TRUYỀN NHIỆT THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Nguyễn toàn phong of 36 Thiết bị trao đổi nhiệt loại bề mặt Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN § 6.1 Khái Niệm Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Wednesday, October 08, 2008 Chương VI q" n , W ( m daøi K ) of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN (6-6) (6-5) k " t f t f , W m daøi S (6-4) " q" , W Q § d · 1 Ư ăă ln i 1 áá d i ¹ d2 D2 d D1 i © O i Nguyễn toàn phong k" , W (m K ) Gi 1 ¦ D1 i O i D n (6-3) (6-2) k F t f t f , W m 6.2.2 Trường Hợp Vách Trụ kF qF (6-1) Q F qF , W 6.2.1 Trường Hợp Vách Phẳng Ta khảo sát trường hợp hai lưu chất nóng lạnh truyền nhiệt qua bề mặt vách, nhiệt độ hai lưu chất không thay đổi dọc theo bề mặt truyền nhiệt, ta có phương trình trao đổi nhiệt sau § 6.2 Phương Trình Truyền Nhiệt t w2 F2 Nguyễn toàn phong với Q F2 ® * ¯F2 of 36 Foc Kc Fc Foc Fc (6-9) (6-8) (6-7) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN t f1 t f ,W G 1 D1 F1 O F1 D F2* Q D1 D1 F1 t f t w1 Q °° O F1 t w1 t w Q ®Q O G ° °¯Q D D F2* t w t f Q Khi hệ thống ổn định, ta có ba phương trình truyền nhiệt sau F1 t w1 G tf2 t f1 O D2 D1 6.2.3 Trường Hợp Vách Phẳng Làm Cánh Một Phía G F1 D1 O D F2* , W (m K ) (6-11) E Nguyễn toàn phong với 1 F2 G E E O D F2* D1 , W (m K ) of 36 (6-14) (6-13) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN F2 tỷ số làm cánh hay hệ số làm cánh F1 k2 Tính theo đơn vị diện tích bề mặt có làm cánh Q k t f t f , W q2 (6-12) F2 k1 Tính theo đơn vị diện tích bề mặt không làm cánh Q q1 k t f t f , W (6-10) F1 Thông thường nhiệt lượng tính cho đơn vị diện tích O Kc D2 tf2 Foc Fc (6-16) (6-15.c) (6-15.b) (6-15.a) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN F2* (S.d ng ) hệ số làm cánh hiệu dụng E* of 36 F2 (S.d ng ) hệ số làm cánh Foc Kc Fc F2* E Foc Fc D F2* t w t f t w1 t w d ln ng d tr 2.S O D1 S d tr t f t w1 F2 Nguyễn toàn phong với q ng qO q tr Đây trường hợp đặc biệt trường hợp vách phẳng có làm cánh, ta tính nhiệt lượng trao đổi ứng với 1m chiều dài ống dng dtr D1 tf1 6.2.4 Trường Hợp Vách Trụ Có Cánh D (S d ng ).E* t w t f q tr qO q ng , W m daøi k " t f t f , W m daøi of 36 (6-18) (6-17) (6-15.e) (6.-15.d) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN S , W (m daøi K ) d ng 1 1 ln D1 d tr O d tr D d ng E* Nguyễn toàn phong k" với q" Phương trình 6-15 a, b, d, e cho ta q" Trường hợp dẫn nhiệt ổn định, ta có q ng Phương trình 6-15.c viết lại Nguyễn toàn phong với D bx Vo f of 36 (6-21) (6-20) (6-19) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN , W (m K) 5,67.10 8 W (m K ) w H qñ V o Tw Tf T T ª T Tf º H qđ V o « w ằ Tw Tf ẳ D ủl D bx u t w t f , W m D bx t w t f q ñl q ñl q bx , W m D đl t w t f ª T Tf º H qñ V o « w » Tw Tf T T f ẳ w q ủl q bx q bx Trong Vậy q với q Trong trường hợp trao đổi nhiệt bề mặt rắn chất khí, thông thường có kèm theo trao đổi nhiệt xạ, 6.2.5 Trường Hợp Trao Đổi Nhiệt Phức Tạp (a) D1 D D1 D k Min D1 , D 1 D1 D (b) Nguyễn toàn phong of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Đồ thị cho ta quan hệ giá trị hệ số truyền nhiệt với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Ta thấy k0 Trường hợp bỏ qua ảnh hưởng nhiệt trở dẫn nhiệt, Gi |0 ¦ i Oi n 1 G ¦ i D1 i O i D n 6.3.1 Xét nh Hưởng Hệ Số Tỏa Nhiệt Đối Lưu kF Ta xét trường hợp truyền nhiệt qua vách phẳng, biểu thức 6-3 § 6.3 Các Ảnh Hưởng Đến Hệ Số Truyền Nhiệt Nguyễn toàn phong of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Trong trường hợp tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số trao đổi nhiệt đối lưu chất khí nhỏ nhiều so với nước hay trình biến đổi pha) người ta tăng diện tích trao đổi nhiệt (bằng cách làm thêm cánh) phía lưu chất có hệ số trao đổi nhiệt nhỏ Nhận xét: Để tăng cường truyền nhiệt (tăng hệ số truyền nhiệt) người ta tìm cách tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía có giá trị nhỏ n G 1 k0 ¦ i i Oi (6-22) Nguyễn toàn phong 10 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Cần lưu ý tăng nhiệt trở dẫn nhiệt lớp cáu bẩn thiết bị truyền nhiệt Định kỳ vệ sinh phía lưu chất có bám bẩn Nhận xét: Đồ thị cho ta sai biệt hệ số truyền nhiệt bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt Đồ thị cho ta quan hệ kF k0 Từ biểu thức a b cho ta 6.3.2 Xét nh Hưởng Nhiệt Trở Dẫn Nhiệt Ký hiệu cho lưu chất lạnh Ký hiệu cho lưu chất nóng Nhiệt lượng trao đổi thiết bị, kW (6-23) o Nguyễn toaøn phong C1 C2 11 of 36 t"2 t '2 t"1 t '1 Từ biểu thức 6-23 cho ta Gt Gt1 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN (6-24) lưu lượng khối lượng hay đương lượng không khí chất lỏng Trong tính toán người ta gọi đại lượng C G.cp nhiệt dung t”1, t”2 Nhiệt độ lưu chất nóng lạnh đầu ra, oC t’1, t’2 Nhiệt độ lưu chất nóng lạnh đầu vào, C cp1, cp2 Nhiệt dung riêng lưu chất nóng lạnh, kJ/(kg.K) G1, G2 Lưu lượng khối lượng lưu chất nóng lạnh, kg/s c d Q Trong Q G1 c p1 t '1 t"1 G c p t"2 t'2 , kW PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT 6.4.1 Các Phương Trình Cơ Bản § 6.4 Truyền Nhiệt Lưu Chất Không Biến Đổi Pha k F 't dF , W (6-25) Heä số truyền nhiệt, W (m K ) Tính theo giá trị trung bình, xem số toàn diện tích trao đổi nhiệt F k F t t dF F ³k F 't dF k F F 't tb (6-26) Nguyễn toàn phong 12 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Việc xác định phụ thuộc vào sơ đồ chuyển động tỷ số đượng lượng không khí lưu chất 't tb Gọi độ chênh lệch nhiệt độ trung bình lưu chất nóng lưu chất lạnh Q Tích phân phương trình 6-25 toàn diện tích F ta xác định nhiệt lượng truyền