Bộ Trao Đổi Nhiệt Dạng Tấm (PHE) là các thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, thương mại và dân dụng do hiệu suất nhiệt cao, thiết kế nhỏ gọn và tính linh hoạt của chúng. Một yếu tố then chốt đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc, độ kín và độ tin cậy trong vận hành của PHE là hệ thống siết chặt, chủ yếu được thực hiện thông qua các kết nối stud. Bài viết này đi sâu vào chức năng, các cân nhắc về thiết kế và ý nghĩa vận hành của các kết nối stud trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có gioăng.
Một PHE có gioăng bao gồm nhiều tấm kim loại gợn sóng được nén giữa hai tấm khung: một đầu cố định và một tấm áp suất di động. Gói tấm được giữ với nhau bằng một bộ thanh giằng dọc, được cố định bằng các stud, đai ốc và vòng đệm. Các chốt này được căng chính xác để tạo ra một lực nén đều trên toàn bộ gói tấm, đảm bảo độ kín và ổn định cơ học thích hợp.
Vai trò hàng đầu của các stud (thanh giằng) và các đai ốc liên quan của chúng là tạo ra và duy trì một tải trọng nén cụ thể trên gói tấm. Sự nén này phục vụ hai mục đích quan trọng:
Trong quá trình vận hành, chất lỏng bên trong các kênh PHE chịu áp suất. Áp suất này tạo ra một lực tách ra cố gắng đẩy tấm áp suất ra khỏi khung cố định. Các kết nối stud chịu ứng suất kéo và được thiết kế để chống lại lực này. Chúng hoạt động như các gân chịu lực cao, giữ cho toàn bộ cụm nguyên vẹn trước áp suất vận hành, ngăn gói tấm bị vỡ ra.
Một lợi thế đáng kể của PHE có gioăng là khả năng bảo dưỡng của chúng. Hệ thống kết nối stud được thiết kế để cho phép tháo rời và lắp ráp lại dễ dàng.
Số lượng, đường kính và vị trí của các stud được thiết kế cẩn thận để phân phối tải nén đều trên toàn bộ bề mặt của gói tấm. Tải không đều có thể dẫn đến nén quá mức cục bộ (làm hỏng gioăng và tấm) hoặc nén dưới mức (gây rò rỉ). PHE lớn hiện đại thường sử dụng một số lượng lớn stud (ví dụ: 10 hoặc nhiều hơn) được đặt xung quanh chu vi để đạt được sự đồng đều này và xử lý áp suất thiết kế rất cao.
Stud thường được sản xuất từ thép carbon cường độ cao hoặc thép hợp kim (ví dụ: ASTM A193 B7) và thường được phủ hoặc mạ (ví dụ: kẽm hoặc crôm) để tăng cường khả năng chống ăn mòn. Đối với môi trường ăn mòn cao, thép không gỉ (ví dụ: ASTM A193 B8M) hoặc thậm chí các hợp kim kỳ lạ hơn có thể được sử dụng. Vật liệu phải có độ bền kéo cao và khả năng chống mỏi tốt để chịu được tải trọng chu kỳ trong quá trình giãn nở và co lại do nhiệt.
Độ căng ban đầu được áp dụng cho các stud, được gọi là tải trước, là tối quan trọng. Nó phải đủ để giữ cho gói tấm được bịt kín dưới áp suất và nhiệt độ vận hành tối đa, có tính đến sự giãn nở của gioăng theo thời gian.
Các tấm khung, stud và gói tấm thường được làm từ các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau (ví dụ: tấm titan so với khung thép carbon). Trong quá trình khởi động, tắt máy hoặc quá trình chuyển đổi nhiệt độ, các thành phần này giãn nở và co lại với tốc độ khác nhau. Hệ thống kết nối stud phải được thiết kế để thích ứng với các chuyển động khác biệt này mà không làm mất lực kẹp quan trọng hoặc gây ra ứng suất quá mức có thể dẫn đến hỏng stud.
Stud phải chịu ứng suất chu kỳ từ áp suất dao động, rung động và chu kỳ nhiệt. Thiết kế kỹ thuật phải đảm bảo rằng biên độ ứng suất trong các stud vẫn nằm dưới giới hạn bền của vật liệu để ngăn ngừa hỏng hóc do mỏi trong suốt tuổi thọ dự kiến của bộ trao đổi.
Trong quá trình lắp ráp, các đai ốc trên các stud phải được siết chặt theo một trình tự chéo cụ thể, giống như siết chặt các đai ốc trên bánh xe ô tô. Thực hành này là không thể thương lượng để đạt được độ nén tấm đồng đều và tránh biến dạng tấm áp suất, có thể dẫn đến rò rỉ.
Sau khi lắp ráp ban đầu và khi đạt đến nhiệt độ vận hành, thường cần phải kiểm tra lại độ căng của stud. Sự trượt của gioăng và sự ổn định nhiệt có thể gây ra sự mất mát nhẹ về tải trước. Việc siết chặt lại sau chu kỳ nhiệt đầu tiên là một thực hành tốt nhất tiêu chuẩn để đảm bảo tính toàn vẹn lâu dài.
Kiểm tra thường xuyên các stud và đai ốc là một phần của bảo trì phòng ngừa. Kỹ thuật viên nên tìm các dấu hiệu ăn mòn, hư hỏng ren, kéo dài hoặc nứt bề mặt. Các chốt bị hỏng phải được thay thế bằng các thành phần đáp ứng các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất thiết bị gốc để duy trì tính toàn vẹn của thiết kế.
Tóm lại, các kết nối stud trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm không phải là những bu lông đơn giản. Chúng là các thành phần được thiết kế chính xác, thực hiện các chức năng quan trọng là tạo ra lớp đệm, chống lại áp suất, cho phép bảo trì và đảm bảo tính đồng nhất của tải. Thiết kế, lựa chọn vật liệu, lắp đặt và bảo trì đúng cách của chúng là nền tảng cho sự an toàn, hiệu quả và tuổi thọ của toàn bộ hệ thống trao đổi nhiệt. Việc bỏ qua tầm quan trọng của các kết nối này có thể dẫn đến các sự cố thảm khốc, bao gồm rò rỉ, giảm hiệu suất nhiệt và thậm chí là hỏng hóc cơ học. Do đó, sự hiểu biết sâu sắc và sự chú ý tỉ mỉ đến hệ thống kết nối stud là không thể thiếu đối với các kỹ sư và kỹ thuật viên làm việc với loại thiết bị truyền nhiệt hiệu quả cao này.
Bộ Trao Đổi Nhiệt Dạng Tấm (PHE) là các thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, thương mại và dân dụng do hiệu suất nhiệt cao, thiết kế nhỏ gọn và tính linh hoạt của chúng. Một yếu tố then chốt đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc, độ kín và độ tin cậy trong vận hành của PHE là hệ thống siết chặt, chủ yếu được thực hiện thông qua các kết nối stud. Bài viết này đi sâu vào chức năng, các cân nhắc về thiết kế và ý nghĩa vận hành của các kết nối stud trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có gioăng.
Một PHE có gioăng bao gồm nhiều tấm kim loại gợn sóng được nén giữa hai tấm khung: một đầu cố định và một tấm áp suất di động. Gói tấm được giữ với nhau bằng một bộ thanh giằng dọc, được cố định bằng các stud, đai ốc và vòng đệm. Các chốt này được căng chính xác để tạo ra một lực nén đều trên toàn bộ gói tấm, đảm bảo độ kín và ổn định cơ học thích hợp.
Vai trò hàng đầu của các stud (thanh giằng) và các đai ốc liên quan của chúng là tạo ra và duy trì một tải trọng nén cụ thể trên gói tấm. Sự nén này phục vụ hai mục đích quan trọng:
Trong quá trình vận hành, chất lỏng bên trong các kênh PHE chịu áp suất. Áp suất này tạo ra một lực tách ra cố gắng đẩy tấm áp suất ra khỏi khung cố định. Các kết nối stud chịu ứng suất kéo và được thiết kế để chống lại lực này. Chúng hoạt động như các gân chịu lực cao, giữ cho toàn bộ cụm nguyên vẹn trước áp suất vận hành, ngăn gói tấm bị vỡ ra.
Một lợi thế đáng kể của PHE có gioăng là khả năng bảo dưỡng của chúng. Hệ thống kết nối stud được thiết kế để cho phép tháo rời và lắp ráp lại dễ dàng.
Số lượng, đường kính và vị trí của các stud được thiết kế cẩn thận để phân phối tải nén đều trên toàn bộ bề mặt của gói tấm. Tải không đều có thể dẫn đến nén quá mức cục bộ (làm hỏng gioăng và tấm) hoặc nén dưới mức (gây rò rỉ). PHE lớn hiện đại thường sử dụng một số lượng lớn stud (ví dụ: 10 hoặc nhiều hơn) được đặt xung quanh chu vi để đạt được sự đồng đều này và xử lý áp suất thiết kế rất cao.
Stud thường được sản xuất từ thép carbon cường độ cao hoặc thép hợp kim (ví dụ: ASTM A193 B7) và thường được phủ hoặc mạ (ví dụ: kẽm hoặc crôm) để tăng cường khả năng chống ăn mòn. Đối với môi trường ăn mòn cao, thép không gỉ (ví dụ: ASTM A193 B8M) hoặc thậm chí các hợp kim kỳ lạ hơn có thể được sử dụng. Vật liệu phải có độ bền kéo cao và khả năng chống mỏi tốt để chịu được tải trọng chu kỳ trong quá trình giãn nở và co lại do nhiệt.
Độ căng ban đầu được áp dụng cho các stud, được gọi là tải trước, là tối quan trọng. Nó phải đủ để giữ cho gói tấm được bịt kín dưới áp suất và nhiệt độ vận hành tối đa, có tính đến sự giãn nở của gioăng theo thời gian.
Các tấm khung, stud và gói tấm thường được làm từ các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau (ví dụ: tấm titan so với khung thép carbon). Trong quá trình khởi động, tắt máy hoặc quá trình chuyển đổi nhiệt độ, các thành phần này giãn nở và co lại với tốc độ khác nhau. Hệ thống kết nối stud phải được thiết kế để thích ứng với các chuyển động khác biệt này mà không làm mất lực kẹp quan trọng hoặc gây ra ứng suất quá mức có thể dẫn đến hỏng stud.
Stud phải chịu ứng suất chu kỳ từ áp suất dao động, rung động và chu kỳ nhiệt. Thiết kế kỹ thuật phải đảm bảo rằng biên độ ứng suất trong các stud vẫn nằm dưới giới hạn bền của vật liệu để ngăn ngừa hỏng hóc do mỏi trong suốt tuổi thọ dự kiến của bộ trao đổi.
Trong quá trình lắp ráp, các đai ốc trên các stud phải được siết chặt theo một trình tự chéo cụ thể, giống như siết chặt các đai ốc trên bánh xe ô tô. Thực hành này là không thể thương lượng để đạt được độ nén tấm đồng đều và tránh biến dạng tấm áp suất, có thể dẫn đến rò rỉ.
Sau khi lắp ráp ban đầu và khi đạt đến nhiệt độ vận hành, thường cần phải kiểm tra lại độ căng của stud. Sự trượt của gioăng và sự ổn định nhiệt có thể gây ra sự mất mát nhẹ về tải trước. Việc siết chặt lại sau chu kỳ nhiệt đầu tiên là một thực hành tốt nhất tiêu chuẩn để đảm bảo tính toàn vẹn lâu dài.
Kiểm tra thường xuyên các stud và đai ốc là một phần của bảo trì phòng ngừa. Kỹ thuật viên nên tìm các dấu hiệu ăn mòn, hư hỏng ren, kéo dài hoặc nứt bề mặt. Các chốt bị hỏng phải được thay thế bằng các thành phần đáp ứng các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất thiết bị gốc để duy trì tính toàn vẹn của thiết kế.
Tóm lại, các kết nối stud trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm không phải là những bu lông đơn giản. Chúng là các thành phần được thiết kế chính xác, thực hiện các chức năng quan trọng là tạo ra lớp đệm, chống lại áp suất, cho phép bảo trì và đảm bảo tính đồng nhất của tải. Thiết kế, lựa chọn vật liệu, lắp đặt và bảo trì đúng cách của chúng là nền tảng cho sự an toàn, hiệu quả và tuổi thọ của toàn bộ hệ thống trao đổi nhiệt. Việc bỏ qua tầm quan trọng của các kết nối này có thể dẫn đến các sự cố thảm khốc, bao gồm rò rỉ, giảm hiệu suất nhiệt và thậm chí là hỏng hóc cơ học. Do đó, sự hiểu biết sâu sắc và sự chú ý tỉ mỉ đến hệ thống kết nối stud là không thể thiếu đối với các kỹ sư và kỹ thuật viên làm việc với loại thiết bị truyền nhiệt hiệu quả cao này.
