Thiết bị trao đổi nhiệt là bộ phận then chốt trong nhiều hệ thống công nghiệp, có nhiệm vụ truyền nhiệt giữa hai dòng chất (lỏng hoặc khí) để kiểm soát nhiệt độ, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu suất. Nhờ tính ứng dụng rộng rãi và điều kiện làm việc đa dạng, thiết bị trao đổi nhiệt được ví như “trái tim” của các hệ thống năng lượng, xử lý nhiệt và HVAC. Vậy có các loại thiết bị trao đổi nhiệt nào? Làm sao để phân loại được chúng một cách có hệ thống? Avil Việt Nam sẽ giúp bạn hiểu rõ các tiêu chí phân loại cơ bản và giới thiệu những loại phổ biến nhất hiện nay dựa trên cấu tạo.
I. Tại sao cần phân loại thiết bị trao đổi nhiệt?
Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt không chỉ là một bước phân tích lý thuyết mà còn mang lại giá trị thực tiễn trong quá trình thiết kế, lựa chọn và vận hành. Việc phân loại giúp người dùng hiểu rõ sự khác biệt trong nguyên lý hoạt động và cấu tạo của từng loại thiết bị, từ đó dễ dàng nhận diện được loại nào phù hợp với điều kiện sử dụng cụ thể.
Đây cũng là cơ sở quan trọng để lựa chọn thiết bị tối ưu cho từng ứng dụng, từ yêu cầu về nhiệt độ, áp suất, lưu lượng cho đến độ sạch, tính ăn mòn của môi chất. Nếu không hiểu rõ cách phân loại, việc chọn sai thiết bị có thể dẫn đến lãng phí năng lượng, giảm tuổi thọ hoặc thậm chí hư hỏng hệ thống.
Bên cạnh đó, việc phân loại rõ ràng còn giúp kỹ sư thiết kế dễ dàng áp dụng các công thức tính toán, quy trình lắp đặt và bảo trì riêng biệt cho từng nhóm thiết bị. Đồng thời, nó cũng tạo nên ngôn ngữ chung trong ngành công nghiệp giúp nhà sản xuất, nhà cung cấp và kỹ sư trao đổi thông tin một cách chính xác và hiệu quả hơn.
II. Các tiêu chí phân loại chính của thiết bị trao đổi nhiệt
Để có một cái nhìn có hệ thống, chúng ta có thể phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Mỗi tiêu chí làm nổi bật một khía cạnh quan trọng của thiết bị:
1. Phân loại theo cấu tạo
Đây là cách phân loại phổ biến và trực quan nhất, dựa trên hình dạng và cách sắp xếp của các bề mặt truyền nhiệt. Các loại phổ biến nhất mà chúng ta thường gặp (ống chùm, dạng tấm, ống cánh...) thuộc cách phân loại này. Chúng ta sẽ đi sâu vào các loại chính ở mục III.
2. Phân loại theo phương thức dòng chảy
Cách hai môi chất di chuyển tương đối với nhau bên trong thiết bị ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả truyền nhiệt. Như đã đề cập trong bài viết trước đó, ba phương thức dòng chảy cơ bản là:
- Dòng chảy song song: Hai dòng môi chất đi vào từ cùng một phía và chảy cùng chiều.
- Dòng chảy ngược chiều: Hai dòng môi chất đi vào từ hai phía đối diện và chảy ngược chiều nhau. Phương thức này cho hiệu quả truyền nhiệt cao nhất.
- Dòng chảy chéo: Hai dòng môi chất chảy vuông góc với nhau. Việc hiểu phương thức dòng chảy giúp đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất của từng loại thiết bị.
3. Phân loại theo cơ chế truyền nhiệt
Tiêu chí này dựa trên việc hai môi chất có tiếp xúc trực tiếp với nhau hay không:
- Thiết bị truyền nhiệt gián tiếp: Hai dòng môi chất được ngăn cách hoàn toàn bởi một bức tường rắn (như ống hoặc tấm). Nhiệt được truyền từ môi chất nóng, xuyên qua bức tường bằng dẫn nhiệt, rồi truyền sang môi chất lạnh bằng đối lưu. Hầu hết các loại thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến trong công nghiệp (Ống chùm, Dạng tấm, Ống cánh...) đều thuộc nhóm này.
