Trao đổi nhiệt – quá trình nhiệt có nhiều lợi ích trong công nghiệp

Trao đổi nhiệt là quá trình quan trọng giúp cho các môi chất được đốt nóng hoặc làm lạnh một cách chủ động. Xin mời bạn đọc tìm hiểu bài viết dưới đây để nắm rõ hơn về những đặc điểm của quá trình trao đổi nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt!

Trao đổi nhiệt là gì?

Trao đổi nhiệt chính là quá trình truyền dẫn nhiệt năng từ vật này sang vật khác khi có sự chênh lệch nhiệt độ. Phần nhiệt năng trong quá trình trao đổi được gọi là nhiệt lượng và là một quá trình biến thiên.

Quá trình trao đổi diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp.

Các hình thức trao đổi nhiệt

Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra đồng thời bởi nhiều phương thức khác nhau. Trong tự nhiên có ba hình thức phổ biến sau: Dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt.

Dẫn nhiệt

Chính là quá trình truyền nhiệt năng từ vật này sang vật khác khi có sự tiếp xúc với nhau. Đó là sự truyền động năng giữa các phân tử và nguyên tử lân cận nhau.

Các phân tử có nhiệt độ cao hơn có chuyển động dao động mạnh hơn, va chạm với các phân tử lân cận, truyền cho chúng một phần động năng của mình và cứ như thế năng lượng nhiệt được truyền đi mọi phía của vật thể.

Thường thì quá trình này chỉ xảy ra trong vật thể rắn, thông qua sự truyền chuyển động của các electron. Quá trình dẫn nhiệt có thể xảy ra trong môi trường khí hay lỏng nếu như toàn bộ khối khí và lỏng đứng yên hay chuyển động thành dòng có định hướng.

Đối lưu nhiệt

Là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi có sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau. Cũng có thể là sự truyền nhiệt từ một hệ chất rắn sang một hệ chất lỏng (hoặc khí) và ngược lại. 

Hiện tượng đổi chỗ của các phần tử khí hoặc lỏng xảy ra là do chúng có nhiệt độ khác nhau nên khối lượng riêng khác nhau. Các phần tử có nhiệt độ cao hơn thì khối lượng riêng bé hơn sẽ nổi lên để các phần tử có nhiệt độ thấp hơn thì khối lượng riêng lớn hơn chìm xuống.

Đối lưu chỉ có thể xảy ra trong môi trường chất lỏng hoặc chất khí vì sự truyền nhiệt lượng luôn luôn gắn liền với chuyển động của môi trường.

Quá trình đối lưu có thể diễn ra theo 2 cách:

+ Đối lưu nhiệt tự nhiên: Xảy ra khi giữa các phần tử có nhiệt độ khác nhau và có khối lượng riêng khác nhau.

+ Đối lưu nhiệt cưỡng bức: Dùng công bên ngoài như bơm, quạt, khuấy trộn,… để tạo đối lưu. Vận tốc của quá trình đối lưu cưỡng bức lớn hơn rất nhiều lần so với đối lưu tự nhiên.

Bức xạ nhiệt

 Đó là sự trao đổi nhiệt thông qua quá trình truyền sóng điện từ. Là kiểu truyền nhiệt đặc biệt bằng tia, tia đó mang năng lượng và vật hấp thu tia đó chuyển năng lượng thành dạng nhiệt.

 Bức xạ nhiệt có thể truyền qua chân không và mọi loại vật chất. Trong bức xạ nhiệt, nhiệt lượng không chỉ truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh mà còn truyền theo chiều ngược lại. Dẫn tới sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai pha luôn giảm xuống.

Tính chất của bức xạ nhiệt:

 + Một vật có nhiệt độ lớn hơn 0^oK thì chắc chắn sẽ phát ra tia bức xạ. Vật có nhiệt độ càng cao thì lượng bức xạ phát ra càng lớn.

+ Một vật có nhiệt độ cao đặt gần một vật có nhiệt độ thấp, nếu vật có nhiệt độ thấp phát ra tia bức xạ thì vật có nhiệt độ cao vẫn hấp thu tia bức xạ đó (khác với dẫn nhiệt).

+ Một vật có màu tối sẽ hấp thụ tia bức xạ tốt hơn vật có màu sáng. Ngược lại vật có màu sáng sẽ phản xạ tia bức xạ tốt hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt:

– Yếu tố vật liệu các chất: Tính chất vật liệu của bề mặt trao đổi nhiệt sẽ ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt, cũng như độ bền và độ bào mòn của bề mặt đó.

– Yếu tố thiết kế: Bề mặt trao đổi nhiệt có thể ảnh hưởng đến lưu lượng của chất và sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt đó. Phải ưu tiên lắp đặt theo hướng dẫn của nhà sản xuất để đạt hiệu quả tốt nhất trong quá trình truyền nhiệt.

– Lưu lượng chất lỏng: Lưu lượng chất lỏng thông qua bề mặt trao đổi nhiệt cũng ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi nhiệt. Khi lưu lượng tăng lên, hiệu quả truyền nhiệt có thể giảm xuống do thời gian tiếp xúc giữa chất lỏng và bề mặt trao đổi nhiệt ngắn hơn.

– Nhiệt độ và áp suất: Nhiệt độ và áp suất của chất lỏng và chất truyền nhiệt trong các bộ trao đổi nhiệt cũng ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi nhiệt.

Hệ số truyền nhiệt  - đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt

Là một đại lượng vật lý quan trọng trong việc đo lường khả năng truyền nhiệt của vật liệu hoặc cấu trúc. Nó đo lường mức độ truyền nhiệt qua một vật liệu hoặc cấu trúc từ một khu vực có nhiệt độ cao đến một khu vực có nhiệt độ thấp.

Hệ số truyền nhiệt cho phép tính toán và đánh giá hiệu quả truyền nhiệt và cách nhiệt của vật liệu trong các quá trình trao đổi nhiệt.

Nó có vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như công nghiệp dầu khí, nhiệt điện, vật liệu nano, polime, địa chất, chất lỏng truyền nhiệt, dệt may, bê tông xi măng, vật liệu thay đổi pha, phim mỏng, quang điện, vật liệu cách nhiệt, kim loại, đèn LED, ô tô và nhiều lĩnh vực khác.

Xác định hệ số truyền nhiệt của vật liệu là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong các quá trình truyền nhiệt.

Nó giúp tránh tổn thất năng lượng không cần thiết, tính toán chính xác hoạt động của các thành phần, cung cấp cảnh báo an toàn cho người tiêu dùng và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Những thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả được dùng nhiều trong công nghiệp

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

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.

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.

- Trao đổi nhiệt dạng tấm ghép gioăng cao su

 Gồm một dãy các tấm kim loại mỏng bằng chất liệu Inox, Titan, Hastenlloy… ghép kín lại với nhau bằng các gioăng cao su tổng hợp và bộ khung giữ chắc chắn.

Hai dòng chất lỏng nóng và lạnh sẽ chảy rối trong khe giữa 2 bề mặt tấm kim loại, tùy theo yêu cầu truyền nhiệt mà bề mặt các dạng tấm kim loại sẽ được dập để tăng tính chảy rối của chất lỏng là H( high), L ( low) hay M ( Medium).

Ưu điểm của dạng ghép tấm này là có thể tháo các tấm để vệ sinh dễ dàng hay tùy chỉnh lắp thêm bớt các tấm các tấm mới cho nhu cầu truyền nhiệt

- Trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín:

 Là một khối kim loại cố định gồm các tấm kim loại mỏng được hàn kín hoàn toàn lại với nhau tạo thành các khe rãnh cho lưu chất nóng lạnh chảy rối trong các khe này.

Ưu điểm của loại hàn kín này là có thể chịu nhiệt độ cao lên đến 200oC và áp suất lên đến 30 bar, tuy nhiên môi chất cần phải sạch và kích thước hạt nhỏ hơn 1mm.

- Trao đổi nhiệt dạng tấm bán hàn kín:

Gồm các cặp tấm kim loại mỏng hàn kín với nhau bằng laser gọi là cặp catset đươc ghép xen kẽ với nhau bằng gioăng làm kín. Ở đây môi chất khí gas (NH3) sẽ chảy trên bề mặt của cặp catset và lưu chất còn lại sẽ chảy trong khe giữa các cặp catset nối với nhau bằng gioăng cao su tạo thành trao đổi nhiệt hai pha ( pha khí- pha lỏng).

Ưu điểm của dạng này là cũng có thê tháo lắp để vệ sinh dễ dàng hay tùy chỉnh thêm bớt các cặp catset cho nhu cầu truyền nhiệt.

- Trao đổi nhiệt dạng tấm lồng ống:

 Giống với kiểu trao đổi nhiệt ống chùm gồm những tấm kim loại mỏng được hàn Tig/Mig với nhau tạo thành một khối và lồng trong ống hình trụ, giữa các khe của tấm kim loai này sẽ chưa khí gas ( NH3) hay hóa chất và lưu chất còn lại sẽ chảy trong phần còn trống của vỏ hình trụ.  

Dạng lồng ống này có hai kiểu chính là hàn kín hoàn toàn và nắp có thể tháo lắp để vệ sinh dễ dàng.

Trao đổi nhiệt dạng ống

Thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm 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, 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.

- Bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng vỏ:

 Gồm một chùm nhiều ống được định vị với nhau trên mặt sàn sau đó lồng vào trong vỏ ống hình trụ bằng kim loại.

Tùy theo cách bố trí kết cấu của chùm ống mà tao ra các dạng chảy rối của chất lỏng tăng tính truyền nhiệt: dạng 1 dòng, 2 dòng, 3 dòng, 4 dòng… và cho ra nhiều hình dạng của ống lồng trong vỏ khác nhau: dạng thằng, dạng hình chữ U.

Ưu điểm của của dạng này là các ống sẽ chứa được những hóa chất nguy hiểm, có tính ăn mòn cao và độc hại với môi trường tiết kiệm được không gian ví dụ như sinh hàn nhớt trên tàu, các sinh hàn hóa chất trong nhà máy công nghiệp

- Trao đổi nhiệt ống cánh:

Gồm ống dài hình chữ U bằng đồng, Inox  hay thép sẽ đi trong các cánh tản nhiệt. Ở đây chất tải nhiệt đi trong ống, chất được truyền nhiệt đi ngoài ống thông qua các cánh tản nhiệt.

Việc đối lưu thực hiện thông qua phương pháp tự nhiên hay cưỡng bức bằng hệ thống quạt hút hay thổi.

Dạng này được sử dụng phổ biến cho máy lạnh, dàn lạnh trung tâm, các két nước làm mát trên ô tô xe máy..

- Trao đổi nhiệt dạng ống lưu nhiệt:

 Gồm hệ thống ống dít dắt chứa dung dịch sau hệ thống thanh trùng bằng thiết bị trao đổi nhiệt. Dung dịch sau khi gia nhiệt qua thiết bị trao đổi nhiệt sẽ được bơm vào hệ thống ống này để lưu nhiệt.

Các đường ống được bọc bảo ôn bên ngoài kết nối bằng các van để lưu dung dịch trong đường ống theo thời gian nhất định. Tổn thất nhiệt trên đường ống rất thấp khoảng 0,5^oC đến 1,5^oC và được sử dụng nhiều trong nhà máy nước mắm, nhà máy chế biến đồ uống..

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng mặt phẳng 

Thiết bị truyền nhiệt này thường được sử dụng cho các ứng dụng trao đổi nhiệt giữa khí – khí, khí – chất lỏng hoặc hơi – khí.

Cấu tạo của bộ trao đổi 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 ℃.

Quá trình trao đổi nhiệt ứng dụng ở đâu?

Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra trong các quá trình sản xuất công nghiệp, cũng như trong các ứng dụng đời sống hàng ngày.

Đặc biệt các thiết bị trao đổi nhiệt được ứng dụng trong ngành thực phẩm và đồ uống được phát triển rất mạnh mẽ vì nhu cầu ngày càng cao của con người.

Các ứng dụng điển hình có thể kể đến như:

- Được sử dụng rộng rãi trong sưởi ấm không gian. Nó còn được dùng trong điện lạnh, điều hòa nhiệt độ, nhà máy điện, nhà máy hóa chất. Các nhà máy hóa dầu, khí tự nhiên, chế biến và xử lý nước thải cũng được sử dụng nhiều

- Các quá trình thanh trùng, tiệt trùng sữa hay các sản phẩm từ sữa như: kem, yogurt, bơ, váng sữa, phô mai

- Các quá trình cần làm lạnh hoặc làm nóng các thức uống như: bia, nước ngọt, nước ép trái cây, rượu vang, trái cây xây nguyễn dạng puree

- Các quá trình cần thanh trùng, làm nóng các loại thực phẩm như: tương ớt, tương cà, dầu thực vật, bơ thực vật, caramel, chocolate, sốt

- Các quá trình cô đặc đường, nước ép trái cây, nước cốt dừa, sữa dữa, nước dừa tươi

- Các quá trình cần làm lạnh, cấp đông nhanh các sản phẩm thịt, cá, thủy hải sản…

Trên đây là thông tin về quá trình trao đổi nhiệt. Các thiết bị trao đổi nhiệt mà chúng tôi giới thiệu tới bạn đọc.

Quý khách hàng có nhu cầu về bộ trao đổi nhiệt thì hãy hiên hệ với chúng tôi theo 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