THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM THEO TIÊU CHUẨN ANH PD 5500

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Khoa Kỹ thuật Hóa học
Bộ môn Quá trình và Thiết bị
Môn học Cơ sở tính toán và thiết kế thiết bị hóa chất

Đề tài:

THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ
TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM THEO
TIÊU CHUẨN ANH PD 5500

GVHD: TS. Nguyễn Hữu Hiếu
Nhóm thực hiện: Nhóm 5

Năm học 2017-2018


THÀNH VIÊN NHÓM
• Đặng Phương Quang

1512632

• Phạm Văn Sang

1512801

• Nguyễn Hoàng Hà

1510869

• Trần Ngọc Phương Trinh

1513643

• Nguyễn Thị Lệ

1511717

• Phạm Thị Huệ

1511203

•

1513985

Lưu Khả Uyên

• Trương Thị Ngọc Linh

1511786

• Nguyễn Thị Út

1514187

• Trần Liểu Quỳnh

1512766

• Nguyễn Thanh Duy

1510483

NHÓM 5

Trang 2


MỤC L ỤC

NHÓM 5

Trang 3


1. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Thiết bị trao đổi nhiệt là phương tiện để tiến hành các quá trình trao đổi nhiệt giữa các
chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau.
Căn cứ theo phương pháp làm việc người ta chia làm các loại thiết bị sau:
•

Loại gián tiếp: Nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác qua bề mặt
phân cách ( bề mặt truyền nhiệt ):
-Loại có vỏ bọc
-Loại ống
-Loại tấm
-Loại xoắn ốc
-Loại ống gân
•
•

Loại trực tiếp (hỗn hợp): Hai chất tải nhiệt tiếp xúc với nhau.
Một số loại ống trao đổi nhiệt.

2. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG CHÙM
2.1. Giới thiệu
Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là loại thiết bị truyền nhiệt có diện tích trao đổi rất lớn,
có thể tới hàng trăm mét vuông, hệ số trao đổi nhiệt cao. Bởi vậy nó được sử dụng rất
rộng rãi trong công nghệ hóa chất và thực phẩm .
Các thiết bị truyền nhiệt ống chùm thường có cấu tạo gồm chùm ống lắp vào vỉ ống được
bọc ngoài bằng 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 gian giữa các vỉ ống) và không gian gồm phần rỗng ở trong các ống và hai không
gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp (không gian trong 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 các loại : ống chùm nằm
ngang, thẳng đứng hay nằm ngiêng. Nhưng nếu dựa vào kết cấu cụ thể ta có thể chia làm
các loại sau đây : loại nắp cứng và loại nắp mềm.
2.2. 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
NHÓM 5

Trang 4


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.

S
ơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhi ệt ống
chùm.
2.3. Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Các thiết bị truyền nhiệt ống chùm thường có cấu tạo gồm chùm ống lắp vào vỉ ống được
bọc ngoài bằng 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 gian giữa các vỉ ống) và không gian gồm phần rỗng ở trong các ống và hai không
gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp (không gian trong ống). Trong mỗi không gian có một
lưu thể chuyển động, chúng trao đổi nhiệt với nhau qua các thành ống truyền nhiệt.

NHÓM 5

Trang 5


Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
2.4. Các bộ phận của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
2.4.1. Ống trao đổi nhiệt
Là bộ phận quan trọng 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 vỉ ống bằng phương pháp nong hay hàn. Ống trao đổi nhiệt thường bằng đồng
hoặc bằng thép hợp kim.
2.4.2. Mặt sàng ống

Mặt sàng ống

Mặt sàng ống kép

Các ống 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 và soi rãnh để cố định ống, lắp mặt đệm, bulong mặt bích.
2.4.3.Vỏ và cửa lưu chất vào ra
Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là bộ phận chứa lưu chất bên ngoài ống trao đổi nhiệt.
Cửa lưu chất là nơi đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngoài ống vào và ra khỏi thiết bị,
chúng thường có tiết diện tròn được chế tạo từ thép tấm.
Tại cửa vào lưu chất, thường có 1 tấm chắn dòng đặt sát ngay dưới cửa vào. Mục đích:
chuyển hướng chuyển động của dòng lưu thể vào có vận tốc lớn có thể ảnh hưởng đến
phần đầu của ống trao đổi nhiệt.

NHÓM 5

Trang 6


Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tâm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm
2.4.4. 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.
2.4.5. 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:

NHÓM 5

Trang 7


Một số loại tấm chia khoang
2.4.6. Vách ngăn
Chức năng:
- Tạo cơ cấu để định vị ống trao đổi nhiệt ở vị trí thích hợp khi lắp 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.

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

NHÓM 5

Trang 8


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:

Dòng chảy trong các vách ngăn
2.5. Ứng dụng của thiết bị truyền nhiệt ống chùm

- Thiết bị có thể tiến hành đun nóng,làm nguội hoặc ngưng tụ và được dùng phổ biến
trong công nghiệp hóa chất,thực phẩm.
-Dùng cho bộ sấy điều hòa không khí, máy lạnh công nghiệp, làm lạnh nhanh bia, làm
mát bia….
3 .TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
3.1. Tiêu chuẩn Anh (PD5500) và sơ lược về TEMA
- PD5500 là tiêu chuẩn được cung cấp bởi British Standard Institute (BSI)
Tiêu chuẩn này được thành lập năm 1901 với 73 cơ sở trên 28 quốc gia. Cung cấp các
dịch vụ đánh giá tiêu chuẩn, thử nghiệm, chứng nhận và đào tạo.
- Ở Anh các thiết bị thông thường sử dụng trong công nghiệp cũng như ngành công
nghiệp hóa chất sẽ được thiết kế và chế tạo theo tiêu chuẩn này.
- Sơ lược về TEMA( Tubular Exchanger Manufacturers Association ):
NHÓM 5

Trang 9


•

TEMA là hiệp hội thương mại của các nhà sản xuất hàng đầu về bộ trao đổi vỏ và
ống thiết bị trao đổi nhiệt, được thành lập vào năm 1939, TEMA đã phát triển
thành một nhóm các công ty thành viên. Các tiêu chuẩn TEMA đã đạt được sự
chấp nhận trên toàn thế giới như là thẩm quyền về thiết kế cơ khí vỏ và ống thiết bị
trao đổi nhiệt.
• Chín phiên bản tiêu chuẩn TEMA đã được công bố, mỗi ngày cập nhật về những
diễn biến mới nhất trong công nghệ. Trong một cuộc khảo sát ý kiến của người
mua tiêu chuẩn TEMA, 97% đánh giá tiêu chuẩn TEMA là "Good of excellent".
• Những tiêu chí đảm bảo mức cao nhất về chuyên môn kỹ thuật, mang đến cho các
thành viên TEMA một lợi thế khi thiết kế hoặc chế tạo bộ trao đổi nhiệt.
Logo:

Con dấu:

3.2. Trình tự thiết kế

Sơ đồ:

NHÓM 5

Trang 10


Chọn thông số

Tính bền cho thân theo công
thức :
Tính bền cho đáy-nắp theo
công thức :
Tính mặt bích
Tính vỉ ống theo công thức :
e =C

Tính bệ đỡ
Kiểm tra áp suất làm việc cho
phép tối đa
No

Yes

Kết luận bề dày cho phép

4. THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
- Dòng hơi cồn vào: t1=78,20C.
o

Ngưng tụ lượng hơi cồn thành lỏng ở cùng nhiệt độ ngưng là t 2 = 78,2 C ( Vì mất đi ẩn
nhiệt ngưng tụ ).
NHÓM 5

Trang 11


-Áp suất hơi vào thiết bị là 1,5 at.
- Diện tích bề mặt truyền nhiệt F=37,46.
-Chọn ống truyền nhiệt tiêu chuẩn dài L= 2200 mm, đường kính ,5 mm.
•

Số ống truyền nhiệt
n=

F
37,46
=
= 241
π × d × L 3,14 × 0,02 + 0,025 × 2,2
2
( ống )

Kết quả tính được là n = 241 ống
Tra bảng V.11 trang 48 “Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất” tập II, được như
sau:

 Tổng số ống: n = 241 ống.
 Xếp ống theo hình 6 cạnh.
Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 17 ống.
-Đường kính trong của thiết bị:
Dtr= t(b-1)+4d = 0,03(17-1)+4x0,025 = 0,58 ( m )
trong đó,

b = 17 ống
D: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, D = 0,025m;
t: bước ống, thường chọn t = (1,2 ÷ 1,5)D

Chọn:

t = 1,2D = 1,2×0,025 = 0,03m

 KẾT LUẬN: Chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, đặt nằm ngang có đường kính

trong Dtr = 0,6m. Số ống truyền nhiệt n = 241 ống, ống xếp theo hình sáu cạnh. Số
ngăn trong thiết bị là m = 7 ngăn.
o

( Tác nhân làm lạnh là nước lạnh công nghiệp, có nhiệt độ đầu vào t đ = 30 C, thông
o

thường nhiệt độ đầu ra t c = 45 C).

NHÓM 5

Trang 12

5. THÔNG SỐ THIẾT KẾ
- Thiết bị truyền nhiệt ống chùm nằm ngang, ống truyền nhiệt tiêu chuẩn mm
được làm bằng vật liệu thép 304.
- Chọn ống truyền nhiệt dài L = 2,2m.
- Bề mặt truyền nhiệt F=37,46 .
- Đường kính trong thiết bị là D = 0,6 m.
- Áp suất hơi vào thiết bị là 1,5 at.
Áp suất thiết kế được lấy thêm 10% so với áp suất vận hành:
= 1,5 + 1,5x10% = 1,65 at.
-Nhiệt độ thiết kế 78,2°C.
6. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
6.1.Thân thiết bị
•

Chuyển đổi đơn vị tra và chọn các thông số

- Thiết bị hình trụ.
- Đường kính trong: Di = 0,6m = 600mm.
- Áp suất thiết kế: P = 1,65at =0,167 MPa.
- Nhiệt độ thiết kế: T = 78,20C ≈ 1730F.
- Vật liệu chế tạo: thép 304, tra Bảng PL3.23, 24, Phụ lục 3, trang 266- Sách Thiết kế cơ
khí thiết bị áp lực –Nguyễn Hữu Hiếu.
- Ứng suất cực đại cho phép: f = 16,7×103 psi ≈ 115 MPa.
- Chọn phương pháp hàn giáp mối một phía có kiểm tra bằng tia X ở mức độ điểm, tra
Bảng PL4, Phụ lục 4, hệ số bền mối hàn: J = 0,8.
- Bề dày tối thiểu yêu cầu của thân thiết bị:

NHÓM 5

Trang 13


- Bề dày tối thiểu cần chế tạo để thiết bị có thể hoạt động:

- Vậy cần chọn thép tấm 304 có bề dày 3mm để chế tạo thiết bị.
6.2. Đáy và nắp thiết bị
-Chọn đáy, nắp là elip ghép với thân bằng mối ghép bích.

•

Chuyển đổi đơn vị tra và chọn các thông số

- Thiết bị hình trụ.
- Đường kính trong: Dtr = 0,6m = 600mm.
- Áp suất thiết kế: P = 1,65at=0,167 MPa.
- Nhiệt độ thiết kế: T = 78,20C ≈ 1730F.
- Vật liệu chế tạo: thép 304, tra Bảng PL3.23, 24, Phụ lục 3, trang 266- Sách Thiết kế cơ
khí thiết bị áp lực –Nguyễn Hữu Hiếu.
-Ứng suất cực đại cho phép: f = 16,7×103 psi ≈ 115 MPa.
- Chọn phương pháp hàn giáp mối một phía có kiểm tra bằng tia X ở mức độ điểm, tra
Bảng PL4, Phụ lục 4, hệ số bền mối hàn: J = 0,8.
- Bề dày tối thiểu yêu cầu của đáy và nắp:

- Bề dày tối thiểu cần chế tạo để thiết bị có thể hoạt động:
NHÓM 5

Trang 14

- Vậy cần chọn thép tấm 304 có bề dày 3mm để chế tạo Đáy và nắp.

Thông số của đáy tháp và nắp (Tra ‘‘Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất ’’ tập 2
trang 382 bảng XIII).

Thông số
Đường kính trong của thiết bị
Bán kính trong của đáy và nắp
Chiều cao đáy
Chiều cao gờ

Giá trị
Dt = 600mm
Rt = 300mm
ht = 150mm
h = 50mm

6.3. Mặt bích
Sử dụng kiểu bích liền có cổ: bích liền ngoài kiểu 5 (“Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ
hóa chất” tập 2 trang 471).

Bảng giá trị các thông số của mặt bích (Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tập
2 trang 471 bảng XVII ).

NHÓM 5

Trang 15

Đường
kính
trong

Kích thước ống nối

Bu long

Dt

D

Db

D1

D0

db

Z

h

H

S1

mm

Mm

mm

mm

mm

mm

cái

mm

mm

mm

600

750

700

660

613

M24

20

28

50

6

NHÓM 5

Trang 16


6.4. Vỉ ống
-Chọn vỉ ống loại phẳng tròn,lắp cứng với thân thiết bị.Vỉ ống phải giữ chặt các ống
truyền nhiệt và bền dưới tác dụng của ứng suất.
-Dạng của vỉ ống được giữ nguyên sau khi nong.
- Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T.
-Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là t
-Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở nhiệt độ tlà (hình 1.2 tính toán thiết kế
các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí-Hồ Lê Viên).Chọn hệ số hiệu chỉnh =1
ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở t = 78,2là 1 .

 Tính toán :
-Bề dày tối thiểu vỉ ống cần tính theo công thức 11.3 trang 122 Sách Thiết kế cơ khí thiết
bị áp lực –Nguyễn Hữu Hiếu :
e = C (mm)
Với : - C :hệ số thiết kế . Với đáy-nắp phẳng được ghép vào thân bằng bulong với vòng
đệm có bề mặt phủ đầy ,chon C= 0,4
-D : đường kính vỉ bằng đường kính vòng bu long D= 750 mm

- P : áp suất thiết kế ống. P = 1,67 Mpa = 0,1617
- : ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở t= 78,2 =
- hệ số ràng buộc
(với p là bước lỗ, d là đường kính trong ống)
Kết quả được e = 0,4 = 19,24 mm.
 Kiểm tra: So sánh với bảng “ Bề dày vỉ ống tối thiểu tham khảo theo đường

kính ngoài ống ’’ Trang 123- Sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực- Nguyễn Hữu
Hiếu.

NHÓM 5

Trang 17


Đường kính ngoài ống (mm)

Bề dày vỉ ống tối thiểu (mm)

25

0,75x Đường kính ngoài ống

25-30

22

30-40

25

40-50

30

NHÓM 5

Trang 18


Do chọn ống truyền nhiệt mm (có đường kính ngoài là 25 mm) nên theo bảng trên, bề
dày vỉ ống tối thiểu tham khảo= 0,75x25 =18,75 (mm).
Bề dày thiết kế vỉ ống được tính toán và được chọn phải lớn hơn bề dày vỉ ống tối thiểu
tham khảo ( 18,75 mm ).
 Bề dày vỉ ống e= 19,24 mm đã tính được ở trên đạt yêu cầu.( > 18,75 mm )

Vậy bề dày tối thiểu của vỉ ống là 19,24 mm.

6.5. Bệ đỡ
Với thiết bị dạng trụ nằm ngang, lựa chọn bệ đỡ yên ngựa được chế tạo bằng thép, góc
biên không được nhỏ hơn 1200 và thường sẽ không được lớn hơn 1500.
Bảng kích thước bệ đỡ yên ngựa chuẩn bằng thép đối với thiết bị có đường kính lên
đến 1,2m (Trang 91-Sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-Nguyễn Hữu Hiếu)

NHÓM 5

Trang 19


 Chọn bệ đỡ yên ngựa đường kính thiết bị 0,6m có các thông số:trọng lượng tối đa

35 kN, đường kính bulông 20 mm, lỗ bulông 25 mm. (V=0,48; Y=0,15; C=0,55;
E=0,24; J=0,19; G=0,095m; t2=6; t1=5mm).

7. KẾT LUẬN

Qua tất cả các bước tính toán và kiểm tra kết quả tính toán các bộ phận của thiết bị,
dựa vào sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực- Nguyễn Hữu Hiếu, Sổ tay quá trình
thiết bị hóa chất tập I, tập II- Nhiều tác giả, lập bảng tổng kết thiết kế các bộ phận
thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm:
NHÓM 5

Trang 20


Thông số

Chiều
dài
(mm)

Đường
kính
trong
(mm)

Bề dày
(mm)

Số

Lượng

Kiểu

Vật liệu

Thân

2200

600

3

1

Trụ
ngang

Thép 304

Ống

2200

20

2,5

241

Trụ tròn

Thép 304

19,24

2

Tròn

Thép
OX18H10T

600

3

1

Elip

Thép 304

600

28

2

Tròn

Thép 304

Bộ phận

Vỉ ống
Đáy-Nắp
Mặt bích

200

Bệ đỡ yên ngựa

2

Thép 304

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập I,II, Nhiều tác giả, NXB
Khoa học và Kĩ thuật.
2. Quá trình và thiết bị truyền nhiệt ổn định- Nguyễn Văn Bôn và Phạm Đình
Thọ, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
3. Thiết kế cơ khí thiết bị chịu áp lực- Nguyễn Hữu Hiếu, NXB Đại học Quốc
gia Thành phố Hồ Chí Minh.
4 . Tính toán thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí - Hồ Lê Viên

NHÓM 5

Trang 21