Mối Quan Hệ Giữa Tải Nhiệt, Bộ Trao Đổi Nhiệt và Tải Hơi

Các phép tính cho ứng dụng trao đổi nhiệt bao gồm tải thiết kế và yêu cầu áp suất/lưu lượng hơi

Hơi bão hòa được sử dụng để cung cấp nhiệt sơ cấp cho chất lỏng quy trình trong bộ trao đổi nhiệt. Thuật ngữ bộ trao đổi nhiệt được dùng để mô tả tất cả các loại thiết bị trong đó quá trình truyền nhiệt được thúc đẩy từ chất lỏng này sang chất lỏng khác. Để tiện lợi, định nghĩa rộng này sẽ được áp dụng cho thuật ngữ bộ trao đổi nhiệt. Mặc dù chủ yếu đề cập đến bộ trao đổi nhiệt ống vỏ và bản, đình trệ cũng có thể liên quan đến các ứng dụng bao gồm cụm sưởi không khí, cuộn ống ngập trong bể, bình có áo bọc và bình tích nhiệt lưu trữ.

Ứng dụng điều khiển nhiệt độ Trong ứng dụng điều khiển nhiệt độ, nhiệt độ đầu vào của chất lỏng thứ cấp vào bộ trao đổi nhiệt có thể thay đổi theo thời gian. Điều này có nghĩa là để duy trì nhiệt độ đầu ra của chất lỏng thứ cấp ổn định, nhiệt cung cấp cho bộ trao đổi nhiệt cũng phải thay đổi. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng van điều khiển ở đầu vào phía sơ cấp của bộ trao đổi nhiệt, như minh họa trong Hình 13.2.1.. Van điều khiển được sử dụng để thay đổi lưu lượng và áp suất của hơi để có thể kiểm soát nhiệt đầu vào vào bộ trao đổi nhiệt. Bằng cách điều chỉnh vị trí của van điều khiển, nhiệt độ đầu ra của chất lỏng thứ cấp được kiểm soát. Cảm biến trên đầu ra chất lỏng thứ cấp giám sát nhiệt độ và cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển so sánh nhiệt độ thực tế với nhiệt độ đặt và do đó, gửi tín hiệu cho bộ chấp hành để điều chỉnh vị trí của van điều khiển.

Đối với diện tích gia nhiệt và hệ số truyền nhiệt không đổi, tốc độ truyền nhiệt từ hơi sang chất lỏng thứ cấp cho một bộ trao đổi nhiệt cụ thể được xác định bởi chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai chất lỏng. Chênh lệch nhiệt độ trung bình lớn hơn sẽ tạo ra tốc độ truyền nhiệt lớn hơn và ngược lại. Khi đóng van điều khiển một phần, áp suất hơi và chênh lệch nhiệt độ giảm. Ngược lại, nếu van điều khiển được mở để lưu lượng khối hơi và do đó áp suất trong bộ trao đổi nhiệt tăng, chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai chất lỏng tăng.

Thay đổi áp suất hơi cũng sẽ ảnh hưởng nhẹ đến lượng nhiệt năng có sẵn trong hơi ngưng tụ vì entanpi hóa hơi thực tế giảm khi áp suất tăng. Điều này có nghĩa là nhiệt ẩn có sẵn trên mỗi kg hơi giảm khi áp suất hơi tăng. Nếu cần độ chính xác lưu lượng hơi, điều này phải được tính đến. Ví dụ 13.2.1 Một nhà sản xuất thiết kế bộ trao đổi nhiệt trong đó thông số kỹ thuật yêu cầu hơi ở 4 bar g để gia nhiệt nước thứ cấp từ 10°C đến 60°C. Lưu lượng nước phải không đổi ở tất cả các tải là 1,5 L/s. Giả sử 1 lít nước có khối lượng 1 kg, nên lưu lượng khối = 1,5 L/s x 1 kg/L = 1,5 kg/s.

Nhà sản xuất sử dụng hệ số truyền nhiệt ‘U’ cho bộ trao đổi nhiệt là 2 500 W/m² °C. Lấy nhiệt riêng của nước là 4,19 kJ/kg °C. Xác định: (A) Tải nhiệt thiết kế.

(B) Lưu lượng hơi tương ứng.

(C) Diện tích gia nhiệt tối thiểu yêu cầu.

Ngoài ra, nếu tải nhiệt tối thiểu của khách hàng xảy ra khi nhiệt độ nước đầu vào tăng lên 30°C, xác định:

(D) Tải nhiệt tối thiểu.

(E) Áp suất hơi tương ứng trong bộ trao đổi nhiệt.

