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.
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Khoa Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình Thiết bị Mơn học Cơ sở tính tốn 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 Năm học 2017-2018 THÀNH VIÊN NHĨM • Đặng Phương Quang 1512632 • Phạm Văn Sang 1512801 • Nguyễn Hồng Hà 1510869 • Trần Ngọc Phương Trinh 1513643 • Nguyễn Thị Lệ 1511717 • Phạm Thị Huệ 1511203 • 1513985 Lưu Khả Uyên • Trương Thị Ngọc Linh 1511786 • Nguyễn Thị Út 1514187 • Trần Liểu Quỳnh 1512766 • Nguyễn Thanh Duy 1510483 NHÓM Trang MỤC L ỤC NHÓM Trang THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 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 NHIỆT ỐNG CHÙM 2.1 Giới thiệu 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 không 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 (không 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 2.2 Nguyên lý hoạt động 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 NHÓM Trang trao đổi nhiệt, người ta tạo chiều chuyển động lưu thể ống theo phương vng góc chéo dòng 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 lòng ống chứa khoang đầu lòng ống.Tồn bó ống đặt vỏ trụ S đồ minh họa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhi ệt ống chùm 2.3 Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 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 (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 phận thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 2.4.1 Ống trao đổi nhiệt 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 ống 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 Mặt sàng ống thường kim loại phẳng hình tròn, 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 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 dòng đặt sát cửa vào Mục đích: chuyển hướng chuyển động dòng lưu thể vào có vận tốc lớn ảnh hưởng đến phần đầu ống trao đổi nhiệt NHÓM Trang Tiết diện vỏ sơ đồ bố trí tâm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm 2.4.4 Nắp Nắp thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm hình tròn (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 Tấm 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 vòng đệm, khơng q gây khó khăn cho việc chế tạo không 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 ) NHĨM Trang Kiểu vách ngăn, cách bố trí vách ngăn chùm ống làm thay đổi tốc độ cục hướng dòng 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: Dòng chảy vách ngăn 2.5 Ứng dụng thiết bị truyền nhiệt ống chùm - Thiết bị tiến hành đun nóng,làm nguội ngưng tụ dùng phổ biến cơng nghiệp hóa chất,thực phẩm -Dùng cho sấy điều hòa khơng khí, máy lạnh cơng nghiệp, làm lạnh nhanh bia, làm mát bia… TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 3.1 Tiêu chuẩn Anh (PD5500) sơ lược 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 - Sơ lược TEMA( Tubular Exchanger Manufacturers Association ): NHÓM Trang • 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 bản 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: 3.2 Trình tự thiết kế Sơ đồ: NHĨM Trang 10 Chọn thơng số Tính bền cho thân theo cơng thức : 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 SỐ CÔNG NGHỆ - Dòng cồn vào: t1=78,20C o Ngưng tụ lượng cồn thành lỏng nhiệt độ ngưng t = 78,2 C ( Vì ẩn nhiệt ngưng tụ ) NHÓM Trang 11 -Áp suất vào thiết bị 1,5 at - Diện tích bề mặt truyền nhiệt F=37,46 -Chọn ống truyền nhiệt tiêu chuẩn dài L= 2200 mm, đường kính ,5 mm • Số ống truyền nhiệt n= F 37,46 = = 241 π × d × L 3,14 × 0,02 + 0,025 × 2,2 ( ống ) Kết quả tính n = 241 ống Tra bảng V.11 trang 48 “Sổ tay q 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 Dtr = 0,6m Số ống truyền nhiệt n = 241 ống, ống xếp theo hình sáu cạnh Số ngăn thiết bị m = ngăn o ( Tác nhân làm lạnh nước lạnh công nghiệp, có nhiệt độ đầu vào t đ = 30 C, thông o thường nhiệt độ đầu t c = 45 C) NHĨM Trang 12 THƠNG SỐ THIẾT KẾ - Thiết bị truyền nhiệt ống chùm nằm ngang, ống truyền nhiệt tiêu chuẩn mm làm vật liệu thép 304 - Chọn ống truyền nhiệt dài L = 2,2m - Bề mặt truyền nhiệt F=37,46 - 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 6.1.Thân thiết bị • Chuyển đổi đơn vị tra chọn thơng 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 - Bề dày tối thiểu yêu cầu thân thiết bị: NHÓM Trang 13 - Bề dày tối thiểu cần chế tạo để thiết bị hoạt động: - Vậy cần chọn thép 304 có bề dày 3mm để chế tạo thiết bị 6.2 Đáy nắp thiết bị -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 - 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: - Bề dày tối thiểu cần chế tạo để thiết bị hoạt động: NHÓM Trang 14 - 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) Thơng số Đường kính thiết bị Bán kính đáy nắp Chiều cao đáy Chiều cao gờ Giá trị Dt = 600mm Rt = 300mm ht = 150mm h = 50mm 6.3 Mặt 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) Bảng giá trị thông số mặt bích (Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập trang 471 bảng XVII ) NHĨM Trang 15 Đường kính Kích thước ống nối 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 Trang 16 6.4 Vỉ ống -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 -Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn vật liệu nhiệt độ tlà (hình 1.2 tính tốn thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí-Hồ Lê Viên).Chọn hệ số hiệu chỉnh =1 ứng suất uốn cho phép vật liệu t = 78,2là Tính tốn : -Bề dày tối thiểu vỉ ống cần tính theo cơng thức 11.3 trang 122 Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực –Nguyễn Hữu Hiếu : e = C (mm) Với : - C :hệ số thiết kế Với đáy-nắp phẳng ghép vào thân bulong với vòng đệm có bề mặt phủ đầy ,chon C= 0,4 -D : đường kính vỉ đường kính vòng bu long D= 750 mm - P : áp suất thiết kế ống P = 1,67 Mpa = 0,1617 - : ứng suất uốn cho phép vật liệu t= 78,2 = - hệ số ràng buộc (với p bước lỗ, d đường kính ống) Kết quả e = 0,4 = 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 NHĨM Trang 17 Đường kính ngồi ống (mm) Bề dày vỉ ống tối thiểu (mm) 25 0,75x Đường kính ngồi ống 25-30 22 30-40 25 40-50 30 NHÓM Trang 18 Do chọn ống truyền nhiệt 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 Bệ đỡ Với thiết bị dạng trụ nằm ngang, lựa chọn bệ đỡ yên ngựa chế tạo thép, góc biên khơng nhỏ 1200 thường khơng 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) NHĨM Trang 19 Chọn bệ đỡ yên ngựa đường kính thiết bị 0,6m có thơng số:trọng lượng tối đa 35 kN, đường kính bulơng 20 mm, lỗ bulơng 25 mm (V=0,48; Y=0,15; C=0,55; E=0,24; J=0,19; G=0,095m; t2=6; t1=5mm) KẾT LUẬN Qua tất cả bước tính tốn kiểm tra kết quả tính tốn phận thiết bị, dựa vào sách Thiết kế khí thiết bị áp lực- Nguyễn Hữu Hiếu, Sổ tay trình thiết bị hóa chất tập I, tập II- Nhiều tác giả, lập bảng tổng kết thiết kế phận thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm: NHÓM Trang 20 Thơng số Chiều dài (mm) Đường kính (mm) Bề dày (mm) Số Lượng Kiểu Vật liệu Thân 2200 600 Trụ ngang Thép 304 Ống 2200 20 2,5 241 Trụ tròn Thép 304 19,24 Tròn Thép OX18H10T 600 Elip Thép 304 600 28 Tròn Thép 304 Bộ phận Vỉ ống Đáy-Nắp Mặt bích 200 Bệ đỡ yên ngựa Thép 304 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập I,II, Nhiều tác giả, NXB Khoa học Kĩ thuật Quá trình thiết bị truyền nhiệt ổn định- Nguyễn Văn Bôn Phạm Đình Thọ, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Thiết kế khí thiết bị chịu áp lực- Nguyễn Hữu Hiếu, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Tính tốn thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí - Hồ Lê Viên NHĨM Trang 21