1.7.2.1 Sơ đồ nguyên lý của quá trình thiết kế HEN
Ứng với mỗi công nghệ, phương trình cân bằng vật chất và năng lượng luôn luôn xác định được. Mô phỏng quá trình và tiến hành khai thác dữ liệu từ sơ đồ công nghệ, những dữ liệu quan trọng liên quan đến các tính chất nhiệt và chi phí là những thông tin quan trọng cần thiết cho kỹ thuật Pinch.
Sau khi hoàn tất việc khai báo dữ liệu, chúng ta tiến hành phân tích những giá trị tối ưu (năng lượng thu hồi, chi phí) bằng kỹ thuật Pinch (hình 1.39).
1. Thiết lập phương trình cân bằng vật chất và năng lượng
2. Mô phỏng quá trình
Phân tích Pinch
3. Khai thác dữ liệu từ quá trình mô phỏng
4. Phân tích
− Xác định DTmin
− Thực hiện thay đổi cần thiết − Lựa chọn phụ trợ
5. Thiết kế HEN
6. Lựa chọn các phương án thay thế
7. Đưa ra mô hình cuối cùng
Hình 1.39: Các bước tiến hành thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch
Trong quá trình phân tích Pinch, chúng ta phải tiến hành lựa chọn DTmin thích hợp và các nguồn phụ trợ tương ứng cho quá trình để sao cho tổng chi phí là nhỏ nhất.
Quá trình phân tích và thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt dựa trên những phân tích của kỹ thuật Pinch nên gọi là phương pháp thiết kế Pinch, phương pháp Pinch đưa ra
giản đồ lưới giúp đỡ cho người thiết kế thực hiện công việc của mình một cách dễ dàng hơn.
1.7.2.2 Sơ đồ lưới
Sơ đồ lưới được thể hiện như hình dưới đây: Thiết bị trao đổi nhiệt Process Pinch 1 Dòng nóng 2 Thiết bị làm 3 4
Thiết bị gia nhiệt
Dòng nguội
Hình 1.40: Sơ đồ lưới trong phương pháp thiết kế Pinch
Trên sơ đồ lưới:
− Các dòng công nghệ nóng được biểu diễn bằng màu đỏ.
− Các dòng công nghệ nguội được biểu diễn bằng màu xanh.
− Thiết bị trao đổi nhiệt giữa hai dòng công nghệ được biểu diễn bằng hai vòng tròn ở hai đầu và có đường thẳng nối ở giữa.
− Thiết bị gia nhiệt được thể hiện bằng một vòng tròng màu xanh có mũi tên hướng xuống dưới.
− Thiết bị làm nguội được biểu diễn bằng một vòng tròn màu đỏ có mũi tên hướng lên.
− Điểm Pinch được biểu diễn bằng một đường thẳng và ngăn sơ đồ lưới ra thành hai khu vực khác nhau, vùng bên trái là vùng sink và vùng bên phải là source.
1.7.3 Thiết kế HEN bằng phương pháp Pinch1.7.3.7 Nguyên tắc của phương pháp Pinch 1.7.3.7 Nguyên tắc của phương pháp Pinch
Khi thiết kế HEN theo phương pháp Pinch, 3 nguyên tắt sau đây cần phải tuân theo:
− Không có sự truyền nhiệt từ sink qua source.
− Không có thiết bị làm nguội ở phía sink (phía trái).
− Không có thiết bị gia nhiệt ở phía source (phía phải).
Để làm rõ những vấn đề trên, chúng ta tiến hành thiết kế HEN cho ví dụ đã có trước đây với bốn dòng công nghệ và những điều kiện nhiệt được nêu trong bảng 1.1.
