bài giảng thiết kế mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt

 Thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí có thể được tính toán mô phỏng khi biết các thông số sau:  Hệ số trao đổi nhiệt của thiết bị UA..  Cách truy cập mô hình mô phỏng Aircooler như

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

 Cung cấp cho học SV cách thức sử dụng hysys để tính

toán mô phỏng các loại thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau.

 Các thông số cần phải cài đặt khi thiết kế thiết bị trao

đổi nhiệt.

 SV phải nắm vững cơ sở lý thuyết của qua trình trao đổi

nhiệt và nguyên lý làm việc của tất cả các thiết bị trao

đổi nhiệt trong công nghệ.

MỤC TIÊU

 Air cooler:Trao đổi nhiệt

bằng không khí

làm lạnh/gia nhiệt

Lo đốt

đổi nhiệt

CÁC MÔ HÌNH TBTĐN TRONG HYSYS

 Thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí, sử dụng không

khí để làm mát môi chất.

 Thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí có thể được tính

toán mô phỏng khi biết các thông số sau:

 Hệ số trao đổi nhiệt của thiết bị (UA).

 Nhiệt độ của dòng môi chất cần làm mát.

 Cơ sở tính toán dựa trên phương trình trao đổi nhiệt và

cân bằng nhiệt của hệ thống:

AIR COOLER

 Cách truy cập mô hình mô phỏng Air

cooler như sau:

Cách 1:

 Từ menu chọn Flowsheet =>chọn

lệnh Add Operation hoặc F12

 Chọn Heat Transfer Equipment

 Từ danh mục thiết bị chọn Air cooler

=> Add

Cách 2:

 Chọn Flowsheet Palette từ menue

(F4)

 Nhấn chọn biểu tượng Air cooler

màn hình mô phỏng air cooler sẽ

xuất hiện

AIR COOLER

1.Tại phần connection của Tab Design

nhập các thông tin sau:

 Tên của thiết bị

 Kết nối dòng công nghệ vào/ra

thiết bị

2.Tab Parameter: Cung cấp các thông

số của thiết bị như:

 Chọn Air cooler model của thiết

bị từ danh mục

 Nhập chênh áp DeltaP qua thiết

bị hoặc áp suất dòng vào/ra

thiết bị

CÁCH MÔ PHỎNG AIR COOLER

 Nhập 03 trong 05 thông số sau:

UA, nhiệt độ dòng vào/ra, Nhiệt

độ không khí vào/ra

 Khi tính toán thiết kế thiết bị mới,

nhập Nhiệt độ không khí, nhiệt độ

dòng môi chất vào ra

 Khi đánh giá hiệu quả trao đổi

nhiệt của thiết bị nhập nhiệt độ

vào/ra, nhập hiệt độ không khí

 Khi đánh giá khả năng đáp ứng

của thiết bị hiện hữu khi tăng lưu

lượng, nhiệt độ dòng môi chất

đầu vào => nhập UA, nhiệt độ

dòng vào, nhiệt độ không khí

 Nhập nhiệt độ dòng vào/ra bằng

cách nào???

CÁCH MÔ PHỎNG AIR COOLER

3 Tại Tab rating:

 Nhập số lượng quạt vào cột

Number of Fanquạt,

 Vận tốc quạt vào mục Design

speed và lưu lượng không khí vào

mục Design air flow

 Nếu không nhập các thông số này

thì hysys mặt định như cài đặt

 Thông thường các thông số này

không phải nhập khi thiết kế mô

phỏng

 Khi đánh giá thiết bị thì bắt buộc

phải nhập các thông số này từ dữ

liệu thiết bị do nhà sx cung

cấp.???

CÁCH MÔ PHỎNG AIR COOLER

4 Từ Worksheet có thể cung

cấp các thông tin cho dòng

công nghệ vào ra thiết bị

5 Từ Performance tab xem

thông tin về kết quả tính

toán thiết bị.

6 Lưu ý thay vì nhập UA có

thể nhập công suất nhiệt

của thiết bị tại mục Duty

trong Tab Performance.

AIR COOLER

 Cho dòng lưu chất có thành phần như bên

 Nhiệt độ dòng môi chất là 60 oC., áp suất

109 bar, lương lượng 150.000 Nm3/h.

 nhiệt độ sau làm lạnh là 40 oC,

 Nhiệt độ môi trường lấy bằng TB là 32 oC,

min = 17 oC, max = 37 oC.

 Số lượng quạt là 01.

 Chênh áp qua thiết bị: 20 Kpa.

 Tính: Công suất nhiệt (Duty) của thiết bị,

UA, nhiệt độ của không khí sau làm lạnh

ứng với các điều kiện nhiệt độ môi trường.

Trình bày kết quả tính ở dạng bảng (Sử

dụng Databook).

 Giả sử công suất nhiệt của thiết bị là

12.10^4 kJ/h, tính nhiệt độ đầu ra của môi

chất.

 Giả sử lưu lượng khí tăng lên 200 kNm3/h,

xác định T sau làm lạnh nếu công suất

nhiệt của thiết bị không đổi

Case study 1

Cấu Cấu tử tử Mole fraction

ii C4 C4 0.0150 N

N C4 C4 0.0180 ii C5 C5 0.0120 N

N C5 C5 0.0130

Nhiệt độ môi trường lấy bằng TB là 17 oC, Tính: Công

suất nhiệt (Duty) : -9.8.10^6 kj/h

UA = 5.5.10^5 Kj/C.h

Nhiệt độ: 40.2 oC.

Trình bày kết quả tính ở dạng bảng (Sử dụng Databook).

Giả sử công suất nhiệt của thiết bị là 12.10^4 kJ/h, tính

nhiệt độ đầu ra của môi chất => vào Performance xóa

Product T và nhập duty.

Giả sử lưu lượng khí tăng lên 200 kNm3/h, xác định T

sau làm lạnh nếu công suất nhiệt của thiết bị không đổi:

Click dòng vào, thay đổi lưu lượng lên 200 ksm3/h =>

xem kết quả

Case study 1

Cooler và heater là dạng thiết bị trao đổi nhiệt dùng để làm

lạnh/gia nhiệt cho môi chất.

Mô hình làm lạnh dạng cooler và heater cho phép xác định

lượng nhiệt cần thiết để làm lạnh/gia nhiệt nhưng không cần

quan tâm đến tác nhân làm lạnh là gì?

Cở sở tính toán dựa trên phương trình trao đổi nhiệt và cân

bằng vật chất của quá trình.

Đối với làm lạnh:

Đối với heater:

Cooler và heater

Cách truy xuất mô hình mô phỏng

Cooler/Heater từ hysys:

Cách 1:

Từ menu chọn Flowsheet =>chọn

lệnh Add Operation hoặc F12

Chọn Heat Transfer Equipment

Từ danh mục thiết bị chọn

Cooler/Heater => Add

Cách 2:

 Chọn Flowsheet Palette từ menue

(F4)

 Nhấn chọn biểu tượng

Cooler/heater

Sau khi nhấn chọn cách 1 hoặc 2

màn hình mô phỏng sẽ xuất hiện

Cooler và heater

1 Tại Tab Design nhập các thông

tin:

Tên của thiết bị

Tên dòng năng lượng của thiết bị

-Energy

Nhập dòng công nghệ vào/ra thiết

bị

2 Tại Tab Parameter cung cấp các

thông số của thiết bị như:

Chênh áp qua thiết bị

Nhập 02 trong 03 thông số sau:

công suất duty của thiết bị, nhiệt

độ dòng công nghệ vào/ra thiết bị

Khi nào thì nhập nhiệt độ vào/ra,

khi nào thì nhập duty???

Qui trình mô phỏng Cooler và heater

3 Tab rating: Thông thông tin về lượng

nhiệt bị mất ra môi trường bằng 01

trong 03 cách:

 None:Không mất nhiệt

 Simple: Tính mất nhiệt theo công

thức:

 Detail: Nhiệt mất được tính toán chi

tiết tùy thuộc sự thay đổi nhiệt độ

dòng môi chất

 Tuy nhiên Tab này chỉ nhập khi mô

phỏng động Trong tính toán TK tab

này không cần nhập thông tin

 Vào Tab Worksheet để các thông số

của dòng cn vào/ra thiết bị hoặc

nhập các thông số nhiệt độ của

dòng vào/ra, công suất nhiệt của

dòng môi chất (Heat flow)

Cooler và heater

suất như ở bài tập 1, giả sử nhiệt trao đổi không bị mất

ra môi trường.

 Mô phỏng thiết bị gia nhiệt nêu trên để tăng nhiệt độ

dòng môi chất từ 30oC lên 50 oC.

 Từ file mô phỏng xác định công suất nhiệt của thiết bị.

Nếu công suất nhiệt của thiết bị là 2x10^7 Kj/h thì nhiệt

độ đầu ra của môi chất là bao nhiêu?

 Công suất nhiệt của thiết bị thay đổi như thế nào nếu

áp đầu vào của hệ thống là 45 barg, áp đầu ra là 44.5

barg.

Case study 2

 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng

heat exchanger thực hiện trao

nóng/lạnh

 Việc tính toán quá trình trao đổi

nhiệt dựa trên 02 phương trình

cơ bản sau:

 Việc truy cấp vào mô hình thiết

bị trao đổi nhiệt loại này tương

tư như các thiết bị vừa học.

Heat exchanger

1 Tại Tab design mục kết nối

connection nhập các thông

tin:

Tên thiết bị.

Inlet/Outlet.

Inlet/Outlet.

Qui trình mô phỏng Heat exchanger

2 Tại mục Parameter khai báo cac

thông tin sau:

Heat exchanger model:

 End Point model: Tính trên cơ sở

phương trình:

 Với giả thiết hệ số trao đổi nhiệt U

không đổi, ẩn nhiệt của các dòng môi

chất không đổi, Q là hàm phụ thuộc

tuyến tính vào nhiệt độ

 Model này áp dụng khí quá trình trao

đổi nhiệt không xảy ra quá trình

chuyển pha

Weighted model: khi có sự chuyển

pha của hệ trong thiết bị trao đổi

nhiệt

Heat exchanger

Heat exchanger

 Heat lost - mất nhiệt: Chọn 01 trong 03

cách:

None: không mất nhiệt

Extreme: Mất nhiệt Khi T của dòng nóng

lớn hơn T môi trường, hấp thu nhiệt khi T

dòng lạnh < T môi trường

Mất nhiệt phân bố đều trên toàn bộ bề

mặt thiết bị

 Chênh áp của các dòng lưu chất vào/ra

Shell Side và Tube Side hoặc áp suất Inlet

và Outlet của Shell Side và Tube Side

 Chọn cấu hình Exchanger Gerometry:

Dòng cùng chiều Co – Current, dòng

ngược chiều – Counter, số pass…

 Chọn UA của thiết bị nếu biết trước

3 Tại tab Spec khai báo các

thông tin về đặc tính của

thiết bị, bao gồm 04 nhóm

sau:

Thông tin nhóm Solver: Độ sai

số của giá trị tính toán, số

bước lặp…

Nhóm các thông số chưa xác

định (cần phải tính)

Nhóm các thông số cài đặt vào

mô hình: Công suất của thiết

thông tin quan trong cần khai

báo để hysys tính toán!!!

Heat exchanger

 Cách truy cập, xem và cài đặt thông số

cho thiết bị:

thông số cài đặt =>nhấn view để xem

thông tin cài đặt.

 Nếu muốn xóa thông số đã cài đặt =>

nhất delete.

 Cài đặt thông số mới => nhấn add =>

màng hình cài đặt sẽ hiển thị => chọn

thông số cần cài đặt.

Heat exchanger

 Có tất cả 09 thông số có thể lựa chọn cài đặt tùy thuộc vào điều

kiện thực tế:

 Temperature: Bất kỳ nhiệt độ nào của dòng Tube Side hoặc

Shell Side Inlet/Outlet.

 Delta temperature: Hiệu nhiệt độ giữa các dòng Tube Side và

Shell Side.

 Minimun approach: Độ chênh nhiệt độ tối thiểu giữa các dòng

trao đổi nhiệt.

 UA của thiết bị.

 LMTD.

 Công suất nhiệt Duty hoặc Duty Ration.

 Lưu lượng dòng môi chất Flow/flow ration.

 Việc lựa chọn thông số cài đặt tùy thuộc vào đặt điểm của quá

trình Khi số lượng thông số cài đặt dư so với yêu cầu hệ thông

sẽ báo lỗi.

 Khi mô phỏng thiết kế mới hoặc đánh giá hiệu quả chọn thông

số cài đặt là nhiệt độ hoặc min aproach.

 Khi đánh giá thiết bị hiện hữa thì sử dụng UA/Duty và thông số

nhiệt độ đầu vào

 Làm thế nào để biết thông số cài đặt hay không???

Heat exchanger

3 Tại tab Rating khai báo các thông

tin sau:

Exchanger Orientation: Loại thẳng

đứng – Vertical, Loại nằm ngang –

Horizontal

Flow direction: Hướng của dòng

chảy: Cùng chiều – Co –Current,

ngược chiều - Counter

Number of shell pass

Number of shell in in Series

Number of shell in Parralel

4 Vào Tab Performance xem kết

quả tính toán

Heat exchanger

Bài tập 3: Mô phỏng Heat exchanger

Shelside steam Tubeside steam

Nhiệt độ dòng Tube side Steam đầu Inlet là

40 oC, áp suất 109 Barg, nhiệt độ đầu ra – 35

oC, lưu lượng 90.000 nm3/h.

Nhiệt độ dòng Shell Side steam đầu vào là -47

oC, áp suất 37 barg.Lưu lượng 200.000

sm3/h.

Chênh áp đầu Shell Side là 50 kpa, đầu Tube

Side là 70 Kpa.

Model của thiết bị trao đổi nhiệt là Weighted

model.

Chiều dòng chảy ngược chiều nhau,

Quá trình trao đổi nhiệt không mất nhiệt ra

môi trường.

3 Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt nêu trên

và tính toán nhiệt độ đầu ra của dòng

Shell side steam.

4 Nếu chọn Spec để khai báo nhiệt độ đầu

ra dòng Shell Side là 30 oC, tính công

suất nhiệt, UA của thiết bị.

5 Nếu chọn spec là Min Aproach =5 oC

=> Tính nhiệt đồ đầu ra Shell Side

Bài tập 3: Mô phỏng Heat exchanger

1 Vào trường mô phỏng: Có hệ cấu tử và phương trình PR

2 Truy cập vào thiết bị trao đỏi nhiệt heat exchanger:

 Flowsheet => Add Operation => Heat Transfer equipment => Heat

Exchanger

 Hoặc nhấn F4 và chọn biểu tượng Heat Exchanger

3 Đặc tên các dòng vào/ra thiết bị:

 Dòng vào Tube Side, Dòng ra tube Side, Dòng vào Shell Side, dòng ra

shell Side

4 Vào worksheet hoặc click trực tiếp lên dòng nhập các thông tin sau:

 Thành phần dòng vào Tube Side

 Thành phần dòng vào Shell Side

 T dòng vao Tube side 40 oC, P=109 Barg, lưu lượng90.000 nm3/h

 T dòng ra Tube Side –35 oC

 T dòng vào Shell Side -47 oC, P = 37 barg, Lưu lượng 200.000 sm3/h

Bài tập 3: Mô phỏng Heat exchanger

3 Vào Tab Design mục parameter nhập: Nhập chênh áp đầu Shell Side

là 50 kpa, đầu Tube Side là 70 Kpa

4 Vào Tab Design mục Parameter:

 Chon Model của thiết bị trao đổi nhiệt là Weighted model tại mục

Heat exchanger model

5 Vào Tab Rating: Chon Chiều dòng chảy ngược chiều nhau (Counter)

tại mục Exchanger Geometry

 Tại mục Heat leak/loss chọn None: Quá trình trao đổi nhiệt không

mất nhiệt ra môi trường

T dòng ra Shell Side: 21.4 oC

Công suất nhiệt của thiết bị (Duty): 2.7.10^7 kj/h

Bài tập 3: Mô phỏng Heat exchanger

2 Nếu chọn Spec để khai báo nhiệt độ đầu ra dòng Shell Side là 30 oC, tính

công suất nhiệt, UA của thiết bị

 Vào mục Spec tab design nhập T dòng ra shell side của thiết bị bằng cách:

Spec/Add/Type => Chọn Temperature=> Stream => T dòng ra shell side

=> Spec Value nhập 30 oC

 T dong vao shell side:

 UA: kg/c.h

3 Nếu chọn spec là Min Aproach =5 oC => Tính nhiệt đồ đầu ra Shell Side

 Vào mục Spec tab design nhập Min Aproach của thiết bị bằng cách:

Spec/Add/Type => Chọn Min Aproach => Pass => Overall => => Spec

Value nhập 5 oC

Bài tập làm thêm:

Cách cài đặt LMTD, Delta temp, UA

Mô phỏng nếu có mất nhiệt ra môi trường, và chiều dòng chảy cùng chiều

4 Tính lưu lượng dòng Shell Side nếu UA=3.5x10^6 Kj/C.h

 Vào mục Spec tab design nhập UA của thiết bị là bằng cách:

Spec/Add/Type => Chọn UA => Pass => chọn Overhall => Spec Value