Bộ trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất: Bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống

Giới thiệu

Bộ trao đổi nhiệt là thành phần thiết yếu trong nhiều quy trình công nghiệp và thương mại, cho phép nhiệt truyền từ môi trường này sang môi trường khác mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Trong số nhiều loại có sẵn - bao gồm bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, ống vây, xoắn ốc và ống đôi - bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống (STHE) nổi bật là loại được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu. Tính linh hoạt, độ bền và hiệu quả của nó khiến nó trở thành nền tảng của quản lý nhiệt trong các lĩnh vực như sản xuất điện, dầu khí, HVAC, xử lý hóa chất, v.v.

Bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống là gì?

Bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống bao gồm một loạt các ống được đặt trong một vỏ hình trụ. Một chất lỏng chảy qua các ống, trong khi chất lỏng khác chảy qua các ống (bên trong vỏ) để trao đổi nhiệt. Sự tiếp xúc gián tiếp này đảm bảo truyền nhiệt mà không cần trộn lẫn chất lỏng.

Cấu trúc cơ bản:
Ống: Thường được sắp xếp thành bó và có thể thẳng hoặc hình chữ U.

Vỏ: Một bình hình trụ bao quanh các ống, chứa chất lỏng thứ hai.

Tấm ống: Tấm giữ ống ở đúng vị trí và cách ly chất lỏng.

Vách ngăn: Dẫn chất lỏng phía vỏ để tăng sự chuyển động hỗn loạn và truyền nhiệt.

Đầu hoặc Nắp cuối: Dẫn chất lỏng vào và ra khỏi ống.

Nguyên tắc làm việc

Nguyên lý làm việc chính của bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống là truyền nhiệt dựa trên sự đối lưu giữa hai chất lỏng ở nhiệt độ khác nhau. Nhiệt truyền từ chất lỏng nóng hơn sang chất lỏng lạnh hơn qua thành ống.

Có ba cấu hình luồng chính:

Dòng chảy song song - Cả hai chất lỏng đều chuyển động cùng hướng.

Dòng chảy ngược - Chất lỏng di chuyển theo hướng ngược lại để có hiệu quả cao hơn.

Dòng chảy chéo - Chất lỏng chảy vuông góc với nhau.

Biến thể thiết kế

Để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống được thiết kế theo các cấu hình khác nhau:

Một lần hoặc Nhiều lần (chất lỏng đi qua một hoặc nhiều lần qua ống)

Tấm ống cố định – Đơn giản và tiết kiệm; giới hạn ở sự giãn nở nhiệt thấp.

Đầu nổi hoặc ống chữ U – Có khả năng giãn nở nhiệt; làm sạch và bảo trì dễ dàng hơn.

Tiêu chuẩn TEMA – Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt hình ống (TEMA) tiêu chuẩn hóa STHE thành các loại (R, C, B) để sử dụng trong nhà máy lọc dầu, thương mại và hóa chất.

Tại sao nó được sử dụng rộng rãi nhất?

1. Tính linh hoạt
Bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống có thể xử lý nhiều loại nhiệt độ (lên tới 1000°C) và áp suất (lên đến 500 bar). Chúng có thể tùy chỉnh cho nhiều yêu cầu quy trình, chất lỏng và môi trường lắp đặt.

2. Độ bền và độ tin cậy
Được chế tạo bằng các vật liệu chắc chắn như thép không gỉ, titan hoặc Inconel, những bộ trao đổi nhiệt này phù hợp với môi trường ăn mòn và áp suất cao. Họ có một cuộc sống hoạt động lâu dài với bảo trì thích hợp.

3. Khả năng mở rộng
Chúng có sẵn với nhiều kích cỡ khác nhau — từ các thiết bị nhỏ dành cho phòng thí nghiệm đến các cơ sở lắp đặt công nghiệp lớn.

4. Dễ bảo trì
Các mô hình như thiết kế ống chữ U hoặc đầu nổi cho phép làm sạch và thay thế ống mà không cần tháo dỡ toàn bộ hệ thống.

5. Hiệu suất nhiệt
Với thiết kế phù hợp (ví dụ: vách ngăn, nhiều đường chuyền), STHE có thể truyền nhiệt rất hiệu quả, đặc biệt là trong các bố trí dòng ngược.

Ứng dụng phổ biến

1. Công nghiệp dầu khí
Chất bôi trơn làm mát và chất lỏng thủy lực

Thu hồi nhiệt từ khí thải

Ngưng tụ hơi nước và hơi

2. Phát điện
Máy nước nóng cấp nước

Bình ngưng hơi nước trong nhà máy nhiệt điện

3. Xử lý hóa học
Kiểm soát nhiệt độ của lò phản ứng

Sưởi ấm và làm mát sản phẩm

4. HVAC và Điện lạnh
Hệ thống nước lạnh

Bình ngưng và thiết bị bay hơi

5. Hàng hải và hàng không vũ trụ
Hệ thống làm mát động cơ

Thu hồi nhiệt thải

Vật liệu xây dựng
Lựa chọn vật liệu là rất quan trọng và phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và khả năng chống ăn mòn:

Thép Carbon – Phổ biến cho các ứng dụng chi phí thấp.

Thép không gỉ - Khả năng chống ăn mòn cao.

Hợp kim đồng - Độ dẫn nhiệt tuyệt vời.

Titanium – Được sử dụng cho nước biển hoặc chất lỏng có tính ăn mòn cao.

Hợp kim Niken (Inconel, Hastelloy) – Dành cho môi trường khắc nghiệt.