Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là loại thiết bị truyền nhiệt có diện tích trao đổi rất lớn, có thể tới hàng trăm mét vuông, hệ số trao đổi nhiệt cao. Bởi vậy nó được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ hóa chất và thực phẩm .
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Khoa Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình Thiết bị • ĐặngMơn Phương họcQuang Cơ sở tính tốn1512632 thiết kế thiết bị hóa chất THÀNH VIÊN NHĨM • Phạm Văn Sang 1512801 • Nguyễn Hồng Hà 1510869 • Trần Ngọc Phương Trinh 1513643 • Nguyễn Thị Lệ 1511717 • Phạm Thị Huệ 1511203 • Lưu Khả Uyên 1513985 • Trương Thị Ngọc Linh 1511786 • Nguyễn Thị Út 1514187 Đề tài: THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ Trần Liểu Quỳnh 1512766 • TRUYỀN Nguyễn Thanh DuyNHIỆT ỐNG 1510483 CHÙM THEO TIÊU CHUẨN ANH PD 5500 • Năm học 2017-2018 NHĨM Trang MỤC LỤCC LỤC LỤCC THÀNH VIÊN NHÓM .2 MỤC LỤC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG CHÙM 2.1 Giới thiệu 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.3 Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 2.4 Các phận thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm .7 2.4.1 Ống trao đổi nhiệt .7 2.4.2 Mặt sàng ống 2.4.3.Vỏ cửa lưu chất vào 2.4.4 Nắp .8 2.4.5 Tấm chia khoang 2.4.6 Vách ngăn 2.5 Ứng dụng thiết bị truyền nhiệt ống chùm 10 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 10 3.1 Tiêu chuẩn Anh (PD5500) sơ lược TEMA 10 3.2 Trình tự thiết kế 11 THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ .12 THÔNG SỐ THIẾT KẾ .14 TÍNH TỐN CƠ KHÍ .14 6.1.Thân thiết bị .14 6.2 Đáy nắp thiết bị 15 6.3 Mặt bích 16 6.4 Vỉ ống 18 6.5 Bệ đỡ .20 NHÓM Trang KẾT LUẬN 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 NHÓM Trang THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT TRAO ĐỔI NHIỆTI NHIỆTT Thiết bị trao đổi nhiệt phương tiện để tiến hành trình trao đổi nhiệt chất tải nhiệt có nhiệt độ khác Căn theo phương pháp làm việc người ta chia làm loại thiết bị sau: ● Loại gián tiếp: Nhiệt truyền từ chất tải nhiệt tới chất tải nhiệt khác qua bề mặt phân cách ( bề mặt truyền nhiệt ): -Loại có vỏ bọc -Loại ống -Loại -Loại xoắn ốc -Loại ống gân ● Loại trực tiếp (hỗn hợp): Hai chất tải nhiệt tiếp xúc với ● Một số loại ống trao đổi nhiệt THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT TRAO ĐỔI NHIỆTI NHIỆTT ỐNG CHÙMNG CHÙM 2.1 Giới thiệui thiệuu Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm loại thiết bị truyền nhiệt có diện tích trao đổi lớn, tới hàng trăm mét vuông, hệ số trao đổi nhiệt cao Bởi sử dụng rộng rãi cơng nghệ hóa chất thực phẩm Các thiết bị truyền nhiệt ống chùm thường có cấu tạo gồm chùm ống lắp vào vỉ ống bọc ngồi vỏ hình trụ, hai đầu có nắp đậy Trong thiết bị có hai khơng gian riêng biệt: không gian gồm khoảng trống bên vỏ không bị ống chiếm chỗ (khoảng không gian vỉ ống) không gian gồm phần rỗng ống hai không gian giới hạn vỉ ống với nắp (khơng gian ống) Trong khơng gian có lưu thể chuyển động, chúng trao đổi nhiệt với qua thành ống truyền nhiệt Nếu vào vị trí chúng chia thành loại : ống chùm nằm ngang, thẳng đứng hay nằm ngiêng Nhưng dựa vào kết cấu cụ thể ta chia làm loại sau : loại nắp cứng loại nắp mềm NHÓM Trang 2.2 Nguyên lý hoạt độngt độngng Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp hai lưu thể chuyển động bên bên ống trao đổi nhiệt Để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta tạo chiều chuyển động lưu thể ngồi ống theo phương vng góc chéo dịng Để phân phối lưu thể ống người ta tạo hai khoang để phân phối lưu chất ống khác nhau.Lưu chất chảy ống chứa vỏ trụ lưu chất chảy lịng ống chứa khoang đầu lịng ống.Tồn bó ống đặt vỏ trụ S đ minh họa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ốnga nguyên lý hoạt độngt độngng tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ốngng quát thiết bị trao đổi nhiệt ốngt bị trao đổi nhiệt ống trao quát thiết bị trao đổi nhiệt ốngi nhiệut ốngng chùm 2.3 Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùmu tạt độngo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùma thiết bị trao đổi nhiệt ốngt bị trao đổi nhiệt ống trao quát thiết bị trao đổi nhiệt ốngi nhiệut ốngng chùm Các thiết bị truyền nhiệt ống chùm thường có cấu tạo gồm chùm ống lắp vào vỉ ống bọc vỏ hình trụ, hai đầu có nắp đậy Trong thiết bị có hai khơng gian riêng biệt: khơng gian gồm khoảng trống bên vỏ không bị ống chiếm chỗ (khoảng không gian vỉ ống) không gian gồm phần rỗng ống hai không gian giới hạn vỉ ống với nắp (không gian ống) Trong khơng gian có lưu thể chuyển động, chúng trao đổi nhiệt với qua thành ống truyền nhiệt NHÓM Trang Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 2.4 Các bộng phận thiết bị trao đổi nhiệt ống chùmn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùma thiết bị trao đổi nhiệt ốngt bị trao đổi nhiệt ống trao quát thiết bị trao đổi nhiệt ốngi nhiệut ốngng chùm 2.4.1 ỐNG CHÙMng trao quát thiết bị trao đổi nhiệt ốngi nhiệut Là phận quan trọng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, bề mặt chúng bề mặt truyền nhiệt hai lưu thể ống Các ống trao đổi nhiệt gắn vào vỉ ống phương pháp nong hay hàn Ống trao đổi nhiệt thường đồng thép hợp kim 2.4.2 Mặt sàng ốngt sàng ốngng Mặt sàng ống Mặt sàng ống kép Các ống định vị cố định nhờ gắn chặt vào lỗ mặt sàng Ống gắn mặt sàng phương pháp làm biến dạng ống (nong ống) phương pháp hàn tùy theo dạng vật liệu chế tạo ống mặt sàng, điều kiện hoạt động thiết bị NHÓM Trang Mặt sàng ống thường kim loại phẳng hình trịn, khoan lỗ theo kiểu bố trí thích hợp soi rãnh để cố định ống, lắp mặt đệm, bulong mặt bích 2.4.3.Vỏ cửa lưu chất vào cửa lưu chất vào raa lưu chất vào rau chấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùmt vào Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm phận chứa lưu chất bên ống trao đổi nhiệt Cửa lưu chất nơi đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngồi ống vào khỏi thiết bị, chúng thường có tiết diện tròn chế tạo từ thép Tại cửa vào lưu chất, thường có chắn dịng đặt sát cửa vào Mục đích: chuyển hướng chuyển động dịng lưu thể vào có vận tốc lớn ảnh hưởng đến phần đầu ống trao đổi nhiệt Tiết diện vỏ sơ đồ bố trí tâm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm 2.4.4 Nắpp Nắp thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm hình trịn (có thể chỏm cầu) lắp với mặt bích khoang đầu bu long.Nắp tháo dễ dàng để kiểm tra ống trao đổi nhiệt vệ sinh bảo dưỡng thiết bị định kỳ mà không làm ảnh hưởng tới chất lượng chùm ống 2.4.5 Tấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùmm chia khoang Khi thiết bị dùng ngăn trở lên ta dùng ống chia khoang Yêu cầu: đảm bảo số lượng ống khoang để giảm thiểu chênh lệch áp khoang (giảm tượng rò rỉ), đảm bảo bề mặt chịu nén thích hợp lắp đặt vịng đệm, khơng q gây khó khăn cho việc chế tạo khơng làm ảnh hưởng đến chi phí chế tạo,vận hành bảo dưỡng Một số dạng chia khoang tiêu biểu: NHÓM Trang Một số loại chia khoang 2.4.6 Vách ngăn Chức năng: - Tạo cấu để định vị ống trao đổi nhiệt vị trí thích hợp lắp đặt vận hành, giữ cho bó ống khơng bị rung chuyển động xoáy lưu chất - Định hướng chuyển động lưu chất phía ngồi ống truyền nhiệt qua lại theo phương vng góc với chùm ống làm tăng vận tốc chuyển động lưu chất hệ số truyền nhiệt Hình dạng chủ yếu hình viên phân Một số kiểu hình dạng cách bố trí vách ngăn, chùm ống thơng dụng ( dạng hình viên phân đơn ) NHÓM Trang Kiểu vách ngăn, cách bố trí vách ngăn chùm ống làm thay đổi tốc độ cục hướng dịng chảy ngồi ống Một số sơ đồ dòng chảy tương ứng với kiểu cách bố trí vách ngăn thơng dụng minh họa hình vẽ sau: Dịng chảy vách ngăn 2.5 Ứng dụng thiết bị truyền nhiệt ống chùmng dụng thiết bị truyền nhiệt ống chùmng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùma thiết bị trao đổi nhiệt ốngt bị trao đổi nhiệt ống truyền nhiệt ống chùmn nhiệut ốngng chùm - Thiết bị tiến hành đun nóng,làm nguội ngưng tụ dùng phổ biến cơng nghiệp hóa chất,thực phẩm -Dùng cho sấy điều hịa khơng khí, máy lạnh công nghiệp, làm lạnh nhanh bia, làm mát bia… TIÊU CHUẨN THIẾT KẾN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTT KẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 3.1 Tiêu chuẩn Anh (PD5500) sơ lược TEMAn Anh (PD5500) s lưu chất vào raợc TEMAc vền nhiệt ống chùm TEMA - PD5500 tiêu chuẩn cung cấp British Standard Institute (BSI) Tiêu chuẩn thành lập năm 1901 với 73 sở 28 quốc gia Cung cấp dịch vụ đánh giá tiêu chuẩn, thử nghiệm, chứng nhận đào tạo - Ở Anh thiết bị thông thường sử dụng công nghiệp ngành cơng nghiệp hóa chất thiết kế chế tạo theo tiêu chuẩn NHÓM 10 Trang - Sơ lược TEMA( Tubular Exchanger Manufacturers Association ): ● TEMA hiệp hội thương mại nhà sản xuất hàng đầu trao đổi vỏ ống thiết bị trao đổi nhiệt, thành lập vào năm 1939, TEMA phát triển thành nhóm cơng ty thành viên Các tiêu chuẩn TEMA đạt chấp nhận toàn giới thẩm quyền thiết kế khí vỏ ống thiết bị trao đổi nhiệt ● Chín phiên tiêu chuẩn TEMA công bố, ngày cập nhật diễn biến công nghệ Trong khảo sát ý kiến người mua tiêu chuẩn TEMA, 97% đánh giá tiêu chuẩn TEMA "Good of excellent" ● Những tiêu chí đảm bảo mức cao chuyên môn kỹ thuật, mang đến cho thành viên TEMA lợi thiết kế chế tạo trao đổi nhiệt Logo: Con dấu: NHÓM 11 Trang 3.2 Trình tự thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ốngt kết bị trao đổi nhiệt ống Sơ đồ: Chọn thơng số Tính bền cho thân theo cơng thức : NHĨM 12 Trang Tính bền cho đáy-nắp theo cơng thức : Tính mặt bích Tính vỉ ống theo cơng thức : e =C Tính bệ đỡ Kiểm tra áp suất làm việc cho phép tối đa No Yes Kết luận bề dày cho phép THÔNG SỐNG CHÙM CƠNG NGHỆT - Dịng cồn vào: t1=78,20C Ngưng tụ lượng cồn thành lỏng nhiệt độ ngưng t = 78,2 C ( Vì ẩn nhiệt ngưng tụ ) -Áp suất vào thiết bị 1,5 at - Diện tích bề mặt truyền nhiệt F=37,46m -Chọn ống truyền nhiệt tiêu chuẩn dài L= 2200 mm, đường kính ∅ 25 ×2,5 mm ● Số ống truyền nhiệt NHÓM 13 Trang ( ống ) Kết quả tính n = 241 ống Tra bảng V.11 trang 48 “Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất” tập II, sau: ✔ Tổng số ống: n = 241 ống ✔ Xếp ống theo hình cạnh Số ống đường xuyên tâm hình cạnh: b = 17 ống -Đường kính thiết bị: Dtr= t(b-1)+4d = 0,03(17-1)+4x0,025 = 0,58 ( m ) đó, b = 17 ống D: đường kính ngồi ống truyền nhiệt, D = 0,025m; t: bước ống, thường chọn t = (1,2 1,5)D Chọn: t = 1,2D = 1,2×0,025 = 0,03m ❖ KẾT LUẬN: Chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, đặt nằm ngang có đường kính = 0,6m Số ống truyền nhiệt n = 241 ống, ống xếp theo hình sáu cạnh Số ngăn thiết bị m = ngăn ( Tác nhân làm lạnh nước lạnh cơng nghiệp, có nhiệt độ đầu vào t = 30 C, thông thường nhiệt độ đầu t = 45 C) NHĨM 14 Trang THƠNG SỐNG CHÙM THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTT KẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT - Thiết bị truyền nhiệt ống chùm nằm ngang, ống truyền nhiệt tiêu chuẩn ∅ 25 ×2,5 mm làm vật liệu thép 304 - Chọn ống truyền nhiệt dài L = 2,2m - Bề mặt truyền nhiệt F=37,46 m2 - Đường kính thiết bị D = 0,6 m - Áp suất vào thiết bị 1,5 at Áp suất thiết kế lấy thêm 10% so với áp suất vận hành: = 1,5 + 1,5x10% = 1,65 at -Nhiệt độ thiết kế 78,2°C TÍNH TỐN CƠ KHÍ KHÍ 6.1.Thân thiết bị trao đổi nhiệt ốngt bị trao đổi nhiệt ống ● Chuyển đổi đơn vị tra chọn thông số - Thiết bị hình trụ - Đường kính trong: Di = 0,6m = 600mm - Áp suất thiết kế: P = 1,65at =0,167 MPa - Nhiệt độ thiết kế: T = 78,20C ≈ 1730F - Vật liệu chế tạo: thép 304, tra Bảng PL3.23, 24, Phụ lục 3, trang 266- Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực –Nguyễn Hữu Hiếu - Ứng suất cực đại cho phép: f = 16,7×103 psi ≈ 115 MPa - Chọn phương pháp hàn giáp mối phía có kiểm tra tia X mức độ điểm, tra Bảng PL4, Phụ lục 4, hệ số bền mối hàn: J = 0,8 NHÓM 15 Trang - Bề dày tối thiểu yêu cầu thân thiết bị: e= P Di 0,167 ×600 = =0,545 mm fJ−P ×115 × 0,8−0,167 - Bề dày tối thiểu cần chế tạo để thiết bị hoạt động: e =0,545+2=2,545mm - Vậy cần chọn thép 304 có bề dày 3mm để chế tạo thiết bị 6.2 Đáy nắpp thiết bị trao đổi nhiệt ốngt bị trao đổi nhiệt ống -Chọn đáy, nắp elip ghép với thân mối ghép bích ● Chuyển đổi đơn vị tra chọn thông số - Thiết bị hình trụ - Đường kính trong: Dtr = 0,6m = 600mm - Áp suất thiết kế: P = 1,65at=0,167 MPa - Nhiệt độ thiết kế: T = 78,20C ≈ 1730F - Vật liệu chế tạo: thép 304, tra Bảng PL3.23, 24, Phụ lục 3, trang 266- Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực –Nguyễn Hữu Hiếu -Ứng suất cực đại cho phép: f = 16,7×103 psi ≈ 115 MPa NHÓM 16 Trang - Chọn phương pháp hàn giáp mối phía có kiểm tra tia X mức độ điểm, tra Bảng PL4, Phụ lục 4, hệ số bền mối hàn: J = 0,8 - Bề dày tối thiểu yêu cầu đáy nắp: e= P Di 0,167 × 600 = =0,544 mm fJ−0.2 P 2× 115 ×0,8−0,2 ×0,167 - Bề dày tối thiểu cần chế tạo để thiết bị hoạt động: e =0,544+2=2,544 mm - Vậy cần chọn thép 304 có bề dày 3mm để chế tạo Đáy nắp Thông số đáy tháp nắp (Tra ‘‘Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất ’’ tập trang 382 bảng XIII) Thông số Giá trị Đường kính thiết bị Dt = 600mm Bán kính đáy nắp Rt = 300mm Chiều cao đáy ht = 150mm Chiều cao gờ h = 50mm 6.3 Mặt sàng ốngt bích Sử dụng kiểu bích liền có cổ: bích liền ngồi kiểu (“Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất” tập trang 471) NHÓM 17 Trang Bảng giá trị thơng số mặt bích (Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập trang 471 bảng XVII ) Đường kính Bu long Dt D Db D1 D0 db Z h H S1 mm Mm mm mm mm mm mm mm mm 600 750 700 660 613 M24 20 28 50 NHÓM 18 Kích thước ống nối Trang 6.4 Vỉ ống ốngng -Chọn vỉ ống loại phẳng tròn,lắp cứng với thân thiết bị.Vỉ ống phải giữ chặt ống truyền nhiệt bền tác dụng ứng suất -Dạng vỉ ống giữ nguyên sau nong - Vật liệu chế tạo thép khơng gỉ OX18H10T -Nhiệt độ tính tốn vỉ ống t ¿ 78,2° C=173 ° F ¿ -Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn vật liệu nhiệt độ t ¿ 78,2° C [ σ ] =123 N /mm2 (hình 1.2 tính tốn thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí-Hồ Lê Viên).Chọn hệ số hiệu chỉnh η=1 ¿ → ứng suất uốn cho phép vật liệu t = 78,2 ° C [ σ ]=¿ η × [ σ ] =¿ 1×123=123 N /mm2 ❖ Tính tốn : -Bề dày tối thiểu vỉ ống cần tính theo công thức 11.3 trang 122 Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực –Nguyễn Hữu Hiếu : e = C × D × √ ❑ (mm) Với : - C :hệ số thiết kế Với đáy-nắp phẳng ghép vào thân bulong với vịng đệm có bề mặt phủ đầy ,chon C= 0,4 -D : đường kính vỉ đường kính vịng bu long D= 750 mm - P : áp suất thiết kế ống P = 1,67 Mpa = 0,1617 N /mm2 - f =[ σ ] : ứng suất uốn cho phép vật liệu t= 78,2 ° C f = 123 N /mm2 - λ hệ số ràng buộc λ= p−d 30−20 = =0,33 (với p bước lỗ, d đường kính ống) p 30 Kết quả e = 0,4 ×750 × √❑= 19,24 mm ❖ Kiểm tra: So sánh với bảng “ Bề dày vỉ ống tối thiểu tham khảo theo đường kính ngồi ống ’’ Trang 123- Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực- Nguyễn Hữu Hiếu NHÓM 19 Trang Do chọn ống truyền nhiệt ∅ 25 ×2,5 mm (có đường kính ngồi 25 mm) nên theo bảng trên, bề dày vỉ ống tối thiểu tham khảo= 0,75x25 =18,75 (mm) Bề dày thiết kế vỉ ống tính tốn chọn phải lớn bề dày vỉ ống tối thiểu tham khảo ( 18,75 mm ) ⮚ Bề dày vỉ ống e= 19,24 mm tính đạt yêu cầu.( > 18,75 mm ) Vậy bề dày tối thiểu vỉ ống 19,24 mm 6.5 Bệu đỡ Với thiết bị dạng trụ nằm ngang, lựa chọn bệ đỡ n ngựa chế tạo thép, góc biên khơng nhỏ 1200 thường không lớn 1500 Bảng kích thước bệ đỡ yên ngựa chuẩn thép thiết bị có đường kính lên đến 1,2m (Trang 91-Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực-Nguyễn Hữu Hiếu) NHÓM 20 Trang