Với các tính chất nhiệt như trong bảng 1.1, DTmin = 10 và giản đồ đường tổ hợp như trên hình 1.11, chọn các dòng phụ trợ là không khí (làm nguội) và hơi nước thấp áp LPS (đun nóng) các dòng công nghệ được biểu diễn trên sơ đồ lưới như sau:
Hot Pinch = 70 35 Không khí 30 180 80 1 130 40 2 120 30 3 100 60 4 LP 125 124 Cold Pinch = 60
Hình 1.41: Giản đồ lưới cho các dòng công nghệ và phụ trợ
Áp dụng phương pháp Pinch chúng ta chia quá trình thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt thành hai phần: Phần Sink (phía trên Pinch) và phần Source (phía dưới Pinch). Thiết kế chia thành hai phần như vậy giúp chúng ta dễ dàng đạt được mục tiêu năng lượng đề ra.[1]
1.7.3.2 Thiết kế phần Sink (phía trên Pinch)
Chúng ta thiết kế cho phần Sink với điểm bắt đầu là cho dòng nóng và nguội là điểm Pinch quá trình (Process Pinch) và thực hiện công việc theo hướng tiến dần ra xa điểm Pinch.[1]
Giản đồ nhiệt độ năng lượng cho các dòng trong quá trình trao đổi nhiệt theo phương thức ngược dòng được thể hiện như sau:
Chúng ta biết rằng CP =m ×Cp , với giả sử rằng toàn bộ lượng nhiệt mà dòng nóng nhường ra thì dòng nguội sẽ lấy hết hay:
∆Hnóng = ∆Ηnguội
Hay: CPnóng.(Tđầu - Tcuối)nóng = CPnguội.(tcuối – tđầu)nguội CPnóng.∆Tnóng = CPnguội.∆tnguội (**)
Ta xét các trường hợp sau:
− Nếu CPnóng > CPnguội: Từ phương trình (**) chúng ta dễ dàng nhận thấy
∆Tnóng < ∆tnguội hay độ dốc của đường nóng bé hơn độ dốc của đường nguội trên giản đồ T –
H. Dựa vào hình 1.43 chúng ta có thể kết luận rằng điều này không bao giờ xảy ra vì bị ràng
buộc bỡi DTmin .
− Nếu CPnóng < CPnguội : Từ phương trình (**) chúng ta dễ dàng nhận thấy
GVHD: TS. Nguyễn Đình Lâm Trang
∆Tnóng < ∆tnguội , điều này đồng nghĩa với độ dốc của đường nóng lớn hơn độ dốc của đường nguội trên giản đồ T – H. Điều này hoàn toàn phù hợp (hình 1.43)
GVHD: TS. Nguyễn Đình Lâm Trang
Tóm lại, khi thiết kế HEN ở phần Sink, với những thiết bị trao đổi nhiệt tiếp giáp với Pinch, người thiết kế cần chú ý đến giá trị CP của các dòng nóng và dòng nguội. Nếu chúng ta lấy Pinch làm điểm chuẩn thì dòng nóng là dòng đi vào Pinch và dòng nguội là dòng đi ra khỏi Pinch. Như vậy quy luật mà người thiết kế cần tuân theo là: CPvào < CPra (1.16) T tcuối Tđầu CP CPnóng Tc uối DTmin nguội tđầu H
Hình 1.42: Giản đồ T – H cho trường hợp thiết kế phần Sink (tiếp giáp với Pinch)
Sau khi thiết lập các thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nóng và dòng nguội đảm bảo nguyên tắc Pinch, lượng nhiệt còn lại cần cung cấp cho quá trình sẽ được thực hiện nhờ dòng phụ trợ.
1.7.3.2 Thiết kế phần Source
Đối với các thiết bị trao đổi nhiệt tiếp giáp với Pinch, giản đồ T – H thể hiện như trên hình 1.43
Tuy nhiên, chúng ta cần phải chú ý là quy luật “CP” chỉ áp dụng cho các thiết bị trao đổi nhiệt tiếp giáp với Pinch (phần Sink), còn các thiết bị trao đổi nhiệt khác không tiếp giáp với Pinch hoặc tiếp giáp với Pinch nhưng ở Phần Source thì không sử dụng quy luật “CP” mà tuân theo DTmin.
Sau khi thiết kế HEN xong, điều quan trọng là xem thử hệ vừa thiết kế có thể điều khiển được hay không. Thông số liên quan đến khả năng điều khiển hệ là bậc tự do. T DTmin tcuối Tđầu CPnóng CPnguội Tcuối tđầu H
Hình 1.43: Giản đồ T – H cho trường hợp thiết kế phần Source (Thiết bị trao đổi nhiệt tiếp giáp với Pinch)
1.7.3.3 Bậc tự do của HEN 1. Bậc tự do của HX
Một thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động sẽ có 5 thông số là: Nhiệt độ dòng nóng vào (Th_in), nhiệt độ dòng nóng ra (Th_ra), nhiệt độ dòng nguội vào (Tc_vào), nhiệt độ dòng nguội ra (Tc_ra), lượng nhiệt trao đổi (Q). Nhiệt trao đổi Q được tính theo công thức:
Q = CPhot.(Th_vào – Th_ra) Hay: Q = CPnguội.(Tc_ra – Tc_vào)
Chúng ta có 5 biến và 2 phương trình nên bậc tự do của thiết bị trao đổi nhiệt là: 5 – 2 = 3. Điều này có nghĩa là thiết bị trao đổi nhiệt có tối đa 3 thông số có thể thay đổi mà không làm thay đổi hoạt động của thiết bị.
2. Bậc tự do của HEN
Bậc tự do NDoF là một thông số quan trọng của HEN sau khi thiết kế bằng phương pháp Pinch. Giá trị của NDoF giúp người thiết kế biết HEN có thể điều khiển để đạt được các thông số nhiệt độ của dòng nóng và dòng nguội hay không. Cụ thể như sau:
− NDoF < 0: HEN vừa thiết kế không đủ các thông số cần thiết để điều khiển tất cả nhiệt độ cuối của các dòng.
− NDoF = 0: HEN vừa thiết kế đủ các thông số để điều khiển tất cả nhiệt độ cuối của các dòng.
− NDoF > 0: Chỉ ra rằng HEN vừa thiết kế có đủ các thông số để điều khiển nhiệt độ cuối của các dòng, bên cạnh đó người thiết kế có thể cài đặt thêm nhiều hơn những điều khiển khác về cấu tạo thiết bị.
Bậc tự do được tính theo công thức sau:
NDoF = Nmv − Nts – Nloops (1.17) Trong đó: NDoF : Bậc tự do của HEN (Degree Of Freedom)
Nmv : Số lượng các thiết bị trao đổi nhiệt (manipulated variables) Nts : Số lượng các dòng công nghệ (target streams)
Nloops : Số lượng các vòng nhiệt kín. (vòng nhiệt kín là một vòng nối các thiết bị trao đổi nhiệt, chúng ta có thể chuyển bớt nhiệt từ thiết bị này sang thiết bị kia mà không làm ảnh hưởng lên các thiết bị khác)
1.7.3.4 Thiết kế HEN với mục tiêu chi phí vận hành nhỏ nhất 1. Dữ liệu thiết kế
Số liệu thiết kế HEN được tổng hợp trong bảng 1.10.
Giá trị DTmin tối ưu là 10 oC, giản đồ đường tổ hợp như trên hình 1.11, giản đồ lưới được thể hiện như trên hình 1.42. Với các số liệu như trong bảng 1.10, chúng ta
tiến hành thiết kế HEN theo nguyên tắc Pinch, chúng ta tiến hành thiết kế HEN cho hệ thống trên.
Bản g 1 . 10 : Dữ liệu thiết kế HEN
STT Dòng Tban đầu 0
C Tcuối 0C CP (KW/0C) ∆H Ghi chú
1 Nóng 180 80 60 6000 Làm nguội
2 Nóng 130 40 120 10800 Làm nguội
3 Nguội 60 100 240 9600 Gia nhiệt
4 Nguội 30 120 108 9720 Gia nhiệt
2. Thiết kế phần Sink
Phần Sink được thể hiện trên giản đồ lưới như hình 1.44a: 70 180 1 CP = 60 E1 80 130 2 CP = 120 70E2 100 3 ∆H = 2400 E3 130 4 E4 90 115.6 CP = 240 CP = 108 60 ∆H = 7200 60 ∆H = 480 ∆H = 6000 60
Hình 1.44a: Thiết kế phần Sink
Theo quy luật “CP”, chúng ta nhận thấy rằng, dòng 2 và dòng 4 không thể trao đổi nhiệt với nhau vì CP2 > CP4, nhưng dòng 2 có thể trao đổi nhiệt với dòng 3. Dòng 1 có thể trao đổi nhiệt với dòng 3 và 4. Trên cơ sở phân tích như vậy, chúng ta tiến hành xây dựng hệ thống trao đổi nhiệt cho phần Sink với mục tiêu chi phí năng lượng là nhỏ nhất (Minimum Energy Target).
Dòng 1 sẽ trao đổi nhiệt với dòng 4 tại E1 để giảm nhiệt độ từ 180 oC xuống 80 o
C đồng thời nâng nhiệt độ của dòng 4 từ 60 oC lên 115.6 oC. Tổng lượng nhiệt trao đổi tại E1 là 6000KW.
Dòng 2 sẽ trao đổi nhiệt với dòng 3 tại E2 để hạ nhiệt độ từ 130 oC xuống 70 oC đồng thời nâng nhiệt độ của dòng 3 từ 60 oC lên 90 oC. Tổng lượng nhiệt trao đổi tại E2 là 7200KW.
Lượng nhiệt còn lại để nâng nhiệt độ của dòng 4 lên 130 oC được thực hiện nhờ hơi nước bão hòa thấp áp LPS tại E4. Lượng nhiệt còn lại để nâng nhiệt độ dòng 3 lên 100 oC được thực hiện nhờ hơi nước bão hòa LPS tại E3.
3. Thiết kế phần Source
Phần Source chỉ còn lại 2 dòng: Dòng 2 sẽ giảm nhiệt độ từ 70 oC xuống 30 oC, dòng 4 sẽ tăng nhiệt độ từ 30 oC lên 60 oC (hình 1.44b)
Sơ đồ lưới của phần Source:
70 40 E5 43 E6 2 ∆H = 360 ∆H = 3240 30 60 4 Hình 1.44b: Thiết kế phần Source
Dòng 2 sẽ trao đổi nhiệt với dòng 4 tại E5 để nâng nhiệt độ của dòng 4 từ 30 oC lên 60 oC và hạ nhiệt độ xuống 43 oC, phần nhiệt còn lại của dòng 2 sẽ được lấy đi nhờ không khí làm mát.
Toàn bộ HEN đã thiết kế được: E2 ∆H = 2400 E3 E1 E0 Vòng nhiệt kín E5 E6 ∆H = 360 ∆H = 480 E4 ∆H = 7200 ∆H = 6000 ∆H = 3240 Hình 1.45: HEN và vòng nhiệt
1.7.3.5 Chia dòng (phân nhánh) phục vụ cho quá trình thiết kế
Thiết kế HEN theo phương pháp Pinch buộc chúng ta phải thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt ở xung quanh Pinch thõa mãn DTmin. Như vậy, nếu số dòng đi vào Pinch lớn hơn số dòng đi ra khỏi Pinch thì HEN sẽ không thõa mãn được DTmin. Nếu trường hợp này xảy ra chúng ta phải chia dòng đi ra khỏi Pinch thành nhiều nhánh hơn đảm bảo số dòng vào bằng dòng ra (hình 1.46). CP = 1 CP = 2 CP = 4 CP = 3 CP =8 (a) Pinch CP =8 CP = 1 CP = 2 CP = 4 CP = 3 C P = 2 CP =6 Pinch (b)
Hình 1.46: Chia dòng phục vụ cho thiết kế HEN theo phương pháp Pinch
Tuy nhiên việc chia dòng thành nhiều nhánh cũng phải tuân theo quy luật “CP”.
Ngược lại, nếu dòng vào Pinch nhỏ hơn dòng ra khỏi Pinch thì chúng ta cũng làm tương tụ.
