đồ án gốc

Đồ án quá trình và thiết bị
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
1. Cán bộ hướng dẫn . Nhận xét

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Điểm : ………. Chữ ký : …...........
2. Hội đồng bảo vệ. Nhận xét :

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Điểm : ……… Chữ ký : …………
Điểm tổng kết : …………….
Nguyễn Thị Dung - 20180433

1
MỤC LỤC
MỤC LỤC…...………………………………………………………………………………
2
LỜI NÓI ĐẦU...…………………………...…………………………..
…………………...3
PHẦN I: TỔNG QUAN…………………………………..…………..………………………………….……4
I. Tổng quan về cồn……………………………………………………….…………………………..…….4
1. Tình hình sản xuất và sử dụng cồn trên thế giới và Việt Nam………………….…...4
2. Ứng dụng……………………………………………………………………………………………..………6
II. Thiết bị ngưng tụ….…………………………………………………………………….…………….10
1. Vai trò………………………………………………………………………………………………..………10
2. Phân loại…………………………………………………………………………………………………...10
3. Thiết bị ngưng tụ……………………………………………………………………………………….12
III. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm……………………………………….……………..32
1. Giới thiệu…………………………………………………………………………………………………..32
2. Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng……………………….………………………32
PHẦN II: CÔNG NGHỆ…………………………………………………………………….………………39
1. Khái quát chung……………………………………………………………………………...………..39
2. Bố trí dòng chảy trong thiết bị………………………………………………..………….……..40
3. Một số vấn đề kỹ thuật khác…………………………………………………………….……….41
4. Cách tính……………………………………………………………………………….……….………...43
PHẦN III : TÍNH TOÁN…………………………………………………………………..……….………45
I. Các bước tính………………………………………………………………………………….…………45
II. Tính toán cơ khí……………………………………………………………………………….……...54
1. Thân thiết bị……………………………………………………………………………..….………….54
2. Đáy và nắp thiết bị……………………………………………………………..……….…………..55
3. Mặt bích………………………………………………………………………………..…….………....55
PHẦN IV: KẾT LUẬN………………………………………………………………………….………….57
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………………..………..…58

2
LỜI MỞ ĐẦU
Cồn và các sản phẩm chứa cồn chiếm vị trí đáng kể trong ngành công
nghiệp thực phẩm cũng như các nhu cầu khác: y tế, nhiên liệu và nguyên liệu cho
các ngành công nghiệp khác. Vì vậy việc xây dựng lên các nhà máy sản xuất, thiết
bị chưng luyện cồn là rất cần thiết để tận dụng nguồn nguyên liệu không dùng đến
như: rỉ đường cũng như tạo ra sản phẩm cồn có nhiều ứng dụng trong nền công
nghiệp nước ta.
Trong ngành công nghiệp sản xuất rượu cồn thì giai đoạn ngưng tụ hơi cồn
là một trong những giai đoạn quan trọng để thu được sản phẩm cồn nguyên chất,
đạt một chất lượng cao nhất. Đa số các nhà máy sử dụng thiết bị ngưng tụ dạng
ống chùm dạng nằm ngang với ưu điểm là có khoảng áp dụng 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 cao và cho tất cả các dạng lưu thể ở nhiệt độ áp suất khác
nhau ở phía trong và ngoài ống. Vật liệu 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
những nhu cầu khác nhau như: độ rung, khả năng sử dụng cho các lưu thể có tính
chất đóng cặn, chất có độ nhớt cao, có tính xâm thực, tính ăn mòn, tính độc hại.
Sau một thời gian học tập và dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Phan
Minh Thụy, em đã hoàn thành đồ án của mình. Với đề tài “Thiết kế thiết bị trao
đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn nồng độ 80% khối lượng, lưu
lượng 9000kg/ngày bằng nước mát 250C” đã giúp em hiểu kĩ hơn về thiết bị trao
đổi nhiệt ống chùm cũng như quá trình truyền nhiệt gián tiếp giữa các lưu thể và
cách tính toán, thiết kế một thiết bị trao đổi nhiệt. Trong quá trình làm đề tài dù em
đã cố gắng nhiều nhưng vẫn còn nhiều sai xót, em rất mong nhận được sự góp ý
của thầy cô để giúp em hoàn thiện đồ án một cách tốt nhất, để sau khi ra trường em
sẽ có một nền tảng kiến thức thật tốt.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Quá trình
và thiết bị đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án này. Đồng thời, em xin cám ơn
sự giúp đỡ tận tình của thầy Phan Minh Thụy trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
3
Em xin chân thành cảm ơn !!!
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Dung
PHẦN I: TỔNG QUAN

4
I. Tổng quan về cồn

1. Tình hình sản xuất cồn và sử dụng cồn trên thế giới và Việt Nam
Công nghê ̣ cồn Etylic là khoa học về phương pháp và quá trình chế biến
các nguyên liê ̣u chứa tinh bô ̣t, đường, xenluloza, Etylen thành sản phẩm Etanol.
Công nghê ̣ sản xuất cồn thực phẩm sử dụng các kiến thức về lý hóa học, hoá
keo, hoá công và hoá sinh.
Quy trình công nghê ̣ sản xuất cồn Etylic có thể chia thành các công đoạn
chính : chuẩn bị dịch đường lên men, gây men giống, lên mên dịch đường và xử
lý dịch lên men.
- Chuẩn bị dịch lên men: Nếu nguyên liê ̣u chứa tinh bô ̣t thì công đoạn này
gồm nghiền, nấu, đường hoá và làm lạnh đến nhiê ̣t đô ̣ lên men. Nếu nguyên liê ̣u
là mâ ̣t rỉ thì chuẩn bị dịch lên men gồm pha loãng sơ bô ̣, xử lí mâ ̣t rỉ, bổ xung
nguồn dinh dưỡng, tách că ̣n rồi pha loãng tới nồng đô ̣ gây men và lên men.
- Gây men giống và lên men: muốn lên men trước hết cần phát triển men
giống tới chất lượng và số lượng cần thiết, thường bằng 10% thể tích thùng lên
men. Sau đó đưa men giống và dịch đường vào thùng rồi khống chế ở điều kiê ̣n
xác định để nấm men chuyển hoá đường thành rượu và CO2. Dịch nhâ ̣n được
sau lên men gọi là giấm chín.
- Xử lí dịch lên men : Công đoạn này có liên quan tới kiến thức lí học và quá
trình thiết bị công nghê ̣ hoá(đó chính là quá trình chuyển khối). Thực chất là
dùng hê ̣ thống chưng luê ̣n phù hợp để tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi dấm
chín, sau đó đem tinh luyê ̣n để nhâ ̣n được cồn sản phẩm, thoả mãn tiêu chuẩn và
yêu cầu tiêu dùng. Sản phẩm thu được sau xử lí bao gồm cồn thực phẩm, cồn
đầu, dầu fusel ( hoă ̣c ancol cao phân tử). Ngoài ra còn thu được mô ̣t số các sản
phẩm khác…

