Chương 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.1p.1

5.1 Các dạng bài toán Truyền nhiệt tổng hợp

5.2 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh

a) Các pt cơ bản để tính toán TB trao đổi nhiệt

b) Độ chênh nhiệt độ trung bình

c) Phương pháp hiệu suất

Q

5.1 Các dạng bài toán truyền nhiệt tổng hợpa) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG

Xét vách phẳng 1 lớp, dày δ, HSDN λ

Môi chất nóng có tf1, α1 ; Môi chất lạnh có tf2, α2

Bài toán kết hợp vừa đối lưu và dẫn nhiệt

( )FttkQ ff 21 −= (W)

( )21 ff ttkq −= (W/m2)hay

Muốn tính q phải xác định HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆTk (W/m2.độ)

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.2p.2

Tính hệ số truyền nhiệt k

( ) ( ) ( )FttFttFttQ fwww

wf 22221

111 −=−

=−= αδ

λα (W)

21

21

2

2221

1

11

/1//1/1//1 αλδααλδα ++

−=

−=

−=

−= fffwwwwf tttttttt

q (W/m2)

Hệ số truyền nhiệt21 /1//1

1αλδα ++

=k (W/m2.độ)

Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương:

tđRtq Δ

= với : 21 αλα RRRRtđ ++=

21

11αλ

δα

++= (m2.độ/W)Nhiệt độ bề mặt vách:

111 α

qtt fw −=2

21

1211αλ

δα

qtqtt ffw +=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=và

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.3p.3

Q

b) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ

Xét vách trụ có chiều dài L, đường kính d1/d2. Môi chất nóng trong ống có tf1, HSTN α1 Môi chất lạnh bên ngoài có tf2, HSTN α2

Ta có: ( ) LdttQ wf 1111 πα −=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

1

2

21

ln2

1dd

L

tt ww

πλ

( ) Ldtt fw 2222 πα −=

Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là:

221

2

11

21

22

22

1

2

21

11

11

1ln2

111ln

211

ddd

d

tt

d

tt

dd

tt

d

ttq fffwwwwf

L

παπλπαπαπλπα +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−=

−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=−

=

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.4p.4

Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống:

221

2

11

1ln2

11dd

dd παπλπα

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

tđL R

tq Δ= với : 21 αλα RRRRtđ ++= (m.độ/W)

1ln211

1

221

2

11 ddd

d

kL

αλα++

=

Ngoài ra có thể tính qL theo hệ số truyền nhiệt đường kL

( )21 ffLL ttkq −= π với: (W/m.độ)

CHÚ Ý: Đối với vách nhiều lớp: 1ln

211

1

121

1

11 +=

+ ++=

∑n

n

i i

i

i

L

ddd

d

k

αλα

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.5p.5

Sau khi có qL , có thể tính được tw1 , tw2

Xeùt moät VP daøy δ, HSDN λ. Moät beân

ñöôïc laøm caùnh baèng vaät lieäu coù HSDN

raát lôùn. Dieän tích BM khoâng laøm caùnh

F1, beà maët coù caùnh F2 (goàm caû phaàn

caùnh vaø phaàn khoâng caùnh).

( )

( )

( )⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

−α=

−δλ

=

−α=

2222

211

1111

fw

ww

wf

ttFQ

ttFQ

ttFQ

(a)

c) Truyền nhiệt qua vách có cánh

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.6p.6

Nhieät trôû cuïc boä:

⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪

⎬

⎫

α=

−λδ

=−

α=

−

22

22

1

21

11

11

1

1

1

FQtt

FQtt

FQtt

fw

ww

wf

(b)

Coäng töøng veá cuûa (b) ta coù Nhieät trôû toaøn phaàn:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅+=

−=

22111

21 111FFFQ

ttR ff

αλδ

α

Vaø tính ñöôïc Q:

22111

2f1f

F1

F1

F1

ttQ

α+⋅

λδ

+α

−=

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.7p.7

22111

1111

FFF

kca

α+⋅

λδ

+α

= )KW(

Q = kca(tf1 – tf2) (W)Cũng có thể viết:

với:

Hoặc neáu tính theo 1 ñôn vò dieän tích BM khoâng caùnh thì:

( )2f1f11

1 ttkFQq −== 2mW

2

1

21

1

FF11

1k

α+

λδ

+α

=với:

Nếu theo 1 ñôn vò dieän tích BM coù caùnh thì:

( )2f1f22

2 ttkFQq −== )( 2mW

với

21

2

1

2

1

2 1FF

FF1

1k

α+

λδ

+α

= )m(W 2K

Heä soá laøm caùnh : F2/F1 = βc.

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.8p.8

Giới thiệu TBTÑN loaïi vaùch ngaên cánh

Caùc chaát taûi nhieät chuyeån ñoäng caùch bieät bôûi vaùch ngaên laø BMTN.

TBTÑN LOAÏI VOÛ BOÏC CHUØM OÁNG (Tubes & Shell):

coâng suaát nhoû: daïng oáng loàng oáng, CS lôùn: daïng voû boïc chuøm oáng (nhö sô ñoà)

5.2 Tính toán thiết bị Trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.9p.9

Tubes & Shell

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.10p.10

THIEÁT BÒ TRAO ÑOÅI NHIEÄTKIEÅU DAØN OÁNG COÙ CAÙNH

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.11p.11

DÀN NGƯNG NH3 TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.12p.12

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.13p.13

Nồi hơi công nghiệp

PHÂN LOẠI Theo hướng löu ñoäng cuûa doøng MC: löu ñoäng thuaän chieàu, ngöôïc chieàu, caét nhau vaø löu ñoäng phöùc taïp

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.14p.14

Tính toaùn TBTÑN thöôøng coù hai daïng:

- Tính thieát keá: xaùc ñònh F (ôû cheá ñoä ñònh möùc).- Tính kieåm tra: xaùc minh Q, nhieät ñoä cuoái (nhieät ñoä ra) cuûa MC.

2 phöông trình cô baûn: PT caân baèng nhieät vaø PT truyeàn nhieät.

Phöông trình caân baèng nhieät

Boû qua TT nhieät ra moâi tröôøng thì: Qnhaû = QnhaänKhi khoâng coù bieán ñoåi pha, tacoù:

( ) ( )22221111 ttcGttcGQ pp ′−′′=′′−′= (W)

C = Gcp : nhieät dung löu löôïng khoái löôïng(ñöông löôïng khoâng khí cuûa chaát loûng).

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.15p.15

a) CÁC PT CƠ BẢN ĐỂ TÍNH TOÁN NHIỆT TBTĐN LOẠI VÁCH NGĂN CÁNH

1

2

11

22

2

1

tt

tttt

CC

δδ

=′′−′′−′′

=

MC naøo coù C lôùn thì nhieätñoä bieán ñoåi ít vaø ngöôïc laïi.

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.16p.16

Phöông trình truyeàn nhieät

Nhieät löôïng trao ñoåi qua phaân toá BM truyeàn nhieät dF:

( ) dFtkdFttkdQ Δ=−= 21

(t1 – t2) − ñoä cheânh nhieät ñoä giöõa 2 MC treân beà maët dF.

Tích phaân treân toaøn beà maët F:

∫ Δ=F

tdFkQ

do heä soá k thay ñoåi ít (k = const): tkFQ Δ=

: ñoä cheânh nhieät ñoä trung bình giöõa MCN vaø MCL.

Trò soá tuøy thuoäc vaøo sô ñoà chuyeån ñoäng cuûa caùc chaát loûng.

tΔ

tΔ

Tính

tΔ

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.17p.17

b) TÍNH ÑOÄ CHEÂNH NHIEÄT ÑOÄ TRUNG BÌNH

CT chung cho caû löu ñoängthuaän chieàu laãn ngöôïc chieàu:

min

max

minmax

ttln

ttt

ΔΔ

Δ−Δ=Δ

ΔΤmax

ΔΤmin ΔΤmax

ΔΤmin

Tröôøng hôïp (Δtmax/Δtmin < 2) coù theå duøng: ( )minmax tt21t Δ+Δ=Δ

Ñoái vôùi sô ñoà phöùc taïp: ngt tt Δε=Δ Δ

εΔt − heä soá hieäu chænh

Haøm εΔt = f(P, R) ñöôïc laäp ñoà thò saün

Trong ñoù

ngtΔ − theo sô ñoà ngöôïc chieàu

max

2

21

22

tt

ttttP

δδ

=′−′′−′′

=2

1

22

11

tt

ttttR

δδ

=′−′′′′−′

=

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.18p.18

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.19p.19

Heä soá hieäu chænh εΔt = f(P, R)

Caàn gia nhieät daàu G2 = 1000 kg/h töø t’2 = 20 oC ñeán t’’2 = 180 oCbaèng khoùi noùng coù t’1 = 280 oC. Bieát t’’1 = 200 oC; k = 35 W/(m2K); cp1 = 1,1 kJ/(kgK); cp2 = 2,3 kJ/(kgK).Tính dieän tích TÑN (F) khi boá trí doøng chuyeån ñoäng ngöôïc chieàu.

GIAÛI: Söû duïng PT TRUYEÀN NHIEÄTCheânh leäch nhieät ñoä taïi hai ñaàu thieát bò:

t’1 - t’’2 = 280 – 180 = 100 oC = Δtmin

t’’1 - t’2 = 200 – 20 = 180 oC = Δtmax

Ñoä cheânh nh/ñoä trung bình:

Nhieät löôïng caáp cho daàu: Q = G2 cp2 (t’’2 - t’2 ) = 1000 . 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW

Vaäy = 102,2 / (0,035 . 136,1) = 21,46 m2

tkFQ Δ=

C

tt

ttt o136

100180ln

100180

lnmin

max

minmax =−

=

ΔΔΔ−Δ

=Δ

tkQF Δ=

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.20p.20

VD:

c) PHÖÔNG PHAÙP HIEÄU SUAÁT (phương pháp NTU)

truyeàn theå coù ña toáinhieät Doøngthieát bò qua truyeànnhieät Doøng

QQ

max

==ε

Tröôøng hôïp coù saün TBTĐN, bieát nhieät ñoä vaøo

truyeàn nhieät k (öôùc tính). Caàn xaùc ñònh Q , 1t′ 2t′, , dieän tích F vaø heä soá

1t ′′ 2t ′′vaø

Hieäu suaát TBTĐN:

Q − Doøng nhieät thöïc truyeàn trong thieát bò.Qmax − Doøng toái ña hay löôïng nhieät truyeàn giaû thieát.

( )21minmax ttCQ ′−′=

( )21minmax ttCQQ ′−′ε=ε=

với

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.21p.21

Hieäu suaát TBTĐN laø haøm cuûa NTU vaø C* = Cmin / Cmax: ),( *CNTUf=ε

minCkFNTU = NTU : laø ñôn vò chuyeån nhieät (Number of Transfer Units):

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.22p.22

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.24p.24

Thieát bò ñun nöôùc noùng baèng khoùi thaûi töø ÑCÑT, loaïi löu ñoäng ngöôïc chieàu, coù caùc thoâng soá sau:Phía khoùi noùng: G1 = 0,8 kg/s; cp1 = 1,12 kJ/(kgK); t’1 = 450 oC. Phía nöôùc: G2 = 3,2 kg/s; cp2 = 4,18 kJ/(kgK); t’2 = 50 oCDieän tích truyeàn nhieät F = 15 m2; k = 85 W/(m2K). a) Haõy tính Q; nhieät ñoä ra cuûa khoùi vaø nöôùc.b) Neáu ñoäng cô vaän haønh non taûi vôùi G1* = 0,5G1, caùc ñieàu kieän ban ñaàu khaùc khoâng thay ñoåi thì nhieät löôïng trao ñoåi vaø nhieät ñoä nöôùc ra seõ laø bao nhieâu?

VD:

GIAÛI: a) Tính Q vaø nhieät ñoä cuoái caùc chaát, duøng pp NTUCheânh leäch nhieät ñoä taïi hai ñaàu thieát bò:

C1 = G1 cp1 = 0,8 . 1,12 = 0,896 kW/K = CminC2 = G2 cp2 = 3,2 . 4,18 = 13,376 kW/K = Cmax

Nhieät löôïng truyeàn cöïc ñaïi: Qmax = Cmin (t’1 - t’2 ) = 0,896 (450 – 50) = 358,4 kW

maxmin

*CCC =

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.25p.25

= 0,896 / 13,376 = 0,067

NTU = kF/Cmin = 85 . 15 / 896 = 1,42Hieäu suaát thieát bò (tra ñoà thò): ε = 0,72Nhieät löôïng trao ñoåi: Q = ε Qmax = 0,72 . 358,4 = 258 kW

Nhieät ñoä khoùi thoaùt: t1’’ = t1’ – Q/C1 = 450 – 258 / 0,896 = 162 oCNhieät ñoä nöôùc ra: t2’’ = t2’ + Q/C2 = 50 + 258 / 13,376 = 69,3 oC

b) Neáu ñoäng cô vaän haønh non taûi vôùi G1* = 0,5G1Cmin giaûm 2 laàn -> C* giaûm 2 laàn = 0,033

NTU taêng 2 laàn = 2,84Qmax giaûm 2 laàn

HS truyeàn nhieät luùc ñoù = 0,92Do vaäy: Q = 0,92. 358,4 / 2 = 164,8 kW

t2’’ = 50 + 164,8 / 13,376 = 62,3 oC