Bài giảng Thiết bị trao đổi nhiệt

By: Ly Ngoc Minh 1 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TP.HCM KHOA COÂNG NGHEÄ HOAÙ HOÏC VAØ MOÂI TRÖÔØNG CHƯƠNG VI THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT By: Ly Ngoc Minh 2 1. Khái niệm và phân loại •Khái niện: Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình truyền nhiệt giữa các chất mang nhiệt. •Phân loại: Trao đổi nhiệt dạng vách ngăn Trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt Trao đổi nhiệt loại hỗn hợp. By: Ly Ngoc Minh 3 2. Thieát bò trao ñoåi nhieät loaïi vach ngaên a.loaïi voû boc oáng chuøm: By: Ly Ngoc Minh 4 loaïi voû boc oáng chuøm naèm ngang. By: Ly Ngoc Minh 5 a.loaïi trao ñoåi nhieät coù caùnh: b. loaïi trao ñoåi nhieät coù taám gôïn soùng: By: Ly Ngoc Minh 6 3. Thieát bò trao ñoåi nhieät loaïi hoài nhieät. 4. Thieát bò trao ñoåi nhieät loaïi hoãn hôïp. By: Ly Ngoc Minh 7 II. CAÙC PHÖÔNG TRÌNH TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ TRUYEÀN NHIEÄT LOAÏI NGAÊN CAÙCH: 1. Caùch boá trí doøng chaûy caùc chaát taûi nhieät vaø caùc kyù hieäu: t1’ t1” t2’ t2” t’ t ” t1 t2 dt1 dt2 F( x)x x+d x dF L t t1’ t1” t2’ t2” t’ t1 t2 dt1 dt2 F( x)x x+d x dF L t t ” By: Ly Ngoc Minh 8 By: Ly Ngoc Minh 9 By: Ly Ngoc Minh 10 By: Ly Ngoc Minh 11 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI VÁCH NGĂN Trong kĩ thuật cũng như trong sản xuất, đời sống thiết bị trao đối nhiệt gián tiếp thông qua vách ngăn là loại được sử dụng phổ cập nhất. By: Ly Ngoc Minh 12 1. Loại vỏ bọc • Cấu tạo CÁC LOẠI THIẾT BỊ THƯỜNG GẶP By: Ly Ngoc Minh 13 • Quá trình truyền chất tải nhiệt sẽ được đưa vào khoảng trống giữa hai lớp vỏ để thực hiện đun nóng hay làm nguội. • Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị. • Để tăng hiệu suất truyền nhiệt người ta thường đặt thêm cánh khuấy. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG By: Ly Ngoc Minh 14 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA THIẾT BỊ •Ưu điểm : chế tạo đơn giản, dễ vận hành, dễ bảo dưỡng sửa chữa • Nhược điểm : hệ số truyền nhiệt không cao, thiêt bị cồng kềnh By: Ly Ngoc Minh 15 a) ống xoắn • Cấu tạo: 2. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống By: Ly Ngoc Minh 16 • Nguyên lý làm việc: khi làm việc thì một môi chất đi ngoài ống, còn môi chất kia đi trong ống. Chất lỏng đi trong ống thì phải đi từ dưới lên, hơi nước dùng trong truyền nhiệt thì phải đi từ trên xuống. By: Ly Ngoc Minh 17 ƯU NHƯỢC ĐIỂM • Ưu điểm: tạo bề mặt trao đổi nhiệt lớn • Nhược điểm: chế tạo phức tạp, hệ số truyền nhiệt nhỏ, khó làm sạch phía trong ống By: Ly Ngoc Minh 18 • b) loại ống tưới • Cấu tạo: By: Ly Ngoc Minh 19 Nguyên lý làm việc: • Chất lỏng tưới bên ngoài thường là nước, chảy lần lượt từ ống trên xuống ống dưới rồi chảy vào máng. • Mật độ tưới khoảng 200-1500 l/h/1m chiều dài của ống tưới dãy trên cùng. • Chất tải nhiệt sẽ đi bên trong các ống By: Ly Ngoc Minh 20 ƯU NHƯỢC ĐIỂM • Ưu điểm: lượng nước làm lạnh ít, cấu tạo đơn giản, dễ làm sạch bề mặt ngoài, dễ thay thế, sửa chữa • Nhược điểm: cồng kềnh, lượng nước không được tưới đều trên bề mặt ống • Ứng dụng: thường dùng làm thiết bị làm lạnh và ngưng tụ By: Ly Ngoc Minh 21 Cấu tạo: • Một ống có đường kính lớn bọc một hoặc nhiều ống nhỏ bên trong; hoặc gồm nhiều ống nối tiếp với nhau, mỗi đoạn có hai đoạn ống lồng vào nhau. • Ống trong có thể trơn hoặc có cánh dọc theo chiều dài của ống. c) Loại ống lồng ống By: Ly Ngoc Minh 22 Nguyên lý làm việc: • chất tải nhiệt một đi giữa hai ống, chất tải nhiệt hai đi trong ống trong. • Chuyển động của môi chất thường được bố trí ngược chiều nhau. By: Ly Ngoc Minh 23 • Ưu điểm: có hệ số truyền nhiệt lớn, dễ điều chỉnh tốc độ chảy của môi chất, chế tạo đơn giản. • Nhược điểm: cồng kềnh, giá thành cao, khó vệ sinh, sửa chữa. • Ứng dụng: dùng để ngưng tụ hoặc bay hơi môi chất lạnh, làm quá lạnh môi chất lạnh ở thể lỏng, hay dùng đun nóng nước, làm mát dầu… By: Ly Ngoc Minh 24 d)Loại ống chùm Cấu tạo: • Có vỏ hình trụ, bên trong lắp các ống trao đổi nhiệt. • Trên vỏ và nắp thiết bị có các cửa để dẫn chất tải nhiệt vào và ra. • Các ống trao đổi nhiệt bên trong có thể bố trí theo hình lục giác đều, hình tròn đồng tâm, hình vuông. By: Ly Ngoc Minh 25 By: Ly Ngoc Minh 26 Nguyên lý làm việc: • hai môi chất trao đổi nhiệt với nhau thông qua vách ống. • Môi chất lỏng thường đi trong ống, môi chất khí và hơi đi ngoài ống. Môi chất nóng cũng thường được bố trí đi trong ống. By: Ly Ngoc Minh 27 By: Ly Ngoc Minh 28 ƯU NHƯƠC ĐIỂM: • Ưu điểm: kết cấu gọn, chắc chắn, công nghệ chế tạo không phức tạp, bề mặt truyền nhiệt lớn, dễ vệ sinh, sửa chữa. • Nhược điểm: khó chế tạo bằng vật liệu dòn, giá thành cao. • Ứng dụng: dùng làm bình ngưng tụ và hơi môi chất, bình bốc hơi cho máy lạnh, làm bình quá lạnh. By: Ly Ngoc Minh 29 By: Ly Ngoc Minh 30 By: Ly Ngoc Minh 31 By: Ly Ngoc Minh 32 e. Loại ống có cánh Cấu tạo: • Các cánh trên ống thường có chiều cao tương đối lớn nên gọi là cánh dài. • Cánh làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt và thường được cấu tạo kiểu cánh dọc và cánh ngang. By: Ly Ngoc Minh 33 By: Ly Ngoc Minh 34 Nguyên lý hoạt động • môi chất chuyển động trong ống là chất lỏng hoặc hơi nước có hệ số tỏa nhiệt lớn hơn nhiều so với hệ số tỏa nhiệt của chất khí bên ngoài. By: Ly Ngoc Minh 35 Ứng dụng: • Dùng trong các thiết bị đun nóng nước trong ống lò sưởi hơi nước để đốt nóng không khí. • Dàn bốc hơi trong máy lạnh hoặc máy điều hòa nhiệt độ có cánh bên ngoài để làm lạnh không khí; dàn ngưng tụ làm mát bằng không khí trong máy lạnh có cánh bên ngoài ống để tỏa nhiệt cho không khí… By: Ly Ngoc Minh 36 3. Thiết bị có dạng tấm: Cấu tạo: • có thành phần cơ bản là các tấm trao đổi nhiệt cơ bản. • Bề mặt gồm nhiều tấm xếp lên một khung đỡ, bên trong có các khe rãnh để lưu chất chuyển động. • Vật liệu thường là thép không gỉ, nhôm… By: Ly Ngoc Minh 37 By: Ly Ngoc Minh 38 Nguyên lý hoạt động: • khi chất lỏng lưu động qua các khe rãnh, môi chất sẽ chuyển động dưới dạng màng mỏng nên tạo ra hệ số trao đổi nhiệt rất cao tạo điều kiện tốt để đốt nóng hay làm lạnh môi chất. • Các tấm thường đặt song song với nhau tạo ra các khỏang không gian hẹp tạo nên các kênh dẫn riêng biệt cho các môi chất khác nhau By: Ly Ngoc Minh 39 Ưu Nhược điểm: • Ưu điểm: -Đảm bảo hệ số truyền nhiệt cao với hiệu số trở kháng thủy lực thấp -Thiết bị gọn nhẹ, chi phí chế tạo thấp -Làm việc đáng tin cậy, không bị rò rỉ -Kết hợp hài hòa giữa lắp đặt và bảo dưỡng thiết bị • Nhược điểm : Chế tạo các tấm truyền nhiệt thường phải qua xử lý nhiệt và gia công phức tạp By: Ly Ngoc Minh 40 Tính tóan cho thiết bị trao đổi nhiệt Có 2 dạng bài tóan chính Bài tóan thiết kế Bài tóan kiểm tra By: Ly Ngoc Minh 41 Tính toán thiết bị TĐN • Bứơc 1: Bố trí sự chuyển động và tốc độ môi chất chuyển động trong thiết bị trao đổi nhiệt. Chế độ chuyển động của môi chất thường là chế độ chảy rối: • Bước 2: Tính nhiệt độ trung bình của 2 môi chất m a x m i n t b m a x m i n t tt tl n t        By: Ly Ngoc Minh 42 Bước 3: Xác đinh lượng nhiệt trao đổi. Khi bỏ qua tổn thất nhiệt ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt : Qtoa=Qthu • Khi cả 2 môi chất không biến đổi pha: Q=G1cc1(t1d-t1c)=G2c2(t2c-t2d) • Khi một chất có biến đổi pha: Q=D1(I1-i1)=G2c2(t2c-t2d) • Khi cả hai môi chất đều có biến đổi pha: Q=D1(I1-i1)= D2(I2-i2) Lưu ý: Đơn vị của các thông số: G, D (kg/s); I,i (J/kg); c (J/kg.K); Q(W) By: Ly Ngoc Minh 43 Bước 4: • Xác định hệ số truyền nhịêt k: Nếu là vách phẳng là: Nếu là vách trụ: i 1 i 2 1K 1 1        i 1 1 1 i i 2 n 1 1K 1 1 d 1ln d 2 d d          By: Ly Ngoc Minh 44 • Bước 5: Xác định bề mặt trao đổi nhiệt Dựa vào phương trình truyền nhiệt: Q=k.F.ttb • Bước 6: xác định lượng nhiệt tổn thất: 3 tt f 2Q .10 .F (t t )       4 4 1/ 4 tT T2.5. t 58. . 100 100                       By: Ly Ngoc Minh 45 • Bài tóan kiểm tra : Với một thiết bị có sẵn đã biết tiết diện F, nhiệt độ môi chất, lưu lượng môi chất vào. Để kiểm tra lại sự làm việc của thiết bị cần tính lương nhiệt trao đổi Q, nhiệt độ ra của các môi chất