Công cụ dự đoán tình trạng bám bẩn của thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống trong mạng lưới thiết bị gia nhiệt dầu thô và thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong các hệ thống nước làm mát

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Xây dựng công cụ giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống trong mạng lưới gia nhiệt dầu thô bằng MATLAB - Xây dựng công cụ giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong các hệ thống nước làm mát bằng MATLAB - Thiết lập liên kết giữa công cụ giải mô hình bám bẩn của MATLAB và công cụ mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt của HYSYS - Kiểm ưa kết quả của các công cụ dự đoán tình ưạng bám bẩn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HÒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

HUỲNH THIỆN ÂN

PHÁT TRIỀN CÔNG CỤ DỰ ĐOÁN TÌNH TRẠNG BÁM BẨN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG VỎ ỐNG TRONG MẠNG LƯỚI THIẾT BỊ GIA NHIỆT DẦU THÔ VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG TẤM TRONG CÁC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thành Duy Quang

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 07 tháng 08 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS TSKH Lưu Cẩm Lộc

2 TS Hoàng Minh Nam

3 TS Lưu Xuân Cường

4 TS Đào Thị Kim Thoa

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1- TÊN ĐỀ TÀI: PHÁT TRIỂN CÔNG CỤ DỰ ĐOÁN TÌNH TRẠNG BÁM BẨN

CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG VỎ ỐNG TRONG MẠNG LƯỚI THIẾT

BỊ GIA NHIỆT DẦU THÔ VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG TẤM TRONGCÁC HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Xây dựng công cụ giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống trong mạng lưới gia nhiệt dầu thô bằng MATLAB

- Xây dựng công cụ giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong các hệ thống nước làm mát bằng MATLAB

- Thiết lập liên kết giữa công cụ giải mô hình bám bẩn của MATLAB và công cụ

mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt của HYSYS

- Kiểm ưa kết quả của các công cụ dự đoán tình ưạng bám bẩn

4- NGÀY HOÀN THÀNH NIIIẸM VỤ : 17/06/2018

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THÀNH DUY QUANG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỞNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy TS Nguyễn Thành Duy Quang,người đã định hướng, hướng dẫn và truyền đạt tận tình rất nhiều kiến thức cho em trongsuốt quá trình thực hiện luận văn

Em gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô của Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốcgia TP.HCM đã tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em gửi lời cảm ơn đến bố, mẹ đã luôn tạo điều kiện và động viên con trong suốtquá trình học tập tại Trường Đại học Bách Khoa

Cuối cùng, cảm ơn người vợ hiền đã luôn ở bên chồng, hỗ trợ và động viên trongsuốt hai năm học tập và thực hiện luận văn

Học viên thực hiệnHuỳnh Thiện Ân

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Công cụ dự đoán tình trạng bám bẩn của các thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống vàthiết bị truyền nhiệt dạng tấm được xây dựng dựa trên mô hình bám bẩn tổng quát, là sựkết hợp mô hình bám bẩn của Panchal và các cộng sự (1997) (1) và mô hình lão hóaIshiyama và các cộng sự (2010) (2) nhằm bao quát các giai đoạn của hiện tượng bám bẩn,

và các phương trình nhiệt động lực học tương ứng với từng loại thiết bị

/ = aRe~°- 66 Pr~°- 33 exp f f ì - yr (1)

Công cụ này có khả năng xác định các hệ số của phương trình tương ứng với các

dữ liệu hoạt động trong thời gian khảo sát của thiết bị truyền nhiệt bằng công cụ GeneticAlgorithm của phần mềm MATLAB, và dự đoán tình trạng bám bẩn trong tương lai của

thiết bị thể hiện qua sự phát triển nhiệt trở bám bẩn, Rf, theo thời gian.

Khả năng liên kết của công cụ dự đoán với chương trình mô phỏng quy trình côngnghệ của phần mềm HYSYS cho phép các đặc tính vật lý của các dòng quá trình đượcnhập tự động vào công cụ dự đoán và kết quả dự đoán được đưa trực tiếp vào mô hìnhcủa thiết bị truyền nhiệt Từ đó, xác định được sự ảnh hưởng của tình trạng bám bẩn củathiết bị truyền nhiệt đối với quy trình công nghệ của toàn bộ hệ thống trao đổi nhiệt.Kết quả cho thấy các số liệu dự đoán của công cụ tuân theo quy luật phát triển củahiện tượng bám bẩn và phù hợp với các dữ liệu thực tế của thiết bị truyền nhiệt

The software tool for predicting fouling of shell and tube heat exchanger andgasketed-plate heat exchanger is developed basing on the combination of the foulingmodel of Panchai et al in 1997 (1) and the aging model of Ishiyama et al in 2010 (2),that capture all of the stages of fouling process, and relating equations of each type ofheat exchanger

/ = aRe~°- 66 Pr~°- 33 exp f f i - yr (1)

A = A°° + [A° - A m ]r o exp(—k t i) (2)The software program utilizes Genetic Algorithm toolbox in MATLAB todetermine the fouling model’s coefficients according to the operation data of heatexchangers, and predicts the fouling of the equipment via the development of fouling

resistance, Rf, over time.

The connection of MATLAB and Aspen HYSYS allows to send automaticallydimensions of heat exchanger and physical properties of hot and cold streams to thesoftware tool, and the prediction result of fouling resistance to the simulation software.Therefore, determining the effects of fouling of heat exchanger on the entire system.The results of the study show that the development of fouling resistance isfollowing the fouling curves and matching the operation data of heat exchangers

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của cá nhân tác giả và đuợc thục hiện duới sụ huớng dẫn của thầy TS Nguyễn Thành Duy Quang, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Truờng Đại Học Bách Khoa Đại Học Quốc Gia TP HCM

Số liệu, kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn này là hoàn toàn trung thục, chua từng đuợc công bố trong bất cứ một công trình nào khác truớc đây

Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2018

Tác giả Huỳnh Thiện Ân

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐO AN _n TÓM TẤT LUẬN VĂN m ABSTRACT _IV MỤC LỤC _V DANH MỤC HÌNH vm DANH MỤC BẢNG _X DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU XI LỜI MỞĐẰU _1

CHƯƠNG 1 TỐNG QUAN 2

1.1 TÌNH TRẠNG BÁM BẦN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 2

1.1.1 Tình trạng bám bẩn 2

1.1.2 Các dạng bám bẩn 3

1.1.3 Cơ chế của hiện tượng bám bẩn 6

1.1.4 Đường cong biểu diễn quá trình bám bẩn 11

1.1.5 Ảnh hưởng của tình trạng bám bẩn đến thiết bị truyền nhiệt 13

1.2 M ẠNG LƯỚI GIA NHIỆT DẦU THÔ 14

1.2.1 Mạng lưới gia nhiệt đầu thô 14

1.2.2 Thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống 15

1.2.3 Ảnh hưởng của tình trạng bám bẩn 15

1.3 HỆ THÔNG NƯỚC LÀM MÁT 19

1.3.1 Hệ thống nước làm mát 19

1.3.2 Thiết bị truyền nhiệt dạng tẩm 19

1.3.3 Ảnh hưởng của tình trạng bám bẩn 25

1.5 MÔ HÌNH BÁM BẦN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 26

1.5.1 Giới thiệu một sổ mô hình bẩm bấn 26

1.5.2 Mô hình lão hóa của lớp bám bẩn 31

1.6 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 32

CHƯƠNG 2 THựC NGHIỆM _33

2.1 CÔNG CỤ PHÀN MỀM 33

2.1.1 Phàn mềm MATLAB 33

2.1.2 Phần mềm Aspen HYSYS 33

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 34

2.2.1 Phương trình vỉ phần thường (Ordinary Differential Equation - ODE) 34

2.2.2 Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) 35

2.2.3 Các phương trình tinh toán của thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ổng 36

2.2.4 Các phương trình tinh toán của thiết bị truyền nhiệt dạng tấn cỏ vồng đệm (Gasketed-plate heat exchanger) 38

2.2.5 Khả năng tự động hổa của MATLAB 43

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN cứu 46

2.3.1 Xây dựng mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vó ong trong mạng lưới gia nhiệt dầu thô 46

2.3.2 Xây dựng mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong các hệ thống nước làm mát 47

2.3.3 Giải mô hình bẩm bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống trong mạng lưới gia nhiệt dầu thô 49

2.3.4 Giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng tấm các hệ thống nước làm mát 54

2.3.5 Thiết lập liên kết giữa mô hình bám bấn của các thiết bị truyền nhiệt với chương trình mô phỏng HYSYS 57

CHƯƠNG 3 KÉT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN _58 3.1 DựĐOÁN TÌNH TRẠNG BÁM BÂN CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐÔI NHIỆT DẠNG VỎ ỐNG TRONG MẠNG LƯỚI GIA NHIỆT DẦU THÔ 58

3.1.1 Bộ phận chưng cất khí quyển dầu thô 58

3.1.2 Các hệ sổ của mô hình bám bẩn 61

3.1.3 Dự đoán tình trạng bẩm bấn của thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ổng 63

3.1.4 Khảo sát khả năng áp dụng của mô hình khi thiết bị đã hoạt động một khoảng thời gian 65

3.1.5 Kết luận 66

3.2 Dự ĐOÁN TÌNH TRẠNG BÁM BẨN CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐÔI NHIỆT

3.2.1 Thiết bị truyền nhiệt dạng tẩm sử dụng nước làm mát 68

3.2.2 Xác định các hệ số của mô hình bám bẩn 70

3.2.3 Dự đoản tình trạng bám bẩn của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 71

3.2.4 Kết luận 72

3.3 SO SÁNH TÌNH TRẠNG BÁM BẨN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG VỎ ỐNG VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG TẤM 73

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 78

DANH MỤC HÌNH

•

Hình 1-1 Tình trạng bám bẩn của thiết bị truyền nhiệt 2

Hình 1-2 Quá trình bám bẩn 7

Hình 1-3 Các đường cong bám bẩn lý tưởng 12

Hình 1-4 Đường cong bám bẩn thực tế 12

Hình 1-5 Lớp bám bẩn hình thành trên vách thiết bị truyền nhiệt 13

Hình 1-6 Giản đồ của bộ phận chưng cất dầu thô 15

Hình 1-7 Tình trạng bám bẩn ở phần ống của thiết bị truyền nhiệt trong mạng lưới gia nhiệt dầu thô 16

Hình 1-8 Tình trạng bám bẩn ở phần vỏ của thiết bị truyền nhiệt 16

Hình 1-9 Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong hệ thống nước làm mát 19

Hình 1-10 Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm được hàn đồng 20

Hình 1-11 Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm hàn một nửa 21

Hình 1-13 Mặt cắt một khu vực của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm có độ hở lớn 22

Hình 1-14 Mặt cắt của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm vách đôi 23

Hình 1-15 Cấu tạo của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm có vòng đệm 23

Hình 1-16 Hệ thống giải nhiệt sử dụng thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 25

Hình 1-17 Vệ sinh thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 26

Hình 1-18 Khái niệm ngưỡng bám bẩn Nếu điều kiện vận hành thay đổi từ A đến B, thì thiết bị sẽ chuyển từ khu vực bám bẩn sang không bám bẩn 28

Hình 2-1 Mô hình lộ trình dòng lưu chất của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 39

Hình 2-2 Thiết hệ thống dòng chảy 2 lộ trình / 2 lộ trình (Cấu hình 2 X 3/ 2 X 3) 39

Hình 2-3 a) Các kích thước chính của tấm truyền nhiệt; b) các kích thước sản xuất và hình chiếu của mặt cắt tấm truyền nhiệt theo hướng của rãnh 41

Hình 2-2 Quy trình giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống 51

Hình 2-3 Quy trình giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 56

Hình 3-1 Bộ phận chưng cất khí quyển dầu thô trong HYSYS 58

Hình 3-2 Các tính chất của dầu thô theo tiêu chí TBP 58

Hình 3-3 Thành phần phân đoạn nhẹ của dầu thô theo tiêu chí TBP 59

Hình 3-4 Thành phần chưng cất của dầu thô theo tiêu chí TBP 59

Hình 3-5 Lưu lượng thể tích ở phần vỏ và phần ống của thiết bị truyền nhiệt 61

Hình 3-6 Nhiệt độ đầu vào và đầu ra ở phần vỏ và phần ống của thiết bị 61

Hình 3-7 Giá trị nhiệt trở bám bẩn khảo sát theo thời gian, Rfr 62

Hình 3-8 Giá trị nhiệt trở bám bẩn từ khảo sát, Rfr, và giá trị từ mô hình, Rfi trong thời gian 347 ngày 63

Hình 3-9 Giá trị ĂRfr theo thời gian và giá trị ĂRfi theo mô hình 65

Hình 3-10 Kết quả Rfi của mô hình dựa theo các hệ số xác định từ ARf 66

Hình 3-11 Giá trị nhiệt trở bám bẩn của thiết bị truyền nhiệt trong HYSYS 67

Hình 3-12 Nhiệt trở bám bẩn trong một rãnh của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 70

Hình 3-13 Kết quả dự đoán tình trạng bám bẩn trong thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong 93 giờ 72

DANH MỤC BÁNG

Bảng 2-1 Các hằng số Kp và m để tính toán thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong quá

trình truyền nhiệt một pha 43

Bảng 3-1 Các thông số thiết kế của thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống 60

Bảng 3-2 Các hệ số của mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống 63

Bảng 3-3 Các hệ số của mô hình cho thiết bị đã hoạt động 110 ngày 69

Bảng 3-4 Các thông số thiết kế của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 69

Bảng 3-5 Các tính chất vật lý của dòng lạnh 69

Bảng 3-6 Các hệ số của mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 71

Bảng 3-7 So sánh tình trạng bám bẩn của thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống và thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 73

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Thông số Đơn vị

LỜI MỞ ĐẦU

Tình trạng bám bẩn trong các thiết bị truyền nhiệt là một trong những nguyên nhânhàng đầu gây ra tổn thất về các mặt năng lượng và kinh tế trong các công nghiệp nóichung, và đặc biệt trong ngành công nghiệp dầu khí do mức độ sử dụng các thiết bịtruyền nhiệt trong các nhà máy lọc dầu

Trong quá trình chế tạo và theo dõi tình trạng bám bẩn của thiết bị truyền nhiệt, giátrị nhiệt trở bám bẩn đại diện cho ảnh hưởng của tình trạng bám bẩn đến thiết bị thườngđược dùng theo các hằng số cho trước bởi Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị truyền nhiệtdạng ống (Tubular Exchanger Manufacturers Association - TEMA), thường tăng thêmkhoảng an toàn từ 20% đến 30% giá trị của diện tích truyền nhiệt trong quá trình thiết kế.Các cách tính này có khả năng dẫn đến sự lãng phí về mặt kinh tế và năng lượng, đồngthời không nắm bắt hết sự phát triển của tình trạng bám bẩn

Do đó, việc phát triển công cụ dự đoán tình trạng bám bẩn cho các thiết bị truyềnnhiệt là một đề tài có tiềm năng và mang tính thiết thực để áp dụng trong thực tế vận hành

và thiết kế các quy trình công nghiệp Các thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống và dạng tấm

là hai loại thiết bị được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp, và là hướng nghiên cứu đề

tài này đang hướng tới: “Phát triển công cụ dự đoán tình trạng bám bẩn của thiết bị

truyền nhiệt dạng vỏ ống trong mạng lưới thiết bị gia nhiệt dầu thô và thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong các hệ thống nước làm mát”.

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN

1.1 TÌNH TRẠNG BÁM BẲN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

1.1.1 Tình trạng bám bần

Tình trạng bám bẳn (Fouling) là một thuật ngữ kỹ thuật thường được sử dụng để

mô tả sự tích tụ và hình thành các vật liệu không mong muốn trên bề mặt của nhiều thiết

bị, đặc biệt là các thiết bị truyền nhiệt, có thể làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất truyềnnhiệt của bề mặt được thiết kế để hoạt động hiệu quả ở cảc điều kiện nhiệt độ

khấc nhau [1]

Hình 1-1 Tình trạng bám bấn cửa thiết bị truyền nhiệt [1].

Tình trạng bảm bẩn của các bề mặt truyền nhiệt là một trong những vấn đề quantrọng nhất trong thiết bị truyền nhiệt và một hiện tượng rất phức tạp về cơ bản, tình trạngbám bẩn có thề được xem là một vấn đề liên quan đến cả vật lý và hóa học bao gồm trạngthái không ổn định, động lượng, truyền khối và truyền nhiệt, độ hòa tan, ăn mòn và cácquá trình sinh học Tình trạng bám bẩn được xem là một trong những vấn đề lớn chưađược giải quyết trong quá trình truyền nhiệt [2]

Theo nhiều nghiên cứu, tình trạng bám bẩn thường xảy ra trên bất kỳ bề mặt nào cótiếp xúc giữa chất lỏng và chất rắn và không chỉ làm giảm hiệu quả truyền nhiệt mà còn

có nhiều tác động tiêu cục khác Tình trạng này đã đuợc công nhận là một vấn đề chung

bị theo hai cách: Thứ nhất, lớp bám bẩn có độ dẫn nhiệt thấp Điều này làm tăng nhiệt trở

và làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt Thứ hai, khi hiện tuợng đóng cặn xảy ra, mặt cắt củadòng chảy lưu chất trong thiết bị truyền nhiệt bị giảm, và do đó dẫn đến sự gia tăng ápsuất giảm trên toàn hệ thống [2]

Trong công nghiệp, tình trạng bám bẩn của thiết bị truyền nhiệt đã được xem là mộthiện tượng chưa được hiểu rõ Hiện tượng này xảy ra ở hầu hết các ngành công nghiệphóa chất và chế biến, bao gồm các nhà máy lọc dầu, sản xuất bột giấy và giấy, sản xuấtpolymer và sợi, khử muối, chế biến thực phẩm, công nghiệp sữa, sản xuất điện và thu hồinăng lượng Theo nhiều nhà nghiên cứu, tình trạng bám bẩn được xem là yếu tố không rõràng nhất trong quá trình thiết kế của thiết bị truyền nhiệt mặc dù đã có kinh nghiệm vậnhành phong phú được tích lũy qua nhiều năm và nhiều nghiên cứu khác nhau Bản chấtphức tạp của tình trạng bám bẩn này được phản ánh thông qua sự thiếu hiểu biết vềnhững gì xảy ra trong các thiết bị truyền nhiệt công nghiệp, số lượng lớn các dòng quátrình và điều kiện vận hành trong các quy trình công nghiệp có xu hướng làm cho hầu hếtcác tình trạng bám bẩn trở nên độc nhất, do đó khó có được một phân tích chung về vấn

