Bài giảng Các thiết bị truyền nhiệt

3-Các thiết bị truyền nhiệt 3.1 Air Cooler..................................................................................... 2 3.1.1 Theory........................................................................................ 2 3.1.2 Design Tab ................................................................................ 3 3.1.3 Rating Tab................................................................................. 5 3.1.4 Worksheet Tab ......................................................................... 6 3.1.5 Performance Tab........................................................................ 6 3.1.6 Dynamics Tab ........................................................................... 7 3.1.7 Air Cooler Example ................................................................... 7 3.2 Cooler/Heater............................................................................. 9 3.2.1 Theory........................................................................................ 9 3.2.2 Design Tab ................................................................................ 9 3.2.3 Rating Tab................................................................................ 10 3.2.4 Worksheet Tab .......................................................................... 11 3.2.5 Performance Tab.................................................................... 11 3.2.6 Dynamics Tab .......................................................................... 13 3.2.7 Example - Gas Cooler........................................................... 13 3.3 Heat Exchanger .......................................................................... 15 3.3.1 Theory.................................................................................. 15 3.3.2 Design Tab ............................................................................. 16 3.3.3 Rating Tab................................................................................ 26 3.3.4 Worksheet Tab ........................................................................ 38 3.3.5 Performance Tab...................................................................... 38 3.3.6 Heat Exchanger Examples....................................................... 40 3.4 Fired Heater (Furnace) ............................................................. 43 3.5 LNG............................................................................................ 43 3.5.1 Design Tab .............................................................................. 43 3.5.2 Rating Tab................................................................................ 53 3.5.3 Worksheet Tab ........................................................................ 53 3.5.4 Performance Tab..................................................................... 53 3.5.5 Dynamics Tab .......................................................................... 56 3.5.6 HTFS-MUSE Tab ..................................................................... 56 3.5.7 LNG Example........................................................................ 