5
Tuy nhiên để thu được cồn tinh chế có tiêu chuẩn đáp ứng được yêu cầu
không phải là viê ̣c dễ làm. Đă ̣c biê ̣t là viê ̣c tách bỏ các loại tạp chất ( nhất là các
chất đô ̣c) ra khỏi cồn. Do đó trong khuôn khổ của mô ̣t đồ án tốt nghiê ̣p là thiết
kế phân xưởng sản xuất cồn(từ lên men đến tinh chế) sẽ trình bày về công đoạn
chưng cất tinh chế bắt đầu từ sau lên men thu được dấm chín nồng đô ̣ 5%-7% để
thu được cồn đạt yêu cầu TCVN 71 loại I là chính. Đă ̣c biê ̣t là chú trọng đến các
giải pháp công nghê ̣.
Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và cho các nhu
cầu khác như : y tế, nhiên liê ̣u và nguyên liê ̣u cho các ngành công nghiê ̣p khác.
Tuỳ theo tình hình phát triển của mỗi nước, tỷ lê ̣ cồn dùng trong các ngành rất
đa dạng và khác nhau. ở các nước có nền công nghiê ̣p rượu vang phát triển như
Italia, Pháp, Tây ban nha… cồn được dùng để tăng thêm nồng đô ̣ rượu. Mô ̣t
lượng khá lớn cồn được dùng để pha chế các loại rượu mạnh, cao đô ̣ như
Whisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum….
Rượu và các đồ uống có rượu chiếm mô ̣t vị trí đáng kể trong công nghiê ̣p
thực phẩm. Chúng rất đa dạng tuỳ theo truyền thống và thị hiếu của người tiêu
dùng mà các nhà sản xuất làm ra nhiều loại rượu mang tên khác nhau. Tuy nhiên
có thể chia thành 3 loại chính: rượu mạnh có nồng đô ̣ trên 30% V, rượu thông
thường có nồng đô ̣ từ 15 đến 30 % V, và rượu nhẹ có nồng đô ̣ dưới 15%V.
Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ công đã có từ ngàn xưa và chưa có tài liê ̣u nào
cho biết chính xác có từ khi nào. ở miền núi, đồng bào các dân tô ̣c dùng gạo,
ngô, khoai, sắn, nấu chín rồi cho lên men, men này được lấy từ mô ̣t số lá cây
hoă ̣c được nuôi cấy thuần khiết hơn. Sản phẩm nổi tiếng là rượu cần. ở đồng
bằng, nhân dân biết nuôi cấy và phát triển nấm mốc, nấm men trong thiên nhiên
trên môi trường thích hợp, gạo và các nguyên liê ̣u khác nhau có chứa tinh bô ̣t
đã được nấu chín. Đó gọi là men thuốc bắc. Sản xuất rượu cồn theo công nghiệp
6
ở nước ta đã bắt đầu từ năm 1898 do người Pháp thiết kế và xây dựng.Trước
cách mạng tháng Tám một loạt các nhà máy sản xuất rượu từ nguyên liê ̣u tinh
bô ̣t được thành lâ ̣p như ở Hà Nô ̣i, Nam Định, Hải Dương,… Sau này có xây
dựng thêm mô ̣t số nhà máy sản xuất cồn rượu từ mâ ̣t rỉ tâ ̣n dụng mâ ̣t rỉ của các
nhà máy đường.Tuy vâ ̣y cồn của các nhà máy của ta làm ra nói chung chưa đạt
TCVN-71, nhưng TCVN-71 về cồn rượu của ta cũng thuô ̣c loại thấp so với các
nước tiên tiến trên thế giới.
Trước tình hình đó. Trong hô ̣i thảo “Dự án chiến lược phát triển khoa học công
nghê ̣ ngành rượu bia nước giải khát “,theo đề nghị của các chuyên gia đến năm
2005 nước ta nên có khoảng 180 đến 200 triê ̣u lít rượu các loại, tương đương
khoảng 50 triê ̣u lít cồn tinh khiết. Trong đó cồn từ nguyên liê ̣u tinh bô ̣t chiếm 30-
40 %, số còn lại là cồn từ rỉ đường.Cồn tinh bô ̣t trước mắt do nhà máy rượu Bình
Tây, Hà Nô ̣i và Thanh Ba đảm nhiê ̣m nhưng cần hoàn chỉnh công nghê ̣ và thiết bị
để có thể sử dụng hết năng suất thiết kế. Đồng thời xây dựng thêm mô ̣t số nhà máy
rượu rỉ đường ở những nơi có mâ ̣t rỉ. Nếu không làm sẽ dẫn đến lãng phí lượng rỉ
do các nhà máy đường thải ra.
Song song với sản xuất các loại rượu uống chúng ta cần nhanh chóng triển khai
sản xuất acid axetic, acid xitric từ rỉ đường để cung cấp cho nhu cầu của ngành cao
su và các ngành kinh tế khác. Trước mắt có thể phối hợp với chương trình năng
lượng nghiên cứu sử dụng cồn vào mục đích thay thế chất. đốt. Điều này sẽ vô
cùng có lợi vì cồn cháy sẽ ít ảnh hưởng đến môi trường như dầu hoả, lại hạn chế
được cả tình trạng phá rừng lấy củi đốt.
Chúng ta cần đổi mới quan niê ̣m “cồn chỉ để pha rượu uống “. Trong tương lai
không xa nữa, chắc chắn rằng cồn ở nước ta cũng trở thành nguyên liê ̣u cho nhiều
ngành sản xuất khác như nhiều nước đã và đang làm.
2. Ứng dụng của cồn
Cồn là chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, dễ hút ẩm, tạo hỗn hợp đẳng phí
với nước, nồng độ cồn ở điểm đẳng phí là 89%, cồn trộn với nước có nhiệt độ sôi
7
là 78,150C. Cồn etylic là chất phân cực mạnh. Cồn có thể trộn lẫn với ete và nhiều
dung môi khác. Cồn có thể hoà tan nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ. Cồn dễ cháy
và tạo hỗn hợp nổ với không khí.
Cồn có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội.
• Cồn được dùng nhiều trong đời sống: Cồn pha với nước thành rượu để uống,
chế biến thức ăn, chế biến các loại hương hoa quả...
• Trong y tế cồn được dùng để sát trùng, sản xuất dược phẩm, để chữa bệnh,...
• Cồn còn là một sản phẩm hoá học: vì cồn có thể sử dụng trực tiếp hoặc là
nguyên liệu trung gian để sản xuất axit acetic, andehyt acetic, etyl acetat và các hoá
chất khác, có thể tạo ra hoá chất dầu mỏ.
• Ngoài ra cồn còn được dùng trong công nghiệp để làm chất đốt, làm dung môi
hoà tan các hợp chất vô cơ cũng như hữu cơ.
• Cồn còn được dùng trong cao su tổng hợp,...
• Ngày nay, người ta còn dùng cồn tuyệt đối (trên 99,5%V) để thay thế một phần
nhiên liệu cho động cơ ô tô. Cồn có thể thay thế 20% - 22% trong tổng lượng xăng
thành "gasohol" để sử dụng trong ôtô và các phương tiện khác dùng động cơ xăng.
Đây là một hướng phát triển mới và đầy triển vọng của ngành công nghiệp vì việc
sử dụng cồn thay thế một phần cho xăng sẽ làm giảm bớt sự ô nhiễm môi trường,
để tiết kiệm năng lượng của các loại động cơ. Nó làm tăng chỉ số octan của xăng,
ngăn cản sự cháy kích nổ và dẫn đến có thể thay thế tetra etyl chì là một chất độc.
Cồn có rất nhiều ứng dụng, chính vì vậy việc tạo cồn tuyệt đối là công việc cần
thiết và được quan tâm phát triển
III. Thiết bị ngưng tụ
1.Vai trò của thiết bị ngưng tụ

8
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.
2. 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.

9
 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.
3. Thiết bị ngưng tụ
3.1 Bình ngưng giải nhiệt bằng nước
3.1.1 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
10
hoặc frêôn. Đối bình ngưng NH3 các ống trao đổi nhiệt là các ống thép áp lực C 20
còn đối với bình ngưng frêôn thường sử dụng ống đồng có cánh về phía môi chất
lạnh.
a. Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH3
Trên hình 6-1 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 CT 3, bên trong là các
ống trao đổi nhiệt bằng thép áp lực C 20. 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 α. 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 6-2).
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.

11
Hình 6-1 : Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH3
1- Nắp bình; 2- ống xả khí không ngưng; 3- ống Cân bằng; 4- ống trao đổi nhiệt; 5-
ống gas vào; 6- ống lắp van an toàn; 7- ống lắp áp kế ; 8- ống xả air của nước; 9-
ống nước ra; 10- ống nước vào; 11- ống xả cặn; 12- ống lỏng về bình chứa
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

12
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.
Hình 6-2: Bố trí đường nước tuần hoàn
Tuỳ theo kích cỡ và công suất bình mà các ống trao đổi nhiệt có thể to hoặc nhỏ.
Các ống thường được sử dụng là: Φ27x3, Φ38x3, Φ49x3,5, Φ57x3,5.
Từ bình ngưng người ta thường trích đường xả khí không ngưng đưa đến bình xả
khí, ở đó khí không ngưng được tách ra khỏi môi chất và thải ra bên ngoài. Trong
trường hợp trong bình ngưng có lọt khí không ngưng thì áp suất ngưng tụ sẽ cao
hơn bình thường, kim đồng hồ thường bị rung.
Các nắp bình được gắn vào thân bằng bu lông. Khi lắp đặt cần lưu ý 2 đầu bình
ngưng có khoảng hở cần thiết để vệ sinh bề mặt bên trong các ống trao đổi nhiệt.
Làm kín phía nước bằng roăn cao su, đường ống nối vào nắp bình bằng bích để có
thể tháo khi cần vệ sinh và sửa chữa.
Trong quá trình sử dụng bình ngưng cần lưu ý:
- Định kỳ vệ sinh bình để nâng cao hiệu quả làm việc. Do quá trình bay hơi
nước ở tháp giải nhiệt rất mạnh nên tạp chất tích tụ ngày một nhiều, khi hệ thống
hoạt động các tạp chất đi theo nước vào bình và bám lên các bề mặt trao đổi nhiệt

13
làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt. Vệ sinh bình có thể thực hiện bằng nhiều cách:
ngâm Na2CO3 hoặc NaOH để tẩy rửa, sau đó cho nước tuần hoàn nhiều lần để vệ
sinh. Tuy nhiên cách này hiệu quả không cao, đặc biệt đối với các loại cáu cặn bám
chặt lên bề mặt ống. Có thể vệ sinh bằng cơ khí như buộc các giẻ lau vào dây và
hai người đứng hai phía bình kéo qua lại nhiều lần. Khi lau phải cẩn thận, tránh
làm xây xước bề mặt bên trong bình, vì như vậy cặn bẫn lần sau dễ dàng bám hơn.
- Xả khí không ngưng.
Khí không ngưng lọt vào hệ thống làm tăng áp suất ngưng tụ do đó cần thường
xuyên kiểm tra và tiến hành xả khí không ngưng bình.
b. Bình ngưng môi chất Frêôn
Bình ngưng có ống trao đổi nhiệt bằng thép có thể sử dụng cho hệ thống frêôn,
nhưng cần lưu ý là các chất frêôn có tính tẩy rửa mạnh nên phải vệ sinh bên trong
đường ống rất sạch sẽ và hệ thống phải trang bị bộ lọc cơ khí.
Đối với frêôn an toàn và hiệu quả nhất là sử dụng bình ngưng ống đồng, vừa loại
trừ vấn đề tắc bẩn, vừa có khả năng trao đổi nhiệt tốt hơn, nên kích thước bình gọn.
Trên hình 6-3 giới thiệu các loại bình ngưng ống đồng có cánh sử dụng cho mô
chất frêôn. Các cánh được làm về phía môi chất frêôn.

14
Hình 6-3a: Bình ngưng frêôn
1- Nắp bình, 2,6- Mặt sàng; 3- ống TĐN; 4- Lỏng ra; 5- Không gian giứa các
ống

15
Hình 6-3b: Bình ngưng frêôn
a) Kiểu mặt bích: 1- Vỏ; 2- Mặt sàng; 3- Nắp; 4- Bầu gom lỏng; 5-Van lấy lỏng; 6-
Nút an toàn.
b) Kiểu hàn : 1- ống trao đổi nhiệt có cánh; 2- Cánh tản nhiệt; 3- Vỏ; 4- Vỏ hàn
vào ống xoắn; 5- Lỏng frêôn ra; 6- Hơi frêôn vào.

