TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CHẾ BIẾN – BỘ MÔN KỸ THUẬT LẠNH

BÀI TẬP LỚN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI
NHIỆT
“ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ỐNG CHÙM VỎ BỌC NẰM
NGANG, CÔNG SUẤT 30KW, MÔI CHẤT NH
3
, NHIỆT ĐỘ MÔI CHẤT NGƯNG
(t
k
= 38
0
C), NHIỆT ĐỘ NƯỚC VÀO ( t
V
= 30
0
C ), NHIỆT ĐỘ NƯỚC RA (t
R
= 35
0
C) ”
GVHD: TS.TRẦN ĐẠI TIẾN
SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH
MSSV: 50130094
LỚP: 50NL
Nha Trang tháng 12 năm 2010
1
LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật lạnh đã ra đời hàng trăm năm nay và được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều
ngành kỹ thuật rất khác nhau: trong công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm, công

1.2.1.Phân loại theo nguyên lý làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt
1.2.2.Phận loại thiệt bị trao đổi nhiệt theo sơ đồ chuyển động của chất lỏng
1.2.3.Phận loại thiết bị trao đổi nhiệt theo thời gian
1.2.4.Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt theo công dụng
1.3.THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ỐNG CHÙM VỎ BỌC NẰM NGANG
1.3.1Vai trò của thiết bị ngưng tụ
1.3.2.Phân loại thiết bị ngưng tụ
1.3.3.Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ
1.3.4.Ưu nhược điểm của thiết bị ngưng tụ
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ DÀN NGƯNG TỤ ỐNG CHÙM VỎ BỌC NẰM NGANG
2.1. LỰA CHỌN THÔNG SỐ BAN ĐẦU
2.2.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ỐNG CHÙM
2.2.1.TÍNH TOÁN LẦN 1
2.2.2. TÍNH TOÁN LẦN 2
2.2.3. TÍNH TOÁN LẦN 3
2.3. TÍNH CÁC KÍCH THƯỚC KHÁC
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TRỞ LỰC, CHỌN BƠM NƯỚC VÀ CÁC BẢN VẼ CHI
TIẾT THIẾT BỊ
3.1. TÍNH TOÁN TRỞ LỰC
3.2. CHỌN BƠM
3.3. CÁC BẢN VẼ CHI TIẾT THIẾT BỊ
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
1.1.KHÁI NIỆM VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình trao đổi nhiệt giữa các
chất mang nhiệt. Trong kĩ thuật thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rất rộng rãi và đóng vai
trò quan trọng trong các quá trình công nghệ ví dụ như lò hơi để sản sinh hơi nước, thiết bị
ngưng tụ và bốc hơi trong thiết bị lạnh, thiết bị hồi nhiệt…
1.2. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
1.2.1. Phân loại theo nguyên lý làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt :

1.2.4. Phân Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Theo Công Dụng :
- Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm : như nồi nấu lò hơi
- Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường : như tháp giải
nhiệt, binh làm mát dầu.
- Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhở hơn nhiệt độ môi trường : như
tủ lạnh, tủ đông.
1.3.THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
1.3.1. vai trò của thiết bị 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.
5

HÌNH 1 : SƠ ĐỒ CHU TRÌNH THỂ HIỆN VỊ TRÍ VÀ VAI TRÒ CỦA THIẾT BỊ
NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH
- Công nén tăng, mô tơ có thể quá tải
6
- 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.
1.3.2.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.

chứa. Trong trường hợp nay người ta không bố trí các ống trao đổi nhiệt phần dưới của bình.
Để lỏng ngưng tụ chảy thuấn lợi phải có ống cân bằng nối phần hơi bình ngưng với bình
chứa cao áp.
Hình 2 : Cấu Tạo Bình Ngưng Ống Chùm Nằm Ngang
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ DÀN NGƯNG TỤ ỐNG CHÙM VỎ BỌC NẰM NGANG
2.1. LỰA CHỌN THÔNG SỐ BAN ĐẦU
Thiết bị ống chum vỏ boc nằm ngang công suất 30KW, môi chất NH
3
.
Nhiệt độ ngưng môi chất: t
k
= 38
0
C.
8
Nhiệt độ nước vào : t
V
= 30
0
C.
Nhiệt độ nước ra : t
R
= 35
0
C.
Vỏ bên ngoài và các ống được chế tạo bằng thép, dàn ngưng là thiết bị trao đổi nhiệt ngược
chiều (nước đi trong ống), sử dụng nước sạch để làm mát, thiết kế DN loại không có cánh
tản nhiệt.
Các ống được bố trí so le nhau với các kích thước cụ thể như sau:
- Đường kính trong ống : d

= 0,97 ÷ 0,99 ta lấy ε
Δt
= 0.98.
∆t
TBNC
: nhiệt độ trung bình ngược chiều
0
C.

t
0
C
NH
3
38
0
C
35
0
C
H
2
O
30
0
C
F m
2
9
= 38

Q
K
= 30KW = 30 KJ/S = ( 30.3600 )/( 4,186 ) = 25800,287 Kcal/h
Vậy diện tích trao đổi nhiệt là:hghgh
 F = Q
K
/ ( K. ∆t
TB
) = 25800,290 / ( 800 . 4,996 ) = 6,455 ( m
2
)
- Ta có: F = n. π.d
N
.L
1
Số ống là:
 n = F / ( π.d
N
.L
1
)
= 6,455 / ( 3,141. 0.022. 2.5) = 37,385 (ống)
Ta chọn n = 38 ống, vì ta chọn 2 hành trình nên mỗi hành trình là n’ = 19 ống.
* Tính hệ số truyền nhiệt thực K
t
(Kcal/hm
2
độ)
- Hệ số truyền nhiêt thực được tính theo công thức:
( kcal/h )

3
(kcal/hm
2
độ)
- Tính hệ số tỏa nhiêt của nước :
Ta có : Q
k
= .C.( t
R
- t
V
)
g: lưu lượng khối lượng (kg/s).
C: nhiệt rung riêng của nước. C = 1cal/kgđộ = 4,186 KJ/ kgđộ.
Lưu lượng khối lượng :
= Q
K
/ [ C.( t
R
- t
V
) ]
= 30 / (4,186 . 5) = 1,433 (kg/s).
Lưu lượng thể tích :
v = kg/s
11
Diện tích bề mặt trong của hệ thông trao đổi nhiệt:
f = = 4,835.10
-3
( m

= 0,018 m ( vì nước chuyển đông trong ống nằm ngang )
Do đó : Re
f
= = 6932,986 > 2320 => nước chảy rối trong ống.
Chuẩn số Nusel cho trường hợp nước chảy rối trong ống:
12
Với : ε
S
.ε
R
= 1
=
Vậy hệ số tỏa nhiệt của nước là :
(W/m
2
độ)
= 1513,587 (kcal/hm
2
độ)
- Xác đinh hệ số tỏa nhiệt của NH
3.
α
NH3
= 0.72.
Tra bảng tính chất vật lý của lỏng NH
3
đường bão hòa theo nhiệt độ t = 38
0
C (TL2-546), ta
được:

K)
Vậy hệ số truyền nhiêt thực là:
(kcal/hm
2
độ)
Sai số : = 22,828 % > 5 % => chưa được, ta tính
lại lần 2.
2.2.2. TÍNH TOÁN LẦN 2
Chọn k = 600 kcal/hm
2
độ
Diện tích trao đổi nhiệt
F = Q
K
/ ( K. ∆t
TB
) = 25800,290 / ( 600 . 4,996 ) = 8,609 ( m
2
)
Số ống thiết bị trao đổi nhiệt :
F = π.d
N
.n.L => n = Ống
 Chọn 50 Ống.
 Ta chọn 2 hành trình mỗi hành trình n’ = Ống
Diện Tích Của Ống
14
f = = 6,362.10
-3
( m

độ)
Sai số : = 6,418 % > 5 % => chưa được, ta tính
lại lần 3.
2.2.3. TÍNH TOÁN LẦN 3
Chọn k = 530 kcal/hm
2
độ
Diện tích trao đổi nhiệt
F = Q
K
/ ( K. ∆t
TB
) = 25800,290 / ( 530 . 4,996 ) = 9,744 ( m
2
)
Số ống thiết bị trao đổi nhiệt :
F = π.d
N
.n.L => n = Ống
 Chọn 61 Ống.
 Ta chọn 2 hành trình với 1 hành trinh là 31ống, một hành trình là 30 ống.
Diện Tích Của Ống
f = = 7,761.10
-3
( m
2
)
Vận tốc nước đi trong ống:
( m/s )
Chuẩn số Reynolds:

2.3.1.Tính kích thướt vỏ ngoài cho thiết bị:
Ta có: D =
Trong đó: n - Số ống
t – khoảng cách giửa 2 ống ( t = 1.3 ÷ 1.6 d
N
)
k – hệ số sắp xếp ống ( 0.75 ÷ 0.85 )
a – hệ số hiệu chỉnh,
a = 1.05 ống sắp xếp theo 6 cạnh
a = 1.13 ống sắp xếp so le, song song, hình vuông.
Ta chọn: t = 1.555 d
N
= 1.555*22 = 34.2 (mm) = 0.0342 (m)
k = 0.8
n = 61 ống
ống sắp xếp theo hình thức lục giác nên chọn a = 1.05
Từ đó ta có: D = = 1.05 =0.313570(m) = 313,570(mm)
Chọn ống thép có kích thướt tiêu chuẩn sau: d
T
= 320 mm;d
N
= 328 mm
2.3.2.Tính toán kích thướt miệng ống thép dẫn nước nối với bơm, ống dẫn nước từ bơm
tới tháp giải nhiệt.
Đường kính trong của ống được tính theo công thức sau:
d
T
= (m)
Trong đó: G -lưu lượng khối lượng (kg/s)
18

3
); m = 0.0271(kg/s)
Mặt khác: lưu lượng gas qua thiết bị là:
19
Từ công thức: Q = m*r => m = = = 0.0271(kg/s)
d
T
= = = 0.012299(m) = 12,299 (mm)
chọn đường kính trong ống bằng 14 mm, khi đó:
ω = = = 15,435 (m/s) (thỏa mãn)
Vậy đường kính ống cần chọn là: d
T
= 14mm; d
N
= 18 mm
b.Kích thước miệng ra môi chất lỏng:
có kích thướt bằng kích thướt đường ống dẫn lỏng:
Ta có: Chọn ω = 1,2 (m/s), (ω = 0,5 ÷ 2 m/s, đối với gas NH
3
) (TL5-345)
Và = 582,64 (kg/m
3
); m = 0,0271 (kg/s)
d
T
= = = 0,007027 (m) = 7,027(mm)
Vậy đường kính trong ống cần chọn: d
T
= 8 mm; d
N

T
= 18mm = 0.018m
- Đường kính ngoài ống : d
N
= 22mm = 0.022m
- Chiều dài ống: L
1
= 2500mm = 2.5m.
- Bước ngang ống: t
1
= 1,554.d
N
= 1,554.0,022 = 0.0342 m = 34,200 mm
- Bước dọc ống: t
2
= 1,345.d
N
= 1,3455.0,022 = 0,02960 = 29,60 mm
*Kích thướt vỏ ngoài cho thiết bị ngưng tụ: d
T
= 320 mm, d
N
= 328 mm
*Kích thướt miệng ống thép nước nối bơm bằng kích thước ống nươc ra : d
T
= 35,9
mm, d
N
= 42,3 mm
*Miệng vào của hơi môi chất d

Đường ống 1
1m
21
HÌNH 3: SƠ ĐỒ BỐ TRÍ ĐƯỜNG ỐNG VÀ THIẾT BỊ
3.1.1. Tính toán trở lực ma sát ΔP
ms
ΔP
ms
= ΔP
msTB
+ ΔP
msĐÔ

ΔP
msTB
: trở lực ma sát của thiết bị
ΔP
msĐÔ
:trở lực ma sát trên đường ống
Ta có: ΔP
ms
=
a. Tính trở lực ma sát của thiết bị: ΔP
msTB
ΔP
msTB
=
Trong đó: L- chiều dài ống hoặc kênh (m)
d – đường kính trong ống (m)
ρ – khối lượng riêng chất lỏng, (kg/m

ed trơn
= 27.( )
8/7
. Trong đó : độ nhám tương đương (mm)
(TL4- 248). Ta tra bảng độ nhám tương đương đối với ống thép mới đặt cẩn thận được:
= 0,04÷0,17 (mm), ta chọn = 0,11 (mm)
 R
ed trơn
= 27.( )
8/7
= 9151,918
Ta thấy R
ed trơn
> R
ed
. vì vậy dòng chảy rối trong khu vực thành trơn thủy lực nên không
cần tính R
ed nhám
nữa.
Hệ số sức cản ma sát được tính ứng với thành trơn thủy lực là:
ζ = = = 0,0393
Vậy: ΔP
msTB
= = = 185,845 (Pa) = 185,845 (N/m
2
)
= 0,0189 (mH
2
O)
b.Tính trở lực ma sát trên đường ống ΔP

2
/s)
Do dó nước chảy rối trong ống, nhưng ta chưa biết là chảy rối trong khu vực nào, ta phải
đi tính:
+ So sánh R
ed trơn
và R
ed nhám
• R
ed trơn
= 27.( )
8/7
. Trong đó : độ nhám tương đương (mm)
(TL4- 248). Ta tra bảng độ nhám tương đương đối với ống thép mới đặt cẩn thận được:
= 0,04÷0,17 (mm), ta chọn = 0,12 (mm)
 R
ed trơn
= 27.( )
8/7
= 18238,069
• Re
d.nhám
= 560. = 560.35,9 / 0,12 = 167533,333
Vậy: R
ed trơn
< Re
d
< Re
d.nhám
: nước chảy rối trong khu vực quá độ.

35
0
C = 993,95 (kg/m
3
), ω = 1,416 (m/s)
-Ta có số reynol tính được là: Re
d
= = = 50911,106 > 2300
ν
30
0
C = 0,805.10
-6
m
2
/s
Do dó nước chảy rối trong ống, nhưng ta chưa biết là chảy rối trong khu vực nào, ta phải
đi tính:
+ So sánh R
ed trơn
và R
ed nhám
• R
ed trơn
= 27.( )
8/7
. Trong đó : độ nhám tương đương (mm)
(TL4- 248). Ta tra bảng độ nhám tương đương đối với ống thép mới đặt cẩn thận được:
25