thiết bị trao Đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt HE 3033 (TBTDN)

Prof Hà Mạnh Thư

Đại học Bách Khoa Hà nội 2015

228 TV TaQuangBuu

Thiết bị trao đổi nhiệt -Sách giáo khoa “ Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư”, 2001, nhà xuất bản KHKT

-Tài liệu nước ngoài –tiếng anh – sẽ được bổ xung qua địa chỉ HEX2015@googlegroupes.com

Hạn đăng ký để nhận tài liệu và các thông tin

khác hết tuần 25 ( hết 31/1//2015)

-Thí nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt không hoàn thành thí nghiệm sẽ không được thi

-Thi vấn đáp tại phòng 228 TV TQB

Nội dung

• Định nghĩa • Phân loại • TB tích nhiệt • TBTDN tiếp xúc trực tiếp ( hay bộ hòa trộn) • TBTDN kiểu gọn ( compact) • TBTDN kiểu hồi nhiệt: - Phân loại - TBTDN kiểu ống lồng ống - TBTDN kiểu cắt nhau - TBTDN kiểu ống vỏ - TBTDN kiểu compact - TBTDN kiểu tấm • Hệ số bám bẩn ( fouling factor) • Hệ số truyền nhiệt k (u) overall heat transfer coefficient

Phân loại TBTDN (HEX)

Các tiêu chuẩn:

• Bộ hồi nhiệt, tích nhiệt

• Theo qt truyền nhiệt:Tiếp xúc trực tiếp, gián tiếp ( qua vách)

• Theo hình dáng cấu trúc: kiểu ống, kiếu tấm, có cánh.

• Theo cơ cấu truyền nhiệt: một pha, 2 pha

• Theo chiều chuyển động: cùng chiều, ngược chiều, cắt nhau

Phân loại theo hoạt động

• Bộ hồi nhiệt: cả 2 chất lỏng chuyển động đồng thời trên 2 bề mặt của vách ngăn cách.

• Bộ tích nhiệt: cả 2 chất lỏng lần lượt chuyển động qua cùng 1 bề mặt của vách ngăn cách.

• Bộ hòa trộn hay tiếp xúc trực tiếp: không có vách ngăn cách giữa 2 chất lỏng.

• Loại tiếp xúc trực tiếp với lửa qua vách ngăn.

Phân loại HEX

Bộ tích nhiệt

• Cả 2 chất lỏng lần lượt chuyển động qua cùng 1 bề mặt của vách ngăn cách.

• Quá trình TDN xảy ra theo 2 giai đoạn:

-Chất lỏng nóng cấp nhiệt cho các matrận (matrix)

-Các ma trận cấp nhiệt cho chất lỏng lạnh

• Ma trân = vách ngăn

• Ma trận có thể cố định hay quay

Bộ tích nhiệt

Các đặc tính vật liệu làm ma trận:

• Có NDR Cp cao

• Có hệ số dẫn nhiệt l ( k) lớn theo hướng vuông góc với dòng , nhỏ theo hướng // với dòng

• Có hệ số dẫn nhiệt độ a cao.

• Có hệ số dãn nở nhiệt thấp

Bộ tích nhiệt ma trận cố định

Vật liệu tích nhiệt

Khí nóng Tf, a (h)

Bộ tích nhiệt

Bô tich nhiệt ma trận xoay

Bộ hòa trộn ( mixer)

• Nhiệt được trao đổi giữa 2 chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với nhau ( không có vách ngăn)

• Đây là qt truyền nhiệt và truyền chất ( nước bay hơi)

• Ví dụ:

- Tháp giải nhiệt dùng cho ht lạnh

- Dàn lạnh kiểu bay hơi ( kk được làm lạnh nhờ nước bay hơi)

Bộ hòa trộn

Tháp giải nhiệt

Sơ đồ lam lạnh kiểu bay hơi

Bộ hồi nhiệt

• Bồ hồi nhiệt: cả 2 chất lỏng chuyển động đồng thời trên 2 bề mặt của vách ngăn cách.

• Phân loại: theo chiều chuyển động va cấu trúc.

• Kiểu ống lồng ống ( double - pipe HE)

TBTDN ống lồng ống

TBTDN kiểu cắt nhau

a) ống có cánh ( cả 2 Chất lỏng) không hòa trộn với nhau b) ống không có cánh 1Chất lỏng hòa trộn và chất kia

không hòa trộn

Compact HEX

• Dùng kk để làm lạnh chất lỏng thay vì dùng nước + Ưu điểm không phụ thuộc vào nguồn nước - Nhược điểm: cần nhiều không gian hơn và ồn hơn • Có 2 loại: Dùng quạt thổi cưỡng bức: quạt nằm trước các ống: + dòng rối và hê số truyền nhiệt cao - tốc độ ra thấp >> ảnh hưởng đến vấn đề tuần hoàn Dùng quạt hút: quạt nằm trên các ống + đòi hỏi ít năng lượng và vấn đề tuần hoàn - chi phí cao hơn và ồn hơn

TBTDN kiểu cắt nhau

TBTDN kiểu ống vỏ

TBTDN kiểu ống vỏ

• + nhiều ống>> tăng diện tích trao đổi nhiệt

• - tăng diện tích trao đổi nhiệt >> tăng mặt cắt ngang >>giảm tốc độ của dòng >> giảm hệ số truyền nhiệt

• Kém hiệu quả hơn so với TBTDN kiểu ngược chiều!

