Cơ bản của bộ trao đổi nhiệt

Định nghĩa trao đổi nhiệt

  Bộ trao đổi nhiệt là một thiết bị truyền một phần nhiệt của chất lỏng nóng sang chất lỏng lạnh, nghĩa là một thùng chứa kín lớn chứa đầy nước hoặc các phương tiện khác và có các đường ống chạy qua thùng chứa.Để nước nóng chảy qua đường ống.

Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa nước trong đường ống và nước nóng lạnh trong bình chứa nên quá trình trao đổi nhiệt sẽ diễn ra.Đối với cân bằng nhiệt vật lý THCS, nhiệt lượng ở nhiệt độ cao luôn được truyền về nhiệt độ thấp, nhờ đó nhiệt lượng của nước trong ống có thể trao đổi được với nước lạnh trong bình.Sa mạc nóng bỏng.

Phân loại và cấu tạo của bộ trao đổi nhiệt

Bộ trao đổi nhiệt có thể được chia thành:

Máy làm mát, bình ngưng, lò sưởi, bộ trao đổi nhiệt, nồi hơi, máy tạo hơi nước, lò hơi nhiệt thải (hoặc nhiệt thải).

Theo phương pháp trao đổi nhiệt, nó có thể được chia thành:

Bộ trao đổi nhiệt tiếp xúc trực tiếp (còn gọi là bộ trao đổi nhiệt lai), bộ trao đổi nhiệt tái tạo và bộ trao đổi nhiệt vách ngăn.

Sau đây chủ yếu giới thiệu các bộ trao đổi nhiệt được phân loại theo phương pháp trao đổi nhiệt:

1) Bộ trao đổi nhiệt tiếp xúc trực tiếp

Bộ trao đổi tiếp xúc trực tiếp dựa vào sự tiếp xúc trực tiếp giữa chất lỏng lạnh và nóng để truyền nhiệt.Phương pháp truyền nhiệt này tránh bụi bẩn và cản nhiệt trên vách ngăn truyền nhiệt và cả hai bên.Miễn là sự tiếp xúc giữa các chất lỏng tốt thì tốc độ truyền nhiệt sẽ lớn hơn.

Do đó, bộ trao đổi nhiệt lai có thể được sử dụng ở bất cứ nơi nào chất lỏng được phép trộn lẫn với nhau, chẳng hạn như rửa và làm mát khí, làm mát bằng nước tuần hoàn, gia nhiệt hỗn hợp hơi nước-nước, ngưng tụ hơi nước, v.v. Ứng dụng của nó trải rộng trong các doanh nghiệp hóa chất và luyện kim, kỹ thuật điện , kỹ thuật điều hòa không khí và nhiều lĩnh vực sản xuất khác.

Các bộ trao đổi nhiệt lai thường được sử dụng bao gồm: tháp giải nhiệt, máy lọc khí, bộ trao đổi nhiệt phản lực và bình ngưng lai.

2) Bộ trao đổi nhiệt tái sinh

Bộ trao đổi nhiệt tái sinh là một thiết bị được sử dụng để trao đổi nhiệt tái sinh.Nó chứa đầy chất rắn để lưu trữ nhiệt.

Nói chung, lưới cứu hỏa được xây dựng bằng gạch chịu lửa (đôi khi sử dụng đai tôn kim loại, v.v.).

Trao đổi nhiệt diễn ra theo hai giai đoạn.

Ở giai đoạn đầu tiên, khí nóng đi qua lưới lửa, truyền nhiệt vào lưới lửa và lưu trữ.

Ở giai đoạn thứ hai, khí lạnh đi qua lưới lửa và được làm nóng bằng cách nhận nhiệt tích trữ trong lưới lửa.

Hai giai đoạn này xảy ra luân phiên nhau.Thông thường hai máy tái sinh được sử dụng luân phiên, tức là khi khí nóng đi vào một thiết bị thì khí lạnh đi vào thiết bị kia.Nó thường được sử dụng trong ngành luyện kim, chẳng hạn như máy tái sinh của lò luyện thép lộ thiên.

Nó cũng được sử dụng trong công nghiệp hóa chất, chẳng hạn như bộ sấy sơ bộ không khí hoặc buồng đốt trong lò gas và lò Cracking tái sinh trong các nhà máy dầu khí nhân tạo.

3) Bộ trao đổi nhiệt vách ngăn

Trong loại bộ trao đổi nhiệt này, chất lỏng nóng và lạnh được ngăn cách bằng kim loại để hai chất lỏng không trộn lẫn và truyền nhiệt.

Trong sản xuất hóa chất, chất lỏng nóng và lạnh thường không thể tiếp xúc trực tiếp nên thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn là thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng phổ biến nhất.

Sau đây chủ yếu giới thiệu việc phân loại các bộ trao đổi nhiệt vách ngăn:

a) Bộ trao đổi nhiệt có vỏ bọc

Loại thiết bị trao đổi nhiệt này được chế tạo bằng cách lắp một lớp vỏ trên thành ngoài của thùng chứa và có cấu trúc đơn giản;tuy nhiên, bề mặt gia nhiệt của nó bị giới hạn bởi thành thùng và hệ số truyền nhiệt không cao.

Để cải thiện hệ số truyền nhiệt và làm nóng đều chất lỏng trong ấm, có thể lắp đặt máy khuấy trong ấm.

Khi nước làm mát hoặc chất làm nóng không thay đổi pha được đưa vào áo khoác, các vách ngăn xoắn ốc hoặc các biện pháp khác để tăng nhiễu loạn cũng có thể được lắp vào áo khoác để tăng hệ số truyền nhiệt ở một bên của áo khoác.

Để bù đắp cho việc thiếu bề mặt truyền nhiệt, các ống cuộn cũng có thể được lắp đặt bên trong ấm.

Bộ trao đổi nhiệt có vỏ bọc được sử dụng rộng rãi để sưởi ấm và làm mát các quá trình phản ứng.

b) Bộ trao đổi nhiệt ống rắn

Bộ trao đổi nhiệt ống cuộn được chia thành bộ trao đổi nhiệt ống cuộn ngâm và bộ trao đổi nhiệt ống cuộn phun.

Ống rắn hầu hết được làm bằng các ống kim loại được uốn thành nhiều hình dạng khác nhau phù hợp với vật chứa và được ngâm trong chất lỏng trong vật chứa.

Ưu điểm của nó là: cấu trúc đơn giản, có thể chịu được áp suất cao và có thể được làm bằng vật liệu chống ăn mòn.

Nhược điểm: Độ nhiễu loạn của chất lỏng trong thùng chứa thấp và hệ số truyền nhiệt bên ngoài ống nhỏ.

Cố định các ống trao đổi nhiệt thành hàng trên khung thép.

Chất lỏng nóng chảy trong ống và nước làm mát được đổ đều lên thiết bị.

Ưu điểm: Chất lỏng nóng chảy trong ống, nước làm mát đổ đều xuống phía trên thiết bị.Hệ số truyền nhiệt lớn nên hiệu quả truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dạng phun tốt hơn so với bộ trao đổi nhiệt dạng cuộn nhúng.

Tuy nhiên, nó cần phải được đặt ở nơi thoáng mát.Nó chiếm diện tích lớn và nước dễ dàng bắn ra môi trường xung quanh gây bất tiện khi sử dụng.

c) Bộ trao đổi nhiệt có vỏ bọc

Vì vận tốc dòng chất lỏng trong ống và ngoài ống lớn hơn.Chất lỏng nóng và lạnh có thể chảy ngược dòng thuần túy nên hệ số truyền nhiệt của chúng lớn và hiệu quả truyền nhiệt tốt.Hệ thống sưởi ấm nước thường được sử dụng là một bộ trao đổi nhiệt kiểu ống bọc đơn giản.

d) Bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống

Bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống là bộ trao đổi nhiệt vách ngăn điển hình nhất.Chúng có lịch sử ứng dụng lâu dài trong công nghiệp và vẫn chiếm vị trí thống trị trong số tất cả các thiết bị trao đổi nhiệt.

Bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống chủ yếu bao gồm vỏ, bó ống, tấm ống và đầu.Vỏ chủ yếu có hình tròn, bên trong có các bó ống song song, hai đầu của bó ống được cố định trên tấm ống.

