TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Các dạng bài toán truyền nhiệt tổng hợp Tính toán thiết bị Trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh a)Các pt cơ bản để tính toán TB traođổi nhiệt b)Độ chênh nhiệtđộ trung bình c)Phương pháp hiệu suất
Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM 8/2009 Chương 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 5.1 Các dạng tốn Truyền nhiệt tổng hợp 5.2 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh a) Các pt để tính tốn TB trao đổi nhiệt b) Độ chênh nhiệt độ trung bình c) Phương pháp hiệu suất p.1 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM 5.1 Các dạng toán truyền nhiệt tổng hợp a) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG Xét vách phẳng lớp, dày δ, HSDN λ Môi chất nóng có tf1, α1 ; Mơi chất lạnh có tf2, α2 Q Bài toán kết hợp vừa đối lưu dẫn nhiệt Q = k (t f − t f ) F hay q = k (t f − t f ) (W) (W/m2) Muốn tính q phải xác định HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT k (W/m2.độ) p.2 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM ¾ Tính hệ số truyền nhiệt k λ (t w1 − t w2 ) Q = α1 (t f − t w1 ) F = F = α (t w − t f ) F δ q= t f − t w1 / α1 tw2 − t f tf1 −tf t w1 − t w = = = δ /λ 1/ α / α1 + δ / λ + / α k= / α1 + δ / λ + / α Hệ số truyền nhiệt Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương: Δt q= Rtđ t w1 = t f − α1 tw2 (W/m2) (W/m2.độ) với : Rtđ = Rα + Rλ + Rα δ (m2.độ/W) = + + α1 λ α Nhiệt độ bề mặt vách: q (W) ⎛1 δ⎞ = t f − q⎜⎜ + ⎟⎟ = t f + q α2 ⎝ α1 λ ⎠ p.3 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM b) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ Xét vách trụ có chiều dài L, đường kính d1/d2 Mơi chất nóng ống có tf1, HSTN α1 Mơi chất lạnh bên ngồi có tf2, HSTN α2 Ta có: Q = α1 (t f − t w1 )πd1 L t w1 − t w = ⎛ d2 ⎞ ln⎜⎜ ⎟⎟ 2πλL ⎝ d1 ⎠ Q = α (t w − t f )πd L Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là: t f − t w1 tw2 − t f tf1 −tf t w1 − t w = = qL = = 1 ⎛ d2 ⎞ ⎛ d2 ⎞ 1 1 + ln⎜⎜ ⎟⎟ ln⎜⎜ ⎟⎟ + α1πd1 α π d α1πd1 2πλ ⎝ d1 ⎠ α 2πd 2πλ ⎝ d1 ⎠ 2 p.4 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống: Δt qL = Rtđ với : Rtđ = Rα + Rλ + Rα = (m.độ/W) ⎛d ⎞ 1 ln⎜⎜ ⎟⎟ + + α1πd1 2πλ ⎝ d1 ⎠ α 2πd Ngoài tính qL theo hệ số truyền nhiệt đường kL q L = k Lπ (t f − t f ) với: CHÚ Ý: Đối với vách nhiều lớp: Sau có qL , tính tw1 , tw2 kL = kL = p.5 1 1 d ln + + α1d1 2λ d1 α d (W/m.độ) n d 1 +∑ ln i +1 + α1d1 i =1 2λi d i α d n +1 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM c) Truyền nhiệt qua vách có cánh 8/2009 Xét VP dày δ, HSDN λ Một bên làm cánh vật liệu có HSDN lớn Diện tích BM không làm cánh F1, bề mặt có cánh F2 (gồm phần cánh phần không cánh) Nhiệt trở cục bộ: t f1 − t w1 ⎫ = α1F1 ⎪⎪ Q t w1 − t w δ ⎪ = ⎬ λ F1 ⎪ Q t w2 − t f ⎪ = ⎪ α F2 ⎭ Q p.6 Q = α1F1 (t f1 − t w1 ) ⎫ ⎪ λ ⎪ Q = F1 (t w1 − t w ) ⎬ δ ⎪ Q = α F2 (t w − t f )⎪⎭ (b) (a) 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM Cộng vế (b) ta có Nhiệt trở toàn phần: R= tf1 −tf Q Và tính Q: Cũng viết: với: k ca = ⎛ δ 1 ⎞ ⎟⎟ ⎜ =⎜ + ⋅ + ⎝ α1 F1 λ F1 α F2 ⎠ Q= t f1 − t f 1 δ + ⋅ + α1F1 λ F1 α F2 Q = kca(tf1 – tf2) (W) 1 δ + ⋅ + α1F1 λ F1 α F2 (W K) Hoặc tính theo đơn vị diện tích BM không cánh thì: Q q1 = = k (t f − t f ) F1 W m với: p.7 k1 = 1 δ F1 + + α λ α F2 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM Nếu theo đơn vị diện tích BM có cánh thì: q2 = với k2 = Q = k (t f − t f ) F2 1 F2 δ F2 + + α F1 λ F1 α Hệ số làm cánh : F2/F1 = βc p.8 (W m ) (W m K ) Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM 8/2009 5.2 Tính tốn thiết bị Trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh ¾ Giới thiệu TBTĐN loại vách ngăn cánh Các chất tải nhiệt chuyển động cách biệt vách ngăn 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 ñoà) p.9 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM Tubes & Shell p.10 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU DÀN ỐNG CÓ CÁNH p.11 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM 8/2009 DÀN NGƯNG NH3 TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ p.12 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM Nồi công nghiệp p.13 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM 8/2009 ¾ PHÂN LOẠI Theo hướng lưu động dòng MC: lưu động thuận chiều, ngược chiều, cắt lưu động phức tạp p.14 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM a) CÁC PT CƠ BẢN ĐỂ TÍNH TỐN NHIỆT TBTĐN LOẠI VÁCH NGĂN CÁNH 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) MC phương trình bản: PT cân nhiệt PT truyền nhiệt Phương trình cân nhiệt Bỏ qua TT nhiệt môi trường thì: Khi biến đổi pha, tacó: Qnhả = Qnhaän Q = G1cp1 (t1′ − t1′′) = G cp (t′2′ − t′2 ) C = Gcp : nhiệt dung lưu lượng khối lượng (đương lượng không khí chất lỏng) p.15 (W) C1 t′2′ − t′2 δt = = C2 t1′ − t1′′ δt1 MC có C lớn nhiệt độ biến đổi ngược lại Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM 8/2009 Phương trình truyền nhiệt Nhiệt lượng trao đổi qua phân tố BM truyền nhiệt dF: dQ = k (t1 − t )dF = k Δt dF (t1 – t2) − độ chênh nhiệt độ MC bề mặt dF Tích phân toàn bề mặt F: ∫ Q = kΔtdF F hệ số k thay đổi (k = const): Q = kFΔt Δt : độ chênh nhiệt độ trung bình MCN MCL Trị số Δt tùy thuộc vào sơ đồ chuyển động chất lỏng p.16 Tính Δt 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM b) TÍNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH Δt = CT chung cho lưu động thuận chiều lẫn ngược chieàu: ΔΤmax Δt max − Δt Δt max ln Δt ΔΤmin ΔΤmin p.17 ΔΤmax 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM Trường hợp (Δtmax/Δtmin < 2) dùng: Đối với sơ đồ phức tạp: Δt = (Δt max + Δt ) Δt = ε Δt Δt ng Trong Δt ng εΔt − theo sơ đồ ngược chiều − hệ số hiệu chỉnh Hàm εΔt = f(P, R) lập đồ thị sẵn t 2′′ − t 2′ δt = P= t1′ − t 2′ δt max t1′ − t1′′ δt1 = R= t 2′′ − t 2′ δt p.18 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM Hệ số hiệu chỉnh εΔt = f(P, R) p.19 8/2009 