Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm là một trong những bộ trao đổi phổ biến nhất do tính linh hoạt mà nhà thiết kế có thể cho phép áp suất và nhiệt độ đa dạng theo từng ứng dụng khác nhau.

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm là gì

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm là thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất và là một trong những phương tiện trao đổi nhiệt hiệu quả nhất. Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm là một thiết bị trong đó hai chất lỏng làm việc trao đổi nhiệt thông qua tiếp xúc nhiệt bằng cách sử dụng các ống được đặt trong một vỏ hình trụ.

Nhiệt độ chất lỏng bên trong vỏ và ống là khác nhau và sự chênh lệch nhiệt độ này là động lực để trao đổi nhiệt độ. Được sử dụng cho dải nhiệt độ và áp suất rộng, bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm được thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng trong việc xây dựng và bảo trì và mang lại khả năng trao đổi nhiệt tuyệt vời.

Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Các thành phần chính của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm là:

• • Tubes
  • Tubesheet
  • Shell and Shell-Side Nozzles
  • Tube-Side Channel and Nozzles
  • Baffles
  • Tie-rods

Trong đó cấu tạo và chức năng cụ thể của từng thành phần có thể hiểu như sau:

Tubes – Ống trao đổi nhiệt

Ống là thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống, cung cấp bề mặt truyền nhiệt giữa một chất lỏng chảy bên trong ống và chất lỏng kia chảy ngang bên ngoài ống. Các ống có thể liền mạch hoặc hàn và thường được làm bằng hợp kim đồng hoặc thép.

Các ống có thể để trần hoặc có các bề mặt mở rộng hoặc nâng cao (có vây) ở bên ngoài. Ống có bề mặt vây được sử dụng khi một chất lỏng có hệ số truyền nhiệt thấp hơn đáng kể so với chất lỏng kia. Chúng cung cấp diện tích truyền nhiệt bên ngoài nhiều gấp hai đến bốn lần so với ống trần tương ứng, và đây là tỷ lệ giúp bù đắp hệ số truyền nhiệt bên ngoài thấp hơn.

Tubesheet – Mặt lắp ống

Các ống được giữ cố định bằng cách được đưa vào các lỗ trên tấm ống và sau đó được mở rộng thành các rãnh được cắt trên các lỗ hoặc hàn vào tấm ống nơi ống nhô ra khỏi bề mặt. Điều này ngăn chất lỏng ở phía vỏ trộn với chất lỏng ở phía ống.

Các tấm ống thường là một tấm kim loại tròn duy nhất đã được khoan và tạo rãnh thích hợp để lấy các ống (theo mẫu mong muốn – hình vuông hoặc hình tam giác), các miếng đệm, thanh đệm và vòng tròn bu lông nơi nó được gắn chặt vào vỏ.

Shell and Shell-Side Nozzles – Vỏ và cửa vào/ra

Vỏ chỉ đơn giản là thùng chứa chất lỏng phía vỏ, và các vòi phun là cổng vào và ra. Vỏ thường có tiết diện tròn và thường được chế tạo bằng cách cuộn một tấm kim loại có kích thước thích hợp thành hình trụ và hàn mối nối dọc.

Vòi phun vào thường có một tấm cản lực đặt ngay bên dưới để chuyển hướng dòng chất lỏng đi vào tác động trực tiếp với vận tốc cao lên hàng ống trên cùng.

Tube-Side Channel and Nozzles – Khoang chứa và đầu phun

Khoang chứa và vòi phun chỉ cần kiểm soát dòng chảy của chất lỏng bên ống vào và ra khỏi các ống của bộ trao đổi. Vì chất lỏng bên trong ống nói chung có tính ăn mòn cao hơn, các khoang và đầu phun này thường được làm bằng vật liệu hợp kim (tất nhiên là tương thích với ống và tấm ống)

Baffles – Vách ngăn

Các vách ngăn có ba chức năng cụ thể:

• • Chúng định vị các ống ở vị trí thích hợp trong quá trình lắp ráp và vận hành và ngăn ngừa sự rung động của các ống do dòng chảy xoáy gây ra
  • Chúng định hướng dòng chảy phía vỏ qua lại trên trường ống, làm tăng vận tốc và hệ số truyền nhiệt
  • Chúng duy trì khoảng cách giữa các ống

Tie-rods – Thanh buộc – miếng đệm

Thanh buộc và miếng đệm được sử dụng vì hai lý do:

• • Giữ cụm vách ngăn với nhau
  • Duy trì khoảng cách vách ngăn đã chọn

Nguyên lý thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm khá đơn giản. Một chất lỏng chảy bên trong các ống và chất lỏng kia chảy qua vỏ. Trong khi chảy, chúng trao đổi nhiệt có nghĩa là chất lỏng lạnh nhận được nhiệt từ chất lỏng nóng. Vì vậy, một chất lỏng lạnh đi vào vòi đầu vào vỏ (hoặc phía ống hoặc phía kênh) và đi ra khỏi vòi đầu ra dưới dạng chất lỏng nóng. Rõ ràng, chất lỏng khác sẽ trở nên lạnh ở đầu ra hơn là ở đầu vào.

Sự truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm được xác định bởi diện tích bề mặt tiếp xúc được quyết định bởi số lượng ống kim loại dẫn nhiệt. Dòng chất lỏng bên trong bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm có thể là dòng chảy song song hoặc dòng chảy chéo.

Để tăng sự hỗn loạn của chất lỏng trong dòng chảy bên ống và bên vỏ, máy đánh rối và vách ngăn được lắp đặt tương ứng bên trong ống và bên trong vỏ. Điều này làm tăng sự truyền nhiệt giữa các chất lỏng.

Ưu nhược điểm thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Bất kỳ thiết bị trao đổi nhiệt nào cũng có ưu nhược điểm riêng của chúng, trong nội dung bài viết này, chúng ta hãy cùng nhau phân tích về ưu nhược điểm của bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm nhé!

Ưu điểm

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có các ưu điểm:

• • Ít tốn kém hơn so với bộ làm mát dạng tấm
  • Có thể được sử dụng như một phần của hệ thống với nhiệt độ và trọng lượng làm việc cao hơn
  • Giảm áp suất trên bộ làm mát ống ít hơn
  • Rò rỉ ống được tìm thấy và ngăn chặn dễ dàng vì thử nghiệm áp suất rất đơn giản
  • Bộ làm mát hình ống trong hệ thống làm lạnh cũng có thể hoạt động rất tốt
  • Sử dụng các cực dương hy sinh đảm bảo toàn bộ khung làm mát chống lại sự xói mòn
  • Bộ làm mát dạng ống có thể được ưa chuộng để bôi trơn dầu làm mát do sự khác biệt về trọng lượng

Nhược điểm

Các nhược điểm của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có thể kể đến như:

• • Hiệu quả trao đổi nhiệt kém hơn so với bộ làm mát dạng tấm
  • Việc vệ sinh và bảo trì khá rắc rối vì bộ làm mát dạng ống yêu cầu đẩy tổ ống ra ngoài để vệ sinh
  • Không thể mở rộng dung lượng của bộ làm mát dạng ống.
  • Yêu cầu nhiều không gian hơn trái ngược với bộ làm mát dạng tấm

Ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm là phương tiện được sử dụng rộng rãi nhất để truyền nhiệt trong các ứng dụng quy trình công nghiệp. Chúng thường xuyên được lựa chọn cho các nhiệm vụ như:

• • Quy trình làm mát bằng chất lỏng hoặc khí
  • Quá trình hoặc hơi chất làm lạnh hoặc hơi nước ngưng tụ
  • Xử lý bay hơi chất lỏng, hơi nước hoặc chất làm lạnh
  • Xử lý loại bỏ nhiệt và làm nóng sơ bộ nước cấp
  • Bảo toàn năng lượng nhiệt, thu hồi nhiệt
  • Máy nén, tuabin và làm mát động cơ, dầu và nước giải nhiệt
  • Làm mát bằng dầu thủy lực và dầu bôi trơn
  • Nhiều ứng dụng công nghiệp khác

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ có khả năng truyền một lượng lớn nhiệt với chi phí tương đối thấp, thiết kế có thể sử dụng được. Chúng có thể cung cấp một lượng lớn bề mặt ống hiệu quả trong khi giảm thiểu các yêu cầu về không gian sàn, thể tích chất lỏng và trọng lượng.

Bộ trao đổi vỏ và ống có nhiều kích cỡ. Chúng đã được sử dụng trong ngành công nghiệp hơn 150 năm, vì vậy các công nghệ nhiệt và phương pháp sản xuất đã được các nhà sản xuất cạnh tranh hiện đại xác định rõ và áp dụng.

Bề mặt ống từ tiêu chuẩn đến kim loại hiếm với các đặc điểm bề mặt đồng nhất hoặc nâng cao đều có sẵn rộng rãi. Thiết kế cơ học ít tốn kém nhất cho các dòng chảy, chất lỏng và nhiệt độ liên quan.

Thái Khương đang là đại diện của nhiều thương hiệu đến từ Châu Âu chuyên cung cấp các thiết bị trao đổi nhiệt như MBS… Các bạn có nhu cầu tư vấn giải pháp sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả thì hãy liên hệ ngay với Thái Khương để được hỗ trợ nhé!