Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh luận văn tốt nghiệp đại học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT TBTĐN1.1 Một số khái niệm về truyền nhiệt Truyền nhiệt nghiên cứu quá trình truyền nhiệt năng xảy ra giữa các vật có nhiệt độ khác nhau.. 1.1.1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINHKHOA VẬT LÝ

Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt

loại vách ngăn cách có cán

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học: ThS Lưu Văn Phúc Sinh viên thực hiện : Đinh Thị Hằng Lớp : 48A - Vật lý

Vinh - 2011

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy

giáo Thạc sĩ Lưu Văn Phúc, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới

thầy giáo, người đã đặt đề tài, hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành khóa luận.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại Học Vinh đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong thời gian học tập và nghiên cứu và đóng góp những ý kiến cho nội dung của khóa luận Em xin được cảm ơn thầy giáo, TS Nguyễn Hồng Quảng và TS Đoàn Hoài sơn - các thầy, cô đã đọc và góp ý cho nội dung của đề tài

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.

Xin trân trọng cảm ơn!

Vinh, ngày 14 tháng 5 năm 2011

Người thực hiện khóa luận

Đinh Thị Hằng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ và thiết bị mới, truyềnnhiệt có liên quan chặt chẽ và góp phần quan trọng trong vấn đề chất lượngcủa thiết bị Máy móc do nhiều nước chế tạo rất phong phú về kết cấu và đadạng về chủng loại Vì vậy việc nghiên cứu về truyền nhiệt, thiết bị trao đổinhiệt sẽ giúp chúng ta lựa chọn chủng loại hợp lý, sử dụng hiệu quả thiết bị,

và bảo trì sửa chữa

Việc tính toán, cải tiến để nâng cao hiệu suất nhiệt, tiết kiệm nănglượng, bảo vệ môi trường, hạ giá thành sản phẩm đang đặt ra cấp thiết vớichúng ta Nghiên cứu về truyền nhiệt, tính toán quá trình trao đổi nhiệt có ýnghĩa đặc biệt quan trọng cho việc thiết kế và chế tạo các thiết bị nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt rất đa dạng, phong phú nó tùy thuộc vào loạiđộng cơ, công suất, cách làm mát Trong đó, thiết bị trao đổi nhiệt loại váchngăn cách có cánh được sử dụng rất nhiều trong các máy nhiệt như: Động cơđốt trong (loại làm mát bằng không khí), bình ngưng ở trong máy lạnh, thiết

bị sấy, điều hòa không khí Mặt khác, nó có ưu điểm rất lớn về mặt côngsuất và hiệu quả của thiết bị, phù hợp với điều kiện thực tiễn của nước ta

Ngoài ra, đối với tôi là một sinh viên sư phạm khi nghiên cứu về đề tàinày còn có ý nghĩa hỗ trợ đắc lực trong quá trình giảng dạy ở chương trìnhphổ thông nhất là môn Công nghệ lớp 11 phần Động cơ đốt trong, về cấu tạo

và nguyên lý hoạt động của các thiết bị nhiệt

Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Tính toán thiết kế thiết bị trao

đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh” Với mong muốn góp phần hỗ trợ dạy

và học vật lý kỹ thuật cũng như phát triển để ứng dụng trong kỹ thuật, đặc biệt giúp cho những GV tương lai trong quá trình giảng dạy ở trường phổ thông

2 Mục tiêu của đề tài

- Mục tiêu 1: Tìm hiểu một cách tổng quan về truyền nhiệt và thiết bị trao

đổi nhiệt

- Mục tiêu 2: Thực hiện một khâu tính toán thiết kế mới: Lựa chọn, xác định,

xử lý thông tin thông số kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách cócánh

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu về truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt

- Nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về các thông số kỹ thuật của thiết bịnhiệt giúp cho tính toán thiết kế thiết bị mới

4 Cấu trúc của khóa luận

Mở đầu

Nội dung: Gồm các chương

Chương 1: Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐNa)

Chương 2: Tính toán thiết kế TBTĐN loại vách ngăn cách có cánh

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Sau đây là phần nội dung chi tiết của khóa luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT (TBTĐN)

