Thiết bị trao đổi nhiệt là phương tiện để tiến hành các quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau. Căn cứ theo phương pháp làm việc người ta chia làm các loại thiết bị sau: • Loại gián tiếp: Nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác qua bề mặt phân cách ( bề mặt truyền nhiệt ): Loại có vỏ bọc Loại ống Loại tấm Loại xoắn ốc Loại ống gân • Loại trực tiếp (hỗn hợp): Hai chất tải nhiệt tiếp xúc với nhau. • Một số loại ống trao đổi nhiệt.
Trang 1Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh
Khoa Kỹ thuật Hóa học
Bộ môn Quá trình và Thiết bị Môn học Cơ sở tính toán và thiết kế thiết bị hóa chất
Đề tài:
THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM THEO
TIÊU CHUẨN ANH PD 5500
GVHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu Nhóm thực hiện: Nhóm 5
Năm học 2017-2018
Trang 3M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC
THÀNH VIÊN NHÓM 2
MỤC LỤC 3
1 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 5
2 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG CHÙM 5
2.1 Giới thiệu 5
2.2 Nguyên lý hoạt động 5
2.3 Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 6
2.4 Các bộ phận của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 7
2.4.1 Ống trao đổi nhiệt 7
2.4.2 Mặt sàng ống 7
2.4.3.Vỏ và cửa lưu chất vào ra 7
2.4.4 Nắp 8
2.4.5 Tấm chia khoang 8
2.4.6 Vách ngăn 9
2.5 Ứng dụng của thiết bị truyền nhiệt ống chùm 10
3 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 10
3.1 Tiêu chuẩn Anh (PD5500) và sơ lược về TEMA 10
3.2 Trình tự thiết kế 11
4 THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 12
5 THÔNG SỐ THIẾT KẾ 14
6 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 14
6.1.Thân thiết bị 14
6.2 Đáy và nắp thiết bị 15
6.3 Mặt bích 16
6.4 Vỉ ống 18
6.5 Bệ đỡ 20
Trang 47 KẾT LUẬN 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21
Trang 51 THI T B TRAO Đ I NHI T ẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Ị TRAO ĐỔI NHIỆT ỔI NHIỆT ỆT
Thiết bị trao đổi nhiệt là phương tiện để tiến hành các quá trình trao đổi nhiệt giữa cácchất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau
Căn cứ theo phương pháp làm việc người ta chia làm các loại thiết bị sau:
Loại gián tiếp: Nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác qua bề mặtphân cách ( bề mặt truyền nhiệt ):
Loại trực tiếp (hỗn hợp): Hai chất tải nhiệt tiếp xúc với nhau
Một số loại ống trao đổi nhiệt
2 THI T B TRAO Đ I NHI T NG CHÙM ẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Ị TRAO ĐỔI NHIỆT ỔI NHIỆT ỆT ỐNG CHÙM
2.1 Gi i thi u ới thiệu ệu
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 rấtrộng rãi trong công nghệ hóa chất và thực phẩm
Các thiết bị truyền nhiệt ống chùm thường có cấu tạo gồm chùm ống lắp vào vỉ ống đượcbọc ngoài bằng vỏ hình trụ, hai đầu có nắp đậy Trong thiết bị có hai không gian riêngbiệt: một không gian gồm khoảng trống bên trong vỏ không bị ống chiếm chỗ (khoảngkhông gian giữa các vỉ ống) và không gian gồm phần rỗng ở trong các ống và hai khônggian giới hạn giữa vỉ ống với nắp (không gian trong ống) Trong mỗi không gian có mộtlưu thể chuyển động, chúng trao đổi nhiệt với nhau qua các thành ống truyền nhiệt
Nếu căn cứ vào vị trí của chúng thì chúng ta có thể chia thành các loại : ống chùm nằmngang, thẳng đứng hay nằm ngiêng Nhưng nếu dựa vào kết cấu cụ thể ta có thể chia làmcác loại sau đây : loại nắp cứng và loại nắp mềm
2.2 Nguyên lý ho t đ ng ạt động ộng
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữa hailưu thể chuyển động bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt Để tăng cường hiệu quả
Trang 6trao đổi nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể trong và ngoài ống theophương vuông góc hoặc chéo dòng Để phân phối lưu thể trong và ngoài ống người ta tạo
ra hai khoang để phân phối lưu chất trong và ngoài ống khác nhau.Lưu chất chảy ngoàiống được chứa trong vỏ trụ còn lưu chất chảy trong lòng ống được chứa khoang đầu vàtrong lòng ống.Toàn bộ bó ống được đặt trong vỏ trụ
S
đ minh h a nguyên lý ho t đ ng t ng quát thi t b trao đ i nhi t ng ọa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống ạt động ộng ổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống ết bị trao đổi nhiệt ống ị trao đổi nhiệt ống ổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống ệu ống chùm.
2.3 C u t o chung c a thi t b trao đ i nhi t ng chùm ấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ạt động ủa thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ết bị trao đổi nhiệt ống ị trao đổi nhiệt ống ổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống ệu ống
Các thiết bị truyền nhiệt ống chùm thường có cấu tạo gồm chùm ống lắp vào vỉ ống đượcbọc ngoài bằng vỏ hình trụ, hai đầu có nắp đậy Trong thiết bị có hai không gian riêngbiệt: một không gian gồm khoảng trống bên trong vỏ không bị ống chiếm chỗ (khoảngkhông gian giữa các vỉ ống) và không gian gồm phần rỗng ở trong các ống và hai khônggian giới hạn giữa vỉ ống với nắp (không gian trong ống) Trong mỗi không gian có mộtlưu thể chuyển động, chúng trao đổi nhiệt với nhau qua các thành ống truyền nhiệt
Trang 7Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
2.4 Các b ph n c a thi t b trao đ i nhi t ng chùm ộng ận của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ủa thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ết bị trao đổi nhiệt ống ị trao đổi nhiệt ống ổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống ệu ống
2.4.1 ng trao đ i nhi t ỐNG CHÙM ổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống ệu
Là bộ phận quan trọng của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, bề mặt của chúng chính
là bề mặt truyền nhiệt giữa hai lưu thể trong và ngoài ống Các ống trao đổi nhiệt đượcgắn vào vỉ ống bằng phương pháp nong hay hàn Ống trao đổi nhiệt thường bằng đồnghoặc bằng thép hợp kim
2.4.2 M t sàng ng ặt sàng ống ống
Mặt sàng ống Mặt sàng ống kép
Các ống được định vị cố định nhờ gắn chặt vào lỗ trên mặt sàng Ống gắn trên mặt sàngbằng phương pháp làm biến dạng ống (nong ống) hoặc phương pháp hàn tùy theo dạngvật liệu chế tạo ống và mặt sàng, điều kiện hoạt động của thiết bị
Mặt sàng ống thường là một tấm kim loại phẳng hình tròn, được khoan lỗ theo kiểu bố tríthích hợp và soi rãnh để cố định ống, lắp mặt đệm, bulong mặt bích
2.4.3.V và c a l u ch t vào ra ỏ và cửa lưu chất vào ra ửa lưu chất vào ra ưu chất vào ra ấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là bộ phận chứa lưu chất bên ngoài ống trao đổi nhiệt.Cửa lưu chất là nơi đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngoài ống vào và ra khỏi thiết bị,chúng thường có tiết diện tròn được chế tạo từ thép tấm
Tại cửa vào lưu chất, thường có 1 tấm chắn dòng đặt sát ngay dưới cửa vào Mục đích:chuyển hướng chuyển động của dòng lưu thể vào có vận tốc lớn có thể ảnh hưởng đếnphần đầu của ống trao đổi nhiệt
Trang 8Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tâm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm
2.4.4 N p ắp
Nắp của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là tấm hình tròn (có thể là 1 chỏm cầu) được lắpvới mặt bích của khoang đầu bằng bu long.Nắp có thể được tháo dễ dàng để kiểm tra ốngtrao đổi nhiệt hoặc vệ sinh bảo dưỡng thiết bị định kỳ mà không làm ảnh hưởng tới chấtlượng chùm ống
2.4.5 T m chia khoang ấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Khi thiết bị dùng 2 ngăn trở lên ta dùng ống chia khoang
Yêu cầu: đảm bảo số lượng ống ở mỗi khoang là như nhau để giảm thiểu chênh lệch ápgiữa các khoang (giảm hiện tượng rò rỉ), đảm bảo bề mặt chịu nén là thích hợp lắp đặtvòng đệm, không quá gây khó khăn cho việc chế tạo và không làm ảnh hưởng đến chi phíchế tạo,vận hành và bảo dưỡng Một số dạng tấm chia khoang tiêu biểu:
Trang 9Một số loại tấm chia khoang
Một số kiểu hình dạng và cách bố trí vách ngăn, chùm ống thông dụng ( dạng hình viên phân đơn )
Trang 10Kiểu vách ngăn, cách bố trí vách ngăn và chùm ống sẽ làm thay đổi tốc độ cục bộ vàhướng dòng chảy ngoài ống Một số sơ đồ dòng chảy tương ứng với kiểu và cách bố trívách ngăn thông dụng được minh họa trong hình vẽ sau:
Dòng chảy trong các vách ngăn
2.5 ng d ng c a thi t b truy n nhi t ng chùm Ứng dụng của thiết bị truyền nhiệt ống chùm ụng của thiết bị truyền nhiệt ống chùm ủa thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ết bị trao đổi nhiệt ống ị trao đổi nhiệt ống ền nhiệt ống chùm ệu ống
- Thiết bị có thể tiến hành đun nóng,làm nguội hoặc ngưng tụ và được dùng phổ biến trong công nghiệp hóa chất,thực phẩm
-Dùng cho bộ sấy điều hòa không khí, máy lạnh công nghiệp, làm lạnh nhanh bia, làm mát bia…
3 TIÊU CHU N THI T K ẨN THIẾT KẾ ẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
3.1 Tiêu chu n Anh (PD5500) và s l ẩn Anh (PD5500) và sơ lược về TEMA ưu chất vào raợc về TEMA c v TEMA ền nhiệt ống chùm
- PD5500 là tiêu chuẩn được cung cấp bởi British Standard Institute (BSI)
Tiêu chuẩn này được thành lập năm 1901 với 73 cơ sở trên 28 quốc gia Cung cấp các dịch vụ đánh giá tiêu chuẩn, thử nghiệm, chứng nhận và đào tạo
- Ở Anh các thiết bị thông thường sử dụng trong công nghiệp cũng như ngành công nghiệp hóa chất sẽ được thiết kế và chế tạo theo tiêu chuẩn này
- Sơ lược về TEMA( Tubular Exchanger Manufacturers Association ):
Trang 11 TEMA là hiệp hội thương mại của các nhà sản xuất hàng đầu về bộ trao đổi vỏ và ống thiết bị trao đổi nhiệt, được thành lập vào năm 1939, TEMA đã phát triển thành một nhóm các công ty thành viên Các tiêu chuẩn TEMA đã đạt được sự chấp nhận trên toàn thế giới như là thẩm quyền về thiết kế cơ khí vỏ và ống thiết bịtrao đổi nhiệt.
Chín phiên bản tiêu chuẩn TEMA đã được công bố, mỗi ngày cập nhật về những diễn biến mới nhất trong công nghệ Trong một cuộc khảo sát ý kiến của người mua tiêu chuẩn TEMA, 97% đánh giá tiêu chuẩn TEMA là "Good of excellent"
Những tiêu chí đảm bảo mức cao nhất về chuyên môn kỹ thuật, mang đến cho các thành viên TEMA một lợi thế khi thiết kế hoặc chế tạo bộ trao đổi nhiệt
3.2 Trình t thi t k ự thiết kế ết bị trao đổi nhiệt ống ết bị trao đổi nhiệt ống
Sơ đồ:
Trang 12e = C × D ×√λff P
Tính bệ đỡ
Kiểm tra áp suất làm việc cho phép tối đa
Kết luận bề dày cho phép
Trang 13- Diện tích bề mặt truyền nhiệt F=37,46m2.
-Chọn ống truyền nhiệt tiêu chuẩn dài L= 2200 mm, đường kính ∅ 25 ×2,5 mm
Số ống truyền nhiệt
241 2 , 2 2
025 , 0 02 , 0 14 , 3
46 , 37
F n
( ống )Kết quả tính được là n = 241 ống
Tra bảng V.11 trang 48 “Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất” tập II, được nhưsau:
Tổng số ống: n = 241 ống
Xếp ống theo hình 6 cạnh
Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 17 ống
-Đường kính trong của thiết bị:
Dtr= t(b-1)+4d = 0,03(17-1)+4x0,025 = 0,58 ( m )
trong đó, b = 17 ống
D: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, D = 0,025m;
t: bước ống, thường chọn t = (1,21,5)DChọn: 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
trong D tr = 0,6m Số ống truyền nhiệt n = 241 ống, ống xếp theo hình sáu cạnh Sốngăn trong thiết bị là m = 7 ngăn
( Tác nhân làm lạnh là nước lạnh công nghiệp, có nhiệt độ đầu vào tđ= 30oC, thôngthường nhiệt độ đầu ra tc= 45oC)
Trang 145 THÔNG S THI T K ỐNG CHÙM ẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
- Thiết bị truyền nhiệt ống chùm nằm ngang, ống truyền nhiệt tiêu chuẩn ∅ 25 ×2,5 mmđược làm bằng vật liệu thép 304
- Chọn ống truyền nhiệt dài L = 2,2m
- Bề mặt truyền nhiệt F=37,46 m2
- Đường kính trong thiết bị là D = 0,6 m
- Áp suất hơi vào thiết bị là 1,5 at
Áp suất thiết kế được lấy thêm 10% so với áp suất vận hành:
= 1,5 + 1,5x10% = 1,65 at
-Nhiệt độ thiết kế 78,2°C
6 TÍNH TOÁN C KHÍ Ơ KHÍ
6.1.Thân thi t b ết bị trao đổi nhiệt ống ị trao đổi nhiệt ống
Chuyển đổi đơn vị tra và chọn các thông số
- Ứng suất cực đại cho phép: f = 16,7×103 psi ≈ 115 MPa
- Chọn phương pháp hàn giáp mối một phía có kiểm tra bằng tia X ở mức độ điểm, tra Bảng PL4, Phụ lục 4, hệ số bền mối hàn: J = 0,8
- Bề dày tối thiểu yêu cầu của thân thiết bị:
0,167 ×600
Trang 15- Bề dày tối thiểu cần chế tạo để thiết bị có thể hoạt động:
- Vậy cần chọn thép tấm 304 có bề dày 3mm để chế tạo thiết bị
6.2 Đáy và n p thi t b ắp ết bị trao đổi nhiệt ống ị trao đổi nhiệt ống
-Chọn đáy, nắp là elip ghép với thân bằng mối ghép bích
Chuyển đổi đơn vị tra và chọn các thông số
-Ứng suất cực đại cho phép: f = 16,7×103 psi ≈ 115 MPa
- Chọn phương pháp hàn giáp mối một phía có kiểm tra bằng tia X ở mức độ điểm, tra Bảng PL4, Phụ lục 4, hệ số bền mối hàn: J = 0,8
- Bề dày tối thiểu yêu cầu của đáy và nắp:
Trang 16e min=0,544+2=2,544 mm
- Vậy cần chọn thép tấm 304 có bề dày 3mm để chế tạo Đáy và nắp
Thông số của đáy tháp và nắp (Tra ‘‘Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất ’’ tập 2trang 382 bảng XIII)
Đường kính trong của thiết bị Dt = 600mm
Bán kính trong của đáy và nắp Rt = 300mm
6.3 M t bích ặt sàng ống
Sử dụng kiểu bích liền có cổ: bích liền ngoài kiểu 5 (“Sổ tay quá trình thiết bị công nghệhóa chất” tập 2 trang 471)
Bảng giá trị các thông số của mặt bích (Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tập
2 trang 471 bảng XVII )
Đường
Trang 17trong
Trang 186.4 V ng ỉ ống ống
-Chọn vỉ ống loại phẳng tròn,lắp cứng với thân thiết bị.Vỉ ống phải giữ chặt các ốngtruyền nhiệt và bền dưới tác dụng của ứng suất
-Dạng của vỉ ống được giữ nguyên sau khi nong
- Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T
-Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là t ¿78,2° C=173 ° F
-Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở nhiệt độ t¿78,2° Clà [σ]¿=123 N /mm2
(hình 1.2 tính toán thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí-Hồ Lê Viên).Chọn hệ
số hiệu chỉnh η=1
→ ứng suất uốn cho phép của vật liệu ở t = 78,2° Clà [σ]=¿η ×[σ]¿=¿ 1×123=123 N /mm2
Tính toán :
-Bề dày tối thiểu vỉ ống cần tính theo công thức 11.3 trang 122 Sách Thiết kế cơ khí thiết
bị áp lực –Nguyễn Hữu Hiếu :
e = C × D ×√λff P (mm)
Với : - C :hệ số thiết kế Với đáy-nắp phẳng được ghép vào thân bằng bulong với vòngđệm có bề mặt phủ đầy ,chon C= 0,4
-D : đường kính vỉ bằng đường kính vòng 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 của vật liệu ở t= 78,2 ° C f = 123 N /mm2
Trang 19Do chọn ống truyền nhiệt ∅ 25 ×2,5 mm (có đường kính ngoài là 25 mm) nên theo bảngtrên, bề dày vỉ ống tối thiểu tham khảo= 0,75x25 =18,75 (mm).
Bề dày thiết kế vỉ ống được tính toán và được chọn phải lớn hơn bề dày vỉ ống tối thiểutham khảo ( 18,75 mm )
Bề dày vỉ ống e= 19,24 mm đã tính được ở trên đạt yêu cầu.( > 18,75 mm )
Vậy bề dày tối thiểu của vỉ ống là 19,24 mm.
Trang 20 Chọn bệ đỡ yên ngựa đường kính thiết bị 0,6m có các thông số:trọng lượng tối đa
35 kN, đường kính bulông 20 mm, lỗ bulông 25 mm (V=0,48; Y=0,15; C=0,55;E=0,24; J=0,19; G=0,095m; t2=6; t1=5mm)
7 K T LU N ẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ẬN
Qua tất cả các bước tính toán và kiểm tra kết quả tính toán các bộ phận của thiết bị, dựa vào sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực- Nguyễn Hữu Hiếu, Sổ tay quá trình thiết bị hóa chất tập I, tập II- Nhiều tác giả, lập bảng tổng kết thiết kế các bộ phận thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm:
Trang 21Thông số
Bộ phận
Chiềudài(mm)
Đườngkínhtrong(mm)
Bề dày(mm) LượngSố Kiểu Vật liệu
1 Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập I,II, Nhiều tác giả, NXB
Khoa học và Kĩ thuật
2 Quá trình và thiết bị truyền nhiệt ổn định- Nguyễn Văn Bôn và Phạm Đình
Thọ, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
3 Thiết kế cơ khí thiết bị chịu áp lực- Nguyễn Hữu Hiếu, NXB Đại học Quốc
gia Thành phố Hồ Chí Minh
4 Tính toán thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí - Hồ Lê Viên