Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm - Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Phần 1. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm là gì? Định nghĩa, thiết kế, ứng dụng?

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm là một loại thiết kế bộ trao đổi nhiệt. Đây là loại thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến nhất trong các nhà máy lọc dầu và các quy trình hóa học lớn khác, và phù hợp với các ứng dụng áp suất cao hơn. Như tên gọi của nó, loại thiết bị trao đổi nhiệt này bao gồm một vỏ (một bình áp suất lớn) với một bó ống bên trong nó. Một chất lỏng chạy qua các ống, và một chất lỏng khác chảy qua các ống (qua vỏ) để truyền nhiệt giữa hai chất lỏng. Bộ ống được gọi là bó ống, và có thể bao gồm một số loại ống: ống trơn, ống cánh dọc, v.v… Cũng có thể có nhiều cách sắp xếp, bao gồm ống chữ U, ống cố định hoặc kiểu đầu nổi.

Lý thuyết và ứng dụng

Hai chất lỏng, có nhiệt độ ban đầu khác nhau, chảy qua bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm. Một dòng chảy qua các ống (phía ống) và một dòng chảy bên ngoài các ống nhưng bên trong vỏ (phía vỏ). Nhiệt được truyền từ chất lỏng này sang chất lỏng khác qua thành ống, từ thành ống sang thành vỏ hoặc ngược lại. Chất lỏng có thể là chất lỏng hoặc chất khí trên vỏ hoặc thành ống. Để truyền nhiệt hiệu quả cần diện tích truyền nhiệt lớn dẫn đến phải sử dụng nhiều ống. Bằng cách này, nhiệt thải có thể được đưa vào sử dụng. Đây là một cách hiệu quả để tiết kiệm năng lượng.

Các thiết bị trao đổi nhiệt chỉ có một pha (lỏng hoặc khí) ở mỗi bên có thể được gọi là thiết bị trao đổi nhiệt một pha hoặc đơn pha. Bộ trao đổi nhiệt hai pha có thể được sử dụng để làm nóng chất lỏng để đun sôi nó thành khí (hơi), đôi khi được gọi là nồi hơi, hoặc để làm mát hơi và ngưng tụ thành chất lỏng (gọi là thiết bị ngưng tụ), với sự thay đổi pha thường xảy ra trên bên vỏ. Nồi hơi trong đầu máy động cơ hơi nước thường lớn, thường là bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ hình trụ. Trong các nhà máy điện lớn có tuabin dẫn động bằng hơi nước, thiết bị ngưng tụ bề mặt dạng vỏ và ống được sử dụng để ngưng tụ hơi nước thải thoát khỏi tuabin vào ngưng tụ nước được tái chế lại được biến thành hơi nước trong máy phát điện hơi nước.

Chúng cũng được sử dụng trong thiết bị làm lạnh làm mát bằng chất lỏng để truyền nhiệt giữa chất làm lạnh và nước trong cả thiết bị bay hơi và bình ngưng tụ, và trong các thiết bị làm lạnh làm mát bằng không khí chỉ dành cho thiết bị bay hơi.

Thiết kế bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ

Có thể có đa dạng các thiết kế vỏ và ống. Thông thường, các đầu của mỗi ống được kết nối với các lỗ thông hơi (đôi khi được gọi là hộp nước) thông qua các lỗ trên tấm ống. Các ống có thể thẳng hoặc uốn cong theo hình chữ U, được gọi là ống chữ U.

Trong các nhà máy điện hạt nhân được gọi là lò phản ứng nước điều áp, các thiết bị trao đổi nhiệt lớn được gọi là máy tạo hơi nước là các thiết bị trao đổi nhiệt hai pha, vỏ và ống thường có ống chữ U. Chúng được sử dụng để đun sôi nước được tái chế từ thiết bị ngưng tụ trên bề mặt thành hơi nước để chạy tuabin sản xuất điện. Hầu hết các thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ và dạng ống đều là thiết kế 1, 2 hoặc 4 đường truyền trên mặt ống. Điều này đề cập đến số lần chất lỏng trong các ống đi qua chất lỏng trong vỏ. Trong một thiết bị trao đổi nhiệt một lần, chất lỏng đi vào đầu này của mỗi ống và đi ra đầu kia.

Thiết bị ngưng tụ bề mặt trong nhà máy điện thường là thiết bị trao đổi nhiệt ống thẳng 1 chiều (xem sơ đồ thiết bị ngưng tụ bề mặt). Thiết kế hai và bốn đường chuyền là phổ biến vì chất lỏng có thể vào và ra ở cùng một phía. Điều này giúp cho việc thi công trở nên đơn giản hơn rất nhiều.

Thường có các vách ngăn hướng dòng chảy qua mặt vỏ để chất lỏng không đi được một đoạn ngắn qua mặt vỏ để lại thể tích dòng chảy thấp không hiệu quả. Chúng thường được gắn vào bó ống chứ không phải vỏ để gói vẫn có thể tháo rời để bảo trì.

Bộ trao đổi nhiệt dòng đếm hiệu quả nhất vì chúng cho phép chênh lệch nhiệt độ trung bình log cao nhất giữa dòng nóng và lạnh. Tuy nhiên, nhiều công ty không sử dụng hai bộ trao đổi nhiệt đi qua với một ống chữ U vì chúng có thể dễ bị vỡ và việc xây dựng sẽ đắt hơn. Thường thì nhiều bộ trao đổi nhiệt có thể được sử dụng để mô phỏng dòng ngược dòng của một bộ trao đổi lớn duy nhất.

Lựa chọn vật liệu ống

Để có thể truyền nhiệt tốt, chất liệu ống cần có khả năng dẫn nhiệt tốt. Do nhiệt được truyền từ mặt nóng sang mặt lạnh qua các ống nên có sự chênh lệch nhiệt độ qua chiều rộng của các ống. Do xu hướng của vật liệu ống giãn nở nhiệt khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau, ứng suất nhiệt xảy ra trong quá trình hoạt động. Vật liệu ống cũng phải tương thích với cả vỏ và chất lỏng bên ống trong thời gian dài trong các điều kiện hoạt động (nhiệt độ , áp suất, pH, v.v…) để giảm thiểu sự ăn mòn. Tất cả những yêu cầu này đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các vật liệu ống chất lượng cao, bền, dẫn nhiệt, chống ăn mòn, điển hình là kim loại, bao gồm nhôm, hợp kim đồng, thép không gỉ, thép cacbon, hợp kim đồng màu, Inconel, nickel, Hastelloy và titan. Fluoropolymers như Perfluoroalkoxy alkane (PFA) và fluorinated hóa ethylene propylene(FEP) cũng được sử dụng để sản xuất vật liệu ống do khả năng chịu nhiệt độ khắc nghiệt cao của chúng. Lựa chọn vật liệu ống không tốt có thể dẫn đến rò rỉ qua ống giữa vỏ và thành ống gây nhiễm bẩn chéo chất lỏng và có thể mất áp suất.

Ứng dụng và cách sử dụng

Thiết kế đơn giản của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm làm cho nó trở thành giải pháp làm mát lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là làm mát chất lỏng và dầu thủy lực trong động cơ, hộp số và bộ trợ lực thủy lực . Với sự lựa chọn vật liệu phù hợp, chúng cũng có thể được sử dụng để làm mát hoặc làm nóng các phương tiện khác, chẳng hạn như nước hồ bơi hoặc sạc không khí. Có nhiều ưu điểm đối với công nghệ vỏ và ống so với các tấm

• Một trong những lợi thế lớn của việc sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống là chúng thường dễ bảo dưỡng, đặc biệt là với các kiểu máy có sẵn bộ trao đổi nhiệt dạng ống nổi. (nơi các tấm ống không được hàn với vỏ ngoài).
• Thiết kế hình trụ của vỏ có khả năng chịu áp lực cực cao và cho phép tất cả các phạm vi ứng dụng áp suất

Bảo vệ quá áp

Trong các bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống, có khả năng ống bị vỡ và chất lỏng có áp suất cao (HP) đi vào và gây quá áp cho phía áp suất thấp (LP) của bộ trao đổi nhiệt. Cấu hình thông thường của bộ trao đổi nhiệt là để chất lỏng HP ở trong các ống và nước LP, phương tiện làm mát hoặc sưởi ấm ở phía vỏ. Có nguy cơ vỡ ống có thể làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của vỏ và giải phóng khí hoặc chất lỏng dễ cháy, gây rủi ro cho con người và tổn thất tài chính. Cho nên vỏ của bộ trao đổi nhiệt dạng ống chum phải được bảo vệ chống quá áp bằng các đĩa vỡ hoặc van giảm áp. Thời gian mở của các thiết bị bảo vệ được coi là rất quan trọng đối với việc bảo vệ thiết bị trao đổi. Các thiết bị như vậy được lắp trực tiếp trên vỏ của thiết bị trao đổi và xả vào hệ thống xả.

Ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Funke:

Các giải pháp cá nhân, hướng tới khách hàng của ABM trong lĩnh vực trao đổi nhiệt dạng ống chùm  được ứng dụng chính trong kinh doanh dự án.

Trọng tâm xuyên suốt luôn là yêu cầu của khách hàng đối với sản phẩm của ABM.

ABM xem xét dữ liệu vận hành, quy định xây dựng và thông số kỹ thuật trong quá trình thiết kế dự án và sử dụng thông tin này để cung cấp bộ máy nhiệt động lực học tối ưu.

ABM chú trọng đến một giải pháp tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật, một giải pháp đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của khách hàng cũng như các yêu cầu của chúng tôi về sự an toàn và hiệu quả tối đa của nhà máy.

Rốt cuộc, ở áp suất vận hành lên đến 600 bar, mọi đường hàn đều được tính.

Ngoài ra, việc kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt từ hàng hóa đến cho đến khi vận chuyển đảm bảo rằng sản phẩm được sản xuất đáp ứng các yêu cầu của bạn về chức năng, chất lượng và tài liệu.

Nguyên vật liệu:

• Thép cacbon và thép cacbon nhiệt độ thấp
• Thép hợp kim cao như 1.4301, 1.4404, 1.4571, 1.4539
• Thép hai mặt chẳng hạn như 1.4462
• Kim loại màu như CuZn28Sn, CuNi10Fe, CuNi30Fe
• Các vật liệu khác có sẵn theo yêu cầu

Kích thước sản phẩm tối đa: 

• Tối đa đường kính 2.000 mm
• Tối đa chiều dài tổng thể 10.000 mm
• Tối đa trọng lượng tổng thể 35 tấn

Lớp phủ bên ngoài và bên trong tùy chỉnh có thể được thực hiện cho dòng sản phẩm này. Điều này cũng bao gồm các lớp phủ chống nước biển hoặc axit ở mặt trong của ống hoặc tấm lót.