Năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường đang dần được sử dụng phổ biến trong sinh hoạt và công nghiệp. Công nghệ sưởi ấm bằng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate Heat Exchanger), dạng ống (Tube Heat Exchanger) giúp tăng hiệu suất tạo nhiệt, tiết kiệm chi phí.

Vậy bộ trao đổi nhiệt là gì, cấu tạo, phân loại và công dụng hiệu quả khi sử dụng cùng DIC tìm hiểu tại bài viết dưới đây.

1.  Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm là gì?

Còn được gọi là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm được cấu tạo từ những tấm thép hợp kim ( inox 304, 316, 316L), Niken, Titan mỏng, sóng được bó lại với nhau tạo ra rãnh giúp môi chất chảy qua.

Thiết kế bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Thông thường, các tấm trao đổi nhiệt được chế tạo bằng cách dập nguội từ thép không gỉ có độ dày từ 0,5 đến 1 mm, tuy nhiên, khi sử dụng các hợp chất hoạt tính hóa học làm môi trường làm việc, có thể sử dụng các tấm titan hoặc niken. Tất cả các tấm bao gồm trong bộ làm việc có hình dạng giống nhau và được lắp đặt tuần tự, trong một hình ảnh phản chiếu. Phương pháp lắp đặt các tấm truyền nhiệt này không chỉ cung cấp sự hình thành các kênh có rãnh mà còn tạo ra sự luân phiên của các mạch sơ cấp và thứ cấp.

Mỗi tấm có 4 lỗ, trong đó hai lỗ đảm bảo sự lưu thông của môi chất làm việc sơ cấp và hai lỗ còn lại được cách nhiệt bằng các miếng đệm đường viền bổ sung, loại trừ khả năng trộn lẫn môi chất làm việc. Độ kín của liên kết các tấm được đảm bảo bằng các vòng đệm đường viền đặc biệt làm bằng vật liệu chịu nhiệt và chống lại tác động của các hợp chất hóa học hoạt tính. Các miếng đệm được lắp vào các rãnh định hình và được cố định bằng khóa kẹp

Các loại tấm trao đổi nhiệt

Trên thị trường có sẵn nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm với mục đích và nhu cầu sử dụng cần tìm sản phẩm phù hợp. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm được chia làm 4 loại chính với những điểm khác biệt như sau:

• Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có gioăng (Gasketed plate heat exchangers)
• Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín (Brazed plate heat exchangers)
• Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn (Welded plate heat exchangers)
• Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm bán hàn (Semi-Welded plate heat exchangers)

Nguyên lý hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Môi chất sẽ chảy qua các khe hẹp giữa các tấm trao đổi nhiệt. Các rãnh chevron xếp so le tạo nên các dòng chảy rối với vận tốc dòng chảy nhỏ. Hai môi chất thông thường được thiết kế cho dòng chảy ngược chiều nhau trình tự được quy định bởi miếng đệm giúp hiệu suất trao đổi nhiệt  tăng lên. Một thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm thường có kích thước nhỏ gọn vì yêu cầu diện tích trao đổi nhiệt ít hơn 20~40% so với thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm. Nhờ hiệu suất trao đổi nhiệt cao qua vách phẳng nên thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm cho độ tiệm cận nhiệt độ giữa hai nguồn nhiệt nóng lạnh là rất nhỏ.

Trong quá trình hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm tốc độ cao, sự truyền năng lượng mạnh mẽ xảy ra ở tất cả các phần, ngoại trừ phần đầu tiên và phần cuối cùng. Để có hiệu suất trao đổi nhiệt cao nhất các chất lỏng thường chạy đối lưu ngược chiều nhau theo từng khoang. Khoang nóng sẽ đi từ trên xuống và ngược lại khoang lạnh sẽ đi từ dưới lên. Trực quan, nguyên lý hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được trình bày trong sơ đồ dưới đây.

Ưu điểm của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm

Nhờ vào thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt nên bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Một số ưu điểm của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm như là:

• Hệ số truyền nhiệt cao và khả năng truyền nhiệt hiệu quả từ 85% đến 90%. Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đặc biệt phù hợp để ứng dụng cho quy trình trao đổi nhiệt giữa 2 chất lỏng có độ nhớt lớn.
• Khả năng thích ứng của PHE rất tốt, diện tích truyền nhiệt có thể tăng giảm dựa vào việc thêm bớt tấm trao đổi nhiệt. Đồng thời, một bộ trao đổi nhiệt có thể được chia ra nhiều đơn vị để làm lạnh hoặc làm nóng đồng thời các chất lỏng.
• Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có cấu trúc nhỏ gọn, dễ dàng tháo lắp, vệ sinh và bảo dưỡng. Bên cạnh đó, sản phẩm cũng tốn ít không gian lắp đặt, bảo trì.
• Ít xảy ra tình trạng tắc nghẽn do sự xáo trộn dòng chảy lớn hạn chế cặn bản lắng đọng.
• Giá nguyên vật liệu của PHE thấp hơn so với các loại thiết bị trao đổi nhiệt khác.
• PHE có khả năng kiểm soát nhiệt độ và hoạt động tốt với sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 chất lỏng.

Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm:

Thiết bị trao đổi nhiệt mang đến nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp và ứng dụng rất đa dạng. Có thể phân chia ứng dụng của PHE dựa trên chất liệu và mục đích sử dụng.

Dựa theo vật liệu sản xuất

Tuỳ vào vật liệu được sử dụng cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm mà chúng sẽ có ứng dụng khác nhau. Cụ thể như:

• Thép không gỉ: Dùng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm hoặc nước uống
• Titan: Ứng dụng để xử lý nước mặn và ngành thuỷ sản
• Carbon: Sử dụng để xử lý hoá chất.

Dựa trên mục đích sử dụng

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm mang đến cơ chế truyền nhiệt hiệu quả nhất trong ngành công nghiệp. Một số chức năng được thể hiện khi sử dụng sản phẩm này đó là:

• PHE là lựa chọn tuyệt vời để làm nóng chất lỏng, sử dụng hơi nước hoặc nước nóng. Nhờ vào tốc độ truyền nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ đã làm tăng hiệu quả hoạt động của thiết bị này.
• Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hỗ trợ làm mát nước trong tháp giải nhiệt trước khi không khí đi vào. Đồng thời hỗ trợ làm mát cơ học hoặc làm mát hoàn toàn hệ thống điều hoà không khí.
• Những thiết bị ngưng tụ hơi nước, thiết bị làm lạnh hoặc các quy trình khác mang đến lượng nhiệt thải cao. Nhờ PHE mà nhiệt thải này có thể tái sử dụng để làm nóng nước. Từ đó giúp tiết kiệm chi phí năng lượng.
• Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bảo vệ máy bơm tránh khỏi những thành phần ô nhiễm có trong nguồn cấp nước. Các chất rắn trong nước có thể gây mùi hôi và làm giảm khả năng vận hành của máy bơm nhiệt.

2.  Bộ trao đổi nhiệt dạng ống

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm là một thiết bị trong đó hai chất lỏng làm việc trao đổi nhiệt thông qua tiếp xúc nhiệt bằng cách sử dụng các ống được đặt trong một vỏ hình trụ.

Bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống bao gồm một loạt các ống được đặt trong một thùng chứa hình trụ được gọi là “vỏ”, tất cả các ống trong vỏ được gọi chung là ‘bó ống’ hoặc “tổ ống” . Mỗi ống đi qua một loạt các vách ngăn và các tấm ống (còn được gọi là ống xếp). Một trong các tấm ống được cố định và một tấm có thể di chuyển tự do, điều này cho phép giãn nở nhiệt khi bộ trao đổi nhiệt được làm nóng.

Nguyên lý hoạt động

Hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm khá đơn giản. Một chất lỏng chảy bên trong các ống và chất lỏng kia chảy qua vỏ. Trong khi chảy, chúng trao đổi nhiệt có nghĩa là chất lỏng lạnh nhận được nhiệt từ chất lỏng nóng. Vì vậy, một chất lỏng lạnh đi vào vòi đầu vào vỏ (hoặc phía ống hoặc phía kênh) và đi ra khỏi vòi đầu ra dưới dạng chất lỏng nóng. Rõ ràng, chất lỏng khác sẽ trở nên lạnh ở đầu ra hơn là ở đầu vào.

Sự truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm được xác định bởi diện tích bề mặt tiếp xúc được quyết định bởi số lượng ống kim loại dẫn nhiệt. Dòng chất lỏng bên trong bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm có thể là dòng chảy song song hoặc dòng chảy chéo.

Để tăng sự hỗn loạn của chất lỏng trong dòng chảy bên ống và bên vỏ, máy đánh rối và vách ngăn được lắp đặt tương ứng bên trong ống và bên trong vỏ. Điều này làm tăng sự truyền nhiệt giữa các chất lỏng.

Ưu điểm

Thuận lợi

• Giá thành lắp đặt rẻ so với thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm.
• Thích hợp với áp suất và nhiệt độ cao hơn so với bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.
• Dễ dàng tìm kiếm và cách ly các ống rò rỉ.
• Các ống có thể được “thành đôi” để giảm khả năng chất lỏng bên vỏ bị rò rỉ vào chất lỏng bên ống (hoặc ngược lại).
• Ít tốn kém hơn so với bộ làm mát dạng tấm
• Có thể được sử dụng như một phần của hệ thống với nhiệt độ và trọng lượng làm việc cao hơn
• Giảm áp suất trên bộ làm mát ống ít hơn
• Bộ làm mát hình ống trong hệ thống làm lạnh cũng có thể hoạt động rất tốt

Nhược điểm

• Ít hiệu quả hơn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.
• Cần thêm không gian để mở và tháo ống.
• Không thể tăng công suất làm mát, nhưng có thể tăng khả năng trao đổi nhiệt dạng tấm.
• Việc vệ sinh và bảo trì khá rắc rối vì bộ làm mát dạng ống yêu cầu đẩy tổ ống ra ngoài để vệ sinh

Ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm là phương tiện được sử dụng rộng rãi nhất để truyền nhiệt trong các ứng dụng quy trình công nghiệp. Chúng thường xuyên được lựa chọn cho các nhiệm vụ như:

• Quy trình làm mát bằng chất lỏng hoặc khí
• Quá trình hoặc hơi chất làm lạnh hoặc hơi nước ngưng tụ
• Xử lý bay hơi chất lỏng, hơi nước hoặc chất làm lạnh
• Xử lý loại bỏ nhiệt và làm nóng sơ bộ nước cấp
• Bảo toàn năng lượng nhiệt, thu hồi nhiệt
• Máy nén, tua bin và làm mát động cơ, dầu và nước giải nhiệt
• Làm mát bằng dầu thủy lực và dầu bôi trơn
• Nhiều ứng dụng công nghiệp khác