Thiết bị trao đổi nhiệt là gì? Giải thích chi tiết và ứng dụng

Với sự đa dạng về kiểu dáng và cấu tạo trong ngành công nghiệp, thiết bị trao đổi nhiệt đã trở thành "trái tim" của nhiều hệ thống sản xuất. Từ các nhà máy chế biến thực phẩm, nhà máy giấy đến các nhà máy hóa chất, thiết bị này đóng vai trò duy trì quá trình truyền nhiệt một cách liên tục và ổn định, đồng thời góp phần tăng cường hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

Thiết bị trao đổi nhiệt là gì?

Thiết bị trao đổi nhiệt (Hay còn gọi là bộ truyền nhiệt) là một công cụ quan trọng để thực hiện quá trình truyền nhiệt giữa chất mang nhiệt và chất cần gia nhiệt.

Chất cần gia nhiệt thường bao gồm nước, dầu, hóa chất, hoặc các sản phẩm lỏng khác. Trong khi đó, chất mang nhiệt thường là hơi nóng, dầu truyền nhiệt hoặc nước nóng.

Để nói một cách đơn giản, bộ trao đổi nhiệt được tạo ra để chuyển nhiệt một cách hiệu quả từ một bộ phận sang bộ phận khác. Có thể sử dụng một bức tường rắn để ngăn cách các chất truyền nhiệt để chúng không tương tác với nhau.

Khái niệm thiết bị trao đổi nhiệt

Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến

Với sự đa dạng của ứng dụng, thiết bị trao đổi nhiệt có thể được phân loại dựa trên cấu trúc, mục đích sử dụng, số lượng chất nhiệt, bề mặt trao đổi và kiểu dòng chảy. Cụ thể:

Phân loại bộ trao đổi nhiệt dựa theo cấu trúc

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

Theo ước tính khoảng 60% số thiết bị trao đổi nhiệt trên toàn cầu hiện nay là loại ống chùm, đây được xem là loại thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Thiết bị này bao gồm một bó ống bên trong, trong đó chất lỏng cần được làm nóng hoặc làm lạnh sẽ chảy qua. Bộ trao đổi nhiệt ống chùm thường được dùng trong lĩnh vực có yêu cầu áp suất và nhiệt độ làm việc cao. Chất trao đổi nhiệt có thể là chất lỏng, khí, khí gas hoặc hơi.

Cấu trúc của bộ trao đổi nhiệt ống chùm phụ thuộc vào một số yếu tố quan trọng như kích thước ống, độ dày của ống (tube), chiều dài ống, khoảng cách giữa các ống, vách ngăn, và kiểu dòng chảy bên trong thiết bị, bao gồm dòng chảy cùng chiều, dòng chảy ngang hoặc dòng chảy xoắn ốc.

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate type heat exchanger)

Là một dạng thiết bị sử dụng tấm kim loại để truyền nhiệt giữa hai chất lỏng, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm mang đến ưu điểm lớn khi chất lỏng tiếp xúc với diện tích bề mặt rộng hơn nhiều nhờ việc lan trải trên các tấm. Điều này cung cấp hiệu suất trao đổi nhiệt cao và kích thước nhỏ hơn so với thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm.

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm thường được áp dụng cho môi chất lỏng ở áp suất thấp (dưới 30 bar). Có các loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm đặc biệt sử dụng mối hàn, phù hợp cho các ứng dụng với áp suất cao, bao gồm môi chất là gas hoặc hơi nước.

Các dạng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bao gồm sử dụng gasket, loại bán hàn, loại hàn kín, xoắn ốc và tấm phẳng (plate coil).

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng mặt phẳng

Đối với các ứng dụng trao đổi nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt mặt phẳng được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa các loại chất khác nhau như:

• Khí và Khí
• Khí và Chất lỏng
• Hơi và Khí

Thiết kế của thiết bị trao đổi nhiệt mặt phẳng bao gồm các vách phẳng để phân chia các chất chạy qua xen kẽ nhau để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt

Ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt mặt phẳng bao gồm:

• Gia nhiệt cho khí sơ cấp (Air Preheater)
• Thu hồi nhiệt từ chất thải (Heat Recovery)
• Gia nhiệt cho khí (Air Heater)
• Tạo nhiệt cho khí nóng (Hot Air Generator)
• Thiết bị thu hồi nhiệt (Recuperator), với khả năng thiết kế đạt nhiệt độ cực đại lên đến 1000 ℃ và nhiều ứng dụng khác.

Phân loại bộ trao đổi nhiệt dựa theo cấu trúc

Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo ứng dụng

Thường thì thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng để chuyển đổi nhiệt độ giữa hai chất lỏng có nhiệt độ khác nhau. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, cùng một thiết bị có thể được áp dụng để trao đổi nhiệt giữa nhiều chất lỏng khác nhau.

Một ví dụ điển hình là quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi, nước, Glycol, sữa, và nước hoa quả trong các ứng dụng gia nhiệt trong quá trình thanh trùng sản phẩm.

Dựa theo hình dạng bề mặt truyền nhiệt

Cấu trúc bề mặt truyền nhiệt phổ biến bao gồm:

• Bề mặt trơn (smooth tube).
• Bề mặt có rãnh (finned tube).
• Bề mặt tấm hình xương cá chevron.

Dựa theo kiểu dòng chảy

Khi phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa vào dòng chảy, chúng ta có thể chia thành ba loại dòng chảy:

• Thiết bị 1 dòng chảy (single pass)
• Thiết bị kép (double pass)
• Thiết bị nhiều phần (multi section)

Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt:

• Trong ngành công nghệ tàu thủy: Dùng để làm nóng nước bằng hơi, ngưng tụ chân không, làm lạnh dầu trục cam, hệ thống làm lạnh trung tâm bằng nước biển và làm mát dầu.
• Trong ngành công nghệ hóa chất: Sử dụng cho việc làm bộ trao đổi nhiệt EO/EG, ngưng tụ VOC, hệ thống thu hồi nhiệt thải áp suất và nhiệt độ cao, hệ thống ngưng tụ ethanol và gia nhiệt, làm lạnh và ngưng tụ nhiều loại chất lỏng như acid sulfuric, acid nitric, acid acrylic, acid béo, và hệ thống lạnh công nghiệp.
• Trong lĩnh vực HVAC: Thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng trong hệ thống làm nóng nước trung tâm, thiết bị tạo nước nóng nhanh bằng hơi nước, giảm áp tòa nhà Interconcepter, hệ thống thu hồi nhiệt nóng Chiller, thiết bị trao đổi nhiệt hệ thống năng lượng mặt trời và heat pump.
• Trong ngành công nghệ giấy: Sử dụng để thu hồi nhiệt thải, tạo màu giấy và các ứng dụng khác.
• Trong ngành thực phẩm và đồ uống: Sử dụng phổ biến trong công nghệ thực phẩm và đồ uống để gia nhiệt, làm lạnh sản phẩm, thanh trùng và bảo quản thực phẩm như sữa, bia, và nước giải khát.
• Trong ngành công nghiệp dệt: Sử dụng để thu hồi nhiệt trong quá trình giặt và tẩy rửa.
• Trong ngành khí đốt và than đá: Làm lạnh amonia, benzen, gia nhiệt hoặc thu hồi nhiệt quá trình bay hơi CO2.
• Trong ngành công nghiệp điện: Sử dụng để làm mát dầu cho tuabin sử dụng nước hồ và nước suối, cũng như trong hệ thống năng lượng mặt trời.

Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt trong các lĩnh vực

Qua bài viết này, hy vọng đã giúp bạn hiểu rõ hơn về vai trò quan trọng của thiết bị trao đổi nhiệt trong việc nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho nhà máy. Nếu bạn có nhu cầu cần tư vấn thêm về sản phẩm này hãy liên hệ ngay với GREENBOILER qua Hotline 0943 380 388 hoặc 0908 600 507.