Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÝ Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cán KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: ThS Lƣu Văn Phúc Sinh viên thực : Đinh Thị Hằng Lớp : 48A - Vật lý Vinh - 2011 LỜI CẢM ƠN Khóa luận hoàn thành hướng dẫn khoa học Thầy giáo Thạc sĩ Lưu Văn Phúc, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo, người đặt đề tài, hướng dẫn giúp đỡ em q trình nghiên cứu để hồn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý, Trường Đại Học Vinh tạo điều kiện, giúp đỡ em thời gian học tập nghiên cứu đóng góp ý kiến cho nội dung khóa luận Em xin cảm ơn thầy giáo, TS Nguyễn Hồng Quảng TS Đồn Hồi sơn - thầy, đọc góp ý cho nội dung đề tài Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân gia đình quan tâm, động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập hồn thành khóa luận tốt nghiệp Xin trân trọng cảm ơn! Vinh, ngày 14 tháng năm 2011 Ngƣời thực khóa luận Đinh Thị Hằng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, với phát triển công nghệ thiết bị mới, truyền nhiệt có liên quan chặt chẽ góp phần quan trọng vấn đề chất lượng thiết bị Máy móc nhiều nước chế tạo phong phú kết cấu đa dạng chủng loại Vì việc nghiên cứu truyền nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt giúp lựa chọn chủng loại hợp lý, sử dụng hiệu thiết bị, bảo trì sửa chữa Việc tính tốn, cải tiến để nâng cao hiệu suất nhiệt, tiết kiệm lượng, bảo vệ môi trường, hạ giá thành sản phẩm đặt cấp thiết với Nghiên cứu truyền nhiệt, tính tốn q trình trao đổi nhiệt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cho việc thiết kế chế tạo thiết bị nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt đa dạng, phong phú tùy thuộc vào loại động cơ, cơng suất, cách làm mát Trong đó, thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh sử dụng nhiều máy nhiệt như: Động đốt (loại làm mát không khí), bình ngưng máy lạnh, thiết bị sấy, điều hịa khơng khí Mặt khác, có ưu điểm lớn mặt công suất hiệu thiết bị, phù hợp với điều kiện thực tiễn nước ta Ngồi ra, tơi sinh viên sư phạm nghiên cứu đề tài cịn có ý nghĩa hỗ trợ đắc lực q trình giảng dạy chương trình phổ thơng môn Công nghệ lớp 11 phần Động đốt trong, cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị nhiệt Vì vậy, chúng tơi lựa chọn đề tài: “Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh” Với mong muốn góp phần hỗ trợ dạy học vật lý kỹ thuật phát triển để ứng dụng kỹ thuật, đặc biệt giúp cho GV tương lai q trình giảng dạy trường phổ thơng Mục tiêu đề tài - Mục tiêu 1: Tìm hiểu cách tổng quan truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt - Mục tiêu 2: Thực khâu tính tốn thiết kế mới: Lựa chọn, xác định, xử lý thông tin thông số kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt - Nghiên cứu tài liệu chuyên ngành thông số kỹ thuật thiết bị nhiệt giúp cho tính tốn thiết kế thiết bị Cấu trúc khóa luận Mở đầu Nội dung: Gồm chương Chương 1: Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐNa) Chương 2: Tính tốn thiết kế TBTĐN loại vách ngăn cách có cánh Kết luận Tài liệu tham khảo Sau phần nội dung chi tiết khóa luận CHƢƠNG TỔNG QUAN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT (TBTĐN) 1.1 Một số