72 3.1. Air Cooler (làm mát bằng không khí) Air Cooler sử dụng hỗn hợp không khí lý tưởng, tương tự như trao đổi nhiệt để làm lạnh hoặc gia nhiệt dòng quá trình vào đạt tới điều kiện yêu cầu. Một hoặc nhiều quạt tuần hoàn không khí qua các vỏ để làm mát các dòng lỏng. Dòng không khí có thể được khai báo ban đầu hoặc được tính toán từ thông tin về tốc độ quạt. AIR COOLER có thể tính toán các thông số cài đặt khác nhau, bao gồm: - Hệ số trao đổi nhiệt toàn phần, UA - Tổng lưu lượng dòng không khí - Nhiệt độ của dòng ra Biểu tượng Air cooler Để cài đặt AIR COOLER bấm phím F12 và chọn Air Cooler từ UnitOps view hoặc chọn từ Object Palette. Để bỏ qua AIR COOLER, chọn Ignore check box. Hysys sẽ hoàn toàn bỏ qua thao tác này (không tính toán dòng ra) tới khi khôi phục về trạng thái hoạt động bằng cách xóa check box. 3.1.1. Nguyên lý Air Cooler sử dụng phương trình cơ bản giống như Heat Exchanger. Tuy nhiên Air Cooler có thể tính toán dòng khí dựa trên thông tin về tốc độ quạt. Tính toán dựa trên cân bằng năng lượng giữa dòng không khí và hơi. Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm lạnh bằng không khí được tính theo công thức sau: Mair (Hout - Hin)air = Mprocess(Hin - Hout)process Trong đó: Mair = lưu lượng khối lượng không khí Mprocess = lưu lượng khối lượng dòng quá trình H = enthalpy Nhiệt năng thiết bị trao đổi nhiệt, Q được xác định bởi hệ số trao đổi nhiệt toàn phần, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và độ chênh lệch nhiệt độ: Q = - UADTLMFt Trong đó: U = hệ số truyền nhiệt chung A = diện tích bề mặt trao đổi nhiệt DTLM = logarit độ chênh lệch nhiệt độ (LMTD) Ft = hệ số hiệu chỉnh Hệ số hiệu chỉnh LMTD, Ft được tính toán từ cấu trúc hình học và cấu tạo thiết bị làm lạnh bằng không khí. 3.1.2. Design tab Gồm 4 trang: Connections, Parameters, User Variables và Notes. Connections Page Trang này cung cấp tên nguyên liệu và dòng hơi qua thiết bị Air Cooler, có thể thay đổi tên trong mục Name Parameters Page Trong trang Parameters, các thông tin sau sẽ được hiển thị: Thông số Mô tả Delta P Độ giảm áp DP của quá trình có thể được xác định trước. DP có thể được tính toán nếu cung cấp cả hai giá trị áp suất dòng vào và dòng ra. Không có độ giảm áp liên quan với dòng không khí. Áp suất không khí qua thiết bị làm lạnh giả định bằng áp suất khí quyển. UA UA bằng tích của hệ số truyền nhiệt toàn phần và tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. Hiệu suất thiết bị tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ logarit, trong đó UA là hệ số tỷ lệ. UA cũng có thể được xác định trước hoặc tính toán bằng Hysys. Configuration Danh sách kéo thả configuration hiển thị sự sắp xếp các ống trong thiết bị làm lạnh bằng không khí. Có bảy loại thiết bị cấu tạo khác nhau để lựa chọn. Hysys sẽ định rõ hệ số hiệu chỉnh, Ft dựa trên cấu hình thiết bị trao đổi nhiệt Inlet/Exit Air Temperatures Nhiệt độ dòng không khí vào và ra có thể được xác định trước hoặc tính toán bởi Hysys User Variables Page Trang này giúp attach code và customize cho case mô phỏng Hysys bằng cách thêm các biến User Variables. Thông tin chi tiết, xem chương User Variables trong Customization Guide. Notes Page Trang này cho phép ghi chú hoặc đánh dấu AIR COOLER và case mô phỏng. 3.1.3. Rating Tab Gồm hai trang Sizing và Nozzles Sizing Page Trong trang này hiển thị thông tin về quạt cho thiết bị Air Cooler: Thông số quạt Mô tả Number of Fans Xác định số lượng quạt trong thiết bị làm lạnh Speed Tốc độ quạt Demanded Speed Tốc độ yêu cầu của quạt. Trong mô phỏng tĩnh, nó chính bằng tốc độ của quạt. Tốc độ yêu cầu được tính toán từ các thông tin về quạt hoặc do người sử dụng cung cấp từ đầu. Max Acceleration Tham số này chỉ áp dụng trong mô phỏng động Design speed Tốc độ quạt làm lạnh không khí.Nó dùng tính toán cho dòng không khí qua thiết bị làm lạnh Design flow Dòng không khí của thiết bị làm lạnh không khí Current Air Flow Được tính toán hoặc do người sử dụng cung cấp từ đầu. Nếu do người sử dụng cung cấp từ đầu thì không cần tốc độ quạt Dòng không khí qua quạt được tính toán theo quan hệ tuyến tính: Fan Air Flow = Speed x Design Flow /Design Speed Mỗi quạt phân phối dòng không khí qua thiết bị làm lạnh. Tổng dòng không khí được tính toán như sau: Total Air Flow = ∑ Fan Air Flow 3.1.4.Worksheet tab Worksheet Tab chứa toàn bộ các thông tin về dòng quá trình qua thiết bị làm lạnh bằng không khí Air cooler. Các trang Conditions, Properties, Compositions chứa các thông tin từ các trang tương ứng của Worksheet Tab về các thuộc tính của dòng. Trang PF Specs có tóm tắt các thuộc tính của dòng trong Dynamics Tab. 3.1.5. Performance Tab Có các trang hiển thị kết quả tính toán của Air Cooler. Results Pages Các thông tin từ Results Page được chỉ ra dưới đây: Kết quả Mô tả Working Fluid Duty xác định sự thay đổi năng suất của dòng vào và dòng ra Hprocess, in + Duty = Hprocess, out LMTD Correction Factor, Ft Hệ số hiệu chỉnh sử dụng để tính toán toàn bộ trao đổi nhiệt trong Air Cooler, tính cho cấu tạo của các ống khác nhau UA UA bằng tích của hệ số truyền nhiệt toàn phần và tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. Hiệu suất thiết bị tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ logarit, trong đó UA là hệ số tỷ lệ. UA cũng có thể được xác định trước hoặc tính toán bằng Hysys LMTD Được tính toán trong vùng nhiệt độ tiệm cận (độ chênh lệch nhiệt độ cuối), sử dụng phương trình sau: ΔTLM = ( ΔT1 –ΔT2 ) / ln ( ΔT1 /ΔT2) Trong đó : ΔT1 = Thot, out – Tcold, in ΔT2 = Thot, in – Tcold, out Inlet/Exit Process Temperatures có thể được khai báo hoặc được tính toán bằng Hysys Inlet/Exit Air Temperatures có thể được khai báo hoặc được tính toán bằng Hysys Khi làm việc trên mô phỏng tĩnh không thay đổi các thông số trong tab này được 3.1.6. Dynamics Tab Nếu đang mô phỏng tĩnh, không thể thay đổi giá trị các trang truy cập qua Tab này. Để có thông tin chạy Cooler và Heater trên mô phỏng động, xem chi tiết ở tài liệu Dynamic Modeling Guide. 3.1.7. Ví dụ (Air Cooler Example) Một Air Cooler sử dụng để làm lạnh dòng lỏng 1. Tạo một Fluid Package như dưới đây, thêm Material stream Feed Property Package Components (Thành phần) NRTL Ethanol, 1-Pentanol Material Stream (feed) Tab [Page] Input Area Giá trị nhập vào Worksheet [Conditions] Temperature 100.0000 °F Pressure 16.0000 psi Molar Flow 2200.0000 lbmole/hr Worksheet [Composition] Ethanol Mole Frac 0.5 1-Pentanol Mole Frac 0.5 2. Thông số của AIR COOLER connections và parameters được chỉ ra ở bảng dưới. Trang Parameters gồm các thông số của quạt AIR COOLER [AC-100] Tab [Page] Input Area Giá trị nhập vào Design [Connections] Feed Feed Product Product Design [Parameters] Delta P 1.2 psi Configuration 1 tube row, 1 pass Air Intake Temperature 77 °F Air Outlet Temperature 86 °F 3. Sử dụng các thông số dưới đây, Hysys có thể tính toán được lưu lượng thể tích của không khí AIR COOLER [AC-100] Tab [Page] Input Area Giá trị nhập vào Rating [Sizing] Number of Fans 1 Demanded Speed 42 rpm Design Speed 60 rpm Design Flow 5.5x107 barrel/day 4. Air Cooler đã có đầy đủ thông số. Các điều kiện của dòng ra được hiển thị trên trang Conditions của Worksheet Tab 5556opbxb 5. Các thông số của Air Cooler được chỉ ra trên trang Results của Performance tab: 3.2. Cooler / Heater Biểu tượng Cooler Là thiết bị trao đổi nhiệt một chiều. Dòng vào được làm lạnh hoặc gia nhiệt để đạt được điều kiện yêu cầu dòng ra. Dòng năng lượng hấp thụ (hoặc cung cấp) do chênh lệch Enthalpy giữa hai dòng. Công cụ mô phỏng này hữu ích khi chỉ quan tâm tới dòng năng lượng yêu cầu bao nhiêu để làm lạnh hoặc gia nhiệt dòng quá trình, mà không quan tâm đến điều kiện khác. Biểu tượng Heater 3.2.1. Nguyên lý Cooler và Heater sử dụng cùng một phương trình cơ sở. Sự khác nhau theo quy ước về dấu. Xác định rõ dòng năng lượng tuyệt đối của các dòng và Hysys sẽ thêm các giá trị sau: - Với Cooler, Enthalpy và dòng nhiệt năng bị trừ từ dòng vào: Heat Flowinlet - Dutycooler = Heat Flowoutlet - Với Heater, dòng nhiệt năng được cộng vào: Điểm khác biệt duy nhất giữa Cooler và Heater là phương trình cân bằng năng lượng Heat Flowinlet + Dutycooler = Heat Flowoutlet Để thiết lập Cooler, bấm phím F12, chọn Cooler từ UnitOps view hoặc chọn Cooler từ Object Palette. Có thể thiết lập Heater bằng phương pháp tương tự. 3.2.2. Design Tab Gồm 4 trang: Connections, Parameters, User Variables và Notes Connections Page Ở trang Connections, cung cấp tên dòng năng lượng vào và ra. Có thể thay đổi tên của Operation trong ô Name. Hình dưới đây chỉ ra trang Connections cho Cooler. Parameters Page Parameters áp dụng tính độ giảm áp Delta P qua thiết bị và hiệu suất của dòng năng lượng. Cả độ giảm áp và dòng năng lượng có thể khai báo trực tiếp hoặc được xác định thông qua các dòng. Giao diện Parameters Page như trong hình sau: Có thể cung cấp giá trị Negative Duty, tuy nhiên chú ý rằng - Với Cooler, Negative Duty nghĩa là hiệu suất gia nhiệt dòng vào. - Với Heater, Negative Duty nghĩa là hiệu suất làm lạnh dòng vào. User Variables Page Trang User Variables cho phép liên kết code và customize case mô phỏng bằng Hysys bằng cách thêm User Variables. Để thêm thông tin cài đặt Option này, xem chương User Variables trong Customization Guide Notes Page Trang này cho phép ghi lại hoặc đánh dấu các quan hệ của Cooler, Heater và case mô phỏng của bạn. Chỉ có thể cung cấp các thông tin mặc định khi sử dụng mô phỏng động 3.2.3. Rating Tab Nozzles Page Ở trang này, có thể khai báo các thông số của các vòi phun cho cả dòng vào và dòng ra liên kết với Cooler hoặc Heater. Bởi vì khi mô phỏng động có thể cần thêm các vòi phun thích hợp vào Cooler hay Heater, thông tin chi tiết xem Chapter 4- Heat Transfer Equiqment của Dynamics Modeling Guide. Heat Loss Page Thông tin về tổn thất nhiệt thích hợp với mô hình động, xem trong Dynamic Modeling Guide. 3.2.4. Worksheet Tab Mục PF specs chỉ dung trong mô phỏng động Trang này chứa thông tin tóm tắt của giao diện thuộc tính của tất cả các dòng liên kết với thiết bị. Các trang Conditions, Properties, và Composition chứa các thông tin chọn lọc từ các trang tương ứng của Worksheet Tab trong giao diện thuộc tính. Trang PF Specs chứa kết quả của stream property view của mô hình động 3.2.5. Performance Tab Chứa các trang hiển thị thông tin được tính toán của các dòng. Performance parameters gồm các thuộc tính sau của dòng: • Pressure • Temperature • Vapour Fraction • Enthalpy Mọi thông tin hiển thị trên Performance Tab thì chỉ đọc được mà không thể sửa chữa được. Profiles Page Khi làm việc trong mô phỏng tĩnh, trang Profile chỉ quan tâm tới số lượng các thông số vùng, Zones Condition sẽ được tính toán chỉ với dòng vào Plots Page Trên trang Plots có thể hiển thị đồ thị biểu diễn đặc tính các thông số ghi lại các thay đổi xảy ra trên thiết bị. Ở mô phỏng tĩnh, đây là đường thẳng vì dòng được tính toán, các tính chất của dòng được lấy từ dòng vào và ra. Các giá trị này không được tính toán trong thiết bị. Mọi thông số đặc trưng được liệt kê trong trong các X Variable và Y Variable như đồ thị dưới đây. Chọn các trục và biến cần so sánh và biểu đồ sẽ hiển thị. Có thể biết số lượng các khoảng muốn tính toán qua đồ thị trong ô Intervals ở bên dưới trang này. Dễ dàng chia các đường thẳng thành nhiều đoạn, giá trị hiển thị như miêu tả ở trang Tables. Đồ thị quan hệ nhiệt độ - enthalpy của Cooler với 5 đoạn được chỉ ra ở hình sau: Tables Page Trang này thể hiện Tabular Plot Results sử dụng để xây dựng đồ thị trên Plots page. Tất cả các giá trị nhiệt độ, áp suất, thành phần hơi và Enthalpy tính toán cho mỗi khoảng được liệt kê ở đây. Có thể xem số khoảng được tính toán ở cuối trang này. 3.2.6. Dynamics Tab Nếu làm việc ở mô phỏng tĩnh, không thể thay đổi các giá trị trên trang truy cập qua tab này. Để có thông tin chạy trên Cooler và Heater trong mô hình động, xem chi tiết ở Dynamic Modeling guide, Chapter 4 - Heat Transfer Equipment 3.2.7. Ví dụ – Gas Cooler Một dòng khí cần làm lạnh từ nhiệt độ 60ºF tới –105ºF với độ giảm áp suất 15 psi. 1. Tạo một Fluid Package như dưới đây: Property Package Components Peng Robinson Nitrogen, Carbon Dioxide, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, n-C6, n-C7, n-C8 2. Thiết lập dòng vật chất với các thông số sau: MATERIAL STREAM [E-1 Inlet] Tab [Page] Input Area Entry Worksheet [Conditions] Temperature 60.0000 F Pressure 600.0000 psi Molar Flow 100.0000 lbmole/hr Worksheet [Composition] Nitrogen Mole Frac 0.0149 CO2 Mole Frac 0.0020 Methane Mole Frac 0.9122 Ethane Mole Frac 0.0496 Propane Mole Frac 0.0148 i-Butane Mole Frac 0.0026 n-Butane Mole Frac 0.0020 i-Pentane Mole Frac 0.0010 n-Pentane Mole Frac 0.0006 n-Hexane Mole Frac 0.0001 n-Heptane Mole Frac 0.0001 n-Octane Mole Frac 0.0001 3. Thiết lập Cooler và hoàn thành trang Connections Biểu tượng Cooler Hiệu suất lạnh yêu cầu của dòng lạnh vào E-1 chính bằng hiệu suất dòng nóng E-1 Hiệu suất này cũng được hiển thị trên Parameters page của Design tab trong COOLER property view 4. Độ giảm áp 15 psi được xác định trong trang Parameters. 5. Chuyển tới trang Conditions của Worksheet tab. Dòng ra E-1 hoàn toàn không biết, giá trị nhiệt năng chưa biết. Dùng một bậc tự do duy trì bởi thông số nhiệt độ dòng ra E-1 là -105ºF. Hysys sẽ tính toán, duy trì điều kiện dòng ra để đạt nhiệt năng làm lạnh cần thiết. Các thông số được chỉ ra ở bảng dưới đây: Name E-1 Inlet E-1 Outlet Temperature [F] 60.0000 -105.0000 Pressure [psia] 600.0000 Molar Flow [lbmole/hr] 100.0000 6. Kết quả chỉ ra trong Conditions page của Worksheet tab 3.3 Thiết bị trao đổi nhiệt Heat Exchanger (Thiết bị trao đổi nhiệt) trong Hysys thực hiện tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. Công cụ mô phỏng này có tính linh hoạt, giải quyết các vấn đề về nhiệt độ, áp suất, dòng nhiệt năng (bao gồm tổn thất nhiệt do mất mát và rò rỉ), dòng vật chất… Trong HYSYS, chọn công cụ Heat Exchanger (thiết bị trao đổi nhiệt) để tính toán, phân tích. Lựa chọn bao gồm mô hình thiết kế phân tích giới hạn, mô hình lý tưởng (Ft = 1), mô hình tĩnh, mô hình động được sử dụng trong mô phỏng động. Mô hình động dựa trên mô hình cơ sở hoặc chi tiết, có thể sử dụng mô phỏng tĩnh để thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt. Biểu tượng thiết bị trao đổi nhiệt Để thiết lập thiết bị trao đổi nhiệt bấm phím F12, chọn thiết bị trao đổi nhiệt từ UnitOps view hoặc chọn thiết bị trao đổi nhiệt từ Object Palette. Để bỏ qua thiết bị trao đổi nhiệt, chọn Ignored check box. HYSYS sẽ bỏ qua thao tác (không tính toán dòng ra) tới khi khôi phục nó về trạng thái hoạt động. 3.3.1 Nguyên lý Heat Exchanger tính toán dựa trên cân bằng năng lượng của dòng nóng và lạnh. Trong biểu thức dưới đây, dòng nóng cung cấp nhiệt năng cho dòng lạnh Sai số cân bằng = (Mlạnh .( Hra - H vào)lạnh  - Q r) – (Mnóng . (Hvào - Hra )nóng - Q m) Trong đó: M : Lưu lượng khối lượng dòng H : Enthalpy Qr : Tổn thất nhiệt do rò rỉ Qm : Tổn thất nhiệt do mất mát Sai số cân bằng là đặc trưng của Heat Exchanger, sẽ nhận giá trị bằng 0 trong đa số trường hợp. Chỉ số dưới nóng và lạnh được ký hiệu cho dòng nóng và dòng lạnh, còn vào và ra được ký hiệu cho dòng vào và dòng ra. Nhiệt năng Heat Exchanger có thể được xác định từ hệ số truyền nhiệt toàn phần, diện tích bề mặt truyền nhiệt và chênh lệch nhiệt độ logarit: (3.8) Trong đó U: Hệ số truyền nhiệt toàn phần A: Diện tích bề mặt truyền nhiệt DTLM : Chênh lệch nhiệt độ logarit (LMTD) Ft : Hệ số hiệu chỉnh LMTD Lưu ý rằng hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt truyền nhiệt thường được kết hợp thành đại lượng UA được sử dụng phổ biến. LMTD và hệ số hiệu chỉnh của nó đã được định nghĩa trong mục Performance. 3.3.2. Design Tab Gồm 5 trang: Connections, Parameters, Specs, User Variables và Notes Connections Page Ở trang này cung cấp tên dòng vào, dòng ra, cũng như tên của dòng đi bên trong và ngoài ống. Trong mục này thảo luận về mô phỏng tĩnh thiết bị trao đổi nhiệt. Thông tin chi tiết về mô phỏng động thiết bị này xem trong Dynamic Modeling guide, Chapter 4 -Heat Transfer Equipment Parameters Page Trong trang này có thể chọn mô hình tính toán và nhập dữ liệu vật lý thích hợp. Parameters Page hiển thị phụ thuộc vào lựa chọn mô hình tính toán. Lưu ý rằng khi Thiết bị trao đổi nhiệt được thiết lập như là một bộ phận của lưu trình Column Sbub-Flowsheet (như khi sử dụng phương pháp tính toán HYSIM đã biến đổi) các mô hình thiết bị trao đổi nhiệt này không sử dụng được. Thay vào đó, trong Column Sbub-Flowsheet, thiết bị trao đổi nhiệt đã tính toán từ tháp như cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất đơn giản. Từ danh sách kéo thả chọn phương pháp tính cho thiết bị trao đổi nhiệt. Có các mô hình trao đổi nhiệt sau đây: • Exchanger Design (Endpoint) • Exchanger Design (Weighted) • Steady State Rating • Dy