Dàn ống trao đổi nhiệt inox chữ U

KHÁI NIỆM VỀ DÀN ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG CHỮ U (U-TUBE HEAT EXCHANGER)

Dàn ống trao đổi nhiệt dạng chữ U là một loại thiết bị trao đổi nhiệt vỏ và ống (Shell and Tube Heat Exchanger) rất phổ biến. Đặc điểm nhận dạng cốt lõi của nó là các ống truyền nhiệt được uốn cong 180 độ thành hình chữ U, với cả hai đầu ống được cố định trên cùng một mặt sàng (tubesheet).

Đây không chỉ là một thay đổi về hình dáng mà là một giải pháp thiết kế kỹ thuật thông minh để giải quyết nhiều vấn đề trong vận hành.

Cấu tạo cơ bản

Một bộ trao đổi nhiệt dạng chữ U bao gồm các thành phần chính sau:

1. Vỏ (Shell): Là một ống trụ lớn bao bọc bên ngoài toàn bộ bó ống, chứa môi chất chảy phía vỏ.

2. Bó ống chữ U (U-tube Bundle): Gồm nhiều ống nhỏ được uốn cong thành hình chữ U và bó lại với nhau. Đây là nơi môi chất phía ống chảy qua và là bề mặt truyền nhiệt chính.

3. Mặt sàng (Tubesheet): Là một tấm kim loại dày, được khoan lỗ để cố định cả hai đầu của tất cả các ống chữ U. Đây là bộ phận ngăn cách giữa môi chất phía ống và môi chất phía vỏ.

4. Kênh phân phối (Channel/Head): Nằm ở đầu thiết bị, có vách ngăn ở giữa để chia dòng môi chất đầu vào và đầu ra. Môi chất đi vào một bên, chảy qua các ống chữ U, vòng lại và đi ra ở bên còn lại.

5. Vách ngăn (Baffles): Các tấm chắn được đặt vuông góc với bó ống và nằm bên trong vỏ. Chúng có tác dụng định hướng dòng chảy của môi chất phía vỏ đi theo đường ziczac, làm tăng sự xáo trộn và tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt.

Nguyên lý hoạt động

Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đồng thời giữa hai dòng môi chất riêng biệt:

• Môi chất phía ống (Tube-side fluid): Đi vào kênh phân phối, chảy qua nửa số ống, đi hết khúc cua chữ U, rồi chảy ngược lại qua nửa số ống còn lại và đi ra ngoài.

• Môi chất phía vỏ (Shell-side fluid): Đi vào một đầu của vỏ, chảy ngang qua bên ngoài của bó ống chữ U (được các vách ngăn dẫn hướng), và đi ra ở đầu kia của vỏ.

Nhiệt lượng được truyền từ môi chất nóng hơn sang môi chất lạnh hơn xuyên qua thành ống mà hai môi chất này không bao giờ trộn lẫn vào nhau.

Tại sao lại có thiết kế dạng chữ U?

Thiết kế này ra đời để giải quyết các vấn đề kỹ thuật quan trọng:

1. Khắc phục hiện tượng giãn nở vì nhiệt: Đây là ưu điểm lớn nhất. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa môi chất trong ống và ngoài vỏ, các ống sẽ giãn ra hoặc co lại. Thiết kế chữ U cho phép bó ống "tự do" co giãn ở đầu uốn cong mà không tạo ra ứng suất cơ học phá hủy lên các mối nối giữa ống và mặt sàng. Điều này là tối quan trọng trong các ứng dụng lò hơi hoặc gia nhiệt bằng hơi nước.

2. Dễ dàng bảo trì và vệ sinh: Toàn bộ bó ống (tube bundle) có thể được rút hoàn toàn ra khỏi vỏ. Điều này cho phép việc vệ sinh cặn bẩn bám trên bề mặt bên ngoài của ống hoặc sửa chữa, thay thế toàn bộ bó ống trở nên cực kỳ thuận tiện.

3. Thiết kế đơn giản và tiết kiệm chi phí: So với các thiết kế khác cũng có khả năng chống giãn nở nhiệt (như loại có đầu nổi - floating head), thiết kế chữ U đơn giản hơn vì chỉ cần một mặt sàng duy nhất và không có các khớp nối phức tạp. Điều này làm giảm chi phí chế tạo và giảm thiểu các điểm có nguy cơ rò rỉ.

Nhược điểm cần lưu ý

• Khó vệ sinh bên trong ống: Việc làm sạch cơ học (dùng chổi, que thông) bên trong các ống rất khó khăn, gần như là không thể ở khúc cua chữ U.

• Khó thay thế ống đơn lẻ: Nếu một ống ở giữa bó bị hỏng, việc thay thế nó gần như bất khả thi mà không ảnh hưởng đến các ống xung quanh. Thường thì người ta sẽ bịt hai đầu của ống hỏng đó lại.

Tóm lại, dàn trao đổi nhiệt dạng chữ U là một giải pháp thiết kế thông minh, hiệu quả và kinh tế, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng có sự chênh lệch nhiệt độ lớn, môi chất phía vỏ dễ gây bám cặn, và yêu cầu bảo trì, tháo lắp thường xuyên.