khái niệm truyền nhiệt Truyền nhiệt nghiên cứu trình truyền nhiệt xảy vật có nhiệt độ khác Truyền nhiệt khơng tìm cách giải thích ngun nhân tạo nên q trình mà cịn dự đốn mức độ trao đổi nhiệt xảy điều kiện Năng lượng truyền dạng dòng nhiệt khơng thể đo lường trực tiếp, xác định dòng nhiệt qua đại lượng vật lý nhiệt độ Dịng nhiệt ln truyền từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp nên tìm thơng qua chênh lệch nhiệt độ hệ Vì vậy, nghiên cứu nhiệt độ hệ yếu tố quan trọng vấn đề truyền nhiệt Truyền nhiệt vật trình phức tạp Tuy nhiên, để việc nghiên cứu thuận lợi, phân q trình truyền nhiệt thành dạng trao đổi nhiệt sau: Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu trao đổi nhiệt xạ 1.1.1 Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt trình truyền nhiệt vật phần vật có nhiệt độ khác tiếp xúc trực tiếp với Hiện tượng dẫn nhiệt liên quan với chuyển động vi mô vật chất Đối với chất khí, truyền lượng khuếch tán phân tử nguyên tử Trong chất lỏng chất cách điện tác dụng sóng đàn hồi, kim loại chủ yếu khuếch tán điện tử tự Định luật dẫn nhiệt thực Biot dựa sở quan sát thực nghiệm mang tên sau tên nhà tốn - lý Joeseph Fourier, ơng người ứng dụng kết vào phân tích lý thuyết nhiệt Định luật phát biểu: “Mật độ dòng nhiệt truyền qua phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ thuận với diện tích vng góc với phương truyền gradient nhiệt độ theo phương ấy” Ví dụ dịng nhiệt theo phương x, định luật Fourier thể sau: Q x  F qx  Hoặc T x (1.1) Qx T   F x (1.2) Trong đó: Q x - Dịng nhiệt truyền qua diện tích F (J/s) q x - Mật độ dòng nhiệt (W/m ) F - Diện tích bề mặt truyền nhiệt qua (m ) Do quy ước chiều dương gradient nhiệt độ chiều tăng nhiệt độ, vecto mật độ dòng nhiệt từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu “ - ” phương trình Thực nghiệm xác định hệ số tỷ lệ  phương trình (1.1) thơng số vật lý vật liệu đặc trưng cho khả dẫn nhiệt vật gọi hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt vật nói chung phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ xác định thức nghiệm Thơng thường q trình thực nghiệm làm xác định mật độ dòng nhiệt gradient nhiệt độ hệ số dẫn nhiệt tìm theo công thức:  q (W / m.K ) gradt (1.3) Từ (1.3) ta thấy hệ số dẫn nhiệt trị số nhiệt lượng truyền qua đơn vị thời gian gradient nhiệt độ   0 (1  bt ) Trong đó: (1.4) 0 - Hệ số dẫn nhiệt nhiệt độ C b - Hằng số xác định thực nghiệm Trong tính tốn thực tế xem hệ số dẫn nhiệt số tương ứng với nhiệt độ trung bình nhiệt độ giới hạn hai đầu Conrachiep chứng minh: Phương pháp thay với vật thể có hình dáng khác trường hợp dẫn nhiệt ổn định  Hệ số dẫn nhiệt vật rắn  Kim loại hợp kim: Sự truyền nhiệt cho kim loại chủ yếu điện tử tự do, dao động ngun tử dạng sóng đàn hồi khơng đáng kể Do chuyển động điện tử tự đưa đến cân nhiệt độ chỗ nóng lạnh kim loại Điện tử tự chuyển động từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp theo chiều ngược lại Trong trường hợp thứ cung cấp lượng cho nguyên tử, trường hợp thứ hai ngược lại Bởi kim loại truyền nhiệt truyền điện điện tử tự hệ số dẫn nhiệt hệ số dẫn điện tỷ lệ thuận với Khi nhiệt độ tăng làm cho hỗn loạn điện tử tự tăng lên, hệ số dẫn nhiệt dẫn điện kim loại giảm xuống Trong kim loại