Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống trong điều kiện nước ta hiện nay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -œ - LÊ HOÀNG HẢI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU VỎ BỌC CHÙM ỐNG TRONG ĐIỀU KIỆN NƯỚC TA HIỆN NAY Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2008 i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Bùi Ngọc Hùng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng 12 năm 2008 iii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 25 tháng 01 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ HOÀNG HẢI Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25-12-1981 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chun ngành: Cơng nghệ nhiệt Khố (Năm trúng tuyển): 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu xây dựng qui trình thiết kế chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống điều kiện nước ta 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN - Nghiên cứu lý thuyết tổng quan quy trình thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống - Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn máy tính cho thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống - Thiết lập mơ hình thực nghiệm sử dụng số liệu thực nghiệm để kiểm tra độ xác chương trình tính - Sử dụng mơ hình tốn để tối ưu hóa thơng số thiết kế - Xây dựng quy trình thiết kế chế tạo - Kết luận kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25-01-2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28-11-2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): TS Bùi Ngọc Hùng Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) TS Bùi Ngọc Hùng PGS.TS Lê Chí Hiệp Lời cảm ơn ™ Xin chân thành cảm ơn biết ơn sâu sắc thầy Bùi Ngọc Hùng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu lý thuyết lắp đặt vận hành thiết bị thực nghiệm đóng góp nhiều ý kiến cho luận văn ™ Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh- Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hồn chỉnh luận văn ™ Cảm ơn gia đình bạn bè động viên hỗ trợ tác giả suốt trình thực luận văn hồn tất chương trình cao học Tp.HCM, tháng 11 năm 2008 Lê Hồng Hải Tóm tắt luận văn thạc sĩ Cùng với việc nước ta gia nhập WTO, ngành công nghiệp sản xuất, chế biến nước phát triển mạnh Trong hầu hết sử dụng trình biến đổi nhiệt thơng qua thiết bị trao đổi nhiệt, thông dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống kết cấu đơn giản, dễ vận hành bảo trì Tuy nhiên, nay, theo hiểu biết người thực đề tài, nước ta chưa có sở đầu tư tiến hành thực việc lập quy trình thiết kế chế tạo dạng thiết bị nhu cầu sử dụng lớn mà hầu hết nhập thiết bị nước với chi phí cao Từ sở trình bày trên, mục tiêu đề tài đặt lập qui trình để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống phù hợp với qui mô công nghệ điều kiện kỹ thuật nước ta Bước viết chương trình máy tính Matlab theo mơ hình tốn dùng phần thiết kế để mơ thông số vận hành thiết bị, tiến hành thực nghiệm kiểm chứng thiết bị mẫu để hiệu chỉnh chương trình Khi chương trình tình toán thiết kế hiệu chỉnh phù hợp với kết thực nghiệm Chương trình sử dụng để phục vụ cho việc thiết kế nhanh chóng hiệu hy vọng tạo sở liệu ban đầu cho nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt sau Trên sở thông số thiết kế tối ưu hóa chương trình mơ phỏng, xây dựng qui trình thiết kế chế tạo thiết bị Các ký hiệu dùng luận văn COP — Hệ số làm lạnh Cn — Nhiệt dung riêng nước, kJ/kg.độ — Đường kính ngồi ống đồng , mm Dotl — Đường kính bao chùm ống, mm Di — Đường kính vỏ, mm di — Đường kính ống đồng, mm g — Lưu lượng tác nhân lạnh, kg/s i — Enthalpy tác nhân lạnh, kJ/kg Lbc — Khoảng cách hai chắn, mm Lbch — Chiều cao cắt chắn, mm L — Chiều truyền nhiệt ống đồng, mm Lsb — Khe hở vỏ bình chắn, mm Ltb — Khe hở ống đồng lỗ khoan chắn, mm Nb — Số chắn Nt — Tổng số ống bình bay p — Bước ống ngang, mm pp — Bước ống dọc, mm Pr — Số Prandtl nước Pr22 — Số Prandtl R22 q0 — Năng suất lạnh riêng chu trình, kW Qo — Năng suất lạnh, kW Rt — Nhiệt trở vách ống, m2.độ/W Rfo — Nhiệt trở cáu, m2.độ/W Re — Số Reynolds nước Re22 — Số Reynolds R22 Sm — Diện tích dịng chảy mặt cắt ngang, mm2 to — Nhiệt độ bay hơi, 0C tk — Nhiệt độ ngưng tụ, 0C tntb — Nhiệt độ trung bình nước, 0C tn — Nhiệt độ nước vào bình bay hơi, 0C tn’ — Nhiệt độ nước khỏi bình bay hơi, 0C tw — Nhiệt độ vách ống M — Lưu lượng nước qua bình bay hơi, kg/s z — Số pass ống bình ho — Hệ số trao đổi nhiệt nước, W/m2.độ hi — Hệ số trao đổi nhiệt R22 ống, W/m2.độ νn — Độ nhớt động học nước, m2/s ν22 — Độ nhớt động học R22, m2/s ρ — Khối lượng riêng nước, m3/kg ρ’ — Khối lượng riêng R22 lỏng, m3/kg ρ’’ — Khối lượng riêng R22, m3/kg λ — Hệ số dẫn nhiệt nước, W/m.độ ∆pe — Tổn thất áp suất cửa vào bình bay hơi, kPa ∆pw — Tổn thất áp suất vùng cửa sổ, kPa ∆pc — Tổn thất áp suất qua ngăn vách chắn, kPa ∆p — Tổn thất áp suất qua bình bay hơi, kPa STHE — Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống Danh mục hình vẽ Hình 1.1 STHE kiểu chùm ống thẳng mặt sàng cố định Hình 1.2 STHE kiểu chùm ống chữ U Hình 1.3 STHE kiểu nắp với mặt sàng cố định mặt sàng cịn lại di chuyển tự phía bên vỏ Hình 1.4 STHE với chắn bố trí theo hình xoắn ốc (“helixchanger”) Hình 1.5 Mặt cắt ngang ống cánh nan hoa Hình 1.6 Ống PF với chắn xoắn ốc Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ Hình 2.2 Ống cánh ngắn Hình 2.3 Sơ đồ mặt sàng kép Hình 2.4 Các cách bố trí chia pass với thiết bị có pass Hình 2.5 Sơ đồ bố trí vách ngăn hình viên phân Hình 2.6 Sơ đồ bố trí vách ngăn viên phân nhiều mảnh Hình 2.7 Thiết bị có mặt sàng cố định với đệm giãn nở phía vỏ Hình 2.8 Thiết bị có ống chữ U Hình 2.9 Thiết bị kiểu nắp Hình 2.10 Thiết kế kiểu nắp có vịng đệm Hình 2.11 Thiết kế kiểu “ouside packed lantern ring” Hình 2.12 Thiết kế kiểu “outside packed stuffing box” Hình 2.13 Hai thiết bị trao đổi nhiệt giống ghép theo kiểu song song Hình 2.14 Hai thiết bị trao đổi nhiệt giống ghép theo kiểu nối tiếp Hình 2.15 Thiết bị ghép theo kiểu nối tiếp-song song Hình 2.16 Sơ đồ thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống(Sinnott, 1993) Hình 3.1 Phân bố dịng chảy STHE theo Tinker(1951) Hình 3.2 Dịng rị A Hình 3.3 Dịng bypass C Hình 3.4 Dịng E Hình 3.4, 3.5, 3.6 Các thơng số hình học STHE theo Taborek(1983) Hình 3.8 Đồ thị T-S Hình 3.9 Các vùng tổn thất áp suất STHE Hình 4.1 Sơ đồ thực nghiệm Hình 4.2 Chiller Hình 4.3, 4.4 Bố trí thiết bị thực nghiệm Hình 4.5 Đặt cảm biến nhiệt vào đường nước Hình 4.6 Lưu trữ số liệu thực nghiệm vào máy tính Hình 4.7 Nhiệt độ tính tốn liệu nhiệt độ nước đo lần thứ Hình 4.8 Nhiệt độ tính toán liệu nhiệt độ nước đo lần thứ hai Hình 4.9 Giao diện chương trình mơ Hình 4.10 Ảnh hưởng bước ống lên hệ số truyền nhiệt thiết bị Hình 4.11 Ảnh hưởng bước ống lên tổn thất áp suất thiết bị Hình 4.12 Ảnh hưởng khoảng cách chắn lên hệ số truyền nhiệt thiết bị Hình 4.13 Ảnh hưởng khoảng cách chắn lên tổn thất áp suất Hình 4.14 Ảnh hưởng chiều cao cắt lên hệ số truyền nhiệt thiết bị Hình 4.15 Ảnh hưởng chiều cao cắt lên tổn thất áp suất Hình 4.16 Tổn thất áp suất thay đổi theo lưu lượng nước vào bình bay Hình 5.1 Sơ đồ qui trình thiết kế STHE Hình 5.2 Mặt sàng Hình 5.3 Thiết kế STHE có đường kính vỏ 270mm, ống 12,7mm MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn thạc sĩ Các ký hiệu sử dụng luận văn Danh mục hình vẽ luận văn Chương : TỔNG QUAN 1.1 Phân loại STHE 1.2 Các nghiên cứu STHE Chương : THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU VỎ BỌC CHÙM ỐNG 11 2.1 Các thành phần thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống 11 2.1.1 Ống 11 2.1.2 Mặt sàng 13 2.1.3 Vỏ cửa phía vỏ 13 2.1.4 Các kênh cửa phía ống 14 2.1.5 Nắp chia kênh 14 2.1.6 Các chắn hướng dòng 15 2.2 Ứng suất nhiệt 16 2.2.1 Ứng suất nhiệt 16 2.2.2 Đệm giãn nở phía vỏ 17 2.2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chữ U 17 2.2.4 Thiết kế nắp 18 2.3 Ứng suất 19 2.3.1 Nguyên nhân ứng suất 19 2.3.2 Giải pháp cho ứng suất 20 2.4 Rung động 20 2.5 Xói mòn 21 2.6 Lựa chọn dòng lưu chất thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống 22 -83- 5) 6) Khoan lấy dấu mặt sàng Khoan mặt sàng Þ12.7 7) 8) Vát cạnh lỗ khoan Þ12.7 Doa lỗ Þ12.7 lên Þ13 LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương : Quy trình thiết kế chế tạo -84- 9) Móc rãnh 10) Khoan lỗ tiện trịn vách ngăn nhựa LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương : Quy trình thiết kế chế tạo -85- LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương : Quy trình thiết kế chế tạo -86- 11) Ráp vách ngăn ống đồng LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương : Quy trình thiết kế chế tạo -87- 12) Loe đường kính ống đồng LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương : Quy trình thiết kế chế tạo -88- 13) Thử xì lần thứ xong làm vệ sinh ống, nhét nút nhựa gắn nút thử xì lần LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương : Quy trình thiết kế chế tạo -89- 14) Sơn hoàn thiện 5.2 Kết luận kiến nghị: 5.2.1 Kết luận: • Từ sở lý thuyết mô hình toán, tác giả xây dựng chương trình mô tương đối xác trình nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống (bình bay chiller) có đường kính vỏ nhỏ 400 mm • Chương trình mô sử dụng công cụ thiết kế nhanh tối ưu hóa thông số thiết kế, từ xây dựng quy trình công nghệ chế tạo thiết bị trao đồi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống với thông số tối ưu phù hợp với điều kiện công nghệ Việt Nam 5.2.2 Kiến nghị: • Do không đủ điều kiện làm so sánh thực nghiệm cho thiết bị có đường kính lớn 400 mm, tác giả kiến nghị chương trình mô nên kiểm tra với thiết bị lớn • Mô hình Bell Delaware tính toán tổn thất áp suất cho sai số lớn, tác giả kiến nghị bổ sung phần tính toán áp suất mô hình Wills Johnston [19] LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương : Quy trình thiết kế chế tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thanh Kỳ, Máy lạnh, NXB Giáo dục, 1994 [2] Hồng ðình Tín, Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, ðHBK Tp.Hồ Chí Minh, 1996 [3] Hồng ðình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt ñộng lực học kỹ thuật truyền nhiệt, NXB Giáo dục,1996 [4] Lê Chí Hiệp, Máy lạnh hấp thụ kỹ thuật điều hịa khơng khí, NXB ðại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2004 [5] Nguyễn Hồi Sơn, ðỗ Thanh Việt, Bùi Xuân Lâm, Ứng dụng MATLAB tính tốn kỹ thuật, NXB ðại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2000 [6] T.Kuppan, Heat exchanger design handbook, Marcel Dekker, Inc., 2000 [7] K J Bell, A C Mueller, Wolverine Engineering Data Book II, Wolverine Tube, Inc, 2001 [8] John R Thome, Wolverine Engineering Data Book III, Wolverine Tube, Inc, 2007 [9] Tubular exchanger manufacturers association, Inc., Standards of the tubular exchanger manufacturers association( TEMA 8th edition), 1999 [10] G N Xie, Q W Wang, M Zeng, L Q Luo, Heat transfer analysis for shelland-tube heat exchangers with experimental data by artificial neural networks approach, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 1096–1104 [11] G.Doo, J M Mcnaught, W M Dempster, Shellside evaporation in a TEMA Eshell : flow patterns and transitions, Applied Thermal Engineering 24 (2004) 1195– 1205 [12] Dogan Eryener, Thermoeconomic optimization of baffle spacing for shell and tube heat exchanger, Energy Conversion and Management 47 (2006) 1478–1489 [13] A Karno, S Ajib, Effect of tube pitch on heat transfer in shell-and-tube heat exchanger – new simulation software, Heat Mass Transfer (2006) 42 : 263-270 [14] Yusuf Ali Kara, Özbilen Güraras, A computer program for designing of shelland-tube heat exchangers, Applied Thermal Engineering 24 (2004) 1795–1805 [15] J M Ponce-Ortega, M Serna-González, A Jiménez-Gutiérrez, Design and optimization of multipass heat exchangers, Chemical Engineering and Processing (2007) [16] Joydeep Barman, A.K Ghoshal, Performance analysis of finned tube and unbaffled shell-and-tube heat exchangers, International Journal of Thermal Sciences 46 (2007) 1311–1317 [17] Rajiv Mukherjee, Effectively design shell-and-tube heat exchangers, Chemical Engineering Progress (1998) [18] Antonio C Caputo, Pacifico M Pelagagge, Paolo Salini, Heat exchanger design based on economic optimization, Apply Thermal Engineering (2007) [19] Davide Del Col, Angelo Muzzolon, Pierangelo Piubello, Luisa Rossetto, Measurement and prediction of evaporator shell-side pressure drop, International Journal of Refrigeration 28 (2005) 320–330 [20] B Khalifeh Soltan, M Saffar-Avval, E Damangir, Minimizing capital and operating cost of shell and tube condensers using optimum baffle spacing, Applied Thermal Engineering 24 (2004) 2801–2810 [21] M.R Jafari, A Shafeghat, Fluid flow analysis and extension of rapid design algorithm for helical baffle heat exchangers, Apply Thermal Engineering (2007) [22] Zhenguo Zhang, Dabin Ma, Xiaoming Fang, Xuenong Gao, Experimetal and numerical heat transfer in a helically baffled heat exchanger combined with onethree dimensional finned tube, Chemical Engineering and Processing (2007) -93- Phụ lục Bộ liệu nhiệt ñộ ño lần ñầu tiên Bộ liệu nhiệt ñộ ño ñược sau khắc phục tình trạng nhiễu tín hiệu đo -94- Phụ lục -95- Phụ lục clear all global p pp alphaSS alphaI alphat Jc Jl Jb Jr Js Jm Fc Fw tethactl tethads Bc rs rlm global Ssb Stb Sm Lsb Ltb Lbc Lbb Cbh Fsbp rss Sb Sm Sb Lpl Nss Ntcc Nb Lbi Lbo global Re Do Di Dctl Dotl Nt Lbc Lsb tn1 tn2 to tk epsilon Cn rho lambda lambdat global mu muw M rho22l rho22g mu22 Pr Pr22 lambda22 Vt Qo Re Re22 Rfo Uo deltap m Do = 280; Di = 268; Lsb = 2; Dotl = 265; Lbb = Di - Dotl; Ltb = 0.2; Lbi = 150 Lbo = 150; = 19; th = 0.8; Dctl = Dotl - do; lambdat = 46.5;%W/m.do Rt = (th*10^-3)/lambdat; Nt = 82; Nb =9; p = do*1.25; pp = p*0.866; Bc = 25; Lbc = 100; Rfo = 0.86e-4; Qo = 60000;%W tn1 = 7;%do tn2 = 7; to = -6; tk = 44; epsilon = 5.3; tw = to + 3; Cn = 4200;%J/kg.do rho = 1000;%kh/m3 lambda = 0.574;%W/m.do mu = 130.57e-5;%Pa.s muw = 149.877e-5; Pr = 9.53; M = 4.2; rho22l = 1274.2;%kg/m3 rho22g = 23.53; mu22 = 0.2588e-3;%Pa.s Pr22 = 3.271; lambda22 = 0.093;%W/m.do qo = 75e3;%J/kg g = Qo/qo; Vt = g/(rho22l*pi*((do*10^-3)^2)/4*51);%m/s tinhJc; tinhJl; tinhJb; tinhJs; Jr = 1; tinhJm; tinhalphaI; -96tinhalphat; alphaSS = Jc*Jl*Jb*Js*Jr*Jm*alphaI; Uo = 1/(1/alphaSS + Rt + Rfo + 1/alphat) tinhdeltap L = 100*Nb + Lbi + Lbo; Ao = pi*(do*10^-3)*(L*10^-3)*Nt lmtd = Qo/(Uo*Ao) function Js = tinhJs global Js Nb Lbi Lbo Lbc Re if Re