qua thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt phân tố dF t1 t Chênh lệch nhiệt độ lưu chất nóng lạnh kF Trong GQ PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT Nguyễn toàn phong 13 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Ta xét hai trường hợp lưu động song song chiều ngược chiều với biến đổi nhiệt độ hình bên PP Chênh Lệch Nhiệt Độ Trung Bình Logarith LMTD 6.4.2 Tính TB TĐN Theo Chênh Lệch Nhiệt Độ Nguyễn toàn phong 14 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN # G.c p dt r G.c p dt (6-28) (6-27) C dt Nguyễn toàn phong t1 Ngược chiều: t1 Cùng chiều: t'1 t'1 Qi C1 Qi C1 (6-31) (6-30) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN C2 t"2 t C1 C2 t t ' C1 15 of 36 t'1 t'1 Cho đến vị trí Fi, nhiệt lượng trao đổi lưu chất nóng lạnh Qi theo phương trình sau: # C1 dt (6-29) Là đương lượng không khí lưu chất nóng lạnh °C1 { G.cp ,WK ® °¯C2 { G.cp k F dF 't Phương trình 6-27 viết lại: Đặt GQ Nguyễn toàn phong 16 of 36 (6-32) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN § C2 · C2 °'t th t t t '1 ăă1 C áá t C t '2 © ° đ Đ C à C 't t t t '1 ăă1 áá t t"2 ng °¯ C1 © C1 ¹ Chênh lệch nhiệt độ hai lưu chaỏt taùi vũ trớ Fi: ng th ê Đ C2 à C2 ô ăă1 C áá t C t"2 t '1 » â ẳ dt ê Đ C2 à C2 ô ăă1 C áá t C t '2 t'1 » â ẳ dt 2 ê Đ C2 à C2 ô ăă1 C ¸¸ t"2 C t"2 t '1 ằ ằ ô â ằ ô Đ C2 à C2 ô ăă1 C áá t'2 C t"2 t'1 » ¹ ẳ â 17 of 36 ê Đ C2 à C2 ô ăă1 C áá t"2 C t'2 t'1 » ằ ô â ằ ô Đ C2 à C2 ô ăă1 C áá t'2 C t '2 t'1 » ¹ ẳ â Nguyeón toaứn phong ln ° ° ® ° ° °ln ° ° ¯ Hệ phương trình 6-33 trở thành: Với giả thuyết dt ³t ' > 2@ t "2 k F | const ° ®C1 | const °C | const ¯ k ³0 CF2 dF F (6-36.a) (6-35) (6-34) (6-33) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN k F F § C2 à ă1 C ăâ C1 áạ k F F Đ C2 à ă1 C ăâ C1 áạ Laỏy tớch phaõn vế phương trình trên: k dF ° F ° C2 °° ® ° k F dF ° C ° °¯ Hệ phương trình 6-27 cho ta: Nguyễn toàn phong 't a ® ¯'t b t"1 t'2 t '1 t"2 18 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN ngược chiều Theo sơ đồ lưu động, ta đặt: 't a t"1 t"2 chiều ® ¯'t b t '1 t '2 ln đ ln ê 't a ô 't ằ bẳ ê 't a ô 't ằ bẳ Đ 1 à k F F ăă áá © C C1 ¹ 19 of 36 (6.36-c) (6-36.b) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN § 1 à k F F ăă áá â C C1 Đ 1 à k F F ăă áá â C C1 ê ô ằ 't a ô » t '2 t"2 t"1 t '1 't a ằ ô ôơ ằẳ 't b 't a 't a 't b ª º « t'2 t"2 t"1 t'1 't b ằ ô ằ 't b ô ằ ẳ Nguyễn toàn phong hay ° °ln ° ° ® ° ° °ln ° ¯ § 1 · k F F ăă áá â C C1 Đ 1à k F F ăă áá â C C1 § 1 · k F F ăă áá â C C1 t" t ' 1 t"2 t '2 Từ 6-36.b 6-24 cho ta: C2 C1 º ª 't a « C C t' t" 't ằ 2 aẳ ê C C1 t'2 t"2 't b ô ằ 't b ẳ Phửụng trỡnh 6-24 °ln ° ® °ln ° ¯ Hệ phương trình 6-36.a trở thành: (6-37) § 't a 't b à áá k F F ăă â ln 't a 't b ¹ (6-38) Nguyễn toàn phong với Hay 't ® ¯'t max 't tb 't tb 20 of 36 Max >'t a , 't b @ Min >'t a , 't b @ 't max 't 't ln max 't 't a 't b 't ln a 't b Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN (6-40) (6-39) Vậy độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarithmic LMTD là: Q Thế 6-37 vào 6-36.c, hai phương trình cho kết quả: Từ phương trình 6-23 ta có: t"2 t '2 °° C Q ® ° t '1 t"1 °¯ C1 Q H 't Đ t" t ' t ' t" à f ăă 2 , 1 áá â t'1 t '2 t"2 t '2 ¹ H 't 't ng f P , R t '1 t"1 t"2 t '2 C2 C1 t"2 t'2 t'1 t'2 (6-42) (6-41) (6-43) Nguyễn toàn phong H 't 21 of 36 f P, R f PR,1 / R Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN (6-44) x Trường hợp R ! (nếu đồ thị không cho giá trị đường cong R ! 1) thì: H 't ® ¯'t tb 't ng x Nếu có lưu chất bị biến đổi pha (ngưng tụ bay hơi) nhiệt độ giữ không đổi ( P { R { ), ta có: Các lưu ý sử dụng phương trình 6-41 x Thông thường H 't tra đồ thị cho loại sơ đồ bố trí thiết bị x R x P có quan hệ với tỷ số t'1 t '2 : P Trong đó: 't tb Trong sơ đồ thiết bị bố trí kiểu khác – bố trí phức tạp (không phải kiểu bố trí song song) LMTD tính theo sơ đồ lưu động song song ngược chiều có nhân thêm hệ số hiệu chỉnh tùy thuộc sơ đồ: Nguyễn toàn phong 22 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Nguyễn toàn phong 23 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Nhiệt lượng lớn truyền (6-45.a) C t'1 t' Cmin Min >C2 , C1 @ ® ¯Cmax Max >C2 , C1 @ H C t '1 t '2 (6-47) (6-46) (6-45.c) (6-45.b) Nguyễn toàn phong với 24 of 36 C °°C C max ® °NTU k F F °¯ C k" " C Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN (6-49) Hiệu truyền nhiệt H hàm số quan hệ sau: , NTU H f C (6-48) Q Phương trình 6-45.c viết lại: Trong đó: Phương trình 6-45.a viết laïi: Q C1 t'1 t"1 C t"2 t' H Q max C t'1 t' C t'1 t' Q max Phương trình 6-24 cho ta: lưu chất có đương lượng không khí nhỏ chênh lệch nhiệt độ lớn hơn, lớn trường hợp lưu động ngược chiều t '1 t '2 , nhiệt lượng cực đại truyền qua thiết bị: H Hiệu truyền nhiệt thiết bị Nhiệt lượng thực tế truyền qua thiết bị 6.4.3 Tính TB TĐN Theo PP Hiệu Suất H-NTU Nguyễn toàn phong Hay: H NTU 25 of 36 NTU @ exp> C C (6-51) (6-50) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN 1 H 1@ ln> C 1 C ê Đ C à C ĐC C à ăă áá NTU ln ô ăă1 ¸¸ H 1» C1 C2 â C2 â C1 ẳ NTU ln> C H 1@ C Phương trình 6-31.b 6-40.b x Trường hợp lưu động thuận chiều Nguyễn toàn phong 26 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Lưu động song song chiều Nguyễn toàn phong Hay C 1 C1 1 C2 1 C H H 1 § H 1 · lnă H áạ 1 C ©C 27 of 36 (6-53) (6-52) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN NTU @ exp> C exp> C NTU @ 1 C NTU 1 C2 C H C2 C2 C1 C H C º ª 1 » ô ĐC C à C H ăă áá NTU ln ô ằ C1 â C2 ô C2 C2 ằ ơô C1 C H ằẳ NTU lnĐă H ·¸ C H 1ạ âC Theỏ vaứo 