10-5 Prf = 392 Nhiệt lượng dầu tỏa Qd = m1 Cp1 ( t1’ – t1” ) = 145.2,17 ( 109 – 69 ) = 12586 (kW) Giả sử nhiệt đô nước làm mát t2” = 650C nhiệt độ trung bình nước làm mát t2 = 43,50C ρ2 tra thông số nước 43,5 C Cp2 = 4,179 kJ/Kg.K = 991,6 Kg/m3 Để thiết kế có độ dư ta bỏ qua phần nhiệt dầu tỏa vỏ thiết bị Qn = Qd = 12586 = 70 4,179 ( t2” – 22) ->t2” = 65,030C chấp nhận Nhiệt độ trung bình nước chuyển động ống t2 = 65, 03 + 22 = 43,52 C 2.Tính chọn ống vỏ thiết bị Chênh nhiệt độ trung bình logarit Từ bảng 8.4 ta chọn hệ số trao đổi nhiệt phía vỏ phía ống tương tự 5000 (W/m 2.K) 250 (W/m2.K) giả thiết ống cánh ống bố trí hình vuông Hệ số truyền nhiệt coi tính theo vách phẳng d2/d1 Độ chênh nhiệt độ ∆tcắt = ε ∆tnc = 0,84.45,45 = 38,18 oC Diện tích trao đổi nhiệt F= Q/(kbẩn ∆tcắt nhau) =12586000/( 200,79 38,18 )= 1648,25(m2) Dựa vào bảng 8.3 Theo tiêu chuẩn TEMA Chọn thiết bị hành trình vỏ, hành trình ống Đường kính vỏ 39in =0,99 (cm) =1 (m ) ống có đường kinh in = 2,54 cm, Bước ống Pt=1 1/4 in=3,175cm có 700 ống bố trí hình tam giác số ống hành trình ống m=175 ống Tính toán lại chiều dài ống Tổng diện tích trao đổi nhiệt F = N.(.d2).L -> L = F/ N.(.d2) = 1648,25/ 700.( 3,14 0,0234) = 32(m) II: Tính toán lại kết : Hệ số trao đổi nhiệt nước 43,52 Tra thông số nước nhiệt độ trung bình t= C ρ2 Cp2 = 4,179 kJ/Kg.K υ = 991,6 Kg/m3 Pf=4,04 λ2 =0,64W/m.K −7 =6,17.10 (m2/s) Vận tốc nước ω2 = (G2)/( m.ρ2.π d21/4 ) = (70 4)/(991,6 3,14 0,02342 175 ) = 0,938(m/s) Theo tiêu chuẩn Re nước Ref = = (0,938 23,4.10-3)/ (0,617.10-6) =35574> 104 =)) Như nước chảy rối ống Nuf = 0,021 Ref0,8 Prf0,43 (Prf/Prw)0,25 εl εR L> 50d2 =)) hệ số ảnh hưởng chiều dài εl =1 , Coi ống ống thẳng nên hệ số ảnh hưởng độ cong εR =1 Để tra Prw ta phải biết nhiệt độ bề mặt ống Tính tương đối nhiệt độ bề mặt ống là: tw2 = ( t’1+ t’’1)/2 - ∆tnc/2 = - = 66,3 (oC) tra bảng nước ta có Prw = 2,71 Thay số vào công thức tính Nu ta có: Nuf = 0,021 355740,8.4,040,43.(4,04/2,71)0,25 = 185 Hệ số tỏa nhiệt nước α2 = (Nuf λ2)/d1 = (185 0,64)/0,0234 = 5059,82 (W/m2.K) :Tính Hệ số trao đổi nhiệt dầu Tra thông số dầu thô nhiệt độ trung bình 89oC υ1 = ρ1 Cp1 = 2,17 kJ/Kg.K µ 0, 024 = = ρ 847,5 = 847,5 Kg/m3 Prf = 392 Đường kính tương đương de = 4.0,86.s 4.0,86.0, 031752 − d2 = − 0, 0254 = 0, 018(m) π d 3,14.0, 0254 Vận tốc dầu thô 2,83 10-5 S = π.12- 700.π.0,02542 = 1.72(m ) -> ω1 = G / (S ρ ) = 0,099(m/s) Hệ số Re 0, 099.0, 018 = 62,96 2,83.10−5 Ref = = chùm ống so le Nuf = 0,41 Ref0,6 Prf0,3 (Prf/Prw)0,25 Nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt Tw  t ' + t" t ' + t"  Tw = 0,5  2 + 1 ÷   = (109+69 +22+ 66)/4 = 66,5 0C Prw Tra thông số vật lí dầu 63,3 C = 795 ->Nuf = 0,41 62,960,6 7950,33 ( 392/795 )0,25 = 37,36 Hệ số tỏa nhiệt dầu thô α1 = (Nu λ)/dtđ = (37,36.0,137)/ 0,018 = 284.35 (W/m2.K) - Hệ số truyền nhiệt thiết bị kof= (W/m2.K) Khi kể đến cặn nước với hệ số φ = 0,85 ta có kf= kof φ = 266,83 0,85 = 226,8 (W/m2.K) Tính diện tích trao đổi nhiệt : Q = k.F.∆tcắt nhau=> F= Q/(kf ∆tcắt nhau) = 12586000/( 226 38,18 )= 1458,62 (m2) Chiều dài thiết bị l = (F/ N.(.d2))/4 = (1458,62/ 700.( 3,14 0,0254))/4 = 6,53 (m) Kết luận: thiết bị hành trình vỏ, hành trình ống Đường kính vỏ 39in =0,99 (cm) =1 (m ) ống có đường kinh in = 2,54 cm, Bước ống Pt=1 1/4 in=3,175cm có 700 ống bố trí hình tam giác số ống hành trình ống m=175 ống chiều dài thiết bị:6,53m 3:Tính trở lực thuỷ kháng đường nước ∆p = ∆pm+ ∆pc Trở kháng ma sát ∆pm = Với ξ : Hệ số ma sát ξ = 1/ (1,82.logRef – 1,64)2 = 1/ (1,82.log35574 – 1,64)2 = 0,0226 L= 4.6,53 =26,12 m nc = 991,6 (Kg/m ) nc =0,938m/s ,d1 = 0,0234m ∆pm= = (0,0226.26,12.991,6 0,9382)/(2.0,0234) = 11004 (Pa) Trở kháng cục ∆pc = Với: ϵ : Hệ số trở kháng cục Khi dòn chảy vào ỏ van : 2.6,3 =12,6 dòng chảy quay 180 độ ống chữ u: 3.0,5=1.5 Khi dòng chảy vào khỏi thiết bị : 2.1,5 = =)) ϵ = 12,6 + 1,5 + = 17,1 ∆pc = (17,1 991,6 0.9382)/2 = 7459,48 Pa Tổng trở kháng : ∆p = ∆pm + ∆pc = 11004+ 7459,48 = 18463 Pa =18kPa-> phù hợp