Giáo trình thiết bị trao đổi nhiệt

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (447.13 KB, 31 trang )

Bạn đang đọc: Giáo trình thiết bị trao đổi nhiệt – Tài liệu text

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CHUNG

1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT.
1.1.1. Các định nghĩa.
Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa
chất cần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh.
Chất mang nhiệt hoặc lạnh được gọi chung là môi chất có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp
hơn chất gia công, dùng để nung nóng hoặc làm nguội ch
ất gia công.
Chất gia công và môi chất thường ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng. Các
chất này có nhiệt độ khác nhau.
Để phân biệt mỗi thông số ϕ là của chất lỏng nóng hay chất lỏng lạnh, đi vào hay ra
khỏi thiết bị, người ta quy ước:
– Dùng chỉ số 1 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ
1
.
– Dùng chỉ số 2 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ
2
.
– Dùng dấu “ ′ ” để chỉ thông số vào thiết bị: ϕ
1
′; ϕ
2
′.
– Dùng dấu “ ″ ” để chỉ thông số ra thiết bị: ϕ
1
″; ϕ
2
″.
Ví dụ:
1

Cl
t
1
‘
1
t
”
Cl
2
2
t
‘
t
2
”

Hình 1.1. Sơ đồ khối của TBTĐN
1.1.2. Phân loại các TBTĐN.
1.1.2.1. Phân loại theo nguyên lý làm việc của TBTĐN.
1) TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp), là loại TBTĐN trong đó chất gia công và môi chất
tiếp xúc nhau, thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, tạo ra một hỗn hợp. Ví
dụ bình gia nhiệt nước bằng cách sục 1 dòng hơi.
2) TBTĐN hồi nhiệt, là loại thiết bị TĐN có mặt trao đổ
i nhiệt được quay, khi tiếp
xúc chất lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt toả nhiệt. Quá trình TĐN là
không ổn định và trong mặt trao đổi nhiệt có sự dao động nhiệt. Ví dụ: bộ sấy không khí
quay trong lò hơi nhà máy nhiệt điện.
3) TBTĐN vách ngăn, là loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chất
lỏng lạnh và 2 chất lỏng TĐN theo kiểu truyền nhiệt. Loại TBTĐN vách ngăn bảo đảm độ
kín tuyệt đối giữa hai chất, làm cho chất gia công được tinh khiết và vệ sinh, an toàn, do đó

được sử dụng rộng rãi trong mọi công nghệ.
4) TBTĐN kiểu ống nhiệt, là loại TBTĐN dùng ống nhiệt để truyền tả
i nhiệt từ chất
lỏng nóng đến chất lỏng lạnh. Môi chất trong các ống nhiệt nhân nhiệt từ chất lỏng 1, sôi
và hoá hơi thành hơi bão hoà khô, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏng
rồi quay về vùng nóng để lặp lại chu trình. Trong ống nhiệt, môi chất sôi, ngưng và chuyển
động tuần hoàn, tải 1 lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2.
a. Bình gia nhiệt hỗn h
ợp b. Thùng gia nhiệt khí hồi nhiệt
c. Bình ngưng ống nước d. Lò hơi ống nhiệt
Hình 1.2. Các loại TBTDN phân theo nguyên lý làm việc.
1.1.2.2. Phân loại TBTĐN theo sơ đồ chuyển động chất lỏng, với loại TBTĐN có vách
ngăn.
a. Sơ đồ song song cùng chiều.
b. Sơ đồ song song ngược chiều.
c. Sơ đồ song song đổi chiều.
d. Sơ đồ giao nhau 1 lần.
e. Sơ đồ giao nhau nhiều lần.
Hình 1.3. Các sơ đồ chuyển
động chất lỏng trong TBTDN.
1.1.2.3. Phân loại TBTĐN theo thời gian.
– Thường phân ra 2 loại: Thiêt bị liên tục (ví dụ bình ngưng, calorife) và thiết bị làm việc
theo chu kỳ (nồi nấu, thiết bị sấy theo mẻ).
1.1.2.4. Phân loại TBTĐN theo công dụng.
– Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm (Ví dụ nồi nấu, lò hơi).
– Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường (Ví dụ tháp giả
i nhiệt
nước, bình làm mát dầu)
– Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ hơn môi trường (Ví dụ tủ cấp
đông, tủ lạnh).

1.2. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CHUNG CHO MỌI TBTĐN.
1.2.1. Các yêu cầu kỹ thuật chung cho mọi TBTĐN.
Khi thiết kế chế tạo hoặc lựa chọn trang bị, các TBTĐN cần đạt các yêu cầu kỹ thuật
chính sau đây.
1) Hệ số truyền nhiệt
1
1
2
11
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
++=
αλ
δ
α
k
cần phải lớn, để tăng cường công suất TĐN
Q = kF
t∆
. Muốn tăng k, cần tăng λ, α
1
, α
2