(F) Lưu lượng hơi tương ứng. Phép tính: (A) Tìm tải nhiệt thiết kế sử dụng phương trình lưu lượng truyền nhiệt (Phương trình 2.6.5): Để tính lưu lượng hơi tương ứng, trước tiên cần xác định nhiệt độ hơi ở điều kiện tải tối thiểu. Có thể sử dụng số liệu thiết kế ΔTLM để dự đoán chính xác nhiệt độ hơi cho bất kỳ điều kiện tải nào, nhưng điều này đòi hỏi phải sử dụng các phép tính logarit. Tuy nhiên, khi kích thước bộ trao đổi nhiệt

đã được cố định và nhiệt độ thiết kế đã biết, dễ dàng hơn nhiều để dự đoán nhiệt độ vận hành bằng cách sử dụng cái có thể gọi là Hằng Số Thiết Kế Nhiệt Độ (TDC) của bộ trao đổi nhiệt.

Phương pháp TDC không yêu cầu phép tính logarit. Lưu ý: TDC không thể được sử dụng cho các ứng dụng mà lưu lượng thứ cấp thay đổi hoặc khi điều khiển được thực hiện bằng cách thay đổi mức ngưng tụ trong không gian hơi. Lưu ý: Khi định cỡ bộ trao đổi nhiệt, các nhà sản xuất bộ trao đổi nhiệt thường sử dụng phương pháp ΔTLM. Sau khi đã định cỡ, biết diện tích gia nhiệt và nhiệt độ vận hành tải đầy đủ, TDC có thể được sử dụng để dự đoán chính xác tất cả các nhiệt độ vận hành do thay đổi tải, như có thể thấy trong văn bản sau. Nhiệt độ vận hành cũng có thể được dự đoán bằng đồ thị sử dụng cái gọi là ‘Biểu đồ Đình Trệ’. Phương pháp này được thảo luận trong Mô-đun 13.5, 13.6 và 13.7. Hằng Số Thiết Kế Nhiệt Độ (TDC) Đối với bất kỳ loại bộ trao đổi nhiệt gia nhiệt bằng hơi nào với chất lỏng thứ cấp chảy ở tốc độ không đổi, TDC có thể được tính từ số liệu thử nghiệm do nhà sản xuất cung cấp cho tải đầy đủ. Nếu các tập dữ liệu này không có sẵn và bộ trao đổi nhiệt đã được lắp đặt đưa vào sử dụng, TDC có thể được tính bằng cách quan sát áp suất hơi (và tìm nhiệt độ hơi từ bảng hơi) và nhiệt độ đầu vào và đầu ra thứ cấp tương ứng ở bất kỳ tải nào.

TDC là tỷ số nhiệt độ hơi so với nước ở đầu vào và đầu ra; và được thể hiện trong Phương trình 13.2.2. Phương trình TDC có thể được biến đổi để tìm bất kỳ biến nào miễn là ba biến kia đã biết. Các phương trình sau được suy ra từ phương trình TDC (Phương trình 13.2.2).

Để tìm nhiệt độ hơi ở bất kỳ tải nào, sử dụng Phương trình 13.2.3: Để tìm nhiệt độ đầu vào chất lỏng thứ cấp ở bất kỳ tải nào, sử dụng Phương trình 13.2.4: Để tìm nhiệt độ đầu ra chất lỏng thứ cấp ở bất kỳ tải nào, sử dụng Phương trình 13.2.5: Đối với bất kỳ bộ trao đổi nhiệt nào với lưu lượng thứ cấp không đổi, nhiệt độ hơi vận hành có thể được tính cho bất kỳ tổ hợp nào của nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra.

Trong Ví dụ 13.2.1, nhiệt độ đầu ra thứ cấp vẫn ở 60°C, và tải tối thiểu xảy ra khi nhiệt độ đầu vào là 30°C. Nhiệt độ hơi ở tải tối thiểu là bao nhiêu?

Nhiệt độ đầu vào = 30°C

Nhiệt độ đầu ra = 60°C (E) Tìm áp suất hơi và entanpi tương ứng trong bộ trao đổi nhiệt ở tải tối thiểu

Từ bảng hơi:

Nhiệt độ hơi 115,2°C tương ứng với áp suất hơi 0,7 bar g.

Entanpi riêng của quá trình hóa hơi ở 0,7 bar g (hfg) = 2 215 kJ/kg

(F) Tìm lưu lượng hơi ở tải tối thiểu:

Từ (D), tải nhiệt tối thiểu là 188,5 kW.

Từ (E), hfg là 2 215 kJ/kg. Sử dụng Phương trình 2.8.1: