Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm

Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….

SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….

SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN ............................................................................................. 1
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 2

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ........................... 3
1.1

Giới thiệu .......................................................................................................... 3

1.2

Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp ............................................... 4

1.2.1

Giới thiệu..................................................................................................... 4

1.2.2

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống ..................................................... 4

1.2.3

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống xoắn ruột gà ............................................... 5

1.2.4

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống tưới ............................................................ 8

1.2.5

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ................................................................. 9

1.2.6

Thiết bị trao đổi nhiệt hai vỏ ..................................................................... 12

1.2.7

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm ................................................................. 14

1.3

Các phương pháp tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp ..................... 15

1.3.1

Tính tốn theo hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ∆Ttb ............................ 15

1.3.2. Phương pháp Kern ....................................................................................... 16
Các bước tính tốn ................................................................................................. 16
CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI
NHIỆT .......................................................................................................................... 19
2.1

Giới thiệu tiêu chuẩn TEMA ........................................................................ 19

2.1.1

Thân vỏ...................................................................................................... 22

2.1.2

Phần đầu và phần sau ................................................................................ 23

2.1.3

Ống ............................................................................................................ 24

2.1.4

Vỉ ống ........................................................................................................ 24

2.1.5

Vách ngăn.................................................................................................. 25

2.1.6

Thanh giữ vách ngăn ................................................................................. 27

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

2.1.7

Tấm ngăn giữa thân vỏ .............................................................................. 27

2.1.8

Tấm ngăn chia lối ở phần đầu và phần sau ............................................... 28

2.1.9

Đệm bịt kín ................................................................................................ 28

2.1.10 . Rung động trong thiết bị ......................................................................... 29
CHƯƠNG 3 – TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG CHÙM
....................................................................................................................................... 30
3.1 Trình tự tính tốn .............................................................................................. 30
3.2.1 Bước 1: Lựa chọn kiểu thiết bị ..................................................................... 30
3.2.2 Bước 2: Lựa chọn chất tải nhiệt ................................................................. 35
3.2.3 Bước 3: Lựa chọn chế độ thủy động .......................................................... 38
3.2.4 Bước 4: Tính tốn cân bằng nhiệt .............................................................. 40
3.2.5 Bước 5: Thông số vật lý các lưu thể ........................................................... 41
3.2.6 Bước 6: Tính hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ∆Ttb .............................. 42
3.2.7 Bước 7: Giả sử hệ số truyền nhiệt K’ ......................................................... 45
3.2.8 Bước 8: Tính diện tích trao đổi nhiệt ......................................................... 48
3.2.9 Bước 9: Chọn loại ống, kích thước và cách sắp xếp ống ......................... 48
3.2.10 Bước 10: Tính số ống ................................................................................ 51
3.2.11 Bước 11: Tính đường kính vỏ ................................................................... 53
3.2.12 Bước 12: Lựa chọn vách ngăn ................................................................. 56
3.2.13 Bước 13: Tính hệ số cấp nhiệt đối lưu bên trong ống ............................. 58
3.2.14 Bước 14: Tính hệ số cấp nhiệt đối lưu ngồi ống ................................... 65
3.2.15 Bước 15: Tính hệ số truyền nhiệt K ......................................................... 70
3.2.16 Bước 16: Kiểm tra sai số K và K’ .............................................................. 71
3.2.17 Bước 17: Tính tổn thất áp suất ................................................................. 72
3.2.18 Bước 18: Kiếm tra tổn thất ........................................................................ 76
3.2.19 Bước 19: Tính tốn cơ khí ........................................................................ 76

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

3.2 YÊU CẦU BÀI TOÁN: ..................................................................................... 76
CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN .......................................................................................... 85
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 86
Phụ lục 1: Các đồ thị mối quan hệ ε = f(R,S) [2,658] ........................................... 86
Phụ lục 2: Bề dầy ống theo BWG (tube) ............................................................... 88
Phụ lục 4: Kích thước ống tiêu chuẩn (pipe) ........................................................ 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 92

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN
Họ tên sinh viên: Phạm Thành Công
MSSV: 20150450
Lớp: Máy Hóa – K60
1. Tên đề tài
Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu
 Thông số đầu vào