, nhất là tăng min (α
1
, α
2
) và giảm chiều dày δ
của vách, không làm vách nhiều lớp.
2) Giảm trở kháng thuỷ lực trên dòng chảy các môi chất ∆p
1
, ∆p
2
, để giảm công suất
bơm quạt p = ∆pV/η. Muốn vậy cần giảm độ nhớt của chất lỏng, giảm tốc độ ω, giảm các
tổn thất cục bộ đến mức có thể.
3) Tăng diện tích mặt trao đổi nhiệt, là mặt có 2 phía tiếp xúc trực tiếp chất lỏng nóng
và chất lỏng lạnh để tăng công suất Q = kF
t∆
.
4) Bảo đảm an toàn tại áp suất và nhiệt độ làm việc cao nhất và có tuổi thọ cao. Muốn
vậy phải chọn kim loại đủ bền ở p, t làm việc, tính toán độ dày δ theo các quy tắc sức bền.
5) Bảo đảm độ kín giữa 2 chất lỏng với nhau và với môi trường bên ngoài, để gữ độ
tính nhiệt của sản phẩm và vệ sinh an toàn cho môi trường.
6) Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ
, dễ vận chuyển, dễ lắp ráp, vận hành, dễ kiểm tra, điều
khiển và dễ vệ sinh, bảo dưỡng.
1.2.2. Các nguyên tắc lựa chọn môi chất.
Môi chất là chất trung gian dùng để gia nhiệt hay làm lạnh sản phẩm trong TBTĐN.
Môi chất được phân loại theo mục đích sử dụng (Môi chất tải nhiệt như hơi nước, môi chất
tải lạnh như dung dịch NaCl, môi chất lạnh như
NH
3

), theo pha khi làm việc (1 pha, 2 pha,
3 pha), theo nhiệt độ làm việc ∆t
lv
= (t
min
÷ t
max
) (nhiệt độ rất cao, cao, trung bình, thấp, rất
thấp).
Việc lựa chọn môi chất cần đạt các yêu cầu sau:
1) Chọn môi chất có ρ, c, λ, r lớn để có d, k lớn nhằm tăng cường trao đổi nhiệt.
2) Chất có nhiệt độ nóng chảy t
nc
, nhiệt độ sôi t
s
và có pha thích hợp với ∆t
làm việc
và
áp suất làm việc.

3) Chất có độ nhớt ν nhỏ để giảm ∆p.
4) Chất không gây cháy nổ, ít độc hại, ít ăn mòn, không chứa tạp chất (cặn, bụi).
Nhiệt độ làm việc, áp suất làm việc và khả năng trao đổi nhiệt của 1 số môi chất
thông dụng được giới thiệu ở bảng 1 và bảng 2.

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

Môi chất t
lv
[

0
C] p
lv
tuyệt đôi [bar]
Khí H
2

Khí O
2
, N
2
, không khí
Khí metal CH
4

Khí etal, etylen, freon
Freon 12, 22, NH
3
, CO
2

Nước muối (dung dịch NaCl)
Freon 11, 12, 113, 114
Dầu
Nước H
2
O
Hơi nước
Hỗn hợp difenyl
Thuỷ ngân

Khói nóng
Chất rắn (samot)
Plasma t
0
thấp

≥ 273
≥ 210
-160 ÷ -100
-150 ÷ -70
-70 ÷ 0
-50 ÷ 0
-10 ÷ 0
0 ÷ 215
0 ÷ 374
0 ÷ 650
260 ÷ 350
350 ÷ 500
450 ÷ 1000
≤ 1500
≤ 3500

≤ 10
≤ 200
≤ 40
≤ 40
≤ 15
≤ 3
≤ 3
≤ 2

1 ÷ 225
1 ÷ 300
1 ÷ 6
1 ÷ 9
≤ 1
≤ 1
≤ 1

Bảng 2 – Khả năng trao đổi nhiệt của các môi chất.
α [W/m
2
K]
Quá trình TĐN Môi chất
α
min
α
max
Đốt nóng hoặc làm nguội Khí
Hơi quá nhiệt
Dầu
Nước
1
20
60
200
60
120
1.700
10.000

Sôi bọt Chất lỏng hữu cơ 600 10.000
Nước 6.000 50.000
Ngưng màng Hơi chất hữu cơ
Hơi nước
600
5.000
2.500
20.000
1.2.3. Chọn sơ đồ chuyển động của 2 chất lỏng.
Các kết quả thực nghiệm cho biết, hệ số toả nhiệt α khi dòng chất lỏng cắt ngang ống
lớn hơn, khi dòng chảy dọc ống, α
n
> α
d
, còn trở kháng thuỷ lực thì ∆p
n
> ∆p
d
.
Qua phân tích, Berman cho biết:
1) Với chất lỏng, khi Nu/Pr chiều).; khi Nu/Pr > 61 nên cho chảy cắt ngang ống (ưu tiên giao nhiều lần).
2) Với chất khí, khi Re ∈ [4.10
3

÷
4.10
4
] nên cho chảy cắt ngang ống.
1.2.4. Các nguyên tắc chọn chất lỏng chảy trong ống.

Khi cần chọn 1 chất lỏng cho đi trong ống thì ưu tiên cho:
1) Chất lỏng có lưu lượng thể tích V (m
3
/s) nhỏ hơn, để giảm vận tốc ω = V/ρ, do đó
giảm ∆p và công suất bơm.
2) Chất lỏng có độ nhớt cao hơn để để tăng ∆p lúc bơm.
3) Chất lỏng có (p, t)
lv
lớn để vỏ thiết bị không chịu (p, t) cao, thiết bị sẽ nhẹ và rẻ
hơn.
4) Chất lỏng độc hại, bẩn, gây ăn mòn, để dễ làm kín, dễ vệ sinh và ít tốn vật liệu bị
ăn mòn hóa chất.
1.2.5. Chọn tốc độ dòng môi chất.
Khi tốc độ ω tăng thì α, k tăng, làm TĐN tốt hơn, nhưng cũng làm tăng ∆p và công
suất tiêu hao cho bơm quạ
t. Do đó, cần chọn một vận tốc hợp lý để giảm chi phí vận hành,
tăng hiệu quả kinh tế. Bài toán tối ưu cho biết, nên chọn ω hợp lý cho môi chất theo bảng 3
sau đây:
Bảng 3. Khoảng giá trị hợp lý của vận tốc môi chất.
Môi chất
ω
tư
(m/s)
Chất lỏng có ν nhỏ (H
2
O, glycol)
Chất lỏng nhớt cao (dầu, dd NaCl)
Khí + bụi ở p
k
( khói, khí bụi)

