Tài liệu Bài giảng truyền nhiệt vp - chương 5 tính toán thiết bị trao đổi nhiệt - ts. hà anh tùng (đh bách khoa tp.hcm)

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 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.1 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 5.1 Các dạng bài toán truyền nhiệt tổng hợp 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 Q Bài toán kết hợp vừa đối lưu và dẫn nhiệt Q = k (t f 1 − t f 2 ) F hay q = k (t f 1 − t f 2 ) (W) (W/m2) Muốn tính q phải xác định HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT k (W/m2.độ) p.2 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM ¾ Tính hệ số truyền nhiệt k λ (t w1 − t w2 ) Q = α1 (t f 1 − t w1 ) F = F = α 2 (t w 2 − t f 2 ) F δ q= t f 1 − t w1 1 / α1 tw2 − t f 2 tf1 −tf 2 t w1 − t w 2 = = = δ /λ 1/ α 2 1 / α1 + δ / λ + 1 / α 2 1 k= 1 / α1 + δ / λ + 1 / α 2 Hệ số truyền nhiệt ™ Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương: Δt q= Rtđ t w1 = t f 1 − α1 và tw2 (W/m2) (W/m2.độ) với : Rtđ = Rα 1 + Rλ + Rα 2 δ 1 (m2.độ/W) = + + α1 λ α 2 1 Nhiệt độ bề mặt vách: q (W) ⎛1 δ⎞ 1 = t f 1 − q⎜⎜ + ⎟⎟ = t f 2 + q α2 ⎝ α1 λ ⎠ p.3 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM b) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ 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 Ta có: Q = α1 (t f 1 − t w1 )πd1 L t w1 − t w 2 = ⎛ d2 ⎞ 1 ln⎜⎜ ⎟⎟ 2πλL ⎝ d1 ⎠ Q = α 2 (t w 2 − t f 2 )πd 2 L Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là: t f 1 − t w1 tw2 − t f 2 tf1 −tf 2 t w1 − t w 2 = = qL = = 1 1 ⎛ d2 ⎞ ⎛ d2 ⎞ 1 1 1 1 + ln⎜⎜ ⎟⎟ ln⎜⎜ ⎟⎟ + α1πd1 α π d α1πd1 2πλ ⎝ d1 ⎠ α 2πd 2 2πλ ⎝ d1 ⎠ 2 2 p.4 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM ™ Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống: Δt qL = Rtđ với : Rtđ = Rα 1 + Rλ + Rα 2 = (m.độ/W) ⎛d ⎞ 1 1 1 ln⎜⎜ 2 ⎟⎟ + + α1πd1 2πλ ⎝ d1 ⎠ α 2πd 2 ™ Ngoài ra có thể tính qL theo hệ số truyền nhiệt đường kL q L = k Lπ (t f 1 − t f 2 ) với: CHÚ Ý: Đối với vách nhiều lớp: Sau khi có qL , có thể tính được tw1 , tw2 kL = kL = p.5 1 1 1 1 d ln 2 + + α1d1 2λ d1 α 2 d 2 (W/m.độ) 1 n d 1 1 1 +∑ ln i +1 + α1d1 i =1 2λi d i α 2 d n +1 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM c) Truyeàn nhieät qua vaùch coù caùnh 8/2009 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 F1, beà maët coù caùnh F2 (goàm caû phaàn caùnh vaø phaàn khoâng caùnh). Nhieät trôû cuïc boä: t f1 − t w1 1 ⎫ = α1F1 ⎪⎪ Q t w1 − t w 2 δ 1 ⎪ = ⎬ λ F1 ⎪ Q t w2 − t f 2 1 ⎪ = ⎪ α 2 F2 ⎭ Q p.6 Q = α1F1 (t f1 − t w1 ) ⎫ ⎪ λ ⎪ Q = F1 (t w1 − t w 2 ) ⎬ δ ⎪ Q = α 2 F2 (t w 2 − t f 2 )⎪⎭ (b) (a) 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM Coäng töøng veá cuûa (b) ta coù Nhieät trôû toaøn phaàn: R= tf1 −tf 2 Q Vaø tính ñöôïc Q: Cũng có thể viết: với: k ca = ⎛ 1 δ 1 1 ⎞ ⎟⎟ ⎜ =⎜ + ⋅ + ⎝ α1 F1 λ F1 α 2 F2 ⎠ Q= t f1 − t f 2 1 1 δ 1 + ⋅ + α1F1 λ F1 α 2 F2 Q = kca(tf1 – tf2) (W) 1 1 1 δ 1 + ⋅ + α1F1 λ F1 α 2 F2 (W K) Hoặc neáu tính theo 1 ñôn vò dieän tích BM khoâng caùnh thì: Q q1 = = k 1 (t f 1 − t f 2 ) F1 W m 2 với: p.7 k1 = 1 1 δ 1 F1 + + α 1 λ α 2 F2 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM Nếu theo 1 ñôn vò dieän tích BM coù caùnh thì: q2 = với k2 = Q = k 2 (t f 1 − t f 2 ) F2 1 1 F2 δ F2 1 + + α 1 F1 λ F1 α 2 Heä soá laøm caùnh : F2/F1 = βc. p.8 (W m 2 ) (W m 2 K ) Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 5.2 Tính toán thiết bị Trao đổi nhiệt loại vách ngăn cánh ¾ Giới thiệu TBTÑN loaïi vaùch ngaên cánh Caùc chaát taûi nhieät chuyeån ñoäng caùch bieät bôûi vaùch ngaên laø BMTN. 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.9 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM Tubes & Shell p.10 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM THIEÁT BÒ TRAO ÑOÅI NHIEÄT KIEÅU DAØN OÁNG COÙ CAÙNH p.11 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 DÀN NGƯNG NH3 TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ p.12 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM Nồi hơi công nghiệp p.13 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 ¾ PHÂN LOẠI Theo hướng löu ñoäng cuûa doøng MC: löu ñoäng thuaän chieàu, ngöôïc chieàu, caét nhau vaø löu ñoäng phöùc taïp p.14 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM a) CÁC PT CƠ BẢN ĐỂ TÍNH TOÁN NHIỆT TBTĐN LOẠI VÁCH NGĂN CÁNH 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. ™ Phöông trình caân baèng nhieät Boû qua TT nhieät ra moâi tröôøng thì: Khi khoâng coù bieán ñoåi pha, tacoù: Qnhaû = Qnhaän Q = G1cp1 (t1′ − t1′′) = G 2 cp 2 (t′2′ − t′2 ) C = Gcp : nhieät dung löu löôïng khoái löôïng (ñöông löôïng khoâng khí cuûa chaát loûng). p.15 (W) C1 t′2′ − t′2 δt 2 = = C2 t1′ − t1′′ δt1 MC naøo coù C lôùn thì nhieät ñoä bieán ñoåi ít vaø ngöôïc laïi. Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 ™ Phöông trình truyeàn nhieät Nhieät löôïng trao ñoåi qua phaân toá BM truyeàn nhieät dF: dQ = k (t1 − t 2 )dF = k Δt dF (t1 – t2) − ñoä cheânh nhieät ñoä giöõa 2 MC treân beà maët dF. Tích phaân treân toaøn beà maët F: ∫ Q = kΔtdF F do heä soá k thay ñoåi ít (k = const): Q = kFΔt Δt : ñoä cheânh nhieät ñoä trung bình giöõa MCN vaø MCL. Trò soá Δt tuøy thuoäc vaøo sô ñoà chuyeån ñoäng cuûa caùc chaát loûng. p.16 Tính Δt 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM b) TÍNH ÑOÄ CHEÂNH NHIEÄT ÑOÄ TRUNG BÌNH Δt = CT chung cho caû löu ñoäng thuaän chieàu laãn ngöôïc chieàu: ΔΤmax Δt max − Δt min Δt max ln Δt min ΔΤmin ΔΤmin p.17 ΔΤmax 8/2009 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM VD: Caàn gia nhieät daàu G2 = 1000 kg/h töø t’2 = 20 oC ñeán t’’2 = 180 oC 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 Q = kF Δt Cheânh leäch nhieät ñoä taïi hai ñaàu thieát bò: t’1 - t’’2 = 280 – 180 = 100 oC = Δtmin t’’1 - t’2 = 200 – 20 = 180 oC = Δtmax Ñoä cheânh nh/ñoä trung bình: Δt = Δt max − Δt min 180 − 100 = = 136 o C 180 Δt ln ln max 100 Δt min Nhieät löôïng caáp cho daàu: Q = G2 cp2 (t’’2 - t’2 ) = 1000 . 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW Vaäy F = Q k Δt = 102,2 / (0,035 . 136,1) = 21,46 m2 p.18 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 8/2009 c) PHÖÔNG PHAÙP HIEÄU SUAÁT (phương pháp NTU) Tröôøng hôïp coù saün TBTĐN, bieát nhieät ñoä vaøo t1′ , t ′2 , dieän tích F vaø heä soá truyeàn nhieät k (öôùc tính). Caàn xaùc ñònh Q , t 1′′ vaø t ′2′ Hieäu suaát TBTĐN: Q ε= Doøng nhieät truyeàn qua thieát bò Q = Q max Doøng nhieät toái ña coù theå truyeàn − Doøng nhieät thöïc truyeàn trong thieát bò. Qmax − Doøng toái ña hay löôïng nhieät truyeàn giaû thieát. với Q max = C min (t1′ − t ′2 ) Q = εQ max = εC min (t1′ − t ′2 ) p.19 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM Hieäu suaát TBTĐN laø haøm cuûa NTU vaø C* = Cmin / Cmax: NTU = kF Cmin 8/2009 ε = f ( NTU , C * ) NTU : laø ñôn vò chuyeån nhieät (Number of Transfer Units): p.20