THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG ỐNG CHÙM – ATHENA HEATEX

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có khoảng áp dụng rất rộng, 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.

Bộ trao đổi nhiệt là thiết bị truyền nhiệt, dưới dạng nhiệt, từ chất lỏng này sang chất lỏng khác, hay từ dạng khí truyền nhiệt qua dạng lỏng. Trao đổi nhiệt ống chùm được dùng nhiều trong các ứng dụng:

• Làm mát dầu thủy lực

• Dùng trong công nghệ thực phẩm,

   ngành nước giải khát…vv…

Bộ trao đổi nhiệt có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, trong đó bộ trao đổi nhiệt ống chùm vừa có thể thu nhiệt hoặc giải nhiệt cho các loại dung môi.

Bài viết này nhằm mục đích tiết lộ các bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống là gì, cách chúng hoạt động, cách chúng được sử dụng trong công nghiệp.

Hình 1: Một bộ trao đổi nhiệt ống chùm điển hình. Chú ý nhiều ống bên trong (bên trái) và lớp vỏ bên ngoài chứa chúng.

SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER

Tất cả các bộ trao đổi nhiệt được xây dựng theo cùng một nguyên tắc: 

→Hai môi chất trao đổi nhiệt với nhau thông qua vách ống. Môi chất lỏng thường đi trong ống, môi chất khí và hơi đi ngoài ống. Môi chất nóng cũng thường được bố trí đi trong ống.

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

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

Số lượng ống, được gọi là bó ống sẽ quyết định diện tích bề mặt tiếp xúc với dòng chảy phía vỏ và do đó xác định lượng nhiệt được truyền đi. Những thiết bị này là một trong những phương tiện trao đổi nhiệt hiệu quả nhất, vì chúng dễ dàng được chế tạo, bảo trì, nhỏ gọn và cung cấp khả năng truyền nhiệt tuyệt vời. Chúng được phân phối rộng rãi trong công nghiệp, hữu ích cho thiết bị ngưng tụ, làm mát tua bin, thiết bị bay hơi, sấy sơ bộ nước cấp, và nhiều hơn nữa.

Làm thế nào để trao đổi nhiệt dạng ống làm việc?

Hình 2: sơ đồ được dán nhãn của bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống. Hình này cho thấy một bố cục điển hình, nhưng lưu ý rằng có nhiều cấu hình tồn tại.

Tín dụng hình ảnh: Çengel, Yunus A và Afshin J. Ghajar. Truyền nhiệt và khối lượng lớn: Nguyên tắc cơ bản & ứng dụng. New York: McGraw-Hill, 2011. In.

Như đã giải thích trước đó, điểm cơ bản của các bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống là truyền chất lỏng nóng qua chất lỏng lạnh mà không trộn chúng, do đó chỉ truyền nhiệt của chúng.

Biểu đồ trên cho thấy hai đầu vào và hai đầu ra, trong đó mỗi chất lỏng bắt đầu từ đầu vào tương ứng của chúng và thoát khỏi thiết bị tại các đầu ra của chúng. Dòng chảy bên ống đi qua bó ống (được bảo đảm bằng các tấm kim loại được gọi là tubesheets hoặc tubeplates) và thoát ra khỏi ống. Tương tự, dòng chảy phía vỏ bắt đầu từ đầu vào vỏ, đi qua các ống này và thoát ra ở đầu ra vỏ. Các tiêu đề ở hai bên của bó ống tạo ra các bể chứa cho dòng chảy bên ống và có thể được chia thành các phần theo các loại trao đổi nhiệt cụ thể.

• Thiết bị bay hơi dạng ống trong ngành giải khát

Mỗi ống chứa một hạt dao được gọi là máy tạo sóng gây ra dòng chảy rồi qua các ống và ngăn chặn sự lắng đọng trầm tích, hoặc làm tắc nghẽn, cũng như tăng khả năng truyền nhiệt của bộ trao đổi. Các nhà thiết kế cũng gây ra nhiễu loạn trong vỏ với các rào cản được gọi là vách ngăn , giúp tối đa hóa lượng trộn nhiệt xảy ra giữa chất lỏng phía vỏ và ống làm mát.

Chất lỏng phía vỏ phải hoạt động theo cách xung quanh các vách ngăn này, khiến dòng chảy liên tục đi qua bó ống, do đó truyền năng lượng và thoát khỏi bộ trao đổi nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn. Một số bộ trao đổi vỏ và ống sử dụng các hình dạng vách ngăn khác nhau để tối đa hóa truyền nhiệt, và một số không sử dụng gì cả.

Bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống có thể là một pha, hoặc hai pha. Bộ trao đổi một pha giữ cho pha của chất lỏng không đổi trong suốt quá trình (ví dụ nước lỏng vào, nước lỏng) trong khi bộ trao đổi hai pha sẽ gây ra thay đổi pha trong quá trình truyền nhiệt (ví dụ hơi vào và nước lỏng). Chúng cũng có thể là một lượt hoặc nhiều lượt, điều này chỉ đơn giản mô tả số lần dòng chảy từ phía ống/vỏ sò đi qua thiết bị.

CÁC LOẠI TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG CHÙM – THIẾT BỊ BAY HƠI DẠNG ỐNG

Các loại trao đổi nhiệt vỏ và ống tiêu chuẩn được quy định bởi Hiệp hội các nhà sản xuất trao đổi hình ống hoặc Tema.

Họ chia tất cả các thiết kế trao đổi nhiệt thành ba phần chính bao gồm, tiêu đề đầu trước, vỏ, tiêu đề đầu sau và chỉ định chúng bằng các chữ cái.

Có nhiều loại của mỗi thành phần, nhưng bài viết này sẽ chỉ tập trung vào các bộ trao đổi nhiệt tiêu chuẩn Tema phổ biến nhất, vì chúng là ba mô hình phổ biến nhất. Ba loại này là ống chữ U, tấm ống cố định và bộ trao đổi nhiệt đầu nổi.

Trao đổi nhiệt ống chữ U

Hình 3: Bộ trao đổi ống chữ U.

Tín dụng hình ảnh: https://www.enggcyclopedia.com/wp-content/uploads/2019/05/U-Tube-shell-Tube-exchanger.png

Hình 3 cho thấy cách bố trí điển hình của các bộ trao đổi ống chữ U và cho thấy nơi chúng có được tên của chúng.

Các bó ống được làm bằng các ống liên tục uốn cong thành hình dạng U U và được bảo vệ vào vỏ bằng một ống (hiển thị ở trên). Chất làm mát chảy từ nửa trên của tiêu đề, qua các ống u và sau đó ra nửa dưới của tiêu đề, tạo ra một thiết kế nhiều đường chuyền vốn có. Sự uốn cong cho phép sự giãn nở nhiệt xảy ra mà không cần thực hiện bất kỳ loại khe co giãn nào, vì phía uốn cong nổi tự do trong vỏ và có chỗ để mở rộng/co lại. Chúng rất tuyệt vời khi sử dụng chênh lệch nhiệt độ cao nơi dự kiến ​​mở rộng và nhược điểm lớn duy nhất của các bộ trao đổi này là các khúc cua của chúng rất khó làm sạch.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống cố định, thiết bị bay hơi dạng ống. Thiết bị bay hơi ứng dụng trong thực phẩm

Hình 4: Bộ trao đổi tấm ống cố định.

Tín dụng hình ảnh: https://www.enggcyclopedia.com/wp-content/uploads/2019/05/U-Tube-shell-Tube-exchanger.png

Bộ trao đổi tấm ống cố định sử dụng hai tấm ống đứng yên (được dán nhãn ở trên) được hàn trực tiếp vào vỏ. Chúng là phiên bản hiệu quả nhất về thiết kế vỏ và ống, vì chúng dễ sản xuất nhất.

Tuy nhiên, vì các ống được gắn chặt vào vỏ thông qua các tấm ống, nên phải ngăn chặn sự giãn nở. Nếu có sự chênh lệch nhiệt độ cao giữa dòng chảy bên ống và vỏ, người vận hành có nguy cơ mở rộng và hư hỏng, do đó chênh lệch nhiệt độ phải được giữ ở mức nhỏ. Một nhược điểm khác của các mô hình tấm ống cố định là bên ngoài các ống của chúng không thể được truy cập để làm sạch. Chất lỏng phía vỏ được sử dụng không được hôi bên ngoài các ống, nếu không hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt sẽ giảm.

Trao đổi đầu nổi

Hình 5: Bộ trao đổi đầu nổi.

Tín dụng hình ảnh: https://www.enggcyclopedia.com/2019/05/shell-Tube-heat-exchanger-types/

Bộ trao đổi đầu nổi kết hợp các khía cạnh tốt nhất của cả hai thiết kế trước đó. Một đầu của các ống được giữ cố định vào vỏ với một ống cố định, nhưng mặt còn lại có thể tự do mở rộng bằng cách sử dụng một thành phần được gọi là ống nổi. Phần này cho phép các ống mở rộng với nhiệt độ tăng, mà không cần uốn cong các ống. Người vận hành có thể truy cập vào các ống để dễ dàng vệ sinh, đồng thời có thể tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ cao mà không sợ làm hỏng thiết bị.

Do đó, bộ trao đổi đầu nổi là bộ trao đổi nhiệt tốt nhất về hiệu quả và bảo trì, nhưng tự nhiên có chi phí cao hơn.

Thông số kỹ thuật và tiêu chí lựa chọn

Những loại bộ trao đổi nhiệt này được sử dụng trong toàn ngành công nghiệp trong các nhà máy hóa chất, máy phát điện, tủ lạnh, v.v. Bộ trao đổi nhiệt mô-đun có thể được mua sẽ hoạt động trong hầu hết các tình huống quy mô nhỏ, nhưng bộ trao đổi quy mô lớn đòi hỏi phải có thêm công việc. Chúng phải được thiết kế theo quy trình để các thông số thiết kế cụ thể của chúng có thể được khớp với các bộ phận theo tiêu chuẩn Tema. Bằng cách này, người mua có thể đặt hàng bộ trao đổi nhiệt của họ và biết rằng nó sẽ hoạt động hoàn hảo trong ứng dụng của họ. Các nhà chế tạo bộ trao đổi nhiệt đã tạo ra các bảng dữ liệu quy trình giúp bắt đầu quy trình này và một ví dụ được đưa ra dưới đây để cho biết loại thông tin nào là cần thiết:

Hình 6: Ví dụ về biểu dữ liệu quy trình để bắt đầu quy trình đặc tả cho bộ trao đổi ống và vỏ, chứa đầy dữ liệu mẫu.

Mỗi công ty rất có thể sẽ có số liệu riêng của họ, nhưng có một số giá trị thường được tìm thấy trong tất cả các bảng dữ liệu quy trình, cụ thể là:

1. Thành phần và tốc độ dòng chảy của chất lỏng

2. Sự thay đổi nhiệt độ mong muốn

3. Các tính chất chất lỏng cần thiết (mật độ, độ nhớt, độ dẫn nhiệt)

4. Nhiệt độ và áp suất hoạt động mong muốn

Danh sách này không đầy đủ, nhưng việc xác định các tham số này sẽ đưa bạn đến một bước gần hơn để xây dựng bộ trao đổi nhiệt phù hợp. Trước tiên, bạn nên hiểu nhu cầu cơ và nhiệt cần thiết trước khi đến bất kỳ nhà cung cấp nào, vì vậy hãy sử dụng những câu hỏi này để giúp xác định nhu cầu cho ứng dụng trao đổi nhiệt của bạn.

—————-//—————–

(Bài viết này trình bày một sự hiểu biết về các bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống là gì và cách chúng hoạt động. Để biết thêm thông tin về các sản phẩm liên quan, hãy tham khảo các hướng dẫn khác của chúng tôi hoặc truy cập. Nền tảng khám phá nhà cung cấp Thomas để tìm các nguồn cung cấp tiềm năng hoặc xem chi tiết về các sản phẩm cụ thể.)