Hướng dẫn mua dải đệm trao đổi nhiệt

Dải đệm trao đổi nhiệt là gì và tại sao chúng quan trọng

Dải đệm trao đổi nhiệt là các bộ phận được thiết kế chính xác được chèn giữa các lớp vết thương hoặc bó ống của bộ trao đổi nhiệt để duy trì khoảng cách nhất quán, kiểm soát đường dẫn chất lỏng và ổn định cấu trúc bên trong dưới tải trọng vận hành. Mặc dù có kích thước nhỏ so với thiết bị tổng thể, những dải này đóng một vai trò to lớn trong việc xác định mức độ hiệu quả và đáng tin cậy của bộ trao đổi nhiệt trong suốt thời gian sử dụng của nó. Nếu không có các miếng đệm được thiết kế phù hợp, các ống có thể dịch chuyển dưới sự giãn nở và rung động nhiệt, các kênh dòng chảy trở nên không đều và sự mài mòn cục bộ tăng lên - tất cả đều dẫn đến thời gian ngừng hoạt động tốn kém và hỏng hóc thiết bị sớm.

Đặc biệt, trong các bộ trao đổi nhiệt dạng xoắn ốc, hình dạng của các lớp vết thương tạo ra đường dẫn dòng chảy cực kỳ nhỏ gọn, trong đó ngay cả những sai lệch nhỏ về khoảng cách cũng tạo ra sự sụt giảm không cân xứng về hiệu suất nhiệt. Các dải đệm của bộ trao đổi nhiệt giải quyết thách thức này bằng cách hoạt động đồng thời như các giá đỡ kết cấu, bộ định hướng dòng chảy và bộ giảm chấn rung — ba chức năng quan trọng được cung cấp bởi một bộ phận duy nhất được thiết kế tốt. Hiểu rõ chức năng của các dải này và cách chọn đúng loại cho một ứng dụng nhất định là điều cần thiết đối với bất kỳ kỹ sư hoặc chuyên gia mua sắm nào chịu trách nhiệm về hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt.

Dải đệm bằng thép không gỉ tăng cường động lực học chất lỏng như thế nào

Một trong những chức năng chính của dải đệm bằng thép không gỉ trong bộ trao đổi nhiệt dạng xoắn ốc là sự thao tác có chủ ý của dòng chất lỏng hoặc khí để tăng khả năng truyền nhiệt đối lưu. Khi chất lỏng di chuyển qua một kênh hình khuyên không bị cản trở, chúng có xu hướng phát triển các cấu hình dòng chảy tầng trong đó lớp ranh giới gần thành ống mang rất ít năng lượng nhiệt ra khỏi bề mặt. Các dải đệm phá vỡ lớp ranh giới này, buộc chất lỏng chuyển sang dạng trộn hỗn loạn liên tục làm mới bề mặt nóng hoặc lạnh bằng chất lỏng khối — làm tăng đáng kể hệ số truyền nhiệt cục bộ.

Ngoài việc gây ra nhiễu loạn, sự hiện diện vật lý của các dải này còn thu hẹp mặt cắt dòng chảy hiệu quả, làm tăng tốc độ dòng chảy mà không yêu cầu công suất đầu vào máy bơm hoặc máy nén cao hơn. Sự gia tăng vận tốc này giúp tăng cường hơn nữa tốc độ truyền nhiệt đối lưu theo mối tương quan số Nusselt đã được thiết lập rõ ràng. Kết quả cuối cùng là một bộ trao đổi nhiệt được lắp các dải đệm bằng thép không gỉ được chỉ định chính xác có thể đạt được công suất nhiệt cao hơn đáng kể từ cùng một diện tích vật lý - một lợi thế có ý nghĩa trong việc lắp đặt công nghiệp bị giới hạn về không gian.

Hình dạng bề mặt bị biến dạng hoặc định hình của nhiều thiết kế dải đệm bổ sung thêm chiều hướng cho việc tối ưu hóa dòng chảy. Các biên dạng dải lượn sóng, lõm hoặc dạng sóng tạo ra các dòng xoáy thứ cấp quét chất lỏng theo chiều ngang trên bề mặt truyền nhiệt, đảm bảo rằng cả các điểm nóng và vùng lạnh đều không phát triển dọc theo chiều dài ống. Điều này dẫn đến sự phân bổ nhiệt độ đồng đều hơn trên toàn bộ bộ trao đổi nhiệt, vừa tối đa hóa hiệu quả vừa giảm ứng suất nhiệt lên thành ống và mối hàn.