1.1 Một số khái niệm về truyền nhiệt

Truyền nhiệt nghiên cứu quá trình truyền nhiệt năng xảy ra giữa các vật

có nhiệt độ khác nhau Truyền nhiệt không chỉ tìm cách giải thích các nguyênnhân tạo nên quá trình này mà còn dự đoán mức độ trao đổi nhiệt năng sẽ xảy

ra dưới các điều kiện ấy Năng lượng được truyền dưới dạng dòng nhiệtkhông thể đo lường trực tiếp, nhưng có thể xác định được dòng nhiệt qua đại

lượng vật lý là nhiệt độ Dòng nhiệt luôn truyền từ vùng có nhiệt độ cao đến

vùng có nhiệt độ thấp nên có thể tìm nó thông qua sự chênh lệch nhiệt độ

trong hệ Vì vậy, nghiên cứu nhiệt độ trong hệ là yếu tố rất quan trọng trongvấn đề truyền nhiệt

Truyền nhiệt giữa các vật là một quá trình phức tạp Tuy nhiên, để việcnghiên cứu được thuận lợi, chúng ta có thể phân quá trình truyền nhiệt thành

các dạng trao đổi nhiệt cơ bản sau: Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, trao đổi

nhiệt bằng đối lưu và trao đổi nhiệt bằng bức xạ.

1.1.1 Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt

Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng khi các vật

hoặc các phần của vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau

Hiện tượng dẫn nhiệt luôn liên quan với sự chuyển động vi mô của vậtchất Đối với chất khí, sự truyền năng lượng là do khuếch tán các phân tử vànguyên tử Trong chất lỏng và chất cách điện là do tác dụng của sóng đàn hồi,trong kim loại chủ yếu là sự khuếch tán các điện tử tự do

Định luật cơ bản về dẫn nhiệt được thực hiện đầu tiên bởi Biot dựa trên

cơ sở quan sát bằng thực nghiệm nhưng mang tên sau này là tên của nhà

toán - lý Joeseph Fourier, ông là người đã ứng dụng các kết quả này vào sựphân tích lý thuyết về nhiệt

Định luật này phát biểu: “Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương

thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và gradient nhiệt độ theo phương ấy”

Ví dụ dòng nhiệt theo phương x, định luật Fourier thể hiện như sau:

x

T F

x

Q - Dòng nhiệt truyền qua diện tích F (J/s)

q x - Mật độ dòng nhiệt (W/m2).

F - Diện tích bề mặt truyền nhiệt qua (m2).

Do quy ước chiều dương của gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt

độ, còn vecto mật độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên

có dấu “ - ” trong phương trình trên

Thực nghiệm đã xác định hệ số tỷ lệ  trong phương trình (1.1) là mộtthông số vật lý của vật liệu đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật được gọi

là hệ số dẫn nhiệt.

Hệ số dẫn nhiệt của vật nói chung phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ vàđược xác định bằng thức nghiệm Thông thường trong quá trình thực nghiệmlàm thế nào xác định mật độ dòng nhiệt và gradient nhiệt độ thì hệ số dẫnnhiệt sẽ được tìm theo công thức:

0 bt



 (1.4)Trong đó:  0- Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ 00C

 Kim loại và hợp kim:

Sự truyền nhiệt năng cho kim loại chủ yếu là do các điện tử tự do, còndao động của các nguyên tử dưới dạng sóng đàn hồi không đáng kể Dochuyển động của các điện tử tự do sẽ đưa đến sự cân bằng nhiệt độ của cácchỗ nóng và lạnh trong kim loại Điện tử tự do chuyển động từ vùng có nhiệt

độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp cũng có thể theo chiều ngược lại Trongtrường hợp thứ nhất nó cũng cung cấp năng lượng cho nguyên tử, còn trườnghợp thứ hai thì ngược lại Bởi vì trong kim loại truyền nhiệt và truyền điệnđều do điện tử tự do cho nên hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn điện tỷ lệ thuận vớinhau Khi nhiệt độ tăng làm cho sự hỗn loạn của điện tử tự do tăng lên, do đó

hệ số dẫn nhiệt và dẫn điện trong kim loại giảm xuống

Trong kim loại khi có lẫn các tạp chất khác thì hệ số dẫn nhiệt của nógiảm đi rất nhanh, sở dĩ xảy ra như vậy là do sự tăng tính hỗn loạn của kết cấudẫn đến làm tăng sự phân tán của các điện tử tự do