 Nhiệt độ đầu vào của dầu kerosene: 200 oC
 Nhiệt độ đầu vào của nước: 30 oC
 Nhiệt độ đầu ra của dầu kerosene: 90 oC
 Nhiệt độ đầu ra của nước: 50 oC
 Năng xuất thiết bị: 40000 kg/h
 Áp suất của 2 dòng lưu thể: 3 bar
 Tổng thất áp suất cho mỗi dòng: <100kK/m2
3. Yêu cầu của đồ án
Trình bày đầy bản thuyết mình có:
a) Tổng quan về thiết bị truyền nhiệt
b) Các phương pháp tính tốn thiết bị truyền nhiệt
c) Giới thiệt tiêu chuẩn TEMA
d) Tính tốn cụ thể thiết bị theo đề bài
Trình bày bản vẽ khổ A0 với các kích thước đã tính tốn ở phần thuyết minh
4. Ngày giao đồ án:
5. Ngày hoàn thành đồ án: 09/6/2019
Hà Nội, ngày 09 tháng 6 năm 2019
Trưởng Bộ môn: …………….

SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60

Giảng viên hướng dẫn

1


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

LỜI MỞ ĐẦU
Trong cơng nghiệp đặc biệt là trong cơng nghiệp hóa chất và dầu khí, thiết bị trao
đổi nhiệt có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việc tăng, giảm hoặc duy trì nhiệt độ các
dịng cơng nghệ ở giá trị thích hợp. Bởi trong cơng nghiệp hóa học nhiều q trình cần
được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ xác định thì hiệu quả của quá trình và chất lượng
sản phẩm mới đảm bảo. Và các thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ thực hiện các q
trình đun nóng, làm nguội hoặc làm lạnh. Ngoài ra, thiết bị trao đổi nhiệt cịn góp phần
trực tiếp hoặc gián tiếp giảm chi phí vận hành của nhà máy nhờ khả năng tận dụng nhiệt
thừa từ các q trình cơng nghệ, từ đó giảm tiêu hao năng lượng chung của tồn nhà
máy.
Thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trị lớn như vậy nên để tính tốn, thiết kế một thiết
bị trao đổi nhiệt đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu công nghệ của dây chuyền và đạt hiệu
quả cao là rất cần thiết. Vì vậy, trên cơ sở những kiến thức đã học được trong chương
trình đào tạo kỹ sư máy hóa, em thực hiện đề tài tốt nghiệp: nghiên cứu, ứng dụng tiêu
chuẩn TEMA và phần mềm aspen để cải tiến phương pháp tính tốn, thiết kế thiết bị
trao đổi nhiệt ống chùm. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là thiết bị phổ biến và được sử
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Mặc dù đã cố gắng nhưng do kiến thức cịn hạn hẹp và chưa có kinh nghiệm thực
tế nên đồ án của em cịn nhiều sai sót và hạn chế. Em rất mong nhận được sự đóng góp
và chỉ bảo của các thầy cơ để đề tài của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đặng Thành Bình đã tận tình hướng dẫn
và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp này.

SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60

2


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI
NHIỆT
1.1 Giới thiệu
Thiết bị trao đổi nhiệt là phương tiện dùng để tiến hành các quá trình trình trao đổi
nhiệt giữa các chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau.Trong kỹ thuật, thiết bị trao đổi nhiệt
được sử dụng rộng rãi và đóng vai trị quan trọng trong các q trình cơng nghệ. Về cấu
tạo thiết bị trao đổi nhiệt rất đa dạng về chủng loại, phụ thuộc vào công nghệ trong sản
xuất. Tuy nhiên căn cứ vào nguyên lý làm việc các thiết bị trao đổi nhiệt có thể phân
thành các dạng chính như sau:
- Thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp: Thiết bị loại này dùng để tiến hành quá trình trao
đổi nhiệt giữa hai lưu thể trộn lẫn vào nhau được, tạo ra một hỗn hợp.
- Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp: Khác với thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp, thiết bị
trao đổi nhiệt gián tiếp thực hiện q trình trao đổi nhiệt giữa hai lưu thể thơng qua một
bề mặt trung gian. Trong thiết bị này, các lưu thể có nhiệt độ khác nhau chuyển động ở
các phần không gian riêng được ngăn cách bằng bề mặt truyền nhiệt.
- Thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt: Thiết bị loại này phải có chất đệm (chất tích
nhiệt) là kim loại hay phi kim loại tùy trường hợp cụ thể. Nguyên tắc hoạt động của nó
là: đầu tiên chất tải nhiệt có nhiệt độ cao đi qua thiết bị để đốt nóng chất đệm, sau đó
chất tải nhiệt có nhiệt độ thấp đi qua sẽ được đốt nóng nhờ chất đệm nóng. Nhóm thiết
bị này chủ yếu dùng để tiến hành quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất khí.
Trong các nhóm thiết bị trao đổi nhiệt nói trên, mỗi chủng loại đều có những ưu
và nhược điểm khác nhau nên tùy vào công nghệ sản xuất mà lựa chọn loại này hay loại
khác. Trên thực tế, thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp là phổ biến nhất. Thiết bị trao đổi nhiệt
gián tiếp phong phú về chủng loại và bảo đảm được độ kín tuyệt đối

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

3

Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

giữa hai chất, làm cho các chất được tinh khiết, an toàn; do đó được sử dụng rộng rãi
trong mọi cơng nghệ.

1.2 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp
1.2.1 Giới thiệu
Ở thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp, dòng lưu thể nóng truyền nhiệt cho dịng lưu
thể lạnh qua bề mặt vách ngăn. Tùy theo hình dạng của vách ngăn mà ta có thể chia thiết
bị trao đổi nhiệt ra thành các loại:
- Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm: bề mặt truyền nhiệt là những tấm phẳng.
- Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống: bề mặt truyền nhiệt là các ống trơn. Trên thực
thế ta thường gặp loại này.
- Thiết bị trao đổi nhiệt có bề mặt mở rộng: bề mặt truyền nhiệtlà các tấm hoặc
ống có các gân, cánh để tăng cường bề mặt truyền nhiệt.
Sau đây, ta sẽ đi tìm hiểu một số thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp điển hình nhất.

1.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống
Thiết bị truyền nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, mỗi đoạn
gồm hai ống lồng vào nhau, ống trong 1 của đoạn này nối với ống trong của đoạn khác,
ống ngoài 2 của đoạn này nối thơng với ống ngồi của đoạn khác. Để dễ thay thế và rửa
ống người ta nối bằng khửu 3 và ống nối 4 có mặt bích. Ống 2 được hàn kín với ống 1
bằng mối hàn (Hình 1.1).

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

4


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

Hình 1.1.Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.
1- ống ngoài; 2- ống trong; 3- cút ống trong; 4- mặt bích

Nguyên lý làm việc: Chất tải nhiệt II đi trong ống ngoài từ dưới lên còn chất tải
nhiệt I đi trong ống trong từ trên xuống, khi năng suất lớn ta đặt nhiều dãy ống song
song.
Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn vì có thể tạo ra vận tốc lớn cho cả hai chất tải
nhiệt, cấu tạo đơn giản.
Nhược Điểm: Cồng kềnh, giá thành cao vì tốn nhiều kim loại, khó làm sạch giữa
2 ống.

1.2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống xoắn ruột gà
Đây là thiết bị truyền nhiệt được ứng dụng sớm nhất trong công nghiệp. Cấu tạo
của thiết bị gồm hai phần chính là ống xoắn và thân thiết bị (Hình 1.2). Lưu thể G1 đi
trong ống từ trên xuống, cịn lưu thể G2 đi ngồi ống.

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

5


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

Hình 1.2. Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn ruột gà

Thành ống xoắn là bề mặt truyền nhiệt, nên vật liệu làm ống xoắn phải có hệ số
dẫn nhiệt lớn (như đồng, nhơm, thép). Thân thiết bị có dạng hình trụ kín hay hở, vật liệu
thường là thép. Nếu thiết bị có kích thước nhỏ thì thân là một đoạn ống thép có đường
kính và chiều dày thích hợp. Trường hợp thiết bị lớn thì thân được chế tạo từ thép tấm
cuộn lại. Ống xoắn ruột gà được gia công từ ống đồng, ống nhơm hay ống thép có kích
thước đã được tiêu chuẩn hóa.

