Embed Size (px)
DESCRIPTION
thầy Hà Mạnh Thư - Đại học Bách Khoa Hà Nội
Citation preview
Thiết bị trao đổi nhiệt HE 3033 (TBTDN)
Prof Hà Mạnh Thư
Đại học Bách Khoa Hà nội 2015
228 TV TaQuangBuu
Thiết bị trao đổi nhiệt -Sách giáo khoa “ Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư”, 2001, nhà xuất bản KHKT
-Tài liệu nước ngoài –tiếng anh – sẽ được bổ xung qua địa chỉ [email protected]
Hạn đăng ký để nhận tài liệu và các thông tin
khác hết tuần 25 ( hết 31/1//2015)
-Thí nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt không hoàn thành thí nghiệm sẽ không được thi
-Thi vấn đáp tại phòng 228 TV TQB
Nội dung
• Định nghĩa • Phân loại • TB tích nhiệt • TBTDN tiếp xúc trực tiếp ( hay bộ hòa trộn) • TBTDN kiểu gọn ( compact) • TBTDN kiểu hồi nhiệt: - Phân loại - TBTDN kiểu ống lồng ống - TBTDN kiểu cắt nhau - TBTDN kiểu ống vỏ - TBTDN kiểu compact - TBTDN kiểu tấm • Hệ số bám bẩn ( fouling factor) • Hệ số truyền nhiệt k (u) overall heat transfer coefficient
Phân loại TBTDN (HEX)
Các tiêu chuẩn:
• Bộ hồi nhiệt, tích nhiệt
• Theo qt truyền nhiệt:Tiếp xúc trực tiếp, gián tiếp ( qua vách)
• Theo hình dáng cấu trúc: kiểu ống, kiếu tấm, có cánh.
• Theo cơ cấu truyền nhiệt: một pha, 2 pha
• Theo chiều chuyển động: cùng chiều, ngược chiều, cắt nhau
Phân loại theo hoạt động
• Bộ hồi nhiệt: cả 2 chất lỏng chuyển động đồng thời trên 2 bề mặt của vách ngăn cách.
• Bộ tích nhiệt: cả 2 chất lỏng lần lượt chuyển động qua cùng 1 bề mặt của vách ngăn cách.
• Bộ hòa trộn hay tiếp xúc trực tiếp: không có vách ngăn cách giữa 2 chất lỏng.
• Loại tiếp xúc trực tiếp với lửa qua vách ngăn.
Phân loại HEX
Bộ tích nhiệt
• Cả 2 chất lỏng lần lượt chuyển động qua cùng 1 bề mặt của vách ngăn cách.
• Quá trình TDN xảy ra theo 2 giai đoạn:
-Chất lỏng nóng cấp nhiệt cho các matrận (matrix)
-Các ma trận cấp nhiệt cho chất lỏng lạnh
• Ma trân = vách ngăn
• Ma trận có thể cố định hay quay
Bộ tích nhiệt
Các đặc tính vật liệu làm ma trận:
• Có NDR Cp cao
• Có hệ số dẫn nhiệt l ( k) lớn theo hướng vuông góc với dòng , nhỏ theo hướng // với dòng
• Có hệ số dẫn nhiệt độ a cao.
• Có hệ số dãn nở nhiệt thấp
Bộ tích nhiệt ma trận cố định
Vật liệu tích nhiệt
Khí nóng Tf, a (h)
Bộ tích nhiệt
Bô tich nhiệt ma trận xoay
Bộ hòa trộn ( mixer)
• Nhiệt được trao đổi giữa 2 chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với nhau ( không có vách ngăn)
• Đây là qt truyền nhiệt và truyền chất ( nước bay hơi)
• Ví dụ:
- Tháp giải nhiệt dùng cho ht lạnh
- Dàn lạnh kiểu bay hơi ( kk được làm lạnh nhờ nước bay hơi)
Bộ hòa trộn
Tháp giải nhiệt
Sơ đồ lam lạnh kiểu bay hơi
Bộ hồi nhiệt
• Bồ hồi nhiệt: cả 2 chất lỏng chuyển động đồng thời trên 2 bề mặt của vách ngăn cách.
• Phân loại: theo chiều chuyển động va cấu trúc.
• Kiểu ống lồng ống ( double - pipe HE)
TBTDN ống lồng ống
TBTDN kiểu cắt nhau
a) ống có cánh ( cả 2 Chất lỏng) không hòa trộn với nhau b) ống không có cánh 1Chất lỏng hòa trộn và chất kia
không hòa trộn
Compact HEX
• Dùng kk để làm lạnh chất lỏng thay vì dùng nước + Ưu điểm không phụ thuộc vào nguồn nước - Nhược điểm: cần nhiều không gian hơn và ồn hơn • Có 2 loại: Dùng quạt thổi cưỡng bức: quạt nằm trước các ống: + dòng rối và hê số truyền nhiệt cao - tốc độ ra thấp >> ảnh hưởng đến vấn đề tuần hoàn Dùng quạt hút: quạt nằm trên các ống + đòi hỏi ít năng lượng và vấn đề tuần hoàn - chi phí cao hơn và ồn hơn
TBTDN kiểu cắt nhau
TBTDN kiểu ống vỏ
TBTDN kiểu ống vỏ
• + nhiều ống>> tăng diện tích trao đổi nhiệt
• - tăng diện tích trao đổi nhiệt >> tăng mặt cắt ngang >>giảm tốc độ của dòng >> giảm hệ số truyền nhiệt
• Kém hiệu quả hơn so với TBTDN kiểu ngược chiều!
TBTDN kiểu ống vỏ
Các bộ phận của Thiết bị ống vỏ:
các kiểu tấm chắn - vách ngăn
HEX kiểu ống vỏ
Phân biệt theo số hành trình
(pass) của từng chất lỏng
qua ống và qua vỏ.
a) 1 hành trình vỏ,
2 hành trình ống
a) 2 hành trình vỏ,
4 hành trình ống
HEX kiểu ống vỏ
Tấm chắn làm tăng độ rối và tạo ra
dòng cắt ngang!
Bộ hồi nhiệt
• TBTDN kiểu ống vỏ:
1. Với kiểu tấm tròn cố định:
kiểu hàn, tán rive, có doăng dãn nở, tấm kép
Chuyển động dọc theo ống do dãn nở không được phép
Hoạt động của HEX ống vỏ hạn chế do độ chênh nhiệt độ ống vỏ dưới 50oC
Với loại hàn không tháo ra được, làm sạch bằng hóa chất không ăn mòn.
Bộ hồi nhiệt
2.Loại chữ U:
Đầu ra và vào của ống nằm cùng một phía của HEX
Ống có dạng chữ U ở đầu kia
Vỏ có kích thước lớn hơn so với phần 1
Chi phí chế tạo thấp hơn so với 1 ( tiết kiệm được đầu nối)
Làm sạch ống bằng hóa chất không ăn mòn do hình chữ U.
Bộ hồi nhiệt
3. Với 1 đầu tự dãn nở:
Chuyển động theo hướng ống cho phép
Chi phí gia công cao và cấu trúc phức tạp
Sa sánh các loại HEX ống vỏ
Kiểu chữ U Tấm được cố định đầu tự dãn nở
Chi phí tương đối 0,75 0,85 1
Có dãn nở nhiệt có không có
Cho phép vỏ biến đổi có không có
Cho phép ống biến đổi có có có
Phương pháp làm sạch ống bằng hóa chất bằng hóa chất
bằng hóa chất hoặc cơ khí
Phương pháp làm sạch vỏ bằng hóa chất hoặc cơ khí
bằng hóa chất
bằng hóa chất hoặc cơ khí
Bộ hồi nhiệt kiểu gọn (compact)
Mục đích để có độ gọn cao: tỷ số diện tích trên đơn vị thể tích cao >700 m2/m3.
Được tạo ra bằng cách bố trí các tổ hợp ống
(tròn hoăc phẳng) có cánh (hình chữ nhật hay hình khuyên):cánh phẳng, cánh trên ống,HEX tấm // với nhau
Được dùng khi 1 chất lỏng là khí
Tiết diện ngang nhỏ:>> dòng chẩy tầng.
Ống có cánh (trong hay ngoài)
Các kiểu cánh
Các kiểu cánh
Cấu tạo HEX có cánh
Tấm ngăn cách
Cánh
Tấm ngăn cách
Thanh ghép bên cạnh
Lò
hơi
trong
nhà
máy
điện
hạt
nhân
Ống có cánh
Các
ứng
dụng
của
công
nghệ
trao đổi
nhiệt
Đặc điểm,
yêu cầu của thiết
bị Cấu trúc tbị, chiều chuyển động, chọn bề
mặt
Điều kiện làm việc
Các tính chất nhiệt vật lý của chất lỏng và vật liệu
Các đặc tính của bề mặt, tính chất hình
dáng
Phân tích đọ sụt áp và truyền nhiệt của chất lỏng và tối
ưu hóa
Chọn giải pháp tối ưu
Thiết kế cơ khí các đầu thiết bị, ứng
suất nhiệt, độ rung và độ bám bẩn
Qui trình thiết kế TBTDN
Chọn giải pháp tối ưu
Qui trình đánh giá và tính chi phí
Các yếu tố thỏa hiệp
Các tíêu chẩn đánh
giá
Chọn giải pháp tối ưu cho trường hợp đang xét
Qui trình thiết kế TBTDN
PHEX
Bộ trao đổi nhiệt kiểu tấm:
Hạn chế làm việc:
Với HEX kiểu hàn: 350oC và
40 bar
Với HEX kiểu có gông:
260oC và 20 bar
Nhược điểm:
tổn thất áp suất cao hơn so với
thiết bị ống vỏ
Ưu điểm:
dễ làm vệ sịnh (dễ tháo lắp) và
bố trí dòng ngược chiều
Hệ số bám bẩn
Hệ số trao đổi nhiệt a (h)
Hệ số truyền nhiệt k (U) W/m2K
Chọn chất lỏng
• Chất lỏng nóng nằm phía vỏ để thải nhiệt ra
ngoài (dàn ngưng tụ)
• Chất lỏng ăn mòn nhiều hơn nằm trong ống
• Chất lỏng chịu áp suất cao hơn nằm trong ống
• Chất lỏng nóng nằm trong ống để dãn nở nhiều
hơn.
• Chất lỏng chóng bẩn hơn nằm trong ống để dễ
vệ sinh
• Chất lỏng nhớt hơn nằm phía vỏ nơi có độ rối cao hơn ( không gian lớn hơn)
• Chất lỏng có trở kháng nhỏ hơn đi trong ống
Yêu cầu với HEX
• Hệ số truyền nhiệt càng cao càng tốt >>
F(A) m2 nhỏ
• Trở kháng thủy lực càng nhỏ càng tốt
• Bề mặt càng ít bám bẩn càng tốt
• Đảm bảo 2 chất lỏng không hòa trộn với
nhau
• Vận hành an toàn, có tuổi thọ cao, dễ lắp
đặt, vận hành và bảo dưỡng.
Hiệu suất của HEX
1 t t2
t t
1 1 1
t
t
1
2
1
t
Q Q QQ1 1
Q Q Q
Q
Q
Q
Q
Q
Víi thiet bi cÊp nhiÖt cho chÊt láng
nhiÖt m«i chÊt ( kh«ng khi) cÇn ®îc ®èt nong
nhiÖt lîng khoi lß th¶i ra
nhiÖt lîng tæn thÊt ra m«i trêng.
Với thiết bị làm lạnh
Q2 nhiệt môi chất ( dung dịch muối) cần làm lạnh
Q 1 nhiệt môi chất lạnh ( NH3, Freon) nhận
Q1=Q2+ Q t
tổn thất nhiệt tương đối ra môi trường bên ngoài.
2 1 t t
t t
1 1 1
Q Q Q Q
1 1
Q Q Q
t
t
1
Q
Q
Hiệu suất execgi
2
0 0
2
qr 2 2
e t
0 0v q1
1
1 1
T Tq (1 ) (1 )
ee T T
T Te eq (1 ) (1 )
T T
0
2
0
1
that ra moi truong
(1 )
1
(1
)e tBo qua to
T
T
T
T
n
Với tb làm lạnh
v
0 0
v
q v vr
e t
v qml 0 0
1
ml ml
T Tq (1 ) (1 )
e T Te
e e T Tq (1 ) (1 )
T T
0
0
(1 )
(1 )
v
e
ml
T
T
T
T
Bai tập về nha_tuần 1,2-2015
• 1.TBTDN kiểu ống lồng ống ngược chiều được dùng để làm mát dầu nóng. Đường kính bên trong 2 cm với chiều dày coi như không đáng kể, Đường kính bên trong của (ống) vỏ bên ngoài 3cm; Nước chuyển động bên trong ống với lưu lượng 0,5 kg/s và dầu nóng chuyển động phía vỏ với lưu lượng 0,8 kg/s. Nếu coi nd trung bình của nước và dầu tương ứng là 45oC và 80oC, hãy xd hệ số truyền nhiệt của tbtdn này.
• 2. Một tbtdn kiểu ống lồng ống được làm từ thép không rỉ với hệ số dẫn nhiệt 15,1 W/mK, đk trong của ống Di=1,5 cm, dk ngoài Do=1,9 cm, dk trong của vỏ 3,2 cm; Cho hệ số tỏa nhiệt bên trong ống hi=800 W/m2K, hệ số tỏa nhiệt bên ngoài ống ho=1200 W/m2K; hệ số bám bẩn bên trong ống Rt,i=0,0004 m2K/W, hệ số bám bẩn bên ngoài ống Rt,o=0,0001 m2K/W.
Xd nhiệt trở của tbtdn trên 1 đơn vị chiều dài, Và hệ số truyền nhiệt tính cho diện tích bên trong và bên ngoài ống Ui và Uo
• 2. Một tbtdn kiểu ống lồng ống được làm từ thép không rỉ với hệ số dẫn nhiệt 15,1 W/mK, đk trong của ống di=1,5 cm, dk ngoài do=1,9 cm, đk trong của vỏ 3,2 cm; Cho hệ số tỏa nhiệt bên trong ống hi=800 W/m2K, hệ số tỏa nhiệt bên ngoài ống ho=1200 W/m2K; hệ số bám bẩn bên trong ống Rt,i=0,0004 m2K/W, hệ số bám bẩn bên ngoài ống Rt,o=0,0001 m2K/W.
Xd nhiệt trở của tbtdn trên 1 đơn vị chiều dài, Và hệ số truyền nhiệt tính cho diện tích bên trong và bên ngoài ống Ui và Uo
