Khái Niệm về Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt loại bề mặt § 6.2... Nhận xét: Để tăng cường tru
Trang 1Chương VI
Wednesday, October 08, 2008
TRUYỀN NHIỆT và THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
§ 6.1 Khái Niệm về Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp
Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt loại bề mặt
§ 6.2 Phương Trình Truyền Nhiệt
Ta khảo sát trường hợp hai lưu chất nóng và lạnh truyền nhiệt
qua một bề mặt vách, nếu nhiệt độ hai lưu chất không thay đổi dọc theo bề mặt truyền nhiệt, ta có các phương trình trao đổi nhiệt
như sau
6.2.1 Trường Hợp Vách Phẳng
F q F
F
2
n 1
i 1
F
1 1
1 k
D
O
G
D ¦ , W (m .K)
2 (6-3)
6.2.2 Trường Hợp Vách Trụ
tf 1 tf 2
k
2 2
n 1
1 i i 1
1 d
d ln 2
1 d
1 k
D
¸¸¹
·
¨¨©
§ O
D
S
Trang 26.2.3 Trường Hợp Vách Phẳng Làm Cánh Một Phía
Khi hệ thống ổn định, ta có ba phương trình truyền nhiệt sau
°
°
¯
°°
®
D
G O
D
D O D
Q t
t F Q
Q t
t F Q
Q t
t F Q
2 f 2 w
* 2 2 2
2 w 1 w 1
1 w 1 f 1 1 1
(6-7)
* 2 2 1 1
1
2 f 1 f
F
1 F
1 F
1
t t Q
D
O
G
D
với
¯
®
K
c c oc
* 2
c oc 2
F F
F
F F F
(6-9)
2 w t
O
F2
1 w t
G
1 f
1 t D
F1
2 f
2 t D
Thông thường nhiệt lượng được tính cho một đơn vị diện tích
Tính theo một đơn vị diện tích bề mặt không làm cánh
1 1
F
Q
* 2 1 2 1
1
F
F 1 1
1 k
D
O
G
D
Tính theo một đơn vị diện tích bề mặt có làm cánh
2 2
F
Q
* 2 2 2 1
2
F
F 1 1
1 k
D
E
O
G
E
D
, W (m2.K) (6-13)
với
1
2 F F
E là tỷ số làm cánh hay hệ số làm cánh (6-14)
Trang 36.2.4 Trường Hợp Vách Trụ Có Cánh
Đây là trường hợp đặc biệt của trường hợp vách phẳng có làm
cánh, ta tính nhiệt lượng trao đổi ứng với 1m chiều dài ống
1
tr ng
2 w 1 w d
d ln
2 1
t t q
O
S
w 2 f 2
* 2 2
với
dụng hiệu cánh làm số hệ ) d ( F
cánh làm số hệ ) d ( F
F F
F
F F F
ng
* 2
*
ng 2
c c oc
*
2
c oc 2
S E
S E
K
(6-16)
dtr
Foc
Fc
dng
D1
tf1
D2
tf2
O
Kc
Phương trình 6-15.c được viết lại
* ng 2
Trường hợp dẫn nhiệt ổn định, ta có
Phương trình 6-15 a, b, d, e cho ta
tf 1 tf 2
k
với
* ng 2 tr ng tr
1
1 d
1 d
d ln 2
1 d 1 k
E
D
O
D
S
Trang 46.2.5 Trường Hợp Trao Đổi Nhiệt Phức Tạp
Trong trường hợp trao đổi nhiệt giữa bề mặt rắn và chất khí,
thông thường có kèm theo trao đổi nhiệt bức xạ, do đó
m
với
bx
f w f
w
4 f 4 w o qđ bx
f w đl đl
t t
T T T T
T T q
t t q
D
»
¼
º
«
¬
ª
V
H
D
Vậy q qđlqbx DđlDbx u twtf , W m2 (6-20)
Trong đó
f 2 w f w o qđ
f w
4 f 4 w o qđ bx
T T T T
T T
T T
V
H
»
¼
º
«
¬
ª
V
H
D
, W (m2.K) (6-21)
với Vo 5,67.108W (m2.K4)
§ 6.3 Các Ảnh Hưởng Đến Hệ Số Truyền Nhiệt
