Nhiệt và truyền nhiệt nền tảng và ứng dụng chương 11 nguyễn trọng quỳnh dịch

1 Chương 11 Các Thiết Bị Truyền Nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt (heat exchanger) thiết bị làm lợi cho trình trao đổi nhiệt hai chất lỏng (có nhiệt độ khác nhau) chúng hịa trộn với Thiết bị trao đổi nhiệt thường sử dụng thực tế, ví dụ loạt ứng dụng, từ hệ thống sưởi ấm điều hịa khơng khí gia đình, nhà máy xử lý hóa chất sản xuất lượng Ví dụ, tản nhiệt xe, nhiệt truyền từ nước nóng chảy qua ống tản nhiệt với khơng khí thổi thơng qua cánh mỏng xếp gần bên gắn vào ống Truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt thường liên quan đến đối lưu chất lỏng dẫn nhiệt truyền qua vách (thành ống, ) nơi ngăn cách hai dịng chất lỏng Trong phân tích thiết bị trao đổi nhiệt, để thuận tiện cho việc tính tốn người ta đưa hệ số truyền nhiệt tổng qt U tính tốn cho tất tác động xảy trình truyền nhiệt Bên cạnh nhiệt lượng truyền qua hai chất lỏng vị trí thiết bị trao đổi nhiệt phụ thuộc lớn vào chênh lệch nhiệt độ vị trí cịn thay đổi dọc theo chiều hay kích thước thiết bị trao đổi nhiệt Trong phân tích thiết bị trao đổi nhiệt, để thuận tiện cho việc tính tốn người ta đưa vào thơng số với tên gọi “chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit” LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference), khác biệt nhiệt độ trung bình tương đương hai dịng chất lỏng cho tồn thiết bị trao đổi nhiệt Sau giới thiệu hệ số hiệu chỉnh F (correction factor) dùng để hiệu chỉnh độ lệch giá trị trung bình nhiệt độ từ phương pháp LMTD thiết bị trao đổi nhiệt có cấu hình phức tạp Tiếp theo, thảo luận phương pháp hiệu suất-NTU, mà sử dụng phương pháp cho phép phân tích thiết bị trao đổi nhiệt giá trị nhiệt độ dòng chất lỏng khỏi thiết bị Cuối cùng, thảo luận lựa chọn trao đổi nhiệt MỤC TIÊU (Khi học xong chương này, sinh viên có khả năng): ■ Phân biệt dạng khác thiết bị trao đổi nhiệt, phân loại chúng, ■ Hiểu tác động cáu cặn bề mặt xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát cho thiết bị trao đổi nhiệt, ■ Thực phân tích lượng thiết bị trao đổi nhiệt, ■ Hiểu rõ mối quan hệ chênh lệch Nhiệt độ trung bình logarit sử dụng phương pháp LMTD Bên cạnh chỉnh sửa để độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit phù hợp với loại thiết bị trao đổi nhiệt khác nhờ vào hệ số hiệu chỉnh ■ Phát triển mối quan hệ hiệu suất phân tích thiết bị trao đổi nhiệt nhiệt độ đầu ra, sử dụng phương pháp hiệu suất nhiệt – hệ số chuyển nhiệt - NTU, ■ Biết cân nhắc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt 11.1 Các dạng Thiết bị trao đổi nhiệt Các ứng dụng khác thực trình truyền nhiệt yêu cầu dạng khác phần cứng cấu hình thiết bị truyền nhiệt Chính lý ngày nhiều thiết bị truyền nhiệt với thiết kế sáng tạo đời để đáp ứng yêu cầu truyền nhiệt quy trình cơng nghệ Tn,vào T T Mơi chất nóng Mơi chất nóng Mơi chất Lạnh Tn,ra ΔT1 ΔT2 Môi chất Lạnh T2,L TL,vào x Mơi chất Lạnh Mơi chất nóng Đi vào Đi Môi chất Lạnh (a) Chuyển động chiều Đi vào Mơi chất Lạnh Đi Mơi chất nóng Đi vào x Mơi chất nóng Mơi chất nóng Đi vào Đi Môi chất lạnh (b) Chuyển động ngược chiều Hình 11-1 chế độ dịng chảy biểu diễn chênh lệch nhiệt độ hai dịng mơi chất nóng-lạnh thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Thiết bị truyền nhiệt đơn giản cấu tạo gồm hai ống đồng tâm có đường kính khác nhau, thể hình 11-1, thiết bị gọi thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (a double pipe heat exchanger) Trong đó, chất lỏng trao đổi nhiệt ống lồng ống chảy ống nhỏ dòng chất lỏng khác chảy qua khơng gian hình vành khun hai ống Có hai kiểu bố trí dịng chất lỏng chảy thiết bị thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống chiều (parallel flow) hai dòng chất lỏng chảy chiều song song (hình a) thiết bị ngược chiều (couter flow) hai dòng chất lỏng chuyển động song song ngược chiều (hình b), thơng thường mơi chất nóng phải ống nhỏ Một dạng thiết bị trao đổi nhiệt khác thiết kế đặc biệt để tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt đơn vị thể tích, gọi thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn (compact heat exchanger) Tỷ lệ diện tích bề mặt truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt đơn vị thể tích gọi mật độ diện tích β (area density – m2/m3) Một thiết bị trao đổi nhiệt với β > 700 m2/m3 xếp vào loại nhỏ gọn Ví dụ thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn tản nhiệt xe (β ~1000 m2/m3), trao đổi nhiệt tuabin khí thủy tinh-gốm (β ~ 6000 m2/m3), tái sinh động Stirling (β ~ 15000 m2/m3), phổi người (β ~20000m2/m3) Những dòng chảy thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn thường có lưu lượng nhỏ dịng chảy coi trình chảy tầng (laminar) Thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn đạt tốc độ truyền nhiệt cao hai chất lỏng thể tích nhỏ, chúng thường sử dụng ứng dụng mà thiết bị trao đổi nhiệt bị hạn chế thể tích khối lượng trao đổi nhiệt (Hình 11-2) Hình 11-2 thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn (lỏng-hơi) máy điều hòa nhiệt độ dân dụng Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn thiết bị nhỏ gọn chế tạo cách gắn mỏng gần cánh dạng vây sóng vào vách ngăn cách hai chất lỏng Thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn thường sử dụng trao đổi nhiệt dạng khí-khí khíchất lỏng (hoặc chất lỏng-khí) để làm tăng hệ số truyền nhiệt hệ thống ta tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Ví dụ tản nhiệt xe (car radiator), thiết bị trao đổi nhiệt dạng khơng khí với nước, để làm tăng hệ số truyền nhiệt cho thiết bị người ta gắn vào bề mặt ống phía khơng khí (bên vùng có hệ số tỏa nhiệt đối lưu thấp) cánh để làm tăng trình trao đổi nhiệt Một ví dụ khác trao đổi nhiệt nhỏ gọn sử dụng rộng rãi ứng dụng cơng nghiệp chế biến hóa chất, xử lý nhiên liệu, thu hồi nhiệt thải, làm lạnh mạch in thiết bị trao đổi nhiệt mạch in (Printed Circuit Heat Exchanger – PCHE, hình 11-3) PCHE có nguồn gốc từ q trình sản xuất lõi kim loại phẳng tạo thành cách khắc hóa học với độ dàytừ 1mm – 3mm Các khắc sau xếp chồng lên liên kết với khuếch tán Dựa vào cách chế tạo khác mà ta làm thiết bị trao đổi nhiệt khác song song, ngược chiều trao đổi nhiệt dòng chảy chéo Hơn nữa, Li et al (2011) báo cáo không giống thiết bị trao đổi nhiệt thơng thường với dịng chảy thẳng, hình dáng lưu lượng dòng chảy thiết bị PCHE thiết kế ngoằn ngo (zigzag), hình chữ S, hình cánh máy bay (aero foil Hình 11-3 hình ảnh chụp phần 'lõi' thiết bị trao đổi nhiệt mạch in (Heatric, công ty Meggitt, Dorset, Anh) shape) để tạo dòng chảy hỗn loạn hay chảy rối (turbulance) làm tăng hệ số truyền nhiệt Hơn PCHE có mật độ bề mặt cao thơng thường mật độ bề mặt PCHE lớn 2500 m2/m3 Các PCHE thường làm từ thép không gỉ, titan, đồng, niken hợp kim niken chịu áp suất hoạt động lên đến 500 bar Ưu điểm thiết bị trao đổi nhiệt mạch in dải nhiệt độ hoạt động rộng từ - 250 0C đến 9000C, hệ số truyền nhiệt cao, kích thước chúng thường nhỏ nhẹ khoảng 4-6 lần so với thiết bị trao đổi nhiệt thông thường Một nhược điểm lớn việc sử dụng PCHE tổn thất áp suất áp cao yêu cầu chất lỏng phải để di chuyển ống nhiệt khơng tắc nghẽn xảy cách dễ dàng đường kính ống khoảng cách ống bé (0,5-2 mm) Dòng chảy chéo (hòa trộn) Dòng chảy chéo (Khơng hịa trộn) Dịng chảy Trong ống (Khơng hịa trộn) (a) dịng chảy khơng hịa trộn Dịng chảy Trong ống (Khơng hịa trộn) (b) dịng chảy hịa trộn, dịng khơng hịa trộn Hình 11-4 cấu hình dịng chảy khác thiết bị trao đổi nhiệt chéo Trong thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn, hai chất lỏng thường di chuyển vuông góc với dịng chảy chuyển động người ta ngọi dịng chảy vng góc di chuyển chéo (cross flow) Các dòng chảy chéo tiếp tục phân loại sau: dịng chảy khơng pha trộn dịng chảy hịa trộn, tùy thuộc vào cấu hình dịng chảy, thể hình 11-4 (a) dịng chảy chéo khơng pha trộn cánh làm chất lỏng chảy qua khoảng hai cánh ngăn khơng di chuyển theo hướng ngang (tức là, hướng song song với ống) Các dòng chảy ngang hình (b) hịa trộn từ dịng chất lỏng tự di chuyển theo hướng ngang Ví dụ tản nhiệt xe oto hai chất lỏng khí khơng pha trộn vào Sự diện q trình pha trộn dịng lưu chất có tác động lớn đến đặc tính truyền nhiệt trao đổi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỏ bọc nằm ngang, thiết bị có vỏ ln gắn cánh hướng dịng để ln hướng dịng chảy mơi chất theo hướng định, với mục đích chất lỏng chảy vỏ phải di chuyển bao quanh ống để tăng cường truyền nhiệt phải trì khoảng cách đồng ống Mặc dù sử dụng rộng rãi thiết bị trao đổi nhiệt vỏ - ống khơng thích hợp để sử dụng tơ máy bay kích thước trọng lượng thiết bị tương đối lớn Lưu ý ống trao đổi nhiệt vỏ -ống số vị trí có lưu lượng lớn thường hai đầu ống vỏ nơi tích tụ chất lỏng ống trước vào ống sau chất lỏng rời khỏi ống hình 11-5 Chất lỏng khỏi ống Chất lỏng vào vỏ Vách ngăn Phía trước ống Phía sau ống ống Vỏ Chất lỏng khỏi vỏ Chất lỏng vào ống Hình 11-5 thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỏ bọc nằm ngang (một vỏ nhiều ống pass) Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỏ bọc nằm ngang phân loại theo số pass vỏ ống thiết bị Ví dụ thiết bị trao đổi nhiệt tất ống làm uốn dáng hình chữ U vỏ gọi thiết bị trao đổi nhiệt vỏ pass ống Tương tự vậy, thiết bị trao đổi nhiệt có liên quan đến hai vỏ bốn ống gọi thiết bị hai vỏ bốn pass ống (Hình 11-6) Phía vỏ mơi chất vào Phía vỏ mơi chất vào Phía ống vào Phía ống vào mơi chất môi chất (b) vỏ ống (2 pass ống) (a) vỏ ống (hình chữ U) Hình 11-6 hướng dịng chất lỏng thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ống Một thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng rộng rãi khung (hoặc cần tấm), bao gồm loạt với đoạn dịng chảy phẳng (Hình 11-7) Các chất lỏng nóng lạnh chảy đoạn thay thế, dịng chất lỏng lạnh bao quanh hai dòng chất lỏng nóng q trình truyền nhiệt hiệu Ngoài ra, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tăng với nhu cầu ngày cao truyền nhiệt cách gắn thêm nhiều phẳng Thiết bị phù hợp cho việc trao đổi nhiệt chất lỏng-lỏng, với điều kiện mơi chất nóng lạnh phải áp suất hoạt động vòi phun gắn cuối khung cho phép chất lỏng vào Tấm đỡ để giữ khung bắt vít với Ơ cửa sổ miếng đệm cho phép chất lỏng chảy kênh thay Tấm A Tấm B Tấm A miếng đệm đặc biệt cuối để ngăn ngừa chất lỏng tiếp xúc với khung Một miếng đệm gắn ngăn cách A B bố trí ln phiên Các dẫn hình chữ nhật đảm bảo liên kết tuyệt đối ngăn không chất lỏng di chuyển theo phương ngang Hình 11-7 thiết bị trao đổi nhiệt dạng phẳng lỏng – lỏng Thiết bị trao đổi nhiệt có dịng chất nóng lạnh dịng chảy qua diện tích ta gọi thiết bị trao đổi nhiệt tái sinh Thiết bị trao đổi nhiệt đối lưu dạng tĩnh khối xốp có khả lưu trữ nhiệt lớn, chẳng hạn lưới dây dạng ceramic Chất lỏng nóng lạnh chảy qua khối xốp cách luân phiên nhiệt lượng đưuọc truyền từ chất lỏng nóng đến thiết bị hồi nhiệt dạng ma trận, sau nhiệt lượng lại truyền từ khối ma trận cho dòng mơi chất lạnh Như vậy, ma trận tái sinh có nhiệm vụ thiết bị lưu trữ nhiệt tạm thời Các thiết bị truyền nhiệt tái sinh nhiệt dạng động liên quan đến thùng quay liên tục dịng chảy chất lỏng nóng lạnh qua phần khác thùng quay để phần trống theo định kỳ thơng qua dịng nước nóng, lưu trữ nhiệt, sau thơng qua dịng mơi chất lạnh, thải nhiệt lưu trữ Như thùng quay xem phương tiện để vận chuyển nhiệt từ dịng nóng sang dịng lạnh Thiết bị trao đổi nhiệt thường đặt tên cụ thể để phản ánh ứng dụng cụ thể mà thiết bị sử dụng Ví dụ, thiết bị ngưng tụ (condenser) trao đổi nhiệt trong dòng chất lỏng làm lạnh ngưng tụ chảy qua thiết bị trao đổi nhiệt Một dạng thiết bị khác lò (boiler) trao đổi nhiệt trong chất lỏng hấp thụ nhiệt bay Một tản nhiệt không gian trao đổi nhiệt mà nhiệt truyền từ chất lỏng nóng đến khơng gian xung quanh cách xạ 11.2 Hệ số truyền nhiệt tổng quát – the overal heat transfer coefficient Một thiết bị trao đổi nhiệt thường bao gồm hai chất lỏng nóng lạnh chảy cách vách Môi chất lạnh Môi chất nóng Truyền nhiệt Ti TW Ri  hi  A i Rvaùch TW T0  R0 h0  A Hình 11-8 tổng nhiệt trở cản trở trình truyền nhiệt trao đổi nhiệt ống lồng ống Đầu tiên, nhiệt truyền từ chất lỏng nóng (mơi chất nóng) đến vách đối lưu, sau nhiệt dẫn nhiệt qua vách dẫn nhiệt, từ vách đến chất lỏng lạnh lại cách đối lưu Nếu có xạ nhiệt thơng thường cộng hệ số tỏa nhiệt đối lưu Các nhiệt trở kết hợp lại suốt trình truyền nhiệt dẫn nhiệt đối lưu biểu diễn hình 11-8 Trong : - hi, ho hệ số tỏa nhiệt đối lưu bên bên ngồi mơi chất với vách - Ai , Ao diện tích bề mặt trao đổi nhiệt bên bên - Rvách nhiệt trở vách Đối với thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống (a double pipe heat exchanger) có diện tích bên diện tích bên ngồi ta có: Ai = πDiL Ao = πDoL bên cạnh nhiệt trở vách tính sau: L Rvách  ống ngồi Chất lỏng ống Lạnh Chất lỏng nóng A0 = π.D0.L Ai = π.Di.L Hình 11-9 diện tích hai bề mặt truyền nhiệt dạng ống lồng ống nhiệt đôi đường ống trao đổi (đối với ống mỏng, Di = D0 nên Ai = A0) ln  D0 Di  2L (11-1) Trong đó, k hệ số dẫn nhiệt vật liệu L chiều dài ống nên tổng nhiệt trở tính sau R = Rtổng = Ri + Rvách + R0 R ln  D0 Di  1   hi A i 2kL h0A (11-2) Trong phân tích thiết bị trao đổi nhiệt, cách dễ dàng tổng hợp nhiệt trở hướng dòng nhiệt truyền từ chất lỏng nóng đến chất lỏng lạnh Nhiệt lượng hai dịng chất lỏng tính sau: Q T  U  A S  T  U i A i T  U 0A 0T R (11-3) Trong đó: U hệ số truyền nhiệt tổng quát, đơn vị W/m2.0C giống hệt với đơn vị khác hệ số tỏa nhiệt đối lưu h Rút gọn ΔT phương trình 11-3 ta có 1 1   R  Rvaùch  UA S U i A i UoA o hi A i hoA o (11-4) Có lẽ bạn tự hỏi có hai hệ số truyền nhiệt tổng quát Ui Uo cho thiết bị trao đổi nhiệt Lý thiết bị trao đổi nhiệt có hai diện tích bề mặt truyền nhiệt Ai Ao, đó, nói chung, hai diện tích không Lưu ý UiAi = UoAo Ui ≠ Uo Ai = Ao Vì vậy, hệ số truyền nhiệt tổng quát U thiết bị trao đổi nhiệt vô nghĩa trừ diện tích mà định Đặc biệt trường hợp bên thành ống tạo cánh bên khơng có, điều dẫn đến diện tích bề mặt phía có cánh lớn nhiều lần bên không làm cánh Khi độ dày ống nhỏ hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống cao ta bỏ qua nhiệt trở ống (hay xem nhiệt trở ống không đáng kể, R vách,ống = 0) diện tích bề mặt bên bên ống gần giống hệt (Ai = Ao = As) Và phương trình 11-4 tính hệ số truyền nhiệt tổng quát đơn giản hoá sau: 1 1 1 1    R  Rvaùch    UA S U i A i UoA o UA hi A i hoA o hi A hoA Hay 1   UA hi A hoA  1   U hi ho (11-5) Trong U = Ui = Uo hệ số truyền nhiệt đối lưu bên bên ống hi ho xác định cách sử dụng mối quan hệ đối lưu cho dòng đối lưu bên bên Hệ số truyền nhiệt tổng quát U phương trình 11-5 chi phối hệ số tỏa nhiệt đối lưu nhỏ hơn, nghịch đảo số có giá trị lớn nên ảnh hưởng đến trình truyền nhiệt Khi hệ số đối lưu có giá trị nhỏ nhiều so với giá trị khác (ví dụ, hi ho ), có 1/ hi 1/ ho U = hi Do hệ số truyền tạo nút thắt cổ chai đường truyền nhiệt cản trở nghiêm trọng đến trình truyền nhiệt Tình trạng thường xảy chất lỏng chất khí mơi chất chất lỏng Trong trường hợp vậy, người ta thường gắn thêm cánh phía mơi chất khí để tăng giá trị UA việc truyền nhiệt bên phái khí tăng lên làm giảm tượng nút thắt cổ chai Một số giá trị hệ số truyền nhiệt tổng quát U đưa bảng 11-1 Lưu ý hệ số truyền nhiệt tổng quát nằm khoảng từ 10 W/m2.K cho thiết bị trao đổi nhiệt khí-khí khoảng 10.000 W/m2.K cho thiết bị trao đổi nhiệt có liên quan đến việc biến đổi pha Đây đáng ngạc nhiên, khí có hệ số dẫn nhiệt thấp, trình liên quan đến việc biến đổi pha có hệ số truyền nhiệt cao Khi ống tạo cánh để tăng diện tích trao đổi nhiệt, tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt diện tích bề mặt có cánh tính sau: As = Atổng = Acánh + Akhơng có cánh (11-6) Trong đó, Acánh diện tích bề mặt cánh Akhơng có cánh diện tích phần bề mặt ống cịn lại khơng có gắn cánh Đối với cánh có chiều dài ngắn có hệ số dẫn nhiệt cao, sử dụng tổng diện tích đối lưu nhiệt trởcó mối quan hệ sau: Rđối lưu = 1/hAtổng trường hợp cánh gần giá trị đẳng nhiệt Nếu không, nên xác định hiệu suất diện tích sử dụng từ phương trình sau 10 Atổng = Akhơng có cánh + ηcánhAcánh (11-7) Trong ηcánh hiệu suất cánh mà có tìm từ mối quan hệ cánh thảo luận Chương Bằng cách này, tổn thất nhiệt độ theo chiều dài cánh tính toán hợp lý Lưu ý ηcánh = cho cánh đẳng nhiệt, phương trình 11-7 rút gọn thành phương trình 11-6 Lưu ý bề mặt cánh, diện tích liên quan (Ai hay Ao) phương trình 1-4 tính từ phương trình11-7 Bảng 11-1 giá trị hệ số truyền nhiệt tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt Loại thiết bị trao đổi nhiệt U W/m2.K Nước – nước 850 -1700 Nước – dầu 100-350 Nước – xăng 300 -1000 Nước – nước muối 600 -1200 gia nhiệt nước cấp 1000 - 8500 Hơi nước – dầu nhiên liệu nhẹ 200 - 400 Hơi nước – dầu nhiên liệu nặng 50 – 200 Hơi ngưng tụ 1000 – 6000 Freon ngưng (làm mát nước) 300-1000 Amoniac ngưng (làm mát nước) 800-1400 ngưng rượu (làm mát nước) 250-700 Khí - khí 10 - 40 Khí - nước muối 10-250 Dầu - dầu 50-400 Hữu hơi-nước 700-1000 dung môi hữu - dung môi hữu 100-300 Nước-to-khơng khí ống vây (nước 30-60 ống) 400–850† Hơi-khơng khí ống vây (hơi nước 30–300† ống) 400–4000‡ † phụ thuộc vào diện tích bề mặt trao đối nhiệt phía khơng khí ‡ phụ thuộc vào diện tích bề mặt trao đổi nhiệt phía nước hay 11.2.1 Hệ số cáu cặn – fouling factor Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt thường bị giảm theo thời gian tích tụ cáu cặn bề mặt thiết bị truyền nhiệt Các lớp cáu cặn nguyên nhân tạo nhiệt trở để hạn chế trình truyền nhiệt làm cho lượng nhiệt truyền thiết bị trao đổi nhiệt giảm Tác động lớp cáu cặn q trình truyền 10 52 Thơng thường kỹ sư ngành công nghiệp phải lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt để thực yêu cầu truyền nhiệt cụ thể Mục đích để làm nóng làm mát chất lỏng định biết lưu lượng nhiệt độ đầu vào đến nhiệt độ mong muốn đầu Như vậy, lượng nhiệt truyền trao đổi nhiệt Q  mcp  Tvaøo  Tra  Qua cung cấp yêu cầu truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt trước có ý tưởng thiết bị trao đổi nhiệt Một kỹ sư xem qua danh mục nhà sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt bị áp đảo chủng loại số lượng thiết bị trao đổi nhiệt có sẵn Để lựa chọn thiết bị thích hợp, cần xem xét nhiều yếu tố đưuọc trình bày 11.6.1 Tốc độ truyền nhiệt Đây yếu tố quan trọng việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt Một thiết bị trao đổi nhiệt phải có khả truyền nhiệt theo tốc độ quy định để đạt thay đổi nhiệt độ mong muốn chất lỏng lưu lượng quy định 11.6.2 Chi phí Những hạn chế ngân sách thường đóng vai trò quan trọng việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt, ngoại trừ số trường hợp đặc biệt nơi "tiền vấn đề" Thiết bị trao đổi nhiệt làm sẵn có lợi chi phí định so với thiết bị đặt làm Tuy nhiên, số trường hợp, thiết bị trao đổi nhiệt có khơng phù hợp với mục đích sử dụng bạn, cần thiết phải đầu tư thời gian tiền bạc để thực thiết kế sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt từ đầu để phù hợp với nhu cầu Điều thường xảy thiết bị trao đổi nhiệt phần khơng thể thiếu tồn thiết bị sản xuất Chi phí vận hành bảo dưỡng thiết bị trao đổi nhiệt quan trọng cần cân nhắc việc đánh giá tổng chi phí 11.6.3 Cơng suất bơm Trong thiết bị trao đổi nhiệt, hai chất lỏng thường vận chuyển máy bơm quạt nên tiêu thụ lượng điện Chi phí điện hàng năm liên quan tới việc vận hành máy bơm quạt xác định từ phương trình Chi phí hoạt động = (Cơng suất bơm, kW) x (Số hoạt động, h) x (Chi phí điện đơn vị, $/kWh) Trong cơng suất bơm tổng lượng điện tiêu thụ động máy bơm quạt Ví dụ, thiết bị trao đổi nhiệt có máy bơm 1hp quạt 1/3hp (1hp = 0,746 kW) hoạt động chế độ đầy tải 8h ngày ngày tuần tiêu thụ 2.069 kWh điện năm, tổng chi phí $166 với chi phí điện đơn vị cents/kWh 52 53 Hạn chế tổn thất áp suất lưu lượng dòng chảy chất lỏng giảm chi phí vận hành thiết bị trao đổi nhiệt, tối đa hóa kích thước thiết bị trao đổi nhiệt chi phí ban đầu Do đó, tăng gấp đơi lưu lượng dòng chảy làm giảm nửa chi phí ban đầu làm tăng yêu cầu công suất bơm khoảng tám lần Thông thường, vận tốc chất lỏng thiết bị trao đổi nhiệt nằm khoảng 0,7 m/s chất lỏng từ đến 30 m/s khí Vận tốc thấp hữu ích việc tránh xói mịn, rung ống, tiếng ồn tổn thất áp suất 11.6.4 Kích thước Trọng lượng Thơng thường, thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ nhẹ tốt Điều đặc biệt với ngành cơng nghiệp tơ máy bay, u cầu kích thước trọng lượng địi hỏi nghiêm ngặt Ngoài ra, thiết bị trao đổi nhiệt lớn thường có giá cao Các khơng gian có sẵn cho thiết bị trao đổi nhiệt số trường hợp giới hạn độ dài ống sử dụng 11.6.5 Chủng loại Các loại thiết bị trao đổi nhiệt lựa chọn phụ thuộc chủ yếu vào loại chất lỏng tham gia, giới hạn kích thước trọng lượng, diện trình thay đổi pha Ví dụ, thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp để làm mát chất lỏng khí diện tích bề mặt phía khí gấp nhiều lần diện tích bề mặt phía chất lỏng Mặt khác, thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ-và-ống phù hợp để làm mát chất lỏng chất lỏng khác 11.6.6 Nguyên vật liệu Các vật liệu sử dụng việc chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt yếu tố quan trọng việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt Ví dụ, khả chịu nhiệt chịu áp suất cao không cần phải xem xét mức áp suất 15 atm nhiệt độ 1500C Nhưng ảnh hưởng cần cân nhắc kỹ mức áp suất lớn 70 atm nhiệt độ lớn 5500C chúng thật giới hạn để tính chonhj vật liệu chấp nhận điều kiện khắc nghiệt thiết bị trao đổi nhiệt Nhiệt độ chênh lệch 500C ống vỏ gây vấn đề giãn nở nhiệt vật liệu nên cần phải xét đến Trong trường hợp chất lỏng có tính chất ăn mịn, phải chọn vật liệu chống ăn mịn đắt tiền thép khơng gỉ chí titan không muốn phải thay thường xuyên thiết bị trao đổi nhiệt chi phí thấp 11.6.7 Những lưu ý khác Có vài lưu ý khác việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt Chúng quan trọng khơng, tùy thuộc vào ứng dụng nhiệt Ví dụ, rị rỉ (leak tight) yếu tố cân nhắc quan trọng chất lỏng tham gia có tính chất độc hại đắt tiền Dễ bảo trì, chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn độ tin cậy cao yếu tố cân nhắc quan trọng khác trình lựa chọn Sự yên tĩnh yếu tố cân 53 54 nhắc việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt dạng lỏng - khí (liquid-to-air) sử dụng ứng dụng sưởi ấm điều hòa khơng khí Ví dụ 11-11 Cài đặt thiết bị trao đổi nhiệt để tiết kiệm lượng tiền Trong nhà máy sữa, sữa trùng nước nóng cấp nhiệt lị khí đốt tự nhiên Nước nóng sau trùng thải vào cống lộ thiên 800C với tốc độ 15 kg/phút Cho biết nhà máy hoạt động 24 ngày 365 ngày năm Lò đốt có hiệu suất 80 %, chi phí khí thiên nhiên $1,10 therm (1 therm = 105.500 kJ) Nhiệt độ trung bình nước lạnh vào lò đốt suốt năm 150C Nước nóng thải khơng thể quay lại lị tái tuần hồn, bị nhiễm trình sản xuất Để tiết kiệm lượng, kỹ sư nhà máy đề xuất lắp đặt thiết bị trao đổi nhiệt dạng nước-nước để làm nóng trước nước lạnh trước vào lò đốt nhiệt độ nước thải Giả sử thiết bị trao đổi nhiệt phục hồi 75 % (thiết bị lấy 75% lượng nhiệt nước thải để gia nhiệt sơ cho nước trước đến lò hơi) nhiệt có sẵn nóng nước Hãy xác định lượng nhiệt truyền thiết bị trao đổi nhiệt cần mua đề nghị thiết bị phù hợp Ngoài ra, xác định số tiền mà thiết bị trao đổi nhiệt tiết kiệm cho công ty năm từ việc tiết kiệm khí tự nhiên 800C Nước thải nóng Nước lạnh 150C Hình 11-33 dùng cho ví dụ 11-11 Giải: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng nướcnước lắp đặt để chuyển lượng từ nước thải sang nước lạnh, để làm nóng trước vao lò Tốc độ truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt khoản lượng tiền tiết kiệm năm tính Giả thuyết 1- Điều kiện hoạt động ổn định tồn 2- hiệu suất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt khơng đổi Tính chất Chúng ta sử dụng nhiệt dung riêng nước (specific heat of water) nhiệt độ phòng, cp = 4.18 kJ/kg C, coi số Phân Tích Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt lựa chọn hình 11-33 Việc thu hồi nhiệt từ nước nóng tối đa rời khỏi thiết bị trao đổi nhiệt nhiệt độ đầu vào nước lạnh (Tlạnh,vào = 150C) Vì thế, Tnóng,vào = 800C  15 kg  Qmax  mnóngcp.nóng Tnóng,vào  Tlạnh,vào     4,18 kJ/kg.K  80  15 C  67,9 kJ/s 60 s     54 55 Tức là, dịng nước nóng có khả cung cấp lượng nhiệt 67,9 kJ/s cho nước lạnh Giá trị có thiết bị trao đổi nhiệt ngược dịng với diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn Một thiết bị trao đổi nhiệt với kích thước chi phí hợp lý có hiệu suất nhiệt khoảng 75% Như vậy, nhiệt lượng truyền thực tế đạt thiết bị trao đổi nhiệt phải Q = εQmax = 0,75×67,9 kJ/s = 50,9 kJ/s Tức là, thiết bị trao đổi nhiệt có khả cung cấp nhiệt mức 50,9 kJ/s từ nước nóng cho nước lạnh Một thiết bị trao đổi nhiệt dạng dạng vỏ-và-ống thông thường trang bị đầy đủ để thiết bị trao đổi nhiệt truyền nhiệt vậy, hai phía thiết bị trao đổi nhiệt nước lưu lượng tương đương có hệ số truyền nhiệt tương đương (Lưu ý làm nóng khơng khí với nóng nước, phải chọn thiết bị trao đổi nhiệt phía khơng khí có diện tích bề mặt lớn) Thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động 24 ngày 365 ngày năm Vì thế, số hoạt động hàng năm là: Thời gian hoạt động = (24 h/ngày) (365 ngày/năm) = 8760 h/năm Lưu ý thiết bị trao đổi nhiệt giúp tiết kiệm 50,9 kJ lượng giây, lượng tiết kiệm suốt năm là: Năng lượng tiết kiệm được=(nhiệt lượng truyền 1x)×(Thời gian hoạt động) = (50,9 kJ/s)(8760 h/năm)(3600 s/h) = 1,605×109 kJ/năm Lị đốt có hiệu suất 80% Tức là, với 80 đơn vị nhiệt cung cấp lò đốt, khí tự nhiên phải 100 đơn vị lượng để cung cấp cho lị Do đó, việc tiết kiệm lượng xác định dẫn đến việc tiết kiệm lượng nhiên liệu: nhieâ n liệ u tiế t kiệ m nă ng lượng tiế t kiệ m 1,605109 kJ/nă m therm   hiệ u suấ t l ò 0,80 105,500kJ  19,02 therm / nă m Cần lưu ý giá khí đốt tự nhiên $1.10 cho therm, số tiền tiết kiệm tính sau: Số tiền tiết kiệm = (Lượng nhiên liệu tiết kiệm được)×(Đơn giá nhiên liệu) = (19020 therms/năm)($1.10/therm) = $20920/năm Do đó, việc lắp đặt thiết bị trao đổi nhiệt đề nghị tiết kiệm cho công ty $20920 năm, chi phí lắp đặt thiết bị trao đổi nhiệt toán từ khoản tiết kiệm nhiên liệu thời gian ngắn 55 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO N Afgan and E U Schlunder Heat Exchanger: Design and Theory Sourcebook Washington, DC: McGrawHill/Scripta, 1974 R A Bowman, A C Mueller, and W M Nagle “Mean Temperature Difference in Design.” Trans ASME 62, 1940, p 283 Reprined with permission of ASME International A P Fraas Heat Exchanger Design 2d ed New York: John Wiley & Sons, 1989 K A Gardner “Variable Heat Transfer Rate Correction in Multipass Exchangers, Shell Side Film Controlling.” Transactions of the ASME 67 (1945), pp 31–38 W M Kays and A L London Compact Heat Exchangers 3rd ed New York: McGraw-Hill, 1984 W M Kays and H C Perkins In Handbook of Heat Transfer, W M Rohsenow and J P Hartnett, (Eds.) New York: McGraw-Hill, 1972, Chap 7 Q Li, G Flamant, X Yuan, P Neveu and L Luo “Compact Heat Exchangers: A Review and Future Applications for a New Generation of High Temperature Solar Receivers.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(2011), pp 4855–4875 A C Mueller “Heat Exchangers.” In Handbook of Heat Transfer, W M Rohsenow and J P Hartnett, (Eds.) New York: McGraw-Hill, 1972, Chap 18 M N Ưzis¸ik Heat Transfer—A Basic Approach New York: McGrawHill, 1985 10 E U Schlunder Heat Exchanger Design Handbook Washington, DC: Hemisphere, 1982 11 Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association New York: Tubular Exchanger Manufacturers Association, 9th ed, 2007 12 R A Stevens, J Fernandes, and J R Woolf “Mean Temperature Difference in One, Two, and Three Pass Crossflow Heat Exchangers.” Transactions of the ASME 79 (1957), pp 287–297 13 J Taborek, G F Hewitt, and N Afgan Heat Exchangers: Theory and Practice New York: Hemisphere, 1983 14 G Walker Industrial Exchangers Washington, Hemisphere, 1982 Heat DC: 56 11-57 BÀI TẬP Các hệ số truyền nhiệt tổng quát Các loại thiết bị trao đổi nhiệt 11-8C Cơ chế truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt dạng lỏng-lỏng từ mơi chất lỏng nóng sang mơi chất lỏng lạnh gì? 11-1C Phân loại loại thiết bị trao đổi nhiệt theo loại dòng chảy giải thích đặc điểm loại 11-2C Khi thiết bị trao đổi nhiệt phân loại nhỏ gọn? Bạn có nghĩ trao đổi nhiệt ống lồng ống phân loại thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn? 11-3C Thiết bị hồi nhiệt gì? Một thiết bị hồi nhiệt tĩnh khác với thiết bị hồi nhiệt động nào? 11-4C Vai trò vách ngăn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỏ bọc gì? Sự diện vách ngăn ảnh hưởng đến nhiệt chuyển giao yêu cầu lượng bơm nào? Giải thích 11-5C Vẽ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỏ bọc loại 1-shell-pass 6tube-passes? Nêu ưu điểm nhược điểm việc sử dụng tube passes thay đường kính? 11-6C Vẽ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 2-shell-passes 8-tube-passes Lý cho việc sử dụng nhiều tube passes gì? 11-7C Một trao đổi nhiệt chiều khác trao đổi nhiệt ngược chiều nào? Sự khác biệt dịng chảy hồ trộn dịng chảy khơng hồ trộn thiết bị trao đổi nhiệt chiều gì? 11-9C Trong điều kiện nhiệt trở ống thiết bị trao đổi nhiệt coi không đáng kể? 11-10C Hãy xem xét thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có chiều dài L Các đường kính đường kính ngồi ống D1 D2, đường kính ống ngồi D3 Giải thích làm để xác định hai diện tích bề mặt trao đổi nhiệt ống ống Ai Ao Khi giả sử Ai ≈Ao ≈As? 11-11C Thế nhiệt trở tạo cáu cặn thiết bị trao đổi nhiệt? Vận tốc nhiệt độ dòng chất lỏng bị ảnh hưởng cáu cặn? 11-12C Các hạn chế mối liên hệ UAbềmặt = UiAi = U0A0 thiết bị trao đổi nhiệt gì? Trong Abềmặt diện tích bề mặt trao đổi nhiệt U hệ số truyền nhiệt tổng quát 11-13C Trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có chiều dày ống nhỏ xem U= hi khơng? Trong U hệ số truyền nhiệt tổng quát hi hệ số truyền nhiệt đối lưu bên ống 11-14C Nguyên nhân phổ biến cáu cặn thiết bị trao đổi nhiệt 11-57 11-58 gì? Cáu cặn ảnh hưởng tới truyền nhiệt tổn thất áp suất nào? 11-15C Trong điều kiện hệ số truyền nhiệt tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt xác định từ U  1/ hi  1/ ho  ? 1 11-16E Đường kính bên bên ngồi ống thiết bị trao đổi nhiệt 2-inch 3inch Hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống 0,5 Btu/h.ft.F Cho biết hệ số truyền nhiệt bên bề mặt ống 50 Btu/h.ft2.F bên 10 Btu/h.ft2.F Xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát thiết bị từ bên bên 11-17 Một thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có đường kính ống 1,0 cm đường kính vỏ 2,5 cm sử dụng để làm ngưng tụ môi chất 134a nước 200C Môi chất chảy ống với hệ số toả nhiệt đối lưu hi = 4100 W/m2K Nước chảy ống với lưu lượng 0,3 kg/s Xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt Đáp án: 1856 W/m2K 11-18 Làm lại câu 11-17 với giả định người ta bọc lớp đá vơi 2mm bên ngồi ống thiết bị trao đổi nhiệt nói (k=1,3 W/m.K) 11-19 Làm lại câu 11-18 Sử dụng phần mềm EES (hoặc khác) để vẽ hệ số truyền nhiệt tổng quát hàm số phụ thuộc độ dày đá vôi cho độ dày thay đổi từ 1mm đến 3mm, thảo luận kết có 11-20E Nước nhiệt độ trung bình 1800F có vận tốc trung bình ft/s chảy qua vách mỏng có đường kính ống 3/4–inchs Nước làm mát khơng khí thổi qua ống với vận tốc 12ft/s nhiệt độ trung bình 800F Xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát 11-21 Một bình khuấy bọc vỏ gắn cánh khuấy dùng để nâng nhiệt dòng nước từ 100C đến 540C Hệ số truyền nhiệt trung bình nước vách bình ước tính từ Nu = 0,76Re2/3Pr1/3 Hơi nước bão hoà 1000C ngưng tụ bình có hệ số truyền nhiệt trung bình tính theo cơng thức h0 =13,1(Thơi – TW)-0,25, đơn vị kW/m2K Biết kích thước là: Dt = 0,6m, H = 0,6m Da = 0,2m, tốc độ cánh khuấy 60 rpm, xác định lưu lượng nước gia nhiệt điều kiện ổn định 11-22E Một thiết bị trao đổi nhiệt ngược dịng có hệ số truyền nhiệt tổng quát bên ống 50 Btu/h.ft2.F Sau thời gian sử dụng, thiết bị trao đổi nhiệt bị đóng cặn với hệ số cáu cặn 0,002 h.ft2.F/Btu Xác định (a) hệ số truyền nhiệt tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt (b) phần trăm thay đổi hệ số truyền nhiệt tổng quát cáu cặn 11-23 Nước nhiệt độ trung bình 1100C có vận tốc trung bình 3,5 m/s chảy qua ống thép không gỉ dài 5m (k = 14,2 W/m.K) lò Đường kính bên bên ngồi 11-58 11-59 ống Di = 1,0 cm Do = 1,4 cm Nếu hệ số truyền nhiệt đối lưu bề mặt ngồi ống nơi q trình sơi diễn h0 = 8400 W/m2K, xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát Ui lò dựa diện tích bề mặt bên ống 11-24 Làm lại câu 11-23, giả định hệ số cáu cặn Rf,i = 0,0005 m2K/W Trên bề mặt bên ống 11-25 Xem xét lại câu 11-24 Sử dụng phần mềm EES (hoặc khác) để vẽ hệ số truyền nhiệt tổng quát dựa bề mặt bên hàm số phụ thuộc hệ số cáu cặn cho hệ số cáu cặn thay đổi từ 0,0001m2K/W đến 0,0008 m2K/W thảo luận kết có 11-26 Một thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống đồng (k = 380 W/m.K) có đường kính đường kính ngồi ống Di = 1,2 cm và Do = 1.6 cm ống ngồi có đường kính 3,0 cm Hệ số truyền nhiệt đối lưu hi = 700 W/m2K bề mặt ống ho = 1400 W/m2K bề mặt ống Với hệ số cáu cặn Rf,i = 0,0005 m2K/W phía bên ống Rf,o = 0,0002 m2K/W phía bên vỏ, xác định (a) nhiệt trở trao đổi nhiệt đơn vị chiều dài (b) hệ số truyền nhiệt tổng quát Ui Uo dựa diện tích mặt mặt ngồi ống 11-27 Xem xét lại câu 11-26 Sử dụng phần mềm EES (hoặc khác) để xem xét ảnh hưởng hệ số dẫn nhiệt đường ống hệ số truyền nhiệt lên nhiệt trở thiết bị trao đổi nhiệt Cho hệ số dẫn nhiệt thay đổi từ 10 W/mK đến 400W/mK hệ số truyền nhiệt đối lưu từ 500 W/m2K đến 1500 W/m2K bề mặt bên trong, từ 1000W/m2K đến 2000 W/m2K bề mặt Biểu diễn nhiệt trở thiết bị trao đổi nhiệt dạng hàm số hệ số dẫn nhiệt hệ số truyền nhiệt, thảo luận kết có 11-28 Dầu động nhiệt với suất nhiệt 4440 W/K nhiệt độ đầu vào 1500C chảy qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống làm từ ống đồng dài 1,5 m (k = 250 W/m.K) với đường kính bên ống 2cm đường kính ống bên ngồi 2,25 cm Đường kính bên ống thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống cm Dầu chảy ống với lưu lượng 2kg/s thoát khỏi thiết bị trao đổi nhiệt nhiệt độ 500C Các chất lỏng lạnh nước vào trao đổi nhiệt 200C 700C Giả sử hệ số cáu cặn bên dầu bên nước 0,00015 m2K/W 0,0001 m2K/W, xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát bề mặt bên bên ống đồng Phân tích thiết bị trao đổi nhiệt 11-29C Các phép tính xấp xỉ thường thực phân tích thiết bị trao đổi nhiệt? 11-30C Trong điều kiện mối quan hệ truyền nhiệt 11-59 11-60 Q = mlạnhcp.Lạnh(Tlạnh,ra - Tlạnh,vào) = mnóngcp.lạnh(Tnóng,vào – Tnóng,ra) hợp lệ cho trao đổi nhiệt? 11-31C Xét thiết bị ngưng tụ nhiệt độ xác định làm mát cách nhả nhiệt cho nước lạnh Nếu biết nhiệt lượng truyền thiết bị ngưng tụ nhiệt độ tăng nước làm mát, giải thích làm để xác định lượng nước ngưng tụ khối lượng nước cần sử dụng để làm mát Ngồi ra, giải thích làm để xác định nhiệt trở thiết bị ngưng tụ 11-32C Thế đương lượng nhiệt dung riêng? Bạn nghĩ thay đổi nhiệt độ mơi chất nóng mơi chất lạnh hai mơi chất có đương lượng nhiệt dung riêng.năng suất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt? 11-33C Trong điều kiện lượng tăng nhiệt độ chất lỏng lạnh với nhiệt độ thải chất lỏng nóng thiết bị trao đổi nhiệt? 11-34 Thơng số nhiệt độ hai chất lỏng (nóng lạnh) có đương lượng nhiệt dung riêng vị trí thiết bị ngược chiều Gợi ý: Tham khảo phân tích trình bày Mục 11-3 11-4 sách giáo khoa Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit 11-35C Trong mối quan hệ truyền nhiệt Q = UAbềmặtΔTLMTD cho thiết bị trao đổi nhiệt, ΔTLMTD gọi gì? Nó tính cho thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều thiết bị trao đổi nhiệt chiều? 11-36C Chênh lệch nhiệt độ trung bình log khác với chênh lệch nhiệt độ trung bình cộng ta biết nhiệt độ đầu vào đầu Giá trị lớn hơn? 11-37C Sự khác biệt nhiệt độ nước nóng lạnh trao đổi nhiệt cho ΔT1 đầu ΔT2 đầu Logarit chênh lệch nhiệt độ ΔTLMTD thiết bị trao đổi nhiệt lớn ΔT1 ΔT2 hay không? Giải thích 11-38C Nhiệt độ chất lỏng lạnh thiết bị trao đổi nhiệt cao nhiệt độ chất lỏng nóng trao đổi nhiệt chiều không? Câu hỏi tương tự với thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều? Giải thích 11-39C Giải thích phương pháp LMTD sử dụng để xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt nhiều vỏ tất thông tin cần thiết, bao gồm nhiệt độ đầu đưa 11-40C Trong mối quan hệ truyền nhiệt Q=UAbềmặt(FΔTLMTD) cho thiết bị trao đổi nhiệt, số lượng F gọi gì? Nó đại diện cho điều gì? F lớn không? 11-41C Khi nhiệt độ đầu chất lỏng thiết bị trao đổi nhiệt khơng biết đến, phương pháp LMTD thực hay khơng? Giải thích 11-60 11-61 11-42C Với nhiệt độ vào cho trước, thiết bị trao đổi nhiệt loại có ΔTLMTD lớn nhất: ống lồng ống chiều, ngược chiều, chéo nhau, nhiều bước ống nhiều vỏ? 11-43 Một đôi ống trao đổi nhiệt song song lưu lượng sử dụng để nhiệt nước máy lạnh với nước nóng Nước nóng (cp = 4,25 kJ/kg.K) vào ống 850C mức 1,4 kg/s 500C Các trao đổi nhiệt khơng cách nhiệt tốt, người ta ước tính phần trăm nhiệt từ bỏ chất lỏng nóng bị từ nhiệt trao đổi Nếu hệ số truyền nhiệt bề mặt khu vực trao đổi nhiệt 1150W/m2K 4m2, tương ứng, xác định tỷ lệ truyền nhiệt vào nước lạnh nhật ký có nghĩa chênh lệch nhiệt độ cho thiết bị trao đổi nhiệt Nước nóng 850C 500C Nước lạnh Hình P.11-43 11-44 Một dịng hydrocarbon (cp = 2,2kJ/kg.K) làm lạnh mức 720kg/h từ 1500C đến 400C ống bên thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng chảy hai ống Nước (cp = 4.18 kJ/kg.K) vào thiết bị trao đổi nhiệt 100C với tốc độ 540 kg/h Đường kính ngồi ống bên 2,5 cm, chiều dài 6,0 m Tính tốn hệ số truyền nhiệt tổng thể 11-45 Một đơi ống trao đổi nhiệt song song dịng chảy nóng nước (cp = 4180 J/kg.K) từ 250C đến 600C mức 0,2 kg/s Q trình nung nóng để thực nước địa nhiệt (cp = 4310 J/kg.K) có sẵn 1400C với tốc độ lưu lượng 0,3 kg/s Các ống bên thành mỏng có đường kính 0,8 cm Nếu hệ số truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt 550W/m2K, xác định độ dài ống cần thiết để đạt sưởi ấm mong muốn 11-46 Làm lại câu 11-45 Sử dụng phần mềm EES (hoặc khác), tìm hiểu ảnh hưởng nhiệt độ Tỷ lệ lưu lượng nước địa nhiệt vào độ dài ống Để cho nhiệt độ thay đổi từ 1000C đến 2000C, tỷ lệ lưu lượng từ 0,1 kg/s đến 0,5 kg/s Biểu diễn chiều dài ống chức nhiệt độ tốc độ dòng chảy hàng loạt, thảo luận kết 11-47 Glycerin (cp=2400J/kg.K) 200C 0,5 kg/s đun nóng ethylene glycol (cp = 2500 J/kg.K) 600C hai ống trao đổi nhiệt song song dòng chảy thành mỏng Nhiệt độ Sự khác biệt hai chất lỏng 150C cửa hàng trao đổi nhiệt Nếu hệ số truyền nhiệt tổng thể 240W/m2K diện tích bề mặt truyền nhiệt 3,2 m2, xác định (A) tỷ lệ truyền nhiệt, (b) nhiệt độ glycerin, (c) tỷ lệ lưu lượng ethylene glycol 11-48 bị trao đổi nhiệt có chứa 400 ống với đường kính bên 23 mm đường kính ngồi 25 mm Chiều dài ống 3,7 m Các điều chỉnh 11-61 11-62 đăng nhập chênh lệch nhiệt độ trung bình 230C, đối lưu bề mặt hệ số truyền nhiệt bên 3410 W/m2K nhiệt đối lưu bề mặt hệ số truyền 6820 W/ m2K Nếu kháng nhiệt ống không đáng kể, xác định tốc độ truyền nhiệt 11-49E trao đổi qua đơn nhiệt thiết kế để làm nóng 100.000 LBM nước từ 600F đến 1000F cách ngưng tụ nước 2300F phía bên vỏ ống có đường kính bên 1,2 chiều dày tường 0,12 Bề mặt bên có hệ số truyền nhiệt đối lưu 480 Btu/h.ft2.F bề mặt bên truyền nhiệt đối lưu hệ số 2000 Btu/h.ft2.F Nếu đầu vào vận tốc nước (Cp.Lạnh=1 Btu/lbm.F ρ = 62,3 lbm/ft3) phía ống ft/s, xác định số lượng yêu cầu ống chiều dài ống Giả sử kháng nhiệt ống không đáng kể 11-50 Hãy xem xét dòng chảy dầu động (cp = 2048 J/kg.K) thông qua ống đồng vách mỏng mức 0,3kg/s Các dầu động mà vào ống đồng nhiệt độ đầu vào 800C làm mát nước lạnh (cp = 4180 J/kg.K) chảy nhiệt độ 200C Đó mong muốn có nhiệt độ dầu động không lớn 400C Cá nhân hệ số truyền nhiệt đối lưu mặt dầu nước 750 W/m2.K 350 W/m2.K, tương ứng Nếu cặp nhiệt điện Probe cài đặt phía hạ lưu nước làm mát đo nhiệt độ 320C, cho ống song song đôi chảy trao đổi nhiệt xác định (a) tỷ lệ lưu lượng làm mát nước (b) đăng nhập chênh lệch nhiệt độ (c) diện tích nghĩa Bộ trao đổi nhiệt Nước nóng 800C 200C Nước lạnh Hình P.11-50 11-51 Trong trao đổi nhiệt dòng chảy song song, chất lỏng nóng vào trao đổi nhiệt nhiệt độ 1500C lưu lượng Tỷ lệ kg/s Các phương tiện làm mát vào thiết bị trao đổi nhiệt nhiệt độ 300C với tỷ lệ lưu lượng 0,5kg/s nhiệt độ 700C Các lực nhiệt dung riêng chất lỏng nóng lạnh 1150 J/kg.K 4180 J/kg.K, tương ứng Hệ số truyền nhiệt đối lưu phía bên bên ngồi ống 300 W/m2K 800 W/m2K, tương ứng Đối với yếu tố ô nhiễm 0,0003 m2K/W phía ống 0,0001 m2K/W phía bên vỏ, xác định (A) tổng hệ số truyền nhiệt, (b) nhiệt độ chất lỏng nóng (c) diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 11-52 Ethylene glycol làm nóng từ 250C đến 400C với tốc độ 2,5 kg/s ống đồng ngang (k = 386 W/m.K) với đường kính 2,0 cm đường kính ngồi 2,5 cm Một bão hòa (Thơi = 1100C) ngưng tụ bề mặt bên ống với hệ số truyền nhiệt kW/ m2K cho 9,2(Thơi – Tw)0,25 Tw trung bình bên ngồi ống nhiệt độ tường 11-62 11-63 chiều dài ống phải sử dụng? Lấy thuộc tính ethylene glycol để có ρ = 1109 kg/m3, cp = 2428 J/kg.K, k = 0,253 W/m.K, µ = 0,01545 kg/m.s, Pr = 148,5 trao đổi nhiệt 11-53 Một quầy dịng ghi có hệ số truyền nhiệt tổng thể 284W/ m2.K hoạt động thiết kế điều kiện Chất lỏng nóng vào phía ống 930C lối hiểm 710C, chất lỏng lạnh vào bên vỏ 270C thoát 380C Sau thời gian sử dụng, quy mô xây dựng lên trao đổi nhiệt cho yếu tố ô nhiễm 0,0004 m2K/W Nếu diện tích bề mặt 93 m2, xác định (a) tỷ lệ truyền nhiệt nóng trao đổi (b) lưu tốc khối lượng nóng lạnh chất lỏng Giả sử nước nóng lạnh có cụ thể nhiệt 4,2 kJ/kg.K 11-55 Làm lại câu 11-54 Sử dụng phần mềm EES (hoặc khác), tìm hiểu ảnh hưởng nhiệt độ thoát dầu nhiệt độ nước đầu vào truyền nhiệt tổng thể hệ số trao đổi nhiệt Hãy để thoát dầu nhiệt độ thay đổi từ 300C đến 700C nhiệt độ nước đầu vào từ 50C đến 250C Biểu diễn hệ số truyền nhiệt tổng thể chức hai nhiệt độ, thảo luận kết 11-56 Động dầu (cp = 2100 J/kg.K) để làm nóng từ 200C đến 600Cở mức 0,3 kg/s một-cm đường kính hai ống đồng mỏng ngưng tụ nước bên nhiệt độ 1300C (hlỏng-hơi = 2174 kJ/kg) Đối với nhiệt tổng thể hệ số truyền 650 W/m2.K, xác định tỷ lệ truyền nhiệt độ dài ống cần thiết để đạt Câu trả lời: 25,2 kW 7,0 m Nước nóng Dầu Tlạnh,vào Tnóng,vào Tnóng,ra Tlạnh,ra Hình P.11-53 11-54 Một đơi ống trao đổi nhiệt ngược dòng thành mõng sử dụng để làm mát dầu (cp = 2200 J/kg.K) từ 1500C đến 400C với tỷ lệ kg/s nước (cp = 4180 J/kgK) mà vào 220C mức 1,5 kg/s Đường kính ống 2,5 cm, chiều dài m Xác định hệ số truyền nhiệt tổng thể trao đổi nhiệt 200C 0,3kg/s 600C Hình P.11-56 11-57E địa nhiệt nước (cp = 1,03 Btu/lbm.F) sử dụng nguồn nhiệt để cung cấp nhiệt để sưởi ấm hydronic hệ thống nhà với tỷ lệ 40 Btu/s đôi ống phản luồng trao đổi nhiệt Nước (cp = 1.0 Btu/lbm.F) nóng từ 1400F đến 2000F trao đổi nhiệt địa nhiệt Nước làm lạnh từ 2700F đến 1800F Xác định tốc độ dòng chảy khối 11-63 11-64 lượng chất lỏng tổng kháng nhiệt trao đổi nhiệt 11-58 nước lạnh (cp = 4180 J/kg.K), Dẫn đến tắm vào thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng chảy hai ống thành mỏng 150C mức 1,25 kg/s nung nóng tới 450C nước nóng (Cp = 4190 J/kg.K) mà vào 1000C với tốc độ 3kg/s Nếu hệ số truyền nhiệt tổng thể 880 W/m2K, xác định tỷ lệ truyền nhiệt diện tích bề mặt truyền nhiệt Bộ trao đổi nhiệt 11-59E để ngưng tụ phía vỏ 1-vỏ-pass ống qua bình ngưng, với 50 ống vượt qua 900F (hlỏng-hơi = 1043 Btu/lbm) Nước làm mát (cp = 1.0 Btu/lbm.F) lọt vào ống 600F rời khỏi lúc 730F Các ống mỏng vách có đường kính 3/4 chiều dài feet đường chuyền Nếu hệ số truyền nhiệt tổng thể 600 Btu/h.ft2.F xác định (a) tỷ lệ truyền nhiệt, (b) tỷ lệ ngưng tụ nước, (c) lưu lượng tỷ lệ nước lạnh 11-60E Làm lại câu 11-59E, Sử dụng phần mềm EES (hoặc khác), nghiên cứu ảnh hưởng ngưng tụ nhiệt độ nước tỷ lệ truyền nhiệt, tỷ lệ ngưng tụ nước, tỷ lệ lưu lượng nước lạnh Hãy để nhiệt độ khác từ 800F đến 1200F Biểu diễn Tốc độ chuyển nhiệt, tốc độ ngưng tụ nước, Tỷ lệ lưu lượng nước lạnh hàm nhiệt độ nước, thảo luận kết nước thiết bị bay Khí thải (Cp = 1051 J/kg.K) Vào thiết bị trao đổi nhiệt 5500C với tốc độ 0,25 kg/s nước chảy vào chất lỏng bão hòa bốc 2000C (hlỏng-hơi = 1941 kJ/kg) Các bề mặt truyền nhiệt diện tích trao đổi nhiệt dựa mặt nước 0,5 m2 tổng hệ số truyền nhiệt 1780 W/m2K xác định tỷ lệ truyền nhiệt, nhiệt độ khí thải, tốc độ bay nước 11-62 Làm lại câu 11-61 Sử dụng phần mềm EES (hoặc khác), nghiên cứu ảnh hưởng khí thải nhiệt độ khí đầu vào tỷ lệ truyền nhiệt, lối nhiệt độ khí thải, tốc độ bay Nước Hãy để nhiệt độ khí thải khác từ 3000C đến 6000C Biểu diễn tỷ số truyền nhiệt, nhiệt độ khí thải, tốc độ bay nước chức nhiệt độ khí thải, thảo luận kết 11-63 Trong nhà máy sản xuất dệt, nhuộm thải nước (cp = 4295 J/kg.K) 750C sử dụng để làm nóng trước nước (cp = 4180 J/kg.K) 150C dòng chảy Tỷ lệ trao đổi nhiệt ngược dòng chảy hai ống Nhiệt chuyển diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 1,65 m2 tổng hệ số truyền nhiệt 625 W/m2K Nếu tỷ lệ truyền nhiệt trao đổi nhiệt 35 kW, xác định nhiệt độ đầu tốc độ dòng chảy khối lượng chất lỏng suối 11-61 khí thải nóng động diesel văn phòng phẩm sử dụng để tạo 11-64 11-65 150C nóng Nước thải 750C Tnóng,ra Hình P.11-63 11-64 Một thử nghiệm hiệu tiến hành đường ống kép trao đổi nhiệt ngược dòng mang động dầu nước với tốc độ dòng chảy 2,5 kg/s 1,75 kg/s, tương ứng Kể từ trao đổi nhiệt phục vụ thời gian dài thời gian nghi ngờ nhiễm phát triển bên Bộ trao đổi nhiệt ảnh hưởng đến việc truyền nhiệt tổng thể hệ số Xét nghiệm đó, cho thiết kế giá trị hệ số truyền nhiệt tổng thể 450 W/m2.K diện tích bề mặt 7,5 m2, dầu phải làm nóng từ 250C 55 0C cách qua nước nóng 1000C (cp = 4206 J/kg.K) lưu tốc nêu Xác định bẩn có ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt tổng thể Nếu có, sau độ lớn kháng chiến bẩn? 11-65 Trong sở công nghiệp quầy chảy nhiệt ống đôi trao đổi sử dụng nước nhiệt nhiệt độ 2500C để làm nóng nước cấp 300C Các nhiệt nước kinh nghiệm giảm nhiệt độ 700C khỏi thiết bị trao đổi nhiệt Các nước làm nóng chảy qua ống trao đổi nhiệt độ dày không đáng kể tốc độ không đổi 3,47 kg/s đối lưu hệ số truyền nhiệt nhiệt mặt nước 850 W/m2.K 1250 W/2.K tương ứng Để giải thích cho tắc nghẽn tạp chất hóa học có mặt nước cấp, sử dụng ô nhiễm thích hợp yếu tố cho phía nước Xác định (a) thiết bị trao đổi nhiệt khu vực cần thiết để trì nhiệt độ nước tối thiểu 700C, (b) nhiệt cần thiết trao đổi khu vực trường hợp bố trí dịng chảy song song? 2500C Nước 300C Tnóng,ra Hình P.11-65 11-66 Một thử nghiệm tiến hành để xác định nhiệt tổng thể hệ số truyền nhiệt vỏ ống dầu-nước trao đổi có 24 ống đường kính 1,2 cm chiều dài m vỏ Nước lạnh (cp = 4180 J/kg.K) lọt vào ống 208C mức kg / s 550C Dầu (cp = 2150 J/kg.K) Chảy qua vỏ làm lạnh từ 1200C đến 450C Xác định hệ số truyền nhiệt tổng thể Ui trao đổi nhiệt dựa bề mặt bên diện tích ống K 8.31 kW/m2: câu trả lời? trao đổi nhiệt 11-67 Một vỏ ống sử dụng để sưởi ấm 10 kg/s dầu (cp = 2,0 kJ/kg.K) 11-65 11-66 từ 250C đến 460C Nhiệt trao đổi có vỏ qua ống chuyền Nước vào hông vỏ 800C 600C Các truyền nhiệt tổng thể hệ số ước tính 1000 W/m2.K Tính tốc độ truyền nhiệt diện tích truyền nhiệt Heat and mass transfer: Fundamentals and applications/ Yunus A.Cengel Chương 11 : Các Thiết Bị Truyền Nhiệt / Nguyễn Trọng Quỳnh dịch 11-66