có lẫn tạp chất khác hệ số dẫn nhiệt giảm nhanh, xảy tăng tính hỗn loạn kết cấu dẫn đến làm tăng phân tán điện tử tự Hệ số dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ, đa số kim loại nguyên chất có hệ số dẫn nhiệt giảm nhiệt độ tăng chất khí vật liệu cách điện ngược lại, hệ số dẫn nhiệt tăng nhiệt độ tăng  Vật rắn cách điện: Đối với chất cách điện thông thường hệ số dẫn nhiệt tăng nhiệt độ tăng, nói chung hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào kết cấu, độ xốp độ ẩm vật liệu, khối lượng riêng tăng hệ số dẫn nhiệt tăng 1.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu Khi chất lỏng chuyển động qua bề mặt vật rắn có chênh lệch nhiệt độ bề mặt tw môi trường chất lỏng tf, bề mặt chất lỏng có trình trao đổi nhiệt gọi trình trao đổi nhiệt đối lưu Hình 1.1 Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu Sự truyền nhiệt xảy trường hợp chuyển dịch tương đối bề mặt chất lỏng đồng thời với chênh lệch nhiệt độ  Nếu chuyển dịch chất lỏng nhân tạo (như bơm quạt, máy nén… cưỡng chất lỏng chảy qua bề mặt) trình trao đổi nhiệt trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng  Nếu chuyển động chất lỏng tạo nên lực nâng, chênh lệch khối lượng riêng trình gọi trao đổi nhiệt đối lưu tự Quá trình phức tạp Trong kỹ thuật, để tính tốn đơn giản q trình trao đổi nhiệt đối lưu người ta thường dùng công thức: Q  F (tw  t f ) (1.5) gọi Định luật làm lạnh Newton Trong đó: Q – dịng nhiệt (W) α – cường độ dòng trao đổi nhiệt đối lưu (W/m2.độ) (1.5) F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2) tw – nhiệt độ bề mặt vật rắn (K) tf – nhiệt độ trung bình chất lỏng (K) 1.1.3 Trao đổi nhiệt xạ Quá trình trao đổi nhiệt xạ nhiệt lượng trao đổi hai vật có nhiệt độ chênh lệch khơng tiếp xúc mơi trường chất khí chân khơng Hình 1.2 Quá trình trao đổi nhiệt xạ Chúng ta biết, vật phát lượng xạ truyền không gian dạng photon rời rạc theo lý thuyết Planck Sự xạ hấp thụ lượng xạ vật xếp chồng nguồn gốc xạ từ bên vật thông qua bề mặt vật, ngược lại xạ tới bề mặt vật từ môi trường xung quanh xâm nhập sâu vào vật yếu dần Nhiều trường hợp thiết bị kỹ thuật, phần lớn tia xạ tới tắt nhanh lớp mỏng bề mặt vật nên gọi hấp thụ xạ bề mặt Người ta chứng minh rằng: Năng lượng xạ bề mặt tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối luỹ thừa bậc Ví dụ, vật đen (hồn tồn hấp thụ hồn toàn xạ) lượng trao đổi bề mặt với hệ: Q  F (T14  T24 ) Trong đó: (1.6)  - Hằng số Stefan – Boltzmann (ζ = 5.6697.10 W/m K ) -8 F - Diện tích bề mặt trao đổi hệ (m ) T1 - Nhiệt độ hệ (K) T2 - Nhiệt độ môi trường đặt hệ (K) Nếu hai vật khơng hồn tồn đen bề mặt khơng bị khép kín với lượng trao đổi hai vật là: Q  12 F (T14  T24 ) Trong đó: (1.7) 12 - Hệ số góc (hoặc hệ số chiếu xạ) Khi chênh lệch nhiệt độ T1 T2 tương đối nhỏ phương trình (1.7) viết dạng: Q  12 F (T1  T2 )(T1  T2 )(T12  T22 )  12 F 4T13 (T1  T2 ) q Q  (12 4T13 )(T1  T2 ) F (1.8) (1.9)  bx  12 4T13 hệ số trao đổi nhiệt xạ Vậy ta cịn cơng thức tính lượng T  T1  T2  T1 : q   bx (T1  T2 ) (1.10) 1.1.4 Trao đổi nhiệt phức tạp Quá trình trao đổi nhiệt phức tạp trình trao đổi nhiệt đối lưu xạ xảy đồng thời với cường độ mạnh, tính tốn giải tích truyền nhiệt có xem xét ảnh hưởng tương hỗ hai dạng trao đổi nhiệt vấn đề phức tạp Vì kỹ thuật, xem q trình xẩy xếp chồng tuyến tính hai dịng nhiệt với hai dạng trao đổi nhiệt khác Ví dụ: Quá trình trao đổi nhiệt sản phẩm cháy buồng đốt với bề mặt truyền nhiệt, trình xảy đồng thời trao đổi nhiệt xạ đối lưu với bề mặt hấp thụ, q trình trao đổi nhiệt phức tạp Dịng nhiệt tổng: q  qbx  qđl Hoặc: (1.11) q  bx (T f  Tw )   đl (T f  Tw )    (T f  Tw ) Trong đó: 10 (1.12) + Tính tốn nhiệt thiết bị: Cường độ toả nhiệt chất lỏng, dự kiến trở phụ (cặn, dầu…) để tính hệ số truyền nhiệt k, tính độ chênh lệch nhiệt độ trung bình Δt hai chất lỏng, xác định diện tích truyền nhiệt F Từ đó, ta thiết kế chế tạo, tính tốn sức bền, trở kháng thuỷ lực + Bố trí dịng chảy làm tăng tốc độ dòng, buộc dòng chuyển động qua vùng thiết bị (tránh ứ đọng), ngồi có tác dụng đỡ ống không bị võng Phạm vi đề tài thực khâu tính tốn thiết kế lựa chọn, xác định, xử lý thông tin thông số kết cấu thiết bị 2.2 Tính tốn thiết kế chung cho TBTĐN loại vách ngăn cách có cánh Ta biết cách tốt để tăng nhiệt lượng trình trao đổi nhiệt cách đúc (hàn, lắp ráp…) cánh để tăng diện tích bề mặt Khi thiết kế cánh, cánh thường chế tạo phía chất lỏng có cường độ tỏa nhiệt  bé Tuy nhiên có trường hợp cần tăng cường truyền nhiệt chung cho thiết bị cánh thực hai phía ngồi Thơng số kỹ thuật để làm cánh (hệ số làm cánh) tùy thuộc vào tương quan cường độ tỏa nhiệt hai phía Về việc tính tốn TBTĐN loại có cánh, tính hệ số tỏa nhiệt  phía làm cánh, diện tích truyền nhiệt F,… vào số liệu tiến hành thiết kế kết cấu thiết bị  Cách bố trí cánh TBTĐN loại vách ngăn cách Trong trường hợp cụ thể mà người thiết kế lựa chọn môi chất cho phù hợp thiết bị cần thiết kế Có thể như: Khơng khí, nước, môi chất làm lạnh, dầu,… Và tùy môi chất, ta bố trí cánh TBTĐN: Cánh phía, cánh hai phía để tăng diện tích trao đổi nhiệt, mức độ làm cánh phụ thuộc vào đặc tính q trình cơng nghệ Ví dụ: Cánh dàn lạnh khơng khí hệ thống thiết bị lạnh thông thường sử dụng cánh làm nhôm gắn bề mặt ngồi 37 ống đồng, khơng khí chuyển động phía ngồi chùm ống có cánh, cịn nước lạnh mơi chất lạnh chuyển động phía Cánh có dạng sau: Cánh tròn, cánh chữ nhật, cánh phẳng có gợn sóng , chùm ống bố trí sole song song  Một số hình dạng cánh: Hình 2.2 Hình dạng TBTĐN loại có cánh 2.2 Bài tốn thiết kế loại TBTĐN loại vách ngăn cáchcó cánh  u cầu kỹ thuật chung tính tốn nhiệt TBTĐN Khi tính tốn nhiệt TBTĐN cần đảm bảo yêu cầu chung đặt mặt kỹ thuật: + Để tăng cường công suất TBTĐN, hệ số truyền nhiệt αn cần phải lớn, Muốn tăng αn, cần giảm chiều dày δ vách, không làm vách nhiều lớp + Giảm trở kháng thuỷ lực dịng chảy mơi chất Δp1, Δp2 để giảm công suất bơm quạt Muốn cần giảm độ nhớt chất lỏng, giảm tốc độ  , giảm tổn thất cục mức 38 + Tăng diện tích mặt trao đổi nhiệt F, mặt có hai phía tiếp xúc trực tiếp chất lỏng nóng chất lỏng lạnh để tăng cơng suất + Bảo đảm an tồn áp suất (p), nhiệt độ (t) chế độ làm việc cao có tuổi thọ cao Muốn phải chọn kim loại đủ bền p, t làm việc, tính tốn độ dày δ theo quy tắc sức bền + Đảm bảo độ kín chất lỏng với với mơi trường bên ngồi, để giữ độ tính nhiệt sản phẩm vệ sinh an tồn cho mơi trường + Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận chuyển, dễ lắp ráp, vận hành, dễ kiểm tra, điều khiển dễ vệ sinh, bảo dưỡng Bài tốn: Thiết kế bình bốc vỏ bọc chùm ống nằm ngang để cung cấp nước lạnh Vn  25m3 / ph , nhiệt độ nước vào t n'  150 C nhiệt độ nước t n''  50 C Môi chất hệ thống lạnh sử dụng F  22 Ống sử dụng cho thiết bị ống đồng đỏ có cánh với thơng số sau: Đường kính cánh Dc  16mm Đường kính chân cánh dng  14mm Đường kính d tr  12mm Bước cánh S c  1,18mm Bề dày đầu cánh  d  0,2mm Bề dày chân cánh   0,3mm Bước ống S  20mm Giải: Với thông số cánh biết tiến hành xác định kích thước hình học cần thiết 39 Hình 2.3 Kết cấu hình học thiết bị Diện tích phần đứng bề mặt cánh ứng với 1m chiều dài ống: Fđ  Fđ    Dc2  d ng 2 Dc2  d ng  Sc 2Sc      3,14  0,00162  0,0142  0,0798m / m  0,00118 Diện tích phần bề mặt nằm ngang ứng với 1m ống:   Fng  d ng 1  Sc   Dc d   Sc  0.0003  3.14  0.016  0.002   3.14  0.014  1   0.0413m2 / m  0.00118  0.00118  Hình 2.4 Diện tích bề mặt cánh 40 Tổng diện tích bề mặt ngồi 1m ống có cánh: F  Fđ  Fng  0,0798  0,0413  0,121m2 / m Diện tích bề mặt 1m ống có cánh: Ftr  dtr 1  3,14  0,012 1  0,0377m2 / m Hệ số làm cánh:   F 0,121   3,2 Ftr 0,0377  Xác định hệ số tỏa nhiệt phía nước αn: Nhiệt độ trung bình nước:  tn    ' tn  tn"  15  5  100 C 2  Ứng với nhiệt độ t n  10 C tra thông số vật lý nước tài liệu chuyên ngành sau: n  999,7kg / m3 Khối lượng riêng: Nhiệt dung riêng đẳng áp mơi chất nóng lạnh : c pn  4,19kJ / kg.đô Hệ số dẫn nhiệt: n  0,575W / m.K Tốc độ dòng:  1,306 106 m2 / s Tiêu chuẩn Prandtl – đặc trưng cấu trúc, thành phần tính chất vật lý Prn  9,52 hỗn hợp hơi: Lưu lượng nước lạnh cần cung cấp 1s: Vn  25  0,006944m / s 3600 Lưu lượng khối lượng nước cần cung cấp 1s: Gn  Vn  n  0,006944  999,7  6,94kg / s Nhiệt lượng truyền thiết bị:   Q0  Gn  c pn tn'  tn"  6,94  4,19  (15  5)  219kW 41 Chọn vận tốc nước chuyển động ống  n , thường chọn phạm vi định để đảm bảo truyền nhiệt công suất tiêu hao cho bơm không lớn, thông thường nước chuyển động ống khống chế khoảng n  0,5  2m / s Vậy ta chọn vận tốc nước chuyển động ống n  2m / s , lưu lượng nước lạnh cung cấp hành trình (1 pass nước) là: Vn  fn  n1 d tr2 n Nếu chọn n1  30 ống ta tính lại số ống nước chứa dòng lưu động: n1  4Vn  0,006944   30,7 dtrn 3,14  0,0122  (ống) Ta thấy n1 = 30.7 ≈ 30 (thỏa mãn) Kiểm tra lại tốc độ chuyển động dòng nước ống: n  4Vn  0,006944   2,05 dtr n1 3,14  0,0122  30 (m/s) (ωn ≈ chấp nhận được) Trị số Re n (trị số đồng dạng Reynold) nước chảy ống: Re n  n dtr 2,05  0,012   18836  104 6 n 1,306 10 Do bình bốc hệ thống lạnh nhiệt độ thấp nên bỏ qua ảnh hưởng xạ cần xét đến trao đổi nhiệt đối lưu Với chế độ chảy rối Ren >104 ta sử dụng tiêu chuẩn đồng dạng Nusseelt đặc trưng trình khuếch tán bề mặt truyền nhiệt: Nu n  a Re 0.8 f Pr 0.43 f  Pr f   Prn    0.25  L  R Trong đó: a - hệ số khuếch tán nhiệt chất rắn đồng Ta tra tài liệu chuyên nghành: a = 0,021 m2/s 42 Do độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt chất lỏng không lớn nên:  Pr f    Pr   n   0, 1 ε: Hệ số trao đổi nhiệt, đại lượng không thứ nguyên Do ống thẳng nên εR = Ta chọn L/dtr > 50 nên εL = (phần sau kiểm tra lại; đó: L chiều dài đoạn ống, dtr đường kính trong) Thay số vào biểu thức Nun ta có: Nun  0,021 (18836) 0,8  (9,52) 0, 43 111  145,5 Hệ số toả nhiệt phía nước αn : n  Nu n n 145,5  0,575   6972W / m K d tr 0,012  Về phía mơi chất hệ thống lạnh F  22 : Chọn nhiệt độ sôi môi chất lạnh t0  00 C ta có sơ đồ lưu động song song ngược chiều dịng mơi chất Hình 2.6 Sơ đồ lưu động song song ngược chiều Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit tính: 43 tm  tmax  tmin 15    9,10 C 15 t ln ln max tmin Mật độ dịng nhiệt qui phía nước (phía ống): qn  t n n   i i t m  ta   i n Ở i i  tổng nhiệt trở gồm có i nhiệt trở vách ống lớp cáu nước, ống đồng đỏ mỏng nên nhiệt trở vách bỏ qua cịn nhiệt trở lớp cáu nước, ta tham khảo tài liệu chuyên ngành chọn:  i  0,00013m K / W i qn  9,1  t a  3657,6(9,1  t a )  0,0013 6972 Mật độ dịng nhiệt sơi F  22 có cánh tính qui mặt (qui phía nước) tính theo cơng thức: qatr  564 p00, 45ta1,82 n d  Trong đó: p0  4,983 bar (áp suất sôi F  22 nhiệt độ t  0 C ) 44  n - Hệ số xét đến ảnh hưởng chùm ống co cánh, bình bốc làm lạnh nước thường qng  2kW ,  n   d - Hệ số xét đến ảnh hưởng dầu bơi trơn hịa tan Freon (phụ thuộc vào Freon mật độ dòng nhiệt), trọn  d  0.82 qatr  564  4,9830, 45 t a1,82 1 0,82  3,2  3048,7t a1,82 Mật độ dòng nhiệt quy bề mặt hai phía phải cân nhiệt độ ổn định, ta có: qn  qatr 3657,6(9,1  ta )  3048,7ta1,82 Khảo sát phương trình cho ta số giá trị t a để xây dựng quan hệ đường cong qn  f1 (ta ) qatr  f (ta ) , ta có số kết bảng sau: t a C qn  3048,7ta1,82 qatr  3657,6(9,1  ta ) 2,8 2,9 2,99 3,0 19858,311 21167,96 22378,77 22515,18 23042,88 22677,12 22347,94 22311,36 Kết tìm được: ta  2,9880 C qatr  22350W / m2 45 Hình 2.7.Đồ thị (q, ∆ta) Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt tính theo bề mặt trong: F tr  Q0 291103   13m qtr 22350 Tổng chiều dài ống: L  F tr Q0 13   345m d tr 1 3,14  0,012 1 Nếu chọn số hành trình nước z  tổng số ống là: n  n1  z  30   120 (ống) Chọn số ống đường chéo lớn xếp ống m =15 số ống chất đầy bình là: n'  0,75(m'2  1)  0,75(152  1)   169 (ống) Chúng ta bớt số ống phần để làm khoang bốc giữ lại 120 ống truyền nhiệt số ống bỏ bớt là: n' '  n'n  169  120  49 (ống) Chiều dài đoạn ống: L1  L 345   2,875m n 120 46 Đường kính sàn: D  m  S  15  0,02  0,3m Tỷ số: L1 / D  2,875  9,58 0,3 Vậy đường kính thân bình chọn khoảng 0,32m Kiểm tra lại tỷ số L1/dtr : L1 2,875   239  50 dtr 0,012 (thỏa mãn) Trên sở tính tốn nhiệt tiến hành bước tiếp theo: Tính tốn sức bền, thiết kế kết cấu, tính tốn trở kháng thuỷ lực, phương pháp gia công 2.4 Tổng kết chƣơng Trong chương giới thiệu sơ đồ thiết kế nêu bước cần tiến hành tính tốn thiết kế thiết bị TBTĐN chung, đặc biệt sâu vào nhiệm vụ thiết kế TBTĐN giai đoạn 2(thu thập thơng tin) Trong giai đoạn xác định: Hình dạng, kích thước, tính năng, tính tốn để xác định thông số kỹ thuật thiết bị… Đưa toán thiết kế loại TBTĐN loại vách ngăn cách có cánh Sau tính tốn thiết kế, chúng tơi so sánh với thơng số kỹ thuật tra tài liệu chuyên ngành, kết toán thiết kế đáp ứng yêu cầu kỹ thuật loại thiết bị thể chi tiết đây: + Thông số làm cánh: Với cánh làm gia công phương pháp cán lăn ống đồng đỏ, dạng kết cấu cánh đảm bảo cánh dày, chân cánh rộng chiều cao cánh thấp làm cánh phía mơi chất lạnh Freon hình vẽ giúp cho tăng khả truyền nhiệt thiết bị + Tổng diện tích bề mặt bề mặt tính theo bề mặt trong: F tr  13m 47 Đây diện tích trao đổi nhiệt lớn, tăng khả truyền nhiệt Đảm bảo yêu cầu thiết kế Sau bảng so sánh đối chiếu thông số kỹ thuật TBTĐN tính tốn trên: STT Thơng số kỹ thuật Hệ số làm cánh β Hệ số tỏa nhiệt αn (W/m2.K) Chỉ tiêu kỹ thuật Tính tốn thiết kế β = 3,5 ÷   3,2  n  4000  8000  n  6972 n  0,5    2,05 Vận tốc nước chuyển động ống ωn (m/s) Nhiệt trở lớp cáu nước    i (m K / W ) i Trị số đồng dạng Reynold nước chảy rối dòng Hệ số khuếch tán nhiệt kim loại đồng a (m /s) i  0,0001  0,0005 i  i  0,00013 i Re n  10  108 Re n  18836 a = 0,021 m2/s a = 0,021 m2/s Từ bảng số liệu ta thấy thiết bị bình bốc hệ thống lạnh tính tốn nhiệt thiết kế đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thiết bị nhiệt đặt 48 KẾT LUẬN Khóa luận hồn thành sâu nghiên cứu: Tổng quan truyền nhiệt, tìm hiểu cách truyền nhiệt thực tế Giới thiệu số khái niệm dẫn nhiệt, phương trình vi phân dẫn nhiệt vật rắn điều kiện đơn trị Ngoài ra, nêu bật lên cách tổng quan TBTĐN, tìm hiểu phân loại, đặc biệt TBTĐN loại vách ngăn cách có cánh Giới thiệu phương trình sử dụng tính tốn TBTĐN: Phương trình cân nhiệt, phương trình truyền nhiệt Từ đó, tìm hiểu phương pháp tính tốn TBTĐN để đưa phương án tối ưu trường hợp tính tốn cụ thể Đặc biệt tìm hiểu TBTĐN loại vách ngăn cách có cánh tính tốn thiết kế loại thiết bị Qua q trình hồn thành đề tài khố luận tơi phần nắm phương pháp nghiên cứu đề tài số vấn đề khoa học đề tài Mặt khác, đề tài cịn có ý nghĩa củng cố kiến thức học vật lý kỹ thuật nói chung mơn học kỹ thuật nhiệt nói riêng ngồi ghế nhà trường Điều đặc biệt sau hồn thành khố luận tơi 49 trang bị thêm kiến thức loại thiết bị nhiệt mà gần gũi với sống như: Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, cách sử dụng, tính năng, ưu nhược điểm… Ngồi ra, nội dung khoá luận liên quan đến kiến thức q trình giảng dạy mơn Cơng nghệ lớp 11 chương trình Trung học phổ thơng, cấu tạo nguyên tắc hoạt động thiết bị nhiệt 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồng Đình Tín - Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, NXB KHKT.2001 Phạm Lê Dần - Cơ sở kĩ thuật nhiệt, NXB GD.2009 Đặng Quốc Phú - Truyền nhiệt, NXB khoa học kỹ thuật Bùi Hải, Trần Thế Sơn - Kỹ thuật nhiệt,(NXB Giáo dục Bùi Hải, Trần Thế Sơn - Bài tập Nhiệt động truyền nhiệt kỹ thuật lạnh, NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Tồn Phong - Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt Bài giảng đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Một số trang Web: - www.ebook.edu.vn/ - http://ebook.edu.vn - http://www.vatlivietnam.org 51 ... trình truyền nhiệt thành dạng trao đổi nhiệt sau: Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu trao đổi nhiệt xạ 1.1.1 Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt trình truyền nhiệt vật... hiểu cách tổng quan truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt - Mục tiêu 2: Thực khâu tính tốn thiết kế mới: Lựa chọn, xác định, xử lý thông tin thông số kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn. .. kỹ thuật thiết bị? ?? Đưa toán thiết kế loại TBTĐN loại vách ngăn cách có cánh Sau tính tốn thiết kế, chúng tơi so sánh với thơng số kỹ thuật tra tài liệu chuyên ngành, kết toán thiết kế đáp ứng