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

6


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

Hình 1.3. Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn thường gặp
1- cửa vào dung dịch; 2- nắp; 3- thân; 4- ống xoắn ruột gà
5,8- cửa vào, ra chất tải nhiệt; 6- cửa ra dung dịch; 7- đáy; 9- giá treo

Trong công nghiệp hóa chất hay thực phẩm thiết bị ống xoắn được đặt trong các
nồi nấu hay trong thiết bị lên men v.v… Các thiết bị này thường là hình trụ thẳng
đứng(Hình 1.3).Ta thấy nếu thiết bị dùng đun nóng dung dịch thì hơi nước nóng sẽ đi
vào cửa 8 và nước ngưng sẽ đi ra theo cửa 5. Quá trình trong thiết bị này có thể gián
đoạn hay liên tục. Trường hợp cần làm nguội dung dịch ta cho nước lạnh đi trong ống
xoắn.

Ống xoắn được uốn lại từ ống thẳng nhờ máy chuyên dụng. Hai đầu vào và ra sau
khi đã lắp vào đáy 7 rồi mới uốn cong và hàn bích nối. Trường hợp số vịng xoắn nhiều
thì cần phải làm giá đỡ chống xuống đáy. Sau khi đã định vị tốt ống xoắn và đáy, ta lắp
đáy vào đúng vị trí rồi hàn lại.
Ưu điểm: Có bề mặt trao đổi nhiệt lớn.
Nhược điểm: Ống chế tạo phức tạp, trở lực lớn hơn và khó làm sạch so với
ống thẳng. Hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt phía ngồi nhỏ.

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

7


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

1.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống tưới
Đây cũng là loại thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp qua bề mặt truyền nhiệt. Chúng
được dùng để thực hiện việc trao đổi nhiệt giữa hai pha: lỏng-khí, lỏng-lỏng, lỏng-hơi
ngưng tụ, lỏng-lỏng bay hơi. Có thể sử dụng dàn ống trơn hoặc dàn ống có cánh. Thiết
bị trao đổi nhiệt loại ống tưới được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật lạnh và điều hịa
khơng khí. Dàn ống được chế tạo từ một ống liền nối lại thành hình rắn hoặc từ nhiều
ống mà hai đầu hàn vào hai ống góp (Hình 1.4)

Hình 1.4. Thiết bị trao đổi nhiệt ống tưới với dàn ống trơn
a)Dàn ống đơn; b) Dàn ống kép

Dàn ống hình rắn đơn giản nhất là dàn ống đơn (Hình 1.4a), dàn ống hình rắn
phức tạp hơn là dàn ống kép (Hình 1.4b). Khi thực hiện quá trình trao đổi nhiệt trong

ống có thể ở trạng thái chuyển pha hoặc khơng. Lưu thể chảy bọc ngồi ống có thể là
khơng khí (hoặc chất khí nào đó) hay chất lỏng. Chất lỏng tưới bên ngoài thường là
nước, chảy lần lượt từ ống trên xuống ống dưới rồi chảy vào máng. Còn chất tải nhiệt sẽ
đi bên trong các ống. Trong kỹ thuật lạnh thường dùng các dàn ống này để làm lạnh
không khí trong phịng lạnh bằng tác nhân bay hơi trong ống, hay bằng dung dịch muối
đã được làm lạnh chảy trong ống.

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

8


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

Ưu điểm: Lượng nước làm lạnh ít, cấu tạo đơn giản, dễ quan sát và làm sạch ở
phía ngồi ống. Nếu nối ống bằng các mặt bích thì bề mặt trong ống cũng dễ dàng làm
sạch.
Nhược điểm: Thiết bị cồng kềnh, khó tưới đều lượng nước trên bề mặt ống.

