Để thiết kế hiệu quả bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống (STHE), một số khía cạnh quan trọng phải được giải quyết để đảm bảo hiệu suất nhiệt tối ưu, tính toàn vẹn của cấu trúc và hiệu quả chi phí. Dưới đây là hướng dẫn toàn diện:

1. Xác định mục tiêu thiết kế

• Xác định mục đích của bộ trao đổi nhiệt: sưởi ấm, làm mát, ngưng tụ hoặc đun sôi.

• Chỉ định các điều kiện hoạt động như nhiệt độ đầu vào / đầu ra, áp suất và tốc độ dòng chảy cho cả hai chất lỏng.

• Xác định các hạn chế như giới hạn không gian và khả năng tương thích vật liệu24.

2. Thiết kế nhiệt

Tính toán truyền nhiệt

• Sử dụng công thức Q=U⋅A⋅ΔTlm với:

  • $Q$: Tốc độ truyền nhiệt

  • $U$: Hệ số truyền nhiệt tổng thể

  • A: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

  • ΔTlm: Ghi nhật ký chênh lệch nhiệt độ trung bình (LMTD)25.

• Chọn dòng ngược dòng để có hiệu quả tối đa do LMTD cao hơn4.

Bố cục ống và hình học

• Chọn cách bố trí ống (hình tam giác hoặc hình vuông) dựa trên yêu cầu truyền nhiệt và làm sạch.

• Tối ưu hóa đường kính, chiều dài và cao độ ống để cân bằng hiệu quả truyền nhiệt và giảm áp suất124.

• Tính toán số lượng ống cần thiết bằng cách sử dụng N=Q/(U⋅A⋅ΔTlm)2.

Thiết kế vỏ

• Kích thước đường kính vỏ để phù hợp với bó ống trong khi vẫn đảm bảo dòng chất lỏng thích hợp.

• Sử dụng vách ngăn (ví dụ: phân đoạn hoặc xoắn ốc) để tăng cường nhiễu loạn và truyền nhiệt ở phía vỏ4.

3. Thiết kế cơ khí

Lựa chọn vật liệu

• Chọn vật liệu dựa trên khả năng chống ăn mòn, dẫn nhiệt và độ bền cơ học. Các vật liệu phổ biến bao gồm thép cacbon, thép không gỉ và hợp kim đồng12.

Tubesheets và bó ống

• Thiết kế các tấm ống chắc chắn để xử lý ứng suất nhiệt và duy trì sự tách chất lỏng.

• Quyết định giữa các bó cố định hoặc có thể tháo rời để dễ bảo trì14.

Ước tính giảm áp suất

• Tính toán giảm áp suất ở cả hai mặt vỏ và ống để đảm bảo chúng nằm trong giới hạn chấp nhận được đối với hiệu suất của hệ thống2.

4. Tối ưu hóa và tiêu chuẩn

Hiệu quả năng lượng

• Giảm thiểu tiêu thụ năng lượng bằng cách tối ưu hóa cấu hình dòng chảy và giảm áp suất.

Tuân thủ các tiêu chuẩn

• Tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp như ASME hoặc TEMA để thiết kế kết cấu, an toàn và thử nghiệm5.

5. Cân nhắc bổ sung

• Kết hợp biên độ an toàn cho sự giãn nở nhiệt và ứng suất do rung động.

• Sử dụng các công cụ phần mềm (ví dụ: HTRI hoặc Wolfram Demonstration) để mô phỏng nâng cao và xác nhận thiết kế35.

Bằng cách giải quyết các bước này một cách có hệ thống, bạn có thể thiết kế một bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống hiệu quả, bền bỉ và tiết kiệm chi phí phù hợp với các ứng dụng công nghiệp cụ thể.