Tiểu luận thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

I.Các thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp:Dựa vào cấu tạo của bề mặt truyền nhiệt ta có thể chia thiết bị truyền nhiệt gián tiếp thành các loại chính sau đây: - Chiều cao của vỏ ngoài khôn

I.Các thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp:

Dựa vào cấu tạo của bề mặt truyền nhiệt ta có thể chia thiết bị truyền nhiệt gián tiếp thành các loại chính sau đây:

- Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị

Hình1: Thiết bị truyền nhiệt loại có vỏ bọc1.Thiết bị 2 Vỏ bọc 3.Mặt bích

- Khi cần làm việc ở áp suất cao thì vỏ bọc ngoài cần có cấu tạo đặc biệt

Hình 3: Sơ đồ kết cấu của thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài làm việc ở

áp cao

1 Vỏ thiết bị 2.Bỏ bọc ngoài

Vỏ bọc (2) là tấm thép có khoét nhiều lỗ, các lỗ này hàn lền vào vỏ (1)

Thiết bị truyền nhiệt qua vỏ thiết bị còn có loại khác như thiết bị có ống xoắnlên ngoài vỏ(hình 3), để truyền nhiệt từ ống xoắn vào vỏ thiết bị được, ta lót thêm miếng lót 3 bằng kim loại để tăng bề mặt tiếp xúc(hình 3.a) hoặc đúc ống xoắn vào trong vỏ thiết bị (hình 3.d) loại này có áo suất làm việc trog

ống xoắn lên đến 250at Đôi khi ống xoắn thường được bổ đôi rồi hàn vào vỏthiết bị(hình 3.b), hoặc là là thép góc hàn vào vỏ thiết bị(hình 3.c), các loại này áp suất làm việc của hơi trong ống xoắn thường tới 60at

b) Nguyên lý:

- Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị

- Bề mặt truyền nhiệt không lớn quá 10m2, và áp suất làm việc của hơi đốt không quá 10 at

- Đặt cánh khuấy để tăng tốc độ tuần hoàn

- Khi cần làm việc ở áp suất cao thì vỏ bọc ngoài cần phải có cấu tạo đặc biệt(áp suất làm việc ở đây có thể đến 75 at)

c) Ưu, nhược điểm

• Ưu điểm

- Chế tạo đơn giản, dễ vận hành

- Dễ bảo dưỡng sửa chữa

• Nhược điểm:

-Hệ số truyền nhiệt không cao

-Thiết bị cồng kềnh

2.Thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm:

a) Cấu tạo:

- Bề mặt truyền nhiệt làm bằng các tấm kim loại

- Các khe giữa các tấm tạo thành hai hệ thống không thông với nhau

b) Hoạt động:

- Hai dòng lưu chất nóng và lạnh chảy xen kẽ với nhau giữa các tấm, các tấm này được dập rãnh để tạo nên dòng chảy rối cho hai lưu chất nhằm đạt được năng suất trao đổi nhiệt lớn nhất

- Được dùng để trao đổi nhiệt ở áp suất thường, chủ yếu là để đốt nóng không khí bằng khói lò.

- Dùng để trao đổi nhiệt giữa các khí trong hệ thống lạnh thâm độ

c) Ưu, nhược điểm:

• Ưu điểm:

- Gọn, tốc độ trao đổi nhiệt hai phía đều lớn

• Nhược điểm:

- Không làm việc được ở áp suất cao, khó ghép kín

3) Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống xoắn ốc:

a) Cấu tạo:

-Loại này bề mặt truyền nhiệt làm bằng những tấm kim loại cuốn theo dạng xoắn ốc.Thiết bị gồm 2 tấm kim loại 1 và 2,đầu trong của hai tấm kim loại này được hàn vào tấm ngăn 3,giữa hai tấm 1 và 2 tạo thành một khe có tiết

diện hình chữa nhật,chữa tải nhiệt sẽ đi trong các khe đó.Hai đầu thiết bị

được ghép kín

b) Ưu, nhược điểm

• Thiết bị truyền nhiệt kiểu xoắn ốc có ưu điểm là gọn và có vận tốc

lớn,hai chất tải nhiệt có thể chuyển động ngược chiều nhau hoàn

toàn,trở lực thủy lực nhỏ hơn trong ống chùm

• Nhược điểm là chế tạo và sửa chữa phức tạp,không làm việc ở áp suất cao trên 6at (cấu tạo đặc biệt có thể làm việc được ở 10at )

4) Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp loại ống có gân:

a) Cấu tạo:

Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân thường có 2 kiểu: gân dọc 1 và gân ngang 2 Đôi khi truyền nhiệt giữa 2 chất khí, nghĩa là α1 và α2 đều nhỏ, người ta cấu tạo gân ở cả 2 bên, trường hợp này gân thường có dạng hình

kim 3 gọi là thiết bị truyền nhiệt hình kim

b) Hoạt động:

- Khi truyền nhiệt giữa 2 chất tải nhiệt mà hệ số cấp nhiệt một phía thì rất nhỏ

so với phía kia, ta cần tăng bề mặt truyền nhiệt ở phía có α nhỏ để tang hiệu quả truyền nhiệt bằng cách them các gân lên bề mặt truyền nhiệt

- Khi đun nóng không khí hoặc khí bằng hơi nước bão hòa thì hệ số cấp nhiệt

từ hơi đến bề mặt truyền nhiệt α1 11600W/m2.độ, còn từ bề mặt ra không

khí α2 5,7 -58W/m2.độ nghĩa là α2<<α1, khi đó ta phải gắn gân ở phía α2: thiết bị như vậy gọi là thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân Cách bố trí gân cũng phải chú ý chiều chuyền động của khí để khí có thể đi sâu vào giữa các gân, gân phải làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt

5) Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp loại ống:

5.1)Thiết bị ống xoắn ruột gà

a) Cấu tạo:

- Bộ phận quan trọng nhất của thiết bị là các ống được uốn thành hìnhrenốc được gọi là ống xoắn ruột gà Các ống này được giữ bằng các nẹp giữ ống.- Đường kính của ống xoắn ruột gà thường không quá 100 mm

- Ốn g 2 có tá c dụng g iả m dung tích của th iết b ị đ ể tăng vậ n

tố c của lưu thể chuyển động bên ngoài ống xoắn ruột gà

b) Nguyên lý hoạt động:

Một lưu thể đi bên trong ống xoắn và một lưu thể đi bên ngoài ống xoắn.Hailưu thể có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều

Tốc độ chuyển độngcủa chất lỏng trong ống khoảng 0,5 đến 1 m/s.- Khi

mà yêu cầu bề mặt truyền nhiệt lớn, người ta thiết kế nhiều ống xoắn

songsong hoặc đồng tâm

c) Ưu điểm va nhược điểm :

•Ưu điểm:

+ Bề mặt truyền nhiệt

+Thiết kế đơn giản, có thể chế tạo bằng những vật liệu chống ăn mòn

+Dễ kiểm tra hoặc sửa chữa

•Nhược điểm:

+Thiết bị cồng kềnh

+Chế tạo ống xoắn khó khăn

+Khó làm sạch bên trong ống xoắn

+Trở lực thủy lực bên trong ống xoắn lớn

+Hệ số truyền nhiệt nhỏ vì hệ số cấp nhiệt bên ngoài ống nhỏ

5.2) Loại ống lưới:

- Loại này thường dùng để làm lạnh và ngưng tụ, chất lỏng phun bên ngoài thường là nước Nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ ống trên xuống ống dưới rồi chảy vào máng Trong trao đổi nhiệt sẽ có khoảng từ 1-2% lượng

nước đưa vào tưới bị bay hơi, khi bay hơi nó sẽ lấy một phần nhiệt từ chất tảinhiệt nóng ở trong ống do đó lượng nước dùng làm nguội ở thiết bị này ít

hơn so với các thiết bị làm nguội khác, mật độ nước tưới trong khoảng từ

200-1500 lít/h trên một mét chiều dài ống trên cùng của dãy.Lương nước

bay hơi có thể xác định:

G= Fψ(x2-x1) kg/hTrong đó: ψ là hệ số bay hơi, kg/m2h

F bề mặt bay hơi = bề mặt chuyền nhiệt

x2,x1hàm ẩn của không khí ở môi trường xung quanh và hàm ẩn của

kk bão hòa của nhiệt độ của nước chảy trên bề mạt ống truyền nhiệt.d) Cấu tạo:gồm máng tưới,ống truyền nhiệt,khuỷu nối,máng chứa nước và bích nối

e) Ưu điểm: lượng nước làm lạnh ít, cấu tạo đơn giản, dễ quan sát và làm sạch bên

ngoài ống và dễ sửa chữa thay thế

f) Nhược điểm: Cồng kềnh, lượng nước không tưới đều trên toàn bộ bề

mặt khi lượng nước

quá ít thì các ống dưới sẽ khô,hệ số cấp nhiệt phía ngoài ống được xác định:

α-hệ số cấp nệt phía ngoài của ốngC-nhiệt dung riêng chất lỏngU-mật độ tưới

5.3)Loại ống lồng ống:

a) Cấu tạo:

- gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau mỗi đoạn có hai ống lồng vào nhau

- Chất tải nhiệt l đi trong ống từ dưới lên còn chất tải nhiệt II đi trong ống ngoài từ trên xuống

- Khi năng suất lớn, đặt nhiều dãy làm việc song song

b) Hoạt động:

- Nước chuyển động ở ống bên trong, môi chất lạnh chuyển động ngược lại

ở phần không gian giữa các ống

c) Ưu, nhược điểm:

• Ưu điếm:

+ Hệ số truyền nhiệt lớn vì có thể tạo ra tốc độ lớn cho cả hai chất tải nhiệt.+ Cấu tạo độ đơn giản

-Ống trao đổi nhiệt

Thường được làm bằng đồng hoặc thép hợp kim

Bề mặt của ống trao đổi nhiệt chính là bề mặt truyền nhiệt giữa lưu thể

chảy bên trong ống và bên ngoài ống

Là một bộ phận chứa lưu chất phía ngoài ống trao đổi nhiệt.

Có tiết diện hình tròn, được chế tạo từ thép tấm

-Cửa lưu chất vào/ra

Là nơi đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngoài ống vào và ra khỏi thiết bị

-Tấm chắn dòng

Đặt ngay sát dưới cửa vào của lưu chất

Mục đích: chuyển hướng chuyển động của dòng lưu thể vào có vận tốc

lớn có thể ảnh hưởng tới phần đầu của ống trao đổi nhiệt

-Khoang đầu và đầu đưa chất lỏng vào/ra phía trong ống

Mục đích: kiểm soát dòng lưu chất chảy phía trong lòng ống

Thường được chế tạo bằng vật liệu hợp kim

-Tấm chia khoang

Tấm chia khoang được sử dụng khi thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thiết

kế với số khoang ống từ 2 trở lên

Phải đảm bảo: số lượng ống ở mỗi khoang là như nhau, đảm bảo bề mặt chịu nén thích hợp lắp đặt vòng đệm, không quá gây khó khăn cho việc

chế tạo và không làm ảnh hưởng nhiều đến chi phí chế tạo, vận hành và

bảo dưỡng

-Vách ngăn

Tạo thành cơ cấu để định vị ống trao đổi nhiệt ở vị trí thích hợp

khi lắp đặt cũng như khi vận hành và giữ cho bó ống không bị rung do sự chuyển động xoáy của lưu chất

Định hướng chuyển động của lưu chất phía ngoài ống chuyển động qua lạitheo phương vuông góc với chùm ống làm tăng vận tốc chuyển động của lưu chất và hệ số truyền nhiệt

b) Nguyên lý hoạt động

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt giántiếp giữa hai lưu thể chuyển động bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt.

Để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể trong và ngoài ống theo phương vuông góc hoặc chéo dòng

Để phân phối lưu thể trong và ngoài ống người ta tạo ra hai khoang để phânphối lưu chất trong và ngoài ống khác nhau.Lưu chất chảy ngoài ống được chứa trong vỏ trụ, còn lưu chất chảy trong lòng ống được chứa khoang đầu

và trong lòng ống.toàn bộ bó ống được đặt trong vỏ trụ

c) Ưu nhược điểm

•Ưu điểm

+ Kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn

+ 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 vật 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.

+ Có thể được chế tạo từ vât liệu là các loại kim loại, hợp kim cho tới cácvật liệu phi kim với bề mặt truyền nhiệt từ 0,1m2 đến 100.000m2

• Nhược điểm

+ Bề mặt trao đổi nhiệt tính trên một đơn vị thể tích của thiết bị thấp so với các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu mới, vì vậy, cùng một bề mặt trao đổi nhiệt như nhau, thiết bị troa đổi nhiệt kiểu ống chùm thường có kích

thước lớn hơn nhiều

 Cách bố trí ống trên lưới

 Chia ngăn trong thiết bị ống chùm.

• Khi cần tăng tốc độ của chất tải nhiệt để tăng hiệu quả truyền nhiệt, thường chia thiết bị ra làm nhiều ngăn

• Khi chia ngăn ngang đối với chất tải nhiệt đi ngoài ống, ngoài tác dụng tăng tốc độ còn có tác dụng làm cho chất tải nhiệt đi chéo góc với phương của trục ống truyền nhiệt

 Bù giãn nở

Thiết bị ống chùm khi ống

lắp chắc vào lưới ống đỡ ống chỉ làm việc ổn định khi hiệu số nhiệt độ giữa

vỏ thiết bị và ống không quá 500C, nếu vượt quá giới hạn này ống hoặc vỏ thiết bị biến dạng do sự giãn nở không đều nhau Vì vậy, khi thiết bị làm việc có sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa vỏ và ống thiết bị, ta cần cấu tạo thêm bộ phận bù giãn nở

II. Tính thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

Tính thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt nói chung và thiết bị ống chùm nói riêngđều gồm các bước chính sau: tính nhiệt, tính và kết cấu thiệt bị, tính bền các chi tiết, và tính tổn thất thủy lực

1) Tính nhiệt

Tính nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt là căn cứ vào các điều kiện cụ thể của quá trình trao đổi nhiệt như: lưu lượng, và các thông số nhiệt vật lí của các lưu thể,điều kiện nhiệt độ để xác định bề mặt trao đổi nhiệt trên cơ sở giải các phương trình cân bằng nhiệt

Khi tính nhiệt ta cần kết hợp với các phép tính về cấu tạo và thủy lực

♦ Trước hết ta chọn kiểu và các kích thước chính( như đường kính,chiều dài của vỏ thiết bị,đường kính của ống truyền nhiệt ).Việc chọn cấu tạo có ý nghĩa quan trọng vì nếu chọn phù hợp sẽ có giá trị kinh tế cao.Nghĩa là ta chọn cấu tạo sao cho đơn giản,dễ chế tạo,dễ lắp đặt và sửa chữa mà vẫn cócường độ trao đổi nhiệt cao giữa 2 lưu thể.Các kích thước chính như đường kính,chiều dài(hoặc chiều cao) của vỏ thiết bị nên dựa vào các tiêu chuẩn cho trước

- Khi xác định vị trí của các lưu thể ta cho lưu thể gây bám bẩn đi ở

không gian nào dễ dàng làm sạch bề mặt trao đổi nhiệt.Đối với thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm đều đễ dàng làm sạch bề mặt trong của các ống truyền nhiệt bằng cơ học(trừ loại ống hình chữ U)

- Vận tốc của các lưu thể chọn sao cho có cường độ trao đổi nhiệt cao nhưng không làm tăng nhiều tổn thất trở lực sẽ dẫn tới tốn công suất cho bom hay quạt vận chuyển lưu thể qua thiết bị Trong thực tế ta lấy vận tốc của chất lỏng v1 =0,5÷3 m/s; với các chất khí vk =8÷25 m/s ;còn với hơi nước nóng là vh=10m/s

♦ Tính lưu lượng của các lưu thể: Muốn tính lưu lượng của các lưu thể thamgia trao đổi nhiệt cho nhau,ta dựa vào công suất nhiệt và các phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị Tùy từng trường hợp cụ thể mà áp dụng

phương trình cân bằng nhiệt cho phù hợp Phương trình cân bằng nhiệt trong thực tế nói rằng: nhiệt lượng của lưu thể có nhiệt độ cao hơn mất đi đúng bằng nhiệt lượng mà lưu thể có nhiệt dộ thấp hơn thu được cộng với tổn thất nhiệt ra môi trường chung quanh(hoăc trừ đi nhiệt lượng từ bên ngoài xâm nhập vào thiết bị ,trường hơp này xảy ra khi làm lạnh vật thể)

♦ Xác định hiệu nhiệt độ trung bình của 2 lưu thể.Hiệu nhiệt độ trung bình

∆ttb giữa 2 lưu thể cũng được xác định tùy thuộc vào điều kiện cụ thể

Hình 1: Chiều chuyển động và sự thay đổi của nhiệt độ của các lưu thể trong thiết bị

Hình 1 thể hiện chiều chuyển động và sự thay đổi nhiệt độ của 2 lưu thểdọc theo bề mặt truyền nhiệt từ cửa vào đến cửa ra của 2 lưu thể trongtừng trường hợp.

+) Hình 1-a ứng với quá trình trao đổi nhiệt giữa 2 lưu thể cùng thay đổi pha trong đó lưu thể thứ nhất ngưng tụ ,lưu thể thứ 2 bay hơi

+) Nếu chỉ có lưu thể thứ nhất thay đổi trạng thái ta có đồ thị hình b

+) khi cả 2 lưu thể không thay đổi trạng thái và chuyển động cùng

chiều dọc theo bề mặt truyền nhiệt ta có hình 1-c

+)Hai lưu thể không thay đổi pha nhưng chuyển động ngược chiều ta

có hình 1-d

+) Hình 1-e là trường hợp 2 lưu thể chéo nhau

+) Hình 1-f là trường hợp 2 lưu thể chuyển động phức tạp(trong thiết

Trong đó :∆tL,∆tN là hiệu nhiệt độ lớn và nhỏ ở cửa vào và ra của các

lưu thể.Nếu trong quá trình trao đổi nhiệt mà nhiệt độ của các lưu thể

ít thay đổi dọc theo bề mặt truyền nhiệt ,nghĩa là < 2 thì ta có

thể tính gần đúng ∆ttbtheo công thức:

Muốn tính ∆ttbtrong trường hợp 2 lưu thể chảy chéo nhau (hình 1-e) và

chảy có chiều phức tạp (hình 1-f ) thì trước tiên ta vẫn tính hiệu nhiệt độ trung bình như đối với dòng ngược chiều (hình 1-d) theo công thức (1) rồi nhân với hệ số điều chỉnh Ψ.Hệ số Ψphụ thuộc vào hai thông số P và

R ; [Ψ=f(P,R)],tra theo đồ thị cho sẵn Muốn tra Ψ,ta phải tính P và R theo công thức:

Khi thiết kế và tính toán đối với thiết bị trao đổi nhiệt mà cả 2 lưu thể

không thay đổi pha thì việc chọn chiều chuyển động của chúng là rất

quan trọng đối với hiệu quả truyền nhiệt Hiệu nhiệt độ trung bình trong trường hợp dòng ngược chiều là lớn nhất và nhỏ nhất đối với dòng chảy xuôi chiều ,còn trong trường hợp dòng chéo nhau hoặc dòng phức tạp là trung bình trong 2 trường hợp trên

Nếu trong quá trình trao đổi nhiệt mà 1 hoặc 2 lưu thể thay đổi pha (có

nhiệt độ không đổi) thì chiều chuyển động của chúng không có ảnh

hưởng gì cả ,nghĩa là giá trị của dòng ngược chiều chéo nhau hay phức tạp đều là tương đương.

Khi tính hiệu nhiệt độ trung bình của thiết bị bay hơi trong máy lạnh thì các đường nhiệt độ ở hình 1-b sẽ là đường đứt đoạn

Các phương trình (1) và (2) chỉ áp dụng trong trường hợp trên toàn bộ bề mặt truyền nhiệt của thiết bị các hệ số truyền nhiệt K và nhiệt dung riêng của lưu thể C1và C2đều là không đổi(K=const ,C1=const,C2=const) hoặc có thay đổi ít.Nếu giá trị của chúng thay đổi hơn 2 lần thì việc tính hiệu nhiệt

độ trung bình phải thực hiện theo tích phân trung bình

♦ Xác định hệ số truyền nhiệt K

Trong quá trình tính nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt thì tính hệ số truyềnnhiệt K là phần chủ yếu.Hệ số K phụ thuộc vào các yếu tố như: các hệ

số tỏa nhiệt ở 2 phía vách,hệ số dẫn nhiệt của vách, vách nhiều lớp

hay một lớp,vách phẳng hay vách trụ Đối với thiệt bị trao đổi nhiệt ống chùm thì vách nhiệt là vách trụ

Đối với vách trụ 1 lớp ta có công thức sau:

K=

Đối với vách trụ nhiều lớp ta có: