HTRI HEAT EXCHANGER SIZING
[email protected]
HEAT HEAT EXCHANGER EXCHA NGER
Simulation Heat Exchanger on Hysys
HEAT HEAT EXCHANGER EXCHA NGER
HEAT HEAT EXCHANGER EXCHA NGER
Quy Quy trìn trình h
HEAT EXCHANGER
Thông số yêu cầu nhập vào được highlight màu đỏ
HEAT EXCHANGER
Thay đổi hệ đơn vị
HEAT EXCHANGER Exchanger Service:
Thiết lập loại ứng dụng cho HE, Generic Shell and Tube Hoặc Floođe Evaporator
HEAT EXCHANGER
Rating (Default) HE đã có các thông số hình học và công suất, HTRI sẽ đánh giá HE (Rating) dựa trên các thông số công nghệ đã thiết lập để biết xem HE có đáp ứng được hay không. Đối với Rating mode, cần phải điền đầy đủ kích thước hình học, thông số công nghệ (inlet/outlet). Simulation HE chỉ có các thông số hình học, Simulation mode sẽ đánh giá xem với cấu hình của HE như vậy, thì công suất tối đa có thể đạt được của HE là bao nhiêu. Simulation mode yêu cầu ít thông số công nghệ hơn Rating mode.
HEAT EXCHANGER
Design Tùy chọn Design mode được dùng trong trường hợp đã biết công suất yêu cầu của HE, sau khi thiết lập các dải thông số công nghệ yêu cầu, HTRI sẽ đưa ra cấu hình và kích thước hình học của HE có thể phù hợp với yêu cầu. Đối với Design mode, HTRI sẽ lựa chọn HE nhỏ nhất đáp ứng các yêu cầu.
HEAT EXCHANGER
Geometry Thông số hình học của HE
HEAT EXCHANGER
Shell and Tube Heat Exchanger thông dụng nhất: BES, BEU, AES
Selection guide
HEAT EXCHANGER
Shell ID Đường kính ID của shell phải nhỏ hơn 25400 mm (1000 inch) Orientation
HEAT EXCHANGER Hot Fluid Không có câu trả lời duy nhất cho việc lựa chọn hot fluid đi vào shellside hay tubeside, cần phải thử cho cả hai trường hợp để xác định hiệu suất tối ưu. Gợi ý như sau: High press ure fluid thường đi vào tube vì chi phí sẽ rẻ hơn đi vào shell. Lưu chất có tính ăn mòn thường đi vào tube vì chi phí vật liệu cho tube thường rẻ hơn cho shell. Lưu chất có độ nhớt cao thường đi vào shell vì dễ dàng đạt được dòng chảy rối (turbulent). Lưu chất gây ra fouling thường đi vào tube vì sẽ dễ dàng làm sạch so với đi vào shell. Nêu yêu cầu đi vào shell, thì phải xem xét bố trí tube layout theo tùy chọn 45o và 90o độ để cung cấp làn đường làm sạch.
HEAT EXCHANGER Flow in 1st tubepass
HEAT EXCHANGER Flow in Train Cocurrent flow in train
Điểm bắt đầu Điểm bắt đầu
Countercurrent flow in train
Điểm bắt đầu
Flow in train thiết lập độc lập với Flow in 1st tubepass Flow in train chỉ có ý
nghĩa nếu thiết lập số lượng HE lớn hơn 1.
HEAT EXCHANGER Number of shells in parallel Khi thiết lập “number of shell in parallel” lớn 1, HTRI sẽ chia tổng lưu lượng cho giá trị “number of shell in parallel” và thực hiện tính toán cho 1
đơn vị HE. Kết quả xuất ra sẽ nhân với giá trị “number of shell in parallel”
HEAT EXCHANGER Number of shells in series
HEAT EXCHANGER Tube Geometry:
HEAT EXCHANGER
Tube Type: Longitudinally finned tube
Plain tube
Low-finned tube Wieland GEWA-KS
HEAT EXCHANGER Tube Diameter : - Thông thường sử dụng tube OD ¾” – 1” là phù hợp và kinh tế. Đối với những ứng dụng cần Pressure drop thấp hoặc có fouling, thì nên lựa chọn 1”. - Trên phương diện truyền nhiệt, các ống tube đường kính nhỏ sẽ cho hệ số truyền nhiệt cao hơn và làm cho HE nhỏ gọn hơn. - Tuy nhiên, các ống Tube có đường kính lớn sẽ dễ dàng làm sạch và chịu lực tốt. - Với các ứng dụng yêu cầu phải làm sạch cơ học, thì Tube OD nhỏ nhất là 19.05mm - Với các dứng dụng có thể làm sạch bằng hóa chất, thì có thể lựa chọn Tube OD nhỏ (15.88mm).
HEAT EXCHANGER Tube length: - Chiều dài tube ảnh hưởng đến vận hành và chi phí chế tạo HE. Với ố ng Tube càng dài, thì số lượng
ống tube yêu cầu sẽ giảm, giảm chi phí chế tạo tube bundle, giảm đường kính của shell và chi phí chế tạo shell. - Chiều dài ống Tube phụ thuộc vào chiều dài ống tube sản xuất được trong thực tế. Thông thường,
lựa chọn chiều dài trong khoảng 1.8m (6ft) – 7.3m (24ft) để dễ đáp ứng yêu cầu về không gian và bảo trì bảo dưỡng. - Tỷ lệ giữa đường kính Shell so với chiều dài Tube càng nhỏ thì chi phí chế tạo càng thấp. Thông
thường lựa chọn tỷ lệ ngày trong khoảng 1/5 đến 1/15. - Ống tube dài sẽ làm tăng tổn thất áp suất. - Giãn nở nhiệt (thermal expansion) cũng cần phải được xem xét đối với ống tube dài.
HEAT EXCHANGER Tube Pass: - HE có 1 Shell pass và 2 Tube pass gọi là 1-2 HE. Số lượng Tube pass là bội số của 2, ví dụ 1-2, 1-4, 2-4 etc… - Số lẻ Tube pass sẽ gây ra sự phức tạp trong thiết kế cơ khí của HE, ngoại trừ loại 1-1 HE thỉnh
thoảng được ứng dụng cho Vaporizer hoặc Condenser. - Tăng số Tube pass sẽ tăng vận tốc dòng trong Tube, tăng hệ số truyền nhiệt và giảm Fouling. Tuy nhiên, cần phải xem xét đến tổn thất áp suất, tăng Tube pass sẽ làm tăng tổn thất áp suất, cần nhiều
năng lượng bơm hoặc nén. - Thông thường, lựa chọn 1, 2 , 4 Tube pass.
HEAT EXCHANGER Tube Layout: - Về phương diện truyền nhiệt, hệ số truyền nhiệt giảm
dần theo cách bố trí Tube Layout như sau: 30o, 45o, 60o, 90o - Cách bố trí 30o (mặc định) là phổ biến nhất. Bố trí Tube dạng Triangular sẽ giúp tăng hệ trao đổi nhiệt,
tối đa diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, làm cho HE nhỏ gọn - Bố trí dạng Square hoặc Rotated Square được sử
dụng khi cần phải làm sạch cơ học bên ngoài Tube hoặc giảm thiểu độ tổn thất áp suất.
HEAT EXCHANGER Tube Pitch: - Tube pitch Pt (xem hình). - Closed pitch (giá trị Pt nhỏ) ứng dụng cho trường hợp
tăng diện tích trao đổi nhiệt và công suất truyển nhiệt ở shellside. - Open pitch (giá trị Pt lớn ) ứng dụng cho trường hợp
cần phải giảm thiểu tắc, đóng cặn, và làm sạch ở shell side. - Tube Pitch Ratio = Pt/do - Pitch ratio: 1.25 < Pt/do < 1.5
HEAT EXCHANGER Tube Count: - Dùng để thiết lập số lượng Tube. Đối với U-tube, số lượng Tube bằng số lượng lỗ trên Tubesheet. - Nếu nhập giá trị Tube Count, HTRI sẽ sử dụng giá trị này cho tính toán và override các giá trị (Tube) tính được - Nếu không nhập giá trị Tube Count, HTRI sẽ tính toán số lượng Tube cho Tube Bundle. - Đối với Double-Pipe HE, thiết lập giá trị Tube Count = 1 cho loại E shell, Tube Count = 2 cho loại F shell để kích hoạt phương pháp tính cho Double-Pipe HE. Rigorous Tubecount: - Nếu lựa chọn box “Rigorous tubecount”, HTRI sẽ sử dụng phương pháp tính gần đúng (Approximate method), uớc tính số lượng Tube dựa trên diện tích mặt cắt ngang của Tube Bundle. - Nếu không lựa chọn box Rigorous tubecount”, HTRI sẽ sử dụng phương pháp tính chính xác (Rigorous method), đưa ra kết quả bố trí từng Tube trên Bundle.
HEAT EXCHANGER
Chỉ điền khi sử dụng loại vật liệu cho Tube không có trong thư viện của HTRI.
HEAT EXCHANGER FJ Curves Dùng để override các hệ số hiệu
chỉnh dùng cho tính toán hệ số truyền nhiệt và tổn thất áp suất. Nếu thiết lập giá trị cho các hệ số hiệu chuẩn truyền nhiệt “j”, hệ số hiệu chuẩn tổn thất áp suất “f”, thì HTRI sẽ sử dụng các hệ số thiết lập này để tính toán “j” và “f” theo các
phương trình như hình bên.
HEAT EXCHANGER Tubepass Arrangement Dùng để thiết lập quy cách bố trí Tubepass
của Bundle và khoảng cách của mỗi Tubepass (Passlane). Tubepass layout
Thiết lập các cách bố trí tubepass. Trong Tube Layout, HTRI thể hiện các cách bố trí tubepass cho phép theo thông số đã điền ở mục Geometry Tube.
HEAT EXCHANGER Tubepass layout
HEAT EXCHANGER Passlane
HEAT EXCHANGER Force Symmetric Layout
Chức năng này cho phép điều chỉnh số lượng Tube cân đối trên Bundle khi dùng phương pháp tính chính xác Rigorous method để tính toán số lượng Tube. Force Continous Cleaning Lanes
Chức năng này cho phép điều chỉnh bề rộng của passlane để giữ cho đường passlane liên tục xuyên suốt bundle.
HEAT EXCHANGER Tube to remove for tie rods
Thiết lập số lượng tube (User set) cần phải giảm xuống để lắp đặt thanh liên kết (tie rods). Nếu thiêt lập là Program set thì HTRI sẽ tự động tính theo TEMA.
HEAT EXCHANGER Tube Layout
Sử dụng chức năng này để đưa ra Tube Layout đã thiết lập. - Chọn Yes, HTRI sẽ xuất ra chính xác Tube Layout mà bạn
đã thiết lập. - Chọn No, HTRI sẽ tính toán Tube Layout.
HEAT EXCHANGER Baffles
Thiết lập loại baffle, kích thước và các thông số thiết kế của baffles. Đối với chức năng Rating và Simulation, phải thiết lập giá trị Crosspasses hoặc Central Spacing để HTRI tính toán. Baffles cut: 17-35% shell ID Giá trị gợi ý: 22% - 25% Baffles spacing: 20-100% shell ID Giá trị gợi ý: 40%
HEAT EXCHANGER
Baffles type:
HEAT EXCHANGER
HEAT EXCHANGER Window Area
Tỷ lệ phần trăm của (diện tích mặt cắt ngang của Shell – diện tích mặt cắt ngang của tube bundle). Nếu thiết lập giá trị này, HTRI sẽ tính chiều cao Baffle Cut. Baffles cut: 17-35% shell ID Giá trị gợi ý: 22% - 25% Baffles spacing: 20-100% shell ID Giá trị gợi ý: 40%
HEAT EXCHANGER
Baffle Cut Orientation Baffle Cut vs Centre Line of Inlet Nozzle. Nếu chọn Program sets, HTRI sẽ tự lựa chọn Orientation dựa trên các thông số công nghệ và vị trí nozzle đã thiết lập.
HEAT EXCHANGER Inlet Spacing
Khoảng cách từ inlet nozzle của shellside đến baffle. Nếu không thiết lập , HTRI sẽ tự đưa ra. Nếu thiết lập, HTRI sẽ override tất cả các giá trị Tube length, central spacing và crosspassses nếu nó không khớp với giá trị Inlet Spacing. Outlet Spacing:
Khoảng cách từ baffle đến outlet nozzle của shellside.
HEAT EXCHANGER Window cut baffle
Rho-V2 for NTIW cut design Dùng cho NTIW baffle
HEAT EXCHANGER Variable Baffle Spacing
Nếu lựa chọn Variable Baffles Spacing trong Baffles Panel, thì tại mục này có
thể thêm các khoảng cách khác nhau cho các Baffles.
HEAT EXCHANGER Clearances
Thiết lập các khe hở bên trong HE. Các giá trị trong mục này là tùy chọn. Tube to baffle Clearances = Baffle hole ID – Tube OD Tube to baffle Clearances = Baffle hole ID – Tube OD HTRI sẽ bỏ qua giá trị này nếu thiết lập block stream A Baffle to shell clearance = Shell ID – Baffle OD HTRI sẽ bỏ qua giá trị này nếu thiết lập block stream B
HEAT EXCHANGER Clearances
Thiết lập các khe hở bên trong HE. Các giá trị trong mục này là tùy chọn.
HEAT EXCHANGER
HEAT EXCHANGER Sealing Trips Sealing trips là những tấm kim loại mỏng, kẹp vuông góc với baffle, kéo dại dọc theo thành của shell, mục đích là để ngăn ngừa các dòng bypass qua Tube Bundle và đẩy nó vào vùng không gian của Tube Bundle. Thông thường, sealing trips sẽ lắp đặt theo từng cặp đối xứng , mỗi cặp sealing trips dùng cho 4-10 hàng tube (tube row). Tăng số lượng sealing trips sẽ tăng hệ số truyền nhiệt, tuy nhiên sẽ làm tăng tổn thất áp suất.
HEAT EXCHANGER Sealing Trips Sealing trips là những tấm kim loại mỏng, kẹp vuông góc với baffle, kéo dại dọc theo thành của shell, mục đích là để ngăn ngừa các dòng bypass qua Tube Bundle và đẩy nó vào vùng không gian của Tube Bundle. Thông thường, sealing trips sẽ lắp đặt theo từng cặp đối xứng , mỗi cặp sealing trips dùng cho 4-10 hàng tube (tube row). Tăng số lượng sealing trips sẽ tăng hệ số truyền nhiệt, tuy nhiên sẽ làm tăng tổn thất áp suất.
HEAT EXCHANGER Sealing Trips
HEAT EXCHANGER Tube to baffle Clearances = Baffle hole ID – Tube OD HTRI sẽ bỏ qua giá trị này nếu thiết lập block stream A. HTRI sẽ tính theo TEMA
HEAT EXCHANGER Baffle to shell clearance = Shell ID – Baffle OD HTRI sẽ bỏ qua giá trị này nếu thiết lập block stream E
HEAT EXCHANGER Bundle to shell clearance = Shell ID – Bundle (outer tube limit) Khe hở này ảnh hưởng rất lớn đến tính toán.
HEAT EXCHANGER
Height under nozzle
Khoảng cách từ nozzle đến hàng tube đầu thứ nhất.
HEAT EXCHANGER
Nozzle Panel
Nhập các thông số cho nozzle nếu đã biết. Hoặc HTRI sẽ tính toán. Liquid outlet ID là tùy chọn bổ sung khi
cần xả lỏng cho trường hợp 2 pha.
HEAT EXCHANGER Nozzle Location:
HEAT EXCHANGER Distributors Panel:
Nếu
sử
dụng Annular Distributor thì cần phải thiết lập các thông length, số: Clearance, Slot area.
HEAT EXCHANGER Annular Distributor (bộ chia dòng hình khuyên) Các bộ chia dòng hình khuyên thường được ứng dụng cho các pha khí/hơi, dùng để đưa hơi hoặc khí vào Shell của HE, giúp phân phối đến phần lớn Tube, làm cho dòng chảy phân bố đều ở vận tốc dòng thấp.
HEAT EXCHANGER Impingement Device
Lắp ở đầu vào nozzle. HTRI mặc định kích thước của device này là 1.1 x nozzle ID
HEAT EXCHANGER
Impingement Device
Impingement plate
Impingement rods
HEAT EXCHANGER Impingement Device
HEAT EXCHANGER Piping Panel
HEAT EXCHANGER
Nhập thông số
HEAT EXCHANGER Fouling Panel
HEAT EXCHANGER Component-by-component: Dùng cho lưu chất đơn pha, đặc tính không thay đổi nhiều
HEAT EXCHANGER Component (Hot Fluid): Sử dụng User Define để định nghĩa dòng Hot Fluid
HEAT EXCHANGER Component (Hot Fluid): Nhập đặc tính cho dòng Hot fluid
HEAT EXCHANGER
Thiết lập Cold Fluid
HEAT EXCHANGER Component (Cold Fluid): Sử dụng User Define để định nghĩa dòng Cold Fluid
HEAT EXCHANGER Component (Cold Fluid): Nhập đặc tính cho dòng Cold Fluid
HEAT EXCHANGER Design Panel (Optional) Thiết lập các thông số có thể điều chỉnh trong quá trình tính toán
HEAT EXCHANGER Design Geometry Panel (Optional) Thiết lập các dải thông số để kiểm soát quá trình tính toán.
HEAT EXCHANGER Design Constrain Panel (Optional) Thiết lập các dải thông số ràng buộc trong quá trình tính toán
HEAT EXCHANGER Run Case
HEAT EXCHANGER
Result’s drawings
HEAT EXCHANGER Xem xét các thông số dưới đây để tối ưu thiết kế : Analyze Result
- Thông điệp từ phần mềm (xem trong Runtime Massage) - Kích thước hình học của HE (Geometry, dimensions) - Vận tốc (velocity) - Phân bố sự cản trở truyền nhiệt - Các thông số công nghệ - EMTD và profile nhiệt độ - Hệ số thiết kế dự phòng (Overdesign factor) - Tổn thất áp suất (Pressure Drop) - Hệ số truyền nhiệt (heat transfer coefficients) - Phân bố các dòng chảy trong HE - Thiết kế baffle - Phân tích độ rung của HE
HEAT EXCHANGER
Kiểm tra kết quả Tăng Shell ID lên 350mm.
Không đạt yêu cầu.
HEAT EXCHANGER Runtime Message Khi heat duty giữa dòng nóng (hot) và dòng lạnh (cold) chênh lệch lớn hơn 5% thì HTRI sẽ đưa ra thông báo. Trong trường hợp này, heat duty của dòng lạnh (0.1896 MW) lớn hơn heat duty của dòng nóng (0.1799 MW), vì vậy có thể hạ nhiệt độ đầu ra của dòng lạnh để giảm sự chênh lệch Heat Duty. Ví dụ: giảm từ 205oC xuống 204oC
HEAT EXCHANGER
Vận tốc Vận tốc lớn sẽ tăng hiệu quả truyền nhiệt và ngăn ngừa fouling. Tuy nhiên sẽ dẫn đến các vấn đề về mài mòn (erosion) và rung lắc (vibration). Để tăng vận tốc trong shell và tube, có thể giảm đường kính Shell ID và tăng chiều dài hoặc tăng số tube pass, giảm tube pitch ratio. Ví dụ: giảm Shell ID xuống 245mm, tăng chiều Tube lên 2.438m, giảm Tube pitch ratio xuống 1.25.
HEAT EXCHANGER
Vận tốc giảm Shell ID xuống 250mm, tăng chiều Tube lên 2.438m, giảm Tube pitch ratio xuống 1.25.
HEAT EXCHANGER Overall heat resistance
Ri = 1/(hi.Ai) + (Rf,i /Ai) + ln(Do/Di)/(2π.Kw.L) + (Rf,o /Ao) + 1/(ho.Ao) hi – inside film coefficient, J/m 2.C ho – outside film coefficient, J/m 2.C Ai – inside surface area, m2 Ao – outside surface are, m2 Di – inside diameter, m Do – outside diameter, m Rf,i – fouling inside Ro,i – fouling outside Kw – thermal conductivity of wall, W/m.k L – Tube length, m
22.15%
63.92%
HEAT EXCHANGER Fluid film coefficient
HEAT EXCHANGER Thay đổi resistance in shellside
1. Thay đổi loại Shell type: dùng loại F, G, tăng shellside velocity, LMDT và hệ số truyền nhiệt 2. Giảm tube pitch ratio: để tăng shell side velocity 3. Giảm tube OD: tăng vận tốc , tăng hệ số truyền nhiệt (sẽ làm tăng pressure dop) 4. Sử dụng finned-tube 5. Sử dụng Sealing trips: giảm dòng E (giảm clearance Baffle-to-shell)
Thay đổi resistance in Tubeside
1. Thay đổi Tube length 2. Giảm tube OD: tăng vận tốc, tăng hệ số truyền nhiệt (sẽ làm tăng pressure dop) Shell ID = 205 mm Tube pitch ratio = 1.25 Tube length = 3.048 m Baffle spacing = 100mm
Shell ID = 205 mm Tube pitch ratio = 1.25 Tube length = 3.048 m Baffle spacing = 100mm
HEAT EXCHANGER
HEAT HEAT EXCHANGER EXCHA NGER Pressure drop
HEAT HEAT EXCHANGER EXCHA NGER Thay đổi Pressure drop in shellside
1. Thay đổi loại Shell hell type type:: TEM TEMA E J 2. Sử dụng các loại mult multii segm segmen enta tall baf baffles fles:: ví Double le-s -seg egme ment ntal al baf baffle, fle, tuy tuy nhiê nhiên n phải dụ Doub tra tube tube vibr vibrat atio ion n kiểm tra 3. Tăng baff baffle le cut cut 4. Tăng kích thước nozzle
Thay đổi pressure drop in Tubeside
1. Tăng kích thước Tube ube OD 2. Giảm tube tube pitc pitch: h: sẽ tăng số lượng tube, giảm trong tube, tube, giảm pressu pressure re drop drop vận tốc trong 3. Giảm chiều dài dài Tube ube 4. Tăng kích thước Nozzle
HEAT HEAT EXCHANGER EXCHA NGER Tube thickness calculation
-
Design Design press pressure: ure: P (barg) (barg) = 20 20 barg barg Tube ube OD: OD: D (mm) (mm) = 19.0 19.05m 5mm m Maximum Maximum Allowable Allowable Stress: Stress: S (MPa) (MPa) = 1/3.5 x 505 = 145 MPa Join Jointt Ef Effici ficien ency cy:: E = 1
t = 20 x 19.05 / {2 x (10 x 145 x 1 + 0.4 x 20)} = 0.11 0.11 mm
HEAT HEAT EXCHANGER EXCHA NGER Pressure Drop
- Tăng Shell ID = 215mm để tăng số lượng tube - Giảm Tube thickness = 1.245mm
HEAT EXCHANGER
Example