6-36.b 't a C2 C1 t'2 t"2 't a x Trường hợp lưu động ngược chiều Nguyễn toàn phong 28 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Lưu động song song ngược chiều Nguyễn toàn phong 29 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Chùm ống vỏ bọc pass 6-53, lúc H cho dạng đồ thị tương ứng với sơ đồ x Trường hợp thiết bị thuộc loại lưu động phức tạp , NTU không đơn giản phương trình 6-51 H f C Nguyễn toàn phong 30 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Chùm ống vỏ bọc pass Nguyễn toàn phong 31 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Lưu động cắt – hai lưu chất không xáo trộn Nguyễn toàn phong 32 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Lưu động cắt – lưu chất không xáo trộn Nguyễn toàn phong NTU 33 of 36 ln 1 H H e NTU Cmax of lim H e NTU Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN (6-55) (6-54) C max o f , tất dạng sơ đồ (song song phức tạp): x Trường hợp có lưu chất có biến đổi pha Nguyễn toàn phong 34 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN Sự thay đổi nhiệt độ lưu chất bay Sự thay đổi nhiệt độ lưu chất ngưng tụ Nhiệt độ thay đổi dọc bề mặt trao đổi nhiệt sau Nguyễn toàn phong hay Rc k' 1 k' k k 35 of 36 (6-56) Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN k k' (m K) W k k' n 1 G ¦ i D1 i O i D2 n G 1 ¦ i Rc Rc D1 i O i D2 k x Năng suất nhiệt thiết bị giảm bị bám cáu bẩn, dẫn đến giảm hệ số truyền nhiệt Quan hệ hệ số truyền nhiệt trước sau bám cáu có liên quan đến nhiệt trở sau x Khi tính kiểm tra thiết bị nên sử dụng phương pháp hiệu suất H NTU x Theo yêu cầu thứ sử dụng phương pháp nhiệt độ trung bình logarithmic LMTD hay phương pháp hiệu suất H NTU (thường hay sử dụng phương pháp chênh lệch nhiệt độ trung bình LMTD) Các lưu ý tính toán thiết bị trao đổi nhiệt x Kiểm tra lại suất nhiệt hay nhiệt độ thiết bị nhiệt có sẵn (diện tích trao đổi nhiệt biết trước) x Thiết kế thiết bị, tức xác định diện tích trao đổi nhiệt để đạt suất yêu cầu đặt (năng suất nhiệt, nhiệt độ) Thông thường có hai yêu cầu đặt cho việc tính toán thiết bị trao đổi nhiệt § 6.5 Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt O c Rc m Rc 1 k '" k " d i 1 d i d c | a m 2 a (6-59) (6-58) (6-57) (6-60) Nguyễn toàn phong 36 of 36 Chương VI – Truyềnï Nhiệt & TBTĐN x Việc bố trí thiết bị đảm bảo hợp lý nhỏ gọn, dễ làm vệ sinh, tổn thất áp suất phải nằm giới hạn cho phép G c | R c S.d c O c m Thông thường chiều dày cáu nhỏ, dùng công thức Gc Rc | S.d c O c Gc e SO c R c k " k '" (m.K) W k " k '" Chieàu dày lớp cáu d d Rc ln i 1 o i 1 2S O c di di S k' S k" n § 1 d · Ư ăă ln i 1 áá d tr D tr i © O i d i ¹ d ng D ng n Đ 1 d à Ư ăă ln i 1 ¸¸ S R c d tr D tr i © O i di ¹ d ng D ng Tương tự, xác định cho trường hợp vách trụ Chiều dày lớp cáu Gc Rc o Gc Oc