Bài giảng Truyền nhiệt VP - Chương 5 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt - TS. Hà Anh Tùng (ĐH Bách khoa TP.HCM)

Chương 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.1
p.1
5.1 Các dạng bài toán Truyền nhiệt tổng hợp
5.2 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh
a) Các pt cơ bản để tính toán TB trao đổi nhiệt
b) Độ chênh nhiệt độ trung bình
c) Phương pháp hiệu suất
Q
5.1 Các dạng bài toán truyền nhiệt tổng hợp
a) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG
Xét vách phẳng 1 lớp, dày δ, HSDN λ
Môi chất nóng có t
f1
, α
1
; Môi chất lạnh có t
f2
, α
2
Bài toán kết hợp vừa đối lưu và dẫn nhiệt
(
)
FttkQ
ff 21
−
= (W)
(

)
21 ff
ttkq
−
= (W/m
2
)hay
Muốn tính q phải xác định HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT
k (W/m
2
.độ)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.2
p.2
¾ Tính hệ số truyềnnhiệt k
()
(
)
(
)
FttF
tt
FttQ
fw
ww
wf 222
21
111

−=
−
=−=
α
δ
λ
α
(W)
21
21
2
22
21
1
11
/1//1/1//1
αλδααλδα
++
−
=
−
=
−
=
−
=
fffw
ww
wf
tttt

tt
tt
q
(W/m
2
)
Hệ số truyền nhiệt
21
/1//1
1
αλδα
++
=k
(W/m
2
.độ)
 Hoặc tính theo pp
nhiệt trở tương đương:
tđ
R
t
q
Δ
=
với:
21
αλα
RRRR
tđ
+

+
=
21
11
αλ
δ
α
++=
(m
2
.độ/W)
Nhiệt độ bề mặt vách:
1
11
α
q
tt
fw
−=
2
2
1
1
2
11
αλ
δ
α
qtqtt
ffw

+=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+−=
và
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.3
p.3
Q
b) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ
Xét vách trụ có chiều dài L, đường kính d
1
/d
2
.
Môi chất nóng trong ống có t
f1
, HSTN α
1
Môi chất lạnh bên ngoài có t
f2
, HSTN α

2
Ta có:
(
)
LdttQ
wf 1111
π
α
−
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
1
2
21
ln
2
1
d
d
L
tt

ww
πλ
(
)
Ldtt
fw 2222
π
α
−
=
Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là:
221
2
11
21
22
22
1
2
21
11
11
1
ln
2
11
1
ln
2
1

1
dd
d
d
tt
d
tt
d
d
tt
d
tt
q
fffw
ww
wf
L
παπλπα
πα
πλ
πα
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

+
−
=
−
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
−
=
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.4
p.4
 Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống:
221
2
11
1
ln
2
11

dd
d
d
παπλπα
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
tđ
L
R
t
q
Δ
=
với:
21
αλα
RRRR
tđ
+
+
=
(m.độ/W)

1
ln
2
11
1
221
2
11
dd
d
d
k
L
αλα
++
=
 Ngoài ra có thể tính q
L
theo hệ số truyền nhiệt đường k
L
(
)
21 ffLL
ttkq −=
π
với:
(W/m.độ)
CHÚ Ý
: Đối với vách nhiều lớp:

1
ln
2
11
1
12
1
1
11 +
=
+
++
=
∑
n
n
i
i
i
i
L
dd
d
d
k
αλα
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009

p.5
p.5
Sau khi có q
L
, có thể
tính được t
w1
, t
w2
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
F
1
, bề mặt có cánh F
2
(gồm cả phần
cánh và phần không cánh).
(
)
()
()
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎬
⎫
−α=

−
δ
λ
=
−α=
2222
211
1111
fw
ww
wf
ttFQ
ttFQ
t
t
FQ
(a)
c) Truyền nhiệt qua vách có cánh
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.6
p.6
Nhiệt trở cục bộ:
⎪
⎪
⎪
⎭
⎪
⎪

⎪
⎬
⎫
α
=
−
λ
δ
=
−
α
=
−
22
22
1
21
11
11
1
1
1
FQ
tt
FQ
tt
FQ
tt
fw
ww

wf
(b)
Cộng từng vế của (b) ta có Nhiệt trở toàn phần:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+⋅+=
−
=
22111
21
111
FFFQ
tt
R
ff
αλ
δ
α
Và tính được Q:
22111
2f1f
F
1
F

1
F
1
t
t
Q
α
+⋅
λ
δ
+
α
−
=
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.7
p.7
22111
111
1
FFF
k
ca
α
+⋅
λ
δ
+

α
=
)KW(
Q = k
ca
(t
f1
–t
f2
) (W)
Cũng có thể viết:
với:
Hoặc nếu tính theo 1 đơn vò diện tích BM không cánh thì:
()
2f1f1
1
1
ttk
F
Q
q −==
2
mW
2
1
21
1
F
F
11

1
k
α
+
λ
δ
+
α
=
với:
Nu theo 1 ủụn vũ dieọn tớch BM coự caựnh thỡ:
()
2f1f2
2
2
ttk
F
Q
q ==
)(
2
mW
vi
21
2
1
2
1
2
1

F
F
F
F
1
1
k

+


+

=
)m(W
2
K
Heọ soỏ laứm caựnh : F
2
/F
1
=
c
.
Ngi son: TS. H anh Tựng
HBK tp HCM
8/2009
p.8
p.8
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)
5.2 Tính tốn thiết bị Trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.9
p.9
Tubes & Shell
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.10
p.10
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
KIỂU DÀN ỐNG CÓ CÁNH
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.11
p.11
DÀN NGƯNG NH
3
TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.12

p.12
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.13
p.13
Nồi hơi công nghiệp
¾ PHÂN LOẠI Theo hướng lưu động của dòng MC: lưu động thuận chiều, ngược chiều,
cắt nhau và lưu động phức tạp
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.14
p.14
Tính toán TBTĐN thường có hai dạng:
- Tính thiết kế: xác đònh F (ở chế độ đònh 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: Q
nhả
= Q
nhận
Khi không có biến đổi pha, tacó:
()
(
)
22221111
t
t

cG
t
t
cGQ
pp
′
−
′
′
=
′
′
−
′
=
(W)
C = Gc
p
: nhiệt dung lưu lượng khối lượng
(đương lượng không khí của chất lỏng).
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.15
p.15
a) CÁC PT CƠ BẢN ĐỂ TÍNH TỐN NHIỆT TBTĐN LOẠI VÁCH
NGĂN CÁNH
1
2
11

22
2
1
t
t
tt
t
t
C
C
δ
δ
=
′′
−
′
′
−
′
′
=
MC nào có C lớn thì nhiệt
độ biến đổi ít và ngược lại.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.16
p.16
 Phương trình truyền nhiệt
Nhiệt lượng trao đổi qua phân tố BM truyền nhiệt dF:

(
)
dFtkdFttkdQ Δ
=
−
=
21
(t
1
–t
2
) − độ chênh nhiệt độ giữa 2 MC trên bề mặt dF.
Tích phân trên toàn bề mặt F:
∫
Δ=
F
tdFkQ
do hệ số k thay đổi ít (k = const):
tkFQ Δ=
: độ chênh nhiệt độ trung bình giữa MCN và MCL.
Trò số tùy thuộc vào sơ đồ chuyển động của các chất lỏng.
tΔ
tΔ
Tính
tΔ
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.17
p.17

b) TÍNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH
CT chung cho cả lưu động
thuận chiều lẫn ngược chiều
:
min
max
minmax
t
t
ln
t
t
t
Δ
Δ
Δ−Δ
=Δ
ΔΤ
max
ΔΤ
min
ΔΤ
max
ΔΤ
min
Cần gia nhiệt dầu G
2
= 1000 kg/h từ t’
2
= 20

o
C đến t’’
2
= 180
o
C
bằng khói nóng có t’
1
= 280
o
C.Biếtt’’
1
= 200
o
C; k = 35 W/(m
2
K); c
p1
=1,1
kJ/(kgK); c
p2
= 2,3 kJ/(kgK).
Tính diện tích TĐN (F) khi bố trí dòng chuyển động ngược chiều.
GIẢI: Sử dụng PT TRUYỀN NHIỆT
Chênh lệch nhiệt độ tại hai đầu thiết bò:
t’
1
- t’’
2
= 280 – 180 = 100

o
C= Δt
min
t’’
1
- t’
2
= 200 – 20 = 180
o
C= Δt
max
Độ chênh nh/độ trung bình:
Nhiệt lượng cấp cho dầu: Q = G
2
c
p2
(t’’
2
-t’
2
)
= 1000 . 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW
Vậy = 102,2 / (0,035 . 136,1) = 21,46 m
2
tkFQ Δ=
C
t
t
tt
t

o
136
100
180
ln
100180
ln
min
max
minmax
=
−
=
Δ
Δ
Δ−
Δ
=Δ
tkQF Δ=
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.18
p.18
VD:
c) PHƯƠNG PHÁP HIỆU SUẤT (phương pháp NTU)
truyền thể có đa tốinhiệt Dòng
thiết bò qua truyềnnhiệt Dòng
Q
Q

max
==ε
Trường hợp có sẵn TBTĐN, biết nhiệt độ vào
truyền nhiệt k (ước tính). Cần xác đònh Q ,
1
t
′
2
t
′
,
, diện tích F và hệ số
1
t
′
′
2
t
′′
và
Hiệu suất TBTĐN:
Q − Dòng nhiệt thực truyền trong thiết bò.
Q
max
− Dòng tối đa hay lượng nhiệt truyền giả thiết.
(
)
21minmax
ttCQ
′

−
′
=
(
)
21minmax
ttCQQ
′
−
′
ε
=
ε=
với
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.19
p.19
Hieọu suaỏt TBTN laứ haứm cuỷa NTU vaứ C* = C
min
/ C
max
:
),(
*
CNTUf=

min
C

kF
NTU =
NTU : laứ ủụn vũ chuyeồn nhieọt (Number of Transfer Units):
Ngi son: TS. H anh Tựng
HBK tp HCM
8/2009
p.20
p.20
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.22
p.22
Thiết bò đun nước nóng bằng khói thải từ ĐCĐT, loại lưu động
ngược chiều, có các thông số sau:
Phía khói nóng: G
1
= 0,8 kg/s; c
p1
= 1,12 kJ/(kgK); t’
1
= 450
o
C.
Phía nước: G
2
= 3,2 kg/s; c
p2
= 4,18 kJ/(kgK); t’

2
= 50
o
C
Diện tích truyền nhiệt F = 15 m
2
; k = 85 W/(m
2
K).
a) Hãy tính Q; nhiệt độ ra của khói và nước.
b) Nếu động cơ vận hành non tải với G
1
* = 0,5G
1
, các điều kiện ban đầu khác
không thay đổi thì nhiệt lượng trao đổi và nhiệt độ nước ra sẽ là bao nhiêu?
VD:
GIẢI: a) Tính Q và nhiệt độ cuối các chất, dùng pp NTU
Chênh lệch nhiệt độ tại hai đầu thiết bò:
C
1
= G
1
c
p1
= 0,8 . 1,12 = 0,896 kW/K = C
min
C
2
= G

2
c
p2
= 3,2 . 4,18 = 13,376 kW/K = C
max
Nhiệt lượng truyền cực đại: Q
max
=C
min
(t’
1
-t’
2
)
= 0,896 (450 – 50) = 358,4 kW
maxmin
*
CCC =
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.23
p.23
= 0,896 / 13,376 = 0,067
NTU = kF/C
min
= 85 . 15 / 896 = 1,42
Hiệu suất thiết bò (tra đồ thò): ε = 0,72
Nhiệt lượng trao đổi: Q = ε Q
max

= 0,72 . 358,4 = 258 kW
Nhiệt độ khói thoát: t
1
’’ = t
1
’ – Q/C
1
= 450 – 258 / 0,896 = 162
o
C
Nhiệt độ nước ra: t
2
’’ = t
2
’ + Q/C
2
= 50 + 258 / 13,376 = 69,3
o
C
b) Nếu động cơ vận hành non tải với G
1
* = 0,5G
1
C
min
giảm 2 lần -> C* giảm 2 lần = 0,033
NTU tăng 2 lần = 2,84
Q
max
giảm 2 lần

HS truyền nhiệt lúc đó = 0,92
Do vậy: Q = 0,92. 358,4 / 2 = 164,8 kW
t
2
’’ = 50 + 164,8 / 13,376 = 62,3
o
C