Tài liệu 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 toán thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp ..................... 15 1.3.1 Tính toán theo hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ∆Ttb ............................ 15 1.3.2. Phương pháp Kern ....................................................................................... 16 Các bước tính toán ................................................................................................. 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 Công – 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 TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG CHÙM ....................................................................................................................................... 30 3.1 Trình tự tính toán .............................................................................................. 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 toán 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 ngoài 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 toán cơ khí ........................................................................ 76 SV : Phạm Thành Công – 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 Công – 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 toán 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 toán thiết bị truyền nhiệt c) Giới thiệt tiêu chuẩn TEMA d) Tính toán cụ thể thiết bị theo đề bài Trình bày bản vẽ khổ A0 với các kích thước đã tính toán 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 công nghiệp đặc biệt là trong công 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 dòng công nghệ ở giá trị thích hợp. Bởi trong công 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 quá trình đun nóng, làm nguội hoặc làm lạnh. Ngoài ra, thiết bị trao đổi nhiệt còn góp phần trực tiếp hoặc gián tiếp giảm chi phí vận hành của nhà máy nhờ khả năng tận dụng nhiệt thừa từ các quá trình công nghệ, từ đó giảm tiêu hao năng lượng chung của toàn nhà máy. Thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò lớn như vậy nên để tính toán, 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 toán, 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 còn 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 cô 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 trò quan trọng trong các quá 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 : Phạm Thành Công – 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 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, dòng lưu thể nóng truyền nhiệt cho dòng 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 thông với ống ngoài 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 Công – 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, còn lưu thể G2 đi ngoài ống. SV : Phạm Thành Công – 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, nhôm, 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 nhôm hay ống thép có kích thước đã được tiêu chuẩn hóa. SV : Phạm Thành Công – 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 vòng 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 ngoài nhỏ. SV : Phạm Thành Công – 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 hòa không 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 không. Lưu thể chảy bọc ngoài ống có thể là không 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 phòng lạnh bằng tác nhân bay hơi trong ống, hay bằng dung dịch muối đã được làm lạnh chảy trong ống. SV : Phạm Thành Công – 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 ngoài 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 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. 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 mòn, 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 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 chiếm chỗ (gọi là khoảng không gian giữa các ống), và không gian gồm các phần rỗng ở trong các SV : Phạm Thành Công – 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 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: 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 ngoài 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 tròn, 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 quá trình gia công, cần phải đảm bảo mối nối giữa ống và vỉ ống kín, tránh rò rỉ. Vỉ ông 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 không bị rung động do sự chuyển động của lưu thể. Ngoài ra, vách ngăn còn định hướng chuyển động lưu thể phía ngoài ống chuyển động qua lại theo phương vuông 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 tròn 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 ngoài lắp ghép với nhau tạo thành một không gian giữa hai vỏ và không gian ở trong vỏ trong; trong mỗi không 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 SV : Phạm Thành Công – 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. 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 không 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. Ngoài ra còn có cửa xả khí không 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 không có thể là loại tuye, pittông, chân không vòng nước. Muốn quan sát quá trình sôi 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 Công – Máy hóa K60 13 Đồ án chuyên 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 không 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 còn được tạo rãnh cho đệm kín. Rãnh có dạng SV : Phạm Thành Công – 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 vòng đệm kín được dán vào rãnh, của mỗi tấm bằng keo phù hợp với nhiệt độ, áp suất và tính chất của lưu thể. Vòng 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 vòng 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 hòa không 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 toán thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp 1.3.1 Tính toán 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 Công – Máy hóa K60 15