Khí sạch ở p
k
( không khí )
0.5 ÷3
0.2 ÷1
6 ÷ 10
12 ÷ 16
Khí nén ở p > p
k
( khí nén)
Hơi bảo hoà
Hơi quá nhiệt
15 ÷ 30
30 ÷ 50
30 ÷ 75

1.3. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA TBTĐN.
Khi tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt, người ta luôn dựa vào 2 phương trình sau
đây gọi là phương trình cơ bản của TBTĐN.
1.3.1. Phương trình cân bằng nhiệt (CBN).
Phương trình cân bằng nhiệt là phương trình mô tả định luật bảo toàn và biến hoá
năng lượng cho TBTĐN.
1.3.1.1. Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát.
Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát liên hệ các hệ số entanpi ra vào thiết bị v
ới
nhiệt truyền qua vỏ thiết bị ra môi trường và biến thiên nội năng của thiết bị:
(Hiệu entanpi ra – vào của chất lỏng 1) + (Hiệu entanpi ra- vào của chất lỏng 2) +
(Nhiệt truyền qua vỏ thiết bị ra môi trường) + (Biến thiên nội năng của thiết bị) = 0.
Ở dạng tích phân, phương trình cân bằng nhiệt tổng quát có dạng:
∑Q = ( ∆I

1
+ ∆I
2
+ Q
k
)
τ
+ ∆U = 0,
Trong đó:
∆I
1
= G
1
(
/
1
//
1
ii −
) = G
1
Cp
1
(
/
1
//
1
tt −
) 2
= G
2
(
/
2
//
2
ii −
) = G
2
Cp
2
(
/
2
//
2
tt −
) > 0, do chất lỏng 2 thu nhiệt.
Q
k
= ∑k
i
F
i
(
t
– t

f
), [W] là nhiệt truyền từ chất lỏng có nhiệt độ
t
qua các diện tích F
i

của vỏ thiết bị ra môi trường nhiệt độ t
f
. Với thiết bị gia nhiệt thường có:
t
> t
f
nên Q
k
> 0
tức môi trường nhận nhiệt. Với thiết bị làm lạnh, thường
t
f
nên Q
k
toả nhiệt vào thiết bị.
τ
[s] là thời gian từ khi khởi động thiết bị ở nhiệt độ t
0
đến nhiệt độ
τ
t
nào đó.

∆U = ∑V
i
ρ
i
C
i
(
τ
t
– t
0
), [J] là biến thiên nội năng của các chi tiết tạo ra thiết bị. Trong
thiết bị gia nhiệt, thường
τ
t
> t
0
nên ∆U > 0; trong thiết bị làm lạnh, thường
τ
t
0
nên ∆U
Nếu đặt W = GC
p
, [W/K] là đương lượng nước của chất lỏng thì liên hệ giữa W, lưu
lượng G(kg/s); khối lượng riêng ρ[kg/m
3
], nhiệt dung riêng C

p
[J/kgK], vận tốc ω[m/s] của
chất lỏng với tiết diện dòng chất lỏng f sẽ có dạng:

W = GC
p
= ρωfC
p

Trong đó: V = ωf [m
3
/s] được gọi là lưu lượng thể tích.
Phương trình CBN tích phân tổng quát, liên hệ các thông số như trên sẽ có dạng:
[ρ
1
ω
1
f
1
(
/
1
//
1
ii −
) + ρ
2
ω
2
f

2
(
/
2
//
2
ii −
) + ∑k
i
F
i
(
t
– t
f
)]
τ
+ ∑ρ
i
V
i
C
i
(
τ
t
– t
0
).
Phương trình này cho phép tìm được một đại lượng chưa biết nào đó, ví dụ thời gian

τ
để khởi động thiết bị khi có thể xác định tất cả các đại lượng còn lại.
Khi xét cân bằng nhiệt qua 1 vi phân dF của diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị thì
phương trình cân bằng nhiệt tổng quát có dạng vi phân sau:
ρ
1
ω
1
f
1
di
1
+ ρ
2
ω
2
f
2
di
2
+ ∑k
i
F
i
(
t
– t
f
)dF
i

+ ∑ρ
i
V
i
C
i
τ
d
dt
= 0.
Đây là phương trình vi phân cân bằng công suất nhiệt trao đổi qua diện tích dF của
TBTĐN. Nó cho phép tìm được luật biến thiên theo thời gian
τ
của nhiệt độ các chất lỏng,
thông qua di = C
p
dt.
1.3.1.2. Các phương trình cân bằng nhiệt đặc biệt.
1) Khi thiết bị cách nhiệt tốt với môi trường: Coi Q
k
= 0, (∆I
1
+ ∆I
2
)
τ
+ ∆U = 0.
2) Khi TBTĐN làm việc ổn định, coi ∆U = 0, ∆I
1
+ ∆I

2
+ Q
k
= 0.
3) Khi thiết bị được cách nhiệt, làm việc ổn định thì:
∆I
1
+ ∆I
2
= 0 hay G
1
(
//
1
/
1
ii
−
) = G
2
Cp
2
(
/
2
//
2
ii
−
)

G
1
Cp
1
(
//
1
/
1
tt
−
) = G
2
Cp
2
(
/
2
//
2
tt
−
) hay W
1
(
//
1
/
1
tt

−
) = W
2
(
/
2
//
2
tt
−
)
Dạng vi phân của phương trình cân bằng nhiệt khi đó là W
1
dt
1
= W
2
dt
2
.
4) Khi ∆U = 0, Q
k
= 0 nếu các chất lỏng có sự chuyển pha trong TBTĐN, từ chất
lỏng C
p
đến sôi ở t
s
nhận nhiệt r, rồi quá nhiệt đến hơi có nhiệt dung riêng C
ph
, thì phương

trình cân bằng nhiệt có dạng:
G
1
( ) ( )
[ ]
( ) ( )
[ ]
2
//
222
/
2222
//
11111
/
11 spspspshp
ttCrttCGttCrttC −++−=−++−

Hình 1.4. Phân bố nhiệt độ các chất lỏng khi chuyển pha trong TBTĐN cùng chiều.
Ví dụ: + Phương trình cân bằng nhiệt trong lò hơi:
G
1
C
p1
( )
//
1
/
1

tt
−
( ) ( )
[ ]
2
//
222
/
2222 shpsp
ttCrttCG −++−=

với: 1- khối nóng, 2- H
2
O.
+ Phương trình cân bằng nhiệt cho bình ngưng: 1- hơi ngưng, 2- nước làm mát.
G
1
( ) ( )
[ ]
( )
//
2
/
222
//
11111
/
11
ttCGttCrttC
pspshp

−=−++−
.
1.3.2. Phương trình truyền nhiệt.
Phương trình truyền nhiệt là những phương trình mô tả lượng nhiệt trao đổi giữa 2
chất lỏng qua mặt TĐN bằng phương thức truyền nhiệt.
1) Dạng vi phân.
Lượng nhiệt δQ truyền từ chất lỏng nóng nhiệt độ t
1
qua diện tích dF
x
của mặt TĐN
đến chất lỏng lạnh nhiệt độ t
2
là:
δQ = k(t
1
– t
2
)dF
x
= k∆t
x
dF
x
, W
Trong đó:
k =
1
21
11

−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
++
∑
i
i
λ
δ
αα
, [W/m
2
K] là hệ số truyền nhiệt qua vách thường được coi là
không đổi trong mặt F.
∆t
x
= t
1(x)
– t
2(x)
= f(F
x
) là độ chênh nhiệt độ của 2 chất lỏng hai bên mặt dF
x

, phụ
thuộc vị trí F
x
.
2) Dạng tích phân.
Lượng nhiệt Q truyền từ chất lỏng 1 qua diện tích TĐN F đến chất lỏng 2 là:
Q =
() ()
,
0
tkFdFFtkdFFtk
F
xxxxxx
∆=∆=∆
∫∫
[W].
Với:
()
∫
∆=∆
xxx
dFFt
F
t
1
, gọi là độ chênh trung bình trên mặt F của nhiệt độ 2 chất lỏng.
1.4. XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH
t∆
.
Giá trị

Xem thêm: Bán Xe Tải Cũ Ở Quảng Nam – Trang thông tin ôtô hàng đầu – Lái Xe Vui

t∆
phụ thuộc vào t
/
1
, t
//
1
, t
/
2
, t
//
2
và loại sơ đồ chuyển động của 2 chất lỏng.
1.4.1. Sơ đồ song song ngược chiều.
Phương trình cân bằng nhiệt và truyền nhiệt qua dF
x
của TBTĐN song song ngược
chiều, theo hình 1.5 có dạng:
⎩
⎨
⎧
∆=
−=−=
xx
dFtkQ
dtdtQ
δ
δ
2211

WW

Theo đó có: dt
1
-dt
2
= –
Q
δ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
21
W
1
W
1

hay d
=∆
x
t
– mk∆t
x

dF
x
, với m =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
21
W
1
W
1
, [k/W].
Nếu m và k không đổi thì:
x
X
F
x
t
t
x
x
mkF
t
t

haydFmk
t
td
xx
−=
∆
∆
−=
∆
∆
∫∫
∆
∆
0
0
ln
0
.
Do đó: ∆t
x
(F
x
) = ∆t
0
exp(-mkF
x
).
Theo định nghĩa
t∆
:

t∆
=
()
∫∫
−
−
∆
=−
∆
=∆
−
1)exp()(
1
0
0
0
mkF
xx
F
xxx
e
mkF
t
dFmkF
F
t
dFFt
F
.
Thay ∆t

F
= ∆t
0
exp(-mkF) vào trên sẽ được:
0
0
0
0
0
ln
1
ln
t
t
tt
t
t
t
t
t
t
F
F
F
F
∆
∆
∆−∆
=
⎟

⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
∆
∆
∆
∆
∆
=∆

với
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
−=∆
−=∆
/
2
//
1
//
2
/

1
ttt
ttt
F
s

t
x
O
F
λ
x
d
x
F
F
2
dt
x
∆
t
∆
t
o
1
t
2
t
1
dt

∆
t
F
t’
1
t’
2
t”
1
t”
2
C
2
C
1
F

Hình 1.5. Sơ đồ trao đổi nhiệt 2 chất lỏng song song ngược chiều.
1.4.2. Sơ đồ song song cùng chiều.
Phương trình cân bằng nhiệt và truyền nhiệt dF
x
là:
⎩
⎨
⎧
∆−=
=−=
xx
dFtkQ
dtdtQ

δ
δ
2211
WW

Sau khi đưa về dạng: d∆t
x
= –
x
tdFk∆
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
21
W
1
W
1
= -mk∆t
x
dF
x
và biến đổi như trên sẽ
thu được:

0
0
ln
t
t
tt
t
F
F
∆
∆
∆−∆
=∆
với
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
−=∆
−=∆
//
2
//
1
/
2
/
10
ttt

ttt
F

t
x
O
F
x
d
x
F
F
t’
1
F
1
C
C
2
t
1
t”
1
F
∆
t
dt
1
dt
2

∆
t
x
2
t”
t
2
2
t’
o
∆
t

Hình 1.6. Sơ đồ trao đổi nhiệt 2 chất lỏng song song cùng chiều.
Các công thức trên dùng khi: ∆t
0
≠ ∆t
F
≠ 0.
Các công thức đặc biệt khác có thể tính
t∆
theo:
=∆t

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨

⎧
=∆=∆
∆+∆
≠∆=∆∆
00
)(
2
1
0
0
0
0
F
F
F
ttkhi
tt
ttkhit

1.4.3. Các sơ đồ khác.
Để tính
t∆
cho các sơ đồ khác (song song đổi chiều, giao nhau 1 hay n lần), ta tính
t∆
theo sơ đồ song song ngược chiều rồi nhân với hệ số ε
∆t
, được xác định bằng thực
nghiệm và cho ở dạng đồ thị.
ε
∆t

= f( p =
/
2
/
1
/
2
//
2
tt
tt
−
−
, R =
/
2
//
2
//
1
/
1
tt
tt
−
−
, loại sơ đồ):
t∆
=
t∆

↑↓. ε
∆t
(P, R,loại sơ đồ).
1.5. CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA TBTĐN.
Để đánh giá chất lượng của TBTĐN, người ta dựa vào các chỉ tiêu sau đây:
1.5.1. Chỉ tiêu về năng lượng.
Để đặc trưng cho một công suất nhiệt thu được ứng với 1kW điện tiêu hao khi vận
hành bơm quạt của thiết bị, người ta dùng chỉ tiêu năng lượng E
0
, được định nghĩa:
E
0
= Công suất nhiệt sản phẩm thu được từ môi chất
Tổng công suất để bơm quạt sản phẩm và môi chất
E
0
=
35
)(
///
+
−
=
+
spiiG
NqNb
Q
. E
0
càng lớn thì thiết bị càng tốt.

Ví dụ: Lò hơi sản xuất G = 1000 kg/h hơi có i
//
= 2770 kJ/kg, từ nước có C
p
= 4,18 kJ/kgK,
t
/
= 27
0
C, bơm nước tiêu thụ N
B
= 5kW, quạt gió tiêu thụ N
q
= 3kW thì có:
E
0
=
()
3,92
35
27.18,42770
3600
1000
=
+
−
⎟
⎠
⎞
⎜

⎝
⎛

1.5.2. Các chỉ tiêu kết cấu.
1.5.2.1. Độ gọn của thiết bị
Độ gọn của thiết bị, ký hiệu là G, được định nghĩa:
G

= Diện tích mặt trao đổi nhiệt F = F, [m
2
/m
3
]
Thể tích hộp bao thiết bị V V
G càng lớn, thiết bị càng gọn.
Ví dụ: Lò hơi nói trên có G =
32
/6,1
4.2.2
25
mm
V
F
==

1.5.2.2. Suất tiêu hao kim loại.
Suất tiêu hao kim loại, ký hiệu là b, được định nghĩa:
b

= Khối lượng của thiết bị = M, [kg/m

2
]
Diện tích mặt trao đổi nhiệt F
b càng nhỏ thiết bị càng ít tốn kim loại.
Ví dụ: Lò hơi nói trên có b =
2
/50
25
1200
mkg
=
.
1.5.3. Hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị.
1.5.3.1. Định nghĩa:
Hiệu suất TĐN của thiết bị, ký hiệu bởi η được định nghĩa:
η =
max
Q
Q
,
Trong đó:
Q = W
1
δt
1
= W
2
δt
2
= bF

t∆
là nhiệt chất lỏng 1 truyền cho chất lỏng 2 trong thiết bị.
Q
max
là nhiệt cực đại mà chất lỏng 1 truyền cho chất lỏng 2 khi chảy song song ngược
chiều với diện tích TĐN lớn vô cùng F → ∞.
Khi hai chất lỏng chảy song song ngược chiều và F → ∞ thì nhiệt độ ra chất lỏng có
W nhỏ hơn sẽ bằng nhiệt độ vào của chất lỏng có W lớn hơn.
Khi W
1
> W
2
→ δt
1
2
và t
//
2
= t
/
1
.
Khi W
1
2
→ δt
1
> δt

2
và t
//
1
= t
/
2
.
Do đó Q
max
bằng :
Q
max
=
() ()
() ()
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
〈−=−
〉−=−
21
/
2
/
1min
//
1

/
11
212
/
1min
/
2
//
22
WWWW
WWWW
khitttt
khitttt

tức là Q
max
= W
min
(t
/
1
= t
/
2
), với W
min
= min(W
1
,W
2

).
Hình 1.7. Phân bố t
i
(F
x
) khi F
→

∞

1.5.3.2. Công thức tính
η
.
η =
max
Q
Q
=
()
/
2
/
1
max
/
2
/
1min
maxmin
W

tt
t
ttW
t
−
=
−
δδ

với δt
max
= max( δt
1
, δt
2
)
η =
max
Q
Q
=
()
/
2
/
1
/
2
/
1min

W¦ tt
t
NTU
tt
tbF
−
∆
=
−
∆

với NTU =
min
W
kF
gọi là số đơn vị chuyển nhiệt (Number of Tranfu Unit).
Hiệu suất TĐN η phụ thuộc NTU ≡ n,
1
W
W
max
min
〈= m
và sơ đồ chuyển động của chất
lỏng 2 chất lỏng.
1.5.3.3. Tính
η
cho sơ đồ song song ngược chiều.
Xét sơ đồ song song ngược chiều có W
1

> W
2
.
Từ phương trình cân bằng nhiệt δQ = -W
1
dt
1
= -W
2
dt
2

Có dt
1
– dt
2
= d(∆t
x
) = δQ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
12
W

1
W
1

Theo phương trìnẻotuyền nhiệt δQ = k∆t
x
dF
x

→ d(∆t
x
) = k∆t
x
dF
x
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
12
W
1
W
1

→
x
F
t
t
x
x
dF
k
t
td
F
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
∆
∆
∫∫
∆
∆
1
2
0
2

Xem thêm: MUA BÁN XE TẢI CŨ Ở THÁI BÌNH | Uy tín số 1 Thái Bình

W
W
1
W
0

→ ln
()
mn
kF
F
F
ee
t
t
kF
t
t
−−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−−
==
∆

∆
→
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
∆
∆
1
W
W
1
W
0
1
2
20
1
2
2
W
W
1
W
.

Cl ‘ ‘ Cl ‘ ‘ Hình 1.1. Sơ đồ khối của TBTĐN1. 1.2. Phân loại những TBTĐN. 1.1.2. 1. Phân loại theo nguyên tắc thao tác của TBTĐN. 1 ) TBTĐN tiếp xúc ( hay hỗn hợp ), là loại TBTĐN trong đó chất gia công và môi chấttiếp xúc nhau, triển khai cả quy trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, tạo ra một hỗn hợp. Vídụ bình gia nhiệt nước bằng cách sục 1 dòng hơi. 2 ) TBTĐN hồi nhiệt, là loại thiết bị TĐN xuất hiện trao đổi nhiệt được quay, khi tiếpxúc chất lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt tỏa nhiệt. Quá trình TĐN làkhông không thay đổi và trong mặt trao đổi nhiệt có sự giao động nhiệt. Ví dụ : bộ sấy không khíquay trong lò hơi nhà máy sản xuất nhiệt điện. 3 ) TBTĐN vách ngăn, là loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chấtlỏng lạnh và 2 chất lỏng TĐN theo kiểu truyền nhiệt. Loại TBTĐN vách ngăn bảo vệ độkín tuyệt đối giữa hai chất, làm cho chất gia công được tinh khiết và vệ sinh, bảo đảm an toàn, do đóđược sử dụng thoáng rộng trong mọi công nghệ tiên tiến. 4 ) TBTĐN kiểu ống nhiệt, là loại TBTĐN dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chấtlỏng nóng đến chất lỏng lạnh. Môi chất trong những ống nhiệt nhân nhiệt từ chất lỏng 1, sôivà hóa hơi thành hơi bão hòa khô, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏngrồi quay về vùng nóng để tái diễn quy trình. Trong ống nhiệt, môi chất sôi, ngưng và chuyểnđộng tuần hoàn, tải 1 lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2. a. Bình gia nhiệt hỗn hợp b. Thùng gia nhiệt khí hồi nhiệtc. Bình ngưng ống nước d. Lò hơi ống nhiệtHình 1.2. Các loại TBTDN phân theo nguyên tắc thao tác. 1.1.2. 2. Phân loại TBTĐN theo sơ đồ hoạt động chất lỏng, với loại TBTĐN có váchngăn. a. Sơ đồ song song cùng chiều. b. Sơ đồ song song ngược chiều. c. Sơ đồ song song đổi chiều. d. Sơ đồ giao nhau 1 lần. e. Sơ đồ giao nhau nhiều lần. Hình 1.3. Các sơ đồ chuyểnđộng chất lỏng trong TBTDN. 1.1.2. 3. Phân loại TBTĐN theo thời hạn. – Thường phân ra 2 loại : Thiêt bị liên tục ( ví dụ bình ngưng, calorife ) và thiết bị làm việctheo chu kỳ luân hồi ( nồi nấu, thiết bị sấy theo mẻ ). 1.1.2. 4. Phân loại TBTĐN theo tác dụng. – Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho loại sản phẩm ( Ví dụ nồi nấu, lò hơi ). – Thiết bị làm mát để làm nguội mẫu sản phẩm đến nhiệt độ thiên nhiên và môi trường ( Ví dụ tháp giải nhiệtnước, bình làm mát dầu ) – Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ loại sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ hơn môi trường tự nhiên ( Ví dụ tủ cấpđông, tủ lạnh ). 1.2. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CHUNG CHO MỌI TBTĐN. 1.2.1. Các nhu yếu kỹ thuật chung cho mọi TBTĐN.Khi phong cách thiết kế sản xuất hoặc lựa chọn trang bị, những TBTĐN cần đạt những nhu yếu kỹ thuậtchính sau đây. 1 ) Hệ số truyền nhiệt11 + + = αλcần phải lớn, để tăng cường hiệu suất TĐNQ = kFt ∆. Muốn tăng k, cần tăng λ, α, α, nhất là tăng min ( α, α ) và giảm chiều dày δcủa vách, không làm vách nhiều lớp. 2 ) Giảm trở kháng thủy lực trên dòng chảy những môi chất ∆ p, ∆ p, để giảm công suấtbơm quạt p = ∆ pV / η. Muốn vậy cần giảm độ nhớt của chất lỏng, giảm vận tốc ω, giảm cáctổn thất cục bộ đến mức hoàn toàn có thể. 3 ) Tăng diện tích quy hoạnh mặt trao đổi nhiệt, là mặt có 2 phía tiếp xúc trực tiếp chất lỏng nóngvà chất lỏng lạnh để tăng hiệu suất Q = kFt ∆ 4 ) Bảo đảm bảo đảm an toàn tại áp suất và nhiệt độ thao tác cao nhất và có tuổi thọ cao. Muốnvậy phải chọn sắt kẽm kim loại đủ bền ở p, t thao tác, thống kê giám sát độ dày δ theo những quy tắc sức bền. 5 ) Bảo đảm độ kín giữa 2 chất lỏng với nhau và với môi trường tự nhiên bên ngoài, để gữ độtính nhiệt của loại sản phẩm và vệ sinh bảo đảm an toàn cho môi trường tự nhiên. 6 ) Cấu tạo đơn thuần, gọn nhẹ, dễ luân chuyển, dễ lắp ráp, quản lý và vận hành, dễ kiểm tra, điềukhiển và dễ vệ sinh, bảo trì. 1.2.2. Các nguyên tắc lựa chọn môi chất. Môi chất là chất trung gian dùng để gia nhiệt hay làm lạnh mẫu sản phẩm trong TBTĐN.Môi chất được phân loại theo mục tiêu sử dụng ( Môi chất tải nhiệt như hơi nước, môi chấttải lạnh như dung dịch NaCl, môi chất lạnh nhưNH ), theo pha khi thao tác ( 1 pha, 2 pha, 3 pha ), theo nhiệt độ thao tác ∆ tlv = ( tmin ÷ tmax ) ( nhiệt độ rất cao, cao, trung bình, thấp, rấtthấp ). Việc lựa chọn môi chất cần đạt những nhu yếu sau : 1 ) Chọn môi chất có ρ, c, λ, r lớn để có d, k lớn nhằm mục đích tăng cường trao đổi nhiệt. 2 ) Chất có nhiệt độ nóng chảy tnc, nhiệt độ sôi tvà có pha thích hợp với ∆ tlàm việcvàáp suất thao tác. 3 ) Chất có độ nhớt ν nhỏ để giảm ∆ p. 4 ) Chất không gây cháy nổ, ít ô nhiễm, ít ăn mòn, không chứa tạp chất ( cặn, bụi ). Nhiệt độ thao tác, áp suất thao tác và năng lực trao đổi nhiệt của 1 số môi chấtthông dụng được ra mắt ở bảng 1 và bảng 2. Bảng 1 – Khoảng nhiệt độ và áp suất thao tác của những môi chất. Môi chất tlvC ] plvtuyệt đôi [ bar ] Khí HKhí O, N, không khíKhí metal CHKhí etal, etylen, freonFreon 12, 22, NH, CONước muối ( dung dịch NaCl ) Freon 11, 12, 113, 114D ầuNước HHơi nướcHỗn hợp difenylThuỷ ngânKhói nóngChất rắn ( samot ) Plasma tthấp ≥ 273 ≥ 210 – 160 ÷ – 100 – 150 ÷ – 70-70 ÷ 0-50 ÷ 0-10 ÷ 00 ÷ 2150 ÷ 3740 ÷ 650260 ÷ 350350 ÷ 500450 ÷ 1000 ≤ 1500 ≤ 3500 ≤ 10 ≤ 200 ≤ 40 ≤ 40 ≤ 15 ≤ 3 ≤ 3 ≤ 21 ÷ 2251 ÷ 3001 ÷ 61 ÷ 9 ≤ 1 ≤ 1 ≤ 1B ảng 2 – Khả năng trao đổi nhiệt của những môi chất. α [ W / mK ] Quá trình TĐN Môi chấtminmaxĐốt nóng hoặc làm nguội KhíHơi quá nhiệtDầuNước2060200601201. 70010.000 Sôi bọt Chất lỏng hữu cơ 600 10.000 Nước 6.000 50.000 Ngưng màng Hơi chất hữu cơHơi nước6005. 0002.50020.0001.2.3. Chọn sơ đồ hoạt động của 2 chất lỏng. Các tác dụng thực nghiệm cho biết, thông số tỏa nhiệt α khi dòng chất lỏng cắt ngang ốnglớn hơn, khi dòng chảy dọc ống, α > α, còn trở kháng thủy lực thì ∆ p > ∆ pQua nghiên cứu và phân tích, Berman cho biết : 1 ) Với chất lỏng, khi Nu / Pr 61 nên cho chảy cắt ngang ống ( ưu tiên giao nhiều lần ). 2 ) Với chất khí, khi Re ∈ [ 4.104.10 ] nên cho chảy cắt ngang ống. 1.2.4. Các nguyên tắc chọn chất lỏng chảy trong ống. Khi cần chọn 1 chất lỏng cho đi trong ống thì ưu tiên cho : 1 ) Chất lỏng có lưu lượng thể tích V ( m / s ) nhỏ hơn, để giảm tốc độ ω = V / ρ, do đógiảm ∆ p và hiệu suất bơm. 2 ) Chất lỏng có độ nhớt cao hơn để để tăng ∆ p lúc bơm. 3 ) Chất lỏng có ( p, t ) lvlớn để vỏ thiết bị không chịu ( p, t ) cao, thiết bị sẽ nhẹ và rẻhơn. 4 ) Chất lỏng ô nhiễm, bẩn, gây ăn mòn, để dễ làm kín, dễ vệ sinh và ít tốn vật tư bịăn mòn hóa chất. 1.2.5. Chọn vận tốc dòng môi chất. Khi vận tốc ω tăng thì α, k tăng, làm TĐN tốt hơn, nhưng cũng làm tăng ∆ p và côngsuất tiêu tốn cho bơm quạt. Do đó, cần chọn một tốc độ hài hòa và hợp lý để giảm ngân sách quản lý và vận hành, tăng hiệu suất cao kinh tế tài chính. Bài toán tối ưu cho biết, nên chọn ω hài hòa và hợp lý cho môi chất theo bảng 3 sau đây : Bảng 3. Khoảng giá trị hài hòa và hợp lý của tốc độ môi chất. Môi chấttư ( m / s ) Chất lỏng có ν nhỏ ( HO, glycol ) Chất lỏng nhớt cao ( dầu, dd NaCl ) Khí + bụi ở p ( khói, khí bụi ) Khí sạch ở p ( không khí ) 0.5 ÷ 30.2 ÷ 16 ÷ 1012 ÷ 16K hí nén ở p > p ( khí nén ) Hơi bảo hoàHơi quá nhiệt15 ÷ 3030 ÷ 5030 ÷ 751.3. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA TBTĐN.Khi thống kê giám sát những thiết bị trao đổi nhiệt, người ta luôn dựa vào 2 phương trình sauđây gọi là phương trình cơ bản của TBTĐN. 1.3.1. Phương trình cân đối nhiệt ( CBN ). Phương trình cân đối nhiệt là phương trình diễn đạt định luật bảo toàn và biến hoánăng lượng cho TBTĐN. 1.3.1. 1. Phương trình cân đối nhiệt tổng quát. Phương trình cân đối nhiệt tổng quát liên hệ những thông số entanpi ra vào thiết bị vớinhiệt truyền qua vỏ thiết bị ra môi trường tự nhiên và biến thiên nội năng của thiết bị : ( Hiệu entanpi ra – vào của chất lỏng 1 ) + ( Hiệu entanpi ra – vào của chất lỏng 2 ) + ( Nhiệt truyền qua vỏ thiết bị ra môi trường tự nhiên ) + ( Biến thiên nội năng của thiết bị ) = 0. Ở dạng tích phân, phương trình cân đối nhiệt tổng quát có dạng : ∑ Q = ( ∆ I + ∆ I + Q. + ∆ U = 0, Trong đó : ∆ I = G / / ii − ) = GCp / / tt − ) 0, do chất lỏng 2 thu nhiệt. = ∑ k – t ), [ W ] là nhiệt truyền từ chất lỏng có nhiệt độqua những diện tích quy hoạnh Fcủa vỏ thiết bị ra thiên nhiên và môi trường nhiệt độ t. Với thiết bị gia nhiệt thường có : > tnên Q > 0 tức thiên nhiên và môi trường nhận nhiệt. Với thiết bị làm lạnh, thường tnên ∆ U > 0 ; trong thiết bị làm lạnh, thường W → δt δtvà t / / = tDo đó Qmaxbằng : max ( ) ( ) ( ) ( ) 〈 − = − 〉 − = − 211 min / / 112121 min / / 22WWWWWWWW khittttkhitttttức là Qmax = Wmin ( t = t ), với Wmin = min ( W, W ). Hình 1.7. Phân bố t ( F ) khi F1. 5.3.2. Công thức tínhη = max ( ) max1minmaxminttttWδδvới δtmax = max ( δt, δtη = max ( ) 1 minW ¦ ttNTUtttbFvới NTU = minkFgọi là số đơn vị chức năng chuyển nhiệt ( Number of Tranfu Unit ). Hiệu suất TĐN η phụ thuộc vào NTU ≡ n, maxmin 〈 = mvà sơ đồ hoạt động của chấtlỏng 2 chất lỏng. 1.5.3. 3. Tínhcho sơ đồ song song ngược chiều. Xét sơ đồ song song ngược chiều có W > WTừ phương trình cân đối nhiệt δQ = – Wdt = – WdtCó dt – dt = d ( ∆ t ) = δQ12Theo phương trìnẻotuyền nhiệt δQ = k ∆ tdF → d ( ∆ t ) = k ∆ tdF12dFtd − = ∫ ∫ → ln ( ) mnkFeekF − − − − = = − = 20