16
Hình 6-3c : Bình ngưng frêôn
3.2. Bình ngưng kiểu thẳng đứng
3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Để tiết kiệm diện tích lắp đặt người ta sử dụng bình ngưng ống vỏ đặt đứng. Cấu
tạo tương tự bình ngưng ống chùm nằm ngang, gồm có: vỏ bình hình trụ thường
được chế tạo từ thép CT3, bên trong là các ống trao đổi nhiệt thép áp lực C 20, kích
cỡ Φ57x3,5, bố trí đều, được hàn hoặc núc vào các mặt sàng. Nước được bơm bơm
lên máng phân phối nước ở trên cùng và chảy vào bên trong các ống trao đổi nhiệt.
Để nước chảy theo thành ống trao đổi nhiệt, ở phía trên các ống trao đổi nhiệt có
đặt các ống hình côn. Phía dưới bình có máng hứng nước. Nước sau khi giải nhiệt
xong thường được xả bỏ. Hơi quá nhiệt sau máy nén đi vào bình từ phía trên. Lỏng
ngưng tụ chảy xuống phần dưới của bình giữa các ống trao đổi nhiệt và chảy ra
bình chứa cao áp. Bình ngưng có trang bị van an toàn, đồng hồ áp suất, van xả khí,
kính quan sát mức lỏng.
Trong quá trình sử dụng bình ngưng ống vỏ thẳng đứng cần lưu ý những hư
hỏng có thể xảy ra như sự bám bẩn bên trong các ống trao đổi nhiệt, các cửa nước
vào các ống trao đổi nhiệt khá hẹp nên dễ bị tắc, cần định kỳ kiểm tra sửa chữa.
Việc vệ sinh bình ngưng tương đối phức tạp. Ngoài ra khi lọt khí không ngưng vào
bình thì hiệu quả làm việc giảm, áp suất ngưng tụ tăng vì vậy phải tiến hành xả khí
không ngưng thường xuyên. Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng ít sử dụng ở nước ta
do có một số nhược điểm quan trọng.

17
Hình 6-4 : Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng
1- ống cân bằng, 2- Xả khí không ngưng, 3- Bộ phân phối nước, 4- Van an toàn; 5-
ống TĐN, 6- áp kế, 7- ống thuỷ, 8- Bể nước, 9- Bình chứa cao áp
3.2.2. Ưu nhược điểm
* Ưu điểm:
- Hiệu quả trao đổi nhiệt khá lớn, phụ tải nhiệt của bình đạt 4500 W/m 2 ở độ
chênh nhiệt độ 4÷5K, tương ứng hệ số truyền nhiệt k = 800÷1000 W/m2.K
- Thích hợp cho hệ thống công suất trung bình và lớn, không gian lắp đặt chật hẹp,
phải bố trí bình ngưng ở ngoài trời.
- Do các ống trao đổi nhiệt đặt thẳng đứng nên khả năng bám bẩn ít hơn so với
bình ngưng ống chùm nằm ngang, do đó không yêu cầu chất lượng nguồn nước
cao lắm.

18
- Do kết cấu thẳng đứng nên lỏng môi chất và dầu chảy ra ngoài khá thuận lợi ,
việc thu hồi dầu cũng dễ dàng. Vì vậy bề mặt trao đổi nhiệt nhanh chóng được giải
phóng để cho môi chất làm mát.
* Nhược điểm
- Vận chuyển, lắp đặt, chế tạo, vận hành tương đối phức tạp.
- Lượng nước tiêu thụ khá lớn nên chỉ thích hợp những nơi có nguồn nước dồi dào
và rẻ tiền.
- Đối với hệ thống rất lớn sử dụng bình ngưng kiểu này không thích hợp, do kích
thước cồng kềnh, đường kính bình quá lớn không đảm bảo an toàn.
3.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống
Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống cũng là dạng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt
bằng nước, chúng được sử dụng rất rộng rãi trong các máy lạnh nhỏ, đặc biệt trong
các máy điều hoà không khí công suất trung bình.
Thiết bị gồm 2 ống lồng vào nhau và thường được cuộn lại cho gọn. Nước
chuyển động ở ống bên trong, môi chất lạnh chuyển động ngược lại ở phần không
gian giữa các ống. ống thường sử dụng là ống đồng (hệ thống frêôn) và có thể sử
dụng ống thép.

19
Hình 6-5: Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống
3.3.2. Ưu điểm và nhược điểm
Có hiệu quả trao đổi nhiệt khá lớn, gọn . Tuy nhiên chế tạo tương đối khó khăn,
các ống lồng vào nhau sau đó được cuộn lại cho gọn, nếu không có các biện pháp
chế tạo đặc biệt, các ống dễ bị móp, nhất là ống lớn ở ngoài, dẫn đến tiết diện bị co
thắt, ảnhhưởng đến sự lưu chuyển của môi chất bên trong. Do môi chất chỉ chuyển
động vào ra một ống duy nhất nên lưu lượng nhỏ, thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng
ống chỉ thích hợp đối với hệ thống nhỏ và trung bình.
3.4. Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản

20
Hình 6-6: Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản
Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản được ghép từ nhiều tấm kim loại ép chặt với
nhau nhờ hai nắp kim loại có độ bề cao. Các tấm được dập gợn sóng. Môi chất
lạnh và nước giải nhiệt được bố trí đi xen kẻ nhau. Cấu tạo gợn sóng có tác dụng
làm rối dòng chuyển động của môi chất và tăng hệ số truyền nhiệt đồng thời tăng
độ bền của nó. Các tấm bản có chiều dày khá mỏng nên nhiệt trở dẫn nhiệt bé,
trong khi diện tích trao đổi nhiệt rất lớn. Thường cứ 02 tấm được hàn ghép với
nhau thành một panel. Môi chất chuyển động bên trong, nước chuyển động ở
khoảng hở giữa các panel khi lắp đặt.
Trong quá trình sử dụng cần lưu ý hiện tượng bám bẩn ở bề mặt ngoài các panel
(phía đường nước) nên cần định kỳ mở ra vệ sinh hoặc sử dụng nguồn nước có
chất lượng cao. Có thể vệ sinh cáu bẩn bên trong bằng hoá chất, sau khi rửa hoá
chất cần trung hoà và rửa sạch để không gây ăn mòn làm hỏng các panel.
* Ưu điểm:

21
- Do được ghép từ các tấm bản mỏng nên diện tích trao đổi nhiệt khá lớn, cấu tạo
gọn.
- Dễ dàng tháo lắp để vệ sinh sửa chữa và thay thế. Có thể thêm bớt một số panel
để thay đổi công suất giải nhiệt một cách dễ dàng.
- Hiệu quả trao đổi nhiệt cao, tương đương bình ngưng ống vỏ amôniắc,
* Nhược điểm:
- Chế tạo khó khăn. Cho đến nay chỉ có các hãng nước ngoài là có khả năng chế
tạo các dàn ngưng kiểu tấm bản. Do đó thiếu các phụ tùng có sẵn để thay thế sửa
chữa.
- Khả năng rò rỉ đường nước khá lớn do số đệm kín nhiều.
3.5. Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và không khí
Thiết bị ngưng tụ làm mát kết hợp giữa nước và không khí tiểu biểu nhất là thiết
bị ngưng tụ kiểu bay hơi và thiết bị ngưng tụ kiểu tưới. Khác với thiết bị ngưng tụ
làm mát bằng nước phải trang bị thêm các tháp giải nhiệt, bơm nước và hệ thống
ống dẫn nước giải nhiệt, thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và không khí kết
hợp không cần trang bị các thiết bị đó, nước ở đây đã được không khí làm nguội
trực tiếp trong quá trình trao đổi nhiệt với môi chất lạnh.
Trên hình 6-7 trình bày cấu tạo của dàn ngưng tụ bay hơi. Dàn ngưng gồm một
cụm ống trao đổi nhiệt ống thép áp lực C 20. Kích cỡ ống thường được sử dụng là
Φ38x3,5; Φ49x3,5 và Φ57x3,5. Toàn bộ cụm ống được đặt trên khung thép U
vững chắc, phía dưới là bể nước tuần hoàn để giải nhiệt, phía trên là dàn phun
nước, bộ chắn nước và quạt hút gió. Để chống ăn mòn, các ống trao đổi nhiệt được
nhúng nóng bề mặt bên ngoài.
22
Hơi môi chất đi vào ống góp hơi ở phía trên vào dàn ống trao đổi nhiệt và ngưng
tụ rồi chảy về bình chứa cao áp ở phía dưới. Thiết bị được làm mát nhờ hệ thống
nước phun từ các vòi phun được phân bố đều ở ngay phía trên cụm ống trao đổi
nhiệt. Nước sau khi trao đổi nhiệt với môi chất lạnh, nóng lên và được giải nhiệt
nhờ không khí chuyển động ngược lại từ dưới lên, do vậy nhiệt độ của nước hầu
như không đổi. Toàn bộ nhiệt Qk của môi chất đã được không khí mang thải ra
ngoài. Không khí chuyển động cưỡng bức nhờ các quạt đặt phía trên hoặc
phía dưới. Đặt quạt phía dưới (quạt thổi), thì trong quá trình làm việc không sợ
quạt bị nước làm ướt, trong khi đặt phía trên (quạt hút) dễ bị nước cuốn theo làm
ướt và giảm tuổi thọ. Tuy nhiên đặt phía trên gọn và dễ chế tạo hơn nên thường
được sử dụng. Trong quá trình trao đổi nhiệt một lượng khá lớn nước bốc hơi và bị
cuốn theo không khí, do vậy phải thường xuyên cấp nước bổ sung cho bể. Phương
pháp cấp nước là hoàn toàn tự động nhờ van phao. Bộ chắn nước có tác dụng chắn
các giọt nước bị cuốn theo không khí ra ngoài, nhờ vậy tiết kiệm nước và tránh làm
ướt quạt. Bộ chắn nước được làm bằng tôn mỏng và được gập theo đường dích
dắc, không khí khi qua bộ chắn va đập vào các tấm chắn và đồng thời rẽ dòng liên
tục nên các hạt nước mất quá tính và rơi xuống lại phía dưới.
Sau khi tuần hoàn khoảng 2/3 dàn ống trao đổi nhiệt, một phần lớn gas đã được
hoá lỏng, để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt cần tách lượng lỏng này trước, giải
phóng bề mặt trao đổi nhiệt phía sau cho lượng hơi chưa ngưng còn lại. Vì vậy ở vị
trí này người ta bố trí ống góp lỏng trung gian, để gom dịch lỏng cho chảy thẳng về
ống góp lỏng phía dưới và trực tiếp ra bình chứa, phần hơi còn lại tiếp tục luân
chuyển theo 1/3 cụm ống còn lại.
Toàn bộ phía ngoài dàn ống và cụm dàn phun đều có vỏ bao che bằng tôn tráng
kẽm. Ống góp lỏng trung gian cũng được sử dụng làm nơi đặt ống cân bằng. Trước
đây ở nhiều xí nghiệp đông lạnh nước ta thường hay sử dụng các dàn ngưng tụ bay
23
hơi sử dụng quạt ly tâm đặt phía dưới. Tuy nhiên chúng tôi nhận thấy các quạt này
có công suất mô tơ khá lớn, rất tốn kém.
Hình 6-7: Thiết bị ngưng tụ bay hơi
1- ống trao đổi nhiệt; 2- Dàn phun nước; 3- Lồng quạt; 4- Mô tơ quạt; 5- Bộ chắn
nước;6-ống gas vào; 7-ống góp; 8-ống cân bằng; 9-Đồng hồ áp suất; 10- ống lỏng
ra; 11- Bơm nước; 12-Máng hứng nước; 13- Xả đáy bể nước; 14- Xả tràn.
Năng suất nhiệt riêng của dàn ngưng kiểu tưới không cao lắm, khoảng
1900÷2300 W/m2, hệ số truyền nhiệt k =450÷600 W/m2.K.
Trong quá trình sử dụng cần lưu ý, các mũi phun có kích thước nhỏ nên dễ bị tắc
bẩn. Khi một số mũi bị tắc thì một số vùng của cụm ống trao đổi nhiệt không được
làm mát tốt, hiệu quả trao đổi nhiệt giảm rỏ rệt, áp suất ngưng tụ sẽ lớn bất thường.
Vì vậy phải luôn luôn kiểm tra, vệ sinh hoặc thay thế các vòi phun bị hỏng. Cũng
như bình ngưng, mặt ngoài các cụm ống trao đổi nhiệt sau một thời gian làm việc
cũng có hiện tượng bám bẩn, ăn mòn nên phải định kỳ vệ sinh và sửa chữa thay