Ta xét trường hợp truyền nhiệt qua vách phẳng, biểu thức 6-3
2
n 1
i 1
F
1 1
1 k
D
O
G
6.3.1 Xét Aûnh Hưởng của Hệ Số Tỏa Nhiệt Đối Lưu
Trường hợp này bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở do dẫn nhiệt, 0
n 1
i | O
G
¦
2 1
2 1
2 1
1 k
D
D
D
D D
D
Ta thấy k0 Min D1, D2
Đồ thị dưới đây cho ta quan hệ giữa giá trị hệ số truyền nhiệt với các hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Trang 5Nhận xét: Để tăng cường truyền nhiệt (tăng hệ số truyền
nhiệt) người ta sẽ tìm cách tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu về phía có giá trị nhỏ hơn
Trong trường hợp không thể tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của chất khí nhỏ hơn rất nhiều so với nước hay quá trình biến
đổi pha) thì người ta tăng diện tích trao đổi nhiệt (bằng cách làm thêm cánh) về phía lưu chất có hệ số trao đổi nhiệt nhỏ hơn
6.3.2 Xét Aûnh Hưởng của Nhiệt Trở Dẫn Nhiệt
Từ biểu thức a và b cho ta
¦OG
1
i 0 0
F
k 1
1 k
k
(6-22)
Đồ thị dưới đây cho ta quan hệ ở trên
Nhận xét: Đồ thị cho ta sự sai biệt của hệ số truyền nhiệt khi
bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt
Cần lưu ý sự tăng nhiệt trở dẫn nhiệt của lớp cáu bẩn trong các thiết bị truyền nhiệt Định kỳ vệ sinh về phía lưu chất có bám bẩn
Trang 6§ 6.4 Truyền Nhiệt của Lưu Chất
Không Biến Đổi Pha
6.4.1 Các Phương Trình Cơ Bản
PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT
1
1 c t' t" G c t" t' G
Trong đó
Q Nhiệt lượng trao đổi của thiết bị, kW
c Ký hiệu cho lưu chất nóng
d Ký hiệu cho lưu chất lạnh
G1, G2 Lưu lượng khối lượng của lưu chất nóng và lạnh, kg/s
cp1, cp2 Nhiệt dung riêng của lưu chất nóng và lạnh,
kJ/(kg.K) t’1, t’2 Nhiệt độ của lưu chất nóng và lạnh ở đầu vào, oC
t”1, t”2 Nhiệt độ của lưu chất nóng và lạnh ở đầu ra, oC
Trong tính toán người ta gọi đại lượng C G.cp là nhiệt dung
lưu lượng khối lượng hay đương lượng không khí của chất lỏng
Từ biểu thức 6-23 cho ta
1 2 1
1
2 2 2
1
t
t '
t
"
t
' t
"
t C
C
G
G
PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT
Trong đó
kF Hệ số truyền nhiệt, W (m2.K)
Tính theo giá trị trung bình, xem là hằng số trên toàn diện tích trao đổi nhiệt F
t1t2 Chênh lệch nhiệt độ giữa lưu chất nóng và lạnh tại
bề mặt phân tố dF
Tích phân phương trình 6-25 trên toàn bộ diện tích F ta xác định được nhiệt lượng truyền qua của thiết bị trao đổi nhiệt
tb F
F
k
tb t ' Gọi là độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa lưu chất nóng và lưu chất lạnh
Việc xác định phụ thuộc vào sơ đồ chuyển động và tỷ số đượng lượng không khí của các lưu chất