Có hai loại chất lỏng trao đổi nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống: một loại chảy bên trong ống và hành trình của nó được gọi là phía ống;phần còn lại chảy ra ngoài ống và hành trình của nó được gọi là phía vỏ.Bề mặt thành của bó ống là bề mặt truyền nhiệt.

Để cải thiện hệ số truyền nhiệt của chất lỏng bên ngoài ống, một số vách ngăn ngang nhất định thường được lắp đặt trong vỏ.

Các vách ngăn không chỉ ngăn chất lỏng bị đoản mạch và tăng tốc độ chất lỏng mà còn buộc chất lỏng chảy ngang qua bó ống nhiều lần theo đường dẫn quy định, làm tăng đáng kể mức độ nhiễu loạn.Có hai loại vách ngăn thường được sử dụng: hình tròn và hình đĩa (như minh họa trong hình bên dưới).Cái trước được sử dụng rộng rãi hơn.

Mỗi lần chất lỏng đi qua bó ống trong ống được gọi là một lần đi qua ống, và mỗi lần chất lỏng đi qua vỏ được gọi là một lần đi qua vỏ.

Để tăng vận tốc của chất lỏng trong đường ống, có thể lắp đặt các vách ngăn thích hợp ở đầu ở cả hai đầu để chia đều tất cả các đường ống thành nhiều nhóm.

Bằng cách này, chất lỏng chỉ có thể đi qua một phần của ống và quay trở lại bó ống nhiều lần cùng một lúc, được gọi là đường dẫn nhiều ống.

Tương tự, để tăng tốc độ dòng chảy bên ngoài ống, các vách ngăn dọc có thể được lắp đặt trong vỏ để cho chất lỏng đi qua không gian vỏ nhiều lần, gọi là đường chuyền nhiều vỏ.

Trong bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống, do nhiệt độ của chất lỏng bên trong và bên ngoài ống khác nhau nên nhiệt độ của vỏ và bó ống cũng khác nhau.Nếu chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên lớn, ứng suất nhiệt lớn sẽ xảy ra bên trong bộ trao đổi nhiệt, điều này có thể làm cho các ống bị cong, gãy hoặc lỏng ra khỏi tấm ống.

Do đó, khi chênh lệch nhiệt độ giữa bó ống và vỏ vượt quá 50°C, cần thực hiện các biện pháp bù chênh lệch nhiệt độ thích hợp để loại bỏ hoặc giảm ứng suất nhiệt.

Phương thức bồi thường:

Gắn vòng giãn nở vào vỏ hoặc sử dụng bộ trao đổi nhiệt ống hình chữ U và bộ trao đổi nhiệt đầu nổi.

➪ Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm ống cố định

Khi chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng nóng và lạnh không lớn, có thể sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm ống cố định.

Nó có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, nhưng khó làm sạch và không phù hợp với chất lỏng dễ bị đóng cặn và chất lỏng có chênh lệch nhiệt độ lớn.

Nếu chênh lệch nhiệt độ không lớn lắm, có thể sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm ống cố định có vòng bù.

e) Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm bao gồm một bộ các tấm truyền nhiệt kim loại mỏng hình chữ nhật, được kẹp và lắp ráp trên giá đỡ bằng khung.

Các cạnh của hai tấm liền kề được lót bằng các miếng đệm (làm bằng các loại cao su hoặc amiăng nén, v.v.) để nén.Có các lỗ tròn ở bốn góc của tấm để tạo thành các kênh chất lỏng.

Sự khác biệt giữa bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống:

a.Hệ số truyền nhiệt cao

Do các tấm tôn khác nhau được đảo ngược với nhau để tạo thành một kênh dòng chảy phức tạp, nên chất lỏng chảy theo kiểu quay ba chiều trong kênh dòng chảy giữa các tấm tôn, có thể tạo ra dòng chảy hỗn loạn ở số Reynolds thấp (thường Re=50 ~ 200), do đó hệ số truyền nhiệt cao, thường được coi là gấp 3 đến 5 lần so với loại vỏ và ống.

b.Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit lớn và chênh lệch nhiệt độ cuối nhỏ.

Trong bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống, hai chất lỏng lần lượt chảy vào phía ống và phía vỏ.Nói chung, dòng chảy là dòng chảy chéo và hệ số hiệu chỉnh chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit là nhỏ.Tuy nhiên, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm chủ yếu có chế độ dòng chảy đồng dòng hoặc ngược dòng.và hệ số hiệu chỉnh của nó thường vào khoảng 0,95.Ngoài ra, dòng chất lỏng nóng và lạnh trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm song song với bề mặt trao đổi nhiệt và không có dòng chảy bên cạnh.Do đó, chênh lệch nhiệt độ ở cuối bộ trao đổi nhiệt dạng tấm nhỏ và trao đổi nhiệt với nước có thể dưới 1oC, trong khi bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống thường là 5oC.

c.Dấu chân nhỏ

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có cấu trúc nhỏ gọn và diện tích trao đổi nhiệt trên một đơn vị thể tích gấp 2 đến 5 lần so với loại vỏ và ống.Không giống như loại vỏ và ống, cần có không gian bảo trì dành riêng để rút bó ống, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có thể đạt được khả năng truyền nhiệt tương tự.Diện tích chiếm giữ của bộ trao đổi nhiệt là khoảng 1/5 ~ 1/8 của bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống.

d.Dễ dàng thay đổi diện tích trao đổi nhiệt hoặc kết hợp quy trình

Chỉ cần thêm hoặc bớt một vài tấm, diện tích trao đổi nhiệt có thể tăng hoặc giảm;bằng cách thay đổi cách sắp xếp các tấm hoặc thay thế một vài tấm, có thể đạt được sự kết hợp quy trình cần thiết và thích ứng với các điều kiện trao đổi nhiệt mới.Hầu như không thể tăng diện tích truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt vỏ

e.Trọng lượng nhẹ

Độ dày của các tấm của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm chỉ 0,4 ~ 0,8mm, trong khi độ dày của các ống trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống là 2,0 ~ 2,5mm.Vỏ của loại vỏ và ống nặng hơn nhiều so với khung của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm., Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm thường chỉ bằng khoảng 1/5 trọng lượng của bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống.

f.Giá thấp

Sử dụng cùng chất liệu và cùng diện tích trao đổi nhiệt nên giá của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm thấp hơn khoảng 40% đến 60% so với bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống.

g.Dễ dàng làm

Các tấm truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được dán tem và xử lý với mức độ tiêu chuẩn hóa cao và có thể sản xuất với số lượng lớn.Bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống thường được làm bằng tay.

h.Dễ dàng để làm sạch

Chỉ cần nới lỏng các bu lông nén của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm kiểu khung, các bó tấm có thể được nới lỏng và các tấm có thể được tháo ra để làm sạch cơ học.Điều này rất thuận tiện cho quá trình trao đổi nhiệt đòi hỏi phải vệ sinh thiết bị thường xuyên.

Tôi.Mất nhiệt nhỏ

Trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, chỉ có tấm vỏ của tấm truyền nhiệt tiếp xúc với khí quyển nên tổn thất tản nhiệt là không đáng kể và không cần có biện pháp cách nhiệt.Bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống có tổn thất nhiệt lớn và cần cách nhiệt.

j.Công suất nhỏ

Nó chiếm 10% ~ 20% bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống.Tôi.Tổn thất áp suất trên một đơn vị chiều dài lớn.Do khe hở giữa các bề mặt truyền nhiệt nhỏ và bề mặt truyền nhiệt lõm và lồi nên tổn thất áp suất lớn hơn so với các ống trơn truyền thống.

k.Không dễ mở rộng quy mô

Do có đủ nhiễu loạn bên trong nên không dễ mở rộng quy mô và hệ số tỷ lệ của nó chỉ bằng 1/3 ~ 1/10.k so với bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống.Áp suất làm việc không được quá lớn và nhiệt độ trung bình không được quá cao vì có thể làm rò rỉ bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.Bộ trao đổi nhiệt được bịt kín bằng miếng đệm, áp suất làm việc thường không vượt quá 2,5MPa và nhiệt độ trung bình phải dưới 250 ° C, nếu không có thể xảy ra rò rỉ.

l.Dễ dàng bị chặn

Do các kênh giữa các tấm rất hẹp, thường chỉ 2 ~ 5 mm, nên khi môi trường trao đổi nhiệt chứa các hạt hoặc chất xơ lớn hơn, rất dễ bị chặn các kênh giữa các tấm.