• 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.
MỤC LỤ I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .2 Giới thiệu thiết bị truyền nhiệt ống chùm ( Shell and tube type heat- exchangers) .2 Phân loại (theo TEMA) Nguyên lý hoạt động Ưu nhược điểm : .8 Quy trình chế tạo thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống - ống chùm: II TÍNH TỐN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ (THEO TIÊU CHUẨN ASME) Chọn thông số công nghệ Thông số vận hành Tính tốn bề dày tối thiểu thân (thân trụ 200oF): .9 Tính tốn bề dày tối thiểu thân (thân trụ 400oF): 10 Thiết kế khí cho đáy- nắp 10 Thiết kế khí cho ống 11 Tổng kết 13 Tài liệu tham khảo 13 I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Giới thiệu thiết bị truyền nhiệt ống chùm ( Shell and tube type heatexchangers) Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dạng thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng rộng rãi tất ngành cơng nghiệp, ước tính có tới 60% số thiết bị trao đổi nhiệt giới thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có khoảng áp dụng rộng, gần công suất, điều kiện hoạt động từ chân không đến siêu cao áp, từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ cao cho tất dạng lưu thể nhiệt độ, áp suất khác phía ống Phân loại (theo TEMA) The Tubular Exchanger Manufacturers Association - Hiệp hội nhà sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt hình ống, thành lập vào năm 1939, hiệp hội dẫn đầu việc nghiên cứu, phát triển chế tạo loại thiết bị trao đổi nhiệt Tiêu chuẩn TEMA thiệt bị trao đổi nhiệt dạng ống tiêu chuẩn phổ biến nhất, chấp nhận rộng rãi toàn giới Tiêu chuẩn TEMA tái lần gần vào năm 1999 (lần 8) Bảng tiêu chuẩn tema (trích mục tiêu chuẩn Tema 1999) Một số thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm Một số thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm Thiết bị truyền nhiệt pass + Ống bọc vỏ trụ, hai đầu có nắp đậy + Có hai khơng gian riêng biệt: phần ống phần vỏ, có chứa lưu chất chuyển động bên để trao đổi nhiệt lẫn Thiết bị truyền nhiệt pass 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 trao đổi nhiệt, người ta tạo chiều chuyển động lưu thể ống theo phương vng góc chéo dòng Sơ đồ ngun lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm Ưu nhược điểm : Ưu điểm: Gọn gàng, cấu tạo đơn giản, chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn, dễ vệ sinh Nhược điểm: Khó chế tạo vật liệu giòn, giá thành cao Bề mặt trao đổi nhiệt tính đơn vị thể tích thiết bị thấp so với dạng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu mới, vậy, bề mặt trao đổi nhiệt nhau, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm thường có kích thường lớn nhiều Quy trình chế tạo thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống - ống chùm: II TÍNH TỐN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ (THEO TIÊU CHUẨN ASME) Chọn thông số công nghệ Chiều dài ống truyền nhiệt L= 86,6 in Tác nhân làm lạnh nước lạnh công nghiệp Nhiệt độ đầu vào t = 86oF, Nhiệt độ đầu khoảng 104oF – 122oF Chọn t = 113oF Do ngưng tụ hoàn toàn lượng cồn thành lỏng nhiệt độ ngưng t = 172,76oF Chọn nhiệt độ thiết kế 200oF Áp suất 1,5 at Diện tích bề mặt truyền nhiệt 58 063 in2 Số ống truyền nhiệt : từ bề mặt truyền nhiệt tính tốn tổng số ống truyền nhiệt tổng 241 ống + 0.02 m= 0,788 in đường kính ống Đường kính thiết bị : 23,6 in Số ngăn thiết bị : ngăn Thông số vận hành Nhiệt độ thiết kế 200oF Áp suất thiết kế 1,5 at + 10% 1,5 = 1,65 at = 24,255 psi Vật liệu thép 304 Tính tốn bề dày tối thiểu thân (thân trụ 200oF): Tính bề dày tối thiểu t theo bán kính R (theo cơng thức 14.2 trang 140 Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu) Tính bề dày thực tế t’ chọn bề dày tiêu chuẩn t theo ASME t’= t + CA = 0,0143 + 0,0787 = 0,093 (in) = 2,36 (mm) • Với: P – áp suất tính tốn (psi), P = 24,255 (psi) R – bán kính thiết bị (in), R = 11,8 (in) E – hệ số bền mối hàn, E = 0,6 ( tra bảng PL4 trang 275) S – ứng suất cho phép tối đa (psi), S = 16700 (psi) (tra hàng 43 bảng PL3.24 trang 266) CA – dung sai ăn mòn (in), chọn CA = 2mm = 0,0787in (chọn) Tính tốn bề dày tối thiểu thân (thân trụ 400oF): Kiểm tra tính bền: • Khi bề dày khơng vượt q nửa bán kính bên áp suất khơng vượt q 1,25SE • • => Thỏa điều kiện bền Vậy chọn thép 304 có bề dày t’ = 3mm để chế tạo thiết bị Thiết kế khí cho đáy- nắp Bước 1: Các thơng số tính tốn: Đáy/ nắp Elip chịu áp suất trong: Ptk = 24,255 psi ttk = 200oF S = 16700 psi (Tra hàng 43 bảng PL3.24 trang 266 Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu cho thép 304 nhiệt độ thiết kế ttk = 200oF) E = 0,6 thân có đường kính nhỏ (d = 23,6 in) nên chọn dạng mối hàn hàn giáp mối, hàn phía (tra hàng 43 bảng PL3.24 trang 266 Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu) Dtrong = 23,6 in Bước 2: Tính bề dày tối thiểu : Giả sử: L: bán kính tương đương, L=0,9D = 21,24 in=539,08 mm t= Với: P – áp suất tính tốn (psi), P = 24,255 psi D – đường kính thiết bị (in), D = 23,6 in E – hệ số bền mối hàn, E = 0,6, ( tra bảng PL4 trang 275) S – ứng suất cho phép tối đa (psi), S = 16700 psi Bước 3: Tính tốn bề dày thực tế bề dày tiêu chuẩn tn Bề dày thực tế: t’ = t + CA = 0,0286 + 0,0787 = 0,1073 in= 2,72 mm t : bề dày tối thiểu CA : dung sai ăn mòn Chọn CA= 0,0787in Chọn bề dày tiêu chuẩn tn = mm = 0,1182 in Bước 4: Kiểm tra tính bền: => Giả sử Vậy chọn thép 304 có bề dày mm để chế tạo đáy-nắp elip THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO BỘ PHẬN ĐỠ - - Chọn loại thiết bị đỡ bệ đỡ yên ngựa, sử dụng thiết bị trụ ngang Vật liệu chế tạo: thép 304 Số lượng bệ đỡ: Thông số kích thước: (tra Bảng hình 9.5a trang 91 sách Thiết kế khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu cho đường kính thiết bị 23,6 in = 0,6 m) (đã đổi đơn vị) V = 18,9 in Y = 5,9 in C = 21,7 in E = 9,4 in J = 7,5 in G = 3,7 in t2 = 0,24 in t1 = 0,20 in Đường kính bulông: 0,79 in Lỗ bulông: 0,98 in 10 THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO VỈ ỐNG Vỉ ống thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm dùng để đỡ ống phân chia lưu chất phía vỏ phía ống 11 • Do ta chọn ống có đường kính ngồi Dngoài = 20 + = 23 (mm) < 25 (mm) nên bề dày vỉ ống tối thiểu chọn t = 0,75 x 23 = 17,25 (mm) 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 Bảng 11.1 Bề dày vỉ ống tối thiểu tham khảo theo đường kính ngồi ống (trang 123 sách Thiết kế thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu) 12 Thiết kế khí cho ống Bước 1: Các thơng số tính tốn: Ống chịu áp suất trong, vật liệu chế tạo thép 304 ptk= 24,255 psi ttk= 200oF S = 16700 psi (Tra hàng 43 bảng PL3.24 trang 266 Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực Nguyễn Hữu Hiếu cho thép 304 nhiệt độ thiết kế ttk = 200oF) Dtrong =0,788in Chọn phương pháp hàn phía, E= 0,6 ( tra bảng PL4 trang 275) Bước 2: Tính bề dày tối thiểu : (theo công thức 14.1 trang 140 Sách Thiết kế khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu) t= Với: P – áp suất tính tốn ( psi), P = 24,255 psi R – bán kính thiết bị (in), R = 0,394 in E – hệ số bền mối hàn, E= 0,6 ( tra bảng PL4 trang 275) S – ứng suất cho phép tối đa (psi), S = 16700psi Bước 3: Tính tốn bề dày thực tế bề dày tiêu chuẩn tn Bề dày thực tế: t’ = t + CA= 0,00096 + 0,0787 = 0,07966 in = 2,022 mm Với: t : bề dày tối thiểu CA : dung sai ăn mòn Chọn CA= mm = 0,0787in Chọn bề dày tiêu chuẩn tn = mm = 0,1191in Bước 4: Kiểm tra tính bền Theo chiều dọc thân trụ P < 0,385 SE 13 24,255 < 0,385x16700x0,6 t’ = 0,07966 < 0,5.R = 0,125 => Thỏa điều kiện bền Chọn bề dày để thiết kế cho ống 3mm Tổng kết 10 Một số chương trình tham khảo Shell & Tube Heat Exchanger Design 14 3D Building Grabcad 15 11 Tài liệu tham khảo http://www.webaero.net/ingenieria/equipos/Estaticos/Intercambia dores%20de%20calor/Normativa_Codigo/TEMA/1999_TEMA %20(8th%201999)%20Standards%20Of%20The%20Tubular %20Exchanger.pdf http://www.tema.org/index.html https://www.asme.org/ Thiết kế khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm - Tập 5: Quá trình thiết bị truyền nhiệt - Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ 16 ... Một số thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm Một số thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm Thiết bị truyền nhiệt pass + Ống bọc vỏ trụ, hai đầu có nắp đậy + Có hai khơng gian riêng biệt: phần ống phần... trao đổi nhiệt nhau, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm thường có kích thường lớn nhiều Quy trình chế tạo thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống - ống chùm: II TÍNH TỐN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ (THEO TIÊU... GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Giới thiệu thiết bị truyền nhiệt ống chùm ( Shell and tube type heatexchangers) Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dạng thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng rộng rãi tất ngành