- Thiết bị truyền nhiệt trực tiếp: Hai dòng môi chất tiếp xúc trực tiếp với nhau, không có bức tường ngăn cách. Sự truyền nhiệt diễn ra thông qua sự pha trộn hoặc truyền khối giữa hai môi chất. Loại này ít phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp truyền thống để tránh sự trộn lẫn, nhưng vẫn được sử dụng trong một số trường hợp đặc thù (Ví dụ: Tháp giải nhiệt nơi nước nóng tiếp xúc trực tiếp với không khí để làm mát; Bộ ngưng tụ tiếp xúc trực tiếp nơi hơi nước tiếp xúc và ngưng tụ khi gặp dòng chất lỏng lạnh).
4. Phân loại theo quá trình hoạt động
Tiêu chí này phân biệt dựa trên tính liên tục của quá trình truyền nhiệt:
Thiết bị truyền nhiệt Liên tục:
Như đã nói ở trên, nhiệt được truyền liên tục và đồng thời từ dòng nóng sang dòng lạnh qua bề mặt ngăn cách. Cả hai dòng môi chất chảy qua thiết bị liên tục. Các loại phổ biến (Ống chùm, Tấm...) đều là thiết bị truyền nhiệt liên tục.
Thiết bị truyền nhiệt hồi nhiệt:
Quá trình truyền nhiệt diễn ra theo chu kỳ. Một môi chất rắn (được gọi là ma trận hoặc vật liệu lưu nhiệt) sẽ luân phiên nhận nhiệt từ dòng nóng (giai đoạn tích nhiệt) rồi sau đó truyền nhiệt cho dòng lạnh (giai đoạn nhả nhiệt). Hai dòng môi chất này có thể chảy luân phiên qua cùng một không gian chứa ma trận hoặc chảy đồng thời qua các phần khác nhau của ma trận đang chuyển động.
Ví dụ: Bộ hồi nhiệt quay (Rotary Regenerator - Phổ biến nhất là kiểu Ljungstrom trong các nhà máy nhiệt điện), nơi một ma trận gốm/kim loại dạng tổ ong quay liên tục, một nửa tiếp xúc với khí thải nóng để tích nhiệt, nửa còn lại tiếp xúc với không khí lạnh để truyền nhiệt và làm nóng không khí cấp vào lò.
5. Phân loại theo trạng thái của môi chất
Thiết bị trao đổi nhiệt cũng có thể được phân loại dựa trên trạng thái vật lý của hai môi chất tham gia:
- Lỏng-Lỏng (Liquid-Liquid): Truyền nhiệt giữa hai dòng chất lỏng.
- Khí-Khí (Gas-Gas): Truyền nhiệt giữa hai dòng khí.
- Lỏng-Khí (Liquid-Gas): Truyền nhiệt giữa một dòng lỏng và một dòng khí (Ví dụ: làm nóng không khí bằng nước nóng).
- Thay đổi pha (Phase Change): Một hoặc cả hai môi chất thay đổi trạng thái vật lý trong quá trình truyền nhiệt.
- Bộ ngưng tụ: Làm lạnh dòng khí/hơi để biến nó thành lỏng.
- Bộ bay hơi: Cung cấp nhiệt cho dòng lỏng để biến nó thành khí/hơi.
- Bộ làm lạnh: Môi chất lạnh bay hơi để thu nhiệt từ dòng nước/chất lỏng cần làm lạnh.
III. Các loại thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến
Trong số các tiêu chí trên, phân loại theo cấu tạo là phổ biến và được quan tâm nhất trong thực tế. Chúng ta sẽ đi sâu vào các loại thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến dựa trên cấu trúc của chúng:
1. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm là một trong những loại lâu đời và phổ biến nhất. Nó bao gồm một vỏ hình trụ