Hệ số dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ, đa số kim loại nguyên chất có

hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng nhưng đối với chất khí và vật liệu cáchđiện thì ngược lại, hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng

 Vật rắn cách điện:

Đối với các chất cách điện thông thường hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt

độ tăng, nói chung hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào kết cấu, độ xốp và độ ẩmcủa vật liệu, khi khối lượng riêng tăng thì hệ số dẫn nhiệt cũng tăng

1.1.2 Trao đổi nhiệt bằng đối lưu

Khi chất lỏng chuyển động qua bề mặt vật rắn có sự chênh lệch nhiệt

độ giữa bề mặt tw và môi trường chất lỏng tf, thì giữa bề mặt và chất lỏng sẽ

có quá trình trao đổi nhiệt được gọi là quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu

Hình 1.1 Quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu

Sự truyền nhiệt xảy ra trong trường hợp này là do sự chuyển dịch tươngđối giữa bề mặt và chất lỏng đồng thời với sự chênh lệch nhiệt độ

 Nếu sự chuyển dịch chất lỏng là do nhân tạo (như bơm quạt, máynén… cưỡng bức chất lỏng chảy qua bề mặt) thì quá trình trao đổi nhiệtnày là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức

 Nếu sự chuyển động chất lỏng được tạo nên bởi lực nâng, do sự chênhlệch khối lượng riêng thì quá trình gọi là trao đổi nhiệt đối lưu tự do.Quá trình này rất phức tạp

Trong kỹ thuật, để tính toán đơn giản quá trình trao đổi nhiệt đối lưungười ta thường dùng công thức:

) (t w t f F

F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2).

tw – nhiệt độ bề mặt vật rắn (K)

tf – nhiệt độ trung bình chất lỏng (K)

1.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ là nhiệt lượng trao đổi giữa hai vật có nhiệt

độ chênh lệch không tiếp xúc nhau trong môi trường chất khí hoặc chân không

Hình 1.2 Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ

Chúng ta đã biết, các vật luôn phát năng lượng bức xạ truyền đi trongkhông gian dưới dạng những photon rời rạc theo lý thuyết Planck Sự bức xạ

và hấp thụ năng lượng bức xạ của vật là sự xếp chồng vì nguồn gốc bức xạ là

từ bên trong vật và được thông qua bề mặt vật, ngược lại bức xạ tới bề mặtvật từ môi trường xung quanh sẽ xâm nhập sâu vào vật và yếu dần Nhiềutrường hợp trong thiết bị kỹ thuật, phần lớn các tia bức xạ tới tắt nhanh trênlớp mỏng của bề mặt vật nên được gọi là hấp thụ hoặc bức xạ bề mặt

Người ta đã chứng minh được rằng: Năng lượng bức xạ bề mặt tỷ lệvới nhiệt độ tuyệt đối luỹ thừa bậc 4

Ví dụ, vật đen (hoàn toàn hấp thụ và hoàn toàn bức xạ) năng lượng trao

Trong đó:  - Hằng số Stefan – Boltzmann (σ = 5.6697.10-8W/m2.K4).

F - Diện tích bề mặt trao đổi của hệ (m2).

