Máy trao đổi nhiệt ống và ống là chìa khóa để cải thiện hiệu quả hóa dầu

Hãy tưởng tượng một nhà máy lọc dầu rộng lớn, nơi các mạng lưới đường ống phức tạp đan xen như các mạch máu trong một sinh vật sống. Tại trung tâm của các hệ thống phức tạp này, bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống hoạt động như những "trung tâm tuần hoàn" quan trọng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền và chuyển đổi năng lượng một cách thầm lặng. Các thiết bị phổ biến này đóng vai trò không thể thiếu trong các ứng dụng áp suất cao như xử lý hóa dầu. Nhưng chính xác thì chúng hoạt động như thế nào và những cân nhắc thiết kế nào chi phối việc triển khai chúng? Khám phá toàn diện này tiết lộ bản chất đa diện của bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống.

Như tên gọi, các bộ trao đổi nhiệt này bao gồm hai thành phần chính: một vỏ bên ngoài chứa một bó ống bên trong. Vỏ hình trụ đóng vai trò là một bình chịu áp lực chứa nhiều ống mà qua đó chất lỏng chảy. Trao đổi nhiệt xảy ra trên các thành ống, phân tách hai dòng chất lỏng được điều chỉnh nhiệt độ. Cấu hình ống khác nhau, từ thiết kế thành trơn đến thiết kế có cánh dọc, mỗi thiết kế phục vụ các yêu cầu truyền nhiệt riêng biệt.

Sự phổ biến trong công nghiệp của chúng bắt nguồn từ cấu trúc nhỏ gọn, khả năng chịu áp suất cao và tính linh hoạt trong vận hành. Các đơn vị này xử lý hiệu quả các quá trình lỏng-lỏng, khí-khí, hóa hơi và ngưng tụ trong các ứng dụng đa dạng.

Cơ chế hoạt động cơ bản dựa trên sự khác biệt nhiệt độ giữa các chất lỏng được phân tách bởi các thành ống dẫn điện. Thông thường, một môi chất chảy qua các ống (chất lỏng phía ống) trong khi một môi chất khác lưu thông bên ngoài chúng trong vỏ (chất lỏng phía vỏ). Để tăng cường hiệu quả, dòng chảy phía vỏ thường áp dụng các kiểu dòng chảy chéo vuông góc với bó ống. Các vách ngăn được đặt một cách chiến lược sẽ chuyển hướng chất lỏng phía vỏ qua các ống nhiều lần, làm tăng độ nhiễu loạn và cải thiện hệ số truyền nhiệt.

Nhiệt di chuyển từ chất lỏng ấm hơn sang chất lỏng mát hơn — hướng phụ thuộc vào yêu cầu của quy trình. Ví dụ, các ứng dụng sưởi ấm có thể sử dụng hơi nước làm môi chất nóng trong khi các quá trình làm mát có thể sử dụng nước lạnh. Hiệu suất phụ thuộc vào nhiều biến số bao gồm đặc tính chất lỏng, vận tốc dòng chảy, vật liệu ống và kỹ thuật kết cấu.

• Phân bổ chất lỏng: Chất lỏng sạch, không ăn mòn thường chiếm các mặt ống để bảo trì dễ dàng hơn, trong khi môi chất gây bẩn hoặc ăn mòn chảy qua vỏ. Các dòng áp suất cao thường đi qua các ống để giảm thiểu ứng suất vỏ.
• Sắp xếp ống: Các mẫu hình tam giác cung cấp khả năng truyền nhiệt vượt trội nhưng làm phức tạp việc làm sạch so với bố cục hình vuông.
• Kỹ thuật vách ngăn: Các thành phần định hướng dòng chảy này ảnh hưởng quan trọng đến độ nhiễu loạn và sụt áp thông qua khoảng cách, chiều cao và hình dạng của chúng.
• Thông số kỹ thuật ống: Số lượng và kích thước ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích truyền nhiệt và tổn thất áp suất — đường kính nhỏ hơn với số lượng ống cao hơn thường cải thiện hiệu quả.
• Cấu hình vỏ: Vỏ hình trụ hoặc hình chữ nhật phải chịu được ứng suất vận hành trong khi chứa khối lượng dòng chảy.

• Tấm ống cố định: Thiết kế đơn giản, tiết kiệm, không phù hợp với chất lỏng gây bẩn do các bó không thể tháo rời.
• Ống chữ U: Điều chỉnh sự giãn nở nhiệt nhưng tạo ra các thách thức làm sạch và các vùng chết.
• Đầu nổi: Cho phép tháo bó để bảo trì và xử lý sự khác biệt nhiệt độ lớn với chi phí cao hơn.
• Bó đóng gói: Cấu trúc đơn giản có nguy cơ rò rỉ, hạn chế sử dụng cho các ứng dụng áp suất thấp, không nguy hiểm.

Các nhà máy điện hạt nhân sử dụng các máy phát hơi nước ống chữ U chuyên dụng — bộ trao đổi hai pha đun sôi nước tái chế thành hơi nước chạy tuabin. Hầu hết các đơn vị đều có 1, 2 hoặc 4 lượt ống (chất lỏng đi qua vỏ). Các bình ngưng bề mặt của nhà máy điện thường sử dụng thiết kế ống thẳng một lượt.

• Độ dẫn nhiệt: Đồng và nhôm vượt trội về hiệu quả truyền nhiệt.
• Khả năng chống ăn mòn: Khả năng tương thích vật liệu với môi chất quy trình ngăn ngừa sự suy thoái — titan chống lại axit, niken chịu được kiềm.
• Tính toàn vẹn về cấu trúc: Thép carbon và thép không gỉ cung cấp độ bền cho các ứng dụng áp suất cao.
• Các yếu tố kinh tế: Tính hiệu quả về chi phí cân bằng các yêu cầu về hiệu suất.

Các vật liệu phổ biến bao gồm hợp kim đồng, thép không gỉ, titan và các polyme chuyên dụng như PFA cho nhiệt độ khắc nghiệt. Việc lựa chọn không đúng cách có nguy cơ rò rỉ, nhiễm bẩn hoặc mất áp suất giữa các mặt vỏ và ống.

• Hóa dầu: Sưởi/làm mát dầu thô, chất trung gian và sản phẩm phản ứng.
• Phát điện: Ngưng tụ hơi nước thải tuabin trong các nhà máy hóa thạch và hạt nhân.
• Luyện kim: Điều chỉnh nhiệt độ trong các quy trình luyện kim và gia công kim loại.
• Thực phẩm/dược phẩm: Xử lý nhiệt vệ sinh cho hàng tiêu dùng và thuốc.
• HVAC: Hệ thống kiểm soát khí hậu trong các tòa nhà lớn.
• Thủy lực: Làm mát chất bôi trơn và chất lỏng truyền động trong máy móc hạng nặng.

Các biện pháp an toàn quan trọng bao gồm các thiết bị giảm áp (đĩa hoặc van vỡ) bảo vệ chống lại áp suất quá cao do hỏng ống. Thiết kế và sản xuất tuân thủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt như TEMA, ASME Boiler Code và EN 13445-3, đảm bảo độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt.

So với bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, thiết kế dạng vỏ và ống cung cấp khả năng bảo trì vượt trội (đặc biệt là các mẫu đầu nổi) và khả năng chịu áp suất đặc biệt do cấu trúc hình trụ.