bài giảng thiết kế mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt

1
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
2
 Air cooler:Trao đổi nhiệt
bằng không khí
 Cooler/heater: Thiết bị
làm lạnh/gia nhiệt
 Fired Heater (Furnace):
Lo đốt
 Heat exchanger: Trao
đổi nhiệt
 LNG
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).
 Lưu lượng của không khí.
 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
3
 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
 Sau khi nhấn chọn cách 1 hoặc 2
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
4
 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
5
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
CấuCấu tửtử Mole fractionMole fraction
N2N2 0.00020.0002
H2SH2S 0.04050.0405
CO2CO2 0.01510.0151
C1C1 0.72500.7250
C2C2 0.08150.0815
C3C3 0.04550.0455
ii C4C4 0.01500.0150
NN C4C4 0.01800.0180
ii C5C5 0.01200.0120
NN C5C5 0.01300.0130
C6C6 0.00900.0090
H2OH2O 0.00000.0000
6
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
7
 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
8
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
 Cho dòng môi chất có thành phần và lưu lượng, áp
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
9
 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng
heat exchanger thực hiện trao
đổi nhiệt giữa 02 dòng
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.
Tên dòng Tube Side
Inlet/Outlet.
Tên dòng Shell Site
Inlet/Outlet.
Qui trình mô phỏng Heat exchanger
10
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.
11
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
bị, LMTD, UA… => Nhóm
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:

 Từ khu vực Specifications nhấn chọn
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
12
 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
13
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.
14
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
nhập 3.5x10^6 Kj/C.h