Bài giảng Truyền nhiệt VP (phần 4)

Chương 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.1 5.1 Các dạng bài tốn Truyền nhiệt tổng hợp 5.2 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh a) Các pt cơ bản để tính tốn TB trao đổi nhiệt b) Độ chênh nhiệt độ trung bình c) Phương pháp hiệu suất Q5.1 Các dạng bài tốn truyền nhiệt tổng hợp a) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG Xét vách phẳng 1 lớp, dày δ, HSDN λ Mơi chất nĩng cĩ tf1, α1 ; Mơi chất lạnh cĩ tf2, α2 Bài tốn kết hợp vừa đối lưu và dẫn nhiệt ( )FttkQ ff 21 −= (W) ( )21 ff ttkq −= (W/m2)hay Muốn tính q phải xác định HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT k (W/m2.độ) Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.2 ¾ Tính hệ số truyền nhiệt k ( ) ( ) ( )FttFttFttQ fwwwwf 22221111 −=−=−= αδλα (W) 21 21 2 2221 1 11 /1//1/1//1 αλδααλδα ++ −=−=−=−= fffwwwwf ttttttttq (W/m2) Hệ số truyền nhiệt 21 /1//1 1 αλδα ++=k (W/m 2.độ) ™ Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương: tđR tq Δ= với : 21 αλα RRRRtđ ++= 21 11 αλ δ α ++= (m 2.độ/W) Nhiệt độ bề mặt vách: 1 11 α qtt fw −= 2 2 1 12 11 αλ δ α qtqtt ffw +=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−=và Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.3 Qb) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ Xét vách trụ cĩ chiều dài L, đường kính d1/d2. Mơi chất nĩng trong ống cĩ tf1, HSTN α1 Mơi chất lạnh bên ngồi cĩ tf2, HSTN α2 Ta cĩ: ( ) LdttQ wf 1111 πα −= ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= 1 2 21 ln 2 1 d d L tt ww πλ ( ) Ldtt fw 2222 πα −= Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là: 221 2 11 21 22 22 1 2 21 11 11 1ln 2 111ln 2 11 dd d d tt d tt d d tt d tt q fffwwwwfL παπλπαπαπλπα +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+ −=−= ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=−= Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.4 ™ Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống: 221 2 11 1ln 2 11 dd d d παπλπα +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+= tđ L R tq Δ= với : 21 αλα RRRRtđ ++= (m.độ/W) 1ln 2 11 1 221 2 11 dd d d kL αλα ++ = ™ Ngồi ra cĩ thể tính qL theo hệ số truyền nhiệt đường kL ( )21 ffLL ttkq −= π với: (W/m.độ) CHÚ Ý: Đối với vách nhiều lớp: 1ln 2 11 1 121 1 11 += + ++ = ∑ n n i i i i L dd d d k αλα Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.5 Sau khi cĩ qL , cĩ thể tính được tw1 , tw2 Xét một VP dày δ, HSDN λ. Một bên được làm cánh bằng vật liệu có HSDN rất lớn. Diện tích BM không làm cánh F1, bề mặt có cánh F2 (gồm cả phần cánh và phần không cánh). ( ) ( ) ( )⎪⎪⎭ ⎪⎪⎬ ⎫ −α= −δ λ= −α= 2222 211 1111 fw ww wf ttFQ ttFQ ttFQ (a) c) Truyền nhiệt qua vách có cánh Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.6 Nhiệt trở cục bộ: ⎪⎪ ⎪ ⎭ ⎪⎪ ⎪ ⎬ ⎫ α= − λ δ=− α= − 22 22 1 21 11 11 1 1 1 FQ tt FQ tt FQ tt fw ww wf (b) Cộng từng vế của (b) ta có Nhiệt trở toàn phần: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +⋅+=−= 22111 21 111 FFFQ tt R ff αλ δ α Và tính được Q: 22111 2f1f F 1 F 1 F 1 ttQ α+⋅λ δ+α −= Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.7 22111 111 1 FFF kca α+⋅λ δ+α = )KW( Q = kca(tf1 – tf2) (W)Cũng cĩ thể viết: với: Hoặc nếu tính theo 1 đơn vị diện tích BM không cánh thì: ( )2f1f1 1 1 ttkF Qq −== 2mW 2 1 21 1 F F11 1k α+λ δ+α =với: Nếu theo 1 đơn vị diện tích BM có cánh thì: ( )2f1f2 2 2 ttkF Qq −== )( 2mW với 21 2 1 2 1 2 1 F F F F1 1k α+λ δ+α = )m(W 2K Hệ số làm cánh : F2/F1 = βc. Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.8 ¾ Giới thiệu TBTĐN loại vách ngăn cánh Các chất tải nhiệt chuyển động cách biệt bởi vách ngăn là BMTN. TBTĐN LOẠI VỎ BỌC CHÙM ỐNG (Tubes & Shell): công suất nhỏ: dạng ống lồng ống, CS lớn: dạng vỏ bọc chùm ống (như sơ đồ) 5.2 Tính tốn thiết bị Trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.9 Tubes & Shell Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.10 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU DÀN ỐNG CÓ CÁNH Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.11 DÀN NGƯNG NH3 TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.12 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.13 Nồi hơi cơng nghiệp ¾ PHÂN LOẠI Theo hướng lưu động của dòng MC: lưu động thuận chiều, ngược chiều, cắt nhau và lưu động phức tạp Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.14 Tính toán TBTĐN thường có hai dạng: - Tính thiết kế: xác định F (ở chế độ định mức). - Tính kiểm tra: xác minh Q, nhiệt độ cuối (nhiệt độ ra) của MC. 2 phương trình cơ bản: PT cân bằng nhiệt và PT truyền nhiệt. ™ Phương trình cân bằng nhiệt Bỏ qua TT nhiệt ra môi trường thì: Qnhả = Qnhận Khi không có biến đổi pha, tacó: ( ) ( )22221111 ttcGttcGQ pp ′−′′=′′−′= (W) C = Gcp : nhiệt dung lưu lượng khối lượng (đương lượng không khí của chất lỏng). Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.15 a) CÁC PT CƠ BẢN ĐỂ TÍNH TỐN NHIỆT TBTĐN LOẠI VÁCH NGĂN CÁNH 1 2 11 22 2 1 t t tt tt C C δ δ=′′−′ ′−′′= MC nào có C lớn thì nhiệt độ biến đổi ít và ngược lại. Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.16 ™ Phương trình truyền nhiệt Nhiệt lượng trao đổi qua phân tố BM truyền nhiệt dF: ( ) dFtkdFttkdQ Δ=−= 21 (t1 – t2) − độ chênh nhiệt độ giữa 2 MC trên bề mặt dF. Tích phân trên toàn bề mặt F: ∫ Δ= F tdFkQ do hệ số k thay đổi ít (k = const): tkFQ Δ= : độ chênh nhiệt độ trung bình giữa MCN và MCL. Trị số tùy thuộc vào sơ đồ chuyển động của các chất lỏng. tΔ tΔ Tính tΔ Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.17 b) TÍNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH CT chung cho cả lưu động thuận chiều lẫn ngược chiều: min max minmax t tln ttt Δ Δ Δ−Δ=Δ ΔΤmax ΔΤmin ΔΤmax ΔΤmin Cần gia nhiệt dầu G2 = 1000 kg/h từ t’2 = 20 oC đến t’’2 = 180 oC bằng khói nóng có t’1 = 280 oC. Biết t’’1 = 200 oC; k = 35 W/(m2K); cp1 = 1,1 kJ/(kgK); cp2 = 2,3 kJ/(kgK). Tính diện tích TĐN (F) khi bố trí dòng chuyển động ngược chiều. GIẢI: Sử dụng PT TRUYỀN NHIỆT Chênh lệch nhiệt độ tại hai đầu thiết bị: t’1 - t’’2 = 280 – 180 = 100 oC = Δtmin t’’1 - t’2 = 200 – 20 = 180 oC = Δtmax Độ chênh nh/độ trung bình: Nhiệt lượng cấp cho dầu: Q = G2 cp2 (t’’2 - t’2 ) = 1000 . 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW Vậy = 102,2 / (0,035 . 136,1) = 21,46 m2 tkFQ Δ= C t t ttt o136 100 180ln 100180 ln min max minmax =−= Δ Δ Δ−Δ=Δ tkQF Δ= Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.18 VD: c) PHƯƠNG PHÁP HIỆU SUẤT (phương pháp NTU) truyền thể có đa tốinhiệt Dòng thiết bị qua truyềnnhiệt Dòng Q Q max ==ε Trường hợp có sẵn TBTĐN, biết nhiệt độ vào truyền nhiệt k (ước tính). Cần xác định Q , 1t′ 2t′, , diện tích F và hệ số 1t ′′ 2t ′′và Hiệu suất TBTĐN: Q − Dòng nhiệt thực truyền trong thiết bị. Qmax − Dòng tối đa hay lượng nhiệt truyền giả thiết. ( )21minmax ttCQ ′−′= ( )21minmax ttCQQ ′−′ε=ε= với Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.19 Hiệu suất TBTĐN là hàm của NTU và C* = Cmin / Cmax: ),( *CNTUf=ε minC kFNTU = NTU : là đơn vị chuyển nhiệt (Number of Transfer Units): Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.20 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.22 Thiết bị đun nước nóng bằng khói thải từ ĐCĐT, loại lưu động ngược chiều, có các thông số sau: Phía khói nóng: G1 = 0,8 kg/s; cp1 = 1,12 kJ/(kgK); t’1 = 450 oC. Phía nước: G2 = 3,2 kg/s; cp2 = 4,18 kJ/(kgK); t’2 = 50 oC Diện tích truyền nhiệt F = 15 m2; k = 85 W/(m2K). a) Hãy tính Q; nhiệt độ ra của khói và nước. b) Nếu động cơ vận hành non tải với G1* = 0,5G1, các điều kiện ban đầu khác không thay đổi thì nhiệt lượng trao đổi và nhiệt độ nước ra sẽ là bao nhiêu? VD: GIẢI: a) Tính Q và nhiệt độ cuối các chất, dùng pp NTU Chênh lệch nhiệt độ tại hai đầu thiết bị: C1 = G1 cp1 = 0,8 . 1,12 = 0,896 kW/K = Cmin C2 = G2 cp2 = 3,2 . 4,18 = 13,376 kW/K = Cmax Nhiệt lượng truyền cực đại: Qmax = Cmin (t’1 - t’2 ) = 0,896 (450 – 50) = 358,4 kW maxmin * CCC = Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 p.23 = 0,896 / 13,376 = 0,067 NTU = kF/Cmin = 85 . 15 / 896 = 1,42 Hiệu suất thiết bị (tra đồ thị): ε = 0,72 Nhiệt lượng trao đổi: Q = ε Qmax = 0,72 . 358,4 = 258 kW Nhiệt độ khói thoát: t1’’ = t1’ – Q/C1 = 450 – 258 / 0,896 = 162 oC Nhiệt độ nước ra: t2’’ = t2’ + Q/C2 = 50 + 258 / 13,376 = 69,3 oC b) Nếu động cơ vận hành non tải với G1* = 0,5G1 Cmin giảm 2 lần -> C* giảm 2 lần = 0,033 NTU tăng 2 lần = 2,84 Qmax giảm 2 lần HS truyền nhiệt lúc đó = 0,92 Do vậy: Q = 0,92. 358,4 / 2 = 164,8 kW t2’’ = 50 + 164,8 / 13,376 = 62,3 oC