Bài giảng Truyền nhiệt VP - Chương 5: Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt - Hà Anh Tùng

Nội dung text: Bài giảng Truyền nhiệt VP - Chương 5: Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt - Hà Anh Tùng

1. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM Chương 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 5.1 Các dạng bài tốn Truyền nhiệt tổng hợp 5.2 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh a) Các pt cơ bản để tính tốn TB trao đổi nhiệt b) Độ chênh nhiệt độ trung bình c) Phương pháp hiệu suất p.1
2. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM 5.1 Các dạng bài tốn truyền nhiệt tổng hợp a) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG Xét vách phẳng 1 lớp, dày δ, HSDN λ Mơi chất nĩng cĩ tf1, α1 ; Mơi chất lạnh cĩ tf2, α2 Q Bài tốn kết hợp vừa đối lưu và dẫn nhiệt Q = k(t f 1 − t f 2 )F (W) 2 hay q = k(t f 1 − t f 2 ) (W/m ) Muốn tính q phải xác định HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT k (W/m2.độ) p.2
3. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Tính hệ số truyềnnhiệt k λ(t − t ) Q = α ()t − t F = w1 w2 F = α (t − t )F (W) 1 f 1 w1 δ 2 w2 f 2 t − t t − t t − t t − t q = f 1 w1 = w1 w2 = w2 f 2 = f 1 f 2 (W/m2) 1/α1 δ / λ 1/α2 1/α1 +δ / λ +1/α2 1 Hệ số truyền nhiệt k = (W/m2.độ) 1/α1 +δ / λ +1/α 2 ™ Hoặc tính theo pp Δt q = với: R = R + R + R nhiệt trở tương đương: tđ α1 λ α 2 Rtđ 1 δ 1 = + + (m2.độ/W) Nhiệt độ bề mặt vách: α1 λ α2 q ⎛ 1 δ ⎞ 1 tw1 = t f 1 − và t = t − q⎜ + ⎟ = t + q α w2 f 1 ⎜ ⎟ f 2 1 ⎝α1 λ ⎠ α 2 p.3
4. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM b) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ Xét vách trụ cĩ chiều dài L, đường kính d1/d2. Mơi chất nĩng trong ống cĩ tf1, HSTN α1 Mơi chất lạnh bên ngồi cĩ tf2, HSTN α2 Ta cĩ: Q = α1(t f 1 − tw1 )πd1L t − t Q = w1 w2 1 ⎛ d2 ⎞ ln⎜ ⎟ 2πλL ⎝ d1 ⎠ = α 2 (tw2 − t f 2 )πd2 L Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là: t − t t − t t − t t − t q = f 1 w1 = w1 w2 = w2 f 2 = f 1 f 2 L 1 1 ⎛ d ⎞ 1 1 1 ⎛ d ⎞ 1 ln⎜ 2 ⎟ + ln⎜ 2 ⎟ + α πd ⎜ ⎟ α πd ⎜ ⎟ 1 1 2πλ ⎝ d1 ⎠ 2 2 α1πd1 2πλ ⎝ d1 ⎠ α 2πd2 p.4
5. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM ™ Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống: Δt qL = với: Rtđ = Rα1 + Rλ + Rα 2 (m.độ/W) Rtđ 1 1 ⎛ d2 ⎞ 1 = + ln⎜ ⎟ + α1πd1 2πλ ⎝ d1 ⎠ α 2πd2 ™ Ngồi ra cĩ thể tính qL theo hệ số truyền nhiệt đường kL 1 q = k π (t − t ) với: k = L L f 1 f 2 L 1 1 d 1 (W/m.độ) + ln 2 + α1d1 2λ d1 α 2d2 1 CHÚ Ý: Đối với vách nhiều lớp: k = L 1 n 1 d 1 + ∑ ln i+1 + α1d1 i=1 2λi di α 2dn+1 Sau khi cĩ qL , cĩ thể tính được tw1 , tw2 p.5
6. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM c) Truyền nhiệt qua vách có cánh Xét một VP dày δ, HSDN λ. Một bên được làm cánh bằng vật liệu có HSDN rất lớn. Diện tích BM không làm cánh F1, bề mặt có cánh F2 (gồm cả phần cánh và phần không cánh). Q = α1F1(t f1 − t w1 ) ⎫ ⎪ λ ⎪ (a) Q = F1()t w1 − t w2 ⎬ δ ⎪ Q = α F t − t t − t 1 ⎫ 2 2 ()w2 f 2 ⎭⎪ f1 w1 = Q α F ⎪ 1 1 ⎪ t − t δ 1 ⎪ Nhiệt trở cục bộ: w1 w2 = ⎬ (b) Q λ F1 ⎪ t − t 1 ⎪ w2 f 2 = ⎪ Q α2F2 ⎭ p.6
7. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM Cộng từng vế của (b) ta có Nhiệt trở toàn phần: t f 1 − t f 2 ⎛ 1 δ 1 1 ⎞ R = = ⎜ + ⋅ + ⎟ Q ⎝α1F1 λ F1 α2 F2 ⎠ t − t Q = f1 f 2 Và tính được Q: 1 δ 1 1 + ⋅ + α1F1 λ F1 α2F2 Cũng cĩ thể viết: Q = kca(tf1 –tf2) (W) 1 với: k = (W K) ca 1 δ 1 1 + ⋅ + α1F1 λ F1 α2F2 Hoặc nếu tính theo 1 đơn vị diện tích BM không cánh thì: Q 1 q = = k ()t − t 2 k1 = 1 1 f1 f 2 W m với: 1 δ 1 F F1 + + 1 α1 λ α 2 F2 p.7
8. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM Nếu theo 1 đơn vị diện tích BM có cánh thì: Q 2 q 2 = = k 2 ()t f1 − t f 2 (W m ) F2 1 2 với k 2 = (W m K) 1 F δ F 1 2 + 2 + α1 F1 λ F1 α 2 Hệ số làm cánh : F2/F1 = βc. p.8
9. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM 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 bởi vách ngăn là 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 đồ) p.9
10. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM Tubes & Shell p.10
11. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU DÀN ỐNG CÓ CÁNH p.11
12. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM DÀN NGƯNG NH3 TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ p.12
13. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM Nồi hơi cơng nghiệp p.13
14. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM ¾ PHÂN LOẠI Theo hướng lưu động của dòng MC: lưu động thuận chiều, ngược chiều, cắt nhau và lưu động phức tạp p.14
15. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp 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) của MC. 2 phương trình cơ bản: PT cân bằng nhiệt và PT truyền nhiệt. ™ Phương trình cân bằng nhiệt Bỏ qua TT nhiệt ra môi trường thì: Qnhả = Qnhận Khi không có biến đổi pha, tacó: C t′′ − t′ δt (W) 1 = 2 2 = 2 Q = G1cp1()t1′ − t1′′ = G2cp2 (t′2′ − t′2 ) C2 t1′ − t1′′ δt1 C = Gcp : nhiệt dung lưu lượng khối lượng MC nào có C lớn thì nhiệt (đương lượng không khí của chất lỏng). độ biến đổi ít và ngược lại. p.15
16. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM ™ Phương trình truyền nhiệt Nhiệt lượng trao đổi qua phân tố BM truyền nhiệt dF: dQ = k(t1 − t2 )dF = k Δt dF (t1 –t2) − độ chênh nhiệt độ giữa 2 MC trên bề mặt dF. Tích phân trên toàn bề mặt F: Q = ∫ kΔtdF F do hệ số k thay đổi ít (k = const): Q=kFΔt Δt : độ chênh nhiệt độ trung bình giữa MCN và MCL. Tính Δt Trị số Δ t tùy thuộc vào sơ đồ chuyển động của các chất lỏng. p.16
17. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM b) TÍNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH Δt − Δt CT chung cho cả lưu động Δt = max min Δt thuận chiều lẫn ngược chiều: ln max Δt min ΔΤmin ΔΤmax ΔΤmin ΔΤmax p.17
18. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM o o VD: Cần gia nhiệt dầu G2 = 1000 kg/h từ t’2 = 20 C đến t’’2 = 180 C o o 2 bằng khói nóng có t’1 = 280 C.Biếtt’’1 = 200 C; k = 35 W/(m K); cp1 =1,1 kJ/(kgK); cp2 = 2,3 kJ/(kgK). Tính diện tích TĐN (F) khi bố trí dòng chuyển động ngược chiều. GIẢI: Sử dụng PT TRUYỀN NHIỆT Q = kFΔt Chênh lệch nhiệt độ tại hai đầu thiết bị: o t’1 - t’’2 = 280 – 180 = 100 C= Δtmin o t’’1 - t’2 = 200 – 20 = 180 C= Δtmax Δt − Δt 180 −100 Độ chênh nh/độ trung bình: Δt = max min = = 136 o C Δt 180 ln max ln Δtmin 100 Nhiệt lượng cấp cho dầu: Q = G2 cp2 (t’’2 -t’2 ) = 1000 . 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW Vậy F = Q kΔt = 102,2 / (0,035 . 136,1) = 21,46 m2 p.18
19. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM c) PHƯƠNG PHÁP HIỆU SUẤT (phương pháp NTU) Trường hợp có sẵn TBTĐN, biết nhiệt độ vào t1′ , t′2 , diện tích F và hệ số t′′ truyền nhiệt k (ước tính). Cần xác định Q , 1 và t′2′ Q Dòng nhiệt truyền qua thiết bị Hiệu suất TBTĐN: ε = = Q max Dòng nhiệt tối đa có thể truyền Q − Dòng nhiệt thực truyền trong thiết bị. Qmax − Dòng tối đa hay lượng nhiệt truyền giả thiết. với Qmax = Cmin (t1′ − t′2 ) Q = εQmax = εCmin (t1′ − t′2 ) p.19
20. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM Hiệu suất TBTĐN là hàm của NTU và C* = C / C : * min max ε = f (NTU ,C ) kF NTU = NTU : là đơn vị chuyển nhiệt (Number of Transfer Units): Cmin p.20
21. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM VD: Thiết bị đun nước nóng bằng khói thải từ ĐCĐT, loại lưu động ngược chiều, có các thông số sau: o Phía khói nóng: G1 = 0,8 kg/s; cp1 = 1,12 kJ/(kgK); t’1 = 450 C. o Phía nước: G2 = 3,2 kg/s; cp2 = 4,18 kJ/(kgK); t’2 = 50 C Diện tích truyền nhiệt F = 15 m2; k = 85 W/(m2K). a) Hãy tính Q; nhiệt độ ra của khói và nước. b) Nếu động cơ vận hành non tải với G1* = 0,5G1, các điều kiện ban đầu khác không thay đổi thì nhiệt lượng trao đổi và nhiệt độ nước ra sẽ là bao nhiêu? GIẢI: a) Tính Q và nhiệt độ cuối các chất, dùng pp NTU Chênh lệch nhiệt độ tại 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 Nhiệt lượng truyền cực đại: Qmax =Cmin (t’1 -t’2 ) = 0,896 (450 – 50) = 358,4 kW p.22
22. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM * C = Cmin Cmax = 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 o Nhiệt độ khói thoát: t1’’ = t1’ – Q/C1 = 450 – 258 / 0,896 = 162 C o Nhiệt độ nước ra: t2’’ = t2’ + Q/C2 = 50 + 258 / 13,376 = 69,3 C b) Nếu động cơ vận hành non tải với G1* = 0,5G1 Cmin giảm 2 lần -> C* giảm 2 lần = 0,033 NTU tăng 2 lần = 2,84 Qmax giảm 2 lần HS truyền nhiệt lúc đó = 0,92 Do vậy: Q = 0,92. 358,4 / 2 = 164,8 kW o t2’’ = 50 + 164,8 / 13,376 = 62,3 C p.23