Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN)

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 1.1.1 Các định nghĩa Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) thiết bị thực trao đổi nhiệt chất cần gia công với chất mang nhiệt lạnh Chất mang nhiệt lạnh gọi chung môi chất có nhiệt độ cao thấp chất gia cơng, dùng để nung nóng làm nguội chất gia công Chất gia công môi chất thường pha lỏng hơi, gọi chung chất lỏng Các chất có nhiệt độ khác Để phân biệt thơng số ϕ chất lỏng nóng hay chất lỏng lạnh, vào hay khỏi thiết bị, người ta quy ước: - Dùng số để chất lỏng nóng: ϕ1 - Dùng số để chất lỏng nóng: ϕ2 - Dùng dấu “ ′ ” để thông số vào thiết bị: ϕ1′; ϕ2′ - Dùng dấu “ ″ ” để thông số thiết bị: ϕ1″; ϕ2″ Ví dụ: Cl1 t1' t''2 t1'' Cl t'2 Hình 1.1 Sơ đồ khối TBTĐN 1.1.2 Phân loại TBTĐN 1.1.2.1 Phân loại theo nguyên lý làm việc TBTĐN 1) TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp), loại TBTĐN chất gia công môi chất tiếp xúc nhau, thực trình trao đổi nhiệt trao đổi chất, tạo hỗn hợp Ví dụ bình gia nhiệt nước cách sục dòng 2) TBTĐN hồi nhiệt, loại thiết bị TĐN có mặt trao đổi nhiệt quay, tiếp xúc chất lỏng mặt nhận nhiệt, tiếp xúc chất lỏng mặt toả nhiệt Q trình TĐN khơng ổn định mặt trao đổi nhiệt có dao động nhiệt Ví dụ: sấy khơng khí quay lị nhà máy nhiệt điện LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3) TBTĐN vách ngăn, loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng chất lỏng lạnh chất lỏng TĐN theo kiểu truyền nhiệt Loại TBTĐN vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối hai chất, làm cho chất gia công tinh khiết vệ sinh, an tồn, sử dụng rộng rãi công nghệ 4) TBTĐN kiểu ống nhiệt, loại TBTĐN dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏng nóng đến chất lỏng lạnh Mơi chất ống nhiệt nhân nhiệt từ chất lỏng 1, sơi hố thành bão hồ khơ, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏng quay vùng nóng để lặp lại chu trình Trong ống nhiệt, mơi chất sơi, ngưng chuyển động tuần hoàn, tải lượng nhiệt lớn từ chất lỏng đến chất lỏng a Bình gia nhiệt hỗn hợp b Thùng gia nhiệt khí hồi nhiệt c Bình ngưng ống nước d Lị ống nhiệt Hình 1.2 Các loại TBTDN phân theo nguyên lý làm việc 1.1.2.2 Phân loại TBTĐN theo sơ đồ chuyển động chất lỏng, với loại TBTĐN có vách ngăn a Sơ đồ song song chiều b Sơ đồ song song ngược chiều c Sơ đồ song song đổi chiều d Sơ đồ giao lần e Sơ đồ giao nhiều lần Hình 1.3 Các sơ đồ chuyển động chất lỏng TBTDN 1.1.2.3 Phân loại TBTĐN theo thời gian - Thường phân loại: Thiêt bị liên tục (ví dụ bình ngưng, calorife) thiết bị làm việc theo chu kỳ (nồi nấu, thiết bị sấy theo mẻ) 1.1.2.4 Phân loại TBTĐN theo công dụng - Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm (Ví dụ nồi nấu, lò hơi) - Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường (Ví dụ tháp giải nhiệt nước, bình làm mát dầu) - Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ mơi trường (Ví dụ tủ cấp đông, tủ lạnh) 1.2 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CHUNG CHO MỌI TBTĐN 1.2.1 Các yêu cầu kỹ thuật chung cho TBTĐN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khi thiết kế chế tạo lựa chọn trang bị, TBTĐN cần đạt yêu cầu kỹ thuật sau −1 ⎛ δ ⎞ ⎟⎟ cần phải lớn, để tăng cường công suất TĐN 1) Hệ số truyền nhiệt k = ⎜⎜ + + ⎝ α1 λ α ⎠ Q = kF ∆t Muốn tăng k, cần tăng λ, α1, α2, tăng (α1, α2) giảm chiều dày δ vách, không làm vách nhiều lớp 2) Giảm trở kháng thuỷ lực dịng chảy mơi chất ∆p1, ∆p2, để giảm công suất bơm quạt p = ∆pV/η Muốn cần giảm độ nhớt chất lỏng, giảm tốc độ ω, giảm tổn thất cục đến mức 3) Tăng diện tích mặt trao đổi nhiệt, mặt có phía tiếp xúc trực tiếp chất lỏng nóng chất lỏng lạnh để tăng cơng suất Q = kF ∆t 4) Bảo đảm an toàn áp suất nhiệt độ làm việc cao có tuổi thọ cao Muốn phải chọn kim loại đủ bền p, t làm việc, tính toán độ dày δ theo quy tắc sức bền 5) Bảo đảm độ kín chất lỏng với với mơi trường bên ngồi, để gữ độ tính nhiệt sản phẩm vệ sinh an tồn cho môi trường 6) Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận chuyển, dễ lắp ráp, vận hành, dễ kiểm tra, điều khiển dễ vệ sinh, bảo dưỡng 1.2.2 Các nguyên tắc lựa chọn môi chất Môi chất chất trung gian dùng để gia nhiệt hay làm lạnh sản phẩm TBTĐN Môi chất phân loại theo mục đích sử dụng (Mơi chất tải nhiệt nước, môi chất tải lạnh dung dịch NaCl, môi chất lạnh NH3), theo pha làm việc (1 pha, pha, pha), theo nhiệt độ làm việc ∆tlv = (tmin ÷ tmax) (nhiệt độ cao, cao, trung bình, thấp, thấp) Việc lựa chọn mơi chất cần đạt yêu cầu sau: 1) Chọn môi chất có ρ, c, λ, r lớn để có d, k lớn nhằm tăng cường trao đổi nhiệt 2) Chất có nhiệt độ nóng chảy tnc, nhiệt độ sơi ts có pha thích hợp với ∆tlàm việc áp suất làm việc 3) Chất có độ nhớt ν nhỏ để giảm ∆p 4) Chất khơng gây cháy nổ, độc hại, ăn mịn, khơng chứa tạp chất (cặn, bụi) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nhiệt độ làm việc, áp suất làm việc khả trao đổi nhiệt số môi chất thông dụng giới thiệu bảng bảng Bảng - Khoảng nhiệt độ áp suất làm việc mơi chất tlv [0C] plv tuyệt đơi [bar] Khí H2 ≥ 273 ≤ 10 Khí O2, N2, khơng khí ≥ 210 ≤ 200 Khí metal CH4 -160 ÷ -100 ≤ 40 Khí etal, etylen, freon -150 ÷ -70 ≤ 40 Freon 12, 22, NH3, CO2 -70 ÷ ≤ 15 Nước muối (dung dịch NaCl) -50 ÷ ≤3 Freon 11, 12, 113, 114 -10 ÷ ≤3 Dầu ÷ 215 ≤2 Nước H2O ÷ 374 ÷ 225 Hơi nước ÷ 650 ÷ 300 Hỗn hợp difenyl 260 ÷ 350 1÷6 Thuỷ ngân 350 ÷ 500 1÷9 Khói nóng 450 ÷ 1000 ≤1 Chất rắn (samot) ≤ 1500 ≤1 Plasma t0 thấp ≤ 3500 ≤1 Môi chất Bảng - Khả trao đổi nhiệt mơi chất Q trình TĐN Đốt nóng làm nguội Sôi bọt Môi chất α [W/m2K] α α max Khí 60 Hơi nhiệt 20 120 Dầu 60 1.700 Nước 200 10.000 Chất lỏng hữu 600 10.000 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nước Ngưng màng Hơi chất hữu Hơi nước 6.000 50.000 600 2.500 5.000 20.000 1.2.3 Chọn sơ đồ chuyển động chất lỏng Các kết thực nghiệm cho biết, hệ số toả nhiệt α dòng chất lỏng cắt ngang ống lớn hơn, dòng chảy dọc ống, αn > αd, trở kháng thuỷ lực ∆pn > ∆pd Qua phân tích, Berman cho biết: 1) Với chất lỏng, Nu/Pr < 61 nên cho chảy dọc ống (ưu tiên ngược chiều, đảo chiều).; Nu/Pr > 61 nên cho chảy cắt ngang ống (ưu tiên giao nhiều lần) 2) Với chất khí, Re ∈ [4.103 ÷ 4.104] nên cho chảy cắt ngang ống 1.2.4 Các nguyên tắc chọn chất lỏng chảy ống Khi cần chọn chất lỏng cho ống ưu tiên cho: 1) Chất lỏng có lưu lượng thể tích V (m3/s) nhỏ hơn, để giảm vận tốc ω = V/ρ, giảm ∆p cơng suất bơm 2) Chất lỏng có độ nhớt cao để để tăng ∆p lúc bơm 3) Chất lỏng có (p, t)lv lớn để vỏ thiết bị không chịu (p, t) cao, thiết bị nhẹ rẻ 4) Chất lỏng độc hại, bẩn, gây ăn mòn, để dễ làm kín, dễ vệ sinh tốn vật liệu bị ăn mịn hóa chất 1.2.5 Chọn tốc độ dịng mơi chất Khi tốc độ ω tăng α, k tăng, làm TĐN tốt hơn, làm tăng ∆p cơng suất tiêu hao cho bơm quạt Do đó, cần chọn vận tốc hợp lý để giảm chi phí vận hành, tăng hiệu kinh tế Bài tốn tối ưu cho biết, nên chọn ω hợp lý cho môi chất theo bảng sau đây: Bảng Khoảng giá trị hợp lý vận tốc môi chất Môi chất ωtư (m/s) Chất lỏng có ν nhỏ (H2O, glycol) 0.5 ÷3 Chất lỏng nhớt cao (dầu, dd NaCl) 0.2 ÷1 Khí + bụi pk ( khói, khí bụi) ÷ 10 Khí pk ( khơng khí ) 12 ÷ 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khí nén p > pk ( khí nén) 15 ÷ 30 Hơi bảo hồ 30 ÷ 50 Hơi q nhiệt 30 ÷ 75 1.3 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA TBTĐN Khi tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, người ta ln dựa vào phương trình sau gọi phương trình TBTĐN 1.3.1 Phương trình cân nhiệt (CBN) Phương trình cân nhiệt phương trình mơ tả định luật bảo tồn biến hố lượng cho TBTĐN 1.3.1.1 Phương trình cân nhiệt tổng quát Phương trình cân nhiệt tổng quát liên hệ hệ số entanpi vào thiết bị với nhiệt truyền qua vỏ thiết bị môi trường biến thiên nội thiết bị: (Hiệu entanpi – vào chất lỏng 1) + (Hiệu entanpi ra- vào chất lỏng 2) + (Nhiệt truyền qua vỏ thiết bị môi trường) + (Biến thiên nội thiết bị) = Ở dạng tích phân, phương trình cân nhiệt tổng qt có dạng: ∑Q = ( ∆I1 + ∆I2 + Qk) τ + ∆U = 0, Trong đó: ∆I1 = G1( i1// − i1/ ) = G1Cp1( t1// − t1/ ) < 0, chất lỏng toả nhiệt ∆I2 = G2( i2// − i2/ ) = G2Cp2( t 2// − t 2/ ) > 0, chất lỏng thu nhiệt Qk = ∑kiFi( t - tf), [W] nhiệt truyền từ chất lỏng có nhiệt độ t qua diện tích Fi vỏ thiết bị mơi trường nhiệt độ tf Với thiết bị gia nhiệt thường có: t > tf nên Qk > tức môi trường nhận nhiệt Với thiết bị làm lạnh, thường t < tf nên Qk < tức môi trường toả nhiệt vào thiết bị τ [s] thời gian từ khởi động thiết bị nhiệt độ t0 đến nhiệt độ tτ ∆U = ∑ViρiCi( tτ - t0), [J] biến thiên nội chi tiết tạo thiết bị Trong thiết bị gia nhiệt, thường tτ > t0 nên ∆U > 0; thiết bị làm lạnh, thường tτ < t0 nên ∆U < Nếu tính từ thiết bị làm việc ổn định, ∆U = LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nếu đặt W = GCp, [W/K] đương lượng nước chất lỏng liên hệ W, lưu lượng G(kg/s); khối lượng riêng ρ[kg/m3], nhiệt dung riêng Cp[J/kgK], vận tốc ω[m/s] chất lỏng với tiết diện dịng chất lỏng f có dạng: W = GCp = ρωfCp Trong đó: V = ωf [m3/s] gọi lưu lượng thể tích Phương trình CBN tích phân tổng quát, liên hệ thông số có dạng: [ρ1ω1f1( i1// − i1/ ) + ρ2ω2f2( i2// − i2/ ) + ∑kiFi( t - tf)] τ + ∑ρiViCi( tτ - t0) Phương trình cho phép tìm đại lượng chưa biết đó, ví dụ thời gian τ để khởi động thiết bị xác định tất đại lượng cịn lại Khi xét cân nhiệt qua vi phân dF diện tích trao đổi nhiệt thiết bị phương trình cân nhiệt tổng qt có dạng vi phân sau: ρ1ω1f1di1 + ρ2ω2f2di2 + ∑kiFi( t - tf)dFi + ∑ρiViCi dt =0 dτ Đây phương trình vi phân cân công suất nhiệt trao đổi qua diện tích dF TBTĐN Nó cho phép tìm luật biến thiên theo thời gian τ nhiệt độ chất lỏng, thông qua di = Cpdt 1.3.1.2 Các phương trình cân nhiệt đặc biệt 1) Khi thiết bị cách nhiệt tốt với môi trường: Coi Qk = 0, (∆I1 + ∆I2) τ + ∆U = 2) Khi TBTĐN làm việc ổn định, coi ∆U = 0, ∆I1 + ∆I2 + Qk = 3) Khi thiết bị cách nhiệt, làm việc ổn định thì: ∆I1 + ∆I2 = hay G1( i1/ − i1// ) = G2Cp2( i2// − i2/ ) G1Cp1( t1/ − t1// ) = G2Cp2( t 2// − t 2/ ) hay W1( t1/ − t1// ) = W2( t 2// − t 2/ ) Dạng vi phân phương trình cân nhiệt W1dt1 = W2dt2 4) Khi ∆U = 0, Qk = chất lỏng có chuyển pha TBTĐN, từ chất lỏng Cp đến sôi ts nhận nhiệt r, nhiệt đến có nhiệt dung riêng Cph, phương trình cân nhiệt có dạng: G1 [C p1h (t1/ − t s1 ) + r1 + C p1 (t s1 − t1// )] = G2 [C p (t s − t 2/ ) + r2 + C p (t 2// − t s )] Hình 1.4 Phân bố nhiệt độ chất lỏng chuyển pha TBTĐN chiều Ví dụ: + Phương trình cân nhiệt lò hơi: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com G1Cp1 (t1/ − t1// ) = G2 [C p (t s − t 2/ ) + r2 + C p h (t 2// − t s )] với: 1- khối nóng, 2- H2O + Phương trình cân nhiệt cho bình ngưng: 1- ngưng, 2- nước làm mát G1 [C p1h (t1/ − t s1 ) + r1 + C p1 (t s1 − t1// )] = G2C p (t 2/ − t 2// ) 1.3.2 Phương trình truyền nhiệt Phương trình truyền nhiệt phương trình mơ tả lượng nhiệt trao đổi chất lỏng qua mặt TĐN phương thức truyền nhiệt 1) Dạng vi phân Lượng nhiệt δQ truyền từ chất lỏng nóng nhiệt độ t1 qua diện tích dFx mặt TĐN đến chất lỏng lạnh nhiệt độ t2 là: δQ = k(t1 – t2)dFx = k∆txdFx, W Trong đó: ⎛ δ +∑ i k = ⎜⎜ + λi ⎝ α1 α −1 ⎞ ⎟⎟ , [W/m2K] hệ số truyền nhiệt qua vách thường coi ⎠ không đổi mặt F ∆tx = t1(x) – t2(x) = f(Fx) độ chênh nhiệt độ chất lỏng hai bên mặt dFx, phụ thuộc vị trí Fx 2) Dạng tích phân Lượng nhiệt Q truyền từ chất lỏng qua diện tích TĐN F đến chất lỏng là: F Q = ∫ k∆t x (Fx )dFx = k ∫ ∆t x (Fx )dFx = kF ∆t , [W] Với: ∆t = ∆t x (Fx )dFx , gọi độ chênh trung bình mặt F nhiệt độ chất lỏng F∫ 1.4 XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH ∆t Giá trị ∆t phụ thuộc vào t 1/ , t 1// , t 2/ , t 2// loại sơ đồ chuyển động chất lỏng 1.4.1 Sơ đồ song song ngược chiều Phương trình cân nhiệt truyền nhiệt qua dFx TBTĐN song song ngược chiều, theo hình 1.5 có dạng: ⎧δQ = − W1dt1 = − W2 dt ⎨ ⎩δQ = k∆t x dFx LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟δQ − W W ⎠ ⎝ Theo có: dt1-dt2 = - ⎜⎜ ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ , [k/W] − ⎝ W1 W2 ⎠ hay d ∆t x = - mk∆txdFx, với m = ⎜⎜ Nếu m k khơng đổi thì: Do đó: ∆t x F x d∆t x ∆t = − mk ∫∆t ∆t x ∫0 dFx hay ln ∆tX0 = −mkFx ∆tx(Fx) = ∆t0exp(-mkFx) F Theo định nghĩa ∆t : ∆t ∆t ∆t x ( Fx )dFx = ∫ exp(− mkFx )dFx = e −mkF − ∫ F0 F − mkF ∆t = ( Thay ∆tF = ∆t0exp(-mkF) vào được: ∆t = ∆t ∆t ln F ∆t ) ⎛ ∆t F ⎞ ∆t − ∆t ⎜⎜ − 1⎟⎟ = F ∆t ⎝ ∆t0 ⎠ ln F ∆t0 ⎧⎪∆t s = t1/ − t 2// với ⎨ ⎪⎩∆t F = t1// − t 2/ t t'1 ∆t o t1 t"2 C1 ∆t x dt λ t2 dt t"1 C2 ∆t F t'2 d Fx O Fx F Fx Hình 1.5 Sơ đồ trao đổi nhiệt chất lỏng song song ngược chiều 1.4.2 Sơ đồ song song chiều ⎧δQ = − W1dt1 = W2 dt Phương trình cân nhiệt truyền nhiệt dFx là: ⎨ ⎩δQ = −k∆t x dFx ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟k∆tdFx = -mk∆txdFx biến đổi Sau đưa dạng: d∆tx= - ⎜⎜ + ⎝ W1 W2 ⎠ thu được: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ⎧⎪∆t0 = t1/ − t 2/ ∆t F − ∆t ∆t = với ⎨ ∆t F ⎪⎩∆t F = t1// − t 2// ln ∆t t t'1 t1 C1 dt ∆t x C2 ∆t o t2 t'2 O t"1 ∆t F dt t"2 d Fx Fx Fx F Hình 1.6 Sơ đồ trao đổi nhiệt chất lỏng song song chiều Các công thức dùng khi: ∆t0 ≠ ∆tF ≠ Các công thức đặc biệt khác tính ∆t theo: ⎧∆t ∆t0 = ∆t F ≠ ⎪1 ⎪ ∆t = ⎨ (∆t + ∆t F ) ⎪2 ⎪⎩0 ∆t0 = ∆t F = 1.4.3 Các sơ đồ khác Để tính ∆t cho sơ đồ khác (song song đổi chiều, giao hay n lần), ta tính ∆t theo sơ đồ song song ngược chiều nhân với hệ số ε∆t, xác định thực nghiệm cho dạng đồ thị ε∆t = f( p = t 2// − t 2/ t1/ − t1// , R = , loại sơ đồ): ∆t = ∆t ↑↓ ε∆t (P, R,loại sơ đồ) t1/ − t 2/ t 2// − t 2/ 1.5 CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA TBTĐN Để đánh giá chất lượng TBTĐN, người ta dựa vào tiêu sau đây: 1.5.1 Chỉ tiêu lượng Để đặc trưng cho công suất nhiệt thu ứng với 1kW điện tiêu hao vận hành bơm quạt thiết bị, người ta dùng tiêu lượng E0, định nghĩa: E0 = Công suất nhiệt sản phẩm thu từ môi chất Tổng công suất để bơm quạt sản phẩm môi chất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đây hệ phương trình ẩn t1// G2 1) Tính t1// theo G1Cp1(t1/ - t1//) = kF // / → t1 = ts + (t1 - ts)e 2) Tính G2 = G1 − kF G1C p1 ⎛ − 0,18.18 ⎞ ⎟ = 205,620 C , ⎝ ⎠ = 170 + (700 – 170) exp ⎜ C p1 (t1/ − t1// ) r - Hiệu suất TĐN η = t1// −t s t1/ − t1// − kF → ln = = − NTU / / t1 − t s t1 − t s G1C p1 ln // t1 − t s =1 δt max t1/ − t 2/ 1,2(700 − 205,62) = 0,29kg / s = 1043kg / h 2048 = t1/ − t1// 700 − 205,62 = = 93% t1/ − t 2/ 700 − 170 1.6.3 Ví dụ áp dụng phương trình cân nhiệt hỗn hợp Bài tốn: Bình gia nhiệt chứa V = m3 nước t0 = tf = 270C, diện tích xung quanh F = m2 kim loại mỏng, gia nhiệt cho dịng nước vào bình có G2 = 1000 kg/h, nhiệt độ vào t2/ = tf = 270C, Cp2 = 4,18 kJ/ kgK, cách hỗn hợp với dòng vào có G1 = 250 kg/h, i1 = 2770 kJ/kg (hơi bảo hồ khơ p = bar, ts = 170 0C) Hệ số truyền nhiệt khơng khí qua vỏ k = 10 W/m2K 1) Tìm luật biến thiên nhiệt độ nước thời gian t(τ) tính nhiệt độ nước ổn định 2) Nếu khoá van nước vào ra, mở van K thơng khí trời thời gian τs lượng nước sơi Ms t(τs) = ts = 1000C Hình 1.15 Bài tốn 1.6.3 Lời giải: 1) Khi bình mỏng, δ = 0, coi dub = Phương trình cân nhiệt cho nước bình lúc τ, sau dτ có dạng: (Nhiệt dI ngưng toả ra) = (Nhiệt dIn nung nóng lượng nước tính pV) + (Nhiệt gia nhiệt dịng nước dIG) + (Nhiệt δQ mơi trường) hay: G1dτ(i- Cp2t) = pVCp2dt + G2dτCp2(t- t2/) + kF(t – tf)dτ G1C p + G2C p + kF G1i + G2C p 2t 2/ + kFt f dt +t = → dτ ρVC p ρVC p đặt bằng: dt ⎛ b⎞ + at = b → dt = −a⎜ t − ⎟dτ = − a(t − t m )dτ dτ ⎝ a⎠ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com t τ t − tm dt →∫ = ∫ − adt → ln = −aτ t − tm t0 − t m t0 Hàm nhiệt độ nước có dạng: (G1 + G2 )C p + kF −1 ⎧ ,s ⎪a = VC ρ p ⎪ t(τ) = tm– (tm – t0)e-aτ với ⎨ / ⎪t = G1i + G2 C p t + kFt f , C ⎪m (G1 + G2 )C p + kF ⎩ [ ] [ ] Nhiệt độ nước lúc ổn định là: 250 1000 2770 + 4,18.27 + 0,01.8.27 3600 t2// = lim t (τ ) = tm = 3600 = 147,50 C τ →∞ (250 + 1000)4,18 + 0,01.8 3600 2) Nếu khố van nước G2 = 0, có: a0 = G1C p + kF ρVC p 250 4,18 + 0,01.8 3600 = = 8,86.10 −5 s −1 1000.1.4,18 250 2770 + 0,01.8.27 G1i + kFt f 3600 tm0 = = = 525,340 C 250 G1C p + kF 4,18 + 0,01.8 3600 Thời gian đun sơi khối nước tính m = ρV t m − t 10 525,34 − 27 ln = ln = 1788 s = 29 phút 48 s τs0 = a0 t m − t s 8,86 252,34 − 100 Lượng nước sơi là: Ms = m + G1τs0 hay: Ms = ρV+ G1τs0 = 1000.1+ 250 1788 = 1124 kg 3600 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 2: TÍNH NHIỆT CHO