Giải pháp nâng cao hiệu quả hệ thống trao đổi nhiệt

Bài viết Giải pháp nâng cao hiệu quả hệ thống trao đổi nhiệt nghiên cứu về giải pháp tiết kiệm năng lượng đối với quá trình và hệ thống trao đổi nhiệt, xây dựng thuật toán để tối ưu các tham số hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng, dựa trên mô hình toán học của các thiết bị và phương pháp cố định tham số, thiết kế được bộ trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu về cấu trúc và tham số. Kết quả nghiên cứu đã đánh giá được hiệu quả của hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng so với hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng.

NLN *158 - 06/2022 * Số: 158 - 6/2022 Trang 04 - 09 GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT Lê Quang Tuyến, Nguyễn Đức Tồn, Khoa Điện, Trường Đại học Cơng nghiệp Việt Trì E-mail: tuyenlequangpt@gmail.com Ngày nhận bài: 07/04 /2022 Ngày duyệt đăng: 20/06/2021 Ngày nhận sửa theo ý kiến phản biện: 10/05/2022 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng trình hệ thống trao đổi nhiệt, xây dựng thuật toán để tối ưu tham số hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng, dựa mơ hình tốn học thiết bị phương pháp cố định tham số, thiết kế trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu cấu trúc tham số Kết nghiên cứu đánh giá hiệu hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng so với hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng Từ khóa:Tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt, tiết kiệm lượng, trình hệ thống, thiết kế tối ưu, cấu trúc hệ thống KÝ HIỆU: MHEN - Hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng OHEN - Hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng EBHEN - Phần tử trao đổi nhiệt 𝑆𝑖ℎ , 𝑆𝑗𝑐 - Nguồn nhiệt nóng, lạnh 𝐹𝑖ℎ , 𝐹𝑗𝑐 - Lưu lượng nguồn nóng nguồn lạnh (Kg/h) 𝑇𝑖ℎ,𝑖𝑛 , 𝑇𝑗𝑐,𝑖𝑛 - Nhiệt độ đầu vào thiết bị trao đổi nhiệt nguồn nóng nguồn lạnh (K) 𝑇𝑖ℎ,𝑜𝑢𝑡 , 𝑇𝑗𝑐,𝑜𝑢𝑡 - Nhiệt độ đầu thiết bị trao đổi nhiệt nguồn nóng lạnh (K) 𝑓𝑖𝑗ℎ𝑒 , 𝑓𝑖𝑗𝑐𝑜𝑙 , 𝑓𝑖𝑗𝑟𝑒𝑏 - Tổng chi phí vận hành qui đổi chi phí tổn thất thực trao đổi nhiệt nguồn nóng lạnh 𝑚1ℎ𝑒 , 𝑚1𝑐𝑜𝑙 , 𝑚1𝑟𝑒𝑏 - Đơn giá cố định chi phí 𝑚2ℎ𝑒 , 𝑚2𝑐𝑜𝑙 , 𝑚2𝑟𝑒𝑏 - hệ số tính tốn chi phí Thiết bị trao đổi nhiệt, Thiết bị làm lạnh, Thiết bị làm nóng EBHEN ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiệt (gọi tắt lượng nhiệt) dạng lượng sử dụng phổ biến sản xuất công nghiệp dân dụng, 80% lượng sử dụng thực tế liên quan đến dạng nhiệt (Nguồn: Cơ quan lượng quốc tế - IEA) Trong ngành công nghiệp nay, trao đổi nhiệt sử dụng hầu hết lĩnh vực như: nhà máy chế biến thực phẩm, đồ uống phục vụ 𝐴𝑖𝑗 - Diện tích bề mặt tiếp xúc thiết bị trao đổi nhiệt 𝐴𝑗 - Diện tích bề mặt tiếp xúc thiết bị làm nóng 𝐴𝑖 - Diện tích bề mặt tiếp xúc thiết bị làm lạnh 𝐹𝑗ℎ𝑢 , 𝐹𝑖𝑐𝑢 - Lưu lượng chất làm nóng chất làm lạnh (Kg/h) Δ𝑄𝑖ℎ - Nhiệt lượng nguồn nóng cần truyền Δ𝑄𝑗𝑐 - Nhiệt lượng nguồn lạnh cần nhận ℎ Δ𝑄𝑖,𝑞 - Nhiệt lượng nguồn nóng tầng thứ q 𝑐 Δ𝑄𝑗,𝑞 - Nhiệt lượng nguồn lạnh tầng thứ q N - Số tầng trao đổi nhiệt hệ thống ℎ,𝑖𝑛 𝑇𝑖,𝑞+1 - Nhiệt độ nguồn nóng vào tầng q+1 ℎ,𝑜𝑢𝑡 𝑇𝑖,𝑞 - Nhiệt độ nguồn nóng tầng q 𝑐,𝑖𝑛 𝑇𝑗,𝑞+1 - Nhiệt độ nguồn lạnh vào tầng q+1 𝑐,𝑜𝑢𝑡 𝑇𝑗,𝑞+1 - Nhiệt độ nguồn lạnh tầng q+1 𝜙𝑞𝑘 -Hàm mục tiêu phần tử trao đổi nhiệt EBHEN tầng vòng lặp thứ k nhu hiếu phẩm hàng ngày nhà máy cơng nghiệp đóng tàu, động Diesel, dầu khí, hóa chất, nhiệt điện, điện tử vi mạch… Trong trình sản xuất hệ thống trao đổi nhiệt có nhiệm vụ giảm nhiệt độ nguồn nóng tăng nhiệt độ nguồn lạnh đến giá trị yêu cầu công nghệ sản xuất Hiện hệ thống trao đổi nhiệt thiết kế đơn giản, nguồn lạnh tăng nhiệt độ nguồn NLN *158 - 06/2022 * nóng nguồn nóng làm mát nguồn lạnh nhất, lượng nhiệt tổn hao chi phí để lắp đặt vận hành hệ thống trao đổi nhiệt ngành sản xuất công nghiệp lớn Với vai trị việc nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng nhiệt thiết kế chế tạo, việc vận hành sử dụng máy thiết bị nhiệt cho kinh tế, hiệu điều có ý nghĩa Bài viết giới thiệu giải pháp nâng cao hiệu hệ thống trao đổi nhiệt, phương pháp thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng mà nguồn nhiệt lạnh nhận lượng từ nhiều nguồn nhiệt nóng nguồn nhiệt nóng làm mát nhiều nguồn nhiệt lạnh, sử dụng phương pháp cố định tham số để thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu Một hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng MHEN xây dựng từ nhiều hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng OHEN nối tiếp, OHEN nguồn nhiệt nóng nguồn nhiệt lạnh gặp lần thiết bị trao đổi nhiệt Xác định tham số hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng MHEN nhiệm vụ phức tạp, giá trị nhiệt độ nguồn nhiệt nóng nguồn nhiệt lạnh tầng biến số, để thực nhiệm vụ viết sử dụng phương pháp tối ưu phi tuyến, kết hợp phương pháp tối ưu tuyến tính [1, 2] Việc tối ưu MHEN thực dựa nguyên lý cố định tham số trung gian Thuật toán thực theo cấp bản: Cấp 1: Chọn thiết bị trao đổi nhiệt tối ưu cho hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng OHEN dựa chi phí tổn thất vận hành thiết bị trao đổi nhiệt Cấp 2: Xác định cấu trúc hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng MHEN dựa giả thiết giá trị nguồn nhiệt đầu vào tầng Cấp 3: Xác định tham số hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng MHEN dựa tối ưu tổng qui đổi chi phí chi phí vận hành hệ thống NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng Xét hệ thống trao đổi nhiệt gồm M nguồn nhiệt nóng Sih , i=1,2,…,M M nguồn lạnh S cj , j=1,2,…M (các nguồn nóng nguồn lạnh gặp thiết bị trao đổi nhiệt); nguồn nóng phải tiếp xúc với thiết bị làm lạnh nguồn lạnh phải tiếp xúc với thiết bị làm nóng Trong trường hợp tổng quát phần tử ma trận hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng EBHEN gồm có: Thiết bị trao đổi nhiệt Eij, Thiết bị làm nóng Bj, Thiết bị làm lạnh Ci Hình F jc S cj Q cj T jc,in Fi h Sih Ti h,in Ti Ei, j Qih T jc' T jhu,in F jhu Fi cu Ti cu,in h' Ti cu,out Ti h,out Ci T jhu,out Bj T jc,out Hình Sơ đồ cấu trúc phần tử trao đổi nhiệt EBHEN Mơ hình tốn học thiết bị xây dựng dựa phương trình cân nhiệt phương trình truyền nhiệt cơng thức (8), (9), (10), [2, 3, 5] Kết hợp với phương pháp tối ưu phi tuyến, chọn thơng số thiết bị, để tổng chi phí vận hành qui đổi chi phí tổn thất phần tử trao đổi nhiệt nhỏ Chi phí vận hành qui đổi hay cịn gọi chi phí thiết bị theo diện tích bề mặt thiết bị, tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt trao đổi trao đổi nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt Eij xác định theo công thức: f vh = mhe ( Athiet bi )γ (1) Trong đó: mhe đơn giá vận hành ( đồng/m2)  hệ số tương đối Athietbi diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thiết bị ( m2) Đồng thời dịng chất lỏng lạnh nóng tách dịng làm cản trở trình chuyển động thiết bị, dẫn tới chi phí vận hành tăng lên, nhiệt lượng vận chuyển qua thiết bị diện tích trao đổi nhiệt phụ thuộc vào độ trênh nhiệt độ trung bình logarit dịng chất lỏng nóng lạnh, thiết bị trao đổi nhiệt Eij Hình xác định sau : Qijhe = Uij AijheΔT (2) Trong đó: U, T hệ số truyền nhiệt độ trênh nhiệt độ trung bình logarit NLN *158 - 06/2022 * ΔT = ( dT1 - dT2 ) / log( dT1 / dT2 ) phương pháp tối ưu tuyến tính [1, 4, 8], (11), (12) dT1 = Tih ,in − Tjc' ; dT2 = Tih' − Tjc ,in M M Trong trường hợp tổng quát hàm mục tiêu chi phí thiết bị phần tử trao đổi nhiệt xác định sau: 𝑜𝑝𝑡 𝑓𝑖𝑗 = Α𝑖𝑗 ,Α𝑖 ,Α𝑗 ,𝐹𝑖𝑐𝑢 ,𝐹𝑗ℎ𝑢 ϕ1 (3) Trong 𝜙1 = 𝑓𝑖𝑗ℎ𝑒 + 𝑓𝑖𝑗𝑐𝑜𝑙 + 𝑓𝑖𝑗𝑟𝑒𝑏 (4) ℎ𝑒 𝛾ℎ𝑒 𝑓𝑖𝑗ℎ𝑒 = 𝑚1ℎ𝑒 + 𝑚2ℎ𝑒 (𝐴𝑖𝑗 ) 𝑓𝑖𝑗𝑐𝑜𝑙 = 𝑚1𝑐𝑜𝑙 + 𝑚2𝑐𝑜𝑙 (𝐴𝑐𝑜𝑙 𝑖𝑗 ) (5) 𝛾𝑐𝑜𝑙 𝑓𝑖𝑗𝑟𝑒𝑏 = 𝑚1𝑟𝑒𝑏 + 𝑚2𝑟𝑒𝑏 (𝐴𝑟𝑒𝑏 𝑖𝑗 ) ′ + 𝑚𝑐𝑢 𝐹𝑖𝑗𝑐𝑢 𝛾𝑟𝑒𝑏 (6) + 𝑚ℎ𝑢 𝐹𝑖𝑗ℎ𝑢 (7) ′ 𝜑 ℎ𝑒 (𝑇𝑖ℎ , 𝑇𝑗𝑐 , 𝑇𝑖ℎ,𝑖𝑛 , 𝑇𝑗𝑐,𝑖𝑛 , 𝐴𝑖𝑗 , 𝐹𝑖ℎ , 𝐹𝑗𝑐 , 𝑈𝑖𝑗 ) = ′ (8) 𝜑 𝑐𝑜𝑙 (𝑇𝑖ℎ , 𝑇𝑗ℎ,𝑜𝑢𝑡 , 𝑇 𝑐𝑢,𝑖𝑛 , 𝑇 𝑐𝑢,𝑜𝑢𝑡 , 𝐴𝑖 , 𝐹𝑖ℎ , 𝐹𝑖𝑐𝑢 , 𝑈𝑖, ) = ′ Hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng tạo thành từ nhiều phần tử trao đổi nhiệt EBHEN, mà nguồn nhiệt nóng làm mát nguồn nhiệt lạnh nhất, nguồn lạnh tăng nhiệt nguồn nhiệt nóng nhất, Hình S2c T1c,in S1h S2h Sih c,in T2c,in T j M i =1 j =1  zij = 1, zij = 1, i, j = 1, , M zij 0,1 , i, j = M E2,M T2h,out Ti h,out Ei, j TMh,out CM,1 BM,1 (13) 2.2 Hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng Một hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng tạo thành từ nhiều hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng nối tiếp Hình c,out T jc,out T1,2c,out T2,2 TMc,out ,2 ,2 c S1c S 2c S j S Mc Sih EM,2 (12) 1, (Sih ;S cj ) thực trao đổi lượng  tại thiết bị trao đổi nhiệt,  h hoặc Si giảm nhiệt thiết bị làm lạnh,  zij = S cj tăng nhiệt thiết bị làm nóng  h 0, Si trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt  c nóng lại S j thực trao đổi nhiệt với các nguồn lạnh lại  S 2h TMc,in Ti h,in TMh,in M S1h T1h,out E1,1 (11) i =1 j =1 T1,1c,in T2,1c,in T jc,in ,1 S Mc T1h,in T2h,in zij (9) 𝜑 𝑟𝑒𝑏 (𝑇𝑖𝑐 , 𝑇𝑗𝑐,𝑜𝑢𝑡 , 𝑇 ℎ𝑢,𝑖𝑛 , 𝑇 ℎ𝑢,𝑜𝑢𝑡 , 𝐴𝑗 , 𝐹𝑗𝑐 , 𝐹𝑗ℎ𝑢 , 𝑈𝑗 ) = (10) S1c  f ijopt zij S h h,in 1,1 h,in 1,2 T h,in 1,1 T T E1,1,1 E2,M,1 h,in T2,2 h,in i ,2 h,in i ,1 T T EM,2,1 TMh,in,1 BM,2 C1,2 TMc,in,1 E2,1,2 E1, j,2 h,out T2,2 Ei,2,2 EM,M,2 Ei, j,1 Ti ,2h,out TMh,out ,2 h,in CM,1 TM ,2 c,in BM,1 T jc,in T1,2c,in T2,2 ,2 T1,2h,out TMc,in,2 Hình Hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng Đối với hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng Hình nguồn nhiệt nóng Sih truyền nhiệt lượng đến nhiều nguồn nhiệt lanh S cj , hay nguồn nhiệt lạnh S cj nhận nhiệt lượng từ T1c,out T2c,out T jc,out TMc,out Hình Hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng Để thiết kế trao đổi nhiệt đơn tầng tối ưu, nguồn nhiệt nóng gặp nguồn nhiệt lạnh nhất, nguồn lạnh gặp nguồn nóng thiết bị trao đổi nhiệt, để tổng chi phí vận hành qui đổi chi phí tổn thất hệ thống nhỏ Việc thực nhiều nguồn nóng Do nhiệt lượng nguồn nóng nguồn lạnh tầng liên hệ với phương trình cân nhiệt: ℎ 𝑐 𝑐 𝑁 ∆𝑄𝑖ℎ = ∑𝑁 (14) 𝑞=1 ∆𝑄𝑖,𝑞 , 𝑣à ∆𝑄𝑗 = ∑𝑞=1 ∆𝑄𝑗,𝑞 Trong số trường hợp để việc lập trình tính tốn, thiết kế hệ thống dễ dàng ta sử dụng hệ số phân phối nhiệt lượng nguồn nhiệt nóng NLN *158 - 06/2022 * nguồn nhiệt lạnh tầng trao đổi nhiệt biểu thức (15) Qih,q,( k ) = ih,q,( k ) Qih Qj,c,(qk ) =  j,c,(qk ) Qcj (15) Vì hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng xây dựng từ nhiều hệ thống đơn tầng nối tiếp, nên nhiệt độ tầng nhiệt độ vào tầng biểu thức (16), (17) ℎ,𝑜𝑢𝑡 ℎ,𝑖𝑛 𝑐,𝑜𝑢𝑡 𝑐,𝑖𝑛 𝑇𝑖,𝑞 = 𝑇𝑖,𝑞+1 𝑣à 𝑇𝑖,𝑞 = 𝑇𝑖,𝑞+1 (16) ℎ,𝑖𝑛 𝑐,𝑖𝑛 𝑇𝑖,1 = 𝑇𝑖ℎ,𝑖𝑛 𝑣à 𝑇𝑗,1 = 𝑇𝑗𝑐,𝑖𝑛 (17) 2.3 Thuật toán thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu Để nâng cao hiệu hệ thống trao đổi nhiệt, hay nói cách khác thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt tối ưu, tham số thiết bị như: phần tử trao đổi nhiệt EBHEN, tầng trao đổi nhiệt đơn OHEN hệ thống phải thỏa mãn điều kiện tổng chi phí vận hành qui đổi chi phí tổn thất lượng nhỏ Để thực công việc viết sử dụng phương pháp tối ưu tuyến tính để chọn cấu trúc hệ thống kết hợp với tối ưu phi tuyến để chọn tham số thiết bị, phần tử hệ thống để đảm bảo yêu cầu nhiệm vụ thiết kế đặt ra, thuật tốn Hình Bắt đầu ℎ,𝑜𝑢𝑡,(1) 𝑇𝑖,1 ℎ,𝑖𝑛,(1) 𝑇𝑖,2 Tìm cấu trúc tối ưu tầng trao đổi nhiệt riêng biệt 𝑐,𝑖𝑛,(1) 𝑇𝑗,2 𝑐,𝑜𝑢𝑡 𝑇𝑗,1 ; (𝑖, 𝑗 (18) 𝑜𝑝𝑡 𝑓𝑖𝑗,𝑞 = 𝑐𝑢 ,𝐹 ℎ𝑢 𝐴𝑖𝑗𝑞 , 𝐴𝑖𝑞 ,𝐴𝑗𝑞 ,𝐹𝑖𝑞 𝑗𝑞 𝜙1,𝑞 (20) Bước Ứng dụng phương pháp tối ưu tuyến tính sử dụng kết bước để tìm cấu trúc tầng trao đổi nhiệt M M L  fijopt zij ,  zij = 1, zij i =1 j=1 i =1 L z ij j =1 = 1; i, j = 1, , M (21) Bước Sử dụng phương pháp tối ưu phi tuyến để xác định tham số thiết bị hệ thống dựa cấu trúc tìm bước k = M M N  (qk ) cu , F hu Aijq , Aiq , A jq , Fiq jq i =1 j =1 q =1 (22) Trong 𝜙𝑞𝑘 ℎ𝑒,𝑘 𝑐𝑜𝑙,𝑘 𝑟𝑒𝑏,𝑘 = 𝑓𝑖𝑗,𝑞 + 𝑓𝑖𝑗,𝑞 + 𝑓𝑖𝑗,𝑞 (23) ℎ𝑒,𝑘 𝛾ℎ𝑒 ℎ𝑒,𝑘 𝑓𝑖𝑗,𝑞 = 𝑚1ℎ𝑒 + 𝑚2ℎ𝑒 (𝐴𝑖𝑗,𝑞 ) (24) 𝑐𝑜𝑙,𝑘 𝛾𝑐𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑙,𝑘 𝑓𝑖𝑗,𝑞 = 𝑚1𝑐𝑜𝑙 + 𝑚2𝑐𝑜𝑙 (𝐴𝑖𝑗,𝑞 ) = 𝑚1𝑟𝑒𝑏 + 𝑐𝑢,𝑘 + 𝑚𝑐𝑢 𝐹𝑖𝑗,𝑞 𝛾𝑟𝑒𝑏 𝑚2𝑟𝑒𝑏 (𝐴𝑟𝑒𝑏,𝑘 𝑖𝑗,𝑞 ) + ℎ𝑢,𝑘 𝑚ℎ𝑢 𝐹𝑖𝑗,𝑞 (25) (26) Bước Sử dụng giá trị nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh đầu vào tầng trao đổi nhiệt tính tốn Bước 4, để thực với vòng lặp Nhập giá trị gần Tính tốn tham số hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu Kết tối ưu 𝑐,𝑖𝑛,(1) = 𝑇𝑖,𝑞+1 Bước So sánh giá trị vòng lặp |𝜙 𝑘+1 − 𝜙 𝑘 | < 𝜀 kết thúc q trình tính tốn Tối ưu phần tử trao đổi nhiệt EBHEN ℎ,𝑜𝑢𝑡 𝑇𝑖,1 ; 𝑐,𝑜𝑢𝑡,(1) ; 𝑇𝑖,𝑞 = = = … 𝑀) (19) Bước Tối ưu chi phí vận hành qui đổi chi phí tổn thất phần tử trao đổi nhiệt EBHEN tầng trao đổi nhiệt riêng biệt theo (20): 𝑟𝑒𝑏,𝑘 𝑓𝑖𝑗,𝑞 Nhập giá trị gần đầu vào tầng trao đổi nhiệt ℎ,𝑜𝑢𝑡,(1) = 𝑇𝑖 sai Kết thúc Hình Thuật tốn thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt tối ưu đa tầng Các bước lưu đồ thuật toán thực cụ thể sau: Bước Vòng lặp (k=1) thực với giá trị gần đầu vào tầng trao đổi nhiệt: Ti ,2h,in,(k +1) = Ti ,1h,out ,k ; T jc,2,in,( k +1) = T jc,1,out,k (i,j=1,…M) (27) Áp dụng tính tốn thực nghiệm Giả sử cần thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt dòng chất lỏng nóng lạnh, có thơng số nhiệt theo qui luật GROSS MAN Bảng 1, Bảng Bảng Bảng Thơng số nguồn nóng Nguồn nóng H1 H2 H3 H4 Chất làm lạnh Ti h ,in , К Ti h,out ,К 420 470 485 500 360 375 390 435 T jc,in 620 ,К T jc,out 620 ,К FCp CFI kW/К kW/m2 k 50 200 2.5 150 100 CFUh kW/m2 k NLN *158 - 06/2022 * Bảng Đơn giá chi phí vận hành Bảng Thông số nguồn lạnh Nguồn lạnh C1 C2 C3 C4 Chất T jc,in ,К 340 365 395 410 T jc,out 380 430 450 465 T cu,in ,К T cu,out ,К 300 315 Đơn giá phí vận hành chất làm nóng Đơn giá phí vận hành chất làm lạnh FCp CFJ kW/К kW/m2 k 60 120 100 400 CFUc kW/m2 k ,К Đơn giá chi phí Hệ số tương đối Độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ làm nóng 85$/kWnăm 15$/кWnăm 380 $/m2 0,65 10 К Kết tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng thực theo thuật tốn trình bày mục 2.3 bảng Bảng Kết tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng Số tầng trao đổi nhiệt Công suất thiết bị trao đổi nhiệt, kW Cơng suất thiết bị làm nóng, kW Công suất thiết bị làm lạnh, kW Số thiết bị trao đổi nhiệt Số thiết bị làm nóng Số thiết bị làm lạnh Tổng chi phí tổn thất vận hành N=1 N=2 N=3 N=4 25700 31200 31200 31200 12000 6500 6500 6500 17050 1360541 11550 829512.3 11550 829512.3 11550 829512.3 Từ kết bảng ta thấy rằng, tổng chi phí vận hành qui đổi chi phí tổn thất tỷ lệ nghich với số tầng trao đổi nhiệt Kết cho thấy trường hợp hệ thống trao đổi nhiệt tầng tối ưu Tham số thiết bị, cấu trúc hệ thống hình Tầng thứ Tầng thứ hai 3000 kW 6600 kW 950 kW 1000 kW C1,2 C2,2 C3,2 C4,2 Chất làm lạnh 300 K H1 H2 H3 420 K 470 K 10000 kW E2,4,1 5500 kW 485 K E2,1,2 7800 kW C2 C3 C4 E4,4,2 11.3 m 430 K 482.3 m 395 K 189.5 m 701.5m 435 K 380 K 63.6 m 365 K 410 K 390 K 16.6 m 5500 kW 500 K 340 K 375 K 110.4 m E3,2,2 E3,3,1 H4 C1 360 K 74.6 m 2400 kW 315 K 6500 kW 450 K B4,2 465 K 33.2 m 620 K 326.8 m 620 K Chất làm nóng Tầng thứ Tầng thứ hai Hình Cấu trúc tham số hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu NLN *158 - 06/2022 * KẾT LUẬN Sau khảo sát thiết bị hệ thống trao đổi nhiệt, viết xây dựng thuật toán để thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu, có logic từ thiết bị, cấu trúc hệ thống Kết ví dụ tính tốn bảng cho thấy hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng 40% Kết cơng suất, diện tích trao đổi nhiệt, số thiết bị số tầng trao đổi nhiệt hình sở hữu ích cho việc chế tạo thiết bị hệ thống trao đổi nhiệt sản xuất công nghiệp sinh hoạt Kết nghiên cứu có vai trị lớn việc thiết kế chế tạo thiết bị hệ thống trao đổi nhiệt sản xuất sinh hoạt, đặc biệt trường hợp nguồn nóng nguồn lạnh tham số cơng nghệ q trình sản xuất Đây giải pháp tiết kiệm lượng hữu ích sản xuất cơng nghiệp sinh hoạt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển nâng cao, Nhà xuất khoa học kỹ thuật”, 2005 [2] G M Ostrovskii, N N Ziyatdinov, and I I Emel’yanov, Synthesis of Optimal Systems of Simple Distillation Col-umns with Heat Recovery // Doklady Chemistry – 2015 –V 461, No 2, pp 89–92 [3] Võ Chí Chính, HồngDươngHùng, Lê Quốc, Lê HồiAnh, “Kỹthuậtnhiệt, Nhà xuấtbảnkhoahọckỹthuật”, 2012 [4] Емельянов И.И Оптимальная одностадийная теплоин-теграция при синтезе и реконструкции систем ректифи-кационных колонн: дис канд техн наук: 05.13.01 –Казань, 2018 – 173 с [5] Yee, T.F & Grossmann, I.E., Simultaneous Optimization Models for Heat Integration - II Heat Exchanger Network Synthesis, Comp Chem Engng., 14(10), 1165-1184, 1990 [6] Yee, T.F Simultaneous optimization models for heat integration — III Process and heat exchanger network optimization / T.F Yee, I.E Grossmann, Z Kravanja // Comput Chem Eng 1990 V 14 № 11 P 1185 [7] Chen, Y., Grossmann, I E., and Miller, D.C., Computa-tional Strategies for Large-Scale MILP Transshipment Models for Heat Exchanger Network Synthesis, Comput Chem Eng 2015 V 82 Р 68 [8] Klemeš JJ, Kravanja Z Forty years of heat integration: pinch analysis (PA) and mathematical programming (MP) Current Opinion in Chemical Engineering, 2013: 2(4):461-474 SOLUTION TO INCREASE THE EFFICIENCY OF HEAT EXCHANGE SYSTEM Lê Quang Tuyến, Nguyễn Đức Toàn Faculty of Electrical Engineering,Viet Tri University of Industry, Phu Tho, Viet Nam Email: tuyenlequangpt@gmail.com ABSTRACT The article researches on energy-saving solutions for heat exchanger processes and systems, builds an algorithm to optimize the parameters of a multistage heat exchanger system, based on mathematical models of equipment and systems With the method of parameter fixation, the multistage heat exchanger is designed with optimal structure and parameters The research results have evaluated the efficiency of the multistage heat exchanger system compared with the single stage heat exchanger system Keywords:optimum heat exchange network, energy-saving solutions for heat exchanger,, superstructure system, optimum design, process system ... thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu Để nâng cao hiệu hệ thống trao đổi nhiệt, hay nói cách khác thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt tối ưu, tham số thiết bị như: phần tử trao đổi nhiệt. .. máy thiết bị nhiệt cho kinh tế, hiệu điều có ý nghĩa Bài viết giới thiệu giải pháp nâng cao hiệu hệ thống trao đổi nhiệt, phương pháp thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng mà nguồn nhiệt lạnh... trúc hệ thống Kết ví dụ tính tốn bảng cho thấy hệ thống trao đổi nhiệt đa tầng tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt đơn tầng 40% Kết công suất, diện tích trao đổi nhiệt, số thiết bị số tầng trao đổi nhiệt