Quote from Trần Xuân Trường on 10/11/2021, 14:44

Thiết bị trao đổi nhiệt

Hầu hết mọi cơ sở công nghiệp đều dựa vào việc truyền nhiệt năng để tạo ra điện, hệ thống điều khiển và môi trường làm việc và thậm chí sản xuất sản phẩm. Vậy làm thế nào để các kỹ sư kiểm soát điều này? Đó là những gì chúng ta sẽ đề cập trong bài viết này, được tài trợ bởi Super Radiator Coils, một trong những công ty hàng đầu về sản xuất bộ trao đổi nhiệt cho thị trường thương mại, công nghiệp và thậm chí cả hạt nhân. Tất cả thiết kế kỹ thuật, hiệu suất, thử nghiệm và sản xuất đều diễn ra trong nhà là một trong ba bộ phận của họ ở Chaska, Minnesota, Richmond, Virginia và Phoenix, Arizona.

Bộ trao đổi nhiệt chỉ đơn giản là một thiết bị được sử dụng để truyền nhiệt năng giữa hai chất mà chúng không trộn lẫn với nhau. Chất này có thể là chất lỏng hoặc chất khí hoặc thậm chí là hỗn hợp của một trong hai chất này.

Lấy ví dụ về loại dầu này. Chúng tôi cần tăng nhiệt độ của nó, nhưng chúng tôi không muốn đốt trực tiếp ngọn lửa vào thiết bị lưu trữ. Thay vào đó, chúng tôi sẽ đun sôi một ít nước và chuyển qua một thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản. Dầu thường cũng được tuần hoàn qua bộ trao đổi nhiệt, nơi nó sẽ hấp thụ nhiệt của nước một cách an toàn. Nhiệt năng được truyền từ nước nóng qua thành kim loại và vào dầu.

Nước và dầu không bao giờ gặp nhau hoặc trộn lẫn. Chúng luôn hoàn toàn tách biệt. Phải có sự chênh lệch nhiệt độ thì nhiệt lượng mới truyền được và nhiệt luôn truyền từ nóng sang lạnh. Chúng tôi cũng có thể làm nguội dầu bằng cách bơm nước lạnh qua bộ trao đổi nhiệt. Nước lạnh lúc này sẽ hấp thụ nhiệt năng của dầu.

Chúng ta thấy các bộ trao đổi nhiệt được sử dụng ở khắp mọi nơi, từ dàn lạnh, bộ tản nhiệt làm mát động cơ trên ô tô và thậm chí ở mặt sau của tủ lạnh. Tuy nhiên, bộ trao đổi nhiệt công nghiệp có một chút khác biệt vì chúng thường làm việc trong môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như nhà máy điện hạt nhân, nhà máy lọc dầu, nhà máy chế biến thực phẩm và nhà máy, tất cả đều phải làm việc ở áp suất cao và nhiệt độ cao. Do đó, các đơn vị này được xây dựng chắc chắn hơn và từ các vật liệu chắc chắn hơn. Môi trường làm việc thường có tính ăn mòn nên chúng được xử lý hóa học để xử lý điều này. Những bộ trao đổi nhiệt hoặc xử lý các chất lỏng như nước, hơi nước, không khí, chất làm lạnh, dầu, hóa chất, khí, sản phẩm thực phẩm, v.v.

Có năm loại bộ trao đổi nhiệt công nghiệp chính, mặc dù có nhiều biến thể của mỗi thiết kế. Trước tiên, chúng ta hãy xem xét một bộ trao đổi nhiệt dạng ống mỏng, đây có lẽ là cách sử dụng thiết kế phổ biến nhất.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống mỏng

Một thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống mỏng điển hình trông giống như thế này. Chúng tôi thấy có một Đầu vào và một cửa ra. Đây là cả hai chúng tôi nằm ở cùng một đầu. Các kết nối này thường có mặt bích, nhưng chúng có thể được hàn ren hoặc hàn tùy thuộc vào ứng dụng và áp suất của chất lỏng làm việc. Chạy giữa Đầu vào và Đầu ra là một ống sẽ chứa và dẫn trực tiếp một trong các chất lỏng hoạt động, ví dụ, nước nóng. Các ống này sẽ được bao phủ bởi nhiều tấm kim loại mỏng được gọi là tấm mỏng. Các tấm mỏng làm tăng diện tích bề mặt của thành ống, cho phép nhiều nhiệt hơn để truyền chất lỏng khác.

Ví dụ, không khí xung quanh sẽ đi qua bên ngoài của ống này giữa các hộp thiếc. Hai chất lỏng sẽ không bao giờ trộn lẫn. Nhiệt lượng truyền từ nước nóng qua thành ống và ra ngoài không khí. Nhiệt của nước truyền ra ngoài qua thành ống và đi vào các cánh tản nhiệt. Các cánh tản nhiệt làm tăng diện tích bề mặt và cho phép tương tác nhiều hơn với Dòng khí, giúp cải thiện sự truyền nhiệt.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ sẽ trông giống như thế này. Với thiết kế này, chúng tôi thường tìm thấy đầu vào và đầu ra cho một chất lỏng ở cuối bộ trao đổi nhiệt, được gọi là đầu cắm. Sau đó, chúng ta có một đầu vào và đầu ra khác cho hai chất lỏng trên thân chính, được gọi là vỏ. Bên trong vỏ có các ống. Những ống được uốn cong và vòng quanh để làm trọn trong thiết bị.

Các ống thường cũng sẽ đi qua một số vách ngăn, là các tấm kim loại. Chúng ta sẽ xem những thứ này hoạt động như thế nào chỉ trong giây lát. Đầu vào, cũng như các ống, có thể được tháo ra để làm sạch, sửa chữa và bảo trì. Bên trong có một tấm kim loại được gọi là tấm ngăn hoặc vách ngăn. Điều này ngăn cách các đầu ống, tạo điều kiện cho chất lỏng chảy vào và sau đó ra khỏi các ống trao đổi nhiệt.

Chất lỏng sẽ chảy vào xung quanh các ống, sau đó quay trở lại. Chất lỏng hai sẽ đi vào vỏ và bao quanh bên ngoài các ống. Các vách ngăn sẽ chặn một phần dòng chảy, điều này sẽ buộc chất lỏng phải đảo nhiều lần. Điều này tạo ra một dòng chảy hỗn loạn và đảm bảo rằng hai chất lỏng tự trộn lẫn với nhau, đảm bảo truyền nhiệt tối đa. Ví dụ, chúng ta có thể tìm thấy điều này trong một nhà máy dược phẩm với một lò hơi cung cấp hơi nước vào vỏ bao quanh các ống. Sau đó, một sản phẩm hóa học được bơm qua các ống và sản phẩm này sẽ hấp thụ nhiệt của hơi nước qua thành ống.

Ống đôi

Ống đôi hoặc ống trong bộ trao đổi nhiệt kiểu ống sẽ trông giống như thế này.

Điều này tương tự với bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống vì về cơ bản chúng ta chỉ có một ống chạy qua lại một số lần giữa đầu vào và đầu ra. Nó được bao quanh bởi một lớp vỏ có một đầu vào và đầu ra khác. Khung kim loại sẽ giữ thiết bị tại chỗ. Thông thường, tất cả sẽ được làm từ thép không gỉ. Một chất lỏng sẽ chảy qua ống và một chất lỏng khác sẽ chảy qua vỏ.

Hai chất lỏng được ngăn cách bởi thành ống và truyền nhiệt năng qua thành ống này. Kích cỡ hình khác nhau dẫn đến nhiệt độ và truyền nhiệt khác nhau. Trong thiết kế này, phần uốn cong ở mỗi đầu không được sử dụng để truyền nhiệt và nhiệt có thể bị lãng phí ở đây. Tuy nhiên, việc chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt này rẻ hơn và rõ ràng là dễ dàng hơn. Các thiết kế khác như bộ trao đổi nhiệt kiểu kẹp tóc này, thường được tìm thấy trong các nhà máy lọc dầu, sẽ bao bọc phần uốn cong để tận dụng hoàn toàn diện tích bề mặt để truyền nhiệt.

Phiên bản này thường sử dụng nhiều ống để tối đa hóa diện tích bề mặt và do đó tăng khả năng truyền nhiệt. Mặc dù điều này cũng sẽ làm tăng điện trở, nhưng đây là một thiết kế bộ trao đổi nhiệt khá đơn giản và rất phổ biến, đặc biệt là trong chế biến thực phẩm cũng như sản xuất dược phẩm. Ví dụ, chúng ta có thể có một sản phẩm sữa chảy qua ống và sau đó chúng ta có nước nóng hoặc thậm chí có thể hơi nước chảy theo hướng ngược lại qua vỏ, sẽ làm ấm sản phẩm đến một nhiệt độ nhất định trước khi nó được trộn với một số thành phần khác. và sau đó đóng chai.

Bộ trao đổi nhiệt công nghiệp

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm công nghiệp trông giống như thế này. Chúng bao gồm một lớp vỏ kim loại dày ở mặt trước cũng như mặt sau của thiết bị, thường được làm từ thép nhẹ. Có hai đầu vào và hai đầu ra, thường là kết nối mặt bích. Trong hầu hết các thiết kế, chúng tôi tìm thấy tất cả bốn cổng nằm ở mặt trước, vì điều này cho phép bộ trao đổi nhiệt dễ dàng mở rộng hoặc thu nhỏ để phù hợp với sự thay đổi hoạt động trong tương lai. Hầu hết các thiết bị trao đổi nhiệt không có khả năng này.

Giữa các tấm bìa cuối, chúng tôi tìm thấy một số tấm là các tấm kim loại mỏng với hoa văn được dập vào chúng. Thông thường, chúng sẽ được làm từ thép không gỉ. Những mô hình này sẽ giúp hướng các chất lỏng và tạo ra một dòng chảy rất hỗn loạn, làm tăng sự truyền nhiệt. Giữa mỗi tấm này là một con dấu được gọi là một miếng đệm. Điều này thường được làm từ cao su. Những miếng đệm này ngăn cách các tấm, tạo ra một kênh mỏng giữa chúng, chất lỏng sau đó có thể chảy qua.

Trên mỗi tấm, miếng đệm sẽ chặn hai trong số bốn cổng, có nghĩa là chỉ một chất lỏng có thể vào và ra. Tấm tiếp theo sẽ cho phép chất lỏng thứ hai đi qua. Điều này luân phiên trong suốt bộ trao đổi nhiệt và giữ cho hai chất lỏng hoàn toàn tách biệt. Chỉ có năng lượng nhiệt sẽ truyền qua các tấm. Toàn bộ đơn vị được giữ với nhau bằng một số bu lông dài, nén các miếng đệm để tạo thành một con dấu rất chặt chẽ.

Các bộ trao đổi nhiệt này rất phổ biến để sưởi ấm và làm mát. Ví dụ, một nhà máy điện đốt rác đốt chất thải sinh hoạt để tạo ra nhiệt. Điều này tạo ra hơi nước, dẫn động tuabin và tạo ra điện. Sau đó, năng lượng nhiệt thải đi qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm để làm nóng mạng lưới sưởi của khu vực và các tòa nhà khác sau đó sẽ kết nối với mạng nhiệt này thông qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm để cung cấp nhu cầu sưởi ấm của chính họ. Điều này sẽ thay vì họ vận hành lò hơi cá nhân của riêng họ.

Bộ trao đổi nhiệt xoắn ốc

Bộ trao đổi nhiệt xoắn ốc trông giống như thế này. Chúng tôi có một đầu vào có mặt bích ở mặt trước với đầu ra nằm ở phía trên. Sau đó, chúng tôi có một đầu vào từ một chất lỏng khác cũng ở trên cùng, với đầu ra nằm ở mặt sau. Đằng sau các tấm cuối, chúng tôi tìm thấy hai tấm kim loại bên trong, chúng xoắn với nhau xung quanh bên trong để tạo thành một kênh mà giờ đây chất lỏng sẽ chảy qua. Kênh phân tách hoàn toàn hai chất lỏng.

Chúng ta thấy chất lỏng đầu tiên đi vào bộ trao đổi nhiệt và lấp đầy khoang, sau đó chảy xung quanh và vào đầu ra. Trong khi đó, ở phía bên kia, chất lỏng thứ hai đi vào bằng phía trên, chảy xung quanh kênh và vào buồng, nơi nó sau đó thoát ra. Hai chất lỏng đi vào và đi ra ở các nhiệt độ khác nhau. Tuy nhiên, loại thiết bị trao đổi nhiệt này không được sử dụng phổ biến, do thiết kế chỉ có một kênh cho chất lỏng chảy qua, vận tốc vẫn cao nên khó xảy ra tắc nghẽn hơn. Trong khi đó, bộ trao đổi dạng tấm và thậm chí dạng ống chia dòng chảy thành nhiều đường.