THIẾT BỊ TĐN 2.1 CÁC BƯỚC TÍNH THIẾT KẾ MỘT THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Khi tính tốn thiết kế TBTĐN để nung nóng làm lạnh sản phẩm (SP) khâu sản xuất dây chuyền công nghệ, người ta thường tiến hành bước tính sau đây: 1) Tính cơng nghệ: Theo u cầu cơng nghệ xác định thông số t/, t//, W = GCp SP cần đặt TBTĐN 2) Tính chọn sơ bộ: Theo u cầu cơng nghệ cho SP, phân tích, so sánh lựa chọn loại thiết bị, chọn môi chất (MC) thông số vào t, W, ω nó, chọn sơ đồ chuyển động chọn trước kích thước mặt trao đổi nhiệt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3) Tính nhiệt thiết kế: Theo phương trình cân nhiệt phương trình truyền nhiệt, tính thơng số nhiệt cịn lại chất lỏng, hệ số α k, ∆t để xác định diện tích trao đổi nhiệt F 4) Tính kết cấu: Xác định thơng số kết cấu mặt TĐN thiết bị 5) Tính sức bền: Theo (p,t) làm việc lý thuyết sức bền vật liệu, tính chọn vật liệu độ dày δ mặt chịu (p,t) có thiết bị 6) Tính thuỷ lực: Tính tổn thất áp suất dịng chảy chất lỏng tính chọn bơm quạt 7) Tính điều khiển: Tính mạng điện động lực tự động điều khiển hoạt động thiết bị 8) Tính kinh tế: Tính khối lượng, giá thành vật tư thiết bị, chi phí hiệu kinh tế trang bị vận hành TBTĐN Tuỳ theo yêu cầu, việc tính nhiệt cho TBTĐN thường phân tốn: Tính thiết kế để xác định diện tích TĐN tính kiểm tra để kiểm tra lựa chọn thiết bị 2.2 TÍNH NHIỆT THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 2.2.1 Phát biểu tốn tính nhiệt thiết kế TBTĐN Cho trước nhiệt độ vào, đương lượng nước công suất nhiệt trao đổi chất lỏng (SP MC), cần tính diện tích TĐN thiết bị: Cho (t1/, t2/, W1, W2, Q) → tính F 2.2.2 Các bước tính nhiệt thiết kế 1) Tính nhiệt độ chất lỏng theo phương trình cân nhiệt: Q = W1(t1/-t1//) = W2(t2//-t2/) → t1// = t1 2) Tính ∆t theo sơ đồ chọn: ∆t = Q Q t2// = t2 + W1 W2 (∆t0 − ∆t F )ε ∆t ( P, R, loại sơ đồ ) ∆t ln ∆t F 3) Tính α1, α2 với chất lỏng 1, chất lỏng theo công thức thực nghiệm toả nhiệt phương pháp lặp sai số cho phép 4) Tính hệ số truyền nhiệt k = k( α1, α2, δi, λi) 5) Tính diện tích trao đổi nhiệt: F = Q k ∆t LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.2.3 Phương pháp lặp tính α1, α2 Phương pháp lặp dựa việc chọn nhiệt độ vách thích hợp để tính α1, α2 theo cơng thức thực nghiệm, cho sai số dòng nhiệt εq = qα − qα không vượt giá trị qα [ε ] cho phép, thường chọn trước [ε ] = 5% 2.2.3.1 Bài toán phẳng Bài toán: Cho vách phẳng trụ mỏng ( có tiếp xúc với chất lỏng có nhiệt dộ tf1 = = ( ( d2 ≤ ) nhiều lớp δi/λi, cao h, mặt d1 ) / // t1 + t1 , vận tốc ω1 (chọn trước hay tính theo ω ) 4G G = ) chất lỏng có tf2 = t 2/ + t 2// , ω xác định ρf πd ρ Tính α1, α2 Hình 2.1 Bài tốn phẳng - Các bước tính lặp: 1) Chọn nhiệt độ vách tw1 khoảng tf2 ÷ tf1 2) Tính α1 = λ1 h N u1 (Re1,Gr1,Pr1) theo cơng thức thực nghiệm với chất lỏng 3) Tính qα1=α1(tf1- tW1), [W/m2] 4) Tính tw2 theo phương trình cân nhiệt qα1= t W1 − t W ∑ δi λi → tW2 = tW1 - qα1 ∑ δ i λi 5) Tính α2 = λ2 h N u (Re 2Gr Pr ) theo công thức thực nghiệm phía chất lỏng 6) Tính qα2 = α2(tW2 – tf) sai số εq = h − qα qα 7) So sánh sai số εq [ε ] : Nếu εq - [ε ] > → εq > [ε ] → thay đổi tW1 lặp lại bước ÷ Nếu εq - [ε ] ≤ → εq ≤ [ε ] → lấy α1, α2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Chú ý: Nếu môi chất chất khí có nhiệt độ cao (T ≥ 500 K), cần tính thêm trao đổi nhiệt xạ Khi α phức hợp tính theo cơng thức: TW4 − T f4 λ α = αđl + αbx = Nu (Re, Gr , Pr) + ε Wσ h TW − T f 2.2.3.2 Bài toán trụ - Bài tốn: chọn ống trụ dày δi/λi, mặt diện tích tiếp xúc chất lỏng có tf1 = 4G1 4G / // ( t1 − t1 ) , ω1 = , mặt d2 tiếp xúc chất lỏng có tf2 = (t 2/ − t 2// ) , ω2 = 2 Tính 2 πd1 ρ1 πd ρ α1,α2 Hình 2.2 Bài tốn trụ _ Các bước tính lặp: 1) Chọn nhiệt độ vách tw1 khoảng tf2 ÷ tf1 2) Tính α1 = λ1 h N u1 ( Re1,Gr1,Pr1) theo công thức thực nghiệm với chất lỏng 3) Tính q2α1= α1(tf1- tW1)πd1, ( W/m) 4) Tính tW2 theo phương trình cân nhiệt qlα1= → tW2 = tW1 - qlα1 ∑ 5) Tính q2 = λ2 d2 2πλi ln ∑ t W 1− t W di + ln πλ i di di + di N u (Re 2Gr Pr ) theo công thức thực nghiệm phía chất lỏng 6) Tính qlα2 = α2( tW2 – tf2)πd2 sai số εq = − ql α ql α 7) So sánh sai số εq [ε ] : Nếu εq - [ε ] > → εq > [ε ] → thay đổi tW1 lặp lại bước ÷ Nếu εq - [ε ] ≤ → εq ≤ [ε ] → lấy α1, α2 2.2.4 Tính hệ số truyền nhiệt mặt TĐN 1) Vách phẳng trụ mỏng, khơng có cánh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com −1 ⎛ δ ⎞ ⎡ W ⎤ Tính F theo Q = kF ∆t với k = ⎜⎜ + ∑ i + ⎟⎟ , ⎢ ⎥ λi α ⎠ ⎣ m K ⎦ ⎝ α1 tức F = δ Q⎛ 1 ⎞ ⎟, m ⎜⎜ + ∑ i + λi α ⎟⎠ ∆t ⎝ α1 [ ] 2) Vách phẳng có n cánh bxlxδ phía α2 bé: ⎛ δ ⎞ ⎟⎟ Tính F1 theo Q = kF1 ∆t với k = ⎜⎜ + + ⎝ α1 λ ε cα ⎠ = Q ∆t −1 với εc = b F2 h1 + 2b = = + → F1 F1 h1 h1 ⎛ δ ⎞ ⎟⎟, m ⎜⎜ + + ⎝ α1 λ ε cα ⎠ [ ] 3) Vách trụ dày ( có d2 〉 ) khơng có cánh: d1 Thay cho tính diện tích F, người ta tính chiều dài l ống trụ theo phương trình Q = −1 lql = πkl ∆t l với kl = ⎛ d 1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ , [W/mK] Khi có l = ln i +1 + +∑ α d λ d α d 2 n +1 ⎠ i i ⎝ 1 n d ⎞ Q 1⎛ 1 + +∑ ⎜⎜ ln i +1 ⎟⎟, [m] di ⎠ 2λi ∆t π ⎝ α1d1 α d i +1 4) Vách trụ có cánh trịn phía ngồi Tính diện tích mặt khơng cánh F0 = 2πr0l theo: Q = k0F0 ∆t với −1 ⎛ δ F02 ⎞ ⎡ W ⎤ ⎟⎟ , ⎢ ⎥ k0 = ⎜⎜ + + ⎝ α1 λ α 2η c F2 ⎠ ⎣ m K ⎦ δ = r – r0 F02 = 2πr1h1 F2 = F02 + Fc2 Fc2 = 2π( r22 – t21) ⎞ ⎛ r2 , m(r2 − r0 ) ⎟⎟ , với m = ⎠ ⎝ r0 ηc = f ⎜⎜ 2α λδ cho theo sơ đồ hình H.20 2.3 Tinhskieemr tra TBTĐN 2.3.1 Bài toán kiểm tra TBTĐN Khi tính tốn để kiểm tra chọn TBTĐN có sẳn, thường cho trước nhiệt độ vào, đương lượng nước chất lỏng, diện tích hệ số truyền nhiệt thiết bị, cần LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tính cơng suất nhiệt độ chất lỏng, để xem thông số có phù hợp với cơng nghệ hay khơng Bài tốn kiểm tra tóm tắt sau: Cho (t/1, t/2, W1, W2, k, F) → Tính (t//1, t//2, Q) Lời giải toán phụ thuộc vào sơ đồ chuyển động chất lỏng 2.3.2 Tính kiểm tra sơ đồ ngược chiều Nếu coi tổn thất nhiệt mơi trường Qt = Q = ∆I1 = ∆I2 = kF ∆t hay ⎧ ⎪ ⎪ / // ⎪Q = W1 (t1 − t1 ) ⎪ / // ⎨Q = W2 (t − t ) ⎪ / // // / ⎪Q = kF (t1 − t )/− (t1// − t ) (t − t ) ⎪ ln 1// 2/ ⎪ (t1 − t2 ) ⎩ (1) (2) (3) Dùng hệ phương trình ẩn số (t//1, t//2, Q), giải sau Nếu đặt δt1 = t/1-t//1 , δt2 = t/2- t//2 , thì: Từ (1) (3) có W1(t/1-t//1) = kF (t / (t1/ − t2// ) = kF ⎛⎜1 − δt2 ⎞⎟ , (4) − t1// − t 2// − t 2/ → ln t / − t // (t1// − t2/ ) W1 ⎜⎝ δt1 ⎟⎠ ln 1// 2/ t1 − t ) ( ) ( ) ( ) Theo (1), (2) W1δt1 = W2δt2 → δt2 = W1 δt1 , (5) W2 W1 ( kF t1// − t 2/ ) = m1 (4) có dạng: / // = exp [n1 (m1 − 1)] = n1 Nếu gọi (t1 − t2 ) W1 W2 Trừ phương trình cho đẳng thức = ta được: (t (t // / − t 2/ ) t1// − t 2/ − t1/ + t 2// δt (m − 1) δt − δt = = exp [n1 (m1 − 1)]- Giải = / 2/ = / 1/ / // / / // − t2 ) t1 − t − t + t (t1 − t ) − δt t1 − t − m1δt1 phương trình cuối tìm δt1 được: δt1 = (t1/ − t 2/ ) ( ) − exp[n1 (m1 − 1)] có: − m1 exp[n1 (m1 − 1)] t//1 = t/1- δt1 = t/1- (t1/ − t 2/ )Z(n1, m1) t//2 = t/2- m1δt2 = t/2- m1 (t1/ − t 2/ )Z(n1, m1) Q = W1δt1 = W1 (t1/ − t 2/ )Z(n1, m1) 2.3.3 Tính kiểm tra sơ đồ chiều LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com t//2, Q ) là: Q = W1 (t1/ − t1// ) = W2 (t 2// − t 2/ ) = Hệ phương trình để tìm (t//1, kF (t1/ − t2/ ) = kF ⎛⎜1 − δt2 ⎞⎟ = − t 2/ ) − (t1// − t 2// ) Theo W δt = kF ∆ t có: ln 1 (t1// − t2// ) W1 ⎜⎝ δt1 ⎟⎠ (t / − t / ) ln //1 2// (t1 − t2 ) (t / [n1 (m1 − 1)] → t1// − t 2// = e −n1 (m1 +1) lấy 1= trừ cho phương trình ta được: t1/ − t 2/ 1- t1// − t 2// t1/ − t 2/ − t1// + t 2// δt1 + δt δt1 (m1 + 1) = = / / = / / = − e −n1 (m1 +1) → / / / / t1 − t t1 − t t1 − t t1 − t ( δt1 = (t1/ − t 2/ ) ( ( ) ( ) − exp[− n1 (m1 − 1)] − e − n1 (m1 +1) đặt P(n1, m1) = nghiệm toán là: + m1 + m1 ) ) ⎧t1// = t1/ − δt1 = t1/ − t1/ − t 2/ P(m1 , n1 ) ⎪ // / / / / ⎨t = t − δt = t − t1 − t P(m1 , n1 ) ⎪ / / ⎩Q = Wδt = W1 t1 − t P(m1 , n1 ) ( ) n1 = kF NTU chất lỏng nóng W1 m1 = W2 tỷ số đương lượng nước nóng/ lạnh W1 Chú ý: Giá trị m1 ∈ [0, ∞ ), khác với m biểu thức hiệu suất trao đổi nhiệt, kF W ⎞ , m = ⎟⎟ , m < Wmin Wmax ⎠ ⎛ η ⎜⎜ n = ⎝ 2.3.4 So sánh công suất TĐN sơ đồ Người ta thường so sánh cơng suất TĐN sơ đồ có số n1 = kF/ W1 m1 = W2/W1 1) So sánh sơ đồ chiều ngược chiều, ta có: Qp Qz = [ Nhận xét: coi ][ [ ] p − e −m1 (m1 +1) − m1e n1 (m1 −1) = = f (n1 , m1 ) có dạng hình H 23 z (1 + m1 ) − e n1 (m1 −1) Qp Qz Qp Qz ] < nên Q ngược chiều > Q chiều Khi m1 < 0,05 hay m1 > 10 = → Q ngược chiều = Q chiều 2) So sánh cá sơ đồ khác LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Q ngược chiều > Q giao > Q vng góc > Q chiều, có n1, m1 2.4 Ví dụ tính thiết kế TBTĐN kiểu ống lồng 2.4.1 Bài tốn thiết kês: Cơng nghệ cần đun nóng G2 = 3200 kg/h nước lạnh từ t/2 = 150C lên t//2 = 450C, mơi chất nước nóng có G1 = 2130 kg/h, nhiệt độ vào t/1 = 950C Chọn TBTĐN kiểu ống lồng nối tiếp, ống dẫn nước nóng có d2/d1 = 35/ 32 mm, thép có λ = 45W/mK, ống ngồi đường kính D = 48 mm, chiều dài l = 2m Tính tổng diện tích truyền nhiệt F, hệ số mơdun N hiệu suất TĐN Thiết bị 2.4.2 Các bước tính thiết kế 1) Tính Q, t//1 theo phương trình cân nhiệt: Q = G1Cp1 (t1/ − t1// ) = G2Cp2 (t 2// − t 2/ ) Q= 3200 4,18(45 − 15) = 111,5 kW 3600 Q 111,5.3600 = 95 − = 42 C G1C p1 2130.4,19 t//1 = t/1 - 2) Tính ∆t sơ đồ ngược chiều ∆t = (t / − t 2// ) − (t1// − t 2/ ) (95 − 45) − (50 − 15) = = 420C / // ( ) 95 − 45 (t − t ) ln ln 1// 2/ (50 − 15) (t1 − t2 ) 3) Tính α1, α2 theo công thức thực nghiệm a Xác định tf1, ω1 tf2, ω2 : - Theo tf1 = 0,67 W/mK, ( ) / // t1 + t1 = (95 + 50 ) = 72,50 C tra TSVL nước có: ρ1 = 976 kg/m3, λ1 = 2 γ1 = 0,4.10-6m2/s, Prk = 2,5 Tốc độ nước nóng ω1 = 4G1 4.2130 = = 0,754 m / s πρ1d1 3600.3,14.976.0,032 - Theo tf2 = 0,61 W/mK, γ1 ( ) / // t + t = (15 + 45) = 30 C tra TSVL nước có: ρ1 = 996 kg/m3, λ1 = 2 = 0,805.10-6m2/s, Prk = 5,42 Tốc độ nước lạnh ω2 = 3200 G2 4G2 3600 = = =1 m/ s 2 f ρ π D − d ρ 3,14 48 − 352 10 −4.996 ( ) ( ) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com b Tính α1: ⎛ Pat ⎝ Pru 0,021.R 0ef,8 P 0rl, 43 ⎜⎜ Ref ⎞ ⎟⎟ ε l ⎠ = ω1d1 0,754.0,032 = = 60320 〉 10 −6 0,4.10 γ1 Với εl = (t f + t f ) = (72, ,5 + 30) = 51,250 C → 2 λ1 d1 chảy L 2000 = 〉 50 d1 32 Prω = 3,5 rối: Nω = chọn tW1 = α1 = N uf 0,67 ⎛ 2,5 ⎞ = 0,021.60320 0,8.2,50, 43 ⎜ ⎟ = 4000 W / m K 0,032 ⎝ 3,5 ⎠ c Tính α2: Vì ống mỏng, λ lớn, coi tW1 = tW2 = 51,25 → PrW2 = 3,5.Đường kính tương đương hình xuyến D/d2 là: 4f = dtđ = u Re2= π (D − d 22 π (D + d ) ) = D − d = 48 − 35 = 13 mm ω d td 1.0,013 = = 16149 〉 10 → chảy rối 0,805.10 −6 γ2 Công thức thực nghiệm tính α chảy rối ống lồng D/d2 là: dtđ = 4f = u π (D − d 22 π (D + d ) Re2 = ) = D − d = 48 − 35 = 13 mm ω d td 1.0,013 = = 16149 〉 10 → chảy rối −6 0,805.10 γ2 Cơng thức tính α chảy rối ống lồng D/d2 có dạng: ⎛D⎞ Nuf = 0,017R ef0,8 P 0rf, ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ d2 ⎠ ,18 ⎛ Prt ⎜⎜ ⎝ PrW ⎞4 ⎟⎟ = 4270 W/m2K ⎠ d Kiểm tra sai số dòng nhiệt εq = 1− α (t W2 − t f ) 4270(51,25 − 30) = 1− = 6,8% < 10% → lấy α1, α2 4000(72,5 − 51,25) α1 (t W1 − t f ) 4) Tính k, F số modun N LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com d 35 1 = < 1,4 coi vách phẳng dày δ = (d − d1 ) = (35 − 32) = 1,5 d1 32 2 Vì ống mỏng, ⎛ mm nên có k = ⎜⎜ ⎝ α1 F= + 0,0015 ⎞ δ ⎞ ⎛ ⎟⎟ = ⎜ + + + ⎟ = 1932 W/ m K 45 4270 ⎠ λ α ⎠ ⎝ 4000 Q 111,5.103 = = 1,374 m 1932.42 k ∆t Số moodun N = F 1,374 = = 6,83 → chọn N = πd1 L 3,14.0,032.2 5) Hiệu suất TĐN thiết bị là: η = δt max t1/ − t 2/ = t1/ − t1// 95 − 50 = = 56% t1/ − t 2/ 95 − 15 2.5 Ví dụ tính thiết kế thiết bị sản xuất 2.5.1 Bài tốn: Cần thiết kế lị sản lượng G2 = 36 tấn/h nhiệt có t 2// = 2500C p2 = 10 bar từ nước lạnh t 2/ = 270C Cho biết sản phẩm cháy có t1/ = 7500C, lưu lượng G1 = 45 kg/h, hệ số truyền nhiệt k = 200 W/m2K, sơ đồ song song ngược chiều Tính diện tích TĐN lò 2.5.2 Lời giải: 1) Theo p2 = 10 bar tra TSVL nước có: Cp1 = 1,2 k , ts2 = 1800C, r2 = ωk 2015 kJ/ kg, Cph = kJ/kgK Đường cong t(Fx) sản phẩm có dạng hình H 25 Lò coi TBTĐN ngược chiều ghép nối tiếp, hàm nước F0, sơi hố Fs nhiệt Fq Phương trình cân nhiệt phương trình truyền nhiệt cho dạng thiết bị có dạng: ⎧ ⎪ / // ⎪G1C p1 t1/ − t11 = G2C ph t 2// − t s = kFq t1 − t t11 − t s t −t ⎪ ln 10// s ⎪ t1 − t s ⎪ ⎪⎪ t1/ − t 2// t11 − t s / // ⎨G1C p1 t1 − t11 = G2C ph t − t s = kFq t −t ⎪ ln 10// s ⎪ t1 − t s ⎪ / // ⎪G C t / − t = G C t // − t = kF t1 − t t11 − t s s q ph ⎪ p1 11 t −t ln 10// s ⎪ t1 − t s ⎩⎪ ( ) ( ) ( ( ) ( ) ( ( ) ( ) ( ( ( ( ( ( ( )( )( )( ) ) ) ) ) ) ) ) ) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đây hệ phương trình rcuar ẩn ( t11, t10, t 1// , Fq, Fs, F0) Có lời giải chi tiết bảng sau: Tên thơng Cơng thức tính Thay số Kết Đơn vị 36.103 2(250 − 180) 3600 1400 kW 1400 45.1,2 724 522 m2 số để Qq = G2C ph (t 2// − t s ) Nhiệt nhiệt Nhiệt độ khói ∆t Fq ∆t q Diện tích nhiệt Nhiệt để hoá Nhiệt Fq = t11 = t 1/ độ khói Fs (t = / Qp 750 − G1C p1 ) ( − t 2// − t11 − t s t/ − t/ ln t11 − t s ) (750 − 250) − (724 − 180) ln 750 − 250 724 − 180 C C Q F= k ∆t q 1400.103 200.522 13 Qs = G2r2 36.103.2015 3600 20150 kW 20150 724 45.1,2 351 724 − 351 724 − 180 ln 351 − 180 322 t10 = t11 - Qs G1C p1 (t11 − t s ) − (t10 − t s ) C C ∆t Fs ∆t q = Diện tích Q F= s k ∆t s 20150.103 200.322 313 m2 hâm Qs = G2Cp2 (t s − t 2/ ) 36000 4,18(180 − 27 ) 3600 6395 kW Q0 t = t10 − G1C p1 6395 351 − 45.1,2 233 351 − 180 − 233 + 27 351 − 180 ln 233 − 27 188 6395.103 200.188 170 m2 sơi Nhiệt sơi Nhiệt độ khói thải ∆t F0 t −t ln 11 s t10 − t s // ∆t0 (t − t ) − (t1// − t 2/ ) = 10 s ln Diện tích hâm Q F0 = k ∆t t10 − t s t1// − t 2/ C C LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tổng diện F = F0+Fs+Fq tích Hiệu suất η= TĐN t1/ − t1// t1/ − t 2/ 170+322+13 750 − 233 750 − 27 505 m2 71,5 % 2.6 Tính thiết kế bình ngưng 2.6.1 Bài tốn: Cần thiết kế bình ngưng freon 12 kiểu ống vỏ nằm ngang, dùng ống đồng d2/d1 = 14/12mm, có λ = 100 W/mK, chọn bước ống SP = 1,3.d2, có cơng suất ngưng Qk = 42 kW, nhiệt độ ngưng tụ tk = 300C Nước làm mát chảy chùm ống, chọn ω2 = 1,5 m/s, nhiệt độ vào t n/ = 200C, nhiệt độ t n// = 260C, chọn số hàng trùng nước N = 2, định mức toả nhiệt mơi trường khí trời Qt = 2%Qk Tính diện tích mặt ống, tổng số ống n, chiều dài l ống, đường kính D thiết bị, hiệu suất TĐN η 2.6.2 Các bước tính thiết kế 1) Tính phụ tải nhiệt Qn lưu lượng Gn nước làm mát Theo Qk = Qn + Qt → Qn = Qk - Qt = (1-0,02)Qk = 0,98.42 = 41,16 kg/s Theo Qn = GnCpn (t n// − t n/ ) → Gn = 41,16 Qn =` = 1,64 kg/ss // / C pn (t n − t n ) 4,18(26 − 20) 2) Tính số ống n, chọn số ống dãy z ( xem sau) 3) Tính ∆t ( sơ đồ x) ngưng tk = const nên ta có: ∆t = (t k ) ( ) − t n// − t k − t n/ 26 − 20 = = 6,550C // 30 − 20 tk − tn ln ln 30 − 26 t k − t n/ 4) Tính α1 với R12 tính α2 với nước Theo tn = ( ) / // -6 t n + t n = (26 + 20) = 230 C tra TSVL nước có: γ = 10 m /s, λ = 0,6 2 W/mK, Prf = Tính Re2 = ωd1 1,5.0,012 = = 18000 > 104 → chảy rối, có: −6 γ 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nuf ⎛P = 0,021R ef0,8 P 0rf, 43 ⎜⎜ rL ⎝ PrW ⎞4 ⎟⎟ ε l ⎠ với εl ⎛⎜ l 〉 50 ⎞⎟ = 1, chọn tw1 = ⎝d ⎠ (t k + t s ) = (30 + 23) = 26,50 C → Prw = 5,5 → α2 = λ N uf = 0,6 0,021.180000,8 ⎛⎜ ⎞⎟ = 6531 W/m2K d 0,012 ⎝ 5,5 ⎠ 5) Tính số ống hàng m, tổng số ống n, chọn số dãy ơngs z: m tính theo Gn = m π d12 ρω → m = 4Gn 4.1,64 = = 9,7 → m = 10 ống, 3,14.998.1,5.0,012 πρωd1 chọn z = n = Nm = 20 Theo tk = 300C tra TSVL R12 có: ρ = 1293 kg/m3, r = 1,384.105 J/kg, λ = 0,067 W/mK, µ = 2,6.10-6 Ns/m2 Coi tw2 = tw1 = 26,5 0C MC lớn Theo cơng thức Nesselt, α ngưng ống ngang là: ⎛ rgρ λ3 ⎞ ⎛ 1,384.105.9,81.12932.0,067 ⎞ ⎟⎟ = 0,728⎜⎜ ⎟⎟ = 6473W / m K α N = 0,728⎜⎜ −6 ⎝ 2,6.10 (30 − 26,5)0,014 ⎠ ⎝ µ∆td ⎠ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... tra lựa chọn thiết bị 2.2 TÍNH NHIỆT THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 2.2.1 Phát biểu tốn tính nhiệt thiết kế TBTĐN Cho trước nhiệt độ vào, đương lượng nước công suất nhiệt trao đổi chất lỏng... b = Khối lượng thiết bị Diện tích mặt trao đổi nhiệt b nhỏ thiết bị tốn kim loại Ví dụ: Lị nói có b = = M F , [kg/m2] 1200 = 50kg / m 25 1.5.3 Hiệu suất trao đổi nhiệt thiết bị 1.5.3.1 Định... 1.5.2 Các tiêu kết cấu 1.5.2.1 Độ gọn thiết bị Độ gọn thiết bị, ký hiệu G, định nghĩa: G = Diện tích mặt trao đổi nhiệt F Thể tích hộp bao thiết bị V G lớn, thiết bị gọn Ví dụ: Lị nói có G = , [m2/m3]