TÍNH TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG ỐNG CHÙM

ỐNG CHÙM THEO TCVN
1. Tính nhiệt lượng trao đổi trong thiết bò giữa 2 môi chất:
a) Với môi chất là các chất lỏng


Khi không thay đổi trạng thái:
Q = G1CP1(t1đ – t1c) = G2CP2(t2c – t2đ)



Khi một chất tải nhiệt thay đổi trạng thái:
Q = D1(I1 – i1) = G2CP2(t2c – t2đ)



[2]

Khi cả hai chất tải nhiệt đều thay đổi trạng thái
Q = D1(I1 – i1) = D2(I2 – i2)

-G1 , G2
-D1 , D2
-CP1, CP2
-I1 , I2
-i1, i2
-t1 , t2

[1]

[3]

: lượng chất tải nhiệt khi truyền nhiệt không thay đổi trạng thái, kg/s
: lượng chất tải nhiệt khi truyền nhiệt thay đổi trạng thái, kg/s
: nhiệt dung riêng tương ứng với G1,G2, J/kg.oC
: nhiệt hàm của hơi, J/kg
: nhiệt hàm cuả chất lỏng, J/kg
: nhiệt độ của hai chất tải nhiệt ( chỉ số đ và c là đầu và cuối ), oC.

b) Với môi chất là hơi ngưng tụ ( môi chất là hơi, ngưng tụ trong
quá trình trao đổi nhiệt nhưng nhiệt độ không đổi):
-Gh
-r

Q = Gh . r , J/h
: lượng chất tải nhiệt của hơi, kg/s
: ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg.

[4]

2. Tính nhiệt độ trung bình
Giả sử t1đ > t2đ
 Chênh lệch nhiệt độ đầu vào:
t1 = t1đ – t2đ


Chênh lệch nhiệt độ đầu ra:

[5]


t2 = t1c – t2c



Hiệu suất nhiệt độ trung bình giữa 2 môi chất:

ttb =


[6]




(

[7]

)

Nhiệt độ trung bình của lưu chất

ttb1 =

;

ttb2 =

[8]

Dùng nhiệt độ này để tra các thông số vật lý cần thiết trong “Sổ tay Quá trình
và Thiết bò tập 1&2”, ĐHBK Hà Nội, nếu lưu chất là lỏng.

 Nếu lưu chất là hơi ngưng tụ thì nhiệt độ màng ngưng là:

tm =

[9]

th: nhiệt độ hơi ngưng
tT: nhiệt độ thành thiết bò

3. Để tính được các bước tiếp theo ta sẽ phải giả sử nhiệt độ
thành ống dẫn nhiệt tiếp xúc với lưu chất ngoài ống và lưu
chất trong ống.
Sau khi tính toán ta sẽ kiểm tra điều kiện ổ Grn đònh ở bước 7 , nếu thỏa thì nhận các
giả thiết.

4. Tính hệ số cấp nhiệt α:
a) Đối với chất lỏng:

α=

[10]

- : hệ số dẫn nhiệt, ( W/m2.độ ), tùy theo từng lưu chất và nhiệt độ trung bình của lưu
chất mà tra bảng
-l: kích thước hình học của ống
+ Ống tròn thì l là đường kính trong của ống
+Ống tiết diện khác thì l là đường kính tương đương (dtđ )
-Nu: chuẩn số Nuselt
 Cách tính các chuẩn số:

Tùy theo là đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức mà có các cách tính khác nhau.
Do trong thiết bò trao đổi nhiệt ống chùm đa số là đối lưu cưỡng bức do tác dụng
của ngoại lực như bơm, quạt,… Nên các công thức chuẩn số sau sẽ tính theo đối lưu
cưỡng bức.


Chuẩn số Prantl (Pr): đặc trưng cho tính chất vật lý của chất tải nhiệt
Pr =

[11]

-CP : nhiệt dung riêng đẳng áp của chất tải nhiệt, ( J/kg.độ ) (tra bảng )
- : độ nhớt của chất tải nhiệt (N.s/m2) (tra bảng )
- : hệ số dẫn nhiệt ( W/m2.độ) (tra bảng)



Chuẩn số Reynold ( Re ): đặc trưng cho chế độ chuyển động cưỡng bức của
chất tải nhiệt.
Re =
-l
-ρ
-

[12]

: kích thước hình học
: tốc độ chuyển động của chất tải nhiệt (m/s) (tra bảng)
: khối lượng riêng của chất tải nhiệt (kg/m3) (tra bảng)

: độ nhớt của chất tải nhiệt ( Ns/m2) (tra bảng ).

Tính chất của chế độ chảy theo Re:
+ Re < 2300
: chảy tầng
4
+2300 < Re < 10 : chảy chuyển tiếp từ chế độ chảy tầng sang chảy rối hay
còn gọi là chảy quá độ.
+ Re > 104
: chảy rối.
CHÚ Ý: trong bài ta không tính Re mà sẽ chọn chế độ chảy rồi chọn
Re bất kỳ ứng với giới hạn trong chế độ chảy đó.


Chuẩn số Gratkov ( Gr ): đặc trưng cho chế độ chuyển động trong đối lưu
tự nhiên.
Gr =



-g : gia tốc trọng trường (m/s2)
-l : kích thước hình học (m)

γ=

[13]


-γ : độ nhớt động lực học (m2/s)
-µ : đđộ nhớt của chất tải nhiệt (Ns/m2)

-ρ : khối lượng riêng của chất tải nhiệt (kg/m3)
- : hệ số dãn nở thể tích theo nhiệt độ của chất tải nhiệt (1/oC)
-∆t : hiệu số nhiệt đđộ giữa thành thiết bị với môi trường (oC)



Chuẩn số Nuselt ( Nu ): đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt giữa chất
tải nhiệt và thành thiết bò.
 Chế độ chảy tầng với tiết diện ống là hình tròn ( Re < 2300):

Nu = 0,15. d . Re0,33.Pr0,43.Gr0,1.(

)

-Pr, Re, Gr tính theo các công thức [11], [12] và [13] với các đại lượng
vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của lưu chất.
-PrT tính theo công thức [11] với các đại lượng vật lý tính theo nhiệt độ
thành thiết bi tiếp xúc với lưu chất.
Bảng: Trò số của d
L/dtd

1

2

5

10

15

20

30

40

50 và lớn hơn

d

1,9

1,7

1,44

1,28

1,18

1,12

1,05

1,2

1,00

-L: chiều dài hay chiều cao ống truyền nhiệt

-dtd: đường kính trong của ống truyền nhiệt.
 Chế độ chảy quá độ ( 2300 < Re < 104 ):

Nu = 0,008. Re0,9. Pr0,43

[15]

-Re, Pr tính theo công thức [12], [11] .
 Chế độ chảy rối ( Re > 104 ):
Nu = 0,021. k.

Re0,8. Pr0,43. (

)

[16]


-Re,Pr tính theo công thức [12],[11] với các đại lượng vật lý tra theo
nhiệt độ của lưu chất.
-PrT tính theo công thức [11] với các đại lượng vật lý tra theo nhiệt độ
vách thiết bò tiếp xúc với lưu chất.
-Nếu ống có tiết diện tròn thì các chuẩn số tính theo đường kính trong
của ống. Với tiết diện bất kỳ thì các chuẩn số tính theo đường kính
tương đương.

Bảng: Trò số của k

Re

L/d
1
1,65
1,51
1,34
1,28
1,14

4

1.10
2.104
5.104
1.105
1.106

2
1,5
1,4
1,27
1,22
1,11

5
1,34
1,27
1,18
1,15
1,08

10
1,23
1,18
1,13
1,1
1,05

20
1,13
1,1
1,08
1,06
1,03

30
1,07
1,05
1,04
1,03
1,02

40
1,03
1,02
1,02
1,02
1,01

50 va lon hon
1

1
1
1
1

Chú ý: Nếu lưu chất là chất khí và không xảy ra ngưng tụ thì công thức [16] ,sẽ đơn
giản hơn nhiều vì khi đó chuẩn số Pr là một đại lượng không đổi, không phụ thuộc vào
nhiệt độ và áp suất ( khi áp suất không lớn lắm ). Do đó, (

) = 1.

Trò số gần đúng của chuẩn số Pr đối với một số chất khí như sau:
- Khí đđơn nguyên tử: Pr = 0,67
- Khí hai nguyên tử: Pr = 0,72
- Khí ba nguyên tử: Pr = 0,80
- Khí nhiều nguyên tử: Pr = 1,00.

b) Đối với lưu chất là hơi ngưng tụ:


Trường hợp hơi ngưng tụ bên ngoài thành ống thẳng đứng:

α = 2,04. (



)

(W/m2 độ)

-Nếu hơi ngưng tụ là nước thì công thức [17] đơn giản như sau:

[17]


α = 2,04.tb.A.(
Với

A=(

(W/m2 độ)

)

[18]

)

[19]

Đối với nước, hệ số A có trò số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm như sau:

Bảng: Hệ số A của nước phụ thuộc vào nhiệt độ màng
tm (oC)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

A

104

120

139

155

169

179

188

194

197

199

199

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi (J/kg)
ρ: khối lượng riêng của nước ngưng (kg/m3)
: hệ số dẫn nhiệt của nước ngưng (W/m đđộ)
µ: độ nhớt của nước ngưng (Ns/m2)
H: chiều cao ống thẳng đứng (m)
∆t: hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị (th – tT)
tb: hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy đứng
thường tra theo đồ thò trong các sổ tay kỹ thuật truyền nhiệt
Chú ý: Đại lượng r phải lấy ở nhiệt độ hơi ngưng tụ th còn các đại lượng vật lý
ρ, , lấy theo nhiệt độ trung bình của màng nước tm ( tính theo [9] ).


Trường hợp hơi ngưng tụ bên ngoài ống nằm ngang

α = 1,28.tb.(



)

[20]

-dn : đường kính ngoài của ống (m)
-tb: hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy
đứng thường tra theo đồ thò trong các sổ tay kỹ thuật truyền nhiệt.
Với lưu chất là nước ngưng tụ thì công thức [20] rút gọn:

α = 1,28.A.tb. (



)

[21]


5. Tổng trở nhiệt ∑

+ r2 , m2.độ/W

∑
r1, r2

:

: nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống, m2.độ/W
: chiều dài ống dẫn nhiệt
: hệ số dẫn nhiệt của thành ống ( phụ thuộc vào loại vật liệu lựa chọn )

6. Nhiệt tải riêng q:
Nhiệt tải riêng giữa thành ống và lưu chất:
q = α (t –tT )
Nhiệt tải riêng giữa hai thành ống:
q=




∑

: chênh lệch nhiệt độ giữa 2 thành ống.

7. Điều kiện ổn đònh nhiệt
= |

|

q1 : chênh lệch nhiệt độ giữa thành ngoài ống và lưu chất ngoài ống
q2 : chênh lệch nhiệt độ giữa thành trong ống và lưu chất trong ống
Nếu thỏa điều kiện ta sẽ nhận các nhiệt độ thành thiết bò đã giả sử ở bước 3.
Tính nhiệt tải riêng trung bình
qtb =

8. Xác đònh bề mặt truyền nhiệt
F=

, m2

9. Xác đònh số ống truyền nhiệt
n=

Chọn cách xếp ống ví dụ như hình lục giác hay hình vuông,…
Nếu xếp theo hình lục giác thì:
- Số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh lớn nhất:
n = 3a(a-1)+1
- Số ống trên đường chéo khi xếp theo hình sáu cạnh:
b = 2a-1

10. Tính số ngăn (số pass)
m=
-

gt:

tốc độ chảy lý thuyết của lưu chất trong ống

gt

=

Re: là Re được chọn từ bước tính hệ số cấp nhiệt
- t: tốc độ thực của lưu chất trong ống
t

=

dt: đường kính trong của ống truyền nhiệt

11. Kiểm tra lại chuẩn số Re
Re =

Với n1 =
So sánh với khoảng giới hạn của chế độ chảy đã giả sử ở trên
Nếu thỏa thì đúng, không thì phải chọn chế độ chảy khác.


12. Tính đường kính trong của thiết bò
Nếu cách xếp ống là hình sáu cạnh thì

Với

D = t(b – 1) + 4dn , m
dn – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
t – bước ống, thường chọn t = (1,2 1,5)dn