đề này [2]

1.1.2 Các dạng bám bần

Việc phân loại tổng quát của các dạng bám bẩn xảy ra trong thiết bị truyền nhiệtđược dựa trên các quá trình vật lý và hóa học khác nhau có liên quan Tuy nhiên, có thểphân loại các tình trạng bám bẩn chính như sau [2]:

1 Tình trạng bám bẩn kết tỉnh hoặc kết tủa: Các muối hòa tan được kết tinh từ các

dung dịch bão hòa, do sự thay đổi độ hòa tan theo nhiệt độ, và do đó dẫn đến kếttủa trên bề mặt truyền nhiệt Hiện tượng này thường xảy ra với dung dịch nước

và các chất lỏng khác có chứa muối hòa tan được làm nóng hoặc làm lạnh Sựlắng đọng của các muối bị nghịch đảo độ hòa tan trên các bề mặt được gia nhiệtthường được gọi là "hiện tượng đóng vảy", và lớp lắng đọng này có tính chấtcứng và bền Sự lắng đọng các muối hòa tan ở điều kiện thường trên các bề mặtlạnh thường bao gồm các lớp lắng đọng xốp và mềm và được gọi là "bùn", "vảymềm", hoặc "kết tủa bột" Dạng bám bẩn kết tủa / kết tinh thường xảy ra khinước không được xử lý, nước biển, nước địa nhiệt, nước muối, dung dịch nướccủa xút ăn da, và các muối khác được sử dụng trong các thiết bị trao đổi nhiệt.Các hiện tượng quan trọng liên quan đến dạng bám bẩn này bao gồm sự pháttriển tinh thể trong quá trình kết tủa đòi hỏi sự hình thành hạt nhân chính Cơ chế

của quá trình này là sự tạo mầm, theo quy luật dị thể với sự hiện diện của các tạpchất trên bề mặt truyền nhiệt [2].

2 Tình trạng bám bẩn hạt' Các hạt lơ lửng trong các dòng lưu chất lắng đọng trên

bề mặt truyền nhiệt Nếu hiện tượng bám bẩn xảy ra do trọng lực hoặc các cơ chếlắng đọng khác, kết quả được gọi là bám bẩn dạng "bồi lắng" Theo đó, tình trạngbám bẩn dạng hạt có thể được định nghĩa là sự tích tụ của các hạt từ dòng lưuchất của thiết bị truyền nhiệt (các hạt lơ lửng trong chất lỏng và / hoặt chất khí)lên trên bề mặt truyền nhiệt Dạng bám bẩn này bao gồm sự lắng đọng của cácsản phẩm ăn mòn phân tán trong chất lỏng, các hạt đất sét và khoáng trong nướcsông, chất rắn lơ lửng trong nước làm mát, các hạt bồ hóng của quá trình cháykhông hoàn toàn, các hạt từ trong các bộ phận gia nhiệt nước, hiện tượng đóngcặn muối trong hệ thống khử mặn, lắng đọng các hạt bụi trong hệ thống làm mátkhông khí, các hạt có mặt một phần trong lớp bám bẩn phía đốt (phía bên khí)của lò hơi, và các hiện tượng tương tự Một số yếu tố ảnh hưởng đến loại bámbẩn này bao gồm: nồng độ của các hạt lơ lửng, vận tốc dòng chảy lưu chất, cácđiều kiện nhiệt độ trên bề mặt bị bẩn (nóng hoặc không nóng), và thông lượngnhiệt ở bề mặt truyền nhiệt [2],

3 Tình trạng bám bẩn do phản ủng hóa học' Lớp bẩn được hình thành trên bề mặt

truyền nhiệt bởi một hoặc nhiều phản ứng hóa học giữa các chất phản ứng chứatrong dòng lưu chất, mà trong đó bản thân vật liệu bề mặt truyền nhiệt khôngtham gia (quá trình trùng hợp, chế biến thực phẩm) Tuy nhiên, bề mặt truyềnnhiệt có thể hoạt động như một chất xúc tác như trong các phản ứng cắt mạch,cốc hóa, trùng hợp và tự oxy hóa Sự bất ổn nhiệt của các chất hóa học, chẳnghạn như các asphaltene và protein, cũng có thể tạo ra tiền chất bẩn Tình trạngbám bẩn này xảy ra trên một phạm vi nhiệt độ rộng từ nhiệt độ môi trường xungquanh đến hơn 1000 °C và càng dễ dàng xảy ra ở nhiệt độ cao hơn Hiện tượngbám bẩn do phản ứng hóa học được tìm thấy trong nhiều quy trình của côngnghiệp chế biến bao gồm: các ngành công nghiệp hóa dầu, lọc dầu, nhiệt phânpha hơi, làm mát khí và dầu, trùng hợp các monomer, Các lưu chất sinh họclàm bám bẩn thiết bị trao đổi nhiệt thông qua các phản ứng hóa học dị thể và cácquá trình hóa lý Phản ứng hóa học có khả năng dẫn đến ăn mòn ở bề mặt nếu

4 Tình trạng bám bẩn ăn mòn' Dạng bám bẩn này là kết quả của phản ứng hóa học

hoặc điện hóa giữa bề mặt truyền nhiệt và dòng lưu chất Phản ứng này tạo ra cácsản phẩm ăn mòn, dẫn đến thay đổi các đặc tính nhiệt của bề mặt và gây ra tìnhtrạng bám bẩn Ăn mòn gây ra bám bẩn theo hai cách: Thứ nhất, các sản phẩm ănmòn tích lũy và bám dính vào bề mặt, tạo ra sự cản trở với quá trình truyền nhiệt.Thứ hai, các sản phẩm ăn mòn được vận chuyển dưới dạng hạt vật liệu từ vị trí

ăn mòn đến một vị trí khác của hệ thống, kết tụ dưới hình thức bám bẩn dạng hạttrên bề mặt truyền nhiệt Ví dụ, bám bẩn từ phần nước của nồi hơi có thể là kếtquả của các sản phẩm ăn mòn có nguồn gốc từ bộ phận ngưng tụ hoặc nguồnnhập liệu Tình trạng bám bẩn ăn mòn phổ biến ở các thiết bị có xảy ra hiệntượng bám bẩn phản ứng hóa học và bề mặt không có lớp oxit bảo vệ Tình trạngbám bẩn này có tầm quan trọng đáng kể đối với thiết kế của nồi hơi và buồngngưng [2]

5 Tình trạng bám bẩn sinh học: Quá trình bám bẩn sinh học có thể được liên kết

với sự phát triển, lắng đọng của các màng hữu cơ bao gồm: vi sinh vật và vikhuẩn (bám bẩn vi sinh), sự gắn kết và sự sinh trưởng của các sinh vật vĩ mô nhưtrai, tảo, (bám bẩn vĩ sinh) trên bề mặt truyền nhiệt Bám bẩn vi sinh luôn xảy

ra trước bám bẩn vĩ sinh, trong trường hợp này, các vi sinh vật là nguồn dinhdưỡng cho các sinh vật vĩ mô Tình trạng bám bẩn này cũng được gây ra bởi rongbiển và các sợi hữu cơ khác lơ lửng trong dòng lưu chất Nhiều loại vi khuẩn sẽtạo ra chất nhờn lắng đọng trên bề mặt truyền nhiệt và các loại chất bẩn khác cóthể bám vào các lớp này Sự phát triển của lớp màng sinh học sẽ hạn chế lưulượng chất lỏng và thường gây ra hiện tượng rỗ kim loại Loại bám bẩn này phổbiến trong nước không được xử lý như nước biển, sông, hoặc hồ

Đây là một vấn đề đặc biệt nghiêm trọng vì vi khuẩn có thể được đưa vào quytrình không chỉ bởi chất lỏng, mà còn từ không khí xung quanh trong tháp làmmát Nhiệt độ lý tưởng cho sự phát triển của vi sinh vật là từ 15 °C đến 50 °Ctrong tháp làm mát Các vi sinh vật sống và chết đều bám dính vào các bề mặttruyền nhiệt và tạo thành một lớp chất nhờn với độ dẫn nhiệt tương tự như nước.Hiệu ứng lọc của các lớp màng sinh học còn làm tích luỹ các hạt lơ lửng tronglưu chất tại lớp bám bẩn [3]

6 Tình trạng bám bẩn đông đặc hoặc đóng băng' Hiện tượng này được mô tả là

một chất lỏng tinh khiết hoặc một thành phần có điểm nóng chảy cao của dungdịch bị đông lạnh trên bề mặt lạnh, hay là sự tách sáp từ dòng lưu chất nóng khitiếp xúc với bề mặt lạnh Sự hình thành băng trên bề mặt truyền nhiệt trong quátrình sản xuất nước lạnh hoặc làm lạnh không khí ẩm, cặn được tạo thành trong

bộ làm mát phenol, hay hình thành trong quá trình làm nguội các hỗn hợp củacác chất như parafin là một số ví dụ về hiện tượng bám bẩn đông đặc Tùy thuộcvào áp suất, tình trạng bám bẩn này có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp, hoặc đôi khi ởnhiệt độ môi trường Sự đóng băng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố chính bao gồm:tốc độ dòng chảy của lưu chất, nhiệt độ và điều kiện kết tinh, điều kiện bề mặt vànồng độ của chất tiền tố rắn trong chất lỏng [2]

Trong nhiều quá trình, có thể có nhiều hơn một loại bám bẩn, dẫn đến các tình hạngbám bẩn phức tạp với các hiệu ứng liên kết lẫn nhau Một ngoại lệ là sự kết hợp của tìnhhạng bám bẩn kết tinh và bám bẩn dạng hạt, quá trình bám bẩn được gia tốc bởi các hạtvật chất kết tinh, nhưng các hạt từ các vật liệu khác có thể làm giảm quá trình bám bẩn do

sự suy yếu của cấu trúc lớp bám bẩn [3]

1.1.3 Cơ chế của hiện tượng bám bẩn

Tình hạng bám bẩn thường được mô tả kết quả trực tiếp của hai quá trình đồng thời,bao gồm một quá trình lắng đọng và một quá trình cuốn trôi (làm chậm) [2],

Removal nite

Hình 1-2 Quá trình bám bẩn [2].

Các quá trình xảy ra trong năm giai đoạn Hên tiếp nhau [2]:

1 Giai đoạn bắt đầu hoặc giai đoạn trễ Đây là giai đoạn đầu tiên trong quá trình

bám bẩn, và được mô tả là sụ hình thành các chất bẩn trong khối chất lỏng Giai

đoạn này bắt đầu khi thiết bị trao đổi nhiệt mái hoặc đã làm sạch được đưa vàohoạt động, các hệ số truyền nhiệt cao ban đầu không thay đổi trong một thời giannhất định Trong thời gian này, cố sự hình thành của các mầm để kết tinh hoặc sựlắng đọng các chất dinh dưỡng cho sự phát triển sinh học Thời gian trễ này cóthể kéo dài bất cứ lúc nào từ vài giây đến vài ngày tùy theo độ nhám bề mặttruyền nhiệt, và giảm khi độ nhám tăng lên Thời gian trễ thường không xảy rađối với hiện tượng bám bẩn dạng hạt Đối với hiện tượng bấm bẩn kết tỉnh vàbám bẩn do phản ứng hốa học, thời gian của gỉaỉ đoạn bắt đầu giảm khi nhiệt độ

bề mặt gia tăng, do sự gia tăng độ quá bão hòa và / hoặc tốc độ phản ứng [2]

2 Gỉaỉ đoạn truyền khối: Các vật Hệu bám bẳn được vận chuyển từ khối chất lỏng

đến bề mặt truyền nhiệt để tạo thành một lớp tích tụ tại giao diện giữa chất lỏng

và bề mặt Sự vận chuyển các vật bệu này diễn ra thông qua hoạt động của mộthoặc nhiều cơ chế như [2]:

• Cơ chế khuếch tán: Quá trình truyền khối các vật liệu bám bẩn từ dòng lưu

chất về phía bề mặt truyền nhiệt do sự chênh lệch nồng độ giữa phần lớn lưuchất và phần lưu chất tiếp giáp với bề mặt Trong hầu hết các trường hợp, đây

là cơ chế chính của giai đoạn truyền khối [2]

• Cơ chế điện di: Do ảnh hưởng của các lực điện, các vật liệu bám bẩn mang

điện tích di chuyển tiến về hoặc ra xa bề mặt truyền nhiệt, phụ thuộc vào độphân cực của bề mặt và các hạt Sự tích tụ do điện di tăng khi có sự giảm tínhdẫn điện, tăng nhiệt độ và tăng vận tốc lưu chất Cơ chế này cũng phụ thuộcvào độ pH của dung dịch Các lực bề mặt như London-van der Waals và lựctương tác hai lóp điện tích thường gây ra hiệu ứng điện di [2]

• Cơ chế nhiệt di: Vật liệu bám bẩn được di chuyển bời một "lực nhiệt" theo

hướng của gradient nhiệt độ âm, từ vùng nóng đến vùng lạnh Do đó, mộtgradient nhiệt độ cao gần một vách nóng sẽ ngăn chặn sự tích tụ, nhưng cùngmột giá trị tuyệt đối của gradient gần một vách lạnh sẽ gia tăng sự đóng cặn.Các hiệu ứng nhiệt di thường ảnh hưởng đến chất khí và có ít tác động đối vớichất lỏng [2]

• Cơ chế lẳng đọng: Sự tích tụ của các vật liệu hạt như các hạt rỉ sét, đất sét và

bụi trên bề mặt truyền nhiệt do trọng lực Để hiện tượng lắng đọng xảy ra, lựchấp dẫn hướng xuống phải lớn hơn lực kéo hướng lên Cơ chế này thường ảnh

hưởng đến các hạt lớn và vận tốc lưu chất thấp Hiện tượng thường được quansát thấy trong nước tháp nước làm mát và các quá trình công nghiệp khác, cáchạt rỉ sét và bụi có thể hoạt động như chất xúc tác và / hoặc tham gia vào cácphản ứng phức tạp [2],

• Cơ chế lì: Đây là hiện tượng mà các hạt "lớn" tích tụ trên bề mặt truyền nhiệt

bởi vì chúng không thể di chuyển theo dòng chảy chất lỏng do tính lì [2],

• Cơ chế dòng xoáy quét xuống: Lưu chất được vận chuyển về phía vách vì có

một lớp phụ có độ nhớt không ổn định trong lớp ranh giới chảy rối [2],

Trong hầu hết các trường hợp, quá trình truyền khối của các vật liệu bám bẩn xảy ra

do cơ chế khuếch tán Đối với việc vận chuyển các hạt đến vách truyền nhiệt, các cơchế lì, lực nhiệt di và các cơ chế khác cũng phải được xem xét [2],

3 Giai đoạn hình thành lớp bám bẩn: Sự gắn kết của vật liệu bám bẩn lên bề mặt

truyền nhiệt liên quan đến cả quá trình vật lý và hóa học Sau khi chất tạo bẩnđược vận chuyển đến bề mặt truyền nhiệt, nó phải kết dính vào bề mặt (đối vớibám bẩn dạng hạt) hay phản ứng với chất tạo thành lớp bám bẩn (ví dụ, CaCOí)

Có ba yếu tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình gắn kết: điều kiện bề mặt,lực bề mặt và xác suất kết dính [2]

• Điều kiện bề mặt: Các tính chất của bề mặt truyền nhiệt rất quan trọng đối với

sự kết dính lóp bám bẩn, bao gồm: năng lượng tự do bề mặt, khả năng thấmướt (góc tiếp xúc, khả năng tràn) và nhiệt ngâm Độ ẩm và nhiệt ngâm tăng lênkhi sự chênh lệch giữa năng lượng tự do bề mặt của thành và lớp lưu chất lâncận tăng lên Các bề mặt không thấm ướt hoặc năng lượng thấp thì giai đoạntrễ sẽ kéo dài lâu hơn các bề mặt có khả năng thấm ướt hoặc năng lượng cao,

và do đó ít bị kết dính hơn (như các lớp phủ polymer và gốm) Độ nhám làmtăng diện tích tiếp xúc hiệu quả của bề mặt, cung cấp các vị trí phù hợp để tạomầm và thúc đẩy quá trình bám bẩn [2]

• Lực bề mặt: Có một số lực bề mặt ảnh hưởng đến sự tích tụ, bao gồm: lực

quan trọng nhất là lực Van der Waals, mô tả lực hấp dẫn liên phân tử giữa cácphân tử không phân cực, lực tương tác hai lớp điện tử có thể hút hoặc đẩy, vàlực thủy động lực nhớt ảnh hưởng đến sự gắn kết của một hạt chuyển độngvào thành, tăng lên khi tiếp xúc bình thường với bề mặt trơn [2]

• Xác suất kết dính: yếu tố này đại diện cho một phần các hạt chạm tới thành và

ở đó cho đến khi bị cuốn trôi Đây là một khái niệm thống kê được đưa ra đểphân tích và giải thích cho sự phức tạp của hiện tượng bám bẩn [2],

4 Giai đoạn cuốn trôi hay tự động làm chậm: Tùy thuộc vào độ cứng của lớp bám

bẩn, giai đoạn cuốn trôi các lớp bẩn bám trên bề mặt truyền nhiệt có thể hoặckhông thể xảy ra đồng thời với giai đoạn hình thành lớp bám bẩn Một số cơ chếlàm chậm quá trình bám bẩn, bao gồm: lực cắt, dòng chảy rối cục bộ, cơ chế táihòa tan và xói mòn [2],

• Lực cat: Dòng lưu chất chảy sẽ chịu áp lực cắt trên ranh giới giữa lưu chất và

lớp bám bẩn Bởi vì lượng chất bám bẩn tăng lên theo thời gian, sẽ làm giảmdiện tích mặt cắt của dòng chảy, và do đó làm tăng vận tốc trung bình của lưuchất đối với lưu lượng theo khối lượng cố định và ứng suất cắt Các lớp bámbẩn mới sẽ chỉ hình thành nếu lực liên kết của lớp bám bẩn lớn hơn lực cắt tạigiao diện rắn-lỏng

• Dòng chảy rối cục bộ' Đây là hiện tượng có tính phân bố ngẫu nhiên (khoảng

dưới 0,5% tại bất kỳ thời điểm nào), được mô tả như các lốc xoáy thu nhỏ,xuất hiện thường xuyên và tách các vật liệu bám bẩn khỏi bề mặt Các dòngchảy rối này liên tục được bù đắp bằng các dòng lưu chất chảy ngược nhẹnhàng hơn, điều này làm gia tăng cặn đóng

• Cơ chế tái hòa tan' Cơ chế này có liên quan trực tiếp đến độ hòa tan của vật

liệu bám bẩn Bởi vì chất gây bẩn được xem là không tan tại thời điểm tạothành lớp bám bẩn, nó chỉ hòa tan nếu có sự thay đổi trong tính chất của lớpbám bẩn, hoặc trong dòng chảy, hoặc cả hai, do thay đổi nhiệt độ cục bộ, vậntốc, độ kiềm, và các biến số hoạt động khác Lớp bám bẩn sinh học có thể bịgiết bởi nhiệt độ đủ cao hoặc thấp, và do đó làm suy yếu liên kết giữa lớp bámbẩn và bề mặt và gây ra sụt giảm hoặc tái hòa tan Việc loại bỏ cặn ăn mòntrong các hệ thống phát điện được thực hiện bằng cách tái hòa tan ở độ kiềmthấp Sự tái hòa tan thường liên quan đến hiện tượng loại bỏ vật liệu ở dạngion hoặc phân tử

• Xói mòn: Hiện tượng này có liên quan chặt chẽ với quy trình tổng quát của

giai đoạn cuốn trôi lớp bám bẩn Sức cắt của chất gây bẩn, độ dốc và chiều dài

bề mặt nghiêng của bề mặt truyền nhiệt có ảnh hưởng mạnh đến sự xói mòn

Cơ chế này ảnh hưởng nhiều đến việc loại bỏ các vật liệu hạt, có ít hoặc không

có tác dụng lên lớp bám bẩn hình thành từ vật liệu tinh khiết được tinh thể hóatốt (cấu trúc vững) Tuy nhiên, hiện tượng này tác động mạnh mẽ đến các hỗnhợp của nhiều muối, mà mỗi loại có các đặc tính tinh thể khác nhau

5 Giai đoạn lão hóa: Hiện tượng lão hóa ảnh hưởng đến tất cả lóp bám bẩn và

được mô tả là sự thay đổi độ dẫn nhiệt của các lớp bẩn (nhưng không phải độdày) theo thời gian Độ cứng của lớp bám bẩn có thể tăng lên do lão hóa thôngqua trùng hợp, tái kết tinh, mất nước, ngược lại, các lớp bám bẩn sinh họcgiảm theo thời gian vì bị nhiễm độc bởi các ion kim loại và có thể bị rửa trôi đibởi dòng chảy Vì các hiệu ứng nhiệt phức tạp của các lớp bẩn khi chúng bị ảnhhưởng bời lão hóa nên hiện tượng này là giai đoạn được nghiên cứu và hiểu biết

ít nhất, và thường bị bỏ qua khi mô hình hóa [4]

1.1.4 Đường cong biểu diễn quá trình bám bần

Quá trình bám bẩn là một quá trình động Các đường cong bám bẩn lý tưởng được

thể hiện trong hình 1-3, biểu diễn sự tăng lên của nhiệt trở bám bẩn, Rf, theo thời gian, t, bắt đầu từ bề mặt sạch Một khoảng thời gian trễ, ti, thường xuất hiện trước khi lớp bẩn

bắt đầu phát triển trên bề mặt truyền nhiệt sạch Tùy thuộc vào cơ chế, các điều kiện bámbẩn, và thành phần lưu chất, đồ thị nhiệt trở bám bẩn phát triển theo nhiều hướng khácnhau Có một số trường hợp, đồ thị tình trạng bám bẩn trở thành tuyến tính do nhiệt trởbám bẩn và độ dày của lớp cặn bám tăng theo thời gian, trong trường hợp khác, độ dàycủa lớp bám bẩn tiếp tục tăng nhưng tốc độ bám bẩn giảm theo thời gian Trong điều kiệncác lực làm cặn bẩn lắng đọng trên bề mặt được cân bằng bởi các lực có tác dụng ngănchặn bám bẩn hoặc cuốn trôi các chất lắng đọng, thì đồ thị quan sát được có dạng tiệmcận [5]

Hình 1-3 Các đường cong bám bẩn lý tưởng [5].

Tuy nhiên, trong các hệ thống công nghiệp, do các điều kiện không lý tưởng nênkhông đạt được các đồ thị như trong hình 1-3 Đường cong bám bẩn tiệm cận trong thực

tế có thể được biểu diễn là đường "răng cưa" như trong hình 1 -4 Đây là kết quả của sựloại bỏ từng phàn một số lớp bám bẳn do hiện tượng “tan vỡ” hoặc “tróc vảy”, và tiếp sau

đỏ là sự tích tụ trở lại của lớp bám bẩn Đường cong trung bình (được biểu diễn bằngđường đứt nét) được xem là biểu diễn cho đường cong tiệm cận lý tưởng ờ hình 1.3 [2]

Hình 1-4 Đường cong bám bẩn thục tế [2].

1.1.5 Ảnh hưởng của tình trạng bám bẩn đến thiết bị truyền nhiệt

lình trạng bám bẩn làm giảm đáng kề hiệu quả của thiết bị truyền nhiệt thông quaviệc giảm hiệu quả truyền nhiệt và tăng tổn thất áp suất [6]

Khi thiết bị truyền đổi nhiệt hoạt động, tình trạng bám bần bắt đầu xảy ra ở cả bêntrong và bên ngoài bề mặt của các ống hoặc vách truyền nhiệt Vì các lớp bám bẩnthường có độ dẫn nhiệt thấp hơn so với lưu chất hoặc vách nên sẽ làm giảm hệ số truyềnnhiệt tổng quát [6]

Lớp bám bẩn làm tăng độ nhám bề mặt và ngăn chặn dòng chảy, dẫn đến gia tăngtổn thất áp suất trong toàn bộ thiết bị trao đổi nhiệt Độ dày của lớp bám bẩn là một yếu

tố quan trọng trong việc thiết kế của thiết bị truyền nhiệt, liên quan đến tính toán tổn thất

áp suất cho phép Trong trường hợp thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ ống, hình 1-5 minh họatác động của các lớp bám bẩn làm nhám bề mặt, giảm đường kính bên trong và tăngđường kính ngoài của các ống [6]

Trong thực tế, tổn thất áp suất là ảnh hưởng đến thiết bị truyền nhiệt nghiêm trọnghơn so với giảm hiệu suất truyền nhiệt Thiết bị truyền nhiệt thường phải dừng hoạt động

để làm sạch và bảo trì do tổn thất áp suất vượt mức cho phép [6]

Tại Hoa Kỳ, các chi phí liên quan đến tình ưạng bám bẩn của thiết bị truyền nhiệtđược ước tính khoảng từ 4,2 đến 10 tỷ đô la hàng năm Do đó, tình trạng bám bẩn là mộtvấn đề ngoài ý muốn, làm giảm năng suất và gia tăng chỉ phí trong các quá trình côngnghiệp Chi phí tăng thêm bao gồm [6]:

1 Tăng chi phí đầu tư do tăng kích thước thiết bị để bù đắp cho tình trạng bám bẩn.Thông thường thì kích thước gia tăng là từ 20% đến 40% Máy bơm và quạt cũngcần được tăng kích thước do giảm hiệu suất truyền nhiệt và tăng tổn thất áp suất

He-dt transfer surface

Hình 1-5 Lóp bám bẩn hình thành trên vách thiết bị truyền nhiệt [7].

Một thiết bị truyền nhiệt nhiệt thay thế cũng cần trong trường hợp làm sạch vàbảo trì thiết bị chính.

2 Tăng chi phí bảo trì do thiết bị lớn hơn, chi phí cho hóa chất làm sạch và nhâncông Đối với các lưu chất có xu hướng bám bẩn cao, việc làm sạch cần phảidiễn ra thường xuyên hơn, và nước thải của quá trình làm sạch dẫn đến các vấn

đề môi trường nghiêm trọng

3 Sản lượng giảm do giảm công suất và ngừng thiết bị để bảo trì, và các ngànhcông nghiệp quan trọng không chấp nhận thời gian chết và ngưng sản xuất sẽphải duy trì các thiết bị dự phòng, điều này lại dẫn đến tăng chi phí vốn đầu tư vàchi phí cho phụ tùng, bảo dưỡng

4 Tăng chi phí năng lượng vì năng lượng cần bổ sung cho sự mất mát của hiệu suấttruyền nhiệt và tăng tổn thất áp suất

1.2 MẠNG LƯỚI GIA NHIỆT DẦU THÔ

1.2.1 Mạng lưới gia nhiệt dầu thô

Trong các nhà máy lọc dầu, chi phí do bám bẩn lớn nhất thuộc về mạng lưới gianhiệt dầu thô của bộ phận chưng cất khí quyển, chiếm tỷ lệ 50% tổng chi phí liên quanđến tình trạng bám bẩn của toàn bộ nhà máy lọc dầu [5]

Mạng lưới gia nhiệt dầu thô là một mạng lưới lớn các thiết bị truyền nhiệt được sửdụng để giảm năng lượng tiêu thụ trong bộ phận chưng cất khí quyển, là bộ phận chính đểphân đoạn toàn bộ dầu thô được xử lý trong nhà máy lọc dầu Dầu thô được bơm từ bồnchứa đến mạng lưới gia nhiệt, và gia nhiệt nhờ vào sự trao đổi nhiệt với các dòng đỉnh,dòng sản phẩm, dòng bơm tuần hoàn thông qua các thiết bị truyền nhiệt Mạng lưới gianhiệt dầu thô giúp thu hồi từ 60% đến 70% nhiệt lượng của quá trình chưng cất chính.Mặc dù có một vài ngoại lệ sử dụng thiết bị truyền nhiệt dạng tấm, hầu hết các nhà máylọc dầu sử dụng thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống trong các mạng lưới gia nhiệt, với dầuthô đi trong phần ống của thiết bị [5]

Nếu mạng lưới gia nhiệt hoạt động không hiệu quả, thì cần phải tốn nhiều nhiênliệu hơn cho lò nung để gia nhiệt dầu thô đến nhiệt độ thích hợp cho chưng cất Nănglượng trung bình liên quan đến quy trình này có thể được ước tính khoảng 192 TWh mỗinăm (6.94 X 1017 J mỗi năm) cho các nhà máy lọc dầu tại Hoa Kỳ Đây chính là lý do

mà bộ phận chưng cất dầu thô tiêu thụ nhiều năng lượngnhất trong nhà máy lọc dầu và trong toàn ngành công nghiệpchế biến [5].

Hình 1-6 Giản đồ của bộ phận chưng cất dầu thô [5].

7.2.2 Thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống

Thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống là loại thiết bị truyền nhiệt linh hoạt nhất Chúngđược sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến, dùng làm thiết bị ngưng tụ trong nhàmáy điện thông thường và hạt nhân, thiết bị tạo hơi nước trong lò phản úng nước áp lựccao ở các nhà máy điện, thiết bị cấp nhiệt cho dòng nhập liệu, ngoài ra, thiết bị truyềnnhiệt dạng vỏ ống còn được sử dụng cho nhiều ứng dụng năng lượng khác, bao gồm cácnhà máy truyền thống và sử dụng năng lượng tái tạo Các thiết bị này cũng được sử dụngtrong một sổ hệ thống điều hòa không khí và ỉàm lạnh [8]

Thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống có một tỷ lệ tương đối lớn giữa diện tích truyềnnhiệt và khối lượng và trọng lượng, và dễ dàng làm sạch Dạng thiết bị truyền nhiệt nàycực kỳ linh hoạt, đáp ứng hầu hết các nhu cầu sử dụng Phương pháp thiết kế chắc chắn

và các cơ sở sản xuất có sẵn giúp cho việc thiết kế và xây dựng thiết bị truyền nhiệt dễdàng hơn Thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống có thể được thiết kế cho áp suất cao so với ápsuất môi trường và chênh lệch áp suất cao giữa các dòng nống và dòng lạnh [8]

1.2.3 Ảnh hưởng của tình trạng bám bẩn

Nhiệt độ dầu thô thay đổi dần khi đi qua mạng lưới gia nhiệt của nhà máy lọc dầu,dẫn đến tình bấm bẩn trong từng thiết bị truyền nhiệt riêng lẻ Tình trạng bấm bẩn cố thểxảy ra ở cả hai phần ống và vỏ của thiết bị truyền nhiệt vỏ ống như trong hình 1-7 và hình1-8 Hiện tượng bám bẳn của dầu thô trong thiết bị truyền nhiệt có thể là bất kỳ loại bámbẩn nào đã nêu trên, ngoại trừ bám bẩn sinh học và đông đặc Hiện tượng kết tỉnh cố thề

Bựlini

r 1

F IITW J

J.

xảy ra khỉ các muối được lắng tụ từ phân đoạn nước của dầu thô nhập liệu vào bộ khửmuối Bám bẩn dạng hạt xảy ra khi bụi bẩn, đất sét, hoặc gỉ lơ lửng trong dầu được vậnchuyển đến bề mặt truyền nhiệt và bám dính vào Phản ứng hóa học giữa các chất khácnhau cố trong dầu thô cố thể được kích hoạt theo một loạt các hướng phản ứng tùy thuộcvào thành phần dầu thô và điều kiện quá trình Ngoài ra, một cơ chế quan trọng khấctrong hiện tượng bám bẩn của dầu thô là ngưng tụ asphaltene Trong trường hợp này,những thay đổi về thành phần, nhiệt độ và áp suất cố thể khiến cho nhựa hoặc asphaltene

có ửong dàu kết tủa Mặc dù đây là một hiện tượng vật lý, nhưng thường có một loạt cácphản ứng hốa học dẫn đến sự hình thành các tiền chất chịu ưách nhiệm cho sự tích tụasphaltene [5]

Hình 1-7 Tình trạng bám bẩn ở phần ổng của thiết bị truyền nhiệt trong mạng lưới gia

nhiệt dầu thô [5]

Hình 1-8 Tình trạng bám bẩn ở phàn vỏ của thiết bị truyền nhiệt [5].

Các kinh nghiệm trong công nghiệp hốa dầu cho thấy hai cơ chế gây ra tình trạngbám bẩn hữu cơ có nhiều khả năng xảy ra trong các mạng lưới gia nhiệt dầu thô của nhàmáy lọc dầu: thứ nhất là sự kết hợp hai tình trạng bám bẩn ăn mòn và phản ứng hóa họcthông qua cơ chế tự oxy hóa, và thứ hai là kết tủa của asphaltene có thể hấp thụ hoặc bám

dính vào bề mặt truyền nhiệt Thông qua kết quả của nhiều thí nghiệm và mô phỏng khácnhau thì tình frạng bám bẩn do phản ứng hốa học dẫn đến sự hình thành chất bám bẩnnhiều hơn là quá trình kết tủa asphaltene, vì vậy chiếm ưu thế trong toàn bộ quá trình bámbẩn [5].

Các vấn đề gây ra bởi tình trạng bám bẩn của thiết bị truyền nhiệt trong mạng lướigia nhiệt dầu thô bao gồm [5]:

1 Các khỏ khăn trong vận hành lình trạng bám bẩn làm giảm hiệu quả năng lượng

cùa bộ phận chưng cất dầu thô thông qua việc làm giảm nhiệt độ tại đầu ra củamạng lưới gia nhiệt và phảỉ được xử lý bằng cách đốt thêm nhiên liệu tại lò nung.Tuy nhiên, khi lò nung đang hoạt động ở giới hạn đốt, thì không thể bù đắp cho

sự thiếu hiệu suất nhiệt trong mạng lưới gia nhiệt dầu thô bằng cách tăng côngsuất gia nhiệt của lò nung Do đó, các nhà máy lọc dầu phải giảm năng suất vàtình trạng này trở thành nguyên nhân chính gây thiệt hại kinh tế do tình trạngbám bẩn Bên cạnh việc mất nhiệt lượng, vấn đề thủy lực do sự gia tăng tổn thất

áp suất quá mức có thể frở nên nghiêm trọng, và các máy bơm buộc phải hoạtđộng ở công suất giói hạn để giữ cho năng suất ổn định Khỉ các tổn thất kinh tếvượt qua giới hạn, các thiết bị truyền nhiệt cần phải được làm sạch, từ đó làmgián đoạn hoạt động lọc dầu bình thường Việc tháo dỡ thiết bị để làm sạch trongthực tế là một hoạt động nguy hiểm và tốn kém

2 Các tắn that về kinh té Đây là chi phí do tình trạng bám bẩn tình hạng bám bẩn

gây ra Ước tính chi phí này là một hoạt động phức tạp, đặc biệt khi liến quanđến các hóa chất chống bám bẩn, vì phụ thuộc vào nhiều biến số như giá hiện tạicùa dầu thô, nhu cầu thị trường, khu vực địa lý cùa nhà máy lọc dầu và chi phíchính sách môi trường hiện hành Chi phí kinh tế thường bao gồm:

• Chi phí nhiên liệu của nhiên liệu đốt bổ sung để bù đắp cho sự giảm nhiệt độđầu ra và có ảnh hưởng quan trọng đối với chi phí của nhà mấy lọc dầu

• Chi phí cho lượng điện tăng thêm được tiêu thụ ở máy bơm để gia tăng công suất, bù đắp cho tình trạng giảm áp trong thiết bị

• Chi phí bảo trì (làm sạch) liên quan đến chi phí của quá trình làm sạch cơ học

và / hoặc hóa học được thực hiện do giảm áp lực quá mức, hay các chi phí phát sinh do đốt thêm nhiên liệu tại lò nung quá cao

• Chi phí cho các chất chống bám bẩn, được sử dụng để giảm tình trạng bám bẩn trong các nhà máy lọc dầu Tuy nhiên, kinh nghiêm thực tế trong nhà máycho thấy rằng việc xử lý hóa học thường không có tác dụng trong thời gian dài

và không hiệu quả trong nhiều trường hợp

• Chi phí đầu tư liên quan đến thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt Phương pháp xử lýtình trạng bám bẩn bằng cách bổ sung các bề mặt truyền nhiệt lớn hơn nhằm

bù đắp cho sự giảm hiệu suất truyền nhiệt Một khoản chi phí đầu tư phụ trội được tính trong trường hợp sử dụng các chất chống bám bẩn, vì các chi phí liên quan đến chất chống bám bẩn không chỉ giới hạn ở các hóa chất mà còn bao gồm chi phí đầu tư các thiết bị định lượng cần thiết để bơm các chất này vào đúng vị trí trong dòng dầu thô

3 Sự gia tăng tác động đối với môi trường Tác động môi trường do tình trạng bám

bẩn trong các nhà máy lọc dầu bao gồm việc thải ra 88 triệu tấn CO2, chiếm2,5% tổng lượng khí thải toàn cầu trong năm 2009 Bên cạnh việc gia tăng khínhà kính, việc xử lý các chất bám bẩn được hình thành trên bề mặt truyền nhiệtcũng có ảnh hưởng đáng kể đến môi trường

4 Nguy hiểm liên quan đến sức khỏe và an toàn, vấn đề này liên quan đến việc tháo

dỡ để làm sạch một thiết bị xử lý hydrocacbon áp suất cao trong tình trạng bámbẩn Trong quá trình bảo trì, quy trình của các nhà máy lọc dầu yêu cầu phải cómột người giám sát an toàn tham gia 100% nhằm theo dõi các hoạt động nguyhiểm bao gồm: mở từng thiết bị trao đổi nhiệt riêng lẻ và đưa chúng ra khỏi hệthống, làm sạch bằng nước áp lực cực cao và vận chuyển thiết bị nặng

1.3 BỆ THÓNG NƯỚC LÀM MÁT

1.3.1 Hệ thẳng nước làm mát

Hệ thống nước làm mát là một giải pháp để giải nhiệt cho các thiết bị và quá trìnhcông nghiệp Các hệ thống nước làm mát thường có hai dạng là kín hay hở, và nước làmmất cố thể là nước dùng một lần hoặc nước tuần hoàn [9]

Thiết kế và trang thiết bị của các hệ thống nước làm mát có sự khác nhau rất lớn tùythuộc vào ứng dụng Thường bao gồm các bộ phận như thiết bị truyền nhiệt, ống dẫn,bơm, các bộ phận của tháp làm mát và các loại van [9]

Hai loại thiết bỉ trao đổi nhiệt được dung chủ yếu trong hệ thống nước làm mát đó

là thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ ống và thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm Các hệ thốngnước làm mát kín được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy hốa chất, lọc dầu và nhỉềungành công nghiệp khác Do các đặc trưng về khả năng làm sạch dễ dàng, hiệu quảtruyền nhiệt, độ tin cậy và các điều kiện lắp đặt, các thiết bị truyền nhiệt dạng tấm thườngđược dùng để giải nhiệt cho vòng nước kín bằng các nguồn nước ngoài như nước sông,biển và nước giếng [9]

Hình 1-9 Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong hệ thống nước làm mát [10].

1.3.2 Thiết bị truyền nhiệt dạng tẩm

Việc phát triển và sử dụng các thiết bị truyền nhiệt dạng tấm để đáp ứng các quyđịnh nghiêm ngặt từ các quá trình sản xuất thực phẩm, đặc biệt là các sản phẩm sữa vàocuối thế kỷ 19 Vào đầu những năm 1880, nhận thức của cộng đồng về các bệnh như laophổi được phát tán bởi sữa tươi hay sữa không được chế biến Điều này thúc đẩy các thínghiệm về việc thanh trùng sữa, sử dụng các biện pháp như gia nhiệt sữa đến một nhiệt

độ nhất định mà không ảnh hưởng đến hương vị, duy trì sữa ở nhiệt độ này trong thờigian ngắn, và ngay sau đó làm nguội nó Quá trình này đòi hỏi thiết bị truyền nhiệt phảirất hiệu quả về nhiệt động, và quan trọng hơn, dễ vệ sinh (được thực hiện hàng ngày).Thục hiện yêu cầu này rất khố khăn khi sử dụng cấc thiết bị truyền nhiệt hiện thời đượcdùng để thanh trùng sữa, dẫn đến việc phát triển các thiết bị truyền nhiệt dạng tấm [11]

Từ khi được đưa vào sử dụng thương mại vào những năm 1920, thiết bị truyềnnhiệt dạng tấm trải qua nhiều biến đổi, và nhiều dạng thiết bị đã được phát triển và sửdụng trong những thập niên gần đây Tuy có vài điều chỉnh đã được thực hiện nhằm mụctiêu chế tạo thiết bị nhỏ gọn hơn, nhưng đa số các nghiên cứu được tập trung vào việc cảithiện các hạn chế và gia tăng các ứng dụng của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm Trong

những năm gần đây, ngoài thiết bị truyền nhiệt dạng tấm cỗ vòng đệm truyền thống, cácdạng thiết bị được hàn đồng, hàn một nửa, hàn kín là một số loại thiết bị truyền nhiệtdạng tấm tiêu biểu không dừng vòng đệm, hay các thiết bị gia tăng khả năng làm việc vớicấc sản phẩm khác nhau như thiết bị dạng rãnh lớn, và vách đôi [11].

Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm được hàn đồng, như trong hình 1-10, cơ bản đượclàm từ một bộ các tấm thép không gỉ mỏng được gấp nếp, tất cả được dùng đồng để hànkín lại tạo thành một thiết bị kín Nhờ hàn đồng đã giúp loại bỏ việc sử dụng các tấm đệmỉàm kín và tạo ra thiết bị rất tinh gọn, ngoài đồng thì cố thể sử dụng nickel hay các vậtliệu khác Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm được hàn đồng có thể sử dụng ở áp suất và nhiệt

độ cao hơn thiết bị truyền thống, lên đến 30 bar và 400 °C Tuy nhiên, chiều dài của thiết

bị thường giói hạn ít hơn 1 m, do giới hạn kích thước của lò nung đồng Thiết bị này đượcdùng nhiều trong các quy trình nhạy cảm nhiệt hay có chuyển pha, bay hơi và ngưng tụtrong các hệ thống làm lạnh, trong các hệ thống điều hòa không khí [11]

Hình 1-10 Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm được hàn đồng [11],

Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm hàn một nửa được thiết kế bằng cách hàn các tấmtruyền nhiệt thành từng cặp, sau đó đưa các cặp này vào khung và các vòng đệm đượcchèn vào giữa các cặp Dòng lưu chất có tính ăn mòn cao, áp suất cao được đưa vào giữacác cặp tấm được hàn, còn dòng lưu chất thông thường, ít ăn mòn hay phản ứng hóa họcđược đưa vào phần cỏ vòng đệm Thiết kế này giúp thiết bị chịu được áp suất cao hơn,đến 30 bar, từ đó mở rộng phạm vi ứng dụng [11]

Hình 1-11 Thiết bị truyền nhiệt dạng tám hàn một nửa [11].

Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm được hàn kín, như mô tả trong hình 1-12, là loại thiết

bị hoàn toàn không sử dụng vòng đệm Các bộ tấm truyền nhiệt được hàn kín, sau đó bắt

ốc vào giữa hai tấm đầu cuối trong một khung truyền thống Bằng cách hàn kín các méptám truyền nhiệt với nhau và không dùng vòng đệm, cấu trúc của thiết bị được gia cườngnhiều hơn, cho phép làm việc với áp suất và nhiệt độ cao hơn thiết bị dạng tấm dùng vòngđệm thông thường Ắp suất làm việc của loại thiết bị này lên đến 40 bar và nhiệt độ làmviệc đến 350 °C Tuy nhiên, thiết bị dạng tám được hàn kín mất đi tính linh hoạt của thiết

bị dùng vòng đệm hay hàn một nửa, do không thể gia tăng hay giảm diện tích truyềnnhiệt theo ý muốn Ngoài ra, dạng thiết bị này không thể làm sạch theo phương pháp cơhọc mà chỉ có thể dùng chất hóa học [11]

Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm với các bộ tám truyền nhiệt có độ hở rãnh rộng tạo radiện tích dòng chảy tự do lớn hơn, dùng để xử lý các dòng lưu chất có chứa các sợi, hạtthô hay độ nhớt cao, thường bị nghẹt hay không thể xử lý hoàn toàn trong các thiết bịtruyền nhiệt dạng tám khác Loại thiết bị này vẫn giữ được các ưu điềm nhiệt thủy lực củathiết bị dạng tấm và thường được ứng dụng để xứ lý nguyên liệu thô trong thực phẩm,nhà máy nghiền, [11]

Hình 1-13 Mặt cắt một khu vực của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm có độ hờ lán [ 11 ].

Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm có vách đôi được sử dụng làm thiết bị phản ủng, haytrong trường hợp cần tránh hoàn toàn tình trạng nhiễm chéo giữa hai dòng nóng và lạnh.Các tấm có vách đôi thay thế các tấm thường và ghép bằng các vòng đệm Trong trườnghợp lưu chất ăn mòn, dòng lưu chất xì ra sẽ được dẫn vào các rãnh giữa hai tám truyềnnhiệt, giúp giảm tối đa nhiễm bẫn giữa các dòng lưu chất và việc rò rỉ có thể được

quan sát từ bên ngoài thiết bị truyền nhiệt Dạng thiết bị truyền nhiệt này thường được sử dụng trong sản xuất nước uống, dược phẩm, dầu bôi trơn, dầu máy biến thế [11].

Hình 1-14 Mặt cắt của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm vách đôi [11].

Trong số các loại thiết bị truyền nhiệt dạng tấm được sử dụng trong công nghiệp,thì loại thiết bị sử dụng tấm truyền nhiệt có vòng đệm (Gasketed-plate heat exchanger) làloại phổ biến nhất và thường được sử dụng trong các hệ thống nước làm mát Do đó, đây

là loại thiết bị truyền nhiệt dạng tấm được nghiên cứu trong đề tài này

Lowr gliding bar

—-•at*

Tightening bolts _ ”

Hình 1-15 Cấu tạo của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm có vòng đệm [11].

Loại thiết bị truyền nhiệt dạng tấm cố vòng đệm như trong hình 1-15 được giớithiệu vào những năm 1930, chủ yếu cho ngành công nghiệp thực phẩm vì khả năng vệsinh dễ dàng Thiết kế của các thiết bị truyền nhiệt dạng này được hoàn thiện frong nhữngnăm I960 với sự phát triển của các tấm truyền nhiệt cố dạng hình học và khả năng lắp ráphiệu quả hơn, vật liệu của lớp đệm cũng được cải tiến Phạm vi của các ứng dụng được

Upper carrying bar

Frame plate

Support

column

* cs

mở rộng đáng kể Hỉện nay, trong các điều kiện cụ thể và thích hợp, loại thiết bị này được

sử dụng và cạnh tranh thành công trong các lĩnh vực trước đây được xem là của riêngdạng thiết bị truyền nhiệt hình ống Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm có khả năng đáp ứngrất nhiều nhiệm vụ trong nhiều ngành công nghiệp Do đó, chúng có thể được sử dụngthay thế cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống cho các ứng dụng truyền nhiệt lỏng và lỏng

ở áp suất thấp và trung bình [11]

Thiết kế của thiết bị truyền nhiệt dạng tấm có vòng đệm có tính chuyên biệt cao vềbản chất, do có nhiều loại thiết kế tấm truyền nhiệt khác nhau và khả năng sắp xếp có thểphù hợp với nhiều nhiệm vụ khác nhau Không giống như thiết bị truyền nhiệt dạng ống

đã có sẵn dữ liệu và phương pháp thiết kế, thiết kế thiết bị truyền nhiệt dạng tấm làthường được làm riêng biệt, tùy thuộc vào ứng dụng và nhu cầu Các nhà sản xuất đã pháttriển các chương trình thiết kế trên máy vi tính áp dụng cho riêng thiết bị truyền nhiệt màmình sản xuất và cung cấp [12]

Các thiết bị truyền nhiệt dạng tấm được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành côngnghiệp bao gồm sản xuất hóa chất, dược phẩm, sản phẩm vệ sinh, chế biến sinh hóa, thựcphẩm và sữa, vì có thể được tháo ra dễ dàng để làm sạch và khử trùng nhằm đáp ứngcác yêu cầu về sức khỏe và vệ sinh Các thiết bị này được sử dụng làm thiết bị gia nhiệt

và làm nguội trong hầu hết các quy trình sản xuất và làm thiết bị ngưng tụ [12]

Một ứng dụng có tầm quan trọng rất lớn, đó là sử dụng làm bộ giải nhiệt, đặc biệt là

ở các vùng biển hoặc ven biển, trong các hệ thống làm mát trung tâm sử dụng nước biển,sông, hoặc giếng, như trong các hệ thống máy nén khí Trong hệ thống làm mát trungtâm, một vòng kín của nước chất lượng cao được sử dụng trong bộ giải nhiệt trong, sau

đó được truyền qua bộ giải nhiệt ngoài là thiết bị truyền nhiệt dạng tấm, tại đây nhiệtđược truyền từ vòng nước kín đến nước có chất lượng thấp hơn, chẳng hạn như nước biểnhoặc sông Hệ thống vòng kín sử dụng thiết bị truyền nhiệt dạng tấm làm bộ trao đổinhiệt ngoài được biểu diễn trong hình 1-16 Các vấn đề về ăn mòn và bám bẩn đượcchuyển từ bộ giải nhiệt trong đến thiết bị truyền nhiệt dạng tấm Thiết bị trong hệ thốngkhép kín (thiết bị trong nhà máy chế biến) có thể được chế tạo từ thép cacbon thấp, trongkhi các thiết bị truyền nhiệt dạng tấm có thể được làm từ titan để chịu được sự ăn mònnước biển [12],

Hình 1-16 Hệ thống giải nhiệt sử dụng thiết bị truyền nhiệt dạng tấm [12].

1.3.3 Ảnh hưởng của tình trạng bám bần

Tình trạng bám bẩn trong các hệ thống nước làm mát là một hiện tượng rất phảbiến, đặc biệt là trong các thiết bị trao đổi nhiệt như thiết bị truyền nhiệt, thiết bị bay hơi,thiết bị ngưng tụ, tháp giải nhiệt, lò hơi, đường ống, Do làm tăng thêm nhiệt trở, tìnhtrạng bám bẩn làm giảm hiệu quả giải nhiệt của hệ thống nước làm mát Ngoài ra, sự hìnhthành lớp bám bẩn làm giảm tiết diện chảy của dòng nước, từ đó làm tăng vận tốc dòngchảy với cùng một lưu lượng thể tích cho trước, dẫn đến tăng tổn thất áp suất và gia tăngcông suất bơm Ngoài các ảnh hưởng tiêu cực của tình trạng bám bẩn đối vớỉ năng suấtnhiệt và thủy lực của hệ thống, các chỉ phí liên quan còn bao gồm gia tăng vốn đầu tư (dotăng thêm diện tích bề mặt truyền nhiệt), gia tăng chi phí vận hành (do tổn thất áp suất),gia tăng chi phí bảo trì (do yêu cầu làm vệ sinh thường xuyên) và mất năng suất (dongừng hoạt động để bảo trì) [9]

Đối với thiết bị truyền nhiệt dạng tấm, tình trạng bám bẩn xảy ra ít nghiêm họnghơn so với thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống vì các lý do sau [12]:

• Độ chảy rối cao giữ các hạt rắn lơ lửng trong dòng chất lỏng

• Vận tốc dòng chảy đồng đều trong toàn bộ tấm truyền nhiệt và không có cácvùng vận tốc thấp

• Bề mặt tấm truyền nhiệt thường trơn lảng và cỏ thể được đánh bỗng điện hốa

• Hiện tượng tích tự các sản phẩm ăn mòn, là điểm bám của chất bẩn, ít xảy ra

do tốc độ ăn mòn thấp

• Đối vối thiết bị làm mát, các lớp màng duy trì một nhiệt độ tường kim loạitương đối thấp, từ đó giúp giảm bớt sự phát triển tinh thể của các hợp chất

• Do đặc điềm của loại thiết bị này dễ tháo rờỉ để làm sạch, tình trạng bám bẩntheo thời gian có thể giữ ở mức tối thiểu nhờ làm vệ sinh thường xuyên.

1.5 MÔ HÌNH BÁM BÂN CỦA THIÉT BỊ TRUYÈN NHIỆT

1.5.1 Giới thiệu một số mô hình bám bẩn

Các mô hình bám bẩn được thiết lập với mục tiêu nắm bắt được sự phụ thuộc củatốc độ bám bẩn với thành phần lưu chất, các điều kiện của quá trình và thời gian Mô hìnhbám bẩn đầu tiên được xây dựng bởi Kem và Seaton (1958), tập trung vào phát triển mốiquan hệ giữa tốc độ bám bẩn và các điều kiện của quá trình, với giả thuyết rằng nhiệt ưở

bám bẳn, Rf, gia tăng tiệm cận theo thời gian [5]:

Rf = R*(l - e~ Bt ) (1-1)

Với R* là giá trị tiệm cận của nhiệt trở bám bẩn Rf ,và B là thông số mô hình Phương

trình 1-1 là mô hình bám bẩn lý tưởng và không thể mô tả được tình trạng bám bẩn ở mộtthiết bị cụ thể nếu hoạt động ngoài vùng tiệm cận Hơn nữa, mô hình này không cho thấyđược nhiệt trở bám bẩn là một hàm của các điều kiện quá trình [5]

Kem và Seaton đưa ra giả thuyết rằng nhiệt trở bám bẩn có thể được tính toán làmột hàm của hai cơ chế đối lập nhau là bám bẩn và cuốn trôi Tốc độ bám bẩn thực được

tính là chênh lệch giữa tốc độ bám bẩn, ộd, và cuốn trôi, ệr, đơn vị là m2KW-1s_1 [5]

Watkinson và Epstein (1970) đã phảt triển một mô hình bám bẩn cổ dạng truyềnvận - bám dính - tách rồi cho các hệ thống dầu diesel và hỗn hợp trộn lẫn cát-nước, bao

gồm hệ số khả bám, p [5]: