Tìm hiểu các loại thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨMMÔN: MÁY VÀ THIẾT BỊ THỰC PHẨMTÌM HIỂU CÁC LOẠI THIẾT BỊ GIA NHIỆT DẠNG ỐNG CHÙMMỤC LỤC1.Nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm2.Nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm3.Ưu nhược điểm4.Các thông số cơ bản của thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm5.Ứng dụng thực tế của thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm: thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TIỂU LUẬN MÔN: MÁY VÀ THIẾT BỊ THỰC PHẨM TÌM HIỂU CÁC LOẠI THIẾT BỊ GIA NHIỆT DẠNG ỐNG CHÙM

MỤC LỤC

1 Nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm 4

2 Nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm 5

3 Ưu nhược điểm 7

4 Các thông số cơ bản của thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm: 8

5 Ứng dụng thực tế của thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm: thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh 10

MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Các bộ phận chính của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống trùm 4

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 6

Hình 3 Sơ đồ minh hoạt nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 6

Hình 4 Sơ đồ minh hoạt nguyên lí hoạt động của một thiết bị trao đổi nhiệt ống trùm thông dụng 7

Hình 5 Bình ngưng ống chùm nằm ngang 12

Hình 6 Bố trí đường nước tuần hoàn 12

Hình 7 Bình ngưng frêôn 14

Hình 8 Bình ngưng frêôn 15

Hình 9 Bình ngưng frêôn 15

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

Trần Thị Cẩm Duyên Cấu tạo

Huỳnh Thị Hương Hảo Nguyên lý hoạt động

Nguyễn Thị Mỹ Duyên Ưu nhược điểm

Trần Tấn Tài Các thông số cơ bản

Nguyễn Phúc Nhật Huy Ví dụ minh họa, word, powerpoint

1. Nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm được chia thành nhiều dạng khác nhau nhưng cơ bản cấu tạo đều tương đồng nhau Có 2 yếu tố để phân loại là: Đặc điểm của phần vỏ ngoài (Shell), và kiểu dòng chảy (Tube Side Channel)

Cấu tạo các bộ phận chính cơ bản của một thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm sẽ được mô tả ở hình dưới:

Hình 1 Các bộ phận chính của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống trùm

a Ống trao đổi nhiệt (pipe exchange)

Đây là trái tim của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, bề mặt của ống

trao đổi nhiệt chính là bề mặt truyền nhiệt giữa lưu thể chảy bên trong ống và bên ngoài ống Các ống trao đổi nhiệt này được gắn vào mặt sàng ống bằng cách

sử dụng phương pháp hàn hoặc phương pháp nong (Với một số ứng dụng có thể

sử dụng đồng thời cả hai phương pháp nong ống và hàn ống)

Vật liệu cấu tạo ống trao đổi nhiệt đa phần là thép hợp kim và đồng, tuy nhiên trong một số trường hợp bộ trao đổi nhiệt yêu cầu cao cấp (ngành hàng không vũ trụ) cần sử dụng vật liệu từ hợp kim nhôm, Niken, Titanium

Có hai loại dạng ống trao đổi nhiệt được sử dụng: Ống trơn hoặc sử dụng ống có cánh khi một lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn rất nhiều so với lưu chất kia

b Mặt sàng ống (tube sheet)

Mặt sàng ống có hình dạng tròn, thường là một tấm kim loại (thép đen, thép hợp kim, inox, titan ) được khoét tạo lỗ và tạo rãnh để có định ống Các ống được gắn vào các lỗ mặt sàng bằng phương pháp hàn (hàn thủ công hoặc hàn tự động) hay phương pháp nong ống làm biến dạng đường kính ống trao đổi nhiệt tùy thuộc vào vật liệu ống hoặc mục đích sử dụng của thiết bị trao đổi nhiệt Với một số bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm đặc biệt cần chịu áp lực lớn thì 2 phương pháp này cùng được sử dụng trong 1 lần thao tác

Đặc biệt ngoài kết cấu cơ khí như trên, mặt sàng ống cần đáp ứng yêu cầu chống ăn mòn trong quá trình sử dụng Vật liệu cấu tạo cần có tính chất điện hóa tương đồng cới vật liệu chế tạo ống vào khoang chứa

c Vỏ và cửa lưu chất vào/ra (Shell and Shell-Side Nozzles)

Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm (Shell) là một bộ phận chứa lưu chất phía ngoài ống trao đổi nhiệt Cửa lưu chất là bộ phận để đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngoài ống vào và ra khỏi thiết bị Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm thường có tiết diện hình tròn được chế tạo từ thép tấm

d Khoang đầu và đầu đưa chất lỏng vào/ra phía trong ống (Tube-Side Channel and Nozzles)

Khoang đầu và các đầu dẫn lưu chất phía trong ống vào/ra đơn giản là để kiểm soát dòng lưu chất chảy phía trong lòng ống của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, vật liệu chế tạo được làm bằng hợp kim

e Nắp đậy (Cover)

Nắp đậy của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm là tấm hình tròn (có thể

là một chỏm cầu) được lắp với mặt bích của khoang đầu bằng các bulong

f Tấm chia khoang (Pass Divider)

Với một số thiết bị trao đổi nhiệt dạng dạng ống chùm, tấm chia khoang được sử dụng khi thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thiết kế với số khoang ống từ

2 trở lên

g Vách ngăn (Baffles)

Vách ngăn có dạng viên phân đơn có chức năng là tạo thành cơ cấu để định vị ống trao đổi nhiệt ở vị trí thích hợp khi lắp đặt cũng như khi vận hành và giữ cho bó ống không bị rung do sự chuyển động xoáy của lưu chất

2. Nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữa hai lưu thể chuyển động bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt

Để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể trong và ngoài ống theo phương vuông góc hoặc chéo dòng Tùy theo ứng dụng cụ thể mà bố trí kiểu dòng chảy khác nhau Để phân phối lưu thể trong

và ngoài ống người ta tạo ra hai khoang để phân phối lưu chất trong và ngoài ống khác nhau Lưu chất chảy ngoài ống được chứa trong vỏ trụ (Shell) còn lưu chất chảy trong lòng ống được chứa khoang đầu và trong lòng ống Toàn bộ bó ống được đặt trong vỏ trụ Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được minh họa trong hình vẽ dưới đây:

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

Hình 3 Sơ đồ minh hoạt nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt

ống chùm

Hình 4 Sơ đồ minh hoạt nguyên lí hoạt động của một thiết bị trao đổi nhiệt ống

trùm thông dụng

3 Ưu nhược điểm

a Thiết bị ống chùm 1 pass

* Ưu điểm:

 Kết cấu gọn, chắc chắn

 Công nghệ chế tạo không phức tạp

 Bề mặt truyền nhiệt lớn

 Dễ vệ sinh, sửa chữa

 Chắc chắn tốn ít kim loại

* Nhược điểm:

 Khó chế tạo bằng vật liệu dòn

 giá thành cao

* Ứng dụng:

 Làm bình ngưng tụ và hơi môi chất

 Làm bình bốc hơi cho máy lạnh

 Làm bình quá lạnh

b Thiết bị ống chùm 2 pass

* Ưu điểm:

 Năng suất và hiệu suất truyền nhiệt lớn.

 Ngắn gọn

 Trở lực dòng chảy phía vỏ rất bé

 Dễ lắp đặt và vận hành

* Nhược điểm:

 Chế tạo phức tạp

 Khó làm vệ sinh phía ống

 Các mặt bích phải có đệm bít kín mới không bị rò rỉ

 Khó thay thế các ống khi bị ăn mòn

* Ứng dụng:

 Đun nóng

 làm nguội

 làm ngưng tụ dòng lưu chất lỏng và lưu chất hơi

4 Các thông số cơ bản của thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm:

a Nhiệt độ và áp suất

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 Vật liệu để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm chỉ phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, vì vậy cho phép thiết

kế để đáp ứng được các yêu cầu khác như độ rung, khả năng sử dụng cho các lưu thể có những tính chất đóng cặn, chất có độ nhớt cao, có tính xâm thực, tính

ăn mòn, tính độc hại và hỗn hợp nhiều thành phần

Các lưu thể chuyển động trong thiết bị trao đổi nhiệt thường có nhiệt độ khác nhau tương đối lớn, vì vậy mà nhiệt độ của các bộ phận, chi tiết của thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc với các lưu thể này cũng khác xa nhau, đặc biệt là giữa các ống trao đổi nhiệt và vỏ thiết bị Nhiệt độ của các bộ phận, chi tiết trong thiết bị khác nhau, do đó, độ giãn nở nhiệt của các phần này cũng khác nhau

Điều này dẫn đến sự di chuyển tương đối giữa các bộ phận so với vị trí ban đầu

và sinh ra các ứng suất dư cục bộ Các chi tiết có chiều dài lớn là vỏ và ống trao đổi nhiệt bị ảnh hưởng của nhiệt độ càng lớn Ứng suất nhiệt càng lớn khi nhiệt

độ giữa hai bộ phận này có chênh lệch càng lớn

Các thông số của nhiệt độ cần quan tâm trong thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm là: nhiệt độ đầu vào, đầu ra của dòng nóng và dòng lạnh, lưu lượng môi chất đi vào ống gia nhiệt, áp suất hơi…Tùy vào yêu cầu của sản phẩm mà các thông số sẽ được điều chỉnh hợp lí

b Tốc độ dòng chảy:

Dòng nóng và lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm thường được bố trí chảy ngược chiều nhau để tăng hiệu suất truyền nhiệt, lưu lượng dòng chảy trong ống thường là 0,1 đến 3.500 m3/giờ và được điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu của sản phẩm Dòng chảy bên ống đi qua bó ống (được bảo đảm bằng các tấm kim loại được gọi là tubesheets hoặc tubeplates) và thoát ra khỏi ống Tương tự, dòng chảy phía vỏ bắt đầu từ đầu vào vỏ, đi qua các ống này và thoát ra ở đầu ra vỏ Các tiêu đề ở hai bên của bó ống tạo ra các bể chứa cho dòng chảy bên ống và có thể được chia thành các phần theo các loại trao đổi nhiệt cụ thể

c Hệ số truyền nhiệt của ống gia nhiệt:

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống là một thiết bị đặt hai chất lỏng làm việc tiếp xúc với nhiệt bằng cách sử dụng các ống được đặt trong một vỏ hình trụ bên ngoài Hai con đường tích hợp này thường được chế tạo từ các kim loại dẫn nhiệt cho phép truyền nhiệt dễ dàng (thép, hợp kim nhôm, )

Các ống này mang một chất lỏng từ đầu vào của chúng đến đầu ra của chúng (dòng chảy bên phía trong ống), trong khi vỏ truyền một chất lỏng riêng biệt qua các ống này (dòng chảy bên phía vỏ ống)

Số lượng ống, được gọi là bó ống sẽ quyết định diện tích bề mặt tiếp xúc với dòng chảy phía vỏ và do đó xác định lượng nhiệt được truyền đi Những thiết bị

này là một trong những phương tiện trao đổi nhiệt hiệu quả nhất, vì chúng dễ dàng được chế tạo, bảo trì, nhỏ gọn và cung cấp khả năng truyền nhiệt tuyệt vời Chúng được phân phối rộng rãi trong công nghiệp, hữu ích cho thiết

bị ngưng tụ, làm mát tua bin, thiết bị bay hơi, sấy sơ bộ nước cấp, và nhiều hơn nữa

0C kg/m3 J/kg.0C W/m.0C N.s/m2

0 999.9 4212 0.551 0.0017880 13.67

10 999.7 4191 0.574 0.0013060 9.52

20 998.2 4183 0.599 0.0010040 7.02

30 995.7 4174 0.618 0.0008015 5.42

40 992.2 4174 0.635 0.0006533 4.31

50 988.1 4174 0.648 0.0005494 3.54

60 983.2 4179 0.659 0.0004694 2.98

70 977.8 4187 0.668 0.0004061 2.55

80 971.8 4195 0.674 0.0003551 2.21

90 965.3 4208 0.680 0.0003149 1.95

100 958.4 4220 0.683 0.0002825 1.75

110 951.0 4233 0.685 0.0002590 1.60

120 943.1 4250 0.686 0.0002374 1.47

130 934.8 4266 0.684 0.0002178 1.36

5 Ứng dụng thực tế của thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm: thiết bị ngưng

tụ trong hệ thống lạnh

a Vai trò thiết bi ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ ngưng tụ gas quá nhiệt sau máy nén thành môi chất lạnh trạng thái lỏng Quá trình làm việc của thiết bị ngưng tụ có ảnh hưởng quyết định đến áp suất và nhiệt độ ngưng tụ và do đó ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn làm việc của toàn hệ thống lạnh Khi thiết bị ngưng tụ làm việc kém hiệu quả, các thông số của hệ thống sẽ thay đổi theo chiều hướng không tốt, cụ thể là:

- Năng suất lạnh của hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu tăng

- Nhiệt độ cuối quá trình nén tăng.

- Công nén tăng, mô tơ có thể quá tải

- Độ an toàn giảm do áp suất phía cao áp tăng, rơ le HP có thể tác động ngừng máy nén, van an toàn có thể hoạt động

- Nhiệt độ cao ảnh hưởng đến dầu bôi trơn như cháy dầu

b Phân loại thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ có rất nhiều loại và nguyên lý làm việc cũng rất khác nhau Người ta phân loại thiết bị ngưng tự căn cứ vào nhiều đặc tính khác nhau

- Theo môi trường làm mát

+ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước Để làm mát bằng nước cấu tạo của thiết bị thường có dạng bình hoặc dạng dàn nhúng trong các bể

+ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí Một số thiết

bị ngưng tụ trong đó kết hợp cả nước và không khí để giải nhiệt, trong thiết bị kiểu đó vai trò của nước và không khí có khác nhau: nước sử dụng

để giải nhiệt cho môi chất lạnh và không khí giải nhiệt cho nước Ví dụ như dàn ngưng tụ bay hơi, dàn ngưng kiểu tưới vv…

+ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí Không khí đối lưu cưỡng bức hoặc tự nhiên qua thiết bị và trao đổi nhiệt với môi chất

+ Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng chất khác Có thể thấy thiết bị kiểu này trong các hệ thống máy lạnh ghép tầng, ở đó dàn ngưng chu trình dưới được làm lạnh bằng môi chất lạnh bay hơi của chu trình trên

- Theo đặc điểm cấu tạo:

+ Bình ngưng tụ giải nhiệt bằng nước

+ Dàn ngưng tụ bay hơi

+ Dàn ngưng kiểu tưới

+ Dàn ngưng tụ làm mát bằng không khí

+ Dàn ngưng kiểu ống lồng ống.

+ Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản

- Theo đặc điểm đối lưu của không khí:

+ Thiết bị ngưng tụ làm mát nhờ đối lưu tự nhiên + Thiết bị ngưng tụ làm mát nhờ đối lưu cưỡng bức

Ngoài ra có thể có rất nhiều cách phân chia theo các đặc điểm khác như: theo chiều chuyển động của môi chất lạnh và môi trường giải nhiệt Về cấu tạo cũng có nhiệt kiểu khác nhau như kiểu ngưng tụ bên ngoài bề mặt ống trao đổi nhiệt, bên trong ống trao đổi nhiệt hoặc trên các bề mặt phẳng

Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu một số thiết bị ngưng tụ thường được sử dụng nhất trong các hệ thống lạnh ở nước ta

c Ứng dụng thực tế: Bình ngưng giải nhiệt bằng nước

- Bình ngưng ống chùm nằm ngang

Bình ngưng ống chùm nằm ngang là thiết bị ngưng tụ được sử dụng rất phổ biến cho các hệ thống máy và thiết bị lạnh hiện nay Môi chất sử dụng có thể là amôniắc hoặc frêôn Đối bình ngưng NH3 các ống trao đổi nhiệt là các ống thép áp lực C20 còn đối với bình ngưng frêôn thường sử dụng ống đồng có cánh

về phía môi chất lạnh

- Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH3

Trên hình 5 trình bày cấu tạo bình ngưng sử dụng trong các hệ thống lạnh

NH3 Bình ngưng có thân hình trụ nằm ngang làm từ vật liệu thép CT3, bên trong

là các ống trao đổi nhiệt bằng thép áp lực C20 Các ống trao đổi nhiệt được hàn kín hoặc núc lên hai mặt sàng hai đầu Để có thể hàn hoặc núc các ống trao đổi nhiệt vào mặt sàng, nó phải có độ dày khá lớn từ 2030mm Hai đầu thân bình

là các nắp bình Các nắp bình tạo thành vách phân dòng nước để nước tuần hoàn nhiều lần trong bình ngưng Mục đích tuần hoàn nhiều lần là để tăng thời gian tiếp xúc của nước và môi chất; tăng tốc độ chuyển động của nước trong các ống

trao đổi nhiệt nhằm nâng cao hệ số toả nhiệt alpha Cứ một lần nước chuyển động từ đầu này đến đầu kia của bình thì gọi là một pass Ví dụ bình ngưng 4 pass, là bình có nước chuyển động qua lại 4 lần (hình 6) Một trong những vấn

đề cần quan tâm khi chế tạo bình ngưng là bố trí số lượng ống của các pass phải đều nhau, nếu không đều thì tốc độ nước trong các pass sẽ khác nhau, tạo nên tổn thất áp lực không cần thiết

Hình 5 Bình ngưng ống chùm nằm ngang Các trang thiết bị đi kèm theo bình ngưng gồm: van an toàn, đồng hồ áp suất với khoảng làm việc từ 0  30 kG/cm2 là hợp lý nhất, đường ống gas vào, đường cân bằng, đường xả khí không ngưng, đường lỏng về bình chứa cao áp, đường ống nước vào và ra, các van xả khí và cặn đường nước Để gas phân bố đều trong bình trong quá trình làm việc đường ống gas vào phân thành 2 nhánh

bố trí 2 đầu bình và đường ống lỏng về bình chứa nằm ở tâm bình

Nguyên lý làm việc của bình như sau: Gas từ máy nén được đưa vào bình

từ 2 nhánh ở 2 đầu và bao phủ lên không gian giữa các ống trao đổi nhiệt và thân bình Bên trong bình gas quá nhiệt trao đổi nhiệt với nước lạnh chuyển động bên trong các ống trao đổi nhiệt và ngưng tụ lại thành lỏng Lỏng ngưng tụ bao nhiêu lập tức chảy ngay về bình chứa đặt bên dưới bình ngưng Một số hệ thống không có bình chứa cao áp mà sử dụng một phần bình ngưng làm bình chứa Trong trường hợp này người ta không bố trí các ống trao đổi nhiệt phần dưới của bình Để lỏng ngưng tụ chảy thuận lợi phải có ống cân bằng nối phần hơi bình ngưng với bình chứa cao áp