THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG TẤM VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH

Tin tức

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG TẤM VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH


Thiết bị trao đổi nhit (TBTĐN)  thiết bị trong đó thc hin s trao đổi nhit gia cht cn gia công với cht mang nhit hoc lnh.

Cht mang nhit hoc lnh được gi chung  môi cht  nhit độ cao hơn hoc thp hơn cht gia công, dùng để nung nóng hoặc làmngui chgia công.

Cht gia công  môi cht thường  pha lng hoc hơi, gọi chung  cht lng. Các chnày  nhiđộ khác nhau.

Để phân bit mi thông s j  ca cht lng nóng hay cht lng lnh, đi vào hay ra khi thiết b, người ta quy ước:

-  Dùng chỉ s 1 để chỉ cht lng nóng: j1.

-  Dùng chỉ s 2 để chỉ cht lng nóng: j2.

-  Dùng d ¢  để ch thông s vào thiết bj1¢; j2¢.

-  Dùng d“ ²  để chỉ thông s ra thiết bj1²j2².

CHƯƠNG 1:            CÁC KHÁI NIỆM CHUNG

 

1.1.  ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOI CÁC THIT BỊ TRAO ĐỔI NHIT.

1.1.1.  Các định nghĩa.

Thiết bị trao đổi nhit (TBTĐN) thiết bị trong đó thc hin s trao đổi nhit gia cht cn gia công với cht mang nhit hoc lnh.

Cht mang nhit hoc lnh được gi chung môi cht nhit độ cao hơn hoc thp hơn cht gia công, dùng để nung nóng hoặc làm ngui cht gia công.

Cht gia công môi cht thường pha lng hoc hơi, gọi chung cht lng. Các cht này nhit độ khác nhau.

Để phân bit mi thông s j ca cht lng nóng hay cht lng lnh, đi vào hay ra khi thiết b, người ta quy ước:

-  Dùng chs 1 để chcht lng nóng: j1.

-  Dùng chs 2 để chcht lng nóng: j2.

-  Dùng du ¢ để ch thông s vào thiết b: j1¢; j2¢.

-  Dùng du ² để chthông s ra thiết b: j1²; j2².

Ví d:

 



''                                                                                                 

 

Hình 1.1. Sơ đồ khối của TBTĐN

1.1.2.  Phân loại các TBTĐN.

1.1.2.1.  Phân loi theo nguyên lý làm vic ca TBTĐN.

1)  TBTĐN tiếp xúc (hay hn hp), là loi TBTĐN trong đó cht gia công và môi cht tiếp xúc nhau, thực hin c quá trình trao đổi nhit trao đổi cht, to ra mt hn hp. dụ bình gia nhit nước bng cách sục 1 dòng hơi.

2)   TBTĐN hi nhit, loi thiết bị TĐN mt trao đổi nhit được quay, khi tiếp xúc cht lng 1 mt nhận nhit, khi tiếp xúc cht lng 2 mt toả nhit. Quá trình TĐN không n định trong mt trao đổi nhit s dao động nhit. d: b sy không khí quay trong hơi nhà máy nhit đin.


 

 

 

3)   TBTĐN vách ngăn, loi TBTĐN vách rn ngăn cách cht lng nóng cht lng lnh 2 cht lng TĐN theo kiu truyn nhit. Loi TBTĐN vách ngăn bo đảm độ kín tuyt đối gia hai cht, làm cho cht gia công được tinh khiết và v sinh, an toàn, do đó được s dng rng rãi trong mi công ngh.

4)   TBTĐN kiu ống nhit, loi TBTĐN dùng ống nhit để truyn ti nhit t cht lng nóng đến cht lng lnh. Môi cht trong các ống nhit nhân nhit t cht lng 1, sôi hoá hơi thành hơi bão hoà khô, truyn đến vùng tiếp xúc cht lng 2, ngưng thành lng ri quay về vùng nóng để lp li chu trình. Trong ng nhit, môi cht sôi, ngưng chuyn động tun hoàn, ti 1 lượng nhit ln t cht lng 1 đến cht lng 2.

a.  Bình gia nhiệt hỗn hợp         b. Thùng gia nhiệt khí hồi nhiệt

c. Bình ngưng ống nước       d. hơi ống nhiệt Hình 1.2. Các loại TBTDN phân theo nguyên lý làm việc.

1.1.2.2.   Phân loi TBTĐN theo sơ đồ chuyn động cht lng, vi loi TBTĐN vách ngăn.

a.  đồ song song cùng chiu.

b.  đồ song song ngược chiu.

c.  đồ song song đổi chiu.

d.  đồ giao nhau 1 lần.

e.  đồ giao nhau nhiu ln.

Hình 1.3. Các đồ chuyển động chất lỏng trong TBTDN.

1.1.2.3.  Phân loi TBTĐN theo thi gian.

-   Thường phân ra 2 loi: Thiêt bị liên tc (ví dụ bình ngưng, calorife) thiết bị làm vic theo chu k (ni nu, thiết bị sy theo m).

1.1.2.4.  Phân loi TBTĐN theo công dng.

-  Thiết bị gia nhit dùng để gia nhit cho sn phm (Ví dni nu, hơi).

-   Thiết bị làm mát để làm nguội sn phm đến nhit độ môi trường (Ví dụ tháp gii nhit nước, bình làm mát dầu)

-   Thiết bị lnh để hạ nhit độ sn phm đến nhit độ nh hơn môi trường (Ví dụ t cp

đông, tlnh).

1.2.  CÁC YÊU CU KỸ THUT CHUNG CHO MI TBTĐN.

1.2.1.  Các yêu cầu kỹ thuật chung cho mọi TBTĐN

 

Khi thiết kế chế to hoc la chn trang b, các TBTĐN cn đạt các yêu cu kỹ thut chính sau đây.

 

 

Q = kF Dt . Mun tăng k, cn tăng l, a1, a2, nht tăng min (a1, a2) gim chiu dày d

ca vách, không làm vách nhiu lp.

2)  Gim tr kháng thu lc trên dòng chy các môi cht Dp1, Dp2, để gim công sut bơm qut p = DpV/h. Mun vy cn gim độ nht ca cht lng, gim tc độ w, gim các tn tht cc bộ đến mc có th.

3)  Tăng din tích mt trao đổi nhit, mt có 2 phía tiếp xúc trc tiếp cht lng nóng cht lng lnh để tăng công sut Q = kF Dt .

4)  Bo đảm an toàn ti áp sut nhit độ làm vic cao nht tuổi th cao. Mun

vy phi chn kim loi đủ bn p, t làm vic, tính toán độ dày d theo các quy tc sc bn.

5)   Bo đảm độ kín gia 2 cht lng với nhau với môi trường bên ngoài, để g độ

tính nhit ca sn phm vệ sinh an toàn cho môi trường.

6)   Cu to đơn gin, gn nh, dễ vn chuyn, dễ lp ráp, vn hành, dễ kim tra, điu khin dễ vệ sinh, bo dưỡng.

1.2.2.  Các nguyên tắc la chn môi cht.

Môi cht cht trung gian dùng để gia nhit hay làm lnh sn phm trong TBTĐN. Môi cht được phân loi theo mc đích s dng (Môi cht ti nhit như hơi nước, môi cht ti lnh như dung dch NaCl, môi cht lnh như NH3), theo pha khi làm vic (1 pha, 2 pha, 3 pha), theo nhit độ làm vic Dtlv = (tmin ¸ tmax) (nhit độ rt cao, cao, trung bình, thp, rất thp).

Vic la chn môi cht cn đạt các yêu cu sau:

1)  Chn môi cht r, c, l, r ln để d, k lớn nhm tăng cường trao đổi nhit.

2)   Cht nhit độ nóng chy tnc, nhit độ sôi ts  pha thích hp với Dtlàm vic  áp sut làm vic.

3)  Cht độ nht n nhđể gim Dp.

4)  Cht không gây cháy n, ít độc hi, ít ăn mòn, không cha tp cht (cn, bi).

 

Nhit độ làm vic, áp sut làm vic kh năng trao đổi nhit ca 1 s môi cht thông dng được gii thiu bng 1 và bng 2.

Bảng 1 - Khoảng nhiệt độ áp suất làm việc của các môi chất.

 

 

 

 

 

Môi chất

tlv [0C]

plv tuyệt đôi [bar]

Khí H2

³ 273

£ 10

Khí O2, N2, không khí

³ 210

£ 200

Khí metal CH4

-160 ¸ -100

£ 40

Khí etal, etylen, freon

-150 ¸ -70

£ 40

Freon 12, 22, NH3, CO2

-70 ¸ 0

£ 15

Nước muối (dung dịch NaCl)

-50 ¸ 0

£ 3

Freon 11, 12, 113, 114

-10 ¸ 0

£ 3

Dầu

0 ¸ 215

£ 2

Nước H2O

0 ¸ 374

1 ¸ 225

Hơi nước

0 ¸ 650

1 ¸ 300

Hỗn hợp difenyl

260 ¸ 350

1 ¸ 6

Thuỷ ngân

350 ¸ 500

1 ¸ 9

Khói nóng

450 ¸ 1000

£ 1

Chất rắn (samot)

£ 1500

£ 1

Plasma t0 thấp

£ 3500

£ 1

 

Bảng 2 - Khả năng trao đổi nhiệt của các môi chất.

 

 

Quá trình TĐN

 

Môi chất

a     [W/m2K]

a min

a max

Đốt nóng hoặc làm nguội

Khí

1

60

Hơi quá nhiệt

20

120

Dầu

60

1.700

Nước

200

10.000

Sôi bọt

Chất lỏng hữu cơ

600

10.000


 

 

 

 

Nước

6.000

50.000

Ngưng màng

Hơi chất hữu Hơi nước

600

5.000

2.500

20.000

1.2.3.  hn sơ đồ chuyn động ca 2 chất lng.

Các kết qu thc nghim cho biết, hệ s to nhit a khi dòng cht lng ct ngang ng ln hơn, khi dòng chy dọc ng, an > ad, còn trkháng thulc thì Dpn > Dpd.

Qua phân tích, Berman cho biết:

1) 
Vi cht lng, khi Nu/Pr  < 61 thì nên cho chy dc ống (ưu tiên ngược chiu, đảo chiu).; khi Nu/Pr > 61 nên cho chy ct ngang ng (ưu tiên giao nhiu ln).

2)  Với cht khí, khi Re Î [4.103 ¸ 4.104] nên cho chy ct ngang ng.

1.2.4.  Các nguyên tắc chn cht lng chy trong ng.

Khi cn chn 1 cht lng cho đi trong ng thì ưu tiên cho:

1)  Cht lng lưu lượng thể tích V (m3/s) nh hơn, để gim vn tc w = V/r, do đó gim Dp công sut bơm.

2)  Cht lng độ nht cao hơn để để tăng Dp lúc bơm.

3)   Cht lng (p, t)lv ln để v thiết bị không chu (p, t) cao, thiết bị s nhẹ r


hơn.


 

4)   Cht lng độc hi, bn, gây ăn mòn, để d làm kín, dễ vệ sinh ít tn vt liu bị


ăn mòn hóa cht.

1.2.5.  hn tc độ dòng môi cht.

Khi tốc độ w tăng thì a, k tăng, làm TĐN tt hơn, nhưng cũng làm tăng Dp công sut tiêu hao cho bơm qut. Do đó, cn chn mt vn tc hợp để gim chi phí vn hành, tăng hiu qukinh tế. Bài toán ti ưu cho biết, nên chn w hợp lý cho môi cht theo bảng 3 sau đây:

Bảng 3. Khoảng giá trị hợp của vận tốc môi chất.

 

Môi chất

w (m/s)

Chất lỏng n nhỏ (H2O, glycol)

0.5 ¸3

Chất lỏng nhớt cao (dầu, dd NaCl)

0.2 ¸1

Khí + bụi pk ( khói, khí bụi)

6 ¸ 10

Khí sạch pk ( không khí )

12 ¸ 16


 

 

 

1.3.  PHƯƠNG TRÌNH BN CA TBTĐN.

Khi tính toán các thiết bị trao đổi nhit, người ta luôn da vào 2 phương trình sau

đây gọi là phương trình cơ bn ca TBTĐN.

1.3.1.  Phương trình cân bng nhit (CBN).

Phương trình cân bng nhit phương trình t định lut bo toàn biến hoá năng lượng cho TBTĐN.

1.3.1.1.  Phương trình cân bng nhit tng quát.

Phương trình cân bng nhit tng quát liên h các hệ s entanpi ra vào thiết bị với nhit truyn qua v thiết bị ra môi trường biến thiên ni năng ca thiết b:

(Hiu entanpi ra vào ca cht lng 1) + (Hiu entanpi ra- vào ca cht lng 2) + (Nhit truyn qua vthiết bị ra môi trường) + (Biến thiên ni năng ca thiết b) = 0.

dng tích phân, phương trình cân bng nhit tng quát dng:

åQ = ( DI1 + DI2 + Qk)t  + DU = 0,

Trong đó:

DI1  = G1( i //  - i / ) = G1Cp1( t //  - t / ) < 0, do chất lỏng 1 toả nhiệt.

1            1                                            1            1

 

DI2  = G2( i //  - i / ) = G2Cp2( t //  - t / ) > 0, do chất lỏng 2 thu nhiệt.

2            2                                            2            2

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

Qk = åkiFi( t - tf), [W] nhit truyn t cht lỏng nhit độ t qua các din tích Fi

ca v thiết bị ra môi trường nhit độ tf. Với thiết bị gia nhit thường có: t > tf nên Qk > 0 tc môi trường nhn nhit. Với thiết bị làm lạnh, thường t < tf nên Qk < 0 tc môi trường to nhit vào thiết b.


t [s] thời gian từ khi khi động thiết bị nhit độ t0 đến nhit độ tt


nào đó.


 


DU = åViriCi(


tt - t0), [J] biến thiên ni năng ca các chi tiết to ra thiết b. Trong


 


thiết bị gia nhit, thường


tt > t0 nên DU > 0; trong thiết bị làm lnh, thường tt < t0 nên DU


 

< 0. Nếu tính t khi thiết bị đã làm vic ổn định, thì DU = 0.


 

 

 

Nếu đặt W = GCp, [W/K] đương lượng nước ca cht lng thì liên h gia W, lưu lượng G(kg/s); khi lượng riêng r[kg/m3], nhit dung riêng Cp[J/kgK], vn tc w[m/s] của cht lng vi tiết din dòng cht lng f s dạng:

W = GCp = rwfCp

Trong đó: V = wf [m3/s] được gi là lưu lượng th tích.

Phương trình CBN tích phân tng quát, liên h các thông s như trên s có dng:

[r1w1f1( i //  - i / ) + r2w2f2( i //  - i / ) + åkiFi( t - tf)]t  + åriViCi( - t0).

1           1                                            2            2                                                                                                             t

 


Phương trình này cho phép tìm được mt đại lượng chưa biết nào đó, d thi gian

t  để khi động thiết bị khi th xác định tt c các đại lượng còn li.

Khi xét cân bằng nhit qua 1 vi phân dF ca din tích trao đổi nhit ca thiết bị thì phương trình cân bng nhit tng quát dng vi phân sau:


dt

r1w1f1di1 + r2w2f2di2 + åkiFi( t - tf)dFi + åriViCi

dt


= 0 .


Đây phương trình vi phân cân bng công sut nhit trao đổi qua din tích dF ca TBTĐN. cho phép tìm được lut biến thiên theo thi gian t ca nhit độ các cht lng, thông qua di = Cpdt.

1.3.1.2.  Các phương trình cân bng nhit đặc bit.

1)  Khi thiết bị cách nhit tt với môi trường: Coi Qk = 0, (DI1 + DI2)t  + DU = 0.

2)  Khi TBTĐN làm vic ổn định, coi DU = 0, DI1 + DI2 + Qk = 0.

3)  Khi thiết bị được cách nhit, làm vic ổn định thì:

DI1 + DI2 = 0 hay G1( i /  - i // ) = G2Cp2( i //  - i/ )

1           1                                                2            2

 

G1Cp1( t /  - t // ) = G2Cp2( t //  - t / ) hay W1( t /  - t // ) = W2( t //  - t / )


1           1                                              2            2


1           1                                 2            2


Dng vi phân của phương trình cân bng nhit khi đó W1dt1   = W2dt2.

4)   Khi DU = 0, Qk = 0 nếu các cht lng s chuyn pha trong TBTĐN, t cht lng Cp đến sôi ts nhn nhit r, ri quá nhit đến hơi nhit dung riêng Cph, thì phương trình cân bng nhit có dng:


G1 [C


(t / - t)+ r + C  (t

- t // )]= G [C     (t- t / )+ r + C(t // - t  )]G1Cp1 (t / - t // ) = G [C     (t- t / )+ r + C(t // - t)] 

G1 [C


(t / - t)+ r + C  (t- t // )]= G C(t / - t // )


 

1.3.2. Phương trình truyn nhit.

Phương trình truyn nhit nhng phương trình t lượng nhit trao đổi gia 2 cht lng qua mt TĐN bng phương thc truyn nhit.

1)     Dng vi phân.

Lượng nhit dQ truyn t cht lng nóng nhit độ t1 qua din tích dFx ca mt TĐN

đến cht lng lnh nhit độ t2 là:


 

 

Trong đó:


dQ = k(t1 – t2)dFx = kDtxdFx, W 1k = a1+  1a 2

d  
+ å   

i  


, [W/m2K] hệ s truyn nhit qua vách thường được coi


không đổi trong mt F.

Dtx  =  t1(x)   t2(x)  = f(Fx) độ chênh nhit độ ca 2 cht lng hai bên mt dFx, ph thuc vị trí Fx.

2)  Dng tích phân.

Lượng nhit Q truyn t cht lng 1 qua din tích TĐN F đến cht lng 2 là:

 


F

Q = ò kDtx (Fx )dFx  = k ò Dtx (Fx )dFx  = kF Dt,

0


Vi:


Dt = 1    Dt (F )dF , gọi độ chênh trung bình trên mặt F của nhiệt độ 2 chất l

 

1.4.  XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIT ĐỘ TRUNG BÌNH Dt .

 


Giá tr Dt


ph thuc vào t / , t // , t /  , t // loi sơ đồ chuyn động ca 2    cht lng.


 

1.4.1.  ơ đồ song song ngược chiu.

Phương trình cân bng nhit truyn nhit qua dFx ca TBTĐN song song ngược chiu, theo hình 1.5 dng:

dQ = -W1dt1  = -W2 dt2

dQ = kDtx dFx


 


Theo đó có: dt -dt = - 1   -1  

dQ


W1          W2

hay d Dtx  =- mkDt dF , với m = 1   -

, [k/W].



W1           W2

 


 

Nếu m k không đổi thì:


Dtx= -mk ò

dFx hay ln


DtX


= -mkFx .


Dt0


Dtx                              0


Dt0


 

Do đó:              Dtx(Fx) = Dt0exp(-mkFx).


F

 

1                          Dt0


Dt0


 

-mkF


Theo định nghĩa


Dt :


Dt =


ò Dtx (Fx )dFx  =

F

 

0


F ò exp(-mkFx )dFx  = - mkF (e


-1).


 


Thay DtF = Dt0exp(-mkF) vào trên s được:


 

1.4.2.  ơ đồ song song cùng chiu.

 


 

1.4.3.  Các sơ đồ khác.

 


Để tính Dt


cho các sơ đồ khác (song song đổi chiu, giao nhau 1 hay n ln), ta tính


 

Dt  theo sơ đồ song song ngược chiu ri nhân với hệ s eDt, được xác định bng thc


nghim cho dng đồ thị.


eDt = f( p =  /

= Dt ­¯. eDt (P, R,loại sơ đồ).


                                                                                     

t1  - t2                           2            2

1.5.  CÁC CHỈ TIÊU CHT LƯỢNG CA TBTĐN .

Để đánh giá cht lượng ca TBTĐN, người ta dựa vào các chtiêu sau đây:

1.5.1.  tiêu v năng lượng.

Để đặc trưng cho mt công sut nhit thu được ng vi 1kW đin tiêu hao khi vn hành bơm qut ca thiết b, người ta dùng chỉ tiêu năng lượng E0, được định nghĩa:

E0  =                      Công sut nhit sn phm thu được t môi cht Tng công sut để bơm qu

 

 

ALPHA VINA COOLING TOWER IND CO.,LTD

 

 

 

 

                                                                                                                    

 

Từ khóa liên quan : THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT   PLATE HEAT EXCHANGER   

Tài liệu liên quan

Tin liên quan

Sản phẩm

Online

Online Lượt truy cập

Hỗ trợ Online

0903.962.945