Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm

Trong công nghiệp đặc biệt là trong công nghiệp hóa chất và dầu khí, thiết bị trao đổi nhiệt có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việc tăng, giảm hoặc duy trì nhiệt độ các dòng công nghệ ở giá trị thích hợp. Bởi trong công nghiệp hóa học nhiều quá trình cần được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ xác định thì hiệu quả của quá trình và chất lượng sản phẩm mới đảm bảo. Và các thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ thực hiện các quá trình đun nóng, làm nguội hoặc làm lạnh. Ngoài ra, thiết bị trao đổi nhiệt còn góp phần trực tiếp hoặc gián tiếp giảm chi phí vận hành của nhà máy nhờ khả năng tận dụng nhiệt thừa từ các quá trình công nghệ, từ đó giảm tiêu hao năng lượng chung của toàn nhà máy. Thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò lớn như vậy nên để tính toán, thiết kế một thiết bị trao đổi nhiệt đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu công nghệ của dây chuyền và đạt hiệu quả cao là rất cần thiết. Vì vậy, trên cơ sở những kiến thức đã học được trong chương trình đào tạo kỹ sư máy hóa, em thực hiện đề tài tốt nghiệp: nghiên cứu, ứng dụng tiêu chuẩn TEMA và phần mềm aspen để cải tiến phương pháp tính toán, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là thiết bị phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Mặc dù đã cố gắng nhưng do kiến thức còn hạn hẹp và chưa có kinh nghiệm thực tế nên đồ án của em còn nhiều sai sót và hạn chế. Em rất mong nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Đồ án chuyên ngành GVHD: TS Nguyễn Đặng Bình Thành NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60 Đồ án chuyên ngành GVHD: TS Nguyễn Đặng Bình Thành NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60 Đồ án chun ngành GVHD: TS Nguyễn Đặng Bình Thành MỤC LỤC NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 1.1 Giới thiệu 1.2 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp 1.2.1 Giới thiệu 1.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống 1.2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống xoắn ruột gà 1.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống tưới 1.2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 1.2.6 Thiết bị trao đổi nhiệt hai vỏ 12 1.2.7 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu 14 1.3 Các phương pháp tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp 15 1.3.1 Tính tốn theo hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ∆Ttb 15 1.3.2 Phương pháp Kern 16 Các bước tính tốn 16 CHƯƠNG - GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 19 2.1 Giới thiệu tiêu chuẩn TEMA 19 2.1.1 Thân vỏ 22 2.1.2 Phần đầu phần sau 23 2.1.3 Ống 24 2.1.4 Vỉ ống 24 2.1.5 Vách ngăn 25 2.1.6 Thanh giữ vách ngăn 27 SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60 Đồ án chuyên ngành GVHD: TS Nguyễn Đặng Bình Thành 2.1.7 Tấm ngăn thân vỏ 27 2.1.8 Tấm ngăn chia lối phần đầu phần sau 28 2.1.9 Đệm bịt kín 28 2.1.10 Rung động thiết bị 29 CHƯƠNG – TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG CHÙM 30 3.1 Trình tự tính tốn 30 3.2.1 Bước 1: Lựa chọn kiểu thiết bị 30 3.2.2 Bước 2: Lựa chọn chất tải nhiệt 35 3.2.3 Bước 3: Lựa chọn chế độ thủy động 38 3.2.4 Bước 4: Tính tốn cân nhiệt 40 3.2.5 Bước 5: Thông số vật lý lưu thể 41 3.2.6 Bước 6: Tính hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ∆Ttb 42 3.2.7 Bước 7: Giả sử hệ số truyền nhiệt K’ 45 3.2.8 Bước 8: Tính diện tích trao đổi nhiệt 48 3.2.9 Bước 9: Chọn loại ống, kích thước cách xếp ống 48 3.2.10 Bước 10: Tính số ống 51 3.2.11 Bước 11: Tính đường kính vỏ 53 3.2.12 Bước 12: Lựa chọn vách ngăn 56 3.2.13 Bước 13: Tính hệ số cấp nhiệt đối lưu bên ống 58 3.2.14 Bước 14: Tính hệ số cấp nhiệt đối lưu ngồi ống 65 3.2.15 Bước 15: Tính hệ số truyền nhiệt K 70 3.2.16 Bước 16: Kiểm tra sai số K K’ 71 3.2.17 Bước 17: Tính tổn thất áp suất 72 3.2.18 Bước 18: Kiếm tra tổn thất 76 3.2.19 Bước 19: Tính tốn khí 76 SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60 Đồ án chun ngành GVHD: TS Nguyễn Đặng Bình Thành 3.2 U CẦU BÀI TỐN: 76 CHƯƠNG - KẾT LUẬN 85 PHỤ LỤC 86 Phụ lục 1: Các đồ thị mối quan hệ ε = f(R,S) [2,658] 86 Phụ lục 2: Bề dầy ống theo BWG (tube) 88 Phụ lục 4: Kích thước ống tiêu chuẩn (pipe) 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60 Đồ án chuyên ngành GVHD: TS Nguyễn Đặng Bình Thành NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN Họ tên sinh viên: Phạm Thành Công MSSV: 20150450 Lớp: Máy Hóa – K60 Tên đề tài Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm Các số liệu liệu ban đầu  Thông số đầu vào  Nhiệt độ đầu vào dầu kerosene: 200 oC  Nhiệt độ đầu vào nước: 30 oC  Nhiệt độ đầu dầu kerosene: 90 oC  Nhiệt độ đầu nước: 50 oC  Năng xuất thiết bị: 40000 kg/h  Áp suất dòng lưu thể: bar  Tổng thất áp suất cho dòng: tt=47,44 oC Độ nhớt nước 40 oC: 0,656 Độ nhớt nước 47,44 oC: 0,583 Ảnh hướng độ nhớt đến hệ số cấp nhiệt:     t  0,14  0, 656     0,583  0,14  1, 016 Khi hệ số cấp nhiệt tính đến ảnh hưởng thay đổi dộ nhớt  tr  1, 016.12697,  12909, 07(W / m C ) Tính lại nhiệt độ tường ống thì: tt=46,8 oC Độ nhớt nhiệt độ 46,8 oC 47,44 oC gần Hệ số cấp nhiệt đối lưu ống: 12909,07 Bước 14: Tính hệ số cấp nhiệt đối lưu ngồi ống Diện tích mặt cắt ngang dịng chảy ngồi ống: CT(3.47) ( pt  d ng ) Dtr lvn (23,8125  19, 05).434,14.180 As    0, 00781(m2 ) pt 23,8125.10 Vận tốc lưu thể ngồi ống: CT(3.48) SV : Phạm Thành Cơng – Máy hóa K60 79 Đồ án chuyên ngành vng  Gng  GVHD: TS Nguyễn Đặng Bình Thành 11,111  1,94(m / s) 730.0, 00781  As Đường kính tương đương ( đường kính thủy lực) lưu thể ống với cách xếp tam giác: CT(3.50) 1,1 1,1 Dtd  pt  0,917.dng2   (23,81252  0,917.19,052 )  13,52(mm)  dng 19,05 Chuẩn số Reynold: CT(3.51)  vng Dtd 730.1,94.13,52.103 Re    44726,88  0, 43.103 Chuẩn số Prandtl: CT(3.52) C  2, 47.0, 43 Pr  p   8,046  0,132 Tra đồ thị Hình 3.12 với chuẩn số Re=44726,88 phần vách ngăn 25% ta có hệ số jh=0,0029 Bỏ qua thay đổi đội nhớt, chuẩn số Nusselt: CT(3.53) Nu  jh Re Pr  tr  0.33     t  0,14 1  0, 0029.44726,88.8, 046   1 0,14  259,91 Khi hệ số cấp nhiệt đối lưu ống: Nu. 259,91.0,132 dtd  13,52  2536, 41(W / m C ) Ước lượng nhiệt độ tường ống: Sử dụng công thức CT(3.38):  ng (tng  tt )  K (tng  ttr ) Với K=900 W/m2C,  tr  2536, 41(W / m2 C ) 2536,41.(200-tt)=900.(200-90) => tt=160,96 oC Độ nhớt nước 200 oC: 0,22 Độ nhớt nước 160,96 oC: 0,37 Ảnh hướng độ nhớt đến hệ số cấp nhiệt:     t  0,14  0, 22     0,37  0,14  0,93 Khi hệ số cấp nhiệt tính đến ảnh hưởng thay đổi dộ nhớt  tr  0,93.2536, 41  2358,367(W / m2 C ) Tính lại nhiệt độ tường ống thì: tt=168,2 oC Độ nhớt nhiệt độ 168,2 oC 160,96 oC gần Hệ số cấp nhiệt đối lưu ống: 2358,367(W/m2 oC) Bước 15: Tính hệ số truyền nhiệt K Bảng 3.8: Nhiệt trở chất hữu lỏng: 0,0002 Nhiệt trở nước làm lạnh: 0,00025 SV : Phạm Thành Công – Máy hóa K60 80 Đồ án chuyên ngành GVHD: TS Nguyễn Đặng Bình Thành Hệ số dẫn nhiệt thép carbon: 58 W/m oC 70 oC Hệ số truyền nhiệt K thiết bị: CT(3.62) 1   rng  K  ng  d ng d ng ln 2t  0, 0002  2358,36 dtr  d ng dtr  rtr  d ng dtr   tr 19, 05 19, 05 15, 75 19, 05   0, 00025   2.58 15, 75 15, 75 12909, 07 19, 05.103.ln => K= 951,16 W/m oC Bước 16: Kiểm tra sai số K K’ Giá trị sai số hệ số truyền nhiệt giả sử K’ K tính được:  K  K ' 951,16  900  100  6%  = 6,4mm 3.1.2.9 Đệm bịt kín Do áp suất làm việc thiết bị không cao,