TRUYỀN NHIỆT B7 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt

Chương 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT5.1 Các dạng bài toán Truyền nhiệt tổng hợp 5.2 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh a Các pt cơ bản để tính toán TB trao đổi

Chương 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

5.1 Các dạng bài toán Truyền nhiệt tổng hợp

5.2 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh

a) Các pt cơ bản để tính toán TB trao đổi nhiệt

b) Độ chênh nhiệt độ trung bình

c) Phương pháp hiệu suất

a) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG

Xét vách phẳng 1 lớp, dày δ , HSDN λ

Môi chất nóng có tf1, α1 ; Môi chất lạnh có tf2, α2

Bài toán kết hợp vừa đối lưu và dẫn nhiệt

(t t )F k

2 1

2

2 2

2 1

1

1 1

/ 1 /

/ 1 /

1 /

1

α λ

t

= với : Rtđ = Rα1 + Rλ + Rα2

2 1

1

1

α λ

tw = f −

2

2 1

1 2

1

1

α λ

δ

q t

b) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ

Xét vách trụ có chiều dài L , đường kính d1/d2 Môi chất nóng trong ống có tf1, HSTN α1 Môi chất lạnh bên ngoài có tf2, HSTN α2

2 1

ln 2

1

d

d L

2

2 1

2 2

2 2

2

2 1

1 1

1 1

1 ln

2

1 1

1 ln

2

1

1

d d

d d

t t

d

t t

d d

t t

π α π

α πλ

™ Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống:

2 2 1

2 1

1

1 ln

2

1

1

d d

2

1 1

1

2 2 1

2 1

d d

kL

α λ

2

1 1

1

1 2 1

1 1

+ + +

L

d d

d d

k

α λ

α

Sau khi có qL, có thể

tính được tw1, tw2

Xét một VP dày δ, HSDN λ Một bênđược làm cánh bằng vật liệu có HSDN rất lớn Diện tích BM không làm cánh

F 1, bề mặt có cánh F 2 (gồm cả phầncánh và phần không cánh)

=

− δ

λ

=

− α

=

2 2

2 2

2 1

1

1 1

1 1

f w

w w

w f

t t

F Q

t t

F Q

t t

F Q

(a)

c) Truyền nhiệt qua vách cĩ cánh

Nhiệt trở cục bộ:

2 2

1

2 1

1 1

1 1

1 1 1

F Q

t t

F Q

t t

F Q

t t

f w

w w

w f

(b)

Cộng từng vế của (b) ta có Nhiệt trở toàn phần:

=

−

=

2 2 1

1 1

2

F F

F Q

t

t

α λ

δ α

Và tính được Q:

2 2 1

1 1

2 f 1 f

F

1 F

1 F

δ + α

−

=

2 2 1

1 1

1 1

1

1

F F

δ + α

1

F

F 1 1

1 k

α

+ λ

δ + α

=với:

Nếu theo 1 đơn vị diện tích BM có cánh thì:

( f1 f2 )

2 2

2 1

2 1

F

FF

F1

1k

α

+λ

δ+α

Hệ số làm cánh : F2/F1 = βc.

¾ Giới thiệu TBTĐN loại vách ngăn cánh

Các chất tải nhiệt chuyển động cách biệt bởi vách ngăn là BMTN

TBTĐN LOẠI VỎ BỌC CHÙM ỐNG (Tubes & Shell):

công suất nhỏ: dạng ống lồng ống,

CS lớn: dạng vỏ bọc chùm ống (như sơ đồ)

5.2 Tính tốn thiết bị Trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh

Tubes & Shell

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

KIỂU DÀN ỐNG CÓ CÁNH

DÀN NGƯNG NH3 TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ

Nồi hơi công nghiệp

¾ PHÂN LOẠI Theo hướng lưu động của dòng MC: lưu động thuận chiều, ngược chiều,

cắt nhau và lưu động phức tạp

Tính toán TBTĐN thường có hai dạng:

- Tính thiết kế: xác định F (ở chế độ định mức)

- Tính kiểm tra: xác minh Q, nhiệt độ cuối (nhiệt độ ra) của MC

2 phương trình cơ bản: PT cân bằng nhiệt và PT truyền nhiệt

™ Phương trình cân bằng nhiệt

Bỏ qua TT nhiệt ra môi trường thì: Qnhả = Qnhận

Khi không có biến đổi pha, tacó:

C = Gcp : nhiệt dung lưu lượng khối lượng

(đương lượng không khí của chất lỏng)

a) CÁC PT CƠ BẢN ĐỂ TÍNH TỐN NHIỆT TBTĐN LOẠI VÁCH

NGĂN CÁNH

1

2 1

1

2 2 2

1

t

t t

t

t

t C

™ Phương trình truyền nhiệt

Nhiệt lượng trao đổi qua phân tố BM truyền nhiệt dF:

( t t ) dF k t dF k

(t1 – t2) − độ chênh nhiệt độ giữa 2 MC trên bề mặt dF

Tích phân trên toàn bề mặt F:

=

F

tdF k

Q

do hệ số k thay đổi ít (k = const): Q = kF Δ t

: độ chênh nhiệt độ trung bình giữa MCN và MCL

Trị số tùy thuộc vào sơ đồ chuyển động của các chất lỏng

t

Δ

t Δ

Tính

t Δ

b) TÍNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH

CT chung cho cả lưu động

thuận chiều lẫn ngược chiều:

min max

min max

t

t ln

t t

t

Δ Δ

Δ

− Δ

= Δ

ΔΤmax

ΔΤmin

Trường hợp (Δtmax/Δtmin < 2) có thể dùng: ( tmax tmin)

2

1

t = Δ + Δ Δ

Đối với sơ đồ phức tạp : Δ t = εΔt Δ tng

εΔt − hệ số hiệu chỉnh

Hàm εΔt = f(P, R) được lập đồ thị sẵn

1

2 2

t

t t

t

t

t P

2

1 1

t

t t

t

t

t R

Heä soá hieäu chænh εΔt = f(P, R)

Cần gia nhiệt dầu G2 = 1000 kg/h từ t’2 = 20 oC đến t’’2 = 180 oC

bằng khói nóng có t’1 = 280 oC Biết t’’1 = 200 oC ; k = 35 W/(m2K); cp1 = 1,1 kJ/(kgK) ; cp2 = 2,3 kJ/(kgK).

Tính diện tích TĐN (F) khi bố trí dòng chuyển động ngược chiều.

GIẢI : Sử dụng PT TRUYỀN NHIỆT

Chênh lệch nhiệt độ tại hai đầu thiết bị:

t’1 - t’’2 = 280 – 180 = 100 oC = Δtmin

t’’1 - t’2 = 200 – 20 = 180 oC = Δtmax

Độ chênh nh/độ trung bình:

Nhiệt lượng cấp cho dầu: Q = G2 cp2 (t’’2 - t’2 )

= 1000 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW Vậy = 102,2 / (0,035 136,1) = 21,46 m2

t kF

C t

t

t t

100

180 ln

100 180

ln

min max

min max = − = Δ

Δ

Δ

− Δ

= Δ

t k Q

F = Δ

VD:

c) PHƯƠNG PHÁP HIỆU SUẤT (phương pháp NTU)

truyền thể

có đa tối nhiệt Dòng

thiết bị qua

truyền nhiệt

Dòng Q

Q

max

=

= ε

Trường hợp có sẵn TBTĐN, biết nhiệt độ vào

truyền nhiệt k (ước tính) Cần xác định Q ,

Q − Dòng nhiệt thực truyền trong thiết bị

Qmax − Dòng tối đa hay lượng nhiệt truyền giả thiết

( 1 2)

min max C t t

Hiệu suất TBTĐN là hàm của NTU và C* = Cmin / Cmax: ε = f ( NTU , C*)

minC kF NTU = NTU : là đơn vị chuyển nhiệt (Number of Transfer Units):

Thiết bị đun nước nóng bằng khói thải từ ĐCĐT, loại lưu động ngược chiều, có các thông số sau:

Phía khói nóng: G1 = 0,8 kg/s ; cp1 = 1,12 kJ/(kgK) ; t’1 = 450 oC

Phía nước: G2 = 3,2 kg/s; cp2 = 4,18 kJ/(kgK); t’2 = 50 oC

Diện tích truyền nhiệt F = 15 m2; k = 85 W/(m2K)

a) Hãy tính Q; nhiệt độ ra của khói và nước.

b) Nếu động cơ vận hành non tải với G1* = 0,5G1, các điều kiện ban đầu khác không thay đổi thì nhiệt lượng trao đổi và nhiệt độ nước ra sẽ là bao nhiêu?

VD:

GIẢI: a) Tính Q và nhiệt độ cuối các chất, dùng pp NTU

Chênh lệch nhiệt độ tại hai đầu thiết bị:

C1 = G1 cp1 = 0,8 1,12 = 0,896 kW/K = Cmin

C2 = G2 cp2 = 3,2 4,18 = 13,376 kW/K = Cmax

Nhiệt lượng truyền cực đại: Qmax = Cmin(t’1 - t’2 )

= 0,896 (450 – 50) = 358,4 kW

max min

Hiệu suất thiết bị (tra đồ thị): ε = 0,72

Nhiệt lượng trao đổi: Q = ε Qmax = 0,72 358,4 = 258 kW

Nhiệt độ khói thoát: t1’’ = t1’ – Q/C1 = 450 – 258 / 0,896 = 162 oC

Nhiệt độ nước ra: t2’’ = t2’ + Q/C2 = 50 + 258 / 13,376 = 69,3 oC

b) Nếu động cơ vận hành non tải với G1* = 0,5G1

Cmin giảm 2 lần -> C* giảm 2 lần = 0,033

NTU tăng 2 lần = 2,84

Qmax giảm 2 lần

HS truyền nhiệt lúc đó = 0,92

Do vậy: Q = 0,92 358,4 / 2 = 164,8 kW

t2’’ = 50 + 164,8 / 13,376 = 62,3 oC