Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 5: Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt

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

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

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 t_f1, α₁; Môi chất lạnh có t_f2, α₂

Bài toán kết hợp vừa đối lưu và dẫn nhiệt

Q

(

)

Q = k t_{f 1}−t_{f 2}F

(W)

(W/m²)

(

)

hay q = k t_{f 1}−t_{f 2}

Muốn tính q phải xác định HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT

k (W/m².độ)

p.2

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

¾ Tính hệ số truyền nhiệt k

λ

(

t_w1−t_w2

)

(W)

(

)

(

)

Q =α₁t_{f 1}−t_w1F =

F = α₂t_w2−t_{f 2}F

δ

t_{f 1}−t_w1

1/α₁

t_w2−t_{f 2}

1/α₂

t_{f 1}−t_{f 2}

t_w1−t_w2

δ / λ

(W/m²)

q =

=

1/α₁+δ / λ +1/α₂

1

(W/m².độ)

k =

Hệ số truyền nhiệt

1/α₁+δ / λ +1/α₂

Δt

R_tđ

Hoặc tính theo pp

nhiệt trở tương đương:

với : R_tđ= R_α1+ R_λ+ R_{α 2}

q =

1 δ 1

α₁λ α₂

(m².độ/W)

= + +

Nhiệt độ bề mặt vách:

q

⎛

⎞

1 δ

α₁λ

1

t_w1= t_{f 1}−

⎜

⎟

t_w= t_{f 1}− q + = t_{f 2}+ q

và

2

⎜

⎟

α₁

α₂

⎝

p.3

⎠

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

b) TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ

Xét vách trụ có chiều dài L, đường kính d₁/d₂.

Môi chất nóng trong ống có t_f1, HSTN α₁

Môi chất lạnh bên ngoài có t_f2, HSTN α₂

Ta có:

(

)

Q = α₁t_{f 1}−t_w1πd₁L

t_w1−t_w2

Q

=

⎛ ⎞

1

d₂

⎜ ⎟

ln

2πλL d₁

⎝ ⎠

(

)

= α₂t_w2−t_{f 2}πd₂L

Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là:

t_{f 1}−t_w1

1

t_w2−t_{f 2}

1

t_{f 1}−t_{f 2}

t_w1−t_w2

q_L=

=

⎛ ⎞

1

d₂

1

d₂

1

⎜ ⎟

ln

+

ln

+

α₁πd₁

α₂πd₂

2πλ d₁

α₁πd₁2πλ d₁α₂πd₂

⎝ ⎠

p.4

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống:

Δt

R_tđ

với : R_tđ= R_α1+ R_λ+ R_{α 2}

(m.độ/W)

q_L=

⎛ ⎞

1

d₂

1

⎜ ⎟

=

+ ln

+

α₁πd₁2πλ d₁α₂πd₂

⎝ ⎠

Ngoài ra có thể tính q_Ltheo hệ số truyền nhiệt đường k_L

1

(

)

q_L= k_Lπ t_{f 1}−t_{f 2}

với:

k_L=

(W/m.độ)

1

1 d₂

1

+ ln +

α₁d₁2λ d₁α₂d₂

1

k_L=

CHÚ Ý: Đối với vách nhiều lớp:

n

1

1 d_i+1

ln

2λ_id_iα₂d_n+1

1

+

∑

α₁d₁

i=1

Sau khi có q_L, có thể

tính được t_w1, t_w2

p.5

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

c) Truyền nhiệt qua vách có cánh

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).

Q = α₁F₁

(

t_f1− t_w1

)

⎫

⎪

λ

⎪

(a)

Q = F

(

t_w1− t_w2

)

⎬

⎪

1

δ

Q = α₂F₂

(

t_w2− t_{f 2}

)

⎪

⎭

⎫

⎪

⎬

⎪

⎭

t_f1− t_w1

1

=

Q

α₁F₁

t_w1− t_w2δ 1

=

Nhieät trôû cuïc boä:

(b)

Q

t_w2− t_{f 2}

Q

λ F

1

=

α₂F₂

p.6

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

Coäng töøng veá cuûa (b) ta coù Nhieät trôû toaøn phaàn:

t_{f 1}−t_{f 2}

⎛

⎞

1 δ 1

1

⎜

⎟

R =

=

+ ⋅ +

Q

α₁F₁λ F α₂F₂

⎝

1

⎠

t_f1− t_f2

Q =

Vaø tính ñöôïc Q:

1 δ 1

+ ⋅ +

α₁F₁λ F α₂F₂

1

Cũng có thể viết:

với:

Q = k_ca(t_f1– t_f2)

(W)

(W K)

1

k_ca=

1 δ 1

1

+ ⋅ +

α₁F₁λ F α₂F₂

1

Hoặc neáu tính theo 1 ñôn vò dieän tích BM khoâng caùnh thì:

1

Q

F₁

W m²

k₁=

(

)

q₁= = k₁t_f1− t_f2

với:

F₁

1 δ 1

+ +

α₁λ α₂F₂

p.7

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

Nếu theo 1 ñôn vò dieän tích BM coù caùnh thì:

Q

F₂

(W m²)

(

)

q₂= = k₂t_f1− t_f2

1

δ

(W m²K)

k₂=

với

F₂

F

1

2

+

α₁F₁λ F₁α₂

Heä soá laøm caùnh : F₂/F₁= β_c.

p.8

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

8/2009

Tubes & Shell

p.10

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

THIEÁT BÒ TRAO ÑOÅI NHIEÄT

KIEÅU DAØN OÁNG COÙ CAÙNH

p.11

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

DÀN NGƯNG NH₃TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ

p.12

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

Nồi hơi công nghiệp

p.13

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

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

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: Q_nhaû= Q_nhaän

Khi khoâng coù bieán ñoåi pha, tacoù:

′′ ′

C₁t₂− t₂δt₂

′ ′′

C₂t₁− t₁δt₁

=

(W)

′ ′′

Q = G₁c_p1t₁− t₁

′′ ′

(

t₂− t₂

(

)

= G₂c_p2

)

C = Gc_p: nhieät dung löu löôïng khoái löôïng

(ñöông löôïng khoâng khí cuûa chaát loûng).

p.15

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− t₂dF = 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

Tính

Δt

: ñoä cheânh nhieät ñoä trung bình giöõa MCN vaø MCL.

Δt

Trò soá

tuøy thuoäc vaøo sô ñoà chuyeån ñoäng cuûa caùc chaát loûng.

Δt

p.16

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

b) TÍNH ÑOÄ CHEÂNH NHIEÄT ÑOÄ TRUNG BÌNH

Δt_max− Δt_min

CT chung cho caû löu ñoäng

thuaän chieàu laãn ngöôïc chieàu:

Δt =

Δt_max

ln

Δt_min

ΔΤ_min

ΔΤ_max

ΔΤ_min

p.17

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

1

2

Tröôøng hôïp (Δt_max/Δt_min< 2) coù theå duøng:

(

)

Δt = Δt_max+ Δt_min

Ñoái vôùi sô ñoà phöùc taïp:

Δt = ε_ΔtΔt_ng

Trong ñoù

− theo sô ñoà ngöôïc chieàu

Δt_ng

ε_Δt− heä soá hieäu chænh

Haøm ε_Δt= f(P, R) ñöôïc laäp ñoà thò saün

′ ′′

′′ ′

t₂−t₂δt₂

′′ ′

′ ′

t₁−t₂δt_max

t₁−t₁δt₁

t₂−t₂δt₂

R =

=

P =

=

p.18

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

Heä soá hieäu chænh

ε_Δt= f(P, R)

p.19

Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM

8/2009

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); c_p1= 1,1

kJ/(kgK); c_p2= 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’₁- t’’₂= 280 – 180 = 100 ^oC = Δt_min

t’’₁- t’₂= 200 – 20 = 180 ^oC = Δt_max

Q = kFΔt

Δt_max− Δt_min180 −100

Ñoä cheânh nh/ñoä trung bình: Δt =

=

= 136^oC

Δt_max

180

ln

Δt_min

100

Nhieät löôïng caáp cho daàu: Q = G₂c_p2(t’’₂- t’₂)

= 1000 . 2,3 (180 – 20)/3600 = 102,2 kW

= 102,2 / (0,035 . 136,1) = 21,46 m²

F = Q kΔt

Vaäy

p.20

Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 5: Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt - Hà Anh Tùng