Trang 76.4.2 Tính TB TĐN Theo Chênh Lệch Nhiệt Độ
PP Chênh Lệch Nhiệt Độ Trung Bình Logarith LMTD
Ta xét hai trường hợp lưu động song song cùng chiều và ngược
chiều với biến đổi nhiệt độ như hình bên dưới
Trang 8p 1 1 p 2 2
k
Đặt
°¯
°
®
{
{
2 p 2
1 p 1
c G C
c G C
Là đương lượng không khí của lưu chất nóng và lạnh
Phương trình 6-27 được viết lại:
2 2 1
Cho đến vị trí Fi, nhiệt lượng trao đổi giữa lưu chất nóng và
lạnh là Qi theo phương trình sau:
Cùng chiều:
1
2 1 1
i 1
C
C ' t C
Q ' t
Ngược chiều:
1
2 1 1
i 1
C
C ' t C
Q ' t
Chênh lệch nhiệt độ giữa hai lưu chất tại vị trí Fi:
°
°
¯
°
°
®
¸¸¹
·
¨¨©
§
'
¸¸¹
·
¨¨©
§
'
2 1
2 2 1
2 1
2 1 ng
2 1
2 2 1
2 1
2 1 th
"
t C
C t C
C 1 ' t t t t
' t C
C t C
C 1 ' t t t t
(6-32)
Trang 9Hệ phương trình 6-27 cho ta:
°
°
°
°
¯
°°
°
°
®
»
¼
º
«
¬
ª
¸¸¹
·
¨¨©
§
»
¼
º
«
¬
ª
¸¸¹
·
¨¨©
§
1 2 1
2 2 1 2 2 ng
2 F
1 2 1
2 2 1 2 2 th
2 F
' t
"
t C
C t C
C 1
dt C
dF k
' t ' t C
C t C
C 1
dt C
dF k
(6-33)
Lấy tích phân 2 vế phương trình trên:
> @
³
2
2
"
t
' t 2 F
0 2
dF C
k
(6-34)
°¯
°
®
|
|
| const C
const C
const k
2 1 F
Hệ phương trình 6-33 trở thành:
°
°
°
°
°
¯
°
°
°
°
°
®
¸¸¹
·
¨¨©
§
»
»
»
»
¼
º
«
«
«
«
¬
ª
¸¸¹
·
¨¨©
§
¸¸¹
·
¨¨©
§
¸¸¹
·
¨¨©
§
»
»
»
»
¼
º
«
«
«
«
¬
ª
¸¸¹
·
¨¨©
§
¸¸¹
·
¨¨©
§
1 2 2
F 1
2 1
2 2 1 2
1 2 1
2 2 1 2
1 2 2
F 1
2 1
2 2 1 2
1 2 1
2 2 1 2
C
C 1 C
F k '
t
"
t C
C ' t C
C 1
' t
"
t C
C
"
t C
C 1
ln
C
C 1 C
F k '
t ' t C
C ' t C
C 1
' t ' t C
C
"
t C
C 1
ln
(6-36.a)
Theo sơ đồ lưu động, ta đặt:
chiều ngược nếu
' t
"
t t
"
t ' t t
chiều cùng nếu ' t ' t t
"
t
"
t t
2 1 b
2 1 a
2 1 b
2 1 a
¯
®
'
'
¯
®
'
'
Trang 10Hệ phương trình 6-36.a trở thành:
°
°
¯
°
°
®
¸¸¹
·
¨¨©
»
¼
º
«
¬
ª
'
'
¸¸¹
·
¨¨©
»
¼
º
«
¬
ª
'
'
1 2 F
a 2 2 1 2
a
1 2 F
b
b 2 2 1 2
C
1 C
1 F k t
"
t ' t C C 1
t ln
C
1 C
1 F k t
t
"
t ' t C C 1
ln
(6-36.b)
Phương trình 6-24
2 2
1 1 1
2
' t
"
t
' t
"
t C
C
Từ 6-36.b và 6-24 cho ta:
°
°
°
°
¯
°
°
°
°
®
¸¸¹
·
¨¨©
»
»
»
»
¼
º
«
«
«
«
¬
ª
'
'
¸¸¹
·
¨¨©
»
»
»
¼
º
«
«
«
¬
ª
'
'
'
'
'
'
1 2 F
a t
t
1 1 2 2
a
1 2 F
b
b
t t
1 1 2 2
C
1 C
1 F k t
' t
"
t
"
t ' t
t ln
C
1 C
1 F k t
t ' t
"
t
"
t '
t
ln
a b
b a
hay
°
°
¯
°
°
®
¸¸¹
·
¨¨©
»
¼
º
«
¬
ª ' '
¸¸¹
·
¨¨©
»
¼
º
«
¬
ª ' '
1 2 F
b a
1 2 F
b a
C
1 C
1 F k t
t ln
C
1 C
1 F k t
t ln
(6.36-c)
Từ phương trình 6-23 ta cũng có:
°
°
¯
°°
®
Q
"
t ' t C 1
Q
' t
"
t C 1
1 1 1
2 2 2
(6-37)
Thế 6-37 vào 6-36.c, cả hai phương trình đều cho cùng một kết quả:
¨¨©
§
' '
'
'
b a
b a F
t t ln
t t F k
