Đối với hầu hết các kỹ sư,vách ngăn trao đổi nhiệtlà một suy nghĩ lại. Các ống được chọn để truyền nhiệt, vỏ có kích thước phù hợp để ngăn chặn áp suất và các vách ngăn được chỉ định theo mẫu tiêu chuẩn. Cách tiếp cận này hiệu quả với nhiều ứng dụng nhưng lại bỏ lỡ cơ hội cải tiến. Bài viết này xem xét một số trường hợp từ thực tế hiện trường trong đó việc chú ý đến thiết kế vách ngăn đã cải thiện đáng kể hiệu suất, giảm chi phí hoặc kéo dài tuổi thọ hoạt động.
Trường hợp 1: Bộ làm mát quá áp-
Một nhà máy hóa chất ở vùng Bờ Vịnh có thiết bị làm mát vỏ và ống đường kính 600 mm hoạt động bằng dòng hydrocacbon nhẹ. Máy làm mát đã hoạt động được 8 năm và hoạt động tốt, nhưng độ giảm áp suất đã tăng đến mức nhà máy đang cân nhắc việc thay thế máy bơm hoặc lắp đặt đường vòng.
Thiết kế ban đầu sử dụng các vách ngăn phân đoạn đơn với độ cắt 25% và khoảng cách 200 mm. Các vách ngăn được chỉ định theo cách sắp xếp TEMA tiêu chuẩn. Việc xem xét dữ liệu vận hành cho thấy độ giảm áp suất bên-vỏ đã tăng từ giá trị thiết kế là 35 kPa lên 85 kPa. Sự gia tăng này được cho là do ô nhiễm, nhưng tỷ lệ ô nhiễm cao hơn dự kiến.
Giải pháp không phải là thay đổi khoảng cách vách ngăn hoặc cách cắt vách ngăn mà là thay đổi cấu hình vách ngăn. Các vách ngăn phân đoạn đơn được thay thế bằng các vách ngăn phân đoạn đôi. Áp suất giảm xuống còn 40 kPa mà khả năng truyền nhiệt giảm đáng kể. Nhà máy đã tiết kiệm được chi phí mua máy bơm mới và tránh được thời gian ngừng hoạt động khi lắp đặt.
Bài học: khi áp suất giảm quá mức, hãy cân nhắc thay đổi loại vách ngăn trước khi thay máy bơm.
Trường hợp 2: Bó rung
Một nhà máy điện có bộ gia nhiệt nước cấp có đường kính vỏ 900 mm. Thiết bị đã hoạt động được ba năm thì bắt đầu xảy ra sự cố về đường ống. Lỗi xảy ra ở các khớp nối ống-với-tấm ống và tại các điểm mà ống tiếp xúc với vách ngăn. Sự cố xảy ra do rung động-gây ra bởi dòng chảy.
Thiết kế có vách ngăn cắt 25%, vách ngăn phân đoạn đơn và khoảng cách 300 mm. Tần số tự nhiên được tính toán của các ống là 45 Hz. Tần số kích thích từ dòng chảy phía vỏ-được ước tính là khoảng 30 đến 50 Hz, tùy thuộc vào tốc độ dòng chảy. Sự rung động ở mức cộng hưởng.
Giải pháp là giảm khoảng cách giữa các vách ngăn xuống còn 200 mm. Điều này làm tăng tần số tự nhiên lên 70 Hz, nằm ngoài phạm vi kích thích. Các ống đã được thay thế, các vách ngăn đã được sửa đổi và thiết bị đã được đưa trở lại hoạt động. Chi phí của việc sửa đổi chỉ là một phần nhỏ so với chi phí liên tục xảy ra sự cố ống. Nhà máy điện ước tính rằng rung động đã gây ra hơn 200.000 USD chi phí bảo trì và làm mất sản lượng trong ba năm.
Bài học: tỷ lệ tần số không phải là một chi tiết có thể bỏ qua. Khi tần số riêng gần với tần số kích thích sẽ dẫn đến rung động và hỏng hóc.
Trường hợp 3: Thiếu hụt truyền nhiệt
Một nhà máy chế biến thực phẩm có bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống đường kính 500 mm dùng để làm mát sản phẩm thực phẩm nhớt. Thiết bị đã được thiết kế với các vách ngăn tiêu chuẩn nhưng không đạt được nhiệt độ đầu ra cần thiết. Nhà sản xuất đã đề xuất tăng diện tích bề mặt bằng cách bổ sung một bộ trao đổi nhiệt lớn hơn, nhưng nhà máy đang tìm kiếm một giải pháp có chi phí-thấp hơn.
Đánh giá thiết kế cho thấy khoảng cách giữa các vách ngăn là 250 mm, lớn hơn mức tối ưu đối với chất lỏng có độ nhớt-cao. Mô hình dòng chảy bị chi phối bởi dòng chảy dọc qua các cửa sổ vách ngăn. Dòng chảy ngang qua các ống thấp và hệ số truyền nhiệt thấp hơn giá trị thiết kế.
Các vách ngăn đã được sửa đổi bằng cách giảm khoảng cách xuống 150 mm. Tốc độ-dòng chảy chéo tăng lên, hệ số truyền nhiệt tăng lên và thiết bị đạt được nhiệt độ đầu ra cần thiết. Việc sửa đổi được hoàn thành trong thời gian ngừng bảo trì theo lịch trình và chi phí thấp hơn 10% chi phí của một bộ trao đổi nhiệt mới.
Bài học: đối với chất lỏng nhớt, khoảng cách giữa các vách ngăn tiêu chuẩn thường quá lớn. Khoảng cách nhỏ hơn làm tăng-lưu lượng chéo và cải thiện khả năng truyền nhiệt.
Cơ chế hoạt động của vách ngăn
Hiệu suất của hệ thống vách ngăn được xác định bởi ba yếu tố: mô hình dòng chảy, phân bố vận tốc và giảm áp suất. Mỗi cái đều bị ảnh hưởng bởi thiết kế vách ngăn.
- Mô hình dòng chảy. Thiết kế vách ngăn xác định dòng chảy chủ yếu là dòng chảy ngang hay dòng chảy dọc. Dòng chảy chéo có hiệu quả truyền nhiệt cao hơn vì nó phá vỡ lớp ranh giới. Dòng chảy dọc ít hiệu quả hơn trong việc truyền nhiệt nhưng cần thiết để vận chuyển chất lỏng giữa các ngăn vách ngăn.
- Phân bố vận tốc. Thiết kế vách ngăn xác định xem dòng chảy đồng đều trên bó ống hay tập trung ở một số khu vực nhất định. Sự phân bổ không-đồng đều làm giảm khả năng truyền nhiệt và tăng nguy cơ tắc nghẽn cục bộ.
- Giảm áp suất. Thiết kế vách ngăn xác định độ sụt áp qua bộ trao đổi nhiệt. Độ giảm áp suất là hàm số của vận tốc qua cửa sổ vách ngăn và vận tốc dòng chảy ngang{2}}. Mối quan hệ không tuyến tính; tăng gấp đôi vận tốc sẽ làm tăng độ giảm áp suất lên khoảng bốn lần.
Cắt vách ngăn
Việc cắt vách ngăn là biến số quan trọng nhất trong thiết kế vách ngăn. Nó xác định sự cân bằng giữa dòng chảy-chéo và dòng chảy dọc. Vết cắt nhỏ hơn làm tăng-dòng chảy chéo và truyền nhiệt nhưng cũng làm tăng độ giảm áp suất và nguy cơ rung ống. Vết cắt lớn hơn làm giảm-mức giảm dòng chảy chéo và áp suất nhưng cũng làm giảm sự truyền nhiệt.
Mức cắt tối ưu cho hầu hết các ứng dụng là 20% đến 25% diện tích vách ngăn. Điều này cung cấp sự cân bằng giữa truyền nhiệt và giảm áp suất. Đối với các ứng dụng có giới hạn giảm áp suất cao, có thể cần cắt giảm lớn hơn. Đối với các ứng dụng ưu tiên truyền nhiệt, có thể sử dụng mức cắt nhỏ hơn.
Hướng cắt cũng là một điều cần cân nhắc. Trong hầu hết các thiết kế, vết cắt nằm ngang, có cửa sổ ở trên cùng hoặc dưới cùng của vỏ. Đây là sự sắp xếp tiêu chuẩn cho hoạt động theo chiều dọc. Khi vận hành theo chiều ngang, vết cắt thường theo chiều dọc để ngăn chặn sự tích tụ chất lỏng ở phần dưới của vỏ.
Khoảng cách vách ngăn
Khoảng cách giữa các vách ngăn xác định vận tốc của dòng chảy ngang{0}}và nhịp không được đỡ của các ống. Khoảng cách thường là 20% đến 100% đường kính vỏ. Khoảng cách tối ưu phụ thuộc vào yêu cầu truyền nhiệt, giới hạn giảm áp suất và rủi ro rung ống.
- Truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt tăng khi khoảng cách giảm. Đối với đường kính vỏ cho trước, hệ số này xấp xỉ tỷ lệ với căn bậc hai của nghịch đảo của khoảng cách. Mối quan hệ này có giá trị đối với phạm vi khoảng cách thực tế.
- Giảm áp suất. Độ giảm áp suất xấp xỉ tỷ lệ nghịch với khoảng cách. Khoảng cách nhỏ hơn làm tăng độ giảm áp suất. Mối quan hệ không tuyến tính; việc giảm khoảng cách 20% có thể làm tăng mức giảm áp suất từ 30% đến 40%.
- Độ rung của ống. Nguy cơ rung động giảm khi khoảng cách giảm. Khoảng cách nhỏ hơn làm giảm nhịp không được hỗ trợ và tăng tần số tự nhiên. Rủi ro rung động cũng bị ảnh hưởng bởi mô hình dòng chảy và cách bố trí ống.
Khoảng cách nên được lựa chọn sao cho cân bằng được 3 yếu tố này. Đối với các ứng dụng chiếm ưu thế về truyền nhiệt-, khoảng cách thường ở mức thấp nhất trong phạm vi. Đối với các ứng dụng hạn chế về giảm áp suất, đây là cấp độ cao hơn. Đối với các ứng dụng có rủi ro rung động cao, khoảng cách phải đủ nhỏ để duy trì các ống trong giới hạn rung động cho phép.
Bố cục ống và bố cục ống
Khoảng cách ống-khoảng cách giữa các ống liền kề-ảnh hưởng đến sự phân bổ dòng chảy và độ giảm áp suất. Khoảng cách lớn hơn cung cấp nhiều không gian hơn cho dòng chảy bên-vỏ, giảm độ sụt áp và cho phép tốc độ dòng chảy cao hơn. Bước nhỏ hơn làm tăng số lượng ống cho một đường kính vỏ nhất định, tăng diện tích truyền nhiệt nhưng hạn chế dòng chảy.
Bố cục ống-cách sắp xếp các ống trong bó-ảnh hưởng đến sự phân bố dòng chảy và đặc tính rung. Ba bố cục tiêu chuẩn là:
- Hình tam giác (30 độ ). Cách bố trí này cung cấp số lượng ống cao nhất cho đường kính vỏ nhất định. Đây là cách bố trí phổ biến nhất cho các ứng dụng ưu tiên tối đa hóa diện tích truyền nhiệt. Sự phân bố dòng chảy tốt và độ giảm áp suất vừa phải.
- Hình vuông (90 độ). Cách bố trí này cung cấp khả năng tiếp cận để làm sạch cơ học các ống. Nó được sử dụng trong các ứng dụng mà chất lỏng bên-vỏ bị tắc nghẽn hoặc nơi các ống phải được làm sạch. Số lượng ống thấp hơn hình tam giác đối với cùng đường kính vỏ.
- Xoay hình vuông (45 độ). Cách bố trí này mang lại sự dung hòa giữa số lượng ống cao của bố cục hình tam giác và khả năng tiếp cận làm sạch của bố cục hình vuông. Nó được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu một số quyền truy cập làm sạch.
Vách ngăn-đến-Khe hở ống
Khoảng hở giữa các lỗ vách ngăn và các ống ảnh hưởng đến dòng chảy phụ và các đặc tính rung của ống. Khoảng hở thường là 0,5 đến 1,5 mm đối với các thiết kế tiêu chuẩn. Khe hở nhỏ hơn làm giảm dòng chảy vòng và cải thiện quá trình truyền nhiệt nhưng có thể làm tăng nguy cơ hư hỏng ống trong quá trình lắp ráp. Khoảng hở lớn hơn giúp giảm nguy cơ hư hỏng cụm lắp ráp nhưng làm tăng dòng chảy vòng và giảm sự truyền nhiệt.
Khe hở phải được xác định dựa trên vật liệu ống, đường kính ống và phương pháp lắp ráp. Đối với ống thép không gỉ, khe hở có thể lớn hơn ống thép cacbon để có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn.
Phương pháp thiết kế
Phương pháp sau đây có thể được sử dụng để phát triển thiết kế vách ngăn cho một ứng dụng cụ thể:
Bước 1: Thiết lập các yêu cầu của quy trình.
Xác định công suất nhiệt, tính chất chất lỏng, độ giảm áp suất cho phép và giới hạn rung của ống. Đây là những hạn chế mà thiết kế phải đáp ứng.
Bước 2: Chọn loại vách ngăn.
Chọn cấu hình vách ngăn dựa trên yêu cầu của quy trình và hạn chế về không gian. Vách ngăn phân đoạn đơn là mặc định. Vách ngăn đôi hoặc đĩa-và-hình bánh rán được sử dụng khi áp suất giảm quá mức.
Bước 3: Xác định khoảng cách giữa các vách ngăn
Tính toán khoảng cách cần thiết để đạt được hệ số truyền nhiệt mong muốn và duy trì các ống trong giới hạn rung động cho phép.
Bước 4: Xác định đường cắt vách ngăn.
Tính toán phần cắt cần thiết để đạt được sự cân bằng mong muốn giữa dòng chảy ngang và dòng chảy dọc. Vết cắt thường là 20% đến 25% diện tích vách ngăn.
Bước 5: Thẩm định thiết kế.
Tính hệ số truyền nhiệt, độ giảm áp suất và rủi ro rung động. Kết quả phải nằm trong yêu cầu của quy trình.
Bước 6: Xác định vật liệu.
Chọn vật liệu vách ngăn dựa trên đặc tính chất lỏng và nhiệt độ vận hành. Vật liệu vách ngăn phải tương thích với vật liệu ống và vật liệu vỏ.
Cài đặt và bảo trì
Việc lắp đặt và bảo trì vách ngăn thường đơn giản nhưng có một số điều quan trọng cần cân nhắc.
- Cài đặt. Các vách ngăn phải được lắp đặt đúng hướng. Vết cắt phải thẳng hàng với đầu vào và đầu ra. Các lỗ ống phải thẳng hàng với các ống. Việc căn chỉnh sai có thể gây hư hỏng ống trong quá trình lắp ráp hoặc vận hành.
- Điều tra. Các vách ngăn phải được kiểm tra trong quá trình ngừng bảo trì. Việc kiểm tra phải bao gồm kiểm tra sự ăn mòn, xói mòn và biến dạng. Cần kiểm tra khe hở giữa các ống và các lỗ vách ngăn để đảm bảo chúng không tăng lên do mài mòn.
- Làm sạch. Các vách ngăn phải được làm sạch nếu có cặn bẩn. Phương pháp làm sạch phụ thuộc vào loại cặn. Làm sạch bằng hóa chất là điển hình cho cặn hữu cơ. Làm sạch cơ học là điển hình cho cặn vô cơ.
Phần kết luận
Hệ thống vách ngăn là một thành phần quan trọng của bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống. Thiết kế của nó xác định mô hình dòng chảy, hệ số truyền nhiệt, độ giảm áp suất và đặc tính rung của ống. Thiết kế phải cân bằng các yêu cầu cạnh tranh về truyền nhiệt, giảm áp suất và hỗ trợ cơ học.
Việc lựa chọn loại vách ngăn, khoảng cách và đường cắt phải dựa trên đánh giá có hệ thống về các điều kiện của quy trình, đặc tính dòng chảy và các yêu cầu cơ học. Việc phân tích phải bao gồm tính toán truyền nhiệt, tính toán giảm áp suất và phân tích độ rung. Thiết kế phải được kiểm tra bằng các phương pháp thích hợp.
Khi được thiết kế và lắp đặt đúng cách, hệ thống vách ngăn đảm bảo truyền nhiệt đáng tin cậy trong suốt tuổi thọ thiết kế của bộ trao đổi nhiệt. Khi được thiết kế kém, nó có thể gây ra hiệu suất không phù hợp, giảm áp suất quá mức, rung ống hoặc hỏng hóc sớm.