Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT I Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt Căn vào nguyên lý làm việc, thiết bị trao đổi nhiệt phân thành loại sau:  Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vách ngăn  Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hồi nhiệt  Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hỗn hợp  Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn - Trong thiết bị này, chất lỏng nóng chất lỏng lạnh truyền nhiệt cho thông qua vách ngăn (thường vách kim loại) a Thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc chùm ống - Loại thiết bị sử dụng phổ cập, công suất nhỏ sử dụng dạng ống lồng ống, công suất lớn sử dụng dạng vỏ bọc ống chùm - Trong thiết bị chất lỏng chảy ống chất lỏng chảy ống TBTĐN dạng ống lồng ống TBTĐN dạng ống lồng song song chiều ống song song ngược chiều Căn vào bố trí dòng chất lỏng nóng chất lỏng lạnh phân thành: Lưu động thuận chiều, lưu động ngược chiều, lưu động cắt lưu động phức tạp pass ngoài, pass ống pass ngoài, pass ống b Thiết bị trao đổi nhiệt loại có cánh - Loại thiết bị thường sử dụng cường độ toả nhiệt loại chất lỏng lớn chất bé, để tăng cường khả truyền nhiệt thiết bị (nó đồng nghĩa với việc thu gọn kích thước thiết bị) người ta làm cánh phía chất lỏng có cường độ toả nhiệt bé, phổ biến trình trao đổi nhiệt khí chất lỏng giọt (cánh làm phía khí) c Thiết bị trao đổi nhiệt loại xoắn ốc  Trong loại chất lỏng nóng chất lỏng lạnh lưu động ngược chiều  Ưu điểm: - Sự chuyển động xoắn ốc làm tăng hệ số toả nhiệt rối loạn dòng, độ bám cáu 1/10 loại vỏ bọc ống chùm  Nhược điểm: - Vệ sinh khó khăn - Cần có áp suất đẩy chất lỏng lớn d Thiết bị trao đổi nhiệt dạng Thiết bị trao đổi nhiệt dạng gợn sóng - Loại thiết bị có nhiều dạng, gợn sóng tạo thành cánh tản nhiệt đồng thời có tác dụng gây nhiễu loạn dòng làm tăng cường độ toả nhiệt - Loại thường áp dụng cho trao đổi nhiệt khí - khí hệ số truyền nhiệt cải thiện rỏ rệt - Ví dụ: thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống cường độ toả nhiệt khoảng 30W/m2.oC loại thiết bị đạt 300W/m2.oC Thiết bị trao đổi nhiệt dạng dập sẵn lắp ghép - Loại thiết bị tạo bở số kim loại dập sẵn đường chuyển động chất lỏng sau ghép lại để tạo nên thiết bị trao đổi nhiệt, có lót lớp đệm để ép chặt chất lỏng không bị rò rỉ - Do có tạo hình khác nên hệ số truyền nhiệt trở kháng thuỷ lực khác tuỳ vào công nghệ chế tạo dập định hình - Thiết bị trao đổi nhiệt loại thường có hiệu suất cao, trở lực nhỏ, kết cấu chặt chẽ, lượng tiêu hao nguyên vật liệu thấp, tính linh hoạt sử dụng lớn, tháo lắp làm vệ sinh dễ dàng, thường dùng thiết bị sưởi ấm, thực phẩm, y tế, hoá học… - Dấu (+) sử dụng cho dòng chảy từ lên, dấu (-) dùng dòng chảy từ xuống Với hệ thống kín Δpo = Tính công suất động lực quay bơm, quạt - Sau tính trở lực cục ΔpΣ, công suất trục bơm quạt tính: 1, 2V ×∆p ∑ 1, 2G∆p ∑ ×10−3 N= = η ρη , [kW] Trong đó: V - lưu lượng thể tích chất lỏng, [m3/s] G - lưu lượng khối lượng chất lỏng, [kg/s] ρ - khối lượng riêng trung bình chất lỏng, [kg/m3] η - hiệu suất bơm quạt ΔpΣ - tổng trở lực, [Pa] N - công suất bơm quạt, [kW] Bài tập: - Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc chùm ống nằm ngang dùng gia nhiệt cho nước, ngưng tụ ống Lưu lượng nước G2 = 3,5 kg/s, yêu cầu nhiệt độ nước gia nhiệt từ 60oC tăng lên đến 90oC Hơi gia nhiệt bão hòa khô có áp suất p = 1,6 bar, nước ngưng nước bão hòa Ống chế tạo thiết bị ống đồng đường kính d2 = 19mm dày mm, phía nước nhiệt trở cáu Rf = 0,00017 m2 oC/W Yêu cầu tìm diện tích truyền nhiệt thiết bị thông số kết cấu chủ yếu (độ dài ống, số pass nước, số ống pass…) Yêu cầu tổn thất áp suất phía đường nước nhỏ 0,2 bar, xem tổn thất nhiệt phía vỏ bọc 5% lượng tiêu hao cho thiết bị ? Giải: 1) Dự kiến chọn thông số kết cấu phần: - Chọn hành trình (4 pass nước), hành trình có 16 ống, tổng số ống 64, theo chiều thẳng đứng, dự kiến bình quân hàng 2) Tính độ chênh nhiệt độ trung bình Δt: - Hơi ngưng tụ bão hòa khô có áp suất p = 1,6 bar, tra thông số nhiệt động nước ts = 113.3oC, đó: Δt' = ts – t2' = 113,3 – 60 = 53,3oC Δt" = ts – t2" = 113,3 – 90 = 23,3oC ∆t = ∆t' −∆t" 53, −23, = =36, 3o C ∆t' 53, ln ln ∆t" 23, 3) Tính nhiệt lượng: - Nhiệt độ trung bình nước t2 = ts – Δt = 113,3 – 36,3 = 77[oC], ứng với nhiệt độ nhiêt dung riêng nước cp2 = 4,19 [kJ/kg.K], đó: Q = G2cp2(t2" – t2') = 3,5 x 4,9 x 103(90 – 60) = 4,4 x 105 [W] 4) Tính hệ số tỏa nhiệt phía ngưng tụ α1: a) Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng (tức t +t w nhiệt độ xác định) là: t = s f1 , nhiệt độ tw ta chưa biết, phải dự kiến thử kiểm tra lại Vì phía ngưng tụ, thông thường α1 lớn phía nước α2, theo lý thuyết nhiệt trở, nên nhiệt độ vách tw gần với nhiệt độ hơn, giả thiết tw = 103oC, ta có: t f1 = t s +t w 113, +103 = =108, 2o C 2 với tf1 = 108,2oC tìm thông số vật lý màng nước ngưng: ρ1 = 952,4 kg/m3; λ1 = 0,684 [W/mK] μ1 = 2,64 x 10-4 [N.S/m2] Từ p = 1,6 [bar] tìm r = 2221 [kJ/kg] b) Kích thước xác định: Chùm ống nằm ngang chọn kích thước xác định nd2, n số ống trung bình theo chiều thẳng đứng, từ lựa chọn n = 8, đường kính ống d2 = 0,019 m c) Hệ số tỏa nhiệt phía ngưng α1: 0,25   ρ12 λ13gr α1 = 0, 725  ÷ nd µ (t − t ) s w   0,25  952, ×0, 6843 ×9, 81×2221×103  =0, 725   −4 8 ×0, 019 ×2, 64 ×10 ×(113, −103)  =8000 [W/m2K] 5) Tính hệ số tỏa nhiệt phía nước α2: a) Nhiệt độ xác định nước: ví phía bão hòa, biết ts Δt nên nhiệt độ trung bình nước xác định sau: t = t s −∆t =113, −36, =77 o C với t2 = 77oC tìm thông số vật lý nước: ν2 = 0,38 x 10-6 [m2/s]; ρ2 = 973,6 [kg/m3] λ2 = 0,672 [W/mK]; Pr = 2,31 b) Tốc độ nước ω chảy chùm ống cao có lợi truyền nhiệt, phải ý đến yêu cầu ràng buộc tổn thất trở lực không 0,2 bar Tốc độ nước chuyển động ống thường chọn phạm vi định để đảm bảo truyền nhiệt công suất tiêu hao cho bơm không lớn, thông thường nước chuyển động ống, tốc độ khống chế khoảng ω = 0,5 ÷ m/s (đảm bảo chất lỏng chảy rối để α lớn, đồng thời tổn thất áp suất vừa phải không ảnh hưởng đến chi phí vận hành) Theo hành trình dự kiến pass pass nước có 16 ống, kích thước xác định d1 = 19 – = 17 mm nên tốc độ tương ứng là: ω2 = G2 3, = = 0, 99 π ρ2 f 2 973, ×(16 × ×0, 0172 ) Re = [m/s] ω2 d1 0, 99 ×0, 017 = = 4, 43 ×10 >10 −6 ν2 0, 38 ×10 c) Cường độ tỏa nhiệt phía nước α2: Nuf2 = 0,021Ref20,8Prf20,43 = 0,021(4,43 x 104)0,8(2,32)0,43= 157,5 α2 = Nu f2 λ2 0, 672 =157, × = 6226 d1 0, 017 [W/m2K] 6) Hệ số truyền nhiệt k: Vì dùng ống đồng mỏng nên bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt vách ống, đó: k= 1 +R f + α1 α2 = 1 +0, 00017 + 8000 6226 = 2198 [W/m2K] Từ phương trình truyền nhiệt ta có: q = k∆t = 2198 ×36, = 79788 [W/m2] Từ phương trình Newton - Richman được: q =α1 (t s −t w ) =8000 ×(113, −103) =82400 [W/m2] 82400 −79788 = 0, 031 =3,1% 82400 Sai số: Sai số tương đối nhỏ chấp thuận, không cần giả thiết lại Do nhiệt độ bề mặt vách ống xem tw = 103oC 7) Tính diện tích truyền nhiệt chiều dài ống: Q 4, ×105 F= = =5, k ×∆t 2198 ×36, [m2] Tổng số ống N = 64 ống nên: L= F 5, = ≈1, ( πd m ) ×N 3,14 ×0, 018 ×64 [m] Thông số chế tạo: Chiều dài ống: L = 1,5 m Số pass nước: Z=4 Tổng số ống: N = 64 ống Diện tích truyền nhiệt: F = 5,5 m2 8) Tính toán kiểm tra trở kháng thủy lực: Theo phương trình tính toán trở kháng thủy lực ta có:  ZL  ω2 ∆p =ξ +∑ζ÷ρ ,  d1  [N/m2] Trong ξ hệ số trở kháng ma sát Ref = 104 ÷ x 105 ξ= tính: 0, 3164 0, 3164 = = 0, 0218 0,25 0,25 Re (4, 43 ×10 ) Σζ - tổng trở lực cục (đột thu đột mở nước vào khỏi vỏ bọc ζ1 = 1,5; nước ngoặc 180o đổi chiều, pass ζ2 = 2,5, bốn pass nên có ba chỗ đỗi hướng dòng; chất lỏng vào khỏi mặt sàn ζ3 = tám chỗ): ∑ζ =1, ×2+2,5×3 +1, ×8 =18, ×1,   973, ×0, 99 ∆p =0, 0218 × +∑ζi ÷ 0, 017   =12834, 3N/m = 0,1234bar < 0,2bar Trở kháng thủy lực không vượt yêu cầu, kết giả thiết để tính toán hợp lý [...]... chính là: • Thiết kế mới thiết bị trao đổi nhiệt • Tính toán kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt đã có sẵn • Thiết kế mới thiết bị trao đổi nhiệt:  Xác định diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị  Căn cứ vào diện tích yêu cầu để chế tạo • Tính toán kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt đã có sẵn:  Xác minh khả năng truyền nhiệt của thiết bị  Xác định nhiệt độ đầu... ống nhiệt - Dòng chất lỏng nóng toả nhiệt đốt nóng môi chất lỏng lạnh trong ống nhiệt, sau đó chất lỏng nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh Nếu chất lỏng trong ống nhiệt không có sự chuyển pha, thiết bị gọi là xiphông nhiệt, nếu chất lỏng có sự chuyển pha thì gọi là ống nhiệt II Các phương trình cơ bản để tính toán nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn Tính toán nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt. .. chiều nhiệt độ ra của chất lỏng lạnh luôn nhỏ hơn nhiệt độ ra của chất lỏng nóng - Khi bố trí ngược chiều thì nhiệt độ ra của chất lỏng lạnh có thể cao hơn hoặc thấp hơn nhiệt độ ra của chất lỏng nóng tuỳ thuộc vào trị số đương lượng C1 và C2 3 Tính độ chênh nhiệt độ trung bình của thiết bị trao đổi nhiệt - Xét thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều như hình vẽ Qua bề mặt phân tố dF bất kỳ, nhiệt lượng trao. .. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp - Các dòng chất lỏng có nhiệt độ khác nhau trộn lẫn nhau để tạo ra dòng chất lỏng khác thoả mãn các yêu cầu về kỹ thuật, quá trình truyền nhiệt và truyền chất sẽ xảy ra đồng thời - Kết đơn giản rẻ trong thiếtcấu bị này tiền, hiệu quả cao, mức độ điều chỉnh nhanh nên nó cũng thường được sử dụng như tháp giải nhiệt, bộ điều chỉnh nhiệt độ hơi 4 Thiết bị trao đổi nhiệt. .. chênh bé nhất nhiệt độ của các chất lỏng tại - Đối với thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều, bằng cách chứng minh tương tự, nhưng với cách đặt 1 1  m = − ÷ C C  1 2  chúng ta được kết quả (1.10) như đối với thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều - Trường hợp nhiệt độ của các chất lỏng dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt thay đổi ít (Δtmax / Δtmin < 2) hoặc nhiệt độ của các chất lỏng biến thiên theo quy luật...2 Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt • Các bề mặt trao đổi nhiệt khi tiếp xúc với chất lỏng nóng nó nhận nhiệt từ chất lỏng nóng, sau môt thời gian các bề mặt này lại tiếp xúc với chất lỏng lạnh để nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh, đặc tính truyền nhiệt trong loại thiết bị này là có chu kỳ và không ổn định • Do tiếp xúc giữa chất lỏng... lớn thì nhiệt độ biến đổi ít, và ngược lại - Trường hợp chất lỏng nào thực hiện quá trình trao đổi nhiệt có biến đổi pha (ví dụ chất lỏng sôi hoặc ngưng tụ) thì nhiệt độ của chất lỏng đó sẽ không thay đổi và đương lượng không khí được xem C = vô cùng - Nếu viết phương trình (1.2) ứng với phân tố bề mặt trao đổi C1 dt nhiệt dF thì phương trình (1.2) có dạng: = 2 C2 dt1 (1.3) - dt1: Độ giảm nhiệt độ... lỏng nóng - dt2: Độ giảm nhiệt độ chất lỏng lạnh 2 Phương trình truyền nhiệt - Nhiệt lượng của chất lỏng nóng truyền cho chất lỏng lạnh sẽ thông qua bề mặt truyền nhiệt của thiết bị Do đó nhiệt lượng trao đổi giữa chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh qua phân tố bề mặt truyền nhiệt dF là: dQ=k(t1 – t2)dF=k∆tdF (1.4) Trong đó: k: - Hệ số truyền nhiệt, W/m2.oC (t1 – t2): - Độ chênh nhiệt độ giữa chất lỏng... - Nếu tính độ chênh nhiệt độ trung bình nhiệt độ của các chất lỏng trên toàn bề mặt trao đổi nhiệt thì: ∆t =∆t " và phương trình (1.8) sẽ có dạng: = ∆t " −∆t ' ∆t " ln ∆t ' (1.9) Công thức (1.9) thường được viết dưới dạng: = ∆tmax −∆t min ∆t max ln ∆t min (1.10) Δtmax - Độ chênh lớn nhất nhiệt độ của các chất lỏng tại điểm cuối của bề mặt trao đổi nhiệt Δtmin - Độ chênh bé nhất nhiệt độ của các chất... lớn các thiết bị trao đổi nhiệt công suất nhỏ thường bố trí chất lỏng lưu động song song ngược chiều (đôi khi thuận chiều), các thiết bị công suất lớn thường bố trí lưu động phức tạp - Trên hình dưới dây, thể hiện sự biến thiên nhiệt độ của 2 chất lỏng nóng và lạnh lưu động song song cùng chiều và ngược chiều với đương lượng nước khác nhau - Khi chất nào có đương lượng không khí C lớn thì nhiệt độ ... nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn Tính toán nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt thường có yêu cầu là: • Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt • Tính toán kiểm tra khả làm việc thiết bị trao đổi nhiệt. .. có sẵn • Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt:  Xác định diện tích trao đổi nhiệt thiết bị  Căn vào diện tích yêu cầu để chế tạo • Tính toán kiểm tra khả làm việc thiết bị trao đổi nhiệt có sẵn:... truyền nhiệt cải thiện rỏ rệt - Ví dụ: thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống cường độ toả nhiệt khoảng 30W/m2.oC loại thiết bị đạt 300W/m2.oC Thiết bị trao đổi nhiệt dạng dập sẵn lắp ghép - Loại thiết