24
thế.
* Ưu điểm:
- Do cấu tạo dạng dàn ống nên công suất của nó có thể thiết kế đạt rất lớn mà
không bị hạn chế vì bất cứ lý do gì. Hiện nay nhiều xí nghiệp chế biến thuỷ sản
nước ta sử dụng dàn ngưng tụ bay hơi công suất đạt từ 600÷1000 kW.
- So với các thiết bị ngưng tụ kiểu khác, dàn ngưng tụ bay hơi ít tiêu tốn nước hơn,
vì nước sử dụng theo kiểu tuần hoàn.
- Các dàn ống kích cỡ nhỏ nên làm việc an toàn.
- Dễ dàng chế tạo, vận hành và sửa chữa.
* Nhược điểm:
- Do năng suất lạnh riêng bé nên suất tiêu hao vật liệu khá lớn.
- Các cụm ống trao đổi nhiệt thường xuyên tiếp xúc với nước và không khí, đó là
môi trường ăn mòn mạnh, nên chóng bị hỏng. Do đó bắt buộc phải nhúng kẽm
nóng để chống ăn mòn.
- Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào trạng thái khí tượng và thay đổi theo mùa trong
năm.
- Chỉ thích hợp lắp đặt ngoài trời, trong quá trình làm việc, khu vực nền và không
gian xung quanh thường bị ẩm ướt, vì vậy cần lắp đặt ở vị trí riêng biệt tách hẳn
các công trình.
3.6. Dàn ngưng kiểu tưới

25
Trên hình 6-8 trình bày cấu tạo dàn ngưng kiểu tưới. Dàn gồm một cụm ống trao
đổi nhiệt ống thép nhúng kẽm nóng để trần, không có vỏ bao che, có rất nhiều ống
góp ở hai đầu. Phía trên dàn là một máng phân phối nước hoặc dàn ống phun, phun
nước xuống. Dàn ống thường được đặt ngay phía trên một bể chứa nước. Nước
được bơm bơm từ bể lên máng phân phối nước trên cùng. Máng phân phối nước
được làm bằng thép và có đục rất nhiều lổ hoặc có dạng răng cưa. Nước sẽ chảy tự
do theo các lổ và xối lên dàn ống trao đổi nhiệt. Nước sau khi trao đổi nhiệt được
không khí đối lưu tự nhiên giải nhiệt trực tiếp ngay trên dàn. Để tăng cường giải
nhiệt cho nước ở nắp bể người ta đặt lưới hoặc các tấm tre đan.
Gas quá nhiệt đi vào dàn ống từ phía trên, ngưng tụ dần và chảy ra ống góp lỏng
phía dưới, sau đó được dẫn ra bình chứa cao áp. ở trên cùng của dàn ngưng có lắp
đặt van an toàn, đồng hồ áp suất và van xả khí không ngưng.
Dàn ngưng tụ kiểu tưới cũng có các ống trích lỏng trung gian để giải phóng bề
mặt trao đổi nhiệt phía dưới , tăng hiệu quả trao đổi nhiệt.
6-8: Dàn ngưng kiểu tưới
Trong quá trình hoạt động cần lưu ý các hư hỏng có thể xảy ra đối với dàn ngưng
kiểu tưới như sau:

26
- Hiện tượng bám bẩn và ăn mòn bề mặt.
- Cặn bẩn đọng lại trong bể hứng nước cần phải xả bỏ và vệ sinh bể thường xuyên.
- Các lổ phun bị tắc bẩn cần phải kiểm tra và vệ sinh.
- Nhiệt độ nước trong bể tăng cao, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt, nên luôn
luôn xả bỏ một phần và bổ sung nước mới lạnh hơn.
* Ưu điểm :
- Hiệu quả trao đổi nhiệt cao, hệ số truyền nhiệt đạt 700 ÷ 900 W/m 2.K. Mặt khác
do cấu tạo, ngoài dàn ống trao đổi nhiệt ra, các thiết bị phụ khác như khung đỡ, bao
che hầu như không có nên suất tiêu hao kim loại nhỏ, giá thành rẻ.
- Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, dễ chế tạo và có khả năng sử dụng cả nguồn nước
bẩn vì dàn ống để trần rất dễ vệ sinh. Vì vậy dàn ngưng kiểu tưới rất thích hợp khu
vực nông thôn, nơi có nguồn nước phong phú, nhưng chất lượng không cao.
- So với bình ngưng ống vỏ, lượng nước tiêu thụ không lớn. Nước rơi tự do trên
dàn ống để trần hoàn toàn nên nhả nhiệt cho không khí phần lớn, nhiệt độ nước ở
bể tăng không đáng kể, vì vậy lượng nước bổ sung chỉ chiếm khoảng 30% lượng
nước tuần hoàn.
* Nhược điểm :
- Trong quá trình làm việc, nước bắn tung toé xung quanh, nên dàn chỉ có thể lắp
đặt bên ngoài trời, xa hẳn khu nhà xưởng.
- Cùng với bình ngưng ống vỏ, dàn ngưng kiểu tưới tiêu thụ nước khá nhiều do
phải thường xuyên xả bỏ nước.

27
- Do tiếp xúc thường xuyên với nước và không khí, trong môi trưởng ẩm như vậy
nên quá trình ăn mòn diễn ra rất nhanh, nếu dàn ống không được nhúng kẽm nóng
sẽ rất nhanh chóng bị bục, hư hỏng.
- Hiệu quả giải nhiệt chịu ảnh hưởng của môi trường khí hậu.
IV. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
1. Giới thiệu
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. 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. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
có thể được chế tạo từ vật liệu là các loại kim loại, hợp kim cho tới các vật liệu phi
kim với bề mặt truyền nhiệt từ 0,1m 2 đến 100.000 m2. Tuy nhiên, thiết bị trao đổi
nhiệt dạng ống chùm có một nhược điểm là bề mặt trao đổi nhiệt tính trên một đơn
vị thể tích của thiết bị thấp so với các dạng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu mới, vì vậy,
cùng một bề mặt trao đổi nhiệt như nhau, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm
28
thường có kích thường lớn hơn nhiều.

Trong ngành công nghiệp chế biến dầu khí, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm
được sử dụng tương đối rộng rãi ở nhiều quá trình khác nhau và được sử dụng phối
hợp với các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khác.
2. Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng
2.1. Nguyên lý hoạt động
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 còn lưu chất
chảy trong lòng ống được chứa khoang đầu và trong lòng ống.Toàn bộ bó ống được đặt
trong vỏ trụ.