Gọi Nvào và Nra tương ứng là số dòng vào và ra khỏi Pinch, CPvào và Cra tương ứng là CP của dòng vào và ra khỏi Pinch ta có thể tổng hợp theo mô hình sau:
N ra ≥ N vào Đúng Sai Phân nhánh dòng vào Phân nhánh dòng ra Sai CPra ≥ CPvào Đúng Sai Đúng CPra ≥ CPvào Xây dựng HEN
Hình 1.47: Sơ đồ phân tích các dòng trao đổi nhiệt
1.7.3.6 Đánh giá HEN vừa thiết kế
Sau khi thiết kế HEN theo phương pháp Pinch, chúng ta có thể phân tích để tiến đến đơn giản hóa HEN hiện có bằng cách giảm số lượng thiết bị trao đổi nhiệt xuống đến mức thấp nhất có thể và tối ưu chi phí vận hành với chi phí đầu tư ban đầu.
Để thực hiện được việc đó chúng ta cần xác định các vòng tải nhiệt kín (Heat load loop) và các đường tải nhiệt hở (Heat load Path) như hình 1.45:
− Vòng tải nhiệt kín: Vòng tải nhiệt kín là một vòng kín nối các thiết bị trao đổi nhiệt và chúng ta có thể chuyển bớt nhiệt từ thiết bị này sang thiết bị kia mà không làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt tại các thiết bị nằm ngoài vòng đó [1]. Trên hình 1.45, không tồn tại vòng tải nhiệt kín, chúng ta giả định một thiết bị trao đổi nhiệt E0 giữa dòng 2 và 3, vòng tải nhiệt kín được thể hiện bằng một hình chữ nhật nét đậm nối E1 và E0.
− Đường tải nhiệt hở: Đường tải nhiệt hở là một đường thẳng nối một dãy các thiết bị trao đổi nhiệt mà ở hai đầu là hai thiết bị có sử dụng tác nhân phụ trợ để cấp và lấy nhiệt, các thiết bị trao đổi nhiệt có quan hệ nhiệt với nhau mà khi chúng ta di chuyển nhiệt từ thiết bị này sang thiết bị kia thì không làm ảnh hưởng lên các thiết bị khác trong hệ thống [1]. Trên hình 1.45, đường tải nhiệt hở là một đường gấp khúc nối E3, E1, E6 và được thể hiện bằng màu tím.
Đối với vòng nhiệt kín khi chúng ta di chuyển một phần hoặc toàn bộ lượng nhiệt từ thiế bị E0 (thiết bị giả định) sang E1 thì có thể dẫn đến lượng nhiệt trao đổi tại E0 bằng không. Tuy nhiên, chúng ta cũng dễ dàng nhận thấy rằng, sự thay đổi này cũng có thể làm cho chênh lệch nhiệt độ tại E1 bé hơn DTmin của hệ thống. Với sự giúp đỡ của những phần mềm chuyên dụng, việc phân tích vòng nhiệt kín có thể làm giảm chi phí tổng cho HEN và số lượng thiết bị trao đổi nhiệt.
Đối với đường nhiệt hở vì ở hai đầu là thiết bị đun nóng và làm nguội nên nó cho phép chuyển lượng nhiệt từ vùng làm nguội lên vùng đun nóng kết quả là làm giảm cả tác nhân đun nóng và làm nguội. Nếu chúng ta di chuyển 100KW từ E6 lên E1 thì lượng nhiệt cần cung cấp tại E3 sẽ giảm đi 100KW còn lại 2300KW và lượng nhiệt cần lấy đi tại E6 sẽ giảm đi 100KW và bằng 260KW, lượng nhiệt trao đổi tại E1 sẽ là 7300KW.
Tóm lại, đường nhiệt hở và vòng nhiệt kín cung cấp cho người thiết kế một công cụ để làm giảm chi phí cho hệ thống.
Giản đồ lưới thường thể hiện tất cả các dòng công nghệ và dòng phụ trợ nên khi chúng ta chỉ dùng một tác phụ trợ nguội và một dòng phụ trợ nóng thì sơ đồ lưới sẽ đơn giản và quá trình chỉ có một điểm Pinch còn khi chúng ta dùng nhiều dòng phụ trợ cho một quá trình thì sơ đồ sẽ trở nên phức tạp hơn và quá trình sẽ không có một điểm Pinch nữa mà sẽ chia ra nhiều điểm Pinch. Lý do dẫn đến hệ quả nhiều điểm Pinch là do sự khác nhau về nhiệt độ của các dòng phụ trợ cùng phía.