TBTDN kiểu ống vỏ

Các bộ phận của Thiết bị ống vỏ:

các kiểu tấm chắn - vách ngăn

HEX kiểu ống vỏ

Phân biệt theo số hành trình

(pass) của từng chất lỏng

qua ống và qua vỏ.

a) 1 hành trình vỏ,

2 hành trình ống

a) 2 hành trình vỏ,

4 hành trình ống

HEX kiểu ống vỏ

Tấm chắn làm tăng độ rối và tạo ra

dòng cắt ngang!

Bộ hồi nhiệt

• TBTDN kiểu ống vỏ:

1. Với kiểu tấm tròn cố định:

kiểu hàn, tán rive, có doăng dãn nở, tấm kép

Chuyển động dọc theo ống do dãn nở không được phép

Hoạt động của HEX ống vỏ hạn chế do độ chênh nhiệt độ ống vỏ dưới 50oC

Với loại hàn không tháo ra được, làm sạch bằng hóa chất không ăn mòn.

Bộ hồi nhiệt

2.Loại chữ U:

Đầu ra và vào của ống nằm cùng một phía của HEX

Ống có dạng chữ U ở đầu kia

Vỏ có kích thước lớn hơn so với phần 1

Chi phí chế tạo thấp hơn so với 1 ( tiết kiệm được đầu nối)

Làm sạch ống bằng hóa chất không ăn mòn do hình chữ U.

Bộ hồi nhiệt

3. Với 1 đầu tự dãn nở:

Chuyển động theo hướng ống cho phép

Chi phí gia công cao và cấu trúc phức tạp

Sa sánh các loại HEX ống vỏ

Kiểu chữ U Tấm được cố định đầu tự dãn nở

Chi phí tương đối 0,75 0,85 1

Có dãn nở nhiệt có không có

Cho phép vỏ biến đổi có không có

Cho phép ống biến đổi có có có

Phương pháp làm sạch ống bằng hóa chất bằng hóa chất

bằng hóa chất hoặc cơ khí

Phương pháp làm sạch vỏ bằng hóa chất hoặc cơ khí

bằng hóa chất

bằng hóa chất hoặc cơ khí

Bộ hồi nhiệt kiểu gọn (compact)

Mục đích để có độ gọn cao: tỷ số diện tích trên đơn vị thể tích cao >700 m2/m3.

Được tạo ra bằng cách bố trí các tổ hợp ống

(tròn hoăc phẳng) có cánh (hình chữ nhật hay hình khuyên):cánh phẳng, cánh trên ống,HEX tấm // với nhau

Được dùng khi 1 chất lỏng là khí

Tiết diện ngang nhỏ:>> dòng chẩy tầng.

Ống có cánh (trong hay ngoài)

Các kiểu cánh

Các kiểu cánh

Cấu tạo HEX có cánh

Tấm ngăn cách

Cánh

Tấm ngăn cách

Thanh ghép bên cạnh

Lò

hơi

trong

nhà

máy

điện

hạt

nhân

Ống có cánh

Các

ứng

dụng

của

công

nghệ

trao đổi

nhiệt

Đặc điểm,

yêu cầu của thiết

bị Cấu trúc tbị, chiều chuyển động, chọn bề

mặt

Điều kiện làm việc

Các tính chất nhiệt vật lý của chất lỏng và vật liệu

Các đặc tính của bề mặt, tính chất hình

dáng

Phân tích đọ sụt áp và truyền nhiệt của chất lỏng và tối

ưu hóa

Chọn giải pháp tối ưu

Thiết kế cơ khí các đầu thiết bị, ứng

suất nhiệt, độ rung và độ bám bẩn

Qui trình thiết kế TBTDN

Chọn giải pháp tối ưu

Qui trình đánh giá và tính chi phí

Các yếu tố thỏa hiệp

Các tíêu chẩn đánh

giá

Chọn giải pháp tối ưu cho trường hợp đang xét

Qui trình thiết kế TBTDN

PHEX

Bộ trao đổi nhiệt kiểu tấm:

Hạn chế làm việc:

Với HEX kiểu hàn: 350oC và

40 bar

Với HEX kiểu có gông:

260oC và 20 bar

Nhược điểm:

tổn thất áp suất cao hơn so với

thiết bị ống vỏ

Ưu điểm:

dễ làm vệ sịnh (dễ tháo lắp) và

bố trí dòng ngược chiều

Hệ số bám bẩn

Hệ số trao đổi nhiệt a (h)

Hệ số truyền nhiệt k (U) W/m2K

Chọn chất lỏng

• Chất lỏng nóng nằm phía vỏ để thải nhiệt ra

ngoài (dàn ngưng tụ)

• Chất lỏng ăn mòn nhiều hơn nằm trong ống

• Chất lỏng chịu áp suất cao hơn nằm trong ống

• Chất lỏng nóng nằm trong ống để dãn nở nhiều

hơn.

• Chất lỏng chóng bẩn hơn nằm trong ống để dễ

vệ sinh

• Chất lỏng nhớt hơn nằm phía vỏ nơi có độ rối cao hơn ( không gian lớn hơn)

• Chất lỏng có trở kháng nhỏ hơn đi trong ống

Yêu cầu với HEX

• Hệ số truyền nhiệt càng cao càng tốt >>

F(A) m2 nhỏ

• Trở kháng thủy lực càng nhỏ càng tốt

• Bề mặt càng ít bám bẩn càng tốt

• Đảm bảo 2 chất lỏng không hòa trộn với

nhau

• Vận hành an toàn, có tuổi thọ cao, dễ lắp

đặt, vận hành và bảo dưỡng.

Hiệu suất của HEX

1 t t2

t t

1 1 1

t

t

1

2

1

t

Q Q QQ1 1

Q Q Q

Q

Q

Q

Q

Q

Víi thiet bi cÊp nhiÖt cho chÊt láng

nhiÖt m«i chÊt ( kh«ng khi) cÇn ®­îc ®èt nong

nhiÖt l­îng khoi lß th¶i ra

nhiÖt l­îng tæn thÊt ra m«i tr­êng.

Với thiết bị làm lạnh

Q2 nhiệt môi chất ( dung dịch muối) cần làm lạnh

Q 1 nhiệt môi chất lạnh ( NH3, Freon) nhận

Q1=Q2+ Q t

tổn thất nhiệt tương đối ra môi trường bên ngoài.

2 1 t t

t t

1 1 1

Q Q Q Q

1 1

Q Q Q

t

t

1

Q

Q

Hiệu suất execgi

2

0 0

2

qr 2 2

e t

0 0v q1

1

1 1

T Tq (1 ) (1 )

ee T T

T Te eq (1 ) (1 )

T T

0

2

0

1

that ra moi truong

(1 )

1

(1

)e tBo qua to

T

T

T

T

n

Với tb làm lạnh

v

0 0

v

q v vr

e t

v qml 0 0

1

ml ml

T Tq (1 ) (1 )

e T Te

e e T Tq (1 ) (1 )

T T

0

0

(1 )

(1 )

v

e

ml

T

T

T

T

Bai tập về nha_tuần 1,2-2015

• 1.TBTDN kiểu ống lồng ống ngược chiều được dùng để làm mát dầu nóng. Đường kính bên trong 2 cm với chiều dày coi như không đáng kể, Đường kính bên trong của (ống) vỏ bên ngoài 3cm; Nước chuyển động bên trong ống với lưu lượng 0,5 kg/s và dầu nóng chuyển động phía vỏ với lưu lượng 0,8 kg/s. Nếu coi nd trung bình của nước và dầu tương ứng là 45oC và 80oC, hãy xd hệ số truyền nhiệt của tbtdn này.

• 2. Một tbtdn kiểu ống lồng ống được làm từ thép không rỉ với hệ số dẫn nhiệt 15,1 W/mK, đk trong của ống Di=1,5 cm, dk ngoài Do=1,9 cm, dk trong của vỏ 3,2 cm; Cho hệ số tỏa nhiệt bên trong ống hi=800 W/m2K, hệ số tỏa nhiệt bên ngoài ống ho=1200 W/m2K; hệ số bám bẩn bên trong ống Rt,i=0,0004 m2K/W, hệ số bám bẩn bên ngoài ống Rt,o=0,0001 m2K/W.

Xd nhiệt trở của tbtdn trên 1 đơn vị chiều dài, Và hệ số truyền nhiệt tính cho diện tích bên trong và bên ngoài ống Ui và Uo

• 2. Một tbtdn kiểu ống lồng ống được làm từ thép không rỉ với hệ số dẫn nhiệt 15,1 W/mK, đk trong của ống di=1,5 cm, dk ngoài do=1,9 cm, đk trong của vỏ 3,2 cm; Cho hệ số tỏa nhiệt bên trong ống hi=800 W/m2K, hệ số tỏa nhiệt bên ngoài ống ho=1200 W/m2K; hệ số bám bẩn bên trong ống Rt,i=0,0004 m2K/W, hệ số bám bẩn bên ngoài ống Rt,o=0,0001 m2K/W.

Xd nhiệt trở của tbtdn trên 1 đơn vị chiều dài, Và hệ số truyền nhiệt tính cho diện tích bên trong và bên ngoài ống Ui và Uo