Ưu Điểm Và Nhược Điểm Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Ống Chùm

[masterlai2011]

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là một trong những loại trao đổi nhiệt phổ biến và linh hoạt nhất trong công nghiệp. Với khả năng tùy biến cao về cấu trúc và vật liệu, chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều quy trình khác nhau. Hãy cùng Thiết bị trao đổi nhiệt VN | Gia công theo yêu cầu | Avil tìm hiểu chi tiết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và các ứng dụng tiêu biểu của loại thiết bị này.

I. Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Ống Chùm Là Gì?

​

Trao đổi nhiệt ống chùm, hay còn gọi là shell and tube heat exchanger, là một thiết kế bao gồm một bó các ống song song (gọi là chùm ống - tube bundle) được chứa bên trong một vỏ hình trụ (gọi là shell). Hai chất lỏng hoặc khí cần trao đổi nhiệt sẽ chảy trong hai không gian riêng biệt: một chất chảy bên trong các ống, và chất còn lại chảy bên ngoài các ống trong vỏ.

II. Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động Chi Tiết (Detailed Structure and Working Principle)

​

1. Cấu Tạo (Structure)

Một bộ trao đổi nhiệt ống chùm điển hình bao gồm các bộ phận chính sau:

• Vỏ (Shell): Một bình chứa hình trụ, thường được làm bằng thép carbon, thép không gỉ hoặc các hợp kim khác, có các cổng kết nối để dẫn lưu chất vào và ra.
• Chùm ống (Tube Bundle): Một tập hợp các ống song song được cố định bên trong vỏ. Các ống này có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và tính chất của lưu chất.
• Tấm đỡ ống (Tube Sheets): Các tấm kim loại (thường có cùng vật liệu với ống hoặc vỏ) được đặt ở hai đầu của chùm ống và được khoan lỗ để cố định các đầu ống. Tấm đỡ ống có vai trò giữ chặt các ống và ngăn sự rò rỉ giữa hai dòng lưu chất.
• Vách ngăn (Baffles): Các tấm kim loại được đặt bên trong vỏ và vuông góc với chùm ống. Vách ngăn có tác dụng định hướng dòng chảy của lưu chất bên ngoài ống, tăng cường sự xáo trộn và hiệu suất truyền nhiệt, đồng thời hỗ trợ cơ học cho chùm ống. Có nhiều loại vách ngăn khác nhau như vách ngăn dạng đĩa và lỗ (segmental baffles), vách ngăn dạng cửa sổ (window baffles),...
• Đầu bịt (Heads hoặc Channels): Các nắp được gắn ở hai đầu của thiết bị trao đổi nhiệt, bao bọc các đầu ống và tạo thành các khoang chứa để phân phối và thu gom lưu chất chảy trong ống. Có nhiều kiểu đầu bịt khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng tháo rời và vệ sinh chùm ống.
• Các cổng kết nối (Inlets/Outlets): Các đầu nối để dẫn lưu chất vào và ra khỏi vỏ và các ống.

2. Nguyên Lý Hoạt Động (Working Principle)

Quá trình truyền nhiệt trong Bộ trao đổi nhiệt Heat exchanger ống chùm diễn ra như sau:

• Một dòng lưu chất chảy bên trong các ống của chùm ống.
• Dòng lưu chất còn lại chảy bên ngoài các ống trong vỏ. Hướng dòng chảy bên ngoài ống có thể là dòng chảy ngang qua chùm ống (cross-flow) hoặc dòng chảy dọc theo chùm ống (longitudinal flow), thường được điều hướng bởi các vách ngăn để tăng hiệu quả truyền nhiệt.
• Nhiệt lượng truyền qua thành ống từ dòng lưu chất nóng hơn sang dòng lưu chất lạnh hơn (hoặc ngược lại).
• Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn do số lượng ống nhiều giúp tăng cường quá trình truyền nhiệt.
• Các vách ngăn tạo ra sự xáo trộn cho dòng chảy bên ngoài ống, làm giảm lớp màng biên nhiệt và tăng hệ số truyền nhiệt.

Các kiểu dòng chảy:

• Dòng chảy song song (Parallel flow): Hai dòng lưu chất đi vào thiết bị trao đổi nhiệt ở cùng một đầu và chảy theo cùng một hướng.
• Dòng chảy ngược chiều (Counter-current flow): Hai dòng lưu chất đi vào thiết bị ở hai đầu đối diện và chảy ngược chiều nhau. Dòng chảy ngược chiều thường mang lại hiệu suất truyền nhiệt cao hơn.
• Dòng chảy ngang (Cross-flow): Dòng lưu chất bên ngoài ống chảy vuông góc với hướng chảy của dòng lưu chất bên trong ống.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất:

• Lưu lượng và tốc độ dòng chảy của cả hai lưu chất.
• Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai dòng lưu chất.
• Tính chất vật lý của lưu chất (độ nhớt, tỷ nhiệt, hệ số dẫn nhiệt).
• Kích thước, số lượng và cách bố trí ống trong chùm ống.
• Thiết kế và khoảng cách của các vách ngăn.
• Vật liệu chế tạo ống và vỏ.

III. Ưu Điểm và Nhược Điểm của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Ống Chùm (Advantages and Disadvantages)

​

1. Ưu Điểm (Advantages)

• Linh hoạt trong thiết kế và ứng dụng: Có thể tùy chỉnh kích thước, vật liệu, cấu hình ống và vách ngăn để đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về hiệu suất, áp suất và nhiệt độ.
• Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn: Số lượng ống lớn trong chùm ống cung cấp diện tích bề mặt tiếp xúc nhiệt lớn, cho phép truyền nhiệt hiệu quả.
• Khả năng chịu áp suất và nhiệt độ cao: Thiết kế vỏ kín và các ống được cố định chắc chắn giúp thiết bị chịu được điều kiện vận hành khắc nghiệt.
• Dễ dàng bảo trì và vệ sinh (tùy thuộc vào thiết kế đầu bịt): Một số thiết kế đầu bịt cho phép tháo rời để làm sạch bên trong các ống.
• Chi phí sản xuất tương đối thấp (cho các thiết kế tiêu chuẩn): Với sự phổ biến và công nghệ sản xuất, chi phí cho các thiết kế thông thường thường cạnh tranh.
• Ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.

2. Nhược Điểm (Disadvantages)

• Hiệu suất truyền nhiệt có thể thấp hơn so với các thiết kế đặc biệt (như ống xoắn hoặc dạng tấm) trong một số ứng dụng cụ thể.
• Dễ bị bám bẩn (fouling): Đặc biệt là đối với các lưu chất có chứa tạp chất hoặc có xu hướng kết tủa. Việc vệ sinh có thể tốn thời gian và chi phí.
• Khó xử lý các lưu chất có độ nhớt cao hoặc chứa nhiều hạt rắn lớn: Dòng chảy trong vỏ có thể bị cản trở và hiệu suất giảm.
• Kích thước và trọng lượng có thể lớn đối với các ứng dụng có công suất trao đổi nhiệt lớn.
• Phân phối dòng chảy không đều trong vỏ có thể dẫn đến các vùng hiệu suất thấp.

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là một giải pháp trao đổi nhiệt linh hoạt và hiệu quả, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Với khả năng tùy biến cao về thiết kế và vật liệu, chúng có thể đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về hiệu suất, áp suất và nhiệt độ. Việc lựa chọn đúng loại thiết bị ống chùm phù hợp với ứng dụng cụ thể sẽ góp phần quan trọng vào hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.