GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CHẾ BIẾN-BỘ MÔN KT LẠNH
BÀI TẬP THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Bài tập: thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống cần làm nóng nước,lưu
lượng nước 6000kg/h , t
v =
20
0
C,t
r =
90
0
C ; hơi nước bảo hòa t
s =
135
0
C.
GVHD : TS. Trần Đại Tiến
SINH VIÊN : Bùi Đình Quang
MSSV : 50131247
LỚP : 50NL
NhaTrang , ngày … tháng ….năm….
1/8/2011
Page 1
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
MỤC LỤC
1/8/2011
Page 2
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
MỞ ĐẦU

1/8/2011
Page 3
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
Chương I : Tổng Quan Về Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt
1. Định Nghĩa .
Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chất cần
gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh.
Chất mang nhiệt hoặc lạnh được gọi chung là môi chất có nhiệt độ cao hoặc thấp
hơn nhiệt độ chất gia công, dùng để nung nóng hoặc làm nguội chất gia công điển
hình trong hệ thống lạnh là dàn lạnh dung hạ nhiệt độ phòng còn dàn nóng làm hạ
nhiệt độ môi chất hoặc sưỡi ấm.Chất gia công và môi chất thường là ở pha lỏng
hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng. Các chất này có nhiệt độ khác nhau.
I. Phân Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt :
1. Phân Loại Theo Nguyên Lý Làm Việc Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt :
a) TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp), là loại TBTĐN trong đó chất gia công và môi
chất tiếp xúc nhau, thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, tạo ra một
hỗn hợp. Ví dụ bình gia nhiệt nước bằng cách sục 1 dòng hơi.
b) TBTĐN hồi nhiệt, là loại thiết bị TĐN có mặt trao đổi nhiệt được quay, khi tiếp
xúc chất lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt toả nhiệt. Quá trình
TĐN là không ổn định và trong mặt trao đổi nhiệt có sự dao động nhiệt. Ví dụ: bộ
sấy không khí quay trong lò hơi nhà máy nhiệt điện.
ví dụ : bộ sấy không khí quay trong lò hơi nhà máy nhiệt điện .
c) TBTĐN vách ngăn, là loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và
chất
lỏng lạnh và 2 chất lỏng TĐN theo kiểu truyền nhiệt. Loại TBTĐN vách ngăn bảo
đảm độ kín tuyệt đối giữa hai chất, làm cho chất gia công được tinh khiết và vệ
sinh, an toàn, do đó được sử dụng rộng rãi trong mọi công nghệ.
1/8/2011
Page 4
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang

gàng do hiệu quả trao đổi nhiệt cao.
chúng có các ưu điểm nổi trội sau:
- Thường được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa các chất lỏng với nhau hoặc chất
lỏng với môi chất đang sôi hay đang ngưng với khả năng trao đổi nhiệt lớn.
- Cả hai môi chất khi chuyển động qua thiết bị đều chuyển động đối lưu cưỡng
bức với tốc độ rất lớn nên thời gian đạt được yêu cầu trao đổi nhiệt sẽ giảm xuống.
- Kết cấu gọn gàng, an toàn
Tuy nhiên, chúng có các nhược điểm sau:
các thi ết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ là các ống
trơn có hiệu quả thấp, ít nhiều còn bị hạn chế, đặc biệt trong trường hợp ngưng tụ
môi chất, ống trơn sẽ hạn chế khả năng ngưng tụ của môi chất. Mặc khác, khi
màng ngưng hình thành nó sẽ hạn chế quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng hơi và bề
mặt vật rắn. Trong các hệ thống Freon, hệ số tỏa nhiệt khi ngưng khá thấp, vì vậy
cũng rất cần thiết phải có các biện pháp để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, đặc
biệt là người ta sẽ làm cánh bên ngòai của ống trong để tăng cường khả năng tỏa
nhiệt về phía môi chất.đối với thiết bị này còn nhược điểm nữa là chế tao hơi phức
tạp và khó vệ sinh.
1/8/2011
Page 6
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
* Trong thực tế, ta có các loại thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống có các dạng như
sau:
Với các ưu điểm và nhược điểm trên ta thấy thiết bị dạng ống lồng ống là loại
đang được sử dụng nhiều trên thị trường với tính ưu việc của nó
1/8/2011
Page 7
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
Chương II : Tính toán thiết kế thiết bị
I. Các thông số ban đầu :
Nhiệt độ hơi vào : 135

F : diện tích trao đổi nhiệt
:
tb
t∆
độ chênh lệch nhiệt trung bình
1/8/2011
Page 8
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
Ta có :
.
t tbnc
t t
ε
∆
∆ = ∆
:
t
ε
∆
hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ
( 0,97 0,99)
t
ε
∆
= ÷
Chọn
0,98
t
ε
∆

115 45
0,98. 73,11
115
ln
45
C
−
= =
Vì chọn thiết bị dạng ống lồng ống :
Ta có :
300 1200k = ÷
(kcal/hm
2
độ) chọn
1100k
=
(kcal/hm
2
độ)
1/8/2011
Page 9
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang

2
420000
5,22( )
. 1100.73,11
Q
F m
k t

n
F
n
L d
π π
⇒ = = =
chọn n=28 (ống)
Chọn 2 hành trình : n’= 14
1/8/2011
Page
11
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
B. Tính hệ số truyền nhiệt k
t
(tính theo vách phẳng)
1
1 1
T
th cc n
h
K
δ δ
α λ λ α
=
+ + +
a) Tính
:
h
α
Ta có :

3
6 2
0
W
2159,65( / ) 2159,65.10 ( / )
0,6855(w / )
930,45( / )
0,225.10 ( / )
(5 10)
S
r kj kg j kg
m C
kg m
m s
t t t C
λ
ρ
ν
−
= =
=
=
=
− = ∆ = ÷
Chọn
0
5t C∆ =
27
n
d d mm= =

• Thể tích của nước:
3
6000
6( / )
1000
G
V m h
ρ
= = =
• Vận tốc nước đi trong ống :
,
.
V
f n
ω
=
Trong đó :
2
.
4
d
f
π
=
: diện tích của ống (m
2
)
,
n
: số ống trong một hành trình

t C
+
= =
• Tra bảng 2.5(nước trên dường bảo hòa )(1) với t= 55
0
C ta được:
0
6 2
w130
0,6535(w / )
3, 26
0,517.10 ( / )
1,36
o
rf
r C
m C
P
m s
P
λ
ν
−
=
=
=
=

• Hệ số Raynoon:
6

Nu
ε ε
ε ε
 
=
 ÷
 
=
 
=> = × × × =
 ÷
 
Ta có :
1/8/2011
Page
14
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
.
. 86,64 0,6535
2573,6
0,022
n t
n
t
d
Nu
Nu
d
α
λ

. độ = 43 kcal/h.m
2
. độ

ép
0,0025
43
th
δ
λ
=
3
1
1129,34
1 0,0025 1
(0,3.10 )
13239,5 43 2213,32
T
K
−
⇒ = =
+ + +
(kcal/hm
2
.độ)
Sai số :

1100 1129,34
.100 .100% 2,66% 5%
1100

× ×
= × =
Chọn D = 192 (m)
 Tính toán miệng vào và ra của hơi:
a. Miệng vào của hơi môi chất:
Ta có: Chọn ω = 20(m/s) (đối với hơi bảo hòa)
Và r = 2159,65(kj/kg) ; Q = 420000 (kcal/h)
Mặt khác: lưu lượng gas qua thiết bị là:
Từ công thức: Q = m.r => m =
r
Q
=
420000.4,186
0,226( / )
2159,65.3600
kg s
=

Ta có d
T
=
ωπρ
**
4m
Trong đó: m : khối lượng hơi vào
3
1,705( / )kg m
ρ
=
khối lượng riêng

16
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
Ta có: Chọn ω = 1(m/s)
(2)
(ω = 0.5 ÷ 2m/s, đối với nước)
Và
ρ
= 1000 (kg/m
3
); m = 0.2638(kg/s)
d
T
=
4 0,226
0,01696( ) 16,96( )
1000 3,14.1
m mm
×
= =
×
chọn d
t
= 18(mm) khi đó :
ω =
2
4
T
m
d
ρ π

3
55
985,65( / )
C
kg m
ρ
=
:
ω
tốc độ dòng chảy trong ống (m/s)
Ta có :
(0,5 2) /m s
ω
= ÷
chọn
1( / )m s
ω
=
4 1,667
0,046
985,65 1
d
π
×
= =
× ×
Cũng là đường kính đoạn cong 180
0
ta chọn d
T

2
(4)
2
ms
L
P
d
ω
ζ ρ
∆ =
Trong đó:
L: chiều dài ống hoặc kênh (m)
d : đường kính ống (m)
ρ : khối lượng riêng chất lỏng, (kg/m
3
)
ω : vận tốc dòng chảy (m/s)
1/8/2011
Page
18
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
ζ : hệ số ma sát
Ở đây ta tính được dòng chãy rối với Re = 13331,2
Chảy rối: ζ =
2
1
(1,821 lg Re 1,64)
f
× −
=>

2
ω
ρζ
d
L
= ΔP
ms
=
2
9 0,31328
0,029 985,65
0,022 2
× × ×
=573,82 (Pa)
Tính ΔP
cb
:
2
2
cb c
P
ρ ω
ζ
×
∆ = ×

(4)
Trong đó: ω – tốc độ dòng chảy, (m/s)
ρ – mật độ dòng chảy, (kg/m
3

×
=
2
3,14 0,041
4
×
=0,00132 (m
2
);
f
2
=
2
2
4
d
π
×
=
2
3,14 0,192
4
×
= 0,0289 (m
2
)
G = 1,667 (kg/s);
ρ
= 985,67 (kg/m
3

0,81 ( 1) 353,61
0,00132
× − =

ΔP
cb1
= n*
2
2
2
c
ρ ω
ζ
×
=
2
985,65 0,057
2 353,61 1132,4
2
×
× × =
(pa)
(n=2, có 2 đoạn loe mở rộng)
2, Tại thu hẹp hình nón:
Ta có: (d
1
/ d
2
) = 192/48 = 4
Tra bảng ta được: ζ

Ta có: f
1
=
2
2
1
3,14 0,192
4 4
d
π
× ×
=
= 0,0289 (m
2
)
f
2
=
2
2
2
3,14 0,022 14
4 4
d
π
× × ×
=
= 5,32.10
-3
(m

4,Tại vị trí mở rộng đột ngột:
2 2
1 2
4
2
c
P n
ω ω
−
∆ = ×
Trong đó :
1
:
ω
vận tốc trong ống nhỏ
2
:
ω
vận tốc trông ống lớn
2 2
4
(0,31328 0,057 )
2 985,65 93,6( )
2
cb
P Pa
−
∆ = × × =
5,Tại 2 ống vòng 180
0

90
c
ξ
= × =
0
2 2
5
180
. 985,65.1
. 0,22. 108,42( )
2 2
cb
c
P Pa
ρ ω
ξ
∆ = = =
(
ω
=1,chọn lúc tính chọn d
T
co 180
0
)
Tổng tổn thất cục bộ là:
ΔP
cb
= ΔP
cb1
+ ΔP

p
∆
= 15 (mH
2
O)
Vậy : Tổng tổn thất của toàn hệ thống để chọn bơm:
1/8/2011
Page
22
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
H

=
tb ong cua
p p p
∆ + ∆ + ∆
= 0,254 + 15 = 15,254 (mH
2
O)
1/8/2011
Page
23
GVHD : T.S TRẦN ĐẠI TIẾN SV : Bùi Đình Quang
Theo phần mềm chọn bơm của hãng EBARA ta chọn được bơm với thông số sau:
Model: EVM4 3N/0.55
Năng suất: 1.67 (l/s)
Cột áp:15.6 mH
2
O
Hiệu suất: 54.1%