8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Chương 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
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
p.1p.1
8/2009
5.1 Các dạng bài toán truyền nhiệt tổng hợp
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
a) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG
Xét vách phẳng 1 lớp, dày δ, HSDN λ
Môi chất nóng có tf1, α1 ; Môi chất lạnh có tf2, α2
Bài toán kết hợp vừa đối lưu và dẫn nhiệt
Q
(W)
t
( tkQ =
f
f
2
hay
(W/m2)
t
q
−
=
1 − ( tk
1
f
)F )2
f
Muốn tính q phải xác định HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT k (W/m2.độ)
p.2p.2
8/2009
t
)
w
2
Q
F
t
=
−
=
=
−
( t
)F
) Ft 1 w
α 1
1
f
α 2
f
2
w
2
− 1 w δ
t
t
t
t
t
t
−
−
−
t
2
1
f
f
f
2
(W) Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM (cid:190) Tính hệ số truyền nhiệt k ( t λ ( t
q
=
=
=
=
1 f /1
2 w /1
/1
/1
t − 1 w w / λδ
+
2 +
1 w α 1
α 2
/ αλδα 2
1
(W/m2)
=k
/1
/1
+
+
1 / αλδα 2
1
(W/m2.độ) Hệ số truyền nhiệt
=
+
+
q
=
Rtđ
R 1 α
R λ
R 2 α
t Δ tđR
với : (cid:153) Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương:
=
+
1 α 1
1 δ + αλ 2
(m2.độ/W)
t
t
=
−
t
t
q
t
q
=
−
+
+
f
w 1
1
Nhiệt độ bề mặt vách:
w
f
f
1
2
2
q α 1
1 α 2
1 α 1
⎞ δ =⎟⎟ λ ⎠
⎛ ⎜⎜ ⎝ p.3p.3
và
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
b) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ
Q
t
=
Ta có:
) π
Ld 1
1 w
1
1
−
1 w
Q
=
2
ln
2 d d 1
t w ⎛ ⎜⎜ ⎝
t
=
⎞ ⎟⎟ ⎠ ) π
Ld 2
2
2
2
f
Xét vách trụ có chiều dài L, đường kính d1/d2. Môi chất nóng trong ống có tf1, HSTN α1 Môi chất lạnh bên ngoài có tf2, HSTN α2 ( t α − f t 1 2 L πλ ( t α − w
t
t
t
t
t
t
−
−
f
2
w
f
2
f
1
w 1
1
w 1
q
=
=
=
=
L
2
2
ln
ln
+
− 1 d πα 2
2
− 1 d πα 1 1
t 1 2 πλ
1 2 πλ
f 2 d d 1
1 d πα 1 1
1 d πα 2
2
⎛ ⎜⎜ ⎝
⎞ +⎟⎟ ⎠
t w 2 ⎛ d ⎜⎜ d ⎝ 1
⎞ ⎟⎟ ⎠
p.4p.4
Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là:
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
(cid:153) Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống:
=
+
+
q
=
Rtđ
R 1 α
R λ
R 2 α
L
t Δ R tđ
2
ln
=
+
1 2 πλ
1 d πα 1 1
d d 1
1 d πα 2
2
⎞ +⎟⎟ ⎠
⎛ ⎜⎜ ⎝
với : (m.độ/W)
1
q
t
−
(cid:153) Ngoài ra có thể tính qL theo hệ số truyền nhiệt đường kL
=
( k t = π L
L
f
f
1
)2
kL
2
ln
+
+
1 2 λ
1 d α 11
d d 1
1 d α 2
2
1
k
=
với: (W/m.độ)
L
n
ln
+
∑
1 d
i
1 =
1 d α 11
1 2 λ i
d 1 i + + d i
α 2
n
1 +
CHÚ Ý: Đối với vách nhiều lớp:
p.5p.5
Sau khi có qL , có thể tính được tw1 , tw2
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Xeùt moät VP daøy δ, HSDN λ. Moät beân
ñöôïc laøm caùnh baèng vaät lieäu coù HSDN
raát lôùn. Dieän tích BM khoâng laøm caùnh
c) Truyeàn nhieät qua vaùch coù caùnh
F1, beà maët coù caùnh F2 (goàm caû phaàn caùnh vaø phaàn khoâng caùnh).
Q
t
α=
−
)
( tF 11
1
f
1 w
(a)
Q
t
−
=
)
( tF 1
2
w
1 w
Q
t
λ δ α=
−
( tF 22
2
2
w
f
⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ )⎪ ⎭
t
t
1
f
1 w
=
− Q
t
t
2
w
1 w
=
Nhieät trôû cuïc boä:
(b)
− Q
1 F α 11 1 δ F λ 1
t
t
2
2
w
f
=
− Q
α
1 F 22
⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭
p.6p.6
8/2009
Coäng töøng veá cuûa (b) ta coù Nhieät trôû toaøn phaàn:
t
t
−
f
f
1
2
R
=
=
+
Q
δ ⋅+ λ
1 F α 11
1 F 1
1 F α 2 2
⎞ ⎟⎟ ⎠
⎛ ⎜⎜ ⎝
t
−
2f
Q
=
Vaø tính ñöôïc Q:
⋅
+
+
1f δ λ
α
α
t 1 F 1
1 F 22
1 F 11
Cũng có thể viết:
(W)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
với:
)KW(
=
k ca
⋅
+
+
δ λ
α
1 1 F 1
1 F α 11
1 F 22
Hoặc neáu tính theo 1 ñôn vò dieän tích BM khoâng caùnh thì:
1
k
=
t
q
=
=
−
1
2mW
1
( tk 1
1f
)2f
với:
Q F 1
+
+
1 α
δ λ
1
F1 1 F α 2
2
p.7p.7
Q = kca(tf1 – tf2)
8/2009
Nếu theo 1 ñôn vò dieän tích BM coù caùnh thì:
2mW (
)
q
t
=
=
−
2
( tk 2
1f
)2f
Q F 2
)m(W 2K
k
=
2
với
+
+
1 δ λ
1 α
F1 2 F α 1
1
F 2 F 1
2
Heä soá laøm caùnh : F2/F1 = βc.
p.8p.8
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
5.2 Tính toán thiết bị Trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh
Caùc chaát taûi nhieät chuyeån ñoäng caùch bieät bôûi vaùch ngaên laø BMTN.
(cid:190) Giới thiệu TBTÑN loaïi vaùch ngaên cánh
TBTÑN LOAÏI VOÛ BOÏC CHUØM OÁNG (Tubes & Shell):
coâng suaát nhoû: daïng oáng loàng oáng,
CS lôùn: daïng voû boïc chuøm oáng (nhö sô ñoà)
p.9p.9
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Tubes & Shell
p.10p.10
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
p.11p.11
THIEÁT BÒ TRAO ÑOÅI NHIEÄT KIEÅU DAØN OÁNG COÙ CAÙNH
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
DÀN NGƯNG NH3 TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ
p.12p.12
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Nồi hơi công nghiệp
p.13p.13
8/2009
(cid:190) PHÂN LOẠI Theo hướng löu ñoäng cuûa doøng MC: löu ñoäng thuaän chieàu, ngöôïc chieàu,
caét nhau vaø löu ñoäng phöùc taïp
p.14p.14
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Tính toaùn TBTÑN thöôøng coù hai daïng:
- Tính thieát keá: xaùc ñònh F (ôû cheá ñoä ñònh möùc). - Tính kieåm tra: xaùc minh Q, nhieät ñoä cuoái (nhieät ñoä ra) cuûa MC.
2 phöông trình cô baûn: PT caân baèng nhieät vaø PT truyeàn nhieät.
(cid:153) Phöông trình caân baèng nhieät
2
=
=
(W)
Boû qua TT nhieät ra moâi tröôøng thì: Qnhaû = Qnhaän Khi khoâng coù bieán ñoåi pha, tacoù: ( t
( t
) =′′−′ t 1 1
cGQ = 1
)2 ′−′′ t 2
cG 2
2
1 p
p
C 1 C
t δ t δ
2
′−′′ t t 2 2 ′′−′ t t 1 1
1
MC naøo coù C lôùn thì nhieät
C = Gcp : nhieät dung löu löôïng khoái löôïng (ñöông löôïng khoâng khí cuûa chaát loûng).
ñoä bieán ñoåi ít vaø ngöôïc laïi.
p.15p.15
a) CÁC PT CƠ BẢN ĐỂ TÍNH TOÁN NHIỆT TBTĐN LOẠI VÁCH NGĂN CÁNH
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Nhieät löôïng trao ñoåi qua phaân toá BM truyeàn nhieät dF:
dQ
t
dFtk
=
−
Δ=
) dF
( tk 1
2
− ñoä cheânh nhieät ñoä giöõa 2 MC treân beà maët dF.
(t1 – t2)
Tích phaân treân toaøn beà maët F:
Q
tdF
=
(cid:153) Phöông trình truyeàn nhieät
∫ Δ k
F
do heä soá k thay ñoåi ít (k = const):
tkFQ Δ=
Tính
tΔ
: ñoä cheânh nhieät ñoä trung bình giöõa MCN vaø MCL.
tΔ
Trò soá tuøy thuoäc vaøo sô ñoà chuyeån ñoäng cuûa caùc chaát loûng.
tΔ
p.16p.16
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
t Δ
min
t =Δ
max
b) TÍNH ÑOÄ CHEÂNH NHIEÄT ÑOÄ TRUNG BÌNH
CT chung cho caû löu ñoäng thuaänchieàulaãnngöôïcchieàu:
ln
t Δ− max t Δ t Δ
min
ΔΤmax
ΔΤmax
ΔΤmin
p.17p.17
ΔΤmin
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
kF
Q
t
Δ
=
Caàn gia nhieät daàu G2 = 1000 kg/h töø t’2 = 20 oC ñeán t’’2 = 180 oC
VD: baèng khoùi noùng coù t’1 = 280 oC. Bieát t’’1 = 200 oC; k = 35 W/(m2K); cp1 = 1,1 kJ/(kgK); cp2 = 2,3 kJ/(kgK). Tính dieän tích TÑN (F) khi boá trí doøng chuyeån ñoäng ngöôïc chieàu. GIAÛI: Söû duïng PT TRUYEÀN NHIEÄT Cheânh leäch nhieät ñoä taïi hai ñaàu thieát bò:
t
180
100
o
min
max
136
C
t =Δ
=
=
Ñoä cheânh nh/ñoä trung bình:
max
ln
ln
− 180 100
Δ− t Δ t Δ
min
t’1 - t’’2 = 280 – 180 = 100 oC = Δtmin t’’1 - t’2 = 200 – 20 = 180 oC = Δtmax t Δ
Nhieät löôïng caáp cho daàu: Q = G2 cp2 (t’’2 - t’2 )
tkQF Δ
=
= 1000 . 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW
p.18p.18
Vaäy = 102,2 / (0,035 . 136,1) = 21,46 m2
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Tröôøng hôïp coù saün TBTĐN, bieát nhieät ñoä vaøo
, dieän tích F vaø heä soá
,
1t′
2t′
truyeàn nhieät k (öôùc tính). Caàn xaùc ñònh Q ,
1t ′′
vaø
2t ′′
Q
Hieäu suaát TBTĐN:
=ε
=
Q
Doøng nhieät Doøng nhieät
truyeàn toái ña
qua thieát bò coù truyeàn theå
max
Q − Doøng nhieät thöïc truyeàn trong thieát bò. Qmax − Doøng toái ña hay löôïng nhieät truyeàn giaû thieát.
Q
C
=
( t
c) PHÖÔNG PHAÙP HIEÄU SUAÁT (phương pháp NTU)
với
max
min
)2 ′−′ t 1
Q
Q
C
ε=
ε=
( t
max
min
)2 ′−′ t 1
p.19p.19
8/2009
Hieäu suaát TBTĐN laø haøm cuûa NTU vaø C* = Cmin / Cmax:
(
NTU
*C
,
)
f=ε
NTU =
NTU : laø ñôn vò chuyeån nhieät (Number of Transfer Units):
kF minC
p.20p.20
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
Thieát bò ñun nöôùc noùng baèng khoùi thaûi töø ÑCÑT, loaïi löu ñoäng
VD:
G2 = 3,2 kg/s; cp2 = 4,18 kJ/(kgK); t’2 = 50 oC
ngöôïc chieàu, coù caùc thoâng soá sau: Phía khoùi noùng: G1 = 0,8 kg/s; cp1 = 1,12 kJ/(kgK); t’1 = 450 oC. Phía nöôùc: Dieän tích truyeàn nhieät F = 15 m2; k = 85 W/(m2K). a) Haõy tính Q; nhieät ñoä ra cuûa khoùi vaø nöôùc. b) Neáu ñoäng cô vaän haønh non taûi vôùi G1* = 0,5G1, caùc ñieàu kieän ban ñaàu khaùc khoâng thay ñoåi thì nhieät löôïng trao ñoåi vaø nhieät ñoä nöôùc ra seõ laø bao nhieâu?
a) Tính Q vaø nhieät ñoä cuoái caùc chaát, duøng pp NTU
GIAÛI: Cheânh leäch nhieät ñoä taïi hai ñaàu thieát bò:
C1 = G1 cp1 = 0,8 . 1,12 = 0,896 kW/K = Cmin C2 = G2 cp2 = 3,2 . 4,18 = 13,376 kW/K = Cmax
Nhieät löôïng truyeàn cöïc ñaïi:
p.22p.22
Qmax = Cmin (t’1 - t’2 ) = 0,896 (450 – 50) = 358,4 kW
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
C
* CC =
max
min
= 0,896 / 13,376 = 0,067
NTU = kF/Cmin = 85 . 15 / 896 = 1,42
ε = 0,72
Hieäu suaát thieát bò (tra ñoà thò): Nhieät löôïng trao ñoåi: Q = ε Qmax = 0,72 . 358,4 = 258 kW
Nhieät ñoä khoùi thoaùt: Nhieät ñoä nöôùc ra: t1’’ = t1’ – Q/C1 = 450 – 258 / 0,896 = 162 oC t2’’ = t2’ + Q/C2 = 50 + 258 / 13,376 = 69,3 oC
b) Neáu ñoäng cô vaän haønh non taûi vôùi G1* = 0,5G1
Cmin giaûm 2 laàn ->
C* giaûm 2 laàn = 0,033 NTU taêng 2 laàn = 2,84 Qmax giaûm 2 laàn
HS truyeàn nhieät luùc ñoù = 0,92
Do vaäy: Q = 0,92. 358,4 / 2 = 164,8 kW
p.23p.23
t2’’ = 50 + 164,8 / 13,376 = 62,3 oC