Nếu hai vật không hoàn toàn đen và bề mặt không bị khép kín với nhauthì năng lượng trao đổi giữa hai vật sẽ là:

)

2

4 1

12F T T

Trong đó:  12 - Hệ số góc (hoặc hệ số chiếu xạ)

Khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2 tương đối nhỏ thì phương trình (1.7) có thể viết dưới dạng:

) )(

)(

2

2 1 2 1 2 1

12F T T T T T T

4 ( 1 2)

3 1

12F T T  T

   (1.8)

( 4 )( 1 2)

3 1

1.1.4 Trao đổi nhiệt phức tạp

Quá trình trao đổi nhiệt phức tạp là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu và

bức xạ cùng xảy ra đồng thời với cường độ mạnh, do đó khi tính toán giải tích

về truyền nhiệt có xem xét ảnh hưởng tương hỗ giữa hai dạng trao đổi nhiệt

cơ bản trên là một vấn đề rất phức tạp Vì vậy trong kỹ thuật, chúng ta có thểxem quá trình xẩy ra như là sự xếp chồng tuyến tính của hai dòng nhiệt vớihai dạng trao đổi nhiệt khác nhau

Ví dụ: Quá trình trao đổi nhiệt giữa sản phẩm cháy trong buồng đốt với

bề mặt truyền nhiệt, nó là quá trình xảy ra đồng thời trao đổi nhiệt bức xạ vàđối lưu với bề mặt hấp thụ, hay đây là quá trình trao đổi nhiệt phức tạp

T - Nhiệt độ bề mặt hấp thụ, (K)

bx đl



    - Hệ số trao đổi nhiệt phức tạp

Ta đã đi nghiên cứu các dạng truyền nhiệt cơ bản của các vật nóichung Đối với TBTĐN thường được chế tạo bởi vật rắn khác nhau Vậy quátrình truyền nhiệt năng nói chung, trong đó có quá trình dẫn nhiệt có quan hệphụ thuộc giữa các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng như thế nào ta đi vàophần tiếp

1.2 Phương trình vi phân dẫn nhiệt của vật rắn

Trước khi nghiên cứu về phương trình vi phân dẫn nhiệt của vật rắnchúng ta cần biết một số khái niệm cơ bản sau:

1.2.1 Một số khái niệm về dẫn nhiệt

1.2.1.1 Trường nhiệt độ

Trường nhiệt độ là tập hợp giá trị nhiệt độ của tất cả các điểm khác

nhau trong không gian tại một thời điểm nào đó mà ta đang khảo sát

Xét trường hợp tổng quát nhiệt độ t là hàm số của toạ độ x, y, z và thờigian  :

) , , , (x y z 

f

t  (2.1)Phương trình (2.1) chính là biểu thức toán học diễn tả trường nhiệt độtổng quát nhất

Trường nhiệt độ có thể phân thành trường nhiệt độ không ổn định biếnthiên theo thời gian và trường nhiệt độ ổn định không biến thiên theo thờigian

) , , (

1 x y z f

Nếu nhiệt độ chỉ thay đổi theo 1 toạ độ gọi là trường nhiệt độ một chiều:

) , (

1.2.1.2 Mặt đẳng nhiệt và Gradient nhiệt độ

* Mặt đẳng nhiệt: Bề mặt chứa tất cả các điểm có cùng giá trị nhiệt độ

tại một thời điểm nào đó

* Gradient nhiệt độ:

Khi khảo sát ta thấy nhiệt độ của vật chỉ thay đổi phương cắt các mặtđẳng nhiệt và tốc độ biến thiên nhiệt độ lớn nhất theo phương vuông góc vớicác mặt đẳng nhiệt

Gradient nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho tốc độ biến thiên nhiệt độ

theo phương pháp tuyến với với các mặt đẳng nhiệt, chiều là chiều tăng củanhiệt độ

t i x

t

(2.5) Hay: gradtn0gradt (2.6)0

Độ lớn: gradt  t x t y t z (2.8)

1.2.1.3 Nguồn nhiệt

Nguồn nhiệt là năng lượng chuyển hoá từ dòng điện, phản ứng hạt nhân

nguyên tử, phản ứng cháy của nhiên liệu hoặc từ các phản ứng hoá học thànhnăng lượng nhiệt, tính cho một đơn vị thể tích qv (W/m

3

)

Nhiệt lượng sinh ra từ thể tích V do nguồn nhiệt bên trong:

dV q Q

v v

v  .

(2.9)

1.2.1.4 Định luật Fourier

Đây là định luật cơ bản của dẫn nhiệt trong vật chất

“Nhiệt lượng dQ truyền qua phân tử bề mặt đẳng nhiệt dF trong khoảng thời gian d tỉ lệ với gradient nhiệt độ”.

y t q

x t q

z y x

.







=> q F    gradt

hay q F    t (2.13)

Trong trường hợp tổng quát: Dòng nhiệt truyền qua mặt đẳng nhiệt Ftrong một đơn vị thời gian:

) ( gradt dF W Q







d dF gradt Q

F

.

1.2.2 Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Khi nghiên cứu một hiện tượng vật lý bất kỳ chúng ta cần phải thiết lậpnên quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng ấy Đốivới quá trình phức tạp, các quá trình đặc trưng có thể biến thiên theo khônggian và thời gian Thiết lập mối quan hệ đặc trưng giữa các đại lượng rất khókhăn Trong trường hợp chung, dựa theo phương pháp toán lý, chúng ta chỉxét trong thời gian ngắn và không gian vô cùng bé nên chúng ta có thể bỏ qua

sự thay đổi đó và vấn đề trở nên đơn giản hơn

Phương trình vi phân dẫn nhiệt được xây dựng trên cơ sở định luật bảotoàn năng lượng và định luật Fourier về dẫn nhiệt khi xem các đại lượng vật

lý λ, C, ρ là hằng số và nguồn nhiệt bên trong qv (W/m3) phân bố đều Quátrình dẫn nhiệt thuần tuý chỉ xảy ra trong các vật rắn đặc, do đó khi thiết lậpphương trình vi phân hoàn toàn có thể bỏ qua sự thay đổi thể tích do biếnthiên nhiệt độ gây ra

Định luật bảo toàn năng lượng: “Nhiệt lượng Q1 đưa vào phần tử thể tích dV sau khoảng thời gian d do dẫn nhiệt và do nguồn nhiệt bên trong phát ra bằng sự biến thiên nội năng trong phân tử thể tích vật ”.

Trong đó:

Nhiệt lượng dẫn vào phần tử thể tích dV dx.dy.dz theo phương x

trong thời gian d :



 dy dz d x

dz dy q

dz dy dx x

t

.

.

2 2

   y dV d

t d

dz dy dx y

dz dy dx z

t

2 2

2 1

q x

t x

t

).

2 2

a  hệ số khuếch tán nhiệt (m 2 /s), là thông số vật lý tồn tại trong quá

trình dẫn nhiệt không ổn định và đặc trưng cho tốc độ biến thiên nhiệt độ củavật Hệ số a càng lớn thì sự san bằng nhiệt độ trong vật thể xảy ra càng nhanh

1

1

2 2 2 2

2 2 2

2

C

q t r

t r r

t r r

t a

s in

s in

s in

cos

r z

r y

r x

Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong hệ toạ độ cầu có dạng:

sin

sin

1 )

(

1

C

q t r

t r

rt r

1.2.3 Điều kiện đơn trị

Các phương trình vi phân (2.28), (2.29), (2.30) đều ở dạng tổng quát, giảiphương trình vi phân trên ta sẽ được nghiệm tổng quát Muốn được mộtnghiệm cụ thể, ta cần giải phương trình vi phân trên kết hợp với điều kiện đơntrị Điều kiện đơn trị bao gồm:

Điều kiện hình học: Đặc trưng hình dáng, kích thước của vật tham gia

quá trình

 Điều kiện vật lý: Cho biết thông số vật lý của vật  ,c,  và có thểcho biết phân bố nguồn nhiệt bên trong vật

Điều kiện thời gian: Điều kiện này cần thiết khi khảo sát quá trình

không ổn định, nó cho biết quy luật phân bố nhiệt độ trong vật ở một thờigian nào đó (thường là điều kiện ban đầu)

 Điều kiện biên: Cho biết đặc điểm tiến hành quá trình trên bề mặt của

vật Điều kiện thông thường có thể cho dưới dạng sau:

 Điều kiện biên loại 1: Cho biết nhiệt độ bề mặt của vật tw, cầnxác định nhiệt lượng truyền qua Q

 Điều kiện biên loại 2: Cho biết nhiệt lượng truyền qua Q, cầntìm quy luật phân bố nhiệt độ bề mặt của vật tw.

 Điều kiện biên loại 3: Cho biết nhiệt độ môi trường xung quanh

tf và quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật với môi trường (trong quá trìnhlàm nguội hay gia nhiệt)

Định luật Newton – Ricman cho trường hợp trao đổi nhiệt đối lưu:

) (t f t w

q   (2.37)

Trong đó: α - hệ số toả nhiệt (W/m2.độ)

Nhiệt lượng này cũng bằng nhiệt lượng do dẫn nhiệt (tại bề mặt):

w f

w

n

t )

t t

(





 Điều kiện biên loại 4

Điều kiện biên loại này đặc trưng qui luật truyền nhiệt năng của hệ vậthoặc vật với môi trường xung quanh theo định luật dẫn nhiệt

Giả thiết giữa các vật có sự tiếp xúc lí tưởng (nhiệt độ chỗ tiếp xúcđồng nhất), thì trong điều kiện khảo sát có sự cân bằng về dòng nhiệt qua chỗ

tg

co nsttg

 

 

  (2.41)

1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN)

Sự phân tích về truyền nhiệt là điều cốt lõi quyết định kích thước, kếtcấu thiết bị và là điều kiện cần thiết để ước tính chiều dày lớp cách nhiệtnhằm chống tổn thất về năng lượng

1.3.2 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt

Cấu tạo của TBTĐN rất đa dạng về chủng loại và phụ thuộc vào côngnghệ sản xuất Phân loại TBTĐN có nhiều cách khác nhau, trong khóa luậnchúng tôi lựa chọn cách phân loại theo nguyên lý làm việc của thiết bị

Theo nguyên lý làm việc, TBTĐN được phân làm 3 loại:

đó phần này chúng tôi chủ yếu tập trung phân tích và đánh giá về loại thiết bịnày và đặc biệt là loại TBTĐN loại vách ngăn cách có cánh

1.3.2.1 TBTĐN loại vách ngăn cách

Trong thiết bị này các chất tải nhiệt chuyển động trong những khônggian tách biệt nhau bởi vách ngăn là bề mặt truyền nhiệt, chất lỏng chuyểnđộng trong ống và chất lỏng chuyển động ngoài ống truyền nhiệt cho nhauqua bề mặt vách ống, sự trao đổi nhiệt giữa chúng được thực hiện qua bề mặt

vách này Về mặt kết cấu loại thiết bị này rất đa dạng, phụ thuộc vào yêu cầucông nghệ sản xuất Dưới đây, chúng tôi giới thiệu một số TBTĐN thuộcchủng loại này.

 TBTĐN loại vỏ bọc chùm ống

Loại thiết bị này sử dụng rộng rãi, đối với công suất nhỏ thì sử dụngdạng ống lồng ống, công suất lớn thì sử dụng dạng vỏ bọc chùm ống Trongthiết bị một chất lỏng chuyển động trong ống, một chất lỏng chuyển độngngoài ống

Hình 1.5 TBTĐN vỏ bọc trùm ống

Căn cứ vào bố trí dòng chất lỏng nóng và dòng chất lỏng lạnh có thể

phân loại thiết bị này thành: Lưu động thuận chiều, lưu động ngược chiều,

lưu động cắt nhau và lưu động phức tạp.

Hình 1.6 Cách bố trí dòng chất lỏng trong các thiết bị

 TBTĐN loại có cánh

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ mới, TBTĐN loại vách ngăncách có cánh được sử dụng rất nhiều nhằm tăng cường khả năng trao đổi nhiệtcủa thiết bị Đối với TBTĐN loại này, cánh thường được bố trí về phía chấtlỏng (hoặc chất khí) có cường độ tỏa nhiệt  bé, tuy nhiên cũng có nhữngtrường hợp cần tăng cường truyền nhiệt chung cho cả thiết bị thì cánh có thểđược lắp đặt (hoặc đúc) cả hai phía trong và ngoài ống Thông số kỹ thuật củacánh tùy thuộc vào sự tương quan về cường độ tỏa nhiệt giữa hai phía Ngoài

ra kết cấu cánh, vật liệu sử dụng cánh cũng rất đa dạng phụ thuộc yêu cầucông nghệ

Ví dụ: Cánh trong các lò hơi thu hồi nhiệt của các nhà máy điện hỗn

hợp khí – hơi thường được chế tạo bằng thép chịu nhiệt, có độ dày cần thiết

và được hàn lên bề mặt ngoài của ống cánh dạng tròn có xẻ rãnh ở đầu cánh

để gây rối dòng Còn các cánh của dàn lạnh hoặc nóng của hệ thống điều hòakhông khí thường là cánh tấm mỏng (có gợn sóng hoặc không), hệ số làmcánh lớn, vì không khí ở đây có nhiệt độ không cao nên công nghệ gia côngcũng có khác

Hình 1.7 Một số hình dạng cánh của TBTĐN vách ngăn cách có cánh

 TBTĐN loại tấm

+ TBTĐN loại tấm xoắn ốc

Trong loại thiết bị này hai dòng chất nóng và lạnh lưu động ngượcchiều nhau Loại thiết bị này có lợi là do sự chuyển động xoắn ốc có thể làmtăng hệ số tỏa nhiệt do sự rối loạn của dòng, độ bám cáu thấp hơn nhiều sovới loại vỏ bọc chùm ống, vì khi cáu bẩn bắt đầu hình thành sẽ làm giảm tiếtdiện ngang chất lỏng lưu động qua ống, làm tốc độ của dòng tăng lên làm phá

vỡ lớp cấu bẩn do đó nó có tác dụng tương tự việc thông rửa

Ngoài ra thiết bị này có kết cấu rất chặt chẽ nên khi có cùng năng suấttruyền nhiệt thì dung tích chỉ bằng 1/3 của loại thiết bị vỏ bọc chùm ống Tuynhiên loại thiết bị này lại khó làm vệ sinh, sửa chữa, cần có áp suất đẩy chấtlỏng lớn

1.3.2.2 TBTĐN loại hồi nhiệt

Nguyên lý làm việc của thiết bị này là các bề mặt trao đổi nhiệt khi tiếpxúc với chất lỏng nóng nó nhận nhiệt từ chất lỏng nóng, sau một thời gian các

bề mặt này lại tiếp xúc với chất lỏng lạnh để nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh, đặctính truyền nhiệt là có chu kỳ và không ổn định, nên phạm vi ứng dụng khôngrộng Do kết cấu chặt chẽ, có thể đạt được năng suất lớn nên nó thường được

sử dụng trong các tháp sấy gió của lò luyện kim, bộ sấy của lò hơi…

1.3.2.3 TBTĐN loại hỗn hợp

TBTĐN dạng này được thực hiện theo nguyên lý khi các dòng chất

lỏng có nhiệt độ khác nhau trộn lẫn vào nhau để tạo ra dòng chất lỏng khác

thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật, quá trình truyền nhiệt và truyền chất sẽ xảy

ra đồng thời trong thiết bị này Loại thiết bị này kết cấu đơn giản, chế tạo rẻ,

hiệu quả cao, mức độ điều chỉnh nhanh nên nó thường sử dụng trong công

nghiệp như: Tháp giải nhiệt, bộ hòa trộn trong lò sấy trực tiếp…

1.3.3 Các phương trình cơ bản để tính toán nhiệt của TBTĐN

Tính toán nhiệt của TBTĐN thường có hai yêu cầu đặt ra là:

 Thiết kế mới TBTĐN

 Tính toán kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị khi đã có sẵn

TBTĐN

Việc tính toán nhiệt của TBTĐN dựa trên hai phương trình

cơ bản: Phương trình cân bằng nhiệt và phương trình truyền nhiệt Các

phương trình này đối với mọi TBTĐN chúng có cùng bản chất, nó chỉ khác

nhau về chi tiết tuỳ thuộc thiết bị khảo sát là loại vách ngăn cách, hồi nhiệt

hay hỗn hợp Thông thường, TBTĐN được thiết kế cho điều kiện thiết bị làm

việc ổn định ở chế độ định mức

1.3.3.1 Phương trình cân bằng nhiệt

Phương trình cân bằng nhiệt: Là một dạng của định luật bảo toàn năng

lượng, nếu bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh thì nhiệt lượng do

chất lỏng nóng nhả ra bằng nhiệt lượng chất lỏng nóng nhận được

) (

"

