Nghiên cứu, ứng dụng tiêu chuẩn TEMA và phần mềm aspen để cải tiến phương pháp tính toán, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Vũ Đình Tiến

(Bìa)

SV : Hồng Anh Dũng – Máy hóa K56


LỜI MỞ ĐẦU
Trong công nghiệp đặc biệt là trong công nghiệp hóa chất và dầu khí, thiết bị
trao đổi nhiệt có ý nghĩa vơ cùng quan trọng trong việc tăng, giảmhoặc duy trì nhiệt
độ các dịng cơng nghệ ở giá trị thích hợp. Bởi trong cơng nghiệp hóa học nhiều quá
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. Ngồi 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 còn 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 TS. Vũ Đình Tiến đã tận tình hướng dẫn và
chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp này.

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


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

……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….
……………………………………………………………….


Mục lục
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊTRAO ĐỔI NHIỆT........................1
1.1

Giới thiệu....................................................................................................1

1.2

Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp..........................................2

1.2.1

Giới thiệu...............................................................................................2

1.2.2

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống................................................2

1.2.3

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống xoắn ruột gà..........................................3

1.2.4

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống tưới.......................................................6

1.2.5

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm............................................................7

1.2.6

Thiết bị trao đổi nhiệt hai vỏ................................................................10

1.2.7

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm............................................................12

1.3

Các phương pháp tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp.................13

1.3.1

Tính tốn theo hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ∆Ttb........................ 13

1.3.2

Tính tốn theo NTU.............................................................................14

1.3.3

Ví dụ....................................................................................................18

1.4

Định hướng nghiên cứu của đồ án..........................................................20

CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TỐN,
THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT........................................................21
2.1

Giới thiệu tiêu chuẩn TEMA...................................................................21

2.1.1

Thân vỏ................................................................................................24

2.1.2

Phần đầu và phần sau..........................................................................25

2.1.3

Ống......................................................................................................26

2.1.4

Vỉ ống..................................................................................................26

2.1.5

Vách ngăn............................................................................................27


2.1.6

Thanh giữ vách ngăn...........................................................................29

2.1.7

Tấm ngăn giữa thân vỏ........................................................................29

2.1.8

Tấm ngăn chia lối ở phần đầu và phần sau..........................................30

2.1.9

Đệm bịt kín..........................................................................................30

2.1.10
2.2

Rung động trong thiết bị...................................................................31

Giới thiệu phần mềm Aspen Exchanger Design and Rating và Pvelite32

2.2.1

Aspen Exhanger Design and Rating....................................................32

2.2.2

PVelite.................................................................................................33

CHƯƠNG 3 - PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO
ĐỔI NHIỆT ỐNG CHÙM....................................................................................34
3.1

Mục đích...................................................................................................34

3.2

Trình tự tính tốn.....................................................................................34

3.2.1

Giới thiệu sơ đồ tính tốn....................................................................34

3.2.2

Bước 1: Lựa chọn kiểu thiết bị............................................................34

3.2.3

Bước 2: Lựa chọn chất tải nhiệt...........................................................40

3.2.4

Bước 3: Lựa chọn chế độ thủy động....................................................42

3.2.5

Bước 4: Tính tốn cân bằng nhiệt........................................................44

3.2.6

Bước 5: Thơng số vật lý các lưu thể....................................................45

3.2.7

Bước 6: Tính hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ∆Ttb.........................46

3.2.8

Bước 7: Giả sử hệ số truyền nhiệt K’..................................................49

3.2.9

Bước 8: Tính diện tích trao đổi nhiệt...................................................51

3.2.10

Bước 9: Chọn loại ống, kích thước và cách sắp xếp ống.................52

3.2.11

Bước 10: Tính số ống.......................................................................55

3.2.12

Bước 11: Tính đường kính vỏ..........................................................56

3.2.13

Bước 12: Lựa chọn vách ngăn..........................................................59


3.2.14

Bước 13: Tính hệ số cấp nhiệt đối lưu bên trong ống.......................61

3.2.15

Bước 14: Tính hệ số cấp nhiệt đối lưu ngồi ống.............................69

3.2.16

Bước 15: Tính hệ số truyền nhiệt K.................................................73

3.2.17

Bước 16: Kiểm tra sai số K và K’....................................................75

3.2.18

Bước 17: Tính tổn thất áp suất.........................................................75

3.2.19

Bước 18: Kiếm tra tổn thất...............................................................79

3.2.20

Bước 19: Tính tốn cơ khí................................................................79

CHƯƠNG 4 - MỘT SỐ VÍ DỤ TÍNH TỐN,THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO
ĐỔI NHIỆT ỐNG CHÙM....................................................................................80
4.1

Ví dụ 1 – Hai lưu thể khơng chuyển pha................................................80

4.1.1

u cầu bài tốn..................................................................................80

4.1.2

Giải quyết bài tốn...............................................................................80

4.2

Ví dụ 2 – Một lưu thể chuyển pha...........................................................98

4.2.1

u cầu bài tốn..................................................................................98

4.2.2

Giải quyết bài tốn...............................................................................99

4.3

Ví dụ 3 – Hai lưu thể chuyển pha..........................................................117

4.3.1

Yêu cầu bài toán................................................................................117

4.3.2

Giải quyết bài toán.............................................................................118

CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN..................................................................................137


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bề dầy tối thiểu của thân thiết bị loại R theo TEMA..............................24
Bảng 2.2. Bề dầy tối thiểu của thân thiết bị loại C - B theo TEMA........................24
Bảng 2.3. Áp suất tối đa cho phép của phần sau W.................................................26
Bảng 2.4. Bề dầy tối thiểu của vỉ ống......................................................................26
Bảng 2.5. Chiều dài lớn nhất của ống không cần cố định bằng vách ngăn..............27
Bảng 2.6. Bề dầy tối thiểu vách ngăn của thiết bị loại R.........................................28
Bảng 2.7. Bề dầy tối thiểu vách ngăn của thiết bị loại C - B...................................28

Bảng 2.8. Kích thước tối thiểu thanh giữ vách ngăn của thiết bị loại R..................29
Bảng 2.9. Kích thước tối thiểu thanh giữ vách ngăn của thiết bị loại C -B.............29
Bảng 2.10. Bề dầy tấm ngăn chia lối.......................................................................30
Bảng 3.1. Phân loại thiết bị theo TEMA.................................................................38
Bảng 3.2. Ưu nhược điểm một số chất tải nhiệt thường dùng.................................40
Bảng 3.3. Khoảng giá trị vận tốc hợp lý của một số lưu thể [1,9]...........................44
Bảng 3.4. Một số giá trị hệ số truyền nhiệt K tham khảo[6,637].............................50
Bảng 3.5. Hệ số cấp nhiệt đối lưu của một số lưu thể.............................................51
Bảng 3.6. Hệ số K1 và n1 [2,649].............................................................................57
Bảng 3.7. Tỉ lệ đường kính vỏ - bó ống đối với thiết bị kettle.................................59
Bảng 3.8. Giá trị hệ số truyền nhiệt và nhiệt trở lớp cáu cặn của một số lưu thể.....74


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống..........................................................3
Hình 1.2. Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn ruột gà....................................................4
Hình 1.3. Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn thường gặp.............................................5
Hình 1.4. Thiết bị trao đổi nhiệt ống tưới với dàn ống trơn......................................6
Hình 1.5. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỉ ống cố định........................................8
Hình 1.6. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỉ ống di động.......................................9
Hình 1.7. Thiết bị trao đổi nhiệt hai vỏ...................................................................11
Hình 1.8. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm...............................................................12
Hình 1.9. Đồ thị nhiệt độ của 2 dịng xi chiều và ngược chiều............................14
Hình 1.10. Đồ thị hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt với 2 lưu thể song song.......17
Hình 1.11. Đồ thị hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với 2,4,6...lối......17
Hình 1.12. Đồ thị hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt với 2 lưu thể chéo dịng......17
Hình 2.1. Ký hiệu các phần của thiết bị theo chuẩn TEMA....................................22
Hình 2.2. Một số thiết bị theo tiêu chuẩn TEMA....................................................23
Hình 2.3. Các kiểu liên kết bích 2 nửa của phần sau S............................................25
Hình 2.4. Liên kết phần sau S.................................................................................26

Hình 3.1. Trình tự các bước tính tốn.....................................................................35
Hình 3.2. Các phần đầu thiết bị theo TEMA...........................................................36
Hình 3.3. Các loại vỏ thiết bị theo TEMA..............................................................37
Hình 3.4. Các phần sau thiết bị theo TEMA...........................................................38
Hình 3.5. Đồ thị mối quan hệ ε = f(R,S) đối với 1 vỏ từ 2 lối trở lên [2,657].........48
Hình 3.6. Các kiểu sắp xếp ống trong thiết bị.........................................................53
Hình 3.7. Cách chia số lối lưu thể...........................................................................55
Hình 3.8. Khoảng cách thân vỏ - bó ống [2,646]....................................................58
Hình 3.9. Các loại vách ngăn..................................................................................60
Hình 3.10. Tấm lưới cố định ống Rod baffle..........................................................60
Hình 3.11. Dịng chảy ngồi ống qua các vách ngăn kích thước khác nhau............61
Hình 3.12. Hệ số jh phía trong ống [2,665].............................................................64


Hình 3.13. Dịng lưu thể hơi ngưng tụ trong ống nằm ngang..................................65
Hình 3.14. Mơ hình chuyển động của lưu thể trong ống nằm ngang.......................66
Hình 3.15. Mối liên hệ giữa hệ số cấp nhiệt  với các chuẩn số Re, Pr [2,712]....68
Hình 3.16. Hệ số jh ngồi ống [2,673].....................................................................70
Hình 3.17. Hệ số jf trong ống [2,668].....................................................................76
Hình 3.18. Hệ số jf ngồi ống [2,674].....................................................................78


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 công
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 quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lưu thể
thông 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 : Hồng Anh Dũng – Máy hóa K56

1


giữa hai chất, làm cho các chất được tinh khiết, an tồn; do đó được sử dụng rộng
rãi trong mọi công 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, dịng 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 ngồi 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).


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 ngồi từ dưới lên cịn 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.


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.


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 cơng 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.


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 khơng khí trong phịng lạnh bằng tác nhân bay hơi trong ống, hay
bằng dung dịch muối đã được làm lạnh chảy trong ống.


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 vng, hệ số truyền nhiệt lớn. Bởi vậy
loại thiết bị này được ứng dụng rất rộng rãi trong cơng 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


ống và hai không gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp(gọi là không gian trong
ống).Trong mỗi không 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 thông với không 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:


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 tròn 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


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. Ngoài 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 tốn 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 khơng gian giữa hai vỏ và không gian ở trong vỏ trong; trong mỗi
khơng gian như vậy có một chất tải nhiệt. Quá 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 quá trình trao đổi


nhiệt, ta có thểlắp cánh khuấy cho dung dịch ở trong vỏ trong. Quá 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 ngồi 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

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 vịng 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 với
ống vít ép. Trên mỗi tấm truyền nhiệt cịn được tạo rãnh cho đệm kín. Rãnh có dạng


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 không 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
công 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 = K.F.∆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/m2˚C

F:Bề mặt rao đổi nhiệt, m2

∆Ttb: Hiệu số nhiệt độ trung bình, ˚C.
Do đó, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
F=

Q
K .DTtb

(1.2)


Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit đối với
ngược chiều

trường hợp lưu thể xi hoặc

được tính như sau: [6,391]
T  t1  t2
tb
t
ln 1
t2

(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 Tính tốn theo NTU

Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt được xác định như sau: [6,399]
Q
 Qmax

Trong đó:
Q : Nhiệtlưu thể nóng truyền cho lưu thể lạnh trong thiết bị ở điều kiện
thực thế.
Qmax : Nhiệt cực đại mà lưu thể nóng có thể truyền cho lưu thể lạnh ở
điều kiện lý tưởng. Điều kiện lý tưởng ở đây là điều kiện các lưu thể

(1.4)


chuyển động ngược chiều và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt vơ cùng
lớn, F → ∞.
Giá trị Q có thể được tính từ phương trình cân bằng nhiệt: [6,400]
Q = G1.Cp1.(t1 – t1’) = G2.Cp2.(t2’ – t2)

(1.5)

Trong đó:
Q

: Nhiệt lưu thể nóng truyền cho lưu thể lạnh,W

G1,G2

: Lưu lượng của lưu thể nóng và lạnh, kg/s

Cp1,Cp2 : Nhiệt dung riêng của lưu thể nóng và lạnh, J/kg.K

t1,t1’

: Nhiệt độ vào, ra của lưu thể nóng, K

t2,t2’

: Nhiệt độ vào,ra của lưu thểlạnh, K

Nếu đặt C = G.Cp, W/K, thì phương trình cân bằng nhiệt:
Q  C1.(t1  t1 )  C2 .(t 2  t 2 )
 C1.t1

(1.6)

= C2.t2

Hoặc tính theo hiệu số nhiệt độ trung bình:Q = K.F.∆Ttb
Để xác định nhiệt cực đại Qmax, khi hai lưu thể chảy song song ngược chiều
và F → ∞ thì t xét hai trường hợp:
- Khi C1> C2 ∆t1 < ∆t2
Lưu thể có C nhỏ hơn sẽ có sự biến thiên nhiệt độ lớn hơn và khi đó, nhiệt độ
ra của lưu thể lạnh (2) bằng nhiệt độ vào của lưu thể nóng (1), tức là t 2’ = t1.
- Khi C1< C2 ∆t1 > ∆t2
Lưu thể có C nhỏ hơn sẽ có sự biến thiên nhiệt độ lớn hơn và khi đó, nhiệt độ
ra của lưu thể nóng (1) bằng nhiệt độ vào của lưu thể lạnh (2), tức là t 2 = t1’.
Do đó nhiệt cực đại
Q

C1.(t1  t1 ')  C1.(t1  t2 ) khi C1  C2
 C .(t ' t )  C .(t  t ) khi C  C

2
1
2
1
2
 2 2 2

ma
x

Tức là Qmax = Cmin (t1 – t2), với Cmin = min(C1, C2)
Khi đó hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt được tính như sau:

Q

Q

max



K.F. tb  NTU Ttb
T
C .(t  t )
tt
min

1

2

1

(1.7)
2

Với NTU  K.F gọi là số đơn vị truyền nhiệt (Number of transfer unit)