Kiểm soát độ rung và ổn định kết cấu dưới tải trọng cao

Rung động do dòng chảy là nguyên nhân hàng đầu gây ra hỏng ống trong các bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống và dạng xoắn ốc hoạt động ở vận tốc chất lỏng cao hoặc xuyên qua các ranh giới pha. Khi các ống không được hỗ trợ đầy đủ, chúng dao động ở tần số có thể trùng với tần số cộng hưởng tự nhiên của chúng - một hiện tượng được gọi là cộng hưởng do dòng chảy gây ra - dẫn đến các vết nứt mỏi ở các mối nối ống với mâm ống trong khoảng thời gian vận hành ngắn đáng kinh ngạc. Dải đệm của bộ trao đổi nhiệt loại bỏ chế độ hỏng hóc này bằng cách hạn chế chuyển động của ống và nâng tần số tự nhiên hiệu dụng của bó ống lên trên tần số kích thích do dòng quá trình chảy tạo ra.

Thép không gỉ là vật liệu được lựa chọn cho ứng dụng này vì mô đun đàn hồi cao của nó có nghĩa là ngay cả những dải biên dạng mỏng cũng mang lại độ cứng ngang đáng kể. Dải đệm bằng thép không gỉ dày 0,5 mm mang lại lực cản trên mỗi đơn vị trọng lượng lớn hơn nhiều so với dải polymer tương đương, cho phép các nhà thiết kế đạt được độ cố định ống cần thiết với khả năng cản trở dòng chảy tối thiểu. Sự kết hợp giữa độ cứng và độ mảnh này khó có thể được tái tạo bằng các vật liệu thay thế kim loại hoặc phi kim loại khác với chi phí tương đương.

Lợi ích giảm tiếng ồn đi kèm với kiểm soát độ rung đặc biệt có giá trị trong các ứng dụng HVAC và bất kỳ hệ thống lắp đặt nào có bộ trao đổi nhiệt được đặt gần các không gian có người sử dụng. Bằng cách tách các ống khỏi nguồn kích thích của chúng một cách cơ học và làm giảm sự truyền năng lượng rung qua bó ống, các dải đệm bằng thép không gỉ có thể giảm lượng tiếng ồn phát ra trong không khí từ bộ trao đổi xuống vài decibel — một cải tiến có ý nghĩa có thể loại bỏ nhu cầu về vỏ bọc cách âm tốn kém.

Cấu trúc dải bị biến dạng cho các điều kiện hoạt động khác nhau

Không phải tất cả các ứng dụng trao đổi nhiệt đều có chung yêu cầu về tăng cường dòng chảy, khả năng chịu giảm áp suất hoặc hỗ trợ cơ học. Đây là lý do tại sao các dải đệm bằng thép không gỉ có nhiều loại cấu trúc biến dạng, mỗi loại được tối ưu hóa cho các tình huống vận hành cụ thể. Việc chọn biên dạng phù hợp cũng quan trọng như việc chọn đúng loại vật liệu hoặc độ dày dải.

Các cấu trúc biến dạng tùy chỉnh cũng có thể được phát triển cho các hình dạng trao đổi nhiệt không chuẩn hoặc các yêu cầu quy trình cụ thể cao, chẳng hạn như chế độ dòng chảy hai pha trong đó các cấu hình thông thường có thể gây ra sự phân phối sai lệch các pha hơi và lỏng trên bó ống.

Ưu điểm về vật liệu của thép không gỉ trong môi trường đòi hỏi khắt khe

Việc lựa chọn thép không gỉ làm vật liệu cơ bản cho dải đệm trao đổi nhiệt được thúc đẩy bởi sự kết hợp của các đặc tính cơ học, nhiệt và hóa học mà không có giải pháp thay thế thông thường nào có thể sao chép hoàn toàn. Các loại như 304, 316 và 316L được chỉ định thường xuyên nhất, với việc lựa chọn tùy thuộc vào độ ăn mòn của chất lỏng xử lý, nhiệt độ vận hành và hàm lượng clorua trong môi trường.

