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

Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn thạc sĩ Các ký hiệu sử dụng trong luận văn Danh mục các hình vẽ trong luận văn Chương 2 : THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU VỎ BỌC CHÙM Ố

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

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Bùi Ngọc Hùng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng 12 năm 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÊ HOÀNG HẢI Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25-12-1981 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Công nghệ nhiệt

Khoá (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 trong điều kiện nước ta hiện nay

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về quy trình thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống

- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán trên máy tính cho thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống

- Thiết lập mô hình thực nghiệm và sử dụng các số liệu thực nghiệm để kiểm tra độ chính xác của chương trình tính

- Sử dụng mô hình toán để tối ưu hóa các thông số thiết kế

- Xây dựng quy trình thiết kế và chế tạo

- Kết luận và 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 và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Lời cảm ơn

™ Xin chân thành cảm ơn và biết ơn sâu sắc thầy Bùi Ngọc Hùng đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu lý thuyết cũng như khi

lắp đặt và vận hành các thiết bị thực nghiệm và đóng góp rất 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 đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện và

hoàn chỉnh luận văn này

™ Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên và hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình

thực hiện luận văn và hoàn tất chương trình cao học

Tp.HCM, tháng 11 năm 2008

Lê Hoàng Hải

Tóm tắt luận văn thạc sĩ

Cùng với việc nước ta gia nhập WTO, các ngành công nghiệp sản xuất, chế biến trong nước phát triển mạnh Trong đó hầu hết đều sử dụng các quá trình biến đổi nhiệt thông qua thiết bị trao đổi nhiệt, thông dụng nhất hiện nay là thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống do kết cấu đơn giản, dễ vận hành và bảo trì Tuy nhiên, cho đến nay, theo hiểu biết của người thực hiện đề tài, ở nước ta chưa có cơ sở nào đầu tư tiến hành thực hiện việc lập quy trình thiết kế và chế tạo dạng thiết bị trên mặc dù nhu cầu sử dụng là rất lớn mà hầu hết đều nhập thiết bị của nước ngoài với chi phí rất cao

Từ những cơ sở đã trình bày như trên, mục tiêu của đề tài được đặt ra là lập được qui trình để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống phù hợp với qui mô công nghệ và điều kiện kỹ thuật của nước ta hiện nay Bước đầu tiên là viết một chương trình máy tính trên nền Matlab theo mô hình toán được dùng trong phần thiết kế để mô phỏng các thông số vận hành của thiết bị, và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng trên thiết bị mẫu để hiệu chỉnh chương trình này

Khi chương trình tình toán thiết kế đã được hiệu chỉnh phù hợp với kết quả thực

nghiệm Chương trình này sẽ được sử dụng để phục vụ cho việc thiết kế nhanh chóng

và hiệu quả hơn cũng như hy vọng có thể tạo cơ sở dữ liệu ban đầu cho các nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt sau này

Trên cơ sở các thông số thiết kế đã được tối ưu hóa bằng chương trình mô phỏng, xây dựng qui trình thiết kế và chế tạo thiết bị

Cn — Nhiệt dung riêng của nước, kJ/kg.độ

do — Đường kính ngoài của ống đồng , mm

Dotl — Đường kính bao chùm ống, mm

Di — Đường kính trong của vỏ, mm

di — Đường kính trong của ống đồng, mm

g — Lưu lượng tác nhân lạnh, kg/s

i — Enthalpy của tác nhân lạnh, kJ/kg

Lbc — Khoảng cách giữa hai tấm chắn, mm

Lbch — Chiều cao cắt của tấm chắn, mm

L — Chiều truyền nhiệt của ống đồng, mm

Re — Số Reynolds của nước

Re22 — Số Reynolds của R22

Sm — Diện tích dòng chảy chính trong một mặt cắt ngang, mm2

to — Nhiệt độ bay hơi, 0C

tk — Nhiệt độ ngưng tụ, 0C

z — Số pass ống trong bình

ho — Hệ số trao đổi nhiệt của nước, W/m2.độ

hi — Hệ số trao đổi nhiệt của R22 trong ống, W/m2.độ

νn — Độ nhớt động học của nước, m2/s

ν22 — Độ nhớt động học của R22, m2/s

ρ — Khối lượng riêng của nước, m3/kg

ρ’ — Khối lượng riêng của R22 lỏng, m3/kg

ρ’’ — Khối lượng riêng của hơi R22, m3/kg

λ — Hệ số dẫn nhiệt của nước, W/m.độ

∆pe — Tổn thất áp suất ở cửa vào và ra của bình bay hơi, kPa

∆pw — Tổn thất áp suất ở vùng cửa sổ, kPa

∆pc — Tổn thất áp suất qua các ngăn giữa các vách chắn, kPa

∆p — Tổn thất áp suất qua bình bay hơi, kPa

STHE — Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống

Hình 1.3 STHE kiểu nắp nổi với một mặt sàng cố định và mặt sàng còn lại có thể di chuyển tự do phía bên trong vỏ

Hình 1.4 STHE với các tấm chắn được bố trí theo hình xoắn ốc (“helixchanger”)

Hình 1.5 Mặt cắt ngang ống cánh nan hoa

Hình 1.6 Ống PF với tấm chắn xoắn ốc

Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu của 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 và chia pass với thiết bị có 4 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 nổi

Hình 2.10 Thiết kế kiểu nắp nổi có vòng 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 nhau ghép theo kiểu song song

Hình 2.14 Hai thiết bị trao đổi nhiệt giống nhau 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 dòng chảy trong STHE theo Tinker(1951)

Hình 4.6 Lưu trữ số liệu thực nghiệm vào máy tính

Hình 4.7 Nhiệt độ tính toán và bộ dữ liệu nhiệt độ nước đo lần thứ nhất

Hình 4.8 Nhiệt độ tính toán và bộ dữ liệu nhiệt độ nước đo lần thứ hai

Hình 4.9 Giao diện của chương trình mô phỏng

Hình 4.10 Ảnh hưởng của bước ống lên hệ số truyền nhiệt của thiết bị

Hình 4.11 Ảnh hưởng của bước ống lên tổn thất áp suất của thiết bị

Hình 4.12 Ảnh hưởng của khoảng cách tấm chắn lên hệ số truyền nhiệt của thiết bị Hình 4.13 Ảnh hưởng của khoảng cách tấm chắn lên tổn thất áp suất

Hình 4.14 Ảnh hưởng của chiều cao cắt lên hệ số truyền nhiệt của thiết bị

Hình 4.15 Ảnh hưởng của chiều cao cắt lên tổn thất áp suất

Hình 4.16 Tổn thất áp suất thay đổi theo lưu lượng nước vào bình bay hơi

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

Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ

Lời cảm ơn

Tóm tắt luận văn thạc sĩ

Các ký hiệu sử dụng trong luận văn

Danh mục các hình vẽ trong luận văn

Chương 2 : THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU VỎ BỌC CHÙM ỐNG 11

2.1 Các thành phần chính của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống 11

2.3.1 Nguyên nhân của ứng suất cơ 19

2.3.2 Giải pháp cho ứng suất cơ 20

2.6 Lựa chọn dòng lưu chất trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc

2.7 Các nguyên tắc thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống 23

2.7.1 Các yếu tố cần được xác định trước khi thiết kế 24

2.7.2 Quy trình chung khi thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc

chùm ống 27 2.7.3 Thiết kế chi tiết thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống

theo phương pháp Bell Delaware 30

Chương 5 : XÂY DỰNG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ CHẾ

TẠO STHE TRONG ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ CỦA VIỆT NAM

5.1.1 Chọn các thông số thiết kế cho ống, vỏ và các tấm chắn 74

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Thiết bị trao ñổi nhiệt (TBTðN) ñược ñịnh nghĩa là loại thiết bị ñược thiết kế nhằm truyền nhiệt một cách hiệu quả từ một dòng lưu chất này sang một dòng lưu chất khác mà không cần ñến sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai dòng lưu chất với nhau, hay nói cách khác là thiết bị trung gian cho quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng lưu chất nhằm tránh sự tiếp xúc hay hòa trộn không mong muốn giữa hai dòng lưu chất TBTðN ñược

sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, ñặc biệt là trong các ngành công nghiệp hóa chất và chế biến Các ứng dụng của TBTðN bùng nổ khi cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật lần thứ nhất xuất hiện cùng với ñộng cơ hơi nước

Loại TBTðN ñược sử dụng phổ biến nhất hiện nay là thiết bị trao ñổi nhiệt dạng

vỏ bọc chùm ống (shell-and-tube heat exchanger, STHE), theo một nghiên cứu về thị trường TBTðN gần ñây của EU, STHE chiếm ñến 42% thị phần STHE ñược sử dụng

phổ biến nhờ có kết cấu ñơn giản, tỉ lệ diện tích truyền nhiệt trên thể tích chiếm chỗ trong không gian lớn hơn so với các thiết bị cùng loại

Xét về chức năng vận hành, có thể nói STHE là loại thiết bị trao ñổi nhiệt ña năng do có thể sử dụng cho các ứng dụng khác nhau Ngoài các ứng dụng thông thường thì các thiết kế của STHE có thể ñược ñiều chỉnh dễ dàng, linh hoạt ñể có thể vận hành trong các ñiều kiện ñặc biệt Các kiểu thiết thiết kế của STHE thường ñược phân loại và gọi tên theo kết cấu hoặc theo ứng dụng

1.1 Phân loại STHE :

Phân loại STHE theo kết cấu:

• Thiết bị trao ñổi nhiệt có mặt sàng cố ñịnh Thiết bị này sử dụng các ống thẳng nút hai ñầu vào hai mặt sàng, hai mặt sàng này ñược hàn vào ñầu và cuối vỏ Ưu ñiểm của loại này là chi phí chế tạo thấp, dễ dàng vệ sinh trong ống Nhược ñiểm là nhạy cảm với ứng suất nhiệt và khó vệ sinh phía ngoài ống

• Thiết bị trao ñổi nhiệt dùng ống chữ U Thiết bị này chỉ có một mặt sàng nhưng kích thước lớn hơn do yêu cầu về bán kính cong tối thiểu Mục tiêu chính của thiết kế này là giảm thiểu ứng suất nhiệt sinh ra trong quá trình vận hành nhờ khả năng giãn nỡ ñộc lập giữa ống và vỏ Nhược ñiểm lớn nhất của loại này là khó vệ sinh vùng uốn cong của chùm ống

STHE kiểu ống thẳng (2 pass ống)

Lưu chất vào phía vỏ

Lưu chất vào phía ống

Chùm ống thẳng Mặt sàng

Mặt sàng Tấm hướng

dòng Lưu chất

phía ống

STHE kiểu ống thẳng (1 pass ống)

Lưu chất vào phía vỏ

Mặt sàng Chùm ống thẳng

Tấm hướng dòng Lưu chất

Vỏ

Hình 1.1 STHE kiểu chùm ống thẳng và mặt sàng cố ñịnh

Tấm hướng dòng

Mặt sàng

Tấm hướng dòng

Phân loại thiết bị trao ñổi nhiệt ống vỏ theo ứng dụng:

STHE có thể hoạt ñộng với các lưu chất không biến ñổi pha ( như làm lạnh hay gia nhiệt cho một chất lỏng hay khí) hay có biến ñổi pha ( như ngưng tụ hay bay hơi)

Vì một thiết bị trao ñổi nhiệt dạng ống vỏ có hai phía nên ta có thể bố trí ñường ñi cho lưu chất theo nhiều cách ñể ñáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác nhau

Nói chung, các ứng dụng có thể ñược phân loại như sau:

• một pha (cả về phía vỏ và phía ống);

• ngưng tụ (một phía ngưng tụ và phía còn lại là một pha);

• bay hơi ( một phía bay hơi và phía còn lại là một pha);

• ngưng tụ/ bay hơi (một phía ngưng tụ và một phía bay hơi);

Từ ñó ta có thể phân loại thiết bị theo các thuật ngữ như sau:

• Heat exchanger : cả hai phía ñều là dòng một pha

• Cooler : một phía là lưu chất lỏng, phía kia là nước lạnh hay không khí

• Heater : một phía là dòng lưu chất cần ñược xử lý, phía kia là hơi nước nóng

• Condenser : một phía ngưng tụ hơi, phía kia là nước lạnh hay không khí

• Chiller : một phía là dòng lưu chất ngưng tụ ở nhiệt ñộ thấp hơn nhiệt ñộ môi trường còn phía kia là tác nhân lạnh ñang sôi hay một dòng lưu chất khác

• Reboiler : một phía là dòng lưu chất ñi ra từ ñáy một tháp chưng cất và phía kia là dòng lưu chất nóng ( hơi hay dầu nóng) hay một dòng lưu chất khác

Khi phải vận hành trong ñiều kiện dễ bị ñóng cáu do lưu chất bị nhiễm bẩn, STHE còn

có thể ñược thiết kế ñặt thẳng ñứng và vận hành với dòng lưu chất tuần hoàn

1.2 Các nghiên cứu về STHE :

Ngoài các kiểu thiết kế thông thường như trên, hiện nay các nhà khoa học vẫn ñang tiến hành nghiên cứu các thiết kế STHE mới Mục tiêu của các nghiên cứu này là nhằm giải quyết hai vấn ñề lớn nhất của STHE : hệ số truyền nhiệt của thiết bị và tổn thất áp suất qua thiết bị do các vách ngăn và các dòng xoáy

Khi nghiên cứu về các thiết kế giúp nâng cao hệ số truyền nhiệt của STHE, các nhà khoa học Cộng hòa Czech ñã lần ñầu tiên ñề xuất ra thiết kế STHE có các tấm chắn xếp nối tiếp nhau, mỗi tấm chiếm ¼ diện tích mặt cắt ngang và lệch nhau một góc

cố ñịnh so với trục chính Thiết kế này sẽ hướng dòng chảy của lưu chất phía vỏ chảy thành dòng xoắn ốc và ñược gọi tên là “helixchanger” So với STHE thông thường có các tấm chắn ñặt thẳng ñứng và có cùng diện tích trao ñổi nhiệt như nhau,

“helixchanger” có hệ số truyền nhiệt cao hơn, ñồng thời tổn thất áp suất qua thiết bị cũng nhỏ hơn nhờ giảm các dòng xoáy cũng như các hiệu ứng dòng ngược xảy ra với kiểu tấm chắn ñặt vuông góc với trục chính của vỏ

Các tác giả Jafari Nasr và Shafeghat [21] ñã tiến hành các nghiên cứu về

“helixchanger” với các khoảng cách và các góc nghiêng khác nhau giữa các tấm chắn, sau ñó các kết quả ño ñạc ñược so sánh với các số liệu từ một STHE thông thường có cùng kích cỡ

Hình 1.4 STHE với các tấm chắn ñược bố trí theo hình xoắn ốc (“helixchanger”)

Các tác giả trên ñưa ra kết luận từ các nghiên cứu của mình là “helixchanger” có các ưu ñiểm sau so với STHE thông thường:

• Tăng cường hệ số truyền nhiệt phía vỏ

• Tổn thất áp suất thấp hơn so với STHE thông thường với cùng một lưu lượng

• Giảm các dòng bypass phía vỏ

• Giảm ñóng cáu phía vỏ

• Ngăn ñược sự rung ñộng trên chùm ống

Chương trình mô phỏng của các tác giả cũng cho thấy “helixchanger” có sự phân bố dòng chảy ñồng nhất hơn so với STHE thông thường Với “helixchanger”, 87,5% phân bố vận tốc của dòng chảy nằm trong khoảng 0-0,25m/s, trong khi ở STHE thông thường tỉ lệ này là 62,5% Ở STHE thông thường, 17% các vector vận tốc có giá trị âm, hay nói cách khác 17% dòng chịu tác dụng của dòng ngược do các tấm chắn gây ra Trong khi ñó, tỷ lệ này ở “helixchanger” là 5%

Ý tưởng sử dụng tấm chắn dạng xoắn ốc cũng ñược các tác giả Trung Quốc Zhang và cộng sự [22] kết hợp với ống cánh 3 chiều (ống cánh nan hoa, petal-shaped finned tube, PF tube) trong nghiên cứu của mình

Một ống PF ñược xoắn quanh

bằng một tấm kim loại và ñược ñặt trong

một vỏ kim loại ñể tạo thành một thiết bị

trao ñổi nhiệt có tấm chắn dạng xoắn ốc

Thiết bị ñược chế tạo nhằm nghiên cứu

các chế ñộ dòng chảy phía vỏ khi qua tấm

chắn dạng xoắn ốc cũng như ñánh giá

hiệu suất trao ñổi nhiệt của kiểu thiết kế

này.Khoảng cách và góc nghiêng của tấm

chắn cũng ñược thay ñổi như nghiên cứu

của các tác giả ở trên Sau ñó các số liệu

ghi nhận từ các thử nghiệm cũng ñược so

sánh với một chương trình mô phỏng

Hình 1.6 Ống PF với tấm chắn xoắn ốc

Các nghiên cứu về “helixchanger” ñều chỉ ra rằng thiết kế này có thể khắc phục nhược ñiểm lớn nhất của STHE, ñó là cải thiện ñược sự phân bố dòng chảy phía vỏ, qua ñó nâng cao ñược hệ số truyền nhiệt của thiết bị cũng như giảm tổn thất áp suất phía vỏ Tuy nhiên, với kết cấu phức tạp, kiểu thiết kế này chắc chắn có chi phí cao hơn so với thiết kế thông thường, do việc chế tạo ñòi hỏi nhiều công sức hơn Chính vì vậy, thiết kế này thích hợp là một sản phẩm sản xuất theo ñơn ñặt hàng theo các yêu

Hình 1.5 Mặt cắt ngang ống cánh nan hoa

cầu ñặt biệt hơn là một sản phẩm có thể thương mại hóa Còn ñối với các STHE

thương mại, các nhà nghiên cứu hiện nay vẫn tập trung vào việc tối ưu hóa các thông

số của thiết kế truyền thống ñể giải quyết vấn ñề truyền nhiệt, tổn thất áp suất và ñi kém theo ñó là bài toán hiệu quả kinh tế

Theo xu hướng này, các thông số ñược chú ý nhiều nhất là khoảng cách giữa các tấm chắn, chiều cao cắt của tấm chắn và bước ống

Trong ba thông số trên thì việc tối ưu hóa khoảng cách giữa các tấm chắn ñược nghiên cứu khá nhiều bởi vì ñây là thông số thiết kế dễ dàng thay ñổi nhất trong thiết bị trong khi ảnh hưởng của nó lên hiệu suất trao ñổi nhiệt của thiết bị rất lớn Theo

Mukherjee [17] khoảng cách giữa các tấm chắn nên nằm trong giới hạn 0,3-0,6 kích thước ñường kính trong của vỏ Tuy nhiên, việc xác ñịnh một giá trị tối ưu cho thông

số này không phải là ñiều ñơn giản Tính toán lý thuyết cho thấy sự biến thiên của hệ

số truyền nhiệt của thiết bị theo khoảng cách giữa các tấm chắn không ổn ñịnh Do ñó, các nhà nghiên cứu phải dựa vào một tham số khác có liên quan ñể xác ñịnh giá trị tối

ưu của thông số này Các tham số thường ñược chọn là chi phí chế tạo và tổn thất áp suất cho phép của thiết bị ðến ñây, các nghiên cứu gặp phải một khó khăn khác là chi phí ñể chế tạo cùng một thiết bị giống hệt nhau lại khác nhau tùy theo nơi chế tạo thiết

bị Do ñó chỉ có thể lập một phương pháp tối ưu chung, sau ñó theo ñiều kiện sản xuất khác nhau mà thông số này sẽ có một giá trị tối ưu tùy theo nhà sản xuất [12,15,18,20] Tương tự, khi có ñược yêu cầu cụ thể về tổn thất áp suất cho phép của thiết bị, các nhà thiết kế có thể ñưa ra phương án tối ưu bằng cách tận dụng tối ña tổn thất áp suất cho phép [17]

Karno và Ajib [13] thì lại quan tâm ñến ảnh hưởng của bước ống lên hệ số truyền nhiệt của thiết bị Các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng các bước ống khác nhau theo cách bố trí song song và bố trí so le lên hiệu suất của thiết bị Bước ống ngang và bước ống dọc ñược thay ñổi từ 1,1 ñến 2 lần ñường kính ngoài của ống Bước ống tối

ưu là bước ống làm cho hệ số truyền nhiệt của thiết bị ñạt giá trị lớn nhất Các tác giả

chỉ ra rằng có một giá trị tối ưu của bước ống ngang trong khi hệ số truyền nhiệt tỉ lệ nghịch với việc tăng bước ống dọc ñối với cách bố trí so le Trong khi ñối với cách bố trí song song, cả bước ống dọc và bước ống ngang ñều có giá trị tối ưu

Trong luận văn này, tác giả sẽ xây dựng một chương trình tính toán cho STHE Chương trình này sẽ ñược so sánh với các kết quả thu ñược từ việc ño ñạc các thông số vận hành của một hệ thống có sẵn Sau ñó chương trình sẽ ñược hiệu chỉnh và sử dụng

ñể tìm ra các thông số thiết kế tối ưu cho STHE

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT KIỂU

VỎ BỌC CHÙM ỐNG

2.1 Các thành phần chính của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống:

Các thiết kế STHE rất đa dạng, tuy nhiên các thành phần chính cấu tạo nên thiết bị đều giống nhau, chỉ khác ở cách bố trí Các thành phần chính bao gồm: 2.1.1 Ống

Ống là thành phần cơ bản của thiết bị, cung cấp bề mặt trao đổi nhiệt giữa lưu chất bên trong và bên ngoài ống Ống có thể được cuốn hay hàn từ tấm đồng hay thép hợp kim Khi có yêu cầu vận hành đặc biệt thì ống được chế tạo từ hợp kim nickel, titan hay nhôm

Ống có thể là ống trơn hay ống có cánh để gia tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt Thông thường ống được làm cánh về phía lưu chất có các đặc tính nhiệt động kém hơn nhằm nâng hệ số truyền nhiệt về phía lưu chất ấy Ống có cánh thường được sử dụng là ống cánh ngắn Ống có cánh có thể cung cấp diện tích truyền nhiệt nhiều gấp 2 đến 4 so với ống trơn

Việc sử dụng ống có cánh làm tăng chi phí

chế tạo ống nhưng mang lại hệ số truyền nhiệt cao

hơn cho thiết bị, do đó số lượng ống cần sử dụng ít

hơn khi sử dụng ống trơn và thiết bị trao đổi nhiệt

nhỏ gọn hơn

Khi cần nâng cao hệ số truyền nhiệt cho cả

hai phía dòng chảy trong và ngoài ống Ta sử dụng ống có cánh hai mặt hay các dạng ống có kết cấu bề mặt phức tạp Các ống dạng này thường rất đắt tiền do khó chế tạo và khó bảo trì

2.1.2 Mặt sàng

Các ống được cố định bằng cách ghép vào các lỗ khoan trên mặt sàng sau đó được nong hay hàn vào mặt sàng để đảm bảo độ cứng vững cũng như độ kín Mặt sàng thường là tấm kim loại tròn được khoan lỗ và vát để đỡ các ống, các thanh định vị (spacer rods) Khi có yêu cầu nghiêm ngặt, như trong trường hợp các lưu chất không được hoà trộn với nhau (do rò rỉ) Một mặt sàng được ghép thêm vào tạo thành mặt sàng kép để tăng độ kín

Khoảng không gian giữa hai mặt sàng được mở ra không gian xung quanh giúp việc phát hiện nhanh chóng các rò rỉ nếu có Trong trường hợp nghiêm ngặt hơn nữa phải sử dụng 3 mặt sàng để các lưu chất nếu rò rỉ cũng không thể hoà trộn với nhau ngay cả ở bên ngoài thiết bị Đối với lưu chất độc hại hay cực kỳ đắt tiền, khoảng không gian giữa các mặt sàng được ghép thêm các thiết bị thu hồi hay che chắn

Mặt sàng ngoài các yêu cầu cơ học còn phải chịu được ăn mòn ở cả hai phía lưu chất Mặt sàng thường được chế tạo bằng thép cácbon và một mặt được tráng một lớp mỏng hợp kim chống ăn mòn

2.1.3 Vỏ và các cửa phía vỏ

Vỏ thông thường có mặt cắt ngang hình tròn và thường được chế tạo bằng cách cuộn một tấm kim loại với kích thước phù hợp thành trụ tròn rồi hàn hay được cắt ra từ ống thép tròn có kích thước phù hợp Độ tròn của vỏ rất quan trọng do ảnh hưởng đến đường kính tối đa của tấm chắn có thể đặt bên trong vỏ, từ đó ảnh hưởng đến

hệ số rò rỉ qua tấm hướng dòng Vỏ làm từ ống ống thường tròn hơn vỏ được cuộn trừ khi quá trình cuộn ống được thực hiện theo phương pháp đặc biệt Trong trường hợp đặc biệt, toàn bộ vỏ được đúc

Các thiết bị trao đổi nhiệt lớn nên được chế tạo bằng thép cácbon và chỉ sử dụng hợp kim khi có yêu cầu nhiệt độ cao và ăn mòn

Cửa vào của vỏ thường được đặt thêm một tấm chặn ngay trước khi lưu chất đi vào vỏ nhằm đổi hướng dòng lưu chất có động lượng cao không va chạm trực tiếp vào dãy ống trên cùng của chùm ống Sự va chạm có thể gây ra xói mòn, tạo ra các vùng chết và gây rung động Để có thể gắn thêm tấm chắn mà không làm tăng tổn thất áp suất của lưu chất vào, một số ống ở sát cửa vào sẽ được bỏ bớt Đôi khi, dòng lưu chất vào được phân phối bằng các kết cấu phức tạp hơn

2.1.4 Các kênh và cửa phía ống

Các kênh và cửa phía ống

được thiết kế để định hướng dòng

chảy phía ống đi vào và ra khỏi bộ

trao đổi nhiệt Do lưu chất phía

ống thường có tính ăn mòn cao

hơn nên các kênh và cửa phía này

thường được làm bằng hợp kim

hay được phủ hợp kim

2.1.5 Nắp chia kênh :

Nắp chia kênh thường dạng

tròn và bắt với mặt bích trên thân

vỏbằng bulông để có thể tháo ra khi cần kiểm tra ống mà không làm ảnh hưởng

đến các đường ống Các thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ thường dùng nắp hình chỏm cầu có sẵn các vách chia kênh và các cửa vào và ra

2.1.6 Các tấm chắn hướng dòng (baffles)

Các tấm chắn hướng dòng có hai chức năng: Chức năng quan trong nhất là chúng đỡ cho các ống nằm đúng vị trí trong quá trình lắp đặt và vận hành đồng thời ngăn rung động do các xoáy tạo bởi dòng lưu chất, chức năng thứ hai, chúng hướng dòng chảy phía vỏ đi qua chùm ống nhiều lần, tăng vận tốc và hệ số truyền nhiệt Dạng vách thông dụng nhất là vách dạng viên phân (dạng đĩa tròn được cắt bỏ một phần) Phần bị cắt đi phải nhỏ hơn một nửa đường kính để đảm bảo phần trùng nhau của hai vách ngăn liên tiếp nhau có thể đỡ được ít nhất một dãy ống Với các dòng chất lỏng chảy phía vỏ, phần vách ngăn bị cắt thường là 20 đến 25% đường kính; với các dòng khí áp suất thấp, tấm chắn được cắt từ 40 đến 45% để giảm tổn thất áp suất

Khoảng cách giữa các tấm chắn phải được chọn sao cho diện tích chảy tự do qua các vùng cửa sổ (không gian giữa vỏ và cạnh tấm chắn) và qua các chùm ống gần bằng nhau

Đối với nhiều dòng khí vận tốc cao, loại tấm chắn dạng viên phân gây ra tổn thất áp suất không mong muốn phía vỏ Để giảm tổn thất áp suất đồng thời vẫn sử dụng tấm chắn dạng viên phân, có thểø sử dụng dạng tấm chắn viên phân hai mảnh Với các thiết bị lớn hơn nữa, ta có thể dùng dạng viên phân 3 mảnh cùng với các mảnh chắn và tấm chắn dạng thanh, điểm quan trọng là phải luôn bảo đảm các ống đều được giữ theo các khoảng cách đều đặn nhằm ngăn rung động Cần phải có những sự chuẩn bị đặc biệt khi bố trí đỡ ống có cánh qua tấm hướng dòng:

• tấm hướng dòng phải đỡ được ống trơn có đường kính tương đương

• chiều dày của tấm chắn phải đỡ được một số cánh nhất định để đảm bảo cứng vững hay bọc ngoài cánh phần ống đi qua tấm chắn bằng tấm kim loại mỏng

2.2 Ứng suất nhiệt:

2.2.1 Ứng suất nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt thường phải chịu một sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể

giữa vỏ và ống Do vật liệu cấu tạo khác nhau nên vỏ sẽ giãn nở hay co lại tương

đối so với ống, gây ra ứng suất trên cả hai bộ phận và truyền qua mặt sàng Hậu

quả của ứng suất nhiệt tuỳ theo điều kiện cụ thể, thông thường là vỏ bị oằn hay ống tuột khỏi mặt sàng hay bung ống Kiểu thiết bị trao đổi nhiệt có mặt sàng cố định

đặc biệt nhạy cảm với hu hỏng dạng này vì không có khả năng thích ứng với độ

chênh lệch về giãn nở

Nói chung là thiết bị với

mặt sàng cố định chỉ nên dùng

trong trường hợp chênh lệch giữa

hai dòng chảy không được vượt

quá 1000F Hiển nhiên, ngoài

yếu tố nhiệt độ còn phải xét đến

các yếu tố khác như tính chất vật

liệu, nhiệt độ vận hành trung bình, quy trình khởi động và vận hành,v.v…

2.2.2 Đệm giãn nở phía vỏ

Để giải quyết vấn đề

ứng suất nhiệt, ta có thể tạo

thêm đệm giãn nở hay ống

giãn nỡ phía vỏ Tuy nhiên

giải pháp này không hiệu

quả với thiết bị lớn hay

trong trường hợp áp lực

phía vỏ cao

Hình 2.7 Thiết bị có mặt sàng cố định với đệm giãn nở

phía vỏ

2.2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chữ U

Thiết kế dạng ống chữ U cho phép ống và vỏ giãn nỡ độc lập với nhau Mặc dù kiểu thiết kế này giải quyết triệt để vấn đề ứng suất nhiệt nhưng bản thân nó có các nhược điểm (không thể thay các ống phía trong, không thể vệ sinh chỗ uốn) nên không thể áp dụng trong một số ứng dụng

Hình 2.9 Thiết bị kiểu nắp nổi

2.2.4 Thiết kế nắp nổi (floating head design)

Kiểu thiết kế này hiện cũng đang được sử dụng với các kiểu khác nhau Mục tiêu chung của các kiểu thiết kế này cũng là để giải quyết vấn đề ứng suất nhiệt và các kiểu thiết kế đều giải quyết được vấn đề này Tuy nhiên, cũng như kiểu thiết kế dạng ống chữ U, mỗi kiểu thiết kế nắp nổi đều có nhược điểm riêng mà người thiết kế phải cân nhắc khi lựa chọn

Kiểu thiết kế đơn giản nhất là kiểu “pull-through bundle” Một mặt sàng được làm nhỏ hơn mặt sàng còn lại để cả cụm mặt sàng, đệm và nắp có thể được đưa trọn vào trong thân vỏ Ống có thể dễ dàng thay thế và vệ sinh Tuy nhiên số ống phải bỏ bớt rất nhiều để có thể đưa một đầu chùm ống vào trong thân để lấy chỗ cho vòng gắn bulông và nắp

Nhược điểm trên có thể được khắc phục bằng thiết kế nắp nổi có vòng đệm (“split-ring floating head”) nhờ việc bắt bulông vào vòng đệm thay vì vào mặt sàng Tuy nhiên thiết kế này làm tăng chi phí do tăng độ phức tạp khi chế tạo

Hai dạng thiết kế khác là “outside-packed lantern ring” và “outside-packed stuffing box” nghiêng về giải pháp cho phép rò rỉ ra môi trường do đó không thể dùng trong các ứng dụng có áp suất cao hay lưu chất độc hại

2.3 Ứng suất cơ:

2.3.1 Nguyên nhân của ứng suất cơ

Các thiết bị trao đổi nhiệt đều chịu ứng suất cơ từ nhiều nguồn khác nhau

ngoài gradient nhiệt độ Ứng suất cơ gây ra do kỹ thuật chế tạo thiết bị tro đổi

nhiệt, chẳng hạn như ứng suất trên ống và mặt sàng do quá trình lắp ống vào mặt

Hình 2.12 Thiết kế kiểu “outside packed stuffing box”

sàng Trong quá trình chế tạo, vận chuyển và lắp đặt thiết bị có rất nhiều sự phát sinh ứng suất, thường là không đoán trước được Ứng suất cũng có thể sinh ra do kết cấu đỡ phản ứng lại với trọng lượng của thiết bị trao đổi nhiệt, ứng suất khi nối ống; các ứng suất trên thường rất khác nhau trong quá trình vận hành so với khi thiết bị ở trạng thái tĩnh (khi tắt thiết bị hay ở khâu kiểm tra khi chế tạo) Cuối cùng là các ứng suất trong thiết bị sinh ra do các điều kiện dòng chảy – đặc biệt là áp suất – trong quá trình vận hành

2.3.2 Giải pháp cho ứng suất cơ

Để bảo vệ thiết bị khỏi các biến dạng hay yếu đi do ứng suất cơ, nên thiết kế thiết bị sao cho bất cứ ứng suất nào có khả năng xuất hiện cao đều không thể làm biến dạng kim loại sử dụng vượt ra ngoài giới hạn Đồng thời phải bảo đảm các ứng suất lớn hơn thiết kế không có khả năng xảy ra

2.4 Rung động:

Vấn đề rất nghiêm trọng trong việc thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt là rung động gây ra dòng chảy trong ống Các hậu quả của việc rung động này đều có tác động xấu đến sự vận hành của thiết bị trao đổi nhiệt Ống có thể bị rung động trên tấm chắn, hậu quả là sự va đập giữa ống và tấm chắn có thể phá hủy ống tại vị trí va chạm Trong những trường hợp nghiêm trọng, các ống có thể va đập với các ống bên cạnh, cuối cùng là làm thủng toàn bộ ống Hay khi ứng suất lặp lại nhiều lần trên ống tại vị trí gần chỗ đỡ cứng như mặt sàng có thể làm gãy ống do mỏi, làm lỏng mối ghép ống, hay làm tăng ăn mòn

Sự rung động của ống sinh ra do các lực không cân bằng tác động lên ống Trong số đó, lực thường thấy nhất trong thiết bị trao đổi nhiệt gây ra rung động là chyển động xoáy của dòng lưu chất theo ống khi dòng lưu chất đi ngang qua ống

Sự không cân bằng lực thường nhỏ, nhưng chúng xảy ra mười, trăm lần hay hàng ngàn lần trong một giây, và độ lớn tăng nhanh theo vận tốc dòng lưu chất Ngay cả khi đó, các lực này cũng thường bị ngăn lại mà không gây hư hại cho ống Tuy nhiên, bất kỳ vật nào cũng dao động dễ dàng hơn ở một tần số nhất định (gọi là

“tần số tự nhiên”, “natural frequencies”) Nếu các lực không cân bằng gây ra tần số dao động gần với tần số tự nhiên của chùm ống, sự cộng hưởng xảy ra; khi đó ngay cả một lực nhỏ cũng có thể gây ra dao động rất lớn ở ống

Mặc dù hiện tượng rung động trong STHE đã được quan tâm nghiên cứu từ rất lâu, nhưng khoa học ngày nay vẫn chưa dự đoán được hay đưa ra một thiết kế có thể khắc phục hiện tượng này, nay là một trong những nhược điểm lớn nhất của STHE Hai cách tốt nhất để tránh rung động là đỡ ống càng chắc càng tốt ( chẳng hạn như thu ngắn khoảng cách các tấm chắn) và giữ cho vận tốc lưu chất thấp phía vỏ Cả hai cách trên đều làm tăng giá thành của thiết bị trao đổi nhiệt Hiện nay, thiết kế để chống rung động cho STHE vẫn chủ yếu dựa trên kinh nghiệm của người thiết kế

2.5 Xói mòn:

Một vấn đề quan trọng khác cần lưu ý trong quá trình thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt là sự xói mòn: sự bào mòn kim loại nhanh chóng gây ra bởi ma sát với dòng lưu chất đi ngang qua ống Xói mòn diễn ra đồng thời và thúc đẩy quá trình ăn mòn bởi vì nó làm tróc lớp màng bảo vệ ống khỏi sự ăn mòn

Mức độ xói mòn tuỳ thuộc vào loại kim loại (kim loại càng cứng thì càng ít bị ăn mòn), vận tốc và tỉ trọng của chất lỏng, dạng hình học của thiết bị Do đó, xói mòn thường diễn ra nghiêm trọng hơn ở đầu vào ống hay trong đoạn uốn của ống

chữ U Ngoài ra còn các tác dụng phức hợp do tính chất hoá học của lưu chất và ống kim loại, đặc biệt là khi có ăn mòn

2.6 Lựa chọn dòng lưu chất trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống: Về mặt nguyên tắc, hai dòng lưu chất đi vào thiết bị trao đổi dạng ống vỏ đều có thể được đưa vào phía ống hay phía vỏ Tuy nhiên, cần cân nhắc đến 4 điểm sau để đưa ra quyết định nhằm đảm bảo tính kinh tế của thiết bị:

2.6.1 Áp suất cao

Nếu một trong hai dòng có áp suất cao, nên đưa dòng đó vào trong ống Trong trường hợp này, chỉ các ống và các thành phần phía ống cần được thiết kế để chịu áp suất cao, trong khi phía vỏ có thể được làm bằng kim loại nhẹ hơn Hiển nhiên, nếu cả hai dòng chảy đều có áp suất cao, ta phải cân nhắc đến các yếu tố khác để đưa ra quyết định Nếu phía vỏ chịu áp suất cao thì nên ưu tiên cho thiết kế thiết bị dài và đường kính nhỏ

2.6.2 Ăn mòn

Thường thì các vật liệu hợp kim chống ăn mòn có chi phí cao hơn nhiều so với kim loại thường, dòng chảy có tính chất ăn mòn cao hơn thường sẽ được đưa vào trong ống Nếu quá trình ăn mòn không thể bị ngăn chặn hoàn toàn mà chỉ có thể bị làm chậm bằng việc lựa chọn vật liệu phù hợp, thì người thiết kế phải lựa chọn thiết kế nào cho phép thay thế dễ dàng các bộ phận bị ăn mòn (trừ khi việc rã toàn bộ thiết bị và ráp mới có tính kinh tế cao hơn.)

2.6.3 Bám bẩn

Hiện tượng bám cáu bẩn là không thể tránh khỏi trong quá trình vận hành, do đó người thiết kế cũng phải tính đến thông số này khi thiết kế STHE Một số dòng lưu chất có khả năng gây bám bẩn rất lớn dẫn đến yêu cầu thiết kế phải đảm bảo

•••• giảm thiểu bám cáu (như tăng vận tốc, tránh các vùng chết hay vùng xoáy)

•••• thuận lợi cho việc vệ sinh (đưa dòng lưu chất bẩn vào trong ống, bước ống rộng và sử dụng kiểu bố trí ống sole góc 450 nếu dòng lưu chất phía vỏ gây bám bẩn)

•••• ghép nhiều thiết bị

2.7 Các nguyên tắc thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống:

Trước tiên, thiết bị phải đáp ứng được các yêu cầu về trao đổi nhiệt Hay nĩi cách khác, thiết bị phải tạo ra được ảnh hưởng làm thay đổi các đặc tính nhiệt của dịng lưu chất theo như yêu cầu với tổn thất áp suất trong phạm vi cho phép, và thiết bị phải đảm bảo khả năng vận hành sau khi được tắt và bảo trì theo lịch

Thứ hai, thiết bị phải chịu được điều kiện làm việc trong nhà máy Bao gồm ứng suất cơ khi lắp đặt, khởi động, tắt máy, điều kiện hoạt động bình thường, khẩn cấp, và khi bảo trì, cũng như chịu được ứng suất nhiệt gây ra do chênh lệch nhiệt độ ðồng thời, thiết bị phải chịu được sự ăn mịn gây ra do các dịng lưu chất và mơi trường vận hành Thơng thường các điều kiện trên cĩ thể được đáp ứng thơng qua việc lựa chọn vật liệu, nhưng thiết kế kết cấu thiết bị cũng cĩ một số ảnh hưởng nhất định Về mặt nguyên tắc, thiết bị cũng phải chống được bám bẩn, tuy nhiên vấn đề này khơng thể được giải quyết trọn vẹn ở phần thiết kế ngồi việc người thiết kế cĩ thể giữ cho tốc độ dịng chảy cao tới mức tổn thất áp suất và giới hạn rung động cho phép

Thứ ba, thiết bị phải cĩ thể được bảo trì, thường là thiết kế sao cho thuận lợi cho việc vệ sinh phía ống hay phía vỏ, dễ dàng thay thế ống và các bộ phận dễ bị hư hỏng

do ăn mịn, xĩi mịn, hay rung động Yêu cầu này cĩ thể dẫn đến yêu cầu về vị trí lắp đặt cho thiết bị cũng như khơng gian cần thiết cho việc bảo trì

Cuối cùng, có thể có các giới hạn về ựường kắnh thiết bị, chiều dài, hay ựặc ựiểm

kỹ thuật của ống do yêu cầu của vị trắ lắp ựặt, khả năng nâng chuyển và bảo quản hay kho bãi

đôi khi thiết bị trao ựổi nhiệt ựược yêu cầu thiết kế sao cho có thể chuyển ựổi sang dùng cho một ứng dụng khác Tuy nhiên, tốt nhất thiết bị trao ựổi nhiệt nên ựược thiết kế ựể có thể ựáp ứng tốt nhất chỉ một nhiệm vụ ựược ựề ra

2.7.1 Các yếu tố cần ựược xác ựịnh trước khi thiết kế:

1 Chọn dòng chảy Sau khi ựã lựa chọn xong kiểu thiết bị trao ựổi nhiệt, tiếp theo người thiết kế phải quyết ựịnh dòng chảy nào ựi bên trong ống và dòng nào ựi bên ngoài Có nhiều yếu tố ảnh hưởng ựến việc ra quyết ựịnh này, trong ựó các yếu tố quan trọng nhất là:

a Khả năng sử dụng ống có cánh Việc sử dụng ống có cánh phát huy tác dụng khi một trong hai dòng lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn ựáng

kể so với dòng lưu chất còn lại Khi ựó dòng lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn sẽ ựược ựưa ra phắa vỏ

b Một trong hai dòng lưu chất có tắnh ăn mòn cao đề chống ăn mòn ta phải dùng hợp kim Hợp kim chống ăn mòn thường ựắt hơn nhiều lần so với thép cácbon, do ựó nên ựưa chất ăn mòn vào phắa ống, khi ựó chỉ phần ống, các bộ phận chia kênh dòng chảy và mặt sàng tiếp xúc với chất

ăn mòn cần ựược chế tạo bằng hợp kim hay phủ hợp kim Các thành phần khác có thể ựược chế tạo bằng kim loại thường

c Tương tự, nếu trong hai lưu chất có dòng có áp suất cao hơn thì dòng lưu chất ấy ựược ựưa vào trong ống

d Một trong hai lưu chất gây bám bẩn nhiều hơn Dòng gây bám bẩn nhiều hơn nên ựược về phắa ống do khả năng xúc rửa bằng cơ khắ dễ dàng hơn

so với phắa vỏ

e Dòng có yêu cầu tổn thất áp suất nghiêm ngặt hơn nên ñược ñưa ra phía

vỏ Do phía vỏ có thể dễ dàng thay ñổi các cách bố trí khác nhau ñể ñáp ứng yêu cầu về tổn thất áp suất

Rõ ràng, các yếu tố trên luôn xung ñột với nhau Chẳng hạn, một trong hai dòng lưu chất có áp suất cao hơn nhưng dòng lưu chất kia lại gây bám bẩn nhiều hơn Khi ñó, người thiết kế phải hoàn tất thiết kế và tính toán cho cả hai trường hợp

ñể có thể so sánh chi phí cho mỗi quyết ñịnh Thông thường, thiết kế với chi phí thấp hơn sẽ ñược chọn, tuy nhiên trong một số trường hợp yếu tố an toàn và ñộ tin cậy trong khi vận hành ñược ñưa lên ñầu thay cho tiêu chí lựa chọn theo tính kinh tế

2 Chọn kiểu vỏ Yếu tố quan trọng nhất khi lựa chọn vỏ là ứng suất nhiệt như ñã

ñề cập ở trên, ứng suất nhiệt suất hiện do chênh lệch nhiệt ñộ trung bình giữa ống và vỏ, và sự giãn nở do chênh lệch nhiệt ñộ có thể gây ra các hậu quả như: ống tuột khỏi mặt sang, bung hay oằn ống, hoặc oằn vỏ, hoặc mặt sàng bị biến dạng gây rò rỉ qua miếng ñệm

Việc xác ñịnh ứng suất nhiệt là công việc tính toán rất phức tạp và khó khăn, tuy nhiên ta có thể dựa vào các qui luật chung ñể hạn chế một phần khả năng hư hỏng do ứng suất nhiệt:

a ðối với các thiết bị có mặt sàng cố ñịnh, không có cách bố trí cụ thể nào

có thể giúp giải phóng hay tránh ứng suất nhiệt nên loại thiết bị này chỉ nên ñược dùng trong khi chên lệch nhiệt ñộ ñầu vào giữa hai dòng lưu chất không quá 1000F (37,780C)

b Thiết bị trao ñổi nhiệt với mặt sàng cố ñịnh có gắn thêm khớp giãn nở xoay phía vỏ có thể ñược dùng với chênh lệch nhiệt ñộ ñầu vào khoảng

2000F (93,30C) với áp suất trung bình phía vỏ (150 psig) Với các thiết bị chịu áp suất thấp có thể hoạt ñộng với mức chênh lệch nhiệt ñộ cao hơn

c Giải pháp triệt để nhất là sử dụng chùm ống chữ U do ống và vỏ giãn nở độc lập với nhau Tuy nhiên vẫn cĩ ứng suất nhiệt ở mặt sàng

d Ngồi ra, các thiết bị trao đổi cịn được thiết kế đặc biệt với một đầu ống

và mặt sàng cĩ thể di chuyển tự do nhằm giải quyết vấn đề ứng suất nhiệt như đã đề cập ở phần 2

3 Lựa chọn cách bố trí khi sử dụng nhiều thiết bị trao đổi nhiệt Tuỳ theo yêu cầu vận hành mà đơi khi các thiết bị

trao đổi nhiệt được ghép với nhau

để đáp ứng yêu cầu vận hành Cĩ

2 cách cơ bản cơ bản để ghép các

bộ trao đổi nhiệt là ghép song

song và ghép nối tiếp

Cách ghép song song thường

được dùng khi tổn thất áp suất bị

giới hạn ( kéo theo giới hạn về

chiều dài, đường kính, và khoảng

cách giữa các tấm hướng dịng)

dẫn đến việc giảm vận tốc của lưu chất

phía vỏ ðối với các thiết bị giống

nhau, mỗi bộ trao đổi nhiệt cĩ thể được

tách riêng ra để phân tích dựa theo tỉ lệ

dịng lưu chất đi qua

Cách ghép nối tiếp thường được sử

dụng khi:

a một thiết bị trao đổi nhiệt đơn với

nhiều pass ống cĩ hệ số F quá thấp

b khi cĩ giới hạn về chiều dài hoặc

Hình 2.13 Hai thiết bị trao đổi nhiệt giống nhau ghép theo kiểu song song

ñường kính, một thiết bị trao ñổi nhiệt ñơn không thể ñáp ứng ñược diện tích trao ñổi nhiệt yêu cầu

Có thể bố trí các thiết bị theo kiểu nối tiếp-song song Thông dụng nhất là cách bố trí các dãy thiết bị trao ñổi nhiệt song song nhau ( nhằm chia nhỏ dòng lưu chất ñến mức mà một thiết bị ñơn với kích thước tối ña cho phép có thể dễ dàng xử lý), mỗi dãy bao gồm các thiết bị trao ñổi nhiệt ghép nối tiếp nhau ( nhằm giảm ñộ chênh lệch nhiệt ñộ trung bình, Mean Temperature Difference-MTD)

2.7.2 Quy trình chung khi thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống (Perry

& Green, 1993):

• Các thông số của ñiều kiện vận hành phải ñược xác ñịnh trước khi bắt tay vào thiết kế (thành phần cấu tạo của các lưu chất, lưu lượng, nhiệt ñộ, áp suất)

• Xác ñịnh các tính chất vật lý cần thiết trong tầm nhiệt ñộ và áp suất ñang xét

• Lựa chọn loại thiết bị trao ñổi nhiệt

• Ước lượng kích thước của thiết bị, hệ số truyền nhiệt chung ñược ước lượng ban ñầu từ loại lưu chất, qui trình vận hành và thiết bị.Sau khi hoàn thành các bước thiết kế sơ bộ, tính toán lại các thông số cần thiết

Ớ đánh giá lại thiết kế ban ựầu, cân nhắc khả năng ựáp ứng yêu cầu về hai mặt truyền nhiệt và tổn thất áp suất

Ớ Dựa trên các kết quả tắnh toán, ựưa ra quyết ựịnh có chấp nhận thiết kế ban ựầu hay không, nếu không thì phải thiết kế lại và lặp lại các bước trên Các thông số thiết kế thường ựược chọn lựa ựể thay ựổi là bước ống, khoảng cách giữa các tấm chắn và chiều cao cắt đôi khi việc ghép các thiết bị trao ựổi nhiệt cũng ựược cân nhắc trong trường hợp này Khi thiết kế ựáp ứng phụ tải nhiệt nhưng tổn thất áp suất chưa tới mức giới hạn theo yêu cầu, có thể thay ựổi các thông số ựể tận dụng tổn thất áp suất cho phép

Thiết kế cuối cùng phải là thiết kế ựáp ứng ựược các yêu cầu vận hành (với sai

số trong giới hạn cho phép) với chi phắ thấp nhất Chi phắ này bao gồm cả chi phắ vận hành, bảo trì, khả năng ựáp ứng các thay ựổi dài hạn khi vận hành và chi phắ lắp ựặt ban ựầu Tuy nhiên việc lựa chọn các thiết bị trao ựổi nhiệt không nên chỉ dựa vào yếu tố cơ bản là giá thành, bởi vì giá thành càng thấp thì ựộ tin cậy của thiết bị càng giảm

Xác định phụ tải của thiết bị Nếu cần thiết phải tính toán cân bằng nhiệt để xác định lưu lượng và nhiệt độ các dòng

lưu chất đi vào và ra khỏi thiết bị

Xác định các thông số vật lý của lưu chất:

Ước tính hệ số truyền nhiệt chung Uo,ass

Chọn số pass , tính toán độ chênh lệch

nhiệt độ trung bình logrít deltaTlm, hệ số

hiệu chỉnh F và độ chênh nhiệt độ trung

bình deltaTm

Tính diện tích truyền nhiệt cần thiết:

A0 = [Q/(U0,ass.deltaTm)]

Chọn kiểu ống, cỡ ống, lưu chất đi về

phía vỏ và phía ống

Tính số ống

Tính đường kính vỏ

Ước tính hệ số truyền nhiệt về phía ống

Chọn khoảng cách các vách ngăn và ước

tính hệ số truyền nhiệt phía vỏ

Tính hệ số truyền nhiệt chung có tính đến hệ số bám bẩn,

Hình 2.16 Sơ đồ thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ bọc chùm ống (Sinnott, 1993)