Vậy độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarithmic LMTD là:
b a
b a tb
t
t ln
t t t
' ''
'
Hay
min max
min max
tb
t
t ln
t t
t
' ''
'
¯
®
' ' '
' ' '
b a max
b a min
t , t Max t
t , t Min t
Trang 11Trong các sơ đồ thiết bị bố trí kiểu khác – bố trí phức tạp
(không phải kiểu bố trí song song) thì LMTD được tính theo sơ đồ
lưu động song song ngược chiều có nhân thêm hệ số hiệu chỉnh
tùy thuộc sơ đồ:
ng t
t H '
Trong đó:
P,R f ' t
"
t
"
t ' t , ' t ' t
' t
"
t f
2 2
1 1 2 1
2 2
¹
·
¨¨©
§
x P có quan hệ với tỷ số t'1t'2 :
2 1
2 2 ' t ' t
' t
"
t P
x
1 2 2 2
1 1
C
C ' t
"
t
"
t ' t R
x Thông thường H được tra trên đồ thị cho từng loại sơ ' t
đồ bố trí của thiết bị
Các lưu ý khi sử dụng phương trình 6-41
x Nếu có một lưu chất bị biến đổi pha (ngưng tụ hoặc bay
hơi) thì nhiệt độ của nó sẽ giữ không đổi ( 0 hoặc
0), ta có:
P{
R{
¯
®
' '
H'
ng tb
t t t
1 (6-43)
x Trường hợp R! (nếu đồ thị không cho các giá trị đường 1
cong 1R! ) thì:
P,R f PR,1/R
f t
Trang 126.4.3 Tính TB TĐN Theo PP Hiệu Suất H-NTU
Hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị
được truyền nhất
lớn lượng Nhiệt
bị thiết qua truyền tế
thực lượng Nhiệt
Phương trình 6-24 cho ta: lưu chất nào có đương lượng không khí nhỏ hơn thì chênh lệch nhiệt độ của nó lớn hơn, và nó lớn nhất trong trường hợp lưu động ngược chiều và bằng , và đó chính là nhiệt lượng cực đại truyền được qua thiết bị:
2
1 t' '
t
min max C t' t'
Phương trình 6-45.a được viết lại:
2 2 2 2
1 min
1 1 1
' t
"
t C '
t ' t C
"
t ' t C Q
Q
Trong đó:
> @
>
¯
®
@
1 2 max
1 2 min
C , C Max C
C , C Min C
(6-46)
Phương trình 6-45.c được viết lại:
min t' t' C
Hiệu quả truyền nhiệt H là hàm số của những quan hệ sau:
C,NTU
f
với
°
°
¯
°°
®
min min
F max min
C
k C
F k NTU C
C C
"
"
(6-49)
Trang 13x Trường hợp lưu động thuận chiều
Phương trình 6-31.b và 6-40.b
»
¼
º
«
¬
ª
H
¸¸¹
·
¨¨©
§
¸¸¹
·
¨¨©
C
C C
C 1 ln NTU C
C C
C
2 min 1
2 1
min 2
min
1C NTU ln> 1C H1@
Hay:
> 1 C 1 ln
C 1
1
> @
1 C
NTU C
1 exp 1
Lưu động song song cùng chiều
Trang 14x Trường hợp lưu động ngược chiều
H
H
H
'
'
1 C
C C C
1 C
C 1
1 1 C
C 1 C
C 1
1 t
"
t ' t C C
1
t
min 2 1 2 min 2
min 2 1
2 a
2 2 1 2
a
Thế vào 6-36.b
»
»
»
»
¼
º
«
«
«
«
¬
ª
H
H
¸¸¹
·
¨¨©
1 C
C C C
1 C
C 1 ln NTU C
C C C
min 2 1 2 min 2 1
min 2
min
¹
·
¨
©
§
H
H
1 C
1 ln
NTU C
¹
·
¨
©
§
H
H
1 C
1 ln
C 1
1 NTU
> @
> 1 C NTU@ exp
C 1
NTU C
1 exp 1
Trang 15
x Trường hợp thiết bị thuộc loại lưu động phức tạp
thì H f C,NTU
H
không đơn giản như phương trình 6-51 và 6-53, lúc này được cho ở dạng đồ thị tương ứng với sơ đồ
Chùm ống vỏ bọc một pass
Chùm ống vỏ bọc một 2 pass
Trang 16Lưu động cắt nhau – hai lưu chất không xáo trộn Lưu động cắt nhau – một lưu chất không xáo trộn
Trang 17x Trường hợp có một lưu chất có biến đổi pha
f
o
max
C , ở tất cả các dạng sơ đồ (song song và phức tạp):
NTU
max
f
NTU e
1
ln1
Nhiệt độ thay đổi dọc bề mặt trao đổi nhiệt như sau
Sự thay đổi nhiệt độ khi một lưu chất ngưng tụ
Sự thay đổi nhiệt độ khi một lưu chất bay hơi
Trang 18§ 6.5 Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt
Thông thường có hai yêu cầu được đặt ra cho việc tính toán
thiết bị trao đổi nhiệt
x Thiết kế mới thiết bị, tức là xác định diện tích trao đổi
nhiệt để đạt năng suất yêu cầu đã được đặt ra (năng suất
nhiệt, nhiệt độ)
x Kiểm tra lại năng suất nhiệt hay nhiệt độ đối với thiết bị
nhiệt đã có sẵn (diện tích trao đổi nhiệt đã biết trước)
Các lưu ý khi tính toán thiết bị trao đổi nhiệt
x Theo yêu cầu thứ nhất có thể sử dụng phương pháp nhiệt
độ trung bình logarithmic LMTD hay phương pháp hiệu
suất NTU (thường thì hay sử dụng phương pháp chênh
lệch nhiệt độ trung bình LMTD)
H
x Khi tính kiểm tra thiết bị thì nên sử dụng phương pháp
hiệu suất HNTU
x Năng suất nhiệt của thiết bị giảm do bị bám cáu bẩn, dẫn
đến giảm hệ số truyền nhiệt Quan hệ giữa hệ số truyền
nhiệt trước và sau khi bám cáu có liên quan đến nhiệt trở
như sau
c 2
c n
1
i 1
2
n 1
i 1
R k
1 1 R 1
' k 1
1 1
k 1
D
O
G
D
D
O
G
D
¦
¦
hay
' k k
' k k k
1 ' k
1
Rc
Chiều dày lớp cáu
o O
G c
c c
Tương tự, có thể xác định cho trường hợp vách trụ
ng ng c n
1
1 i i tr
tr
ng ng
n 1
1 i i tr
tr
d
1 R
d
d ln 2
1 d
1 ' k
d
1 d
d ln 2
1 d
1 k
D
S
¸¸¹
·
¨¨©
O
D
S
D
¸¸¹
·
¨¨©
O
D
S
¦
¦
"
"
"
"
"
"
" k k'
' k k k
1 ' k
1
Rc
Chiều dày lớp cáu
a e
d
d d
d ln 2
1
i
1 i i
1 i c
O
S
O
S
2
d 2
d
di 1 i c
Thông thường chiều dày cáu rất nhỏ, có thể dùng công thức
c c
c c
d
R
O
S
G
|
c c c
c |R S.d O
x Việc bố trí thiết bị cũng đảm bảo hợp lý nhỏ gọn, dễ làm vệ sinh, tổn thất áp suất phải nằm trong giới hạn cho phép
...( 6- 2 2)
Đồ thị cho ta quan hệ
Nhận xét: Đồ thị cho ta sai biệt hệ số truyền nhiệt
bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt
Cần lưu ý tăng nhiệt trở dẫn nhiệt. .. thiết bị truyền nhiệt Định kỳ vệ sinh phía lưu chất có bám bẩn
Trang 6< /span>§ 6. 4 Truyền Nhiệt Lưu... class="page_container" data-page="12">
6. 4.3 Tính TB TĐN Theo PP Hiệu Suất H-NTU
Hiệu truyền nhiệt thiết bị
được truyền
lớn lượng Nhiệt
bị thiết qua truyền tế
