Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt là sản phẩm cần thiết để có thể ứng dụng hiệu quả vào từng lĩnh vực công nghiệp và cuộc sống. Với sự tiến bộ trong khoa học và công nghệ, nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt hiện nay không chỉ giúp cải thiện hiệu suất, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm khí thải ra môi trường. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các cách phân loại thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến, cùng với ứng dụng và lợi ích của chúng.

Phân Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt

Có nhiều cách phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa trên các tiêu chí khác nhau như: cấu tạo, chất liệu, nguyên lý truyền nhiệt, và ứng dụng,… Dưới đây là một số cách phân loại chính:

1. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo cấu trúc sản phẩm

Hình dạng của các thiết bị truyền nhiệt thông thường có 3 dạng chính như sau: dạng tấm, dạng ống, dạng ống giải nhiệt bằng không khí.

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate heat exchangers)

Thiết bị này được thiết kế dưới dạng các tấm kim loại mỏng xếp chồng lên nhau. Các tấm này có rãnh nhỏ hoặc dập ngấn, tạo ra các khe hở dẫn môi chất đi qua. Trong quá trình này, nhiệt độ được truyền thông qua bề mặt tiếp xúc giữa hai môi chất.

Các tấm trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm có thể có các cấu trúc và chức năng khác nhau, như:

• Tấm tản nhiệt: Các tấm tản nhiệt được sử dụng để hút nhiệt từ các linh kiện điện tử, như vi xử lý hoặc card đồ họa, và chuyển nhiệt ra môi trường xung quanh để làm mát chúng.
• Tấm làm lạnh và tấm làm nóng: Trong hệ thống điều hòa không khí hoặc tủ lạnh, các tấm làm lạnh và làm nóng được sử dụng để truyền nhiệt từ không khí trong tủ lạnh sang chất lỏng lạnh hoặc ngược lại, làm cho không khí bên trong tủ lạnh được làm lạnh hoặc làm ấm.
• Tấm trao đổi nhiệt trong công nghiệp: Trong các ứng dụng công nghiệp như làm lạnh hoặc sưởi ấm, các tấm trao đổi nhiệt được sử dụng để truyền nhiệt giữa hai chất lỏng hoặc khí, giúp duy trì nhiệt độ hoặc làm mát quy trình sản xuất.

Có 3 loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm như sau:

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng đệm (gasket)

Các tấm kim loại được gắn lại với nhau bằng gioăng đệm mỏng. Các miếng gioăng đệm này thường được làm từ polyme tổng hợp và bịt kín quanh mép các tấm kim loại. Các tấm được cố định thành một khối với bu lông và thanh đỡ.

Ưu điểm:

• Dễ dàng vệ sinh: Với cấu trúc các tấm và gioăng đệm được kết nổi bởi bu lông, có thể dễ dàng tháo dỡ các bộ phận để làm sạch chúng.
• Tính linh hoạt: Có thể điều chỉnh công suất bằng cách thêm hoặc tháo bớt các tấm truyền nhiệt
• Khả năng chống quá nhiệt và thay đổi áp suất đột ngột

Hạn chế:

• Phạm vi nhiệt độ hoạt động của các gioăng đệm cũng có sự hạn chế. Nhiệt độ này ở khoảng từ -30oC tới 180oC

Thiêt bị trao đổi nhiệt dạng tấm bán hàn (semi welded)

Bộ trao đổi nhiệt tấm dạng bán hàn được thiết kế đan xen hai kênh khác nhau. Một kênh có các tấm kim loại được hàn với nhau. Kênh tiếp theo các tấm trao đổi nhiệt được kết nối bởi gioăng đệm.

Ưu điểm:

• Có thể sử dụng với các môi chất như amoniac, carbon dioxide. Các môi chất này sẽ được dẫn trong các kênh tấm hàn, môi chất còn lại thì chảy trong kênh tấm gioăng đệm
• Bộ trao đổi nhiệt tấm dạng bán hàn có thể hoạt động ở nhiệt độ -45oC tới 150oC, và chịu được áp suất tới 30 bar.

Hạn chế:

Những phần tấm được hàn kín không thể tháo rời dễ dàng. Vì thế việc vệ sinh thiết bị sẽ khó khăn hơn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng đệm. Bên cạnh đó, việc không thể tháo rời để tùy chỉnh cấu trúc cũng khiến độ linh hoạt của chúng thấp hơn thiết bị sử dụng goăng đệm.

Thiết bị trao đổi nhiệt Alfa Laval dạng tấm bán hàn

(Semi-weld gasketed plate heat exchanger)

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn

Các tấm inox trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hàn được liên kết với nhau bằng công nghệ nung nóng chảy. Các tấm lá đồng hoặc lá inox mỏng được xếp xen kẽ và nung nóng chảy trong lò chân không, liên kết tại tất cả các điểm tiếp xúc.

Ưu điểm:

• Khả năng chịu áp suất và nhiệt độ cao hơn với mức chi phí tương đối thấp
• Thiết kế chắc chắn, gọn nhẹ
• Có thể ứng dụng trong những quy trình mà sự thay đổi nhiệt độ chậm, như trong lĩnh vực HVAC.
• Có thể sử dụng với những môi chất là gas, hay dầu tải nhiệt

Nhược điểm:

• Tấm hàn không thể tháo rời như bộ trao đổi nhiệt tấm gioăng đệm. Vì vậy, khi vệ sinh cần phải rửa ngược hoặc sử dụng hóa chất để làm sạch.

Thiết bị trao đổi nhiệt Alfa Laval dạng tấm hàn đồng

>>Xem thêm: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm Alfa Laval PHE

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

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống được sử dụng để truyền nhiệt giữa hai môi chất thông qua các ống. Thiết bị này bao gồm các ống được xếp chồng hoặc song song, tạo thành các lối đi cho môi chất đi qua. Nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống là sử dụng diện tích tiếp xúc lớn giữa các chất lỏng hoặc khí để tăng cường truyền nhiệt và làm thay đổi nhiệt độ của chúng. Điều này giúp kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ trong các hệ thống và quy trình khác nhau, từ làm lạnh đến sưởi ấm và các ứng dụng công nghiệp khác.

Ưu điểm:

Khả năng tùy chỉnh: Có thể thay đổi kích thước và cấu trúc của thiết bị để phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Khả năng chịu áp lực và nhiệt độ cao: Thiết bị này thường được làm từ vật liệu chịu nhiệt và chịu áp lực cao, đảm bảo an toàn và hiệu suất trong môi trường khắc nghiệt.

Hạn chế:

• Kích thước lớn và nặng: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống thường có kích thước lớn và trọng lượng nặng, đặc biệt khi được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp hoặc hệ thống lớn.
• Chi phí bảo dưỡng và sửa chữa cao: Do cấu trúc phức tạp và khó khăn trong việc tiếp cận các ống, chi phí bảo dưỡng và sửa chữa của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống thường cao

Thiết bị trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí (Air cooled heat exchangers)

• Nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí: Môi chất nóng (ví dụ: nước nóng hoặc dầu bôi trơn) chảy qua bộ trao đổi nhiệt, chảy trong số lượng lớn các ống có cánh (fin) bên ngoài. Một hoặc nhiều quạt đẩy không khí qua các ống và nhiệt môi chất nóng được truyền vào không khí. Để tối đa hóa khả năng truyền nhiệt, các ống được trang bị các cánh tản nhiệt giúp tăng diện tích tiếp xúc với không khí.
• Bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí rất lý tưởng trong việc lắp đặt ở những nơi không có nước hoặc tốn kém về chi phí sử dụng nước.
• Các ứng dụng phổ biến là trong ngành dầu khí và năng lượng.

Thiết bị trao đổi nhiệt Alfa Laval làm mát bằng không khí

(Air cooled heat exchangers)

2. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo hình dạng bề mặt truyền nhiệt

Dựa vào hình dạng của bề mặt truyền nhiệt, có thể phân loại thiết bị trao đổi nhiệt thành ba dạng chính:

• Bề Mặt Nhẵn (Bare Tube): Bề mặt truyền nhiệt là các ống trơn không có bất kỳ cấu trúc bổ sung nào.

• Bề Mặt Có Cánh (Finned Tube): Các ống truyền nhiệt có các lá (cánh) được thêm vào bề mặt, tạo ra một diện tích truyền nhiệt lớn hơn. Các cánh có thể là các lá phẳng hoặc có thể được uốn cong theo hình dạng xoắn ốc hoặc các mẫu khác nhau.
• Bề Mặt Dạng Tấm Loại Xương Cá Chevron (Chevron Plate): Bề mặt truyền nhiệt là các tấm mặt phẳng được uốn cong thành hình dạng xương cá chevron, tạo ra một cấu trúc lamellar.

3. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo kiểu dòng chảy

Dựa vào kiểu dòng chảy, có thể phân loại thiết bị trao đổi nhiệt thành: loại 1 pass, loại double pass và multi-section. Cụ thể như sau:

• Loại 1 Pass (1 đường đi):

Trong loại này, dòng chất nhiệt di chuyển theo một đường đi từ một đầu của thiết bị đến đầu kia mà không phải thay đổi hướng chuyển động.

Dòng chất làm mát hoặc sưởi ấm cũng chảy theo một đường đi tương tự song song với dòng chất nhiệt.

• Double Pass (2 đường đi):

Trong loại này, dòng chất nhiệt đi qua thiết bị trao đổi nhiệt hai lần, điều này giúp tăng cường hiệu suất truyền nhiệt.

Đường đi của dòng chất nhiệt thường được thiết kế để quay vòng trở lại hoặc đi qua một lần và quay vòng trở lại, tùy thuộc vào thiết kế cụ thể của thiết bị.

• Multi-Section (Nhiều phần):

Trong loại này, thiết bị trao đổi nhiệt được chia thành nhiều phần hoặc mô-đun, mỗi phần có thể có dòng chất nhiệt và dòng chất làm mát hoặc sưởi ấm riêng biệt.

Mỗi phần có thể được thiết kế với loại dòng chảy 1 pass hoặc double pass tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Thiết bị trao đổi nhiệt Alfa Laval kiểu multi pass

>>Xem thêm: Thiết bị trao đổi nhiệt được ứng dụng thế nào trong các ngành côn g nghiệp?

Kết luận:

Như vậy để phân loại thiết bị trao đổi nhiệt chúng ta có thể dựa trên nhiều cách khác nhau. Việc lựa chọn thiết bị truyền nhiệt phù hợp cần căn cứ vào các yêu cầu cụ thể. Bạn cần xem xét về nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng chảy, loại môi chất và từng ứng dụng cụ thể. Ngoài ra loại vật liệu và giá thành của mỗi thiết bị này cũng là yếu tố quyết định tới việc lựa chọn loại truyền nhiệt nào phù hợp với mục đích sử dụng.