tinh toán thiết kế thiết bị truyền nhiệt ống chùm theo asme

MỤC LỤ

I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN.......................................2
1.

Giới thiệu thiết bị truyền nhiệt ống chùm ( Shell and tube type heat- exchangers).........2

2.

Phân loại (theo TEMA)..............................................................................................................2

3.

Nguyên lý hoạt động...................................................................................................................7

4.

Ưu nhược điểm :.........................................................................................................................8

5.

Quy trình chế tạo thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống - ống chùm:........................................8

II. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ (THEO TIÊU CHUẨN
ASME)...................................................................9
1.

Chọn thông số công nghệ...........................................................................................................9

2.

Thông số vận hành.....................................................................................................................9

3.

Tính toán bề dày tối thiểu của thân (thân trụ ở 200oF):.......................................................9

4.

Tính toán bề dày tối thiểu của thân (thân trụ ở 400oF):.....................................................10

5.

Thiết kế cơ khí cho đáy- nắp...................................................................................................10

6.

Thiết kế cơ khí cho ống............................................................................................................11

7.

Tổng kết.....................................................................................................................................13

8.

Tài liệu tham khảo....................................................................................................................13

1


I.

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1. Giới thiệu thiết bị truyền nhiệt ống chùm ( Shell and tube type heatexchangers)
 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm là một trong những dạng thiết bị trao
đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các ngành công nghiệp,
ước tính có tới 60% số thiết bị trao đổi nhiệt hiện nay trên thế giới là thiết
bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm.
 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có khoảng áp dụng rất rộng, gần như
ở mọi công suất, trong mọi điều kiện hoạt động từ chân không đến siêu cao
áp, từ nhiệt độ rất thấp đến nhiệt độ rất cao và cho tất cả các dạng lưu thể ở
nhiệt độ, áp suất khác nhau ở phía trong và ngoài ống.

2. Phân loại (theo TEMA)
 The Tubular Exchanger Manufacturers Association - Hiệp hội các nhà sản
xuất thiết bị trao đổi nhiệt hình ống, được thành lập vào năm 1939, là hiệp
hội dẫn đầu trong việc nghiên cứu, phát triển cũng như chế tạo các loại thiết
bị trao đổi nhiệt.

 Tiêu chuẩn TEMA về thiệt bị trao đổi nhiệt dạng ống là tiêu chuẩn phổ biến
nhất, được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới.
 Tiêu chuẩn TEMA tái bản lần gần nhất vào năm 1999 (lần 8).

Bảng tiêu chuẩn tema (trích mục 1 tiêu chuẩn Tema 1999)

2


Một số thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm

3


Một số thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm
4


Thiết bị truyền nhiệt 1 pass

+ Ống bọc bởi vỏ trụ, hai đầu có nắp đậy.
+ Có hai không gian riêng biệt: phần ống và phần vỏ, có chứa lưu chất
chuyển động bên trong để trao đổi nhiệt lẫn nhau.

Thiết bị truyền nhiệt 2 pass

3. Nguyên lý hoạt động
5


 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.

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

4.

Ưu nhược điểm :
 Ưu điểm:

 Gọn gàng, cấu tạo đơn giản, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn, dễ vệ
sinh.
 Nhược điểm:
 Khó chế tạo bằng vật liệu giòn, giá thành cao
 Bề mặt trao đổi nhiệt tính trên một đơn vị thể tích của thiết bị thấp so
với các dạng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu mới, vì vậy, cùng một bề mặt
trao đổi nhiệt như nhau, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm thường có
kích thường lớn hơn nhiều.
6


5. Quy trình chế tạo thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống - ống chùm:

II. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ (THEO
TIÊU CHUẨN ASME)
1. Chọn thông số công nghệ
 Chiều dài ống truyền nhiệt L= 86,6 in
 Tác nhân làm lạnh là nước lạnh công nghiệp
 Nhiệt độ đầu vào t = 86oF,
 Nhiệt độ đầu ra sẽ trong khoảng 104oF – 122oF. Chọn t = 113oF.
Do ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi cồn thành lỏng ở cùng nhiệt độ ngưng là t =
172,76oF. Chọn nhiệt độ thiết kế 200oF. Áp suất hơi là 1,5 at.
 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 58 063 in2
7


 Số ống truyền nhiệt : từ bề mặt truyền nhiệt tính toán được tổng số ống
truyền nhiệt tổng là 241 ống
 + 0.02 m= 0,788 in đường kính trong của ống
 Đường kính trong của thiết bị là : 23,6 in

 Số ngăn của thiết bị : 7 ngăn

2. Thông số vận hành
 Nhiệt độ thiết kế là 200oF
 Áp suất thiết kế 1,5 at + 10%. 1,5 = 1,65 at = 24,255 psi
 Vật liệu thép 304

3.

Tính toán bề dày tối thiểu của thân (thân trụ ở 200oF):

Tính bề dày tối thiểu t theo bán kính trong R (theo công thức 14.2 trang 140 trong
Sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu)

Tính bề dày thực tế t’ và chọn bề dày tiêu chuẩn t theo ASME
t’= t + CA = 0,0143 + 0,0787 = 0,093 (in) = 2,36 (mm)
•

Với:

P – áp suất tính toán (psi), P = 24,255 (psi)
R – bán kính trong thiết bị (in), R = 11,8 (in)
E – hệ số bền mối hàn, E = 0,6 ( tra ở bảng PL4 trang 275)
S – ứng suất cho phép tối đa (psi), S = 16700 (psi)
(tra ở hàng 43 của bảng PL3.24 trang 266)
CA – dung sai ăn mòn (in), chọn CA = 2mm = 0,0787in (chọn)

4. Tính toán bề dày tối thiểu của thân (thân trụ ở 400oF):
Kiểm tra tính bền:
•

Khi bề dày không vượt quá một nửa bán kính bên trong hoặc áp suất không vượt
quá 1,25SE

•
8


•
=> Thỏa điều kiện bền
Vậy chọn tấm thép 304 có bề dày t’ = 3mm để chế
tạo thiết bị.

5. Thiết kế cơ khí cho đáy- nắp
Bước 1: Các thông số tính toán:
Đáy/ nắp Elip chịu áp suất trong:
 Ptk = 24,255 psi
 ttk = 200oF
 S = 16700 psi
(Tra ở hàng 43 của bảng PL3.24 trang 266 trong Sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp
lực - Nguyễn Hữu Hiếu cho thép 304 ở nhiệt độ thiết kế ttk = 200oF).
 E = 0,6 vì thân có đường kính nhỏ (d = 23,6 in) nên chọn dạng mối hàn là
hàn giáp mối, hàn một phía. (tra ở hàng 43 của bảng PL3.24 trang 266
trong Sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu)
 Dtrong = 23,6 in
Bước 2: Tính bề dày tối thiểu :
 Giả sử:
L: bán kính trong tương đương, L=0,9D = 21,24 in=539,08 mm
 t=
Với: P – áp suất tính toán (psi), P = 24,255 psi

D – đường kính trong thiết bị (in), D = 23,6 in
E – hệ số bền mối hàn, E = 0,6, ( tra ở bảng PL4 trang 275)
S – ứng suất cho phép tối đa (psi), S = 16700 psi
Bước 3: Tính toán bề dày thực tế và bề dày tiêu chuẩn tn
Bề dày thực tế:
t’ = t + CA = 0,0286 + 0,0787 = 0,1073 in= 2,72 mm
t

: bề dày tối thiểu
9


CA : dung sai ăn mòn. Chọn CA= 0,0787in
Chọn bề dày tiêu chuẩn tn = 3 mm = 0,1182 in
Bước 4: Kiểm tra tính bền:

=> Giả sử là đúng
Vậy chọn thép tấm 304 có bề dày 3 mm để chế tạo đáy-nắp elip

6. THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO BỘ PHẬN ĐỠ
-

-

Chọn loại thiết bị đỡ là bệ đỡ yên ngựa, do sử dụng thiết bị trụ ngang.
Vật liệu chế tạo: thép 304.
Số lượng bệ đỡ: 2.
Thông số kích thước: (tra trong Bảng hình 9.5a trang 91 sách Thiết kế cơ khí thiết
bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu cho đường kính thiết bị 23,6 in = 0,6 m) (đã đổi đơn
vị)

V = 18,9 in
Y = 5,9 in
C = 21,7 in
E = 9,4 in
J = 7,5 in
G = 3,7 in
t2 = 0,24 in
t1 = 0,20 in
Đường kính bulông: 0,79 in
Lỗ bulông: 0,98 in

10


7. THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO VỈ ỐNG
Vỉ ống trong thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm dùng để đỡ ống và phân chia lưu
chất phía vỏ và phía ống.

11


•

Do ta chọn ống có đường kính ngoài Dngoài = 20 + 3 = 23 (mm) < 25 (mm) nên bề
dày vỉ ống tối thiểu sẽ được chọn là t = 0,75 x 23 = 17,25 (mm)

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

Bảng 11.1. Bề dày vỉ ống tối thiểu tham khảo theo đường kính ngoài ống
(trang 123 sách Thiết kế thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu)
12


8. Thiết kế cơ khí cho ống
Bước 1: Các thông số tính toán:
Ống chịu áp suất trong, vật liệu chế tạo là thép 304
 ptk= 24,255 psi
 ttk= 200oF
 S = 16700 psi
(Tra ở hàng 43 bảng PL3.24 trang 266 trong Sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực Nguyễn Hữu Hiếu cho thép 304 ở nhiệt độ thiết kế ttk = 200oF)
 Dtrong =0,788in
Chọn phương pháp hàn 1 phía, E= 0,6 ( tra ở bảng PL4 trang 275)

Bước 2: Tính bề dày tối thiểu : (theo công thức 14.1 trang 140 trong Sách Thiết
kế cơ khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu)
t=
Với:

P – áp suất tính toán ( psi), P = 24,255 psi
R – bán kính trong thiết bị (in), R = 0,394 in
E – hệ số bền mối hàn, E= 0,6 ( tra ở bảng PL4 trang 275)
S – ứng suất cho phép tối đa (psi), S = 16700psi

Bước 3: Tính toán bề dày thực tế và bề dày tiêu chuẩn tn
Bề dày thực tế:
t’ = t + CA= 0,00096 + 0,0787 = 0,07966 in = 2,022 mm
Với:
t

: bề dày tối thiểu

CA : dung sai ăn mòn. Chọn CA= 2 mm = 0,0787in
Chọn bề dày tiêu chuẩn tn = 3 mm = 0,1191in
Bước 4: Kiểm tra tính bền
 Theo chiều dọc thân trụ


P < 0,385 SE
13


 24,255 < 0,385x16700x0,6


t’ = 0,07966 < 0,5.R = 0,125
=> Thỏa điều kiện bền
Chọn bề dày để thiết kế cho ống là 3mm

9. Tổng kết

10. Một số chương trình tham khảo
Shell & Tube Heat Exchanger
Design

14


3D Building

Grabcad
15


11.








Tài liệu tham khảo

/>dores%20de%20calor/Normativa_Codigo/TEMA/1999_TEMA
%20(8th%201999)%20Standards%20Of%20The%20Tubular
%20Exchanger.pdf
/> />Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu
Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học và thực phẩm - Tập
5: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt - Phạm Văn Bôn, Nguyễn
Đình Thọ

16