Bộ trao đổi nhiệt và tầm quan trọng trong quá trình trao đổi nhiệt

Bộ thiết bị trao đổi nhiệt là gì?

Quá trình truyền nhiệt giữa các lưu chất với nhau thông qua các thiết bị đã được con người sử dụng từ rất lâu để ứng dụng vào các quá trình sản xuất.

Do thông thường, nhiệt có thể tồn tại ở các trạng thái không mong muốn nên cần phải được chuyển đổi thành các trạng thái phù hợp với mục đích sử dụng. Từ đây, các thiết bị trao đổi nhiệt ra đời với nhiều chủng loại khác nhau, phù hợp với từng quá trình sản xuất.

Có thể hiểu đơn giản thiết bị trao đổi nhiệt là một thiết bị dùng để truyền nhiệt từ một nơi, một chất, một môi trường này sang một nơi, một chất, một môi trường khác. Tùy vào các mục đích khác nhau mà quá trình có thể là làm lạnh hoặc làm nóng.

Các hình thức trao đổi nhiệt

Dựa trên cách thức trao đổi nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt có thể chia làm hai loại là trao đổi trực tiếp hay gián tiếp.

Trực tiếp có thể là các quá trình làm mát nước bằng không khí, nơi mà hai hệ tương tác trực tiếp với nhau.

Gián tiếp có thể là các quá trình trao đổi nhiệt thông qua bề mặt kim loại, nơi mà hai hệ không tiếp xúc trực tiếp với nhau.

Trong đó thì quá trình trao đổi nhiệt gián tiếp thông qua bề mặt kim loại là phổ biến hơn vì chúng phòng tránh được sự nhiễm bẩn giữa hai môi trường, từ đó làm cho quá trình trở nên hiệu quả hơn.

Ngày nay, quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa diễn ra với tốc độ chóng mặt đòi hỏi các quá trình truyền nhiệt cũng phải được cải tiến theo để phù hợp với các ứng dụng mới và đặc thù. Các bộ trao đổi nhiệt cũng vì đó mà phải luôn được cải tiến, làm mới để các quá trình diễn ra nhanh hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn.

Vật liệu nào tốt nhất được sử dụng làm thiết bị trao đổi nhiệt

Bạn có thể nghĩ rằng các vật liệu truyền nhiệt luôn cần phải được làm bằng kim loại, vật liệu này nhanh chóng hấp thụ và dẫn nhiệt. Nhưng thiết bị dùng để trao đổi nhiệt cũng có thể được làm bằng gốm sứ, vật liệu tổng hợp (dựa trên kim loại hoặc gốm sứ), và thậm chí cả chất dẻo (polyme).

Tất cả những vật liệu này đều có ưu điểm của chúng. Gốm sứ là một lựa chọn đặc biệt tốt cho các loại ứng dụng nhiệt độ cao (trên 1000°C). Vì với nhiệt độ này sẽ làm tan chảy các kim loại như đồng, sắt và thép. Và cũng phổ biến để sử dụng với chất lỏng ăn mòn và mài mòn ở nhiệt độ cao hoặc thấp.

Nhựa thường có trọng lượng và chi phí thấp hơn kim loại, chống ăn mòn và bám bẩn. Nhựa có thể được thiết kế để có tính dẫn nhiệt tốt, mặc dù chúng có xu hướng yếu về mặt cơ học và có thể bị phân hủy theo thời gian.

Trên thực tế, nhựa hoàn toàn không thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao. Nhưng dụng cụ đổi nhiệt với kết cấu từ nhựa có thể là một lựa chọn tốt cho những ứng dụng như dẫn nước gia nhiệt bể bơi hoặc vòi hoa sen, hoạt động ở nhiệt độ phòng hàng ngày.

Bộ truyền nhiệt composite kết hợp các tính năng tốt nhất của vật liệu gốc của chúng — chẳng hạn như tính dẫn nhiệt cao của kim loại với trọng lượng giảm và khả năng chống ăn mòn tốt hơn của nhựa.

Bên cạnh đó, có nhiều công trình nghiên cứu hiện đang được thực hiện để tìm ra những vật liệu thú vị hơn nữa trong tản nhiệt. Ví dụ, ống nano carbon (các tấm carbon mỏng hình lục giác được quấn xung quanh để làm “ống”), có đặc tính dẫn nhiệt đáng kinh ngạc và đã được sử dụng trong các tản nhiệt của thiết bị điện tử.

Nguyên lý cơ bản của bộ trao đổi nhiệt

Nguyên lý cơ bản của trao đổi nhiệt là dựa trên sự chuyển đổi năng lượng nhiệt từ một vật thể sang vật thể khác thông qua một khu vực giao thoa giữa hai dòng chất lưu có nhiệt độ khác nhau. Khu vực này được gọi là bề mặt trao đổi nhiệt.

Trong quá trình trao đổi nhiệt, nhiệt độ của chất lưu nóng giảm và nhiệt độ của chất lưu lạnh tăng lên. Quá trình này tiếp tục cho đến khi nhiệt độ của hai chất lưu đạt đến sự cân bằng nhiệt độ. Việc đạt được sự cân bằng nhiệt độ này sẽ cung cấp các lợi ích như tiết kiệm năng lượng, tăng hiệu suất và giảm chi phí.

Các loại thiết bị trao đổi nhiệt có thể sử dụng các cách tiếp xúc khác nhau giữa hai dòng chất lưu để đạt được hiệu suất cao nhất, ví dụ như thiết bị truyền nhiệt qua tấm, trao đổi nhiệt ống bình, trao đổi nhiệt xoắn ốc và trao đổi nhiệt gián tiếp.

Tuy nhiên, nguyên lý cơ bản của trao đổi nhiệt vẫn là chuyển đổi năng lượng nhiệt giữa hai dòng chất lưu khác nhau thông qua một khu vực giao thoa.

Bộ trao đổi nhiệt được sử dụng ở đâu?

Thiết bị truyền nhiệt được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm:

– Công nghiệp hóa chất

– Công nghiệp dầu khí và khí đốt

– Công nghiệp thực phẩm và đồ uống

– Công nghiệp điện tử

– Công nghiệp y tế

– Công nghiệp giấy

– Công nghiệp xi măng và sản xuất vật liệu xây dựng

Ngoài ra còn có các ứng dụng trong các hệ thống làm mát, hệ thống điều hòa không khí, và trong các hoạt động khai thác và chế biến quặng.

Những vấn đề cần lưu ý khi sử dụng thiết bị truyền nhiệt là gì?

Khi sử dụng bộ truyền nhiệt, cần quan tâm đến một số vấn đề sau:

– Vệ sinh: Thiết bị này cần được vệ sinh thường xuyên để hạn chế sự tích tụ bám loãng hoặc bẩn trên bề mặt tiếp xúc làm giảm hiệu suất truyền nhiệt.

– Sửa chữa và bảo trì: Các công việc sửa chữa và bảo trì cần được thực hiện định kỳ để duy trì hiệu suất truyền nhiệt và đảm bảo an toàn cho thiết bị.

– Vận hành: Cần có nhân viên qua trình đào tạo về cách sử dụng, vận hành và bảo trì thiết bị để đảm bảo an toàn và hiệu quả của thiết bị.

Những ưu điểm của các bộ truyền nhiệt được sử dụng phổ biến trong thực tế

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm

Thiết bị được cấu tạo từ nhiều tấm trao đổi nhiệt mỏng. Thiết bị này cho hiệu suất trao đổi nhiệt lớn và kích thước nhỏ so với các loại thiết truyền nhiệt khác. Chất liệu gioăng cao su và kỹ thuật hàn ngày nay giúp thiết bị này đang được sử dụng rộng rãi.

Thiết bị này thường được sử dụng chủ yếu cho môi chất lỏng hoạt động tại áp suất thấp (dưới 30bar). Một số thiết bị dạng tấm đặc biệt sử dụng mối hàn có thể sử dụng cho các ứng dụng có áp suất lớn, môi chất là gas hoặc hơi nước.

– Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm ghép gioăng (gasket)

Đặc điểm cấu tạo đơn giản, gồm có các tấm trao đổi nhiệt xếp chồng lên nhau và được làm kín bằng gioăng (gasket) cao su. Vật liệu tấm trao đổi nhiệt đa dạng: Inox, Titanium, Hastelloy. Vật liệu Gasket có thể đáp ứng các dải nhiệt độ rộng: NBR, EPDM, Viton. 

Do áp suất hoạt động thấp nên thiết bị phù hợp với các dạng trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và chất lỏng.

Ứng dụng: Trao đổi nhiệt chất lỏng – lỏng, hơi – chất lỏng, hóa chất.

Ưu điểm: Diện tích trao đổi nhiệt lớn, lưu lượng lớn, công suất lớn.

Nhược điểm: Áp suất, nhiệt độ hoạt động thấp, dẫn tới tính ứng dụng có giới hạn.

– Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hàn kín (Brazed plate heat exchanger)

Cấu tạo bởi các tấm trao đổi nhiệt được xếp thành chồng, giữa 2 tấm được gắn với nhau bằng mối hàn. Vật liệu tấm thông thường Inox trong khi vật liệu mối hàn là Đồng.

Ứng dụng: Để truyền nhiệt giữa các môi chất: hơi – chất lỏng, Gas- chất lỏng, chất lỏng – chất lỏng.

Ưu điểm: Sử dụng được trong môi trường có nhiệt độ cao, áp suất lớn.

Nhược điểm: Quá trình vệ sinh,  bảo dưỡng gặp nhiều khó khăn.

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm (Shell & Tube Heat Exchanger)

Dây là thiết bị truyền nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất (tỷ lệ 90%) trong công nghiệp vì độ bền, quy trình sản xuất đơn giản, lịch sử lâu đời và vật liệu chế tạo phổ biến.

Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm gồm một bó ống bên trong có chất lỏng cần được làm nóng hoặc lạnh chạy qua. Thiết bị này thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi áp suất và nhiệt độ làm việc cao. Môi chất trao đổi nhiệt có thể là chất lỏng, khí, gas hoặc hơi.

Những yếu tố ảnh hưởng đến bộ trao đổi nhiệt ống chùm:

– Kích thước ống (tube): Sử dụng ống nhỏ sẽ giảm chi phí, thiết bị gọn nhẹ nhưng ngược lại sẽ khó vệ sinh, cáu bẩn.

– Chiều dày ống: Quyết định tới hệ số truyền nhiệt, độ mài mòn, khối lượng thiết bị, khả năng có sẵn của phụ tùng

– Chiều dài ống, khoảng cách giữa các ống, vách ngăn.

Dòng chảy trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm có thể là dòng chảy cùng chiều, dòng chảy ngang hoặc dòng chảy xoắn ốc.

Thiết bị truyền nhiệt dạng mặt phẳng (Plain plate heat exchanger)

Thiết bị truyền nhiệt loại này rất phù hợp cho trao đổi nhiệt giữa khí – khí, khí – chất lỏng hoặc hơi – khí.

Cấu tạo của bộ nhiệt này bao gồm các vách phẳng ngăn cách môi chất chạy xen kẽ trao đổi nhiệt.

Ứng dụng: Gia nhiệt khí sơ cấp (Air Preheater), Thu hồi nhiệt thải (Heat Recovery), Gia nhiệt khí (Air Heater), Tạo khí nóng (Hot Air Generator) , Thu hồi nhiệt (Recuperator), etc., nhiệt độ thiết kế cực đại có thể đạt được 1000 ℃.

Trên đây là thông tin quan trọng về bộ trao đổi nhiệt mà chúng tôi giới thiệu tới bạn đọc.

Quý khách hàng có nhu cầu về thiết bị trao đổi nhiệt hãy liên hệ với chúng tôi để được tư vấn. Địa chỉ công ty: HeX Boiler - CÔNG TY TNHH NĂNG LƯỢNG NHIỆT BÁCH KHOA. Địa chỉ: Số 268B, Quốc Lộ 2, Khu 2, Xã Phù Lỗ, Huyện Sóc Sơn, Tp Hà Nội. Hotline: 0917 754 059. Email: info@hexboiler.com