Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
I.

Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt
Căn cứ vào nguyên lý làm việc, thiết bị trao đổi

nhiệt có
thể phân thành 4 loại chính như sau:
 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vách ngăn.
 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hồi nhiệt.
 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hỗn hợp.
 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt.


1. Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn
- Trong thiết bị này, chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh
truyền nhiệt cho nhau thông qua một vách ngăn (thường là
vách kim loại)
a. Thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc chùm ống
- Loại thiết bị này sử dụng rất phổ cập, đối với công
suất nhỏ thì sử dụng dạng ống lồng ống, công suất lớn thì
sử dụng dạng vỏ bọc ống chùm.


- Trong thiết bị một chất lỏng chảy trong ống và một
chất lỏng chảy ngoài ống


TBTĐN dạng ống lồng ống
TBTĐN dạng ống lồng
song song cùng chiều

ống song song ngược chiều
Căn cứ vào sự bố trí của dòng chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh
có thể phân thành: Lưu động thuận chiều, lưu động ngược chiều,
lưu động cắt nhau và lưu động phức tạp

1 pass ngoài, 2 pass trong ống

2 pass ngoài, 4 pass trong ống


b. Thiết bị trao đổi nhiệt loại có cánh
- Loại thiết bị này thường sử dụng khi cường độ toả nhiệt
của một loại chất lỏng thì rất lớn còn chất kia thì rất bé, để tăng
cường khả năng truyền nhiệt của thiết bị (nó đồng nghĩa với
việc thu gọn kích thước của thiết bị) người ta làm cánh về phía
chất lỏng có cường độ toả nhiệt bé, phổ biến là quá trình trao
đổi nhiệt giữa khí và chất lỏng giọt (cánh được làm về phía khí)


c. Thiết bị trao đổi nhiệt loại xoắn ốc
 Trong loại này chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh lưu động
ngược chiều nhau.
 Ưu điểm:
- Sự chuyển động xoắn ốc có thể làm tăng hệ
số toả nhiệt do sự rối loạn của dòng, độ bám cáu bằng 1/10
loại vỏ bọc ống chùm.
 Nhược điểm: - Vệ sinh khó khăn.
- Cần có áp suất đẩy chất lỏng lớn.

d. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm gợn sóng
- Loại thiết bị này có nhiều dạng, các tấm gợn sóng sẽ tạo
thành các cánh tản nhiệt đồng thời nó cũng có tác dụng gây
nhiễu loạn dòng làm tăng cường độ toả nhiệt.


- Loại này thường áp dụng cho trao đổi nhiệt khí - khí vì hệ
số truyền nhiệt có thể cải thiện rỏ rệt.
- Ví dụ: trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống cường độ
toả nhiệt khoảng 30W/m2.oC còn loại thiết bị này có thể đạt
được 300W/m2.oC


Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm dập sẵn và lắp ghép
- Loại thiết bị này được tạo bở một số tấm kim loại được
dập sẵn các đường chuyển động của chất lỏng sau đó ghép lại
để tạo nên thiết bị trao đổi nhiệt, giữa các tấm có lót lớp đệm
để khi ép chặt chất lỏng không bị rò rỉ.
- Do các tấm có sự tạo hình
khác nhau nên hệ số truyền nhiệt
và trở kháng thuỷ lực cũng khác
nhau tuỳ vào công nghệ chế tạo
tấm dập định hình


- Thiết bị trao đổi nhiệt loại này thường có hiệu suất cao, trở
lực nhỏ, kết cấu chặt chẽ, lượng tiêu hao nguyên vật liệu thấp,
tính linh hoạt trong sử dụng lớn, tháo lắp làm vệ sinh dễ dàng,
vì vậy thường được dùng trong các thiết bị sưởi ấm, thực phẩm,

y tế, hoá học…


2. Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt
• Các bề mặt trao đổi nhiệt khi tiếp xúc với chất lỏng nóng
nó nhận nhiệt từ chất lỏng nóng, sau môt thời gian các bề mặt
này lại tiếp xúc với chất lỏng lạnh để nhả nhiệt cho chất lỏng
lạnh, đặc tính truyền nhiệt trong loại thiết bị này là có chu kỳ và
không ổn định.


• Do tiếp xúc giữa chất lỏng nóng và lạnh không được
tinh khiết như các loại trên nên loại này không được sử
dụng rộng rải lắm.
• Kết cấu chặt chẽ, có thể đạt được năng suất lớn nên
thường được sử dụng làm tháp sấy gió, bộ sấy không khí
trong lò hơi nhà máy điện


3. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp
- Các dòng chất lỏng có nhiệt độ khác nhau trộn lẫn nhau
để tạo ra dòng chất lỏng khác thoả mãn các yêu cầu về kỹ
thuật, quá trình truyền nhiệt và truyền chất sẽ xảy ra đồng thời
- Kết
đơn giản rẻ
trong
thiếtcấu
bị này.
tiền, hiệu quả cao, mức độ
điều chỉnh nhanh nên nó

cũng thường được sử dụng
như tháp giải nhiệt, bộ điều
chỉnh nhiệt độ hơi


4. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt
- Dòng chất lỏng nóng toả nhiệt đốt nóng môi chất lỏng
lạnh trong ống nhiệt, sau đó chất lỏng nhả nhiệt cho chất lỏng
lạnh. Nếu chất lỏng trong ống nhiệt không có sự chuyển pha,
thiết bị gọi là xiphông nhiệt, nếu chất lỏng có sự chuyển pha thì
gọi là ống nhiệt


II. Các phương trình cơ bản để tính toán nhiệt của thiết bị
trao đổi nhiệt loại vách ngăn
Tính toán nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt thường có 2 yêu
cầu chính là:
• Thiết kế mới thiết bị trao đổi nhiệt
• Tính toán kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị trao đổi
nhiệt đã có sẵn.


• Thiết kế mới thiết bị trao đổi nhiệt:
 Xác định diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị.
 Căn cứ vào diện tích yêu cầu để chế tạo.
• Tính toán kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị trao đổi
nhiệt đã có sẵn:
 Xác minh khả năng truyền nhiệt của thiết bị.
 Xác định nhiệt độ đầu ra của các chất mang nhiệt.
• Việc tính toán dựa vào 2 phương trình cơ bản:

 Phương trình cân bằng nhiệt.
 Phương trình truyền nhiệt.


1. 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 độ do
chất lỏng nóng nhả ra bằng nhiệt lượng do chất lỏng lạnh nhận
được.
Q = G1cp1(t1' – t1")= G2cp2(t2" – t2')
[W]

(1.1)


Trong đó:
• Q: Nhiệt lượng truyền của thiết bị trao đổi nhiệt, [W]
• G1, G2 : Lưu lượng khối lượng nước của chất lỏng
nóng
và lạnh,

[kg/s]

• cp1, cp2 : Nhiệt dung riêng của chất lỏng nóng
và lạnh,

.

[kJ/kg.ºC]

• t1', t2' : Nhiệt độ chất lỏng nóng và lạnh ở đầu vào,
[ºC]
•


Trong tính toán người ta thường đưa ra đại lượng
C = G.cp gọi là nhiệt dung lưu lượng khối lượng hoặc còn gọi
là đương lượng không khí của chất lỏng (vì gần đúng xem nhiệt
dung riêng của không khí cpk = 1 kJ/kg.ºC).
Do đó phương trình (1.1) có thể viết dưới dạng:
C1
t " − t2 ' δt 2
= 2
=
C2
t1 ' − t1 "
δt1

(1.2)


- Phương trình (1.2) cho thấy chất lỏng nào có C lớn thì nhiệt
độ biến đổi ít, và ngược lại.
- Trường hợp chất lỏng nào thực hiện quá trình trao đổi nhiệt
có biến đổi pha (ví dụ chất lỏng sôi hoặc ngưng tụ) thì nhiệt độ
của chất lỏng đó sẽ không thay đổi và đương lượng không khí
được xem C = vô cùng.
- Nếu viết phương trình (1.2) ứng với phân tố bề mặt trao đổi
C1
dt

nhiệt dF thì phương trình (1.2) có dạng:
= 2
C2
dt1
(1.3)
- dt1: Độ giảm nhiệt độ chất lỏng nóng
- dt2: Độ giảm nhiệt độ chất lỏng lạnh


2. Phương trình truyền nhiệt
- Nhiệt lượng của chất lỏng nóng truyền cho chất lỏng lạnh
sẽ 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 tố bề
mặt truyền nhiệt dF là:
dQ=k(t1 – t2)dF=k∆tdF
(1.4)
Trong đó:
k: - Hệ số truyền nhiệt, W/m2.oC.
(t1 – t2): - Độ chênh nhiệt độ giữa chất lỏng nóng và lạnh trên


- Tích phân (1.4) trên toàn bề mặt F ta được:
(1.5)
- Trong trường hợp tổng quát, độ chênh nhiệt độ giữa chất
lỏng nóng và lạnh sẽ thay đổi trên bề mặt trao đổi nhiệt, hệ số
truyền nhiệt k cũng có sự thay đổi nhưng không đáng kể, do đó
khi tính toán có thể xem k = const. Phương trình (1.5) có thể
(1.6)
được viết lại
- Là độ chênh nhiệt độ trung bình giữa chất lỏng nóng và

chất lỏng lạnh. Giá trị của nó phụ thuộc vào sơ đồ chuyển động
và tỷ số đượng lượng không khí của chất lỏng.


- Phần lớn các thiết bị trao đổi nhiệt công suất nhỏ thường
bố trí chất lỏng lưu động song song ngược chiều (đôi khi
thuận chiều), các thiết bị công suất lớn thường bố trí lưu động
phức tạp.
- Trên hình dưới dây, thể hiện sự biến thiên nhiệt độ của 2
chất lỏng nóng và lạnh lưu động song song cùng chiều và
ngược chiều với đương lượng nước khác nhau.


- Khi chất nào có đương lượng không khí C lớn thì nhiệt độ
biến thiên nhỏ và ngược lại
- Khi bố trí lưu lượng thuận chiều nhiệt độ ra của chất lỏng
lạnh luôn nhỏ hơn nhiệt độ ra của chất lỏng nóng.


- Khi bố trí ngược chiều thì nhiệt độ ra của chất lỏng lạnh
có thể cao hơn hoặc thấp hơn nhiệt độ ra của chất lỏng nóng
tuỳ thuộc vào trị số đương lượng C1 và C2
3. Tính độ chênh nhiệt độ trung bình của thiết bị trao đổi nhiệt
- Xét thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều như hình vẽ