Nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Nội dung :
1. Giới thiệu về thiết bị
2. Cấu tạo
3. Nguyên lý hoạt động
4. Hướng chuyển động của các môi chất
5. Công dụng
6. Tăng cường hiệu suất
7. Bài toán thiết kế
8. Ảnh hưởng môi trường
9. Kết luận
1. Giới thiệu thiết bị :
-Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình truyền nhiệt giữa các
chất mang nhiệt. thiết bị ống chùm là thiết bj trao đổi kiểu vách ngăn.
- Môi chất có thể là amoniac hoặc freon
-Đối bình ngưng NH3 các ống trao đổi nhiệt là các ống thép áp lực C20 còn đối với bình
ngưng freon thường sử dụng ống đồng có cánh về phía môi chất lạnh.
• Với đặc tính kết cấu của nó, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ diện tích trao đổi rất
lớn, có thể tới hàng trăm hàng nghìn mét vông, hệ số trao đổi nhiệt cao. Bởi vậy nó
•

được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ hóa chất và thực phẩm.
Chúng đều tuân theo một nguyên tắc cấu tạo là: gồm chùm ống lắp vào vỉ ống được
bọc ngoài bởi vỏ hình trụ, hai đầu có nắp đậy. Trong thiết bị có hai không gian riêng
biệt : một không gian gồm khoảng trống bên trong vỏ không bị ống chiếm chỗ
(khoảng không giữa các vỉ ống) và không gian gồm phần rỗng bên trong các ống và
hai không gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp ống, trong mỗi không gian có một lưu thể

•

chuyển động, chúng trao đổi nhiệt với nhau qua các thành ống truyền nhiệt.

Nếu căn cứ vào vị trí của chúng thì chúng ta có thể chia thành 2 loại : ống chùm nằm
ngang thẳng đứng hay nằm nghiêng. Nhưng nếu dựa vào kết cấu cụ thể ta có thể chia
làm loại sau đây : loại nắp cứng và loại nắp mềm.

Nhóm 7

Trang 1


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

2.

Cấu tạo

2.1.

Mặt sàng ống :

Mặt sàng ống thường là một tấm kim loại phẳng hình tròn , được khoan lỗ theo kiểu
bố trí thích hợp va soi rãnh để cố định ống ,lắp mặt đệm , bulong mặt bích … Các ống

Nhóm 7

Trang 2


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
được định vị cố định nhờ gắn chặt vào lỗ trên mặt sàng. ống gắn trên mặt sàng bằng
phương pháp làm biến dạng ống ( nong ống ) hoặc phương pháp hàn tùy theo dạng vật

liệu chế tạo ống và mặt sàng, điều kiện hoạt động của thiết bị.
Mặt sàng ống thường là một tấm kim loại phẳng hình tròn , được khoan lỗ theo kiểu
bố trí thích hợp va soi rãnh để cố định ống ,lắp mặt đệm , bulong mặt bích …
Trong quá trình gia công phải đảm bảo mối nối giữa ống và mặt sàng kín tránh rò rỉ
trộn lẫn hai lưu thể trong và ngoài ống để tránh hiện tượng này người ta thiêt kế mặt
sàng kép. Theo thiết kế này phần không gian giữa hai mặt sàng được thông với môi
trường bên ngoài,khi xảy ra rò rỉ sẽ nhanh chóng được phát hiện. trong trường hợp
ngay cả lưu chất rò rỉ ra bên ngoài cũng không được phép trộn lẫn vào nhau thì sử
dụng 3 mặt sàng nối tiếp nhau. Khi đó, các chất nếu các lưu chất rò rỉ là các chất độc
hại hay quý hiếm thì cần được thu hồi hay xử lý đúng quy trình.
Ngoài ra mặt sàng phải đáp ừng được yêu cầu chống mòn với cả lưu chất trong và
ngoài ống. vật liệu chế tạo mặt sàng ống phải có tính chất tương đồng với vật liệu chế
tạo ống và khoang chứa lưu chất trong lòng ống nhằm giảm thiểu hiện tượng ăn mòn
điện hóa do sự khác biệt vật liệu chế tạo các bộ phận của thiết bị gây ra.

Mặt sàng ống

Nhóm 7

Trang 3


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
2.2.

Mặt sàng ống kép
Vỏ và cửa lưu chất vào :

Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là bộ phận lưu chất bên ngoài ống trao đổi nhiệt ,cửa lưu
chất là nơi đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngoài ống và và ra khỏi thiết bị chúng thường có

tiết diện tròn được chế tạo từ thép tấm.

Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tấm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm
2.3.

Tấm chia khoang :

Khi thiết bị dùng 2 ngăn trở lên ta dùng ống chia khoang.
Yêu cầu : đảm bảo số lượng ống ở mỗi khoang là như nhau để giảm thiểu chênh lệch áp giữa
các khoang (giảm hiện tượng rò rỉ), đảm bảo bề mặt chịu nén là thích hợp lắp đặt vòng đệm,
không quá gây khó khăn cho việc chế tạo và không làm ảnh hưởng đến chi phí chế tạo,vận
hành và bảo dưỡng. Một số dạng tấm chia khoang tiêu biểu:

•

Vách ngăn:
Chức năng:
2.4.

Nhóm 7

Trang 4


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
- Tạo cơ cấu để định vị ống trao đổi nhiệt ở vị trí thích hợp khi nắp đặt cũng như khi vận
hành, giữ cho bó ống không bị rung do chuyển động xoáy của lưu chất.
- Định hướng chuyển động của lưu chất phía ngoài ống truyền nhiệt qua lại theo phương
vuông góc với chùm ống làm tăng vận tốc chuyển động của lưu chất và hệ số truyền nhiệt.
Hình dạng chủ yếu là hình viên phân, các vách ngăn này là tâm tròn, phần cắt đi phải nhỏ hơn

bán kính hình tròn ban đầu nằm đảm bảo rằng vùng chồng lấn nhau giữa các vách ngăn gần
nhất phải chứa ít nhất một hàng ống truyền nhiệt.
- Nếu lưu thể thiết kế với lưu thể lỏng chảy ngoài ống truyền nhiệt thì phần cắt của viên phân
thường vào 20% - 25% của đường kính còn lưu thể là dạng khí làm việc ở áp suất thẩm thấu
thì phần cắt khoảng 40% - 45% nhằm giảm tối đa tổn thất áp suất của dòng chảy thiết bị.
- Khoảng cách giữa 2 vách ngăn kế tiếp phải được lựa chọn sao cho diện tích dòng chảy tự
do qua cửa sổ giữa vách ngăn và vỏ ngoài phải sắp xỉ bằng tiết diện dòng chảy vuông góc
chùm ống tạo ra giữa hai vách ngăn liên tiếp. Với dòng chảy vận tốc lớn, cấu hình vách ngăn
đơn thường gây tổn thất áp suất lớn, vì vậy cấu hình với vách ngăn kép sẽ được sử dụng trong
trường hợp này. Cấu hình bố trí vách ngăn kép cho phép giảm tốc độ do đó giảm được tổn
thất dòng chảy phía ngoài.
•
•

Vách ngăn được chia làm 2 loại:
Vách ngăn viên đơn phân đơn.
Vách ngăn viên phân kép.
Vách ngăn viên phân đơn

Một số kiểu hình dạng và cách bố trí vách ngăn, chùm ống thông dụng ( dạng hình viên phân
đơn )

•

Vách ngăn viên phân kép

Nhóm 7

Trang 5

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Một số kiểu hình dạng và cách bố trí vách ngăn, chùm ống thông dụng (dạng hình viên phân
kép)


Kiểu vách ngăn, cách bố trí vách ngăn và chùm ống sẽ làm thay đổi tốc độ cục bộ và
hướng dòng chảy ngoài ống. Một số sơ đồ dòng chảy tương ứng với kiểu và cách bố
trí vách ngăn thông dụng được minh họa trong hình vẽ sau:

Ống trao đổi nhiệt
Là thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, bề mặt của chúng
chính là bề mặt truyền nhiệt giữa hai lưu thể trong và ngoài ống . Các ống trao đổi
nhiệt được gắn vào mặt sang bằng phương pháp nong hay hàn. ống trao đổi nhiệt
thường bằng đồng hoặc bằng thép hợp kim. Ngoài ra trong một số trường hợp ống
trao đổi nhiệt được chế tạo từ hợp kim Niken, Titanium hoặc hợp kim nhôm.
Khi một lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn nhiều so với chất kia. Chọn thiết bị có
ống trao đổi nhiệt trơn hoặc ống được tăng cường bề mặt bằng các cánh. Với kết cấu
2.5.

-

-

Nhóm 7

Trang 6

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
ống này có tăng bề mặt trao đổi nhiệt so với ống trơn từ 2 đến 4 lần cho phép bù lại hệ
số truyền nhiệt ở phía ngoài ống.
2.6. Khoang đầu và đầu đưa chất lỏng vào ra phía trong ống
Khoang đầu và các đầu dẫn lưu chất phía trong ống vào ra đơn giản là việc kiểm soát
dòng lưu chất chảy chạy phía trong ống thường là các chất có tính ăn mòn cao hơn, vì
vậy khoang đầu và đầu dẫn lưu chất thườngđược chế tạo từ vật liệu hợp kim. Để giảm
chi phí chế tạo, có thể chỉ tráng 1 lớp hợp kim bên ngoài các bộ phận này mà không
nhất thiết phải chế tạo toàn bộ chi tiết bằng hợp kim.
2.6.
Nắp
- Nắp của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là tấm hình tròn (có thể là 1 chỏm cầu) được
lắp với mặt bích của khoang đầu bằng bu long . Nắp có thể được tháo dễ dàng để
kiểm tra ống trao đổi nhiệt hoặc vệ sinh bảo dưỡng thiết bị định kỳ mà không làm ảnh
hưởng tới chất lượng chùm ống.
3. Nguyên lý hoạt động:
- Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp
giữa hai lưu thể chuyển động bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt. Để tăng
cường hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể trong
và ngoài ống theo phương vuông góc hoặc chéo dòng. Để phân phối lưu thể trong
và ngoài ống người ta tạo ra hai khoang để phân phối lưu chất trong và ngoài ống
khác nhau. Lưu chất chảy ngoài ống được chứa trong vỏ trụ còn lưu chất chảy
trong lòng ống được chứa khoang đầu và trong lòng ống. Toàn bộ bó ống được đặt
trong vỏ trụ.
- Một môi chất cho đi trong các ống nhỏ, môi chất khác cho đi trong không gian
giữa các ống và chuyển động dọc theo các ống nếu không có tấm chắn, hoặc
chuyển động cắt ngang và dọc theo các ống khi có tấm chắn để tăng cường quá
trình trao đổi nhiệt và chống rung động cho các ống.
-

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
4.

Hướng chuyển động của môi chất

Nhóm 7

Trang 7


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
-

2 môi chất trao đổi nhiệt với nhau thông qua vách ống.
Môi chất lỏng thường đi trong ống, môi chất khí và hơi đi bên ngoài:
Tại vì: chất lỏng đi trong thì sẽ lấp kín bên trong ống và giúp quá trình trao đổi nhiệt

-

tốt hơn.
Hướng chuyển động của môi chất: 2 môi chất thường chuyển động ngược chiều nhau.

Sơ đồ hướng chuyển
động của môi chất
5. Công dụng
• Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ có những công dụng sau:
- Bình ngưng tụ hơi môi chất: ví dụ. bình ngưng tụ hơi nước trong nhà máy nhiệt điện
hoặc bình ngưng hơi môi chất lạnh trong máy lạnh.
- Bình bốc hơi trong máy lạnh: làm bình bốc hơi trong máy lạnh bên trong hoặc bên
ngoài.

- Bình làm mát dầu: nước lạnh chảy bên trong dầu làm mát chảy bên ngoài các ống
5.1.Làm bình bốc hơi: có 2 loại trong ống và ngoài ống

Nhóm 7

Trang 8


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

5.2. Bình ngưng tụ môi chất có 2 loại: nằm ngang và thẳng đứng.
• Nằm ngang

•

Thẳng đứng

Nhóm 7

Trang 9


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

5.3.Làm bình làm mát dầu: Nước lạnh chảy bên trong ống, dầu làm mát chảy ngoài
ống.

6. Tăng cường hiệu suất :
Để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể
trong và ngoài ống theo phương vuông góc hoặc chéo dòng. Để phân phối lưu thể

trong và ngoài ống người ta tạo ra hai khoang để phân phối lưu chất trong và ngoài
ống khác nhau.Lưu chất chảy ngoài ống được chứa trong vỏ trụ còn lưu chất chảy
trong lòng ống được chứa khoang đầu và trong lòng ống. Toàn bộ bó ống được đặt
trong vỏ trụ.
7. Bài toán thiết kế :
• Bài toán thiết kế cần xác định :
- Diện tích bề mặt ống F: Q=F*k*
=>F=
- Tổng số ống: n =
trong đó F:diên tích bề mặt
: đường kính trung bình ống
= 0,5(+)
- Số ống trong một hành trình: m =
trong đó: là trọng lượng riêng
là vận tốc dòng chảy
-

là đường kính trong ống

Nhóm 7

Trang 10


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Chiều dài ống thẳng : l =
• Với thiết bị ống xoắn:
- Tổng chiều dài: L = *m (m)
- Chiều dài của 1 vòng xoắn: (m)
- Số vòng xoắn: n= (vòng)

- Hệ số truyền nhiệt : k =++
8. Ảnh hưởng từ môi trường :
-

 Môi trường có tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt.
-

Nhưng điều đó là điều không mong muốn. Vì nó làm hao tổn thất nhiệt của thiết bị
trao đổi nhiệt.

 Cách khắc phục: muốn không bị hao tổn nhiệt với môi trường thì ta có thể làm lớp
cách nhiệt ngoài để hạn chế quá trình trao đổi nhiệt giữa môi trường ngoài với vỏ ống.
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, thiết bị cồng kềnh.
• Ứng dụng: dùng làm bình ngưng tụ và hơi môi chất, bình bốc hơi cho máy lạnh, làm bình
quá lạnh.
-

cấu tạo bình ngưng sử dụng trong các hệ thống lạnh NH3. Bình ngưng có thân hình
trụ nằm ngang làm từ vật

liệu thép CT3, bên trong là các ống trao đổi nhiệt bằng thép áp lực
C20. Các ống trao đổi nhiệt được hàn kín hoặc núc lên hai mặt sàng hai
đầu. Để có thể hàn hoặc núc các ống trao đổi nhiệt vào mặt sàng, nó
phải có độ dày khá lớn từ 20÷30mm. Hai đầu thân bình là các nắp
bình. Các nắp bình tạo thành vách phân dòng nước để nước tuần
hoàn nhiều lần trong bình ngưng. Mục đích tuần hoàn nhiều lần là để
tăng thời gian tiếp xúc của nước và môi chất; tăng tốc độ chuyển

động của nước trong các ống trao đổi nhiệt nhằm nâng cao hệ số toả
nhiệt Cứ một lần nước chuyển động từ đầu này đến đầu kia của
bình thì gọi là một pass. Ví dụ bình ngưng 4 pass, là bình có nước
chuyển động qua lại 4 lần (hình 6-2). Một trong những vấn đề cần

Nhóm 7

Trang 11


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
quan tâm khi chế tạo bình ngưng là bố trí số lượng ống của các pass
phải đều nhau, nếu không đều thì tốc độ nước trong các pass sẽ khác
nhau, tạo nên tổn thất áp lực không cần thiết.
.4 Một số lưu ý về vấn đề kỹ thuật
4.4.1.Ứng suất nhiệt
Các lưu thể chuyển động trong thiết bị trao đổi nhiệt thường có nhiệt độ khác nhau tương
đối lớn, vì vậy mà nhiệt độ của các bộ phận, chi tiết của thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc với
các lưu thể này cũng khác xa nhau đặc biệt là giữa các ống trao đổi nhiệt và vỏ thiết bị.
Nhiệt độ của các bộ phận,chi tiết trong thiết bị khác nhau do đó độ dẫn độ nhiệt cũng khác
nhau. Điều này dẫn tới sự di chuyển tương đối giữa các bộ phận với vị trí ban đầu và sinh
ra các ứng suất dư cục bộ. các chi tiết có chiều dài lớn là vỏ và ống trao đổi nhiêt bị ảnh
hưởng của nhiệt độ càng lớn. ứng suất nhiệt càng lớn khi nhiệt độ giữa 2 bộ phận này có
chênh lệch càng lớn.
Trong một số trường hợp hậu quả của ứng suất nhiệt gây ra là vỏ bình sẽ bị uốn cong hoặc
các ống trao đổi nhiệt sẽ bị tuột ra khỏi mặt sàng ống. vấn đề đặt ra là
Cần có giải pháp kỹ thuật để khắc phục ứng suất nhiệt do sự giãn nở nhiệt không đồng đều
giữa ống chùm và vỏ thiết bị. Dưới đây trình bày một số giải pháp đã được ứng dụng trong
thực tế nhằm giảm ứg suất nhiệt gây ra.
4.4.2 Một số giải pháp điển hình

+ vành bù giãn nở trên vỏ bình
Biện pháp này là tạo ra một vành bù giãn nở nhiệt trên vỏ của thiết bị trao đổi nhiệt. tuy
nhiên kết cấu này chỉ thích hợp với các thiết bị trao đổi nhiệt có kích thước nhỏ và hoạt
động trong điều kiện áp suất thấp
+ ống hình chữ U
Kết cấu này cho phép chùm ống và than thiết bị giãn nở một cách độc lập nhờ đó không
gây ra ứng suất dư do sự co kéo giữa các bộ phận. tuy nhiên gây ra một số hạn chế : không
cho phép thay thế một cách riêng rẽ các ống trao đổi nhiệt, không vệ sinh được đoạn cong
của ống khi bảo dưỡng điều này không thể chấp nhận trong một số ứng dụng
+ đầu ống tự do
Một đầu được ngoàm chặt cùng vỏ thiết bị còn đầu kia của chùm ống được thả tự do được
đưa vào sử dụng. tùy ứng dụng mà có kết cấu khác nhau
Kết cấu đơn giản của thiết bị loại này là mặt sàng ống phía đầu tự do và mặt bích phải đủ
nhỏ để có thể chuyển động tư do trong vòng vỏ thiết bị. kết cấu này cho phép dễ làm sạch

Nhóm 7

Trang 12


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
lòng ống và thay thế ống một cách độc lập mà không cần phải đưa chùm ống ra khỏi vỏ
thiết bị. tuy nhiên kết cấu này có nhược điểm: số ống trong thiết bị bị giảm đi so với thiết
bị khác có cùng đường kính vỏ( dành không gian cho đầu bích tự do)
4.4.3. Một số yêu cầu kỹ thuật khác
*mối ghép bích
Được dùng phổ biến trong các thiết bị sản xuất hóa chất và dầu mỏ cũng như ở các đường
ống dẫn lỏng hoặc khí.
Yêu cầu:
1,các mối ghép bích phải thật kín ở áp suất và nhiệt độ của môi trường nhất là thiết bị hoặc

đường ống có chứa các chất độc và chất dễ cháy
2,mối ghép bích phải bền và lâu hỏng
3,thuận tiện tháo nhanh,nắp nhanh
4,đảm bảo chế tạo hàng loạt
5,giá thành rẻ
Các loại mặt bích : mặt bích đúc,mặt bích hàn hay mặt bích rèn liền với thân …
Độ kín mối ghép do vật đệm quyết định,đệm được làm bằng vặt liệu mềm, dễ biến dạng,
căn cứ vào nhiệt độ, áp suất,tính chất môi trường chọn vật liệu thỏa mãn yêu cầu
Yêu cầu vật đệm:
1,đủ độ dẻo và dễ bị biến dạng khi bị nén
2,trong thời gian làm việc độ dẻo không bị biến đổi
3,bền đối với môi trường trong thiết bị hay đường ống
Nhận xét khi thiết kế mặt bích:
-số lượng bu lông ở bích phải là bội số của 4
-đệm bịt kín cần đặt rống lên đến gần bu long
-áp suất càng lớn thì đệm càng hẹp
*thân hình trụ:
Là thiết bị phổ biến để chế tạo các thiết bị hóa chất và dầu mỏ làm việc ở áp suất dư lên
đến 10N/m2 hoặc ở áp suất khí quyển và ở chân không

Nhóm 7

Trang 13


THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Chú ý khi chế tạo:
-tổng chiều dài các mối hàn khi hàn là nhỏ nhất
-các mối hàn dọc hay ngang cần phải giáp mối
*đáy và nắp:

Là 2 chi tiết cùng với thân tạo nên thiết bị, hình dạng của thiết bị phụ thuộc vào nhiệm vụ
của nó,áp suất làm việc và phương pháp chế tạo
Đối với thiết bị hàn, đáy và nắp hàn vào thân hay ghép bằng mặt bích,còn thiết bị đúc thì
đáy và nắp đúc liền hay nắp được ghép với thân bằng mặt bích
Đáy và nắp thường dùng trong các thiết bị hóa chất có dạng cầu,enip,nón… đối với các
thiết bị làm việc ở áp suất thường nên dùng đáy và nắp thẳng vì chế tạo đơn giản giá
rẻ,đáy và nắp hình elip hợp lý nhất của thiết bị trụ hay nồi hơi chế tạo bằng phương pháp
dập,dùng trong trường hợp áp suất dư không nhỏ hơn 1 N/m2
*vỉ ống
Một trong các chi tiết cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm để giữ chặt 2 đầu ống
Theo hình dáng chia ra vỉ ống hình tròn,hình vuông,hình vành khăn…phổ biến hơn cả là
vỉ ống hình tròn phẳng,hình cầu hoặc elip…cấu tạo từ phôi tấm,ngoài ra có thể đục,vật
liệu phải bền với cứng hơn vật liệu làm ống
*tai đỡ và chân
Việc lựa chọn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nơi đặt thiết bị,tỷ lệ chiều cao,đường kính
thiết bị,khối lượng thiết bị…
Thiết bị ở vị trí đặt tai đỡ cần ốp thêm một tấm kim loại để tăng cứng sau đó mới hàn vào
tai đỡ.

Nhóm 7

Trang 14