1.2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Với đặc tính kết cấu của nó, thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có diện tích trao đổi
nhiệt rất lớn có thể đến hàng nghìn mét vuông, hệ số truyền nhiệt lớn. Bởi vậy loại thiết
bị này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm.
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 cơng 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 ngồi ống. Vật liệu để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm chỉ phụ thuộc
vào điều kiện hoạt động, vì vậy cho phép thiết kế để đáp ứng được các yêu cầu khác như
độ rung, khả năng sử dụng cho các lưu thể có những tính chất đóng cặn, chất có độ nhớt
cao, có tính xâm thực, tính ăn mịn, tính độc hại và hỗn hợp nhiều thành phần. Thiết bị
trao đổi nhiệt ống chùm có thể được chế tạo từ vật liệu là các loại kim loại, hợp kim cho
tới các vật liệu phi kim với bề mặt truyền nhiệt từ 0,1m2 đến 100.000m2. Tuy nhiên, thiết
bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có một nhược điểm là 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 thước lớn hơn nhiều.
Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm bao gồm: chùm ống lắp vào vỉ ống được bọc
ngồi bằng vỏ hình trụ, hai đầu có nắp đậy. Trong thiết bị có hai khơng gian riêng biệt:
một không gian gồm khoảng trống bên trong vỏ không bị chiếm chỗ (gọi là khoảng
không gian giữa các ống), và không gian gồm các phần rỗng ở trong các

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

9


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

ống và hai không gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp(gọi là khơng gian trong ống).Trong
mỗi khơng gian như vậy có một lưu thể chuyển động,chúng trao đổi nhiệt với nhau qua
thành của các ống truyền nhiệt.

Hình 1.5. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỉ ống cố định

1- nắp; 2- vỉ ống; 3- ống truyền nhiệt; 4,10- cửa thông với không gian giữa các
ống; 5- giá; 6- vỏ; 7- nắp; 8,11- cửa thơng với khơng gian trong ống;9- vóng đệm bịt kín

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm được chia thành nhiều dạng khác nhau. Có nhiều
phương pháp để phân chia như căn cứ vào kiểu dáng cấu tạo, dòng chảy trong khoang
đầu hoặc căn cứ vào cấu tạo, kiểu phân bố dòng chảy trong vỏ. Nhưng cách phân loại
phổ biến nhất là phân loại dựa vào cấu tạo của 3 phần: phần đầu,thân , phần sau theo
tiêu chuẩn TEMA. Cách phân loại này chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ hơn ở chương sau. Mặc
dù có rất nhiều dạng khác nhau nhưng các bộ phận chính của thiết bị trao đổi nhiệt lại
có rất ít khác biệt. Các bộ phận chính của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được mô
tả trong các mục sau:

SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60

10


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

Hình 1.6. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỉ ống di động

a) Vỏ
Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm đơn giản chỉ là bộ phận chứa lưu chất phía
ngồi ống trao đổi nhiệt. Vot thiết bị có tiết diện trịn được chế tạo từ thép carbon hoặc
thép hợp kim.
b) Phần đầu và phần sau
Phần đầu và phân sau được phân chia thành nhiều loại khác nhau trong tiêu chuẩn
TEMA.Cả 2 phần được nối với thân bằng phương pháp hàn hoặc sử dụng bích. Phần

đầu để lưu thể trong ống đi vào thiết bị và có thể chia ngăn đối với thiết bị chia lối lưu
thể trong ống.
c) Ống trao đổi nhiệt
Ống trao đổi nhiệt là thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm,
bề mặt của ống trao đổi nhiệt chính là bề mặt truyền nhiệt giữa lưu thể chảy bên trong
ống và bên ngoài ống. Các ống trao đổi nhiệt được gắn vào vỉ ống bằng phương pháp
hàn hoặc nong ống. Ống trao đổi nhiệt thường được làm bằng thép carbon, đồng hoặc
thép hợp kim, trong một số trường hợp đặc biệt có thể được làm từ hợp kim Niken,
titanium hoặc hợp kim nhôm.
d) Vỉ ống
Vỉ ống dùng để định vị cố định các ống trao đổi nhiệt. Vỉ ống thường là một tấm
kim loại phẳng hình trịn, được khoan lỗ để cố định ống, lắp thanh đỡ vách

SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60

11


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

ngăn. Trong q trình gia cơng, cần phải đảm bảo mối nối giữa ống và vỉ ống kín, tránh
rị rỉ. Vỉ ơng có thể được kẹp vào bích hoặc làm vỉ ống liền bích hàn thẳng vào thân đối
với trường hợp vỉ ống cố định. Còn đối với vỉ ống di động thì sử dụng bích hai nửa để
kẹp vỉ ống. Vỉ ống di động được sử dụng khi chênh lệch nhiệt độ giữa 2 lưu thể lớn,
tránh sự giãn nở không đều của thân vỏ với ống.
e) Vách ngăn
Vách ngăn được sử dụng với hai chức năng chính. Chức năng quan trọng nhất là
tạo thành cơ cấu để định vị ống trao đổi nhiệt khi lắp đặt cũng như vận hành và giữ cho

bó ống khơng bị rung động do sự chuyển động của lưu thể. Ngồi ra, vách ngăn cịn định
hướng chuyển động lưu thể phía ngồi ống chuyển động qua lại theo phương vng góc
với chùm ống làm tăng vận tốc của lưu thể và hệ số truyền nhiệt của thiết bị. Các vách
ngăn là các tấm hình trịn được đục lỗ giống vỉ ống và cắt đi một phần. Vị trí vách ngăn
và phần cắt cần được tính toán để thiết bị đạt hiệu quả nhất, cân bằng giữa hệ số trao đổi
nhiệt và tổn thất áp suất.
f) Tấm chia ngăn
Tấm chia ngăn được sử dụng đối với các thiết bị bố trí lưu thể trong ống từ 2 lối
trở lên. Tấm chia ngăn cần được bố trí sao cho đảm bảo số lượng ống mỗi ngăn xấp xỉ
nhau để giảm thiểu chênh áp giữa các ngăn.

1.2.6 Thiết bị trao đổi nhiệt hai vỏ
Khi đun nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng, đặc biệt là những thiết bị bên
trong không đặt được ống xoắn, ta thường truyền nhiệt gián tiếp qua vỏ thiết bị. Một
trong những thiết bị loại này là thiết bị vỏ bọc ngoài. Nguyên tắc cấu tạo chung của thiết
bị trao đổi nhiệt hai vỏ là: gồm có vỏ trong và vỏ ngồi lắp ghép với nhau tạo thành một
không gian giữa hai vỏ và không gian ở trong vỏ trong; trong mỗi khơng gian như vậy
có một chất tải nhiệt. Q trình trao đổi nhiệt được thực hiện qua bề mặt của vỏ trong bị
bao bởi vỏ ngoài. Phần lớn các thiết bị hai vỏ dùng hơi nước nóng ngưng tự ở không
gian giữa hai vỏ để cấp nhiệt cho dung dịch ở trong vỏ trong. Cũng có thể cho nước lạnh
hoặc dung dịch tải lạnh đi qua không gian giữa hai vỏ để làm lạnh dung dịch ở trong
vỏ trong. Để tăng cường q trình trao đổi

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

12


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

nhiệt, ta có thểlắp cánh khuấy cho dung dịch ở trong vỏ trong. Q trình làm việc của
thiết bị hai vỏ có thể là liên tục hoặc gián đoạn.

Hình 1.7. Thiết bị trao đổi nhiệt hai vỏ
1-cửa nạp liệu; 2- cửa lắp chân không kế; 3- nắp; 4- thân vỏ trong;
5- cửa hơi nước vào; 6- tai treo; 7- vỏ bọc ngoài; 8- đáy ngoài; 9- cửa tháo nước ngưng;
10- cửa tháo sản phẩm; 11- cửa lắp áp kế; 12- cửa nối với bơm chân khơng

Hình 1.7 thể hiện cấu tạo của thiết bị hai vỏ. Vỏ trong 4 và vỏ ngoài 7 được hàn
liền với nhau. Hơi nước nóng đi vào cửa 5, nước ngưng theo cửa 9 đi đến van tháo nước
ngưng. Cửa 11 để lắp áp kế quan sát áp lực hơi nước đang ngưng tụ ở không gian giữa
hai vỏ. Ngồi ra cịn có cửa xả khí khơng ngưng lắp gần ở cửa 11. Vỏ trong 4 có nắp 3
tháo rời được để cọ rửa bề mặt truyền nhiệt khi cần thiết. Thiết bị này làm việ gián đoạn.
Nguyên liệu được nạp vào qua cửa 1, sản phầm được tháo ra qua cửa 10. Hơi thứ bốc
lên được bơm chân không hút qua cửa 12. Áp suất chân không được quan sát bằng chân
không kế lắp ở cửa 2. Bơm chân khơng có thể là loại tuye, pittơng, chân khơng vịng
nước. Muốn quan sát q trình sơi ở trong vỏ trong ta làm cao phần cổ của vỏ 4 rồi lắp
kính vào. Để tháo sản phẩm được nhanh ta

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

13


Đồ án chun ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

có thể lắp thêm đường ống dẫn hơi nước có áp lực vào qua vỏ 4.Thiết bị loại này
được dung nhiều trong cô đặc.
Ưu điểm: Chế tạo đơn giản, dễ vận hành và bảo dưỡng, sửa chữa. Nhược điểm:
Hệ số truyền nhiệt không cao, thiết bị cồng kềnh.

1.2.7 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm

Hình 1.8.Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm

Đây cũng là thiết bị trao đổi nhiệt qua bề mặt truyền nhiệt. Nguyên lý cấu tạo và
hoạt động của loại này được thể hiện ởHình 1.8. Ta thấy các tấm truyền nhiệt được lắp
song song với nhau. Không gian giữa hai tấm truyền nhiệt liên tiếp bị bao bởi vòng đệm
kín chính là khơng gian cho các lưu thể chảy và chúng truyền nhiệt cho nhau qua tấm
truyền nhiệt. Lưu thể thứ nhất chảy trong các không gian xen kẽ với lưu thể thứ hai.Các
tấm truyền nhiệt được chế tạo từ các tấm thép không gỉ theo phương pháp dập tạo hình
sóng nhằm tăng cường bề mặt truyền nhiệt, tăng cứng và đặc biệt tăng hệ số truyền nhiệt.
Bốn góc của tấm truyền nhiệt có đột bốn lỗ để khi ghép lại sẽ tạo thành ống dẫn cho các
lưu thể theo cặp, với lối vào và ra là trên - dưới hoặc ngược lại.
Các chỗ khuyết ở hai đầu trên và dưới của tấm truyền nhiệt là nơi gá lắp ống vít ép.
Trên mỗi tấm truyền nhiệt cịn được tạo rãnh cho đệm kín. Rãnh có dạng

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

14


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

hình bình hành hoặc tương tự hình thang. Trước khi lắp ráp, các vịng đệm kín được dán
vào rãnh, của mỗi tấm bằng keo phù hợp với nhiệt độ, áp suất và tính chất của lưu thể.
Vịng đệm kín phải ngược nhau ở hai mặt của tấm truyền nhiệt, tương ứng với không
gian chuyển động của từng lưu thể. Vật liệu chế tạo vịng đệm có thể là cao su.Sau khi
lắp ráp các tấm được siết chặt.
Ưu điểm: Có hệ số truyền nhiệt lớn. Cấu tạo nhỏ gọn, chế độ nhiệt ổn định khi
làm việc.Có thể tăng thêm hay giảm bớt bề mặt truyền nhiệt bằng cách lắp thêm hoặc
giảm bớt số tấm truyền nhiệt một cách nhanh chóng và dễ dàng.Dễ tháo, lắp khi làm vệ
sinh bề mặt truyền nhiệt bằng phương pháp cơ học.
Nhược điểm của thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản là khơng chịu được áp suất cao,
khó ghép kín nên loại này chủ yếu được dung cho trao đổi nhiệt ở áp suất thường.
Thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản được sử dụng nhiều trong các dây chuyền cơng
nghệ sản xuất bia, nước giải khát, điều hịa khơng khí, chế biến thủy sản, chế biến thịt.
Qua các thiết bị điển hình được trình bày ở trên, thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi nhất. Do đó trong đồ án này tập trung
nghiên cứu về loại thiết bị này.

1.3 Các phương pháp tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp
1.3.1 Tính tốn theo hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ∆Ttb
Phương trình tổng quát biểu thị lượng nhiệt truyền qua một bề mặt: [6,387]
Q  KF Ttb

(1.1)

Trong đó:
Q: Lượng nhiệt trao đổi trong một đơn vị thời gian, W
K: Hệ số truyền nhiệt tổng thể, W/m2C
F: Bề mặt trao đổi nhiệt, m2
Ttb : Hiệu số trao đổi nhiệt trung bình, C

Do đó, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
F

Q
K Ttb

(1.2)

Hiệu số nhiệt trung bình logarit đối với trường hợp lưu thể xuôi hoặc ngược chiều được
SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

15


Đồ án chun ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

tính như sau: [6,391]
Ttb 

t1  t2
t
ln 1
t 2

(1.3)

Hình 1.9. Đồ thị nhiệt độ của 2 dịng xi chiều và ngược chiều

Đối với trường hợp lưu thể chảy chéo dịng thì cần phải nhân thêm với hệ số
hiệu chỉnh ε. Vấn đề này sẽ được trình bày kĩ trong chương 3.

1.3.2. Phương pháp Kern
Các bước tính tốn
Đây là một phương pháp dựa trên những hoạt động thực nghiệm với những thiết
bị tiêu chuẩn có giá trị thương mại. Phương pháp này gồm các bước như sau:
1) Tính bề mặt truyền nhiệt theo công thức:

As 

 pt  do  DslB
pt

Với:
pt - bước ống;
do- đường kính ngồi ống;
Ds – đường kính trong của vỏ;
LB – khoảng cách giữa các vách ngăn.

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

16


Đồ án chun ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

2) Tính lưu lượng vận tốc bên ngoài ống Gs và vận tốc tuyến tính theo cơng thức:

us 

Gs

us 

Gs




Trong đó
Gs – Lưu lượng dịng lỏng phía ngồi ống;
ρ- khối lượng riêng của dịng lỏng bên ngồi ống;
3) Tính đường kính tương đương
de 

1.27 2
( pt  0.785d o2 )
do

(12.22)

Với cách bố trí ống kiểu tam giác đều:
de 

1.10 2
( pt  0.917d o2 )
do

(12.23)

4) Tính chuẩn số Reynold
Re 

Gs d e

(12.24)



5) Từ chuẩn số Reynold vùa tính được, kết hợp với hình 12.29 tìm được giá trị của j h rồi
tính hệ số cấp nhiệt phía ngồi ống hs theo cơng thức:
  
hd
Nu  s e  jh Re Pr1/3 

kf
 w 

0.14

(12.25)

Nhiệt độ của tường có thể ước tính theo công thức 12.16

SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60

17

Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

6) Với giá trị chuẩn số Re phía ngồi ống, đọc hình 12.30 và tính tốn độ giảm áp suất phía
ngồi ống bằng công thức:
 D  L   
Ps  8 j f  s    

 d e   lB    w 

0.14

 us2
2

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

(12.26)

18


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

2.1 Giới thiệu tiêu chuẩn TEMA
TEMA (Standards of the tubular exchanger manufactures association) là tiêu
chuẩn của hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt. Tiêu chuẩn này giúp người
sử dụng thiết kế và lắp đặt thiết bị trao đổi nhiệt hình ống. Tiêu chuẩn được đưa ra dựa
trên các nguyên tắc kỹ thuật, các nghiên cứu và kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất và
thiết kế, lắp đặt và sử dụng thiết bị trao đôit nhiệt kiểu ống.
Hiện nay, tiêu chuẩn TEMA được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới và được
các nhà thiết kế yêu thích. Tiêu chuẩn này cũng được các cơng ty thiết kế phần mềm
chuyên về thiết kế thiết bị lựa chọn làm nền tảng cho các chương trình thiết kế của họ.
Ngoài đảm bảo chặt chẽ về các kiến thức lý thuyết cơ sở, TEMA còn xây dựng dựa trên
kinh nghiệm rất nhiều năm trong ngành thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống của hiệp
hội.
Thành phần của TEMA bao gồm:thiết kế vỏ,ống, tấm chắn, khe hở… Tiêu chuẩn
TEMA mô tả các chi tiết khác nhau của thiết bị và chia thiết bị ra làm ba phần chính:
Phần đầu, phần thân và phần sau. Ứng với mỗi phần TEMA đánh tên theo các chữ cái
A, B, C… Từ đó, ta sẽ có rất nhiều các phương án để lựa chọn cho thiết bị tùy theo mục
đích và yêu cầu khác nhau.
Phần đầu được ký hiệu bởi: A,B,C,N,D
Phần thân vỏ được ký hiệu bởi: E,F,G,H,J,K,X Phần sau được ký hiệu bởi: L, M,
N, P, S, T, U,W

SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60

19


Đồ án chuyên ngành

GVHD: TS. Nguyễn Đặng Bình Thành

Hình 2.1. Ký hiệu các phần của thiết bị theo chuẩn TEMA

SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60

20