MH thiết bị truyền nhiệt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MÔ HÌNH HÓA–MÔ PHỎNG–TỐI ƯU HÓA

TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TS. Nguyễn Đình Thọ
Bộ môn: Quá trình và thiết bị CN Hóa – Sinh học – Thực phẩm


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH
trinhvandung190361

5.1 Mục đích mô hình hoá
5.2 Cơ sở toán học
5.3 Mô hình thiết
ế bị thủy lực
5.4 Mô hình thiết bị truyền nhiệt
5 6 Mô hình thiết bị truyền khối
5.6
5.7 Mô hình thiết bị phản ứng
…

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

2


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH
trinhvandung190361

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

3


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4. Mô hình toán thiết bịị trao đổi nhiệt
ệ
Theo cấu trúc dòng chia thiết bị trao đổi nhiệt thành:
-Khuấy
y lýý tưởngg
-Đẩy lý tưởng

-Thiết bị “khuấy – khuấy”
-Thiết
ế bị “khuấy
ấ – đẩy”
ẩ
-Thiết bị “đẩy – đẩy”

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

4


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4. Mô hình toán thiết bịị trao đổi nhiệt
ệ
Cân bằng nhiệt: dQ  G1C1dT1  G2C2 dT2  Gh rh



Phương trình truyền nhiệt: dQ  KtdF
Hệ số truyền nhiệt: K 

1


1
 r1   r2 
1

2
1

1
r1 r2
2


01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

5


190361

MƠ HÌNH TỐN CÁC Q TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4. Mơ hình tốn thiết bịị trao đổi nhiệt

ệ
TT

Nhiệt trở:

K

Chất tải nhiệt

t > 50 0C

1


1
 r1   r2 
1

2
1

1

Nước cất

9.105

t > 115 0C


2

Nước biển

9.105

1,8.104

3

Nước máy, nước giếng, nước hồ

1,8.104

3,5.104

4

Nước sông chất lượng tốt, W < 0,9 m/s 3,5.1044

5,3.1044

5

Nước sông chất lượng tốt, W > 0,9 m/s 1,8.104

3,5.105

6

Nước sông bẩn, W < 0,9 m/s

5,3.104

7,1.104

7

N cù sôâng bbẩån, W > 00,99 m/s
Nướ
/

33,5.10
5 1044

8

Dầu thô

9.104

55,3.10
3 1055


9

Dầu khoáng

1,8.104



10 Chat
Chất hưu
hữu cơ
cơ, nướ
nươcc muố
muoi,
i tá
tacc nhan
nhân lanh
lạnh 11,8.10
8 104



1,8.104



9.105



ï
133 Hơi tác nhân lanh

3,5.1004
3,5.



14 Không khí

3,5.104



11 Hơi nước có lẫn dầu
12 Hơi chất hữu cơ

01.03.2018
20:00

Rtn, m2.K/W
tải nhiệt,
Nước,

Mơ hình hóa – Mơ phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

6


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.1 Mô hình toán thiết bịị khuấyy lýý tưởngg
Mô hình toán:
VC P

dT
 Q  C P T 0  T   K T F  T
dt

Với: V – thể tích, m3;
  khối lượng riêng, kg/m3;
CP – nhiệt dung riêng, J/kg.K;
Q – lưu
l lượng,
l
m3/s;
/
F – diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2;
KT – hệ số truyền nhiệt,
nhiệt W/m2.K;
K;
T – hiệu số nhiệt độ trung bình, K;
ệ độ
ộ đầu vào,, K;;
T – nhiệt
t – thời gian, s.
01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

Q

T0

F

MS: CH2051

T
T Q
7


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.2 Mô hình toán thiết bịị đẩyy lýý tưởngg
Mô hình toán:
SC P

T
T
F
 Q C P

K T T
t

L

Với: S – diện tích tiết diện, m2; , L chiều dài, m;
  khối
ố lượng riêng, kg/m3;
CP – nhiệt dung riêng, J/kg.K;
Q – lưu lượng,
lượng m/s; T( , t) – hàm phân bố nhiệt độ,
độ K.
K
S dV  Sd
Ci

Q


01.03.2018
20:00

d
L

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

8


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3 Mô hình toán thiết bịị “khuấyy – khuấy”
y
Năng suất truyền qua F khác nhau không nhiều:
Q

T0

F

T
T Q

W1 Q1 T01
W2 Q2 T02

01.03.2018
20:00

TT=T3

Q1 T1
Q2 T2

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

9

190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3 Mô hình toán thiết bịị “khuấyy – khuấy”
y
Năng suất truyền qua F khác nhau không nhiều: F1 = F2 = F
Q

T0

W1 Q1 T01
W2 Q2 T02

TT=T3

Q1 T1
Q2 T2

F

T
T Q

dT 1

V
C


 1 1 P 1 dt  Q 1  1 C P 1 T 01  T1   K T F1 T1  T 2 

dT 2
V  C
 Q 2  2 C P 2 T 02  T 2   K T F 2 T1  T 2 
 2 2 P 2 dt
01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

10


4.3 Mô hình toán thiết bịị “khuấyy – khuấy”
y
Năng suất truyền qua F không thể bỏ qua:
G3 – khối lượng thành ống
W1 Q1 T01
W2 Q2 T02

TT=T3

190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

Q1 T1
Q2 T2

dT 1

V

C
 1 1 P 1 dt  Q 1  1 C P 1 T 01  T1    1 F1 T1  T 3 

dT 2

 Q 2  2 C P 2 T 02  T 2    2 F 2 T 3  T 2 
V 2  2 C P 2
dt

dT 3

 G 3 C 3 dt   1 F1 T1  T 3    2 F 2 T 3  T 2 

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

11

190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.4 Mô hình toán thiết bịị “khuấyy – đẩy”
y
Năng suất truyền qua tường F có thể bỏ qua:
W1 Q1 T01
W2 Q2 T02

T3

Q1 T1
Q2 T2

dT 1
F1

V 1  1 C P 1 dt  Q 1  1 C P 1 T 01  T1   L K T T1  T 2 

T2
T2
F2
S  C
  Q 2  2C P 2

K T T1  T 2 
 2 2 P 2  t

L

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

12


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.4 Mô hình toán thiết bịị “khuấyy – đẩy”
y
Năng suất truyền qua tường F không có thể bỏ qua:
W1 Q1 T01
W2 Q2 T02

T3

Q1 T1
Q2 T2

dT 1
F1

V 1  1 C P 1 dt  Q 1  1 C P 1 T 01  T1   L  1 T1  T 3 


 T3

  1 F1 T1  T 3    2 F 2 T 3  T 2 
 G 3C 3
t

T2
T2
F2

 S 2  2 C P 2  t   Q 2  2 C P 2    L  2 T 3  T 2 

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

13


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y
Năng suất truyền qua tường F có thể bỏ qua:
W1 Q1 T01

W2 Q2 T02

T3

Q1 T1
Q2 T2

 T1
 T1
F1

S

C


Q

C

K T T1  T 2 
1 1
P1
 1 1 P 1  t

L

T2
T2
F2

S  C
K T T1  T 2 
  Q 2  2C P 2

 2 2 P 2  t

L

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

14


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y
Năng suất truyền qua tường F không có thể bỏ qua:
W1 Q1 T01
W2 Q2 T02

T3

Q1 T1
Q2 T2

 T1
F1
 T1

 S 1  1 C P 1  t   Q 1  1 C P 1    L  1 T1  T 3 

T2
T2
F2


  Q 2  2C P 2
 2 T 3  T 2 
 S 2  2C P 2
t

L

 T3

 G 3 C 3     1 F1 T1  T 3    2 F 2 T 3  T 2 

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

15


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y

Trong thiết bị ống lồng ống làm lạnh chất lỏng bằng tác nhân lạnh
chuyển động xuôi chiều. Tính nhiệt độ đầu ra và frofil nhiệt độ?
Thông số
T, оС
T
С
Q, m3/s
, kg/m3
Cp, J/kg.оС
d, m

01.03.2018
20:00

Chất tải nhiệt
Nóng
Nguội
200

35
2,3.104
5,1.104
900
1000
3,35.103
4,19.103
0,01
0,03

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

16


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y

Trong thiết bị ống lồng ống làm lạnh chất lỏng bằng tác nhân lạnh
chuyển động ngược chiều. Tính nhiệt độ đầu ra và frofil nhiệt độ?
W1 Q1 T01
W2 Q2 T02
Thông số

Q2 T2

Chất tải nhiệt
Nóng (1)
Nguội (2)

T, оС
T
200
2,3.104
Q, m3/s
, kg/m3
900
Cp, J/kg.оС 3,35.103
d, m01.03.2018
0,01
20:00

T3

Q1 T1

35
5,1.104
1000
4,19.103
0,03

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

17


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y
Trong thiết bị ống lồng ống coi gần đúng là đẩy lý tưởng, xuôi chiều
W1 Q1 T01
W2 Q2 T02

T3

Q1 T1
Q2 T2

 T1
 T1
F1

 S 1  1 C P 1  t   Q 1  1 C P 1    L K T T1  T 2 

T2
T2
F2
S  C

K T T1  T 2 
  Q 2  2C P 2

 2 2 P 2  t

L

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

18


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y
Ở chế độ ổn định có:
  T1
  t  0

 T2  0
  t

W1 Q1 T01
W2 Q2 T02

T3

Q1 T1
Q2 T2

Thu được
ợ mô hình toán:
K T d
 dT 1
 d    Q  C T1  T 2 

1 1
P1

 dT 2  K T  d T  T 
1
2
 d 
Q 2  2C P 2
01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

19

190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y
Đặt:
K T d

 b1  Q  C

1 1
P1

b  K T d
 2
Q 2  2C P 2

W1 Q1 T01

T3

W2 Q2 T02

Q1 T1
Q2 T2

Theo phương pháp Euler:




 T1 i  T1 i  1  hb 1 T1 i  1  T 2i  1
 i
 T 2  T 2i  1  hb 2 T1 i  1  T 2i  1
01.03.2018
20:00




Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

20


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y
Đặt:
Nhiệt độ, oC

K T d


 b1  Q  C

1 1
P1

b  K T d
 2
Q 2  2C P 2

Theo phương pháp Euler:
Chiều dài thiết bị, m




 T1 i  T1 i  1  hb 1 T1 i  1  T 2i  1
 i
 T 2  T 2i  1  hb 2 T1 i  1  T 2i  1
01.03.2018
20:00




Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

21

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y
Sơ đồ khối:

190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

Bắtđầu

d, v1 , v 2 , p i ,
C
Nhập:  p1 , C p2 , h, h1 , K, T1 , T2

Xâ d
đồ
Xây dựng sơ đồ
Nhiệt độ

b1 

K πd
v1  ρ 2  C p1

l  0, n  0
I Ih
n  n 1

220

T1  T1  b1  T1  T2   h

T2  T2  b 2  T1  T2   h

176

Đưa đồ thị nhiệt độ Т1 và Т2

t1
t2
2

132
S

88

n  hh
l
Đưa ra: l, T1, T2

44

n0

0

0

20

40

60

80

100

L

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

l  lK
Đ
Kết thúc

MS: CH2051

22


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

Nhiệt độ, oC

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y

Chiều dài thiết bị, m

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

23


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y

t1
t2

220

750

176

600

132

t1

88

t2

44
0

450
300
150

0

20

40

60

80

100

0

0

L

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

20

40

60

80

100

L

MS: CH2051

24

190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.5 Mô hình toán thiết bịị “đẩyy – đẩy”
y

01.03.2018
20:00

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

25