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM VD: Cần gia nhiệt dầu G2 = 1000 kg/h từ t’2 = 20 oC đến t’’2 = 180 oC 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) bố trí dòng chuyển động ngược chiều GIẢI: Sử dụng PT TRUYỀN NHIỆT Q = kF Δt Chênh lệch nhiệt độ 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: Δt = Δt max − Δt 180 − 100 = = 136 o C 180 Δt ln ln max 100 Δt Nhiệt lượng cấp cho dầu: Q = G2 cp2 (t’’2 - t’2 ) = 1000 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW Vaäy F = Q k Δt = 102,2 / (0,035 136,1) = 21,46 m2 p.20 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM 8/2009 c) PHƯƠNG PHÁP HIỆU SUẤT (phương pháp NTU) Trường hợp có sẵn TBTĐN, biết nhiệt độ vào t1′ , t ′2 , diện tích F hệ số truyền nhiệt k (ước tính) Cần xác định Q , t 1′′ t ′2′ Hiệu suất TBTĐN: Q ε= Dòng nhiệt truyền qua thiết bị Q = Q max Dòng nhiệt tối đa truyền − Dòng nhiệt thực truyền thiết bị Qmax − Dòng tối đa hay lượng nhiệt truyền giả thieát với Q max = C (t1′ − t ′2 ) Q = εQ max = εC (t1′ − t ′2 ) p.21 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM Hiệu suất TBTĐN hàm NTU vaø C* = Cmin / Cmax: NTU = kF Cmin 8/2009 ε = f ( NTU , C * ) NTU : đơn vị chuyển nhiệt (Number of Transfer Units): p.22 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM VD: 8/2009 Thiết bị đun nước nóng khói thải từ ĐCĐT, loại lưu động ngược chiều, có 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 khói nước b) Nếu động vận hành non tải với G1* = 0,5G1, điều kiện ban đầu khác không thay đổi nhiệt lượng trao đổi nhiệt độ nước bao nhiêu? GIẢI: a) Tính Q nhiệt độ cuối chất, dùng pp NTU Chênh lệch nhiệt độ 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 Nhieät lượng truyền cực đại: Qmax = Cmin (t’1 - t’2 ) = 0,896 (450 – 50) = 358,4 kW p.24 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM * C = Cmin Cmax 8/2009 = 0,896 / 13,376 = 0,067 NTU = kF/Cmin = 85 15 / 896 = 1,42 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: Nhiệt độ nước ra: t1’’ = t1’ – Q/C1 = 450 – 258 / 0,896 = 162 oC t2’’ = t2’ + Q/C2 = 50 + 258 / 13,376 = 69,3 oC b) Nếu động vận hành non tải với G1* = 0,5G1 Cmin giảm lần -> C* giảm lần = 0,033 NTU tăng lần = 2,84 Qmax giảm lần HS truyền nhiệt lúc = 0,92 Do vậy: Q = 0,92 358,4 / = 164,8 kW t2’’ = 50 + 164,8 / 13,376 = 62,3 oC p.25 ... 13, 376 kW/K = Cmax Nhiệt lượng truyền cực đại: Qmax = Cmin (t’1 - t’2 ) = 0,896 (450 – 50) = 358,4 kW p.24 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM * C = Cmin Cmax 8/2009 = 0,896 / 13, 376 = 0,0 67 NTU... ε = 0 ,72 Nhiệt lượng trao ñoåi: Q = ε Qmax = 0 ,72 358,4 = 258 kW Nhiệt độ khói thoát: Nhiệt độ nước ra: t1’’ = t1’ – Q/C1 = 450 – 258 / 0,896 = 162 oC t2’’ = t2’ + Q/C2 = 50 + 258 / 13, 376 =... 20)/3600 = 102,2 kW Va? ?y F = Q k Δt = 102,2 / (0,035 136,1) = 21,46 m2 p.20 Người soạn: TS Hà anh Tùng ĐHBK HCM 8/2009 c) PHƯƠNG PHÁP HIỆU SUẤT (phương pháp NTU) Trường hợp có sẵn TBTĐN, biết nhiệt