Thiết bị trao đổi nhiệt Alfa Laval

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm là một trong những dạng thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các ngành công nghiệp, ước tính có tới 60% số thiết bị trao đổi nhiệt hiện nay trên thế giới là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có khoảng áp dụng rất rộng, gần như ở mọi công suất, 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.

Vật liệu để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm chỉ phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, vì vậy cho phép thiết kế để đáp ứng được các yêu cầu khác như độ rung, khả năng sử dụng cho các lưu thể có những tính chất đóng cặn, chất có độ nhớt cao, có tính xâm thực, tính ăn mòn, tính độc hại và hỗn hợp nhiều thành phần. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có thể được chế tạo từ vật liệu là các loại kim loại, hợp kim cho tới các vật liệu phi kim với bề mặt truyền nhiệt từ 0,1m2 đến 100.000m2. Tuy nhiên, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có một nhược điểm là bề mặt trao đổi nhiệt tính trên một đơn vị thể tích của thiết bị thấp so với các dạng thiết trao đổi nhiệt kiểu mới, vì vậy, cùng một bề mặt trao đổi nhiệt như nhau, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm thường có kích thường lớn hơn nhiều.

Trong ngành công nghiệp chế biến dầu khí, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được sử dụng tương đối rộng rãi ở nhiều quá trình khác nhau và được sử dụng phối hợp với các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khác.


Tấm formex


Phân loại

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm được chia thành nhiều dạng khác nhau. Có nhiều phương pháp để phân chia như căn cứ vào kiểu dạng cấu tạo, dòng chảy của khoang đầu (Tube Side Channel) hoặc căn cứ vào cấu tạo, kiểu phân bố dòng chảy trong vỏ (Shell) của thiết bị trao đổi nhiệt. Theo tiêu chuẩn của hội các Nhà chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt Hoa kỳ (TEMA), thiết bị trao đổi

nhiệt dạng ống chùm căn cứ theo đặc điểm của phần vỏ ngoài (Shell), và kiểu dòng chảy được chia thành các dạng chính sau đây:

Hình H-2.1 Các dạng cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm

Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng

Nguyên lý hoạt động

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữa hai lưu thể chuyển động bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt. Để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể trong và ngoài ống theo phương vuông góc hoặc chéo dòng. Tùy theo ứng dụng cụ thể mà bố trí kiểu dòng chảy khác nhau (vấn đề này sẽ được đề cập trong trong phần cấu tạo thiết bị). Để phân phối lưu thể trong và ngoài ống người ta tạo ra hai khoang để phân phối lưu chất trong và ngoài ống khác nhau. Lưu chất chảy ngoài ống được chứa trong vỏ trụ (Shell) còn lưu chất chảy trong lòng ống được chứa khoang đầu và trong lòng ống. Toàn bộ bó ống được đặt trong vỏ trụ. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được minh họa trong hình vẽ H-2.2 A, H-2.2 B.

Hình H-2.2a. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

Hình H-2.2 B Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiêt ống chùm

Trong khi có rất nhiều kiểu dạng khác nhau nhưng số các phận chính của thiết bị trao đổi nhiệt lại có rất ít khác biệt. Các bộ phận chính của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được mô tả trong các mục dưới đây. Sơ đồ cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được mô tả trong hình vẽ H- 2.3.

Ốp tường giả gỗ


Ưu điểm của tấm giả gỗ hay gỗ nhân tạo Smartwood.
– Có độ chịu lực cao, chịu uốn tốt.
– Không cong vênh biến dạng.
– Chịu nước tốt, không cháy.
– Không mục nát và ảnh hưởng của thời tiết.
– Vân gỗ tự nhiên đẹp như gỗ thật.

Hình H-2.3- Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

Ống trao đổi nhiệt

Ống trao đổi nhiệt là thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, bề mặt của ống trao đổi nhiệt chính là bề mặt truyền nhiệt giữa lưu thể chảy bên trong ống và bên ngoài ống. Các ống trao đổi nhiệt có thể được gắn vào mặt sàng bằng phương pháp nong ống hay phương pháp hàn. Ống trao đổi nhiệt thường được Học bằng đồng hoặc thép hợp kim, trong một số ứng dụng, đặc biệt ống trao đổi nhiệt có thể được chế tạo từ hợp kim Niken, Titanium hoặc hợp kim nhôm.

Ống trao đổi nhiệt có thể là ống trơn hoặc ống được tăng cường bề mặt bằng các cánh (Fin Tube- như dạng thiết bị trao đổi nhiệt không khí) khi một lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn rất nhiều so với lưu chất kia. Với kết cấu ống này có tăng bề mặt trao đổi nhiệt so với dạng ống trơn từ 2 tới 4 lần cho phép bù lại hệ số truyền nhiệt ở phía ngoài ống.

Mặt sàng ống (Tube Sheet)

Các ống được định vị cố định nhờ được gắn chặt vào các lỗ trên mặt sàng. Ống gắn vào mặt sàng bằng phương pháp làm biến dạng ống (nong ống) hoặc phương pháp hàn tùy theo dạng vật liệu chế tạo ống và mặt sàng và điều kiện hoạt động của thiết bị. Hình dạng một mặt sàng và ống truyền nhiệt điển hình như mổ tả trong hình vẽ H-2.4

Mặt sàng ống thường là một tấm kim loại phẳng hình tròn, được khoan lỗ (theo một kiểu bố trí thích hợp) và soi rãnh để cố định ống, lắp vòng đệm, bu lông mặt bích và các thanh đỡ tấm chia dòng,... Trong quá trình gia công, cần phải đảm bảo mối nối giữa ống và mặt sàng phải kín tránh rò rỉ trộn lẫn hai lưu thể trong và ngoài ống. Trong những trường hợp đặc biệt, hai lưu chất trao đổi nhiệt không được phép trộn lẫn vào nhau do rò rỉ, người ta thiết kế mặt sàng kép để để ngăn ngừa hiện tượng này. Theo thiết kế này, phần không gian giữa hai mặt sàng được thông môi trường bên ngoài, khi xảy ra rò rỉ sẽ nhanh chóng được phát hiện. Kết cấu của thiết bị ống chùm với mặt sàng kép được minh họa trong hình vẽ H-2.5. Trong trường hợp ngay cả lưu chất rỏ rỉ ra phía ngoài cũng không cho phép được trộn lẫn vào nhau thì sử dụng loại 3 mặt sàng nối tiếp nhau. Khi đó, nếu các lưu chất rỏ rỉ là các hóa chất độc hại hoặc quý hiếm thì cần phải được thu hồi và xử lý đúng quy trình.

kệ trang trí



Ngoài các yêu cầu về kết cấu cơ khí nêu trên, mặt sàng ống cần phải đáp ứng được yêu cầu chống ăn mòn với cả lưu chất trong và ngoài ống. Vật liệu chế tạo mặt sàng ống phải có tính chất điện hóa tương đồng với vật liệu chế tạo ống và khoang chứa lưu chất chảy phía trong lòng ống (Tube-side) nhằm giảm thiểu hiện tượng ăn mòn điện hóa do khác biệt vật liệu chế tạo các bộ phận của thiết bị gây ra.

Vỏ và cửa lưu chất vào/ra (Shell and Shell-Side Nozzles)

Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm (Shell) đơn giản chỉ là một bộ phận chứa lưu chất phía ngoài ống trao đổi nhiệt. Cửa lưu chất là nơi đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngoài ống vào và ra khỏi thiết bị. Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm thường có tiết diện hình tròn được chế tạo từ thép tấm. Các thiết bị trao đổi nhiệt có kích thước lớn được chế tạo từ thép có hàm lượng các bon thấp nếu điều kiện cho phép để giảm giá thành, vật liệu hợp kim cũng được sử dụng khi thiết bị hoạt động trong môi trường ăn mòn và nhiệt độ cao. Tại cửa vào của lưu chất, thường có một tấm chắn dòng đặt ngay sát dưới cửa vào (xem hình vẽ minh họa H-2.6). Mục đích của tấm chắn dòng là để chuyển hướng chuyển động của dòng lưu thể vào có vận tốc lớn có thể ảnh hưởng tới phần đầu của ống trao đổi nhiệt. Các ảnh hưởng của dòng có vận tốc lớn đập trực tiếp vào phần đầu ống trao đổi nhiệt là gây ra các hiện tượng sói mòn cơ học, hiện tượng khí xâm thực và gây rung động thiết bị. Để đủ không gian lắp đặt tấm chắn và không làm tổn thất áp suất dòng chảy lớn do việc lắp tấm chắn gây ra, một số ống ở vị trị này có thể được loại bỏ để dành không gian thích hợp bố trí lắp đặt.

Hình h-2.6. Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tấm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm

Khoang đầu và đầu đưa chất lỏng vào/ra phía trong ống (Tube-Side Channel and Nozzles)

Khoang đầu và các đầu dẫn lưu chất phía trong ống vào/ra đơn giản là để kiểm soát dòng lưu chất chảy phía trong lòng ống của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm. Do nguyên tắc bố trí các chất lỏng chảy phía trong ống thường là các chất có tính ăn mòn cao hơn, vì vậy, khoang đầu và đầu dẫn lưu chất thường được chế tạo từ vật liệu hợp kim. Để giảm chi phí chế tạo, có thể chỉ tráng một lớp hợp kim bên ngoài các bộ phận này mà không cần thiết phải chế tạo toàn bộ chi tiết bằng hợp kim.