1 '

1 1

Trong tính toán người ta thường đưa ra đại lượng CG.c pgọi là nhiệt

dung lưu lượng khối lượng hoặc gọi là đương lượng không khí của chất lỏng

Do đó phương trình (3.1) có thể viết lại dưới dạng:

' 2

"

2 2

1

t

t t

t

t t

hơn thì nhiệt độ biến đổi ít hơn, còn chất lỏng nào có C nhỏ thì nhiệt độ biến

1

dt

dt C

C

 (3.3)Trong đó: dt1 - Độ giảm nhiệt độ của chất lỏng nóng

dt2 - Độ tăng nhiệt độ của chất lỏng lạnh

1.3.3.2 Phương trình truyền nhiệt

Nhiệt lượng mà chất lỏng nóng truyền cho chất lỏng lạnh sẽ phải thông

qua bề mặt truyền nhiệt của thiết bị Do đó nhiệt lượng trao đổi giữa chất lỏng

nóng và chất lỏng lạnh qua phân bố bề mặt truyền nhiệt dF là:

tdF k dF t t k

dQ (1 2)   (3.4)Trong đó :

k - Hệ số truyền nhiệt (W/m2 ºC)

) (t 1 t2 - Độ chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng nóng và lạnhtrên bề mặt phân bố dF

Tích phân phương trình (3.4) trên toàn bộ bề mặt F chúng ta nhận đượcnhiệt lượng truyền của TBTĐN:



F

tdF k

Q (3.5)Trong trường hợp tổng quát, độ chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏngnóng và chất lỏng lạnh t sẽ thay đổi trên toàn bộ bề mặt trao đổi nhiệt hệ sốtruyền nhiệt k cũng có thể thay đổi nhưng không đáng kể, do đó khi tính toán

có thể xem k = const Phương trình (3.5) có thể viết lại dưới dạng sau:

t kF

Q   (3.6)Trong đó:

t

 - Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa chất lỏng nóng và lạnh.Trị số t được xác định tuỳ thuộc vào sơ đồ chuyển động và tỷ sốđương lượng không khí của chất lỏng Cách bố trí chuyển động giữa chất lỏngnóng và lạnh trong TBTĐN có nhiều dạng khác nhau được thể hiện trên hình (3.4)

Hình 1.8 Đặc tính biến thiên nhiệt độ chất lỏng nóng-lạnh khi

chuyển động cùng chiều và ngược chiều

Phần lớn các TBTĐN công suất nhỏ thường bố trí chất lỏng lưu độngsong song cùng chiều (hoặc ngược chiều), các thiết bị công suất lớn thường

bố trí lưu động phức tạp Dựa và dạng của đồ thị chúng ta có thể nhận thấy:

 Chất lỏng nào có đương lượng không khí C lớn thì nhiệt độ biến thiênnhỏ và ngược lại

 Khi bố trí lưu lượng thuận chiều nhiệt độ ra của chất lỏng lạnh "

2

t có thể cao hơnhoặc thấp hơn nhiệt độ ra của chất lỏng nóng "

1

t tuỳ thuộc vào trị

số đương lượng không khí C1 và C2

1.3.3.3 Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình t

Trong TBTĐN nhiệt độ chất lỏng nóng và lạnh thay đổi liên tục dọctheo bề mặt trao đổi nhiệt, do vậy độ chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng nóng

và chất lỏng lạnh cũng biến đổi theo hình (3.5) Để tính được độ chênh lệchnhiệt độ trung bình t trên toàn bộ bề mặt của thiết bị trao đổi nhiệt chúng tacần phải biết quy luật biến thiên t dọc theo bề mặt F

Hình 1.9 Sơ đồ lưu động song song cùng chiều

Khảo sát trường hợp đơn giản, một thiết bị làm việc theo sơ đồ songsong cùng chiều hình (3.5)

Phương trình truyền nhiệt cho một bề mặt phân bố dF: