Tinh toan Thiet Bi Trao Doi Nhiet

LOGO

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
HEAT EXCHANGER


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

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống


CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

TBTĐN dạng ống lồng ống song song cùng

TBTĐN dạng ống lồng ống song song ngược

chiều

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
2o
toả nhiệt khoảng 30W/m . C
2o
còn loại thiết bị này có thể đạt được 300W/m . C


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 máyđiện


CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

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 trong thiết bị này.

-Kết cấu đơn giản rẻ 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
quá nhiệt…

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 = G c (t ' - t ")= G c (t " - t '), [W]
1 p1 1 1
2 p2 2
2

Trong đó:
-Q: Nhiệt lượng truyền của thiết bị trao đổi nhiệt, [W]
-G , G2 : Lưu lượng khối lượng nước của chất lỏng nóng và lạnh, kg/s
1
-cp1, c : Nhiệt dung riệng của chất lỏng nóng và lạnh, kJ/kg.ºC
p2
-t ', t ' : Nhiệt độ chất lỏng nóng và lạnh ở đầu vào, ºC
1 2
-t ", t " : Nhiệt độ chất lỏng nóng và lạnh ở đầu ra, ºC
1 2

(1.1)


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 t2 " − t2 ' δ t2
=
=
C2 t1 ' − t1 " δ t1
(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 nhiệt dF thì phương trình (1.2) có dạng:

(1.3)

-dt1: Độ giảm nhiệt độ chất lỏng nóng

-dt2: Độ giảm nhiệt độ chất lỏng lạnh

C1 dt2
=
C2 dt1


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(t -t )dF=k∆tdF
1 2

(1.4)

Trong đó:
2o

k - Hệ số truyền nhiệt, W/m . C.

(t1-t2) -Độ chênh nhiệt độ giữa chất lỏng nóng và lạnh trên bề mặt phân tố dF.


-

Tích phân (1.4) trên toàn bề mặt F ta nhận được nhiệt lượng truyền của thiết bị trao đổi nhiệt:
Q=

k∆tdF

∫

(1.5)

-Trong trường hợp tổng quát, độ chênh nhiệt
F độ giữa chất lỏng nóng và chất lỏng 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 được viết lại
Q = kF

t

(1.6)

t -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 C 1 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

Qua bề mặt phân tố dF bất kỳ, nhiệt lượng trao đổi giữa các chất lỏng
được xác định bằng phương trình:
(a)
dQ=k(t1-t2)dF=k∆tdF
∆t = t1 – t2 - Độ chênh nhiệt độ giữa 2 chất lỏng ở tiết diện F bất kỳ


Do kết quả của quá trình trao đổi nhiệt, nhiệt độ của chất lỏng nóng giảm 1 lượng dt1, nhiệt độ của chất lỏng lạnh tăng 1 lượng dt2. Do đó ta

có phương trình cân bằng nhiệt đối với phân tố dF là:
(b)

dQ = -C1dt1 = C2dt2

− dQ

dt1 =
C1

Ta có thể viết

dQ
dt2 =
C2

 1
1 
d (t1 − t2 ) = −  + ÷dQ
 C1 C2 

Hay:

Đặt

 1
1 
m= + ÷
 C1 C2 

Thế (a) vào (d) ta có:

(c)

(d)

d (∆t )
= −mkdF
∆t

(e)

Tích phân 2 vế của phương trình trên ta có:

∆t

F

d (∆t )
∫∆t ' ∆t = −mk ∫0 dF
Suy ra:

Hoặc:

∆t
ln
= −mkF
∆t '

∆t = ∆t '.e

− mkF

Độ chênh nhiệt độ giữa các chất lỏng biến đổi theo qui luật hàm mũ.

(1.7a)

(1.7b)


Để xác định độ chênh trung bình nhiệt độ trên bề mặt F, chúng ta áp dụng cách tính trung bình tích phân

F

1
= ∫ ∆tdF
F0

Thế (1.7b) vào (f) và tích phân ta có:

(f)

F

∆t ' − mkF
∆t '
− mkF
=
e
dF
=
e
− 1)
(
∫
F 0

−mkF
Thế (1.7a) và (1.7b) vào (g) ta có:

=

(g)

∆t '  ∆t
 ∆t − ∆t '
−
1
=

÷
∆t  ∆t ' 
∆t
ln
ln
∆t '
∆t '

(1.8)