29
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
2.2. Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
Sơ đồ cấu tạo chung:
2.2.1. Ống trao đổi nhiệt

Ống trao đổi nhiệt là thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm,bề mặt
của ống trao đổi nhiệt chính là bề mặt truyền nhiệt giữa lưu thể chảy bên trong ống và bên
30
ngoài ống. Các ống trao đổi nhiệt có thể được gắn vào mặt sàng bằng phương pháp
nong ống hay phương pháp hàn. Ống trao đổi nhiệt thường được làm bằng đồng hoặc thép
hợp kim, trong một số ứng dụng, đặc biệt ống trao đổi nhiệt có thể được chế tạo từ hợp kim
Niken, Titanium hoặc hợp kim nhôm.
Ống trao đổi nhiệt có thể là ống trơn hoặc ống được tăng cường bề mặt bằng các cánh khi
một lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn rất nhiều so với lưu chất kia. Với kết cấu ống
này có tăng bề mặt trao đổi nhiệt so với dạng ống trơn từ 2 tới 4 lần cho phép bù lại hệ số
truyền nhiệt ở phía ngoài ống.
2.2.2. Mặt sàng ống
Các ống được định vị cố định nhờ được gắn chặt vào các lỗ trên mặt sàng. Ống gắn vào
mặt sàng bằng phương pháp làm biến dạng ống (nong ống) hoặc phương pháp hàn tùy theo
dạng vật liệu chế tạo ống và mặt sàng và điều kiện hoạt động của thiết bị. Hình dạng một
mặt sàng và ống truyền nhiệt điển hình như mô tả trong hình vẽ sau :

31
1-ống trao đổi nhiệt; 2- Vỏ dàn; 3- ống lắp quạt; 4- Hơi ra
Hình 6-10 : Dàn ngưng không khí đối cưỡng bức
Mặt sàng ống Mặt sàng ống kép
Mặt sàng ống thường là một tấm kim loại phẳng hình tròn, được khoan lỗ (theo
một kiểu bố trí thích hợp) và soi rãnh để cố định ống, lắp vòng đệm, bulông mặt
bích và các thanh đỡ tấm chia dòng,... Trong quá trình gia công, cần phải đảm bảo
mối nối giữa ống và mặt sàng phải kín tránh rò rỉ trộn lẫn hai lưu thể trong và
ngoài ống.Trong những trường hợp đặc biệt, hai lưu chất trao đổi nhiệt không được
phép trộn lẫn vào nhau do rò rỉ, người ta thiết kế mặt sàng kép để để ngăn ngừa
hiện tượng này. Theo thiết kế này, phần không gian giữa hai mặt sàng được thông

32
với môi trường bên ngoài, khi xảy ra rò rỉ sẽ nhanh chóng được phát hiện. Trong
trường hợp ngay cả lưu chất rỏ rỉ ra phía ngoài cũng không cho phép được trộn lẫn
vào nhau thì sử dụng loại 3 mặt sàng nối tiếp nhau. Khi đó, nếu các lưu chất rỏ rỉ là
các hóa chất độc hại hoặc quý hiếm thì cần phải được thu hồi và xử lý đúng quy
trình.
Ngoài các yêu cầu về kết cấu cơ khí nêu trên, mặt sàng ống cần phải đáp ứng
được yêu cầu chống ăn mòn với cả lưu chất trong và ngoài ống. Vật liệu chế tạo
mặt sàng ống phải có tính chất điện hóa tương đồng với vật liệu chế tạo ống và
khoang chứa lưu chất chảy phía trong lòng ống nhằm giảm thiểu hiện tượng ăn
mòn điện hóa do khác biệt vật liệu chế tạo các bộ phận của thiết bị gây ra.
2.2.3. Vỏ và cửa lưu chất vào/ra
Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm đơn giản chỉ là một bộ phận chứa lưu
chất phía ngoài ống trao đổi nhiệt. Cửa lưu chất là nơi 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. Các thiết bị trao đổi nhiệt
có kích thước lớn được chế tạo từ thép có hàm lượng cácbon thấp nếu điều kiện
cho phép để giảm giá thành, vật liệu hợp kim cũng được sử dụng khi thiết bị hoạt
động trong môi trường ăn mòn và nhiệt độ cao. Tại cửa vào của lưu chất, thường
có một tấm chắn dòng đặt ngay sát dưới cửa vào. Mục đích của tấm chắn dòng là
để chuyển hướng chuyển động của dòng lưu thể vào có vận tốc lớn có thể ảnh
hưởng tới phần đầu của ống trao đổi nhiệt.Các ảnh hưởng của dòng có vận tốc lớn
đập trực tiếp vào phần đầu ống trao đổi nhiệt là gây ra các hiện tượng sói mòn cơ
học, hiện tượng khí xâm thực và gây rung động thiết bị. Để đủ không gian lắp đặt
tấm chắn và không làm tổn thất áp suất dòng chảy lớn do việc lắp tấm chắn gây ra,
một số ống ở vị trị này có thể được loại bỏ để dành không gian thích hợp bố trí lắp
đặt.
33
Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tâm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống
chùm
2.2.4. Khoang đầu và đầu đưa chất lỏng vào/ra phía trong ống
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. Do nguyên tắc bố trí các chất lỏng chảy phía trong ống thường là các chất
có tính ăn mòn cao hơn, vì vậy, khoang đầu và đầu dẫn lưu chất thường được chế
tạo từ vật liệu hợp kim. Để giảm chi phí chế tạo, có thể chỉ tráng một lớp hợp kim
bên ngoài các bộ phận này mà không cần thiết phải chế tạo toàn bộ chi tiết bằng
hợp kim.
2.2.5. Nắp
Nắp của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm là tấm hình tròn được lắp với mặt
bích của khoang đầu bằng bu lông.Nắp có thể được tháo dễ dàng để kiểm tra ống
trao đổi nhiệt hoặc vệ sinh, bảo dưỡng thiết bị định kỳ mà không làm ảnh hưởng
tới chùm ống.
2.2.6. Tấm khoang chia
34
Tấm chia khoang được sử dụng khi thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thiết kế với
số khoang ống từ 2 trở lên. Không có nguyên tắc chung cho việc bố trí tấm chia
khoang nhưng phải đảm bảo được một số tiêu chí sau: cố gắng đảm bảo số lượng
ống ở mỗi khoang là như nhau để giảm thiểu chênh áp giữa các khoang (giảm được
hiện tượng rò rỉ giữa các khoang), đảm bảo bề mặt chịu nén thích hợp lắp đặt vòng
đệm, không quá gây khó khăn cho việc chế tạo và không làm ảnh hưởng nhiều đến
chi phí chế tạo, vận hành và bảo dưỡng.
2.2.7. Vách ngăn
Vách ngăn có hai chức năng chính:
- Chức năng quan trọng nhất của vách ngăn 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.
- Định hướng chuyển động của lưu chất phía ngoài ống chuyển động qua lại theo

phương vuông góc với chùm ống làm tăng vận tốc chuyển động của lưu chất và hệ
số truyền nhiệt.
Hình dạng phổ biến nhất của vách ngăn là hình viên phân, các vách ngăn này là
tấm tròn, phần cắt đi phải nhỏ hơn bán kính hình tròn ban đầu nhằm đảm bảo rằng
vùng chồng lấn nhau giữa các vách ngăn gần nhất phải đủ chứa ít nhất một hàng
ống trao đổi nhiệt. Nếu thiết bị được thiết kế với dòng lưu thể dạng lỏng chuyển
động ngoài ống thì phần cắt của viên phân thường trong khoảng 20 - 25% đường
kính, còn lưu thể là dạng khí làm việc ở áp suất thấp thì phần cắt khoảng 40 - 45%
đường kính để nhằm giảm tối đa tổn thất áp suất của dòng chảy trong thiết bị.
Khoảng cách giữa hai vách ngăn kế tiếp phải được lựa chọn sao cho diện tích
dòng chảy tự do qua cửa sổ giữa vách ngăn và vỏ ngoài phải xấp xỉ bằng tiết diện
dòng chảy vuông góc chùm ống tạo ra giữa hai vách ngăn liên tiếp. Với dòng chảy

35
vận tốc lớn, cấu hình vách ngăn đơn thường gây tổn thất áp suất lớn, vì vậy cấu
hình với vách ngăn kép sẽ được sử dụng trong trường hợp này.Cấu hình bố trí vách
ngăn kép cho phép giảm tốc độ cục bộ do đó giảm được tổn thất dòng chảy phía
ngoài ống.
PHẦN II: CÔNG NGHỆ

1. Khái quát chung
Nhiệm vụ chính khi thiết kế các thiết bị truyền nhiệt là xác định bề mặt truyền
nhiệt theo đề bài đã cho. Dựa vào các số liệu ban đầu đã cho là năng suất, và
điều kiện nhiệt độ của quá trình.Trong lúc thiết kế các thiết bị truyền nhiệt cần
chú ý nhất đó là việc chọn thiết bị ống chùm loại nằm ngang hay ống chùm
thẳng đứng.
Với đề tài này, đặc biệt là về “ngưng tụ hơi cồn” thì thông thường người ta sẽ
sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nằm ngang.Vì như đã biết, nếu sử
dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thẳng đứng thì sẽ có nhiều bất lợi xảy ra
trong quá trình truyền nhiệt cho thiết bị. Cụ thể là, sẽ xuất hiện hiện tượng
ngưng tụ màng. Hiện tượng này xảy ra trong trường hợp bề mặt thiết bị hoàn

36
toàn bị thấm ướt bởi hơi ngưng tụ, trong trường hợp này là hơi cồn ngưng tụ
( hơi hoàn toàn đồng nhất và bề mặt ngưng tụ rất sạch). Khi hơi ngưng tụ trên
thành ống thẳng đứng, hơi cồn ngưng tạo ta một màng chất lỏng bao phủ trên
thành và chảy dọc từ trên xuống. Chiều dày của màng hơi cồn ngưng tăng dần
từ trên xuống do lượng hơi cồn ngưng mới sẽ bổ sung thêm vào, do đó làm mất
nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt. Còn đối với ống chùm ngang thì hiện tượng
đó ít hơn, và khi tạo màng nước trên bề mặt ống sẽ nhanh chóng chảy xuống,
đỡ hao phí trong quá trình truyền nhiệt so với ống đứng.
Ngoài ra khi chọn thiết bị có những điểm cần lưu ý như sau:
 Khi dùng để truyền nhiệt cho hệ hơi – lỏng ta dùng loại ống chùm có nhiều
ngăn và tùy theo điều kiện nhiệt độ của quá trình mà chọn cơ cấu lắp ghép khác
nhau.
 Khi dùng để truyền nhiệt cho hệ lỏng – lỏng hoặc khí – khí thì tốt nhất dùng
loại ghép bộ. Nếu loại này quá cồng kềnh thì có thể dùng loại ống chùm có
nhiều ngăn.
 Nếu điều kiện truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt khác nhau ta nên sử dụng
thiết bị truyền nhiệt loại gân.
 Nếu cần tăng vận tốc của chất tải nhiệt để tăng hiệu quả truyền nhiệt, người
ta thường chia thiết bị ra làm nhiều ngăn.
 Ngoài ra người ta cũng hay dùng biện pháp chia lối trong bài toán thiết kế
thiết bị ống chùm với mục đích tăng vận tốc dòng đi trong ống trụ nhỏ, từ đó
tăng hệ số nhiệt đối lưu….
2. Bố trí dòng chảy trong thiết bị
Về nguyên tắc, hai lưu thể tham gia quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị ống
chùm có thể bố trí chảy phía trong hay phía ngoài ống đều có thể chấp nhận

37
được.Tuy nhiên,việc lựa chọn dòng chảy của các lưu thể ảnh hưởng đến yếu tố
kinh tế, vì vậy, người ta dựa vào một số tiêu chí làm cơ sở để bố trí dòng chảy của
lưu thể trong thiết bị.
2.1. Áp suất cao
Nếu một trong hai lưu thể có áp suất cao thì lưu thể này được bố trí chảy trong
lòng ống trao đổi nhiệt. Nhờ cách bố trí này, chỉ có ống và phần bít kín liên quan
đến dòng chảy trong ống được thiết kế để chịu được áp suất cao, còn vỏ thiết bị
được thiết kế ở điều kiện ít khắc nghiệt hơn. Trong khi đó, nếu bố trí dòng lưu thể
có áp suất cao hơn chảy ngoài ống thì toàn bộ phần vỏ có kích thước lớn sẽ phải
được thiết kế để chịu áp suất cao dẫn đến chi phí chế tạo sẽ cao hơn.
2.2. Ăn mòn
Tính ăn mòn của lưu thể quyết định sự lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị nhiều
hơn là vấn đề thiết kế cơ khí. Các hợp kim chống ăn mòn thường đắt hơn so với
các kim loại thường, vì vậy, lưu thể có tính ăn mòn được bố trí chảy phía trong ống
để vỏ thiết bị không phải chế tạo bằng vật liệu chống ăn mòn, nhờ đó giảm được
chi phí chế tạo thiết bị.
2.3. Đóng cặn
Trong quá trình hoat động, các chất cặn bẩn trong lưu thể sẽ đóng cặn lại trên
thành thiết bị lưu thể đi qua. Lớp cặn này sẽ làm giảm hiệu quả quá trình truyền
nhiệt của thiết bị, vì vậy, từ giai đoạn thiết kế cần phải có giải pháp để giảm thiểu
ảnh hưởng của hiện tượng đóng cặn. Một số giải pháp được đưa ra trong thực tế:
-Giảm thiểu khả năng đóng cặn bằng cách không để vùng chết trong thiết bị, tăng
tốc độ dòng chảy.

38
- Có kết cấu dễ dàng trong vệ sinh lớp cặn bẩn bằng cách bố trí dòng lưu thể dễ
đóng cặn chảy phía trong ống, phía vỏ có các cửa để rửa và thu cặn nếu lưu thể có
khả năng đóng cặn cao chảy phía ngoài ống.
- Tăng thời gian phục vụ của thiết bị bằng cách bố trí nhiều thiết bị nối tiếp hoặc
song song.
2.4. Hệ số truyền nhiệt thấp
Nếu một lưu thể vốn có hệ số truyền nhiệt thấp ( các chất khí áp suất thấp hoặc
chất lỏng có độ nhớt cao ) thì lưu thể này thường được bố trí chảy phía ngoài ống
để trong một số trường hợp có thể sử dụng ống có cánh tăng cường bề mặt nhờ đó
giảm được kích thước thiết bị và giá thành chế tạo.
3. Một số vấn đế kỹ thuật khác
3.1. Ứng suất nhiệt
Các 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 giữa các ống trao đổi nhiệt với vỏ thiết bị.
Nhiệt độ của các bộ phận, chi tiết trong các 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.
Trong một số trường hợp hậu quả của ứng suất nhiệt có thể gây ra là vỏ bình sẽ bị
uốn cong hoặc các ống trao đổi nhiệt sẽ bị tuột ra khỏi mặt sàng ống. Với dạng
thiết bị chùm ống gắn cố định dễ bị tổn hại do ứng suất nhiệt gây ra. Chính vì vậy,
theo kinh nghiệm, với các thiết bị trao đổi nhiệt có chùm ống gắn cố định, nếu
nhiệt độ đầu vào của hai lưu thể khác nhau lớn ( trên 1000F ) thì không được sử
39
dụng. Vấn đề đặt ra là cần phải có kết cấu, giải pháp kỹ thuật để khắc phục ứng
suất nhiệt do sự dãn nở nhiệt không đồng đều giữa ống chùm và vỏ thiết bị. Chính
vì vậy giải pháp được đưa ra là dùng vành bù giãn nở nhiệt trên vỏ bình,ống chữ U
hoặc đầu ống tự do
3.2. Vấn đề ổn định
Một trong những vấn đề hết sức lưu ý trong thiết kế cơ khí của thiết bị trao đổi
nhiệt ống chùm là hiện tượng gây rung động ống trao đổi nhiệt do dòng lưu chất
đưa vào thiết bị. Hậu quả của hiện tượng này rất nghiêm trọng, dẫn đến hiện tượng
lỗ các vách ngăn dần dần sẽ cắt đứt ống tại vị trí tiếp xúc, các ống va đập lẫn nhau
dẫn đến nong dần khỏi sàng ống, ứng suất bền mới vượt quá giới hạn cho phép, bó
ống sẽ dần bị lỏng lẻo và đẩy nhanh quá trình ăn mòn. Hiện tượng rung động của
ống là do lực tác động không đều nhau vào ống theo thời gian. Hiện nay, có nhiều
tiến bộ trong việc nghiên cứu rung động của thiết bị, song những cở sở khoa học để
xác định chính xác cấu hình của thiết bị để tránh hiện tượng rung còn chưa hoàn
thiện. Vì vậy trong thực tế chỉ có hai giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này là
tăng cường độ cứng cho chùm ứng tới mức tối đa có thể và giữ tốc độ dòng chảy ở
mức độ thấp.
3.3. Vấn đề mài mòn cơ học
Hiện tượng bào mòn xuất hiện đồng thời và thúc đẩy quá trình ăn mòn do quá
trình bào mòn phá hủy lớp bảo vệ ngoài của kim loại. Tốc độ quá trình bào mòn
phụ thuộc vào các yếu tố: kim loại chế tạo, tốc độ và khối lượng riêng của lưu
thể,tính chất hóa học của lưu thể và hình dạng thiết bị. Để giảm thiểu ảnh hưởng
của hiện tượng này trong thiết kế và vận hành không được để tốc độ vượt quá giới
hạn, lựa chọn kim loại phù hợp với các tính chất của lưu thể.
4. Cách tính

40
Cách tính các thiết bị truyền nhiệt theo trình tự như sau:
 Xác định lượng nhiệt trao đổi theo phương trình cân bằng nhiệt:
Q=G×C×Δt
(G - khối lượng chất tải nhiệt, C - nhiệt dung riêng).
 Xác định lượng chất tải cần đun nóng hoặc làm nguội.
 Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình Δt .
 Tính các hệ số cấp nhiệt α 1 , α 2 .

 Tính hệ số truyền nhiệt K.
Q Q
F= =
 Xác định bề mặt truyền nhiệt F: K ×Δt qtb
 Kiểm tra nhiệt độ của bề mặt hoặc nhiệt tải riêng.

 Khi tính α đối với chất tải nhiệt lỏng hoặc khí ta luôn phải chọn chế độ
chảy xoáy (Re > 104) để đảm bảo α lớn, ngoài ra khi chọn chế độ dòng chảy
xoáy sẽ thuận tiện cho việc truyền nhiệt xảy ra.
 Ở trong bài này là thiết bị làm nguội bằng nước mát thì nhiệt độ cuối của
nước không được quá 40-50oC, vì nếu nhiệt độ cao hơn thì các muối dễ kết tủa
và đóng cặn lại trên bề mặt truyền nhiệt.

41
PHẦN III: TÍNH TOÁN.

BÀI TOÁN: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn
nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 4000kg/ngày.
PHƯƠNG ÁN:
 Ở đây ta nên chọn thiết kế ống chùm nằm ngang, ống truyền nhiệt ɸ2.5x30
mm, được làm bằng vật liệu X18H10T. Chọn ống truyền nhiệt dài 1,5m.
 Tác nhân làm lạnh là nước lạnh công nghiệp , có nhiệt độ đầu vào là t đ
=250C, thông thường nhiệt độ đầu ra ta chọn t= 50 0C, ngưng tụ hoàn toàn
lượng hơi cồn 80% thành lỏng ở cùng nhiệt độ ngưng là t 2 = 80.80C (tra
trong bảng phụ lục VI- trang 273 công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn
etylic).
 Do kết cấu của thiết bị nên ta sẽ cho hơi cồn đi vào khoảng không gian
ngoài ống, nước lạnh đi bên trong ống.
I. Các bước tính
1. Hiệu số truyền nhiệt trung bình
- Chênh lệch nhiệt độ tại đầu vào:
Δt1= tng –tđ= 80.8- 25= 55.80C
- Chênh lệch nhiệt độ tại đầu ra:
Δt2= t2- tc= 80.8- 50= 30.80C
- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hơi cồn và nước làm lạnh là:
Δt 1− Δt 2 55 . 8−30 . 8
Δt tb = = =42 .07 O C
Δt 1 55 . 8
ln ln
Δt 2 30 . 8

42
- Nhiệt độ trung bình của nước là:

o
t n=t h . cồn− Δt tb =80 .8−42 . 7=38 . 73 C
- Lượng nhiệt bỏ ra để ngưng tụ hoàn toàn hơi cồn thành lỏng là:
Q = N.r
Trong đó:
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi cồn (tra bảng trang 271_sách công nghệ và
kiểm tra cồn), r= 1142,996.103 J/kg
N: lưu lượng tính theo giây. N= 9000kg/ ngày = 0,104166 kg/s.
→ Q= 0,104×1142,996.103= 118871,584 W
Từ đây, ta xác định có hệ số truyền nhiệt K là:
1
K=
1 1
+ ∑ r+
α1 α2 2 o
W.m . C
2 .Hệ số cấp nhiệt phía nước
o
 Khối lượng riêng của nước tại nhiệt độ 38,73 C là: ρ=992,73 kg/m 3
(tra bảng I.5 trang 11 sthc tập 1)

−3
 Độ nhớt của nước tại nhiệt độ 38,73 C là: μ=0 ,672×10
o 2
N.S/m (tra
bảng I.102 trang 94 sthc tập 1)
o
 Hệ số dẫn nhiệt của nước tại nhiệt độ 38,73 C là:
λn =0 ,632 W/m.độ
(tra bảng I.139 trang 133 sthc tâp 1).
o
 Nhiệt dung riêng của nước tại nhiệt độ 38,73 C là: Cp= 4178,7 J/kg.độ (tra
bảng I.149 trang 169 sthc tập 1).
 Chuẩn số Prandlt của nước là:

43
C p ×μ 4178 , 7×0 , 672×10−3

Pr= = =4 , 44
λ 0 , 632
Ta có:
ω×d ×ρ
Re=
μ
v
Trong đó, ω= n . f =Gn /(n×ρ×π/4×d2)
Là vận tốc nước chảy trong ống( m/s)

v là lưu lượng ( m3/s)
n: Số ống thiết bị ống chùm
f: tiết diện dòng chảy
Gn: lượng nước lạnh cần cho quá trình ngưng tụ (kg/s)
d : đường kính trong của ống.( m)
ρ : khối lượng riêng của nước (kg/m3)
μ : độ nhớt của nước (kg/m.s)

4
Chọn chế độ dòng chảy trong thiết bị truyền nhiệt Re= 11000 > 10 (chảy xoáy)
nên hệ số cấp nhiệt của nước được xác định theo phương trình:
0 ,25
Pr
Nu = 0,021
0,8
¿ ε k ×Re ×Pr 0 , 43
×
[ ]
Pr T
L 1500
Trong đó:
ε k=1 vì
=
d 25
=60>50
( tra bảng V.2 trang 15 sthc tập 2 )
- Thay số vào ta được:

44
0, 25 0 , 25
4 ,44 4 , 44
Nu = 0,021
0,8
¿1×(11000) ×(4 , 44 )
0 , 43
×
[ ]
Pr T
=68 ,19
Pr T [ ]
Hệ số cấp nhiệt phía nước
α2
α ×d Nu×λ
Nu= ⇒ α2=
-Từ công thức: λ d W/m
2
.độ
0 ,25 0 , 25
Nu×λ 68 ,19 4 , 44 4 , 44
α 2=
l
=
0 , 025 Pr T [ ] ×0 ,632=1723 ,79×
Pr T [ ] W/m2.độ
3. Hệ số cấp nhiệt phía hơi α1 được xác định là
Trong trường hợp ống chùm nằm ngang những dãy ống phía dưới sẽ bị phủ lên
một lớp nước ngưng dày hơn các ống phía trên, đồng thời vận tốc cũng bị giảm từ
trên xuống dưới do một phần đã bị hơi ngưng tụ. Vì vậy, hệ số cấp nhiệt giảm dần
đối với các dãy phía dưới.
Ta có: α1 = ɛtb . α
Trong đó:
0 , 25
r
α=1 ,28× A×
Δt×d [ ]
d: đường kính ngoài của ống, dn= 30mm
A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng cồn:
1
t m= t +t
2 ( hc T 1 )
o
t T1 : nhiệt độ tường phía hơi, C
thc : nhiệt độ hơi ngưng tụ, oC

45
r: ẩn nhiệt ngưng tụ
Δt=t hc +t T 1 - chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và tường
ɛtb: hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy
 Tổng trở nhiệt ∑r :
δ
∑ r =r1 + λ +r 2
m2.độ/W
Trong đó: r 1 , r2 - nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía hơi
và phía nước lạnh (m2.độ/W)
δ : chiều dày ống truyền nhiệt
λ : hệ số dẫn nhiệt của thành ống, λ = 16,3 W/độ.m2 ( chọn
ống được làm từ thép không gỉ mã hiệu X18H9)
r 1 =0 , 464×10−3 m2.độ/W (nước mát)

r 2 =0 , 116×10−3 m2.độ/W (hơi cồn)
- Vậy, sẽ có:
0,0025
∑ r=0,464 .10−3+ 16,3 +0,116.10−3 =0,733 .10−3
m2.độ/W.
4. Nhiệt tải riêng q1 (W/m2)
- Nếu coi sự mất mát của nhiệt khi truyền từ lưu thể này sang lưu thể kia ko quá
5%, thì ta tính toán nhiệt tải riêng q1 và q2 cũng không chênh lệch quá 5%. Thực
hiện các bước như sau:
 Chọn nhiệt độ chênh lệch giữa hơi và thành ống: Δt 1 =t hc−t T 1 .
 Tính α 1 ,q1 ( nhiệt tải riêng phía hơi).

46
 Tính Δt=t T 1 −t T 2 chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên thành ống:
Δt=q1 ×∑ r .
 Từ đó suy ra tT2 là nhiệt độ tường phía nước.
 Tính chuẩn số Prandlt tường Pr T theo nhiệt độ tT2. Tính α 2 theo công
thức đã xác định, từ đó tính q 2=α 2 ×Δt 2

q1 −q 2
| |ư ¿ ¿
 So sánh q1 và q2: q1 thì phù hợp.
1
q tb= (q1 +q2 )
 Tính qtb là nhiệt tải riêng trung bình: 2 , W/m2.
4.1. Chọn Δt=8o C , ta có:
TT1= 80.8- 8= 72,80C
- Nhiệt độ màng cồn là:

1 1
t m= (t hc +t T 1 )= (80 ,8+72 , 8 )=76 ,8
2 2
0 ,25
ρ2 ×λ3
-Ở 76,8oC thì A =
( μ ) của màng cồn với :
ρc = 785,24 kg/m3 ( Bảng I.2 trang 9 sthc tập 1)
λc= 0,3143 W/m.độ

μc= 0,605. 10-3 Ns/m2
0 , 25
785 , 242 ×0 , 31433
A= (0 ,605 . 10−3 ) =75 , 00
- Hệ số cấp nhiệt phía hơi là:

47
0.25
1041 ,427 .103
α=1 ,28×75 , 00× (
8×0. 03 ) =
4381,53 W/m2.độ
Chọn cách sắp xếp là xen kẽ, số ống 1 dãy đứng là 3
Vậy εtb=0.85 →α1=εtb.α= 0,85×4381,53= 3724,30 W/m.độ

-Nhiệt tải riêng:
q1 =α 1 ×Δt 1 =3724 , 30×8=29794 , 40 W/m2.
- Chênh lệch nhiệt độ giữa hai thành ống:
Δt=q1 ×∑ r=29794 , 49×0 ,733 . 10−3 =21 , 84o C

-Nhiệt độ tường phía nước :
tT 2=t T 1 −Δt =72, 8−21 ,84=50 , 96 o C

- Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và nước:
Δt 2 =tT 2−tn =50 , 96−38 ,73=12 ,23 0C
-Tại tT2=50,960C: Cp=4185,30 J/kg.độ
λ= 0,649 W/m.độ
μ= 0,541.10-3 Ns/m2
μ × CP
→ PrT= λn
=3,49
Hệ số cấp nhiệt phía nước:

4,44 0,25
α2=1723,79.( Pr T
¿ = 1723,79.¿=1830,73 W/m2.độ
Nhiệt tải riêng phía nước:
q2=α2.Δt2= 1830,73.12,23=22389,80 W/m2

48
So sánh:
q1−q2 29794,40−22389,80
η=¿ q1
∨¿=¿
29794,40
∨¿=24,85% >5%
o
- Vậy Δt 1 =8 C không phù hợp.
o
4.2. Chọn Δt=7 C ta có:
Có Δt1=7, tT1= 80,8- 7= 73,8

tm= ( th.cồn+ tT1)/2= (80,8+ 73,8)/2= 77,30C
Tại 77,30C: ρcồn= 799,16 kg/m3
λcồn= 0,315 W/m.độ
μcồn= 0,5997.10-3N.s/m2
0,25
799,16 ×0,315
→ A= (
0,5997. 10−3 ) =75,95
. Thay vào công thức tính hệ số cấp nhiệt phía hơi:
0 .25
1142,996 .103
α=1,28×75 ,95× (
7×0,03 ) =4695 ,63
W/m2.độ
α1 = ɛtb . α = 0,85×4695,63 = 3991,29 W/m2.độ
- Nhiệt tải riêng:
q1 =α 1 ×Δt 1 =3991, 29×7=27939 , 01 W/m2.
-Chênh lệch nhiệt độ giữa hai thành ống:
−3 o
Δt=q1 ×∑ r=27939 ,01×0 ,733 . 10 =20 , 48 C
-Nhiệt độ tường phía nước:
t T 2=t T 1 −Δt =73 ,8−20 , 48=53 ,32 o C

49
-Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và nước:

Δt 2 =t T 2−tn =53 , 32−38 , 78=14 ,54 o C
-Tại tT2 = 53,320C :
μ=0 ,5202 .10−3 ƯNs /m2

o
C p=4186 , 79 ưJ /kg. C
λ=0 ,651 ƯW /m.đô .
-Vậy: PrT = 3,35W/m2.độ.
- Hệ số cấp nhiệt phía nước là:
0 ,25
4 , 44
α 2=1723 , 79× ( )
3 ,35
=1850 ,17
W/m2.độ
-Nhiệt tải riêng phía nước là:
q 2=α 2 ×Δt 2 =1850 ,17×14 ,54=26901 ,52 W/m2
-So sánh:
q1 −q2 27939 , 01−26901 , 52

η=| |×100 %=| |×100 %=3 , 71 %Ư <ư 5 %
q1 27939 , 01
o
- So sánh và nhận thấy Δt 1 =7 C phù hợp.
- Nhiệt tải riêng trung bình:
1 1
q tb= (q1 +q2 )= (27939, 01+26901 , 52)=27420 , 27
2 2 W/m2.
5. Bề mặt truyền nhiệt - chọn thiết bị
-Hệ số truyền nhiệt K là:

50
1
K= =656 ,15
1 1
+0 ,733 . 10−3 +
3991 ,29 1850, 17 W.m2.oC.
- Bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức:
Q 118871,584
F= = =4 , 34
qtb 27420 ,27 m2
6. Lượng nước cần thiết cho quá trình làm lạnh
Q 118871 , 584
Q=Gn×Cp×( t c−t d ) ⇒Gn= = =1 ,138 kg /s
Cp×( t c −t d ) 4178 , 7×( 50−25 )
7. Số ống truyền nhiệt
Có: dtd=0,5.(0,025+0,03)=0,0275
π×d tb×L¿ 4,34

n=F¿ = =34¿
¿ π×0,0275×1,5 ống
Tra bảng V.11 trang 48 STHC 2 ta được như sau:
 Tổng số ống: n = 37 ống.

 Xếp ống theo hình 6 cạnh.
 Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 7 ống.
 Chiều dài ống: L=1,5 m
8. Vận tốc chảy thực tế của nước trong ống

51
Gn 1 , 138
ωtt = = =0 , 063
0 , 25 . π . d .n . ρ 0 ,25×π×0 ,025 2×37×992 , 73
2
m/s
9. Vận tốc chảy giả thiết theo Re = 11000 là
−3
Re×μ 11000×0 , 672. 10
ω gt = = =0 , 298
d×ρ 0 , 025×992 , 73 m/s
Ta thấy :
ω gt >ω t nên phải chia ngăn trong thiết bị.
ω gt 0 ,298
m= = =4 , 72
Số ngăn: ω tt 0 ,063 ngăn
Chọn số ngăn là m=5
10 .Tính lại chuẩn số Reynolds
n
n1 =
Trong đó: m
4×Gn 4×1 , 138
Re= = =11654 , 97>10000
π×d×n1 ×μ 37 −3
Π×0 , 025× ×0 , 672. 10
5
Vậy chế độ chảy của dòng vẫn ở chế độ chảy xoáy
11. Đường kính trong của thiết bị
D=t×( b−1 ) +4×d n
( công thức V.140 trang 50 sthc tập 2)

Trong đó, b = 7 ống.
dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt.
t: bước ống, thường chọn t = (1,2 ¿ 1,5)dn
Chọn : t = 1,25dn = 1,25× 0,03 = 0,0375m

52
Khi đó: D=0 , 0375 . ( 7−1 ) +4 . 0 ,03=0 , 345 m

Vậy lấy D = 0,4m.
KẾT LUẬN: Chọn thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, đặt nằm ngang có
chiều dài 1,5m, đường kính trong D = 0,4m. Số ống truyền nhiệt n =37 ống, ống
xếp theo hình 6 cạnh. Thiết bị chia 5 lối.
II. Tính cơ khí

1. Thân thiết bị
Chế tạo bằng cách hàn vì làm việc ở áp suất thấp.
 Các chú ý :
- Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt.
- Chỉ hàn giáp mối (giáp mối một bên)
- Bố trí các đường hàn dọc cách nhau ít nhất là 100 mm.
- Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát
- Không khoan lỗ qua mối hàn.
 Các thông số :

- Nhiệt độ tính toán của thiết bị là : t=38,730C
- Áp suất tính toán : p= 0,1× 106 N/m2
- Hệ số bền mối hàn : 0,8 ( trang 362/sthc2 )
Từ đó ta chọn chiều dày của thân thiết bị S = 4mm.
2. Đáy và nắp thiết bị
- Đáy và nắp có thể nối với thân bằng cách hàn, ghép bích .

53
- Chọn đáy và nắp thường dung trong các thiết bị hóa chất có dạng cầu elip, nón…
đối với các thiết bị làm việc ở áp suất thường nên dung đáy và nắp thằng vì chế
tạo đơn giản giá rẻ, đáy và nắp hình elip hợp lý nhất của thiết bị trụ hay nồi hơi
chế tạo bằng phương pháp dập, dung trong trường hợp áp suất dư không nhỏ
hơn 1N/m2.
- Chọn đáy và nắp có gờ để dễ ghép bích.
Thông số của đáy và nắp (tra bảng XIII.10;11 trang 382;383;384 STHC 2 )
Thông số Giá trị
Đường kính trong của thiết bị Dt = 400mm
Bán kính trong của đáy, nắp Rt = 400mm
Chiều cao đáy ht = 100 mm

54
Chiều cao gờ đáy h = 25 mm
Bề mặt trong của đáy F=0,2 m2
Thể tích của đáy V=11,5.10-3m3
Khối lượng của đáy và nắp M= 9,9kg
Đường kính phôi đáy, nắp elip 519 mm
Bề dày đáy và nắp S= 4mm
3. Mặt bích
Sử dụng kiểu bích liền có cổ:
Bích liền ngoài (kiểu 5)
Các thông số: (bảng XIII.27/417/sthc2)
Đườn
Áp g kính Bu
suất trong Kích thướ ống nối lông
c
P Dt D Db D1 D0 db Z h H S1
N/mm2 mm mm mm Mm Mm mm cái mm mm mm
1 400 545 500 462 413 M20 20 23 45 6

55

56
PHẦN IV: KẾT LUẬN
Thiết kế thiết bị trao đổi nhiêt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn đòi hỏi
người thiết kế phải nắm rõ về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của thiết bị.
Do vậy đối vơi sinh viên, nhưng người kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế thì
việc thiết kế thiết bị cũng gặp không ít khó khăn.
Trong đồ án này em đã cơ bản hoàn thành các yêu cầu của một bài thiết kế bao
gồm :
 Tổng quan chung về cồn và các thiết bị ngưng tụ.

 Tìm hiểu về thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang.
 Tính toán thiết bị và cơ khí.
Qua việc thiết kế trong đồ án này giúp em nắm vững được kiến thức môn học, hiểu
được vai trò của người thiết kế.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng
dẫn TS. Nguyễn Ngọc Hoàng cùng sự giúp đỡ của bạn bè đã giúp em hoàn thành
tốt đồ án này.
Em xin trân thành cảm

ơn !

57
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. “Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 3 “, Phạm
Xuân Toản, NXB Khoa học và Kĩ thuật.
2. “Sổ tay và thiết bị công nghệ hóa chất tập I “, NXB Khoa học và Kĩ thuật.
3. “Sổ tay và thiết bị công nghệ hóa chất tập II “, NXB Khoa học và Kĩ thuật.
4. “Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn Etylic “, Nguyễn Đình Thưởng – Nguyễn
Thanh Hằng, NXB Khoa học và Kĩ thuật.

58

đồ án gốc

Uploaded by

Document Information

Copyright

Available Formats

Share this document

Share or Embed Document

Sharing Options

Did you find this document useful?

Is this content inappropriate?

Copyright:

Available Formats

đồ án gốc

Uploaded by

Copyright:

Available Formats

Đồ án quá trình và thiết bị

1. Cán bộ hướng dẫn . Nhận xét

Điểm : ………. Chữ ký : …...........

2. Hội đồng bảo vệ. Nhận xét :

Điểm : ……… Chữ ký : …………

Điểm tổng kết : …………….

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Em xin chân thành cảm ơn !!!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Dung

PHẦN I: TỔNG QUAN

I. Tổng quan về cồn

Nguyễn Thị Dung - 20180433

2. Ứng dụng của cồn

• Cồn còn được dùng trong cao su tổng hợp,...

1.Vai trò của thiết bị ngưng tụ

Nguyễn Thị Dung - 20180433

2. Phân loại thiết bị ngưng tụ

-Theo môi trường làm mát:

Nguyễn Thị Dung - 20180433

- Theo đặc điểm cấu tạo:

 Bình ngưng tụ giải nhiệt bằng nước.

- Theo đặc điểm đối lưu của không khí:

 Thiết bị ngưng tụ làm mát nhờ đối lưu tự nhiên

3.1 Bình ngưng giải nhiệt bằng nước

3.1.1 Bình ngưng ống chùm nằm ngang

a. Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH3

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Hình 6-1 : Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH3

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Hình 6-2: Bố trí đường nước tuần hoàn

Trong quá trình sử dụng bình ngưng cần lưu ý:

Nguyễn Thị Dung - 20180433

- Xả khí không ngưng.

b. Bình ngưng môi chất Frêôn

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Hình 6-3a: Bình ngưng frêôn

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Hình 6-3b: Bình ngưng frêôn

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Hình 6-3c : Bình ngưng frêôn

3.2. Bình ngưng kiểu thẳng đứng

3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Hình 6-4 : Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng

3.2.2. Ưu nhược điểm

chênh nhiệt độ 4÷5K, tương ứng hệ số truyền nhiệt k = 800÷1000 W/m2.K

Nguyễn Thị Dung - 20180433

3.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống

3.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Hình 6-5: Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống

3.3.2. Ưu điểm và nhược điểm

3.4. Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản

Nguyễn Thị Dung - 20180433

Hình 6-6: Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản

3.4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc

3.4.2. Ưu điểm và nhược điểm

Nguyễn Thị Dung - 20180433

- Khả năng rò rỉ đường nước khá lớn do số đệm kín nhiều.

3.5. Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và không khí

3.5.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 6-7: Thiết bị ngưng tụ bay hơi