• Chống ăn mòn: Lớp thụ động oxit crom hình thành trên bề mặt thép không gỉ chống lại sự tấn công từ nhiều loại axit, kiềm và hóa chất công nghiệp gặp phải trong các ứng dụng lọc, hóa dầu và chế biến thực phẩm.
• Độ ổn định nhiệt độ cao: Thép không gỉ vẫn giữ được độ bền cơ học và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ lên tới 870°C (304) hoặc cao hơn đối với các loại đặc biệt, khiến nó phù hợp với các ứng dụng thu hồi hơi nước, dầu truyền nhiệt và khí thải.
• Tính nhất quán về kích thước: Dải không gỉ cán nguội được sản xuất với dung sai độ dày chặt chẽ (thường là ± 0,01 mm), đảm bảo rằng khoảng cách được duy trì bởi mỗi dải là chính xác và có thể lặp lại trên toàn bộ chiều dài vết thương của bộ trao đổi.
• Sự phù hợp về mặt vệ sinh: Dải đệm bằng thép không gỉ được đánh bóng bằng điện đáp ứng các yêu cầu về độ bóng bề mặt của bộ trao đổi nhiệt cấp dược phẩm và thực phẩm, trong đó việc hình thành màng sinh học và khả năng làm sạch là mối quan tâm hàng đầu.
• Tuổi thọ sử dụng lâu dài: Không giống như các miếng đệm polymer bị rão dưới tải trọng nén kéo dài hoặc xuống cấp khi tiếp xúc với tia cực tím và hóa chất, các dải đệm bằng thép không gỉ duy trì hình dạng và đặc tính cơ học trong suốt toàn bộ vòng đời thiết kế của bộ trao đổi nhiệt - thường là 20 năm hoặc hơn.

Giảm thiểu hao mòn và kéo dài tuổi thọ sử dụng thiết bị

Một trong những lợi ích lâu dài đáng kể nhất của dải đệm bằng thép không gỉ được lắp đặt chính xác là giảm mài mòn cục bộ do phân phối dòng chảy không đồng đều. Khi vận tốc chất lỏng thay đổi đáng kể trên mặt cắt ngang của bộ trao đổi nhiệt - một tình trạng gọi là phân phối kém - các vùng vận tốc cao tạo ra ứng suất cắt tăng cao trên thành ống và bề mặt dải, trong khi các vùng vận tốc thấp thúc đẩy tích tụ cặn bẩn và cặn. Cả hai điều kiện đều làm tăng tốc độ mất vật liệu và giảm diện tích truyền nhiệt hiệu quả theo thời gian.

Bằng cách tối ưu hóa hình dạng đường dẫn dòng chảy, các dải đệm của bộ trao đổi nhiệt tạo ra cấu hình vận tốc đồng đều giúp phân bổ độ mài mòn đồng đều trên tất cả các bề mặt tiếp xúc. Điều này kéo dài khoảng thời gian giữa các chu kỳ làm sạch, giảm tần suất kiểm tra bó ống và cuối cùng cho phép bộ trao đổi nhiệt hoạt động ở mức thiết kế trong thời gian liên tục dài hơn trước khi cần can thiệp. Trong các ứng dụng mà bộ trao đổi nhiệt nằm trong dây chuyền xử lý quan trọng và việc ngừng hoạt động ngoài kế hoạch sẽ gây ra chi phí sản xuất đáng kể, chỉ riêng lợi ích về độ tin cậy này đã biện minh cho việc đầu tư vào dải đệm bằng thép không gỉ chất lượng cao.

Việc chỉ định các dải đệm trao đổi nhiệt phù hợp ở giai đoạn thiết kế — xem xét hình dạng dải, loại thép không gỉ, độ dày và bước — là một quyết định kỹ thuật đơn giản với lợi nhuận gộp trong suốt thời gian hoạt động của thiết bị. Cho dù yêu cầu là về cấu hình dạng sóng tiêu chuẩn trong thiết bị ngưng tụ hơi nước hay dải đục lỗ tùy chỉnh cho ứng dụng nhà máy lọc dầu dễ bị bám bẩn, sự kết hợp giữa hình học chính xác và thép không gỉ cao cấp mang lại những cải tiến hiệu suất nhất quán, có thể đo lường được mà các thành phần thông thường hoặc thay thế không thể sánh được.