Chương 5:Thiết kế mạng và thiết bị trao đổi nhiệt | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Chương 5
THIẾT KẾ MẠNG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
5.1. Đặt vấn đề
• Các hệ thống công nghệ hóa học bao gồm một số lượng lớn các
thiết bị được liên kết với nhau bằng các dòng vật chất và các
dòng năng lượng (chủ yếu ở dạng nhiệt)
• Phương án thiết kế đơn giản nhất cho một mạng thiết bị trao đổi
nhiệt chính là phương án sử dụng cho mỗi dòng cần cấp nhiệt
(dòng nguội) một nguồn nhiệt và cho mỗi dòng cần lấy bớt nhiệt
(dòng nóng) một nguồn lạnh.
• Tuy nhiên sẽ hiệu quả hơn nếu đưa ra được phương án thiết kế
trong đó tiến hành ăn khớp được (về mặt truyền nhiệt) các dòng
nóng và dòng nguội đã có trong hệ thống nhằm giảm lượng nhiệt
cần thiết cấp từ nguồn nóng bên ngoài vào hệ thống cũng như
giảm được việc phải sử dụng nguồn lạnh ngoài.
• Nhiệm vụ của thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt để thu hồi
nhiệt chính là chọn và ăn khớp được các dòng nóng và các dòng
nguội để có thể hạ giá thành chung của mạng (bao gồm cả kinh
phí đầu tư cho các thiết bị, kinh phí vận hành hệ thống thiết bị,
kinh phí cho nguồn nóng và nguồn lạnh) đến mức thấp nhất.
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt bằng phương pháp đồ thị
• Trên các đồ thị nhiệt độ – enthalpy cho dòng nóng và dòng
nguội thường xuất hiện điểm thắt (điểm tại đó hiệu số nhiệt độ
giữa hai dòng đạt giá trị nhỏ nhất ∆Tmin).
• Các phương pháp thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt đều sử
dụng phương pháp điểm thắt (kỹ thuật điểm thắt).
• Cần Phân tích mạng thiết bị trao đổi nhiệt nhằm mục đích xác
định các dòng nóng (các dòng có khả năng cấp nhiệt) và các
dòng nguội (các dòng có khả năng thu nhiệt) dựa vào các
phương trình cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng.
Trước tiên xét trường hợp đơn giản khi hệ chỉ gồm một dòng nóng
và một dòng nguội. Nhiệt độ đầu (được gọi là nhiệt độ nguồn TS)
và nhiệt độ cuối (được gọi là nhiệt độ mục tiêu TT) của các dòng
và các thay đổi enthalpy (ΔH) của các dòng cho trong bảng 6.1:
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt bằng phương pháp đồ thị
• Trên các đồ thị nhiệt độ – enthalpy cho dòng nóng và dòng
nguội thường xuất hiện điểm thắt (điểm tại đó hiệu số nhiệt độ
giữa hai dòng đạt giá trị nhỏ nhất ∆Tmin).
• Các phương pháp thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt đều sử
dụng phương pháp điểm thắt (kỹ thuật điểm thắt).
• Cần Phân tích mạng thiết bị trao đổi nhiệt nhằm mục đích xác
định các dòng nóng (các dòng có khả năng cấp nhiệt) và các
dòng nguội (các dòng có khả năng thu nhiệt) dựa vào các
phương trình cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng.
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt bằng phương pháp đồ thị
Số liệu cho bài toán tích hợp nhiệt hai dòng Nhiệt độ Nhiệt độ mục Tải nhiệt ΔH, Dòng Loại CP, MW/0C nguồn Ts, 0C tiêu TT, 0C MW 1 Nguội 40 110 14 0,2 2 Nóng 160 40 12 0,1
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt” – Pinch Technology
“Kỹ thuật điểm thắt” do Bodo Linnhoff và các cộng sự làm việc tại ICI, Union Carbide và
trường Tổng hợp Manchester phát triển
Trên đồ thị với hệ tọa độ là nhiệt độ (T) và lượng nhiệt (H) được trao đổi giữa các dòng
của hệ luôn xuất hiện điểm thắt giữa các đồ thị của hai dòng nóng (dòng cần lấy nhiệt
đi) và dòng nguội (dòng cần nhận thêm nhiệt). Điểm thắt là một điểm gãy rõ ràng về
mặt nhiệt động của hệ và vì vậy để lượng năng lượng tiêu tốn cho quá trình đạt giá trị
nhỏ nhất thì nhiệt không được truyền qua điểm thắt (Linnhoff và các cộng sự, 1982). Nhiệt Nhiệt Tải độ độ mục CP, Dòng nhiệt nguồn tiêu TT, MW/0C ΔH, MW T 0 s, 0C C Nguội 40 110 14 0,2 Nóng 160 40 12 0,1
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt” – Pinch Technology ∆𝐻 = 𝐶𝑃×∆𝑡
• Đồ thị dòng nhiệt có dòng nhiệt dung (CP) thấp sẽ có độ dốc
(1/CP) lớn và vì thế có DHmin nhỏ và ngược lại 𝑑𝑇 1 = 𝑑𝐻 𝐶𝑃
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt” – Pinch Technology
• Đồ thị dòng nhiệt có dòng nhiệt dung (CP) thấp sẽ có độ dốc
(1/CP) lớn và vì thế có DH ∆𝐻 = 𝐶𝑃×∆𝑡
min nhỏ và ngược lại
DHex Nhiệt lượng trao đổi giữa dòng nóng và dòng nguội. 𝑑𝑇 1 DH =
cold Nhiệt lượng nhả bổ sung cho thiết bị làm nguội (cold utility) để 𝑑𝐻 𝐶𝑃
dòng nóng hạ xuống nhiệt độ mong muốn
DHhot Nhiệt lượng được cung cấp bổ sung từ thiết bị đun nóng(hot utility) để
dòng nguội để tăng đến nhiệt độ mong muốn
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Bài toán tích hợp nhiệt của hai dòng
1 – Thiết bị trao đổi nhiệt;
2 – Thiết bị làm nguội (cold utility);
3 – Thiết bị đun nóng (hot utility)
(a) Sơ đồ tổng quát;
b) Sơ đồ có dẫn các thông số của các dòng
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Bài toán tích hợp nhiệt của hai dòng
Giản đồ nhiệt độ – enthalpy cho ví dụ gồm hai dòng
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Ảnh huởng của ΔTmin đến chi phí cho quá trình thu hồi nhiệt
• Tương ứng với ΔTmin nhỏ, lượng
nhiệt trao đổi giữa hai dòng sẽ và
lượng nhiệt cần cấp vào từ nguồn
nóng cũng như lượng nhiệt nhả cho
nguồn lạnh sẽ giảm xuống
• Động lực trung bình của quá trình
trao đổi nhiệt cho trường hợp giảm
xuống và tải nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt sẽ tăng lên.
• Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết
bị sẽ tăng lên và kinh phí đầu tư cho
thiết bị cũng sẽ tăng lên khi tăng.
• Kinh phí này một phần sẽ được bù lại bằng việc giảm kinh phí đầu tư cho nguồn nóng
ngoài và nguồn lạnh ngoài.
• Tồn tại một giá trị ΔTmin tối ưu
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Thu hồi nhiệt cực đại cho ví dụ hai dòng
• Lượng nhiệt tối đa có thể thu hồi sẽ
đạt được tại vị trí khi đường biểu
diễn dòng nóng và dòng nguội tiếp
xúc với nhau trên giản đồ T – H
• Cho trường hợp này động lực của
quá trình tại một đầu của thiết bị
trao đổi nhiệt bằng không và khi đó
để thực hiện quá trình cần phải có
bề mặt trao đổi nhiệt tiến đến vô cùng (A → ∞).
• Thiết bị được gọi là "bị thắt" tại một
đầu (khi đường biểu diễn dòng
nóng và dòng nguội gặp nhau).
• Các dòng nóng và dòng nguội không thể cắt chéo nhau được (nhiệt chỉ có thể được
truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp).
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Số liệu cho bài toán tích hợp nhiệt bốn dòng
Dòng#nhiệt#dung#
Nhiệt#độ#nguồn#
Nhiệt#độ#mục#
Tải#nhiệt#ΔH,# STT# Kiểu#dòng# CP,#kW/0C# TS,#0C# tiêu#TT,#0C# kW# 1" Nóng" 3,0" 180" 60" 360" 2" Nóng" 1,0" 150" 30" 120" 3" Nguội" 2,0" 20" 135" 230" 4" Nguội" 4,5" 80" 140" 270" "
Quá trình gồm bốn dòng: hai dòng nóng (cần làm nguội) và hai dòng nguội
(cần đun nóng). Một số thông số đặc trưng của dòng:
– TS – nhiệt độ đầu (nhiệt độ nguồn) của dòng
– TT – nhiệt độ cuối (nhiệt độ mục tiêu) của dòng
– CP – dòng nhiệt dung của dòng, kW/0C CP = m.Cp
Khi nhiệt dung riêng Cp của các dòng có thể coi là đại lượng không đổi và trong hệ
không xảy ra quá trình chuyển pha
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Số liệu cho bài toán tích hợp nhiệt bốn dòng
Dòng#nhiệt#dung#
Nhiệt#độ#nguồn#
Nhiệt#độ#mục#
Tải#nhiệt#ΔH,# STT# Kiểu#dòng# CP,#kW/0C# TS,#0C# tiêu#TT,#0C# kW# 1" Nóng" 3,0" 180" 60" 360" 2" Nóng" 1,0" 150" 30" 120" 3" Nguội" 2,0" 20" 135" 230" 4" Nguội" 4,5" 80" 140" 270" "
Lượng nhiệt: DH = CP D . T
m – lưu lượng khối lượng của dòng, kg/s
Cp – nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng TS và TT, kJ/(kg.độ)
ΔT – hiệu số nhiệt độ trong khoảng đang xét, °K ∆H – lượng nhiệt, kW
• Hai dòng cần được đun nóng và hai dòng cần được làm nguội.
• Nhiệt lượng sẽ chuyển từ các dòng nóng sang các dòng nguội.
• Nhiệm vụ là phải tìm ra được cách bố trí tốt nhất các thiết bị trao đổi nhiệt giữa các
dòng nóng và dòng nguội để đạt được các nhiệt độ mục tiêu TT.
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Bài toán bốn dòng – Dựng đường phối hợp (nhiệt) Các dòng nóng riêng biệt
Đường phối hợp (nhiệt) của các dòng nóng
Các đường phối hợp của các dòng nóng và các dòng nguội khi hiệu số nhiệt độ nhỏ nhất giữa
các đường phối hợp trên ΔTmin=100C. Như vậy trong bất kỳ thiết bị nào được sử dụng trong
mạng thiết bị trao đổi nhiệt (MTBN), hiệu số nhiệt độ giữa các dòng sẽ không thể nhỏ hơn 100C.
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Bài toán bốn dòng – Dựng đường phối hợp (nhiệt)
• Vùng chồng lên nhau của các
đường phối hợp sẽ cho biết
lượng nhiệt mục tiêu thu hồi
được ΔHex (lượng nhiệt thu
hồi cần đạt được khi thiết kế mạng).
• Vị trí của các đường phối
hợp ở các đầu của đồ thị sẽ
cho biết lượng nhiệt cần cấp từ nguồn nóng ngoài vào
ΔHhot và lượng nhiệt cần lấy
đi bằng nguồn lạnh ngoài
ΔHcold. Đây là các lượng
nhiệt bé nhất do các nguồn
nóng và nguồn lạnh ngoài
đảm nhận để các dòng có thể
đạt được nhiệt độ mục tiêu TT.
Đường phối hợp của các dòng nóng và dòng nguội
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Bài toán bốn dòng – Dựng đường phối hợp (nhiệt)
• Các kết quả của các
phương án thiết kế cần
phải so sánh với các yêu
cầu tối thiểu về lượng nhiệt cần cấp từ nguồn nóng
ngoài và lượng nhiệt cần
lấy đi bằng nguồn lạnh
ngoài để từ đó có thể đưa
ra phương án thiết kế hoàn thiện tiếp theo.
• Trong đa số các mạng thiết
bị trao đổi nhiệt, hiệu số
nhiệt độ nhỏ nhất ΔTmin sẽ
xuất hiện tại một điểm.
Điểm này được gọi là điểm thắt.
Đường phối hợp của các dòng nóng và dòng nguội
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Ý nghĩa nhiệt động của điểm thắt
Phân rã hệ do điểm thắt
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Ý nghĩa nhiệt động của điểm thắt
1. Điểm thắt chia hệ thống thành hai vùng nhiệt động khác nhau: Vùng ở phía trên
điểm thắt được gọi là vùng tiêu thụ nhiệt. Ở vùng này nhiệt sẽ đi từ nguồn nóng
ngoài vào và sẽ không có lượng nhiệt nào đi ra khỏi vùng này. Ngược lại, vùng
phía dưới điểm thắt là vùng nhả nhiệt. Từ vùng này nhiệt sẽ đi tới nguồn lạnh
ngoài và ở vùng này sẽ không có lượng nhiệt nào đi vào từ nguồn nóng ngoài.
-> như vậy sẽ không có dòng nhiệt nào đi qua điểm thắt
2. Nếu có một mạng thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế nhưng lại có dòng nhiệt đi từ
một nhiệt độ nào đó của dòng nóng ở phía trên điểm thắt (bao gồm cả nguồn nóng
ngoài) đến một nhiệt độ nào đó của dòng nguội ở phía dưới điểm thắt (bao gồm cả
các nguồn lạnh ngoài), thì khi đó sẽ có dòng nhiệt đi qua điểm thắt. Nếu lượng nhiệt
đi qua điểm thắt là ΔHxp thì để duy trì cân bằng năng lượng, tải
nhiệt của nguồn nóng ngoài và nguồn lạnh ngoài đều phải tăng lên một đại lượng
đúng bằng ΔHxp. Như vậy, dòng nhiệt đi qua điểm thắt sẽ làm tăng nhu cầu tiêu
thụ đối với nguồn nóng ngoài và nguồn lạnh ngoài
5.2. Thiết kế mạng thiết bị trao đổi nhiệt
Phương pháp “Kỹ thuật điểm thắt”
Ý nghĩa nhiệt động của điểm thắt
• Phân rã hệ thành hai vùng bởi điểm thắt sẽ rất hữu ích trong thiết kế mạng thiết bị
trao đổi nhiệt vì bài toán ban đầu sẽ được chia làm hai bài toán nhỏ hơn
• Vùng ở đó quá trình truyền nhiệt ăn khớp được với nhau (ăn khớp giữa dòng nóng
và dòng nguội) sẽ là vùng có các điều kiện giới hạn chặt chẽ nhất và vùng này
hoặc ở ngay tại điểm thắt hoặc ở lân cận điểm thắt.
• Trong mạng MTBN sử dụng nhiều nguồn nóng và nguồn lạnh có thể có các điểm
thắt khác và các điểm này được gọi là các điểm thắt nguồn. Các điểm thắt nguồn
sẽ làm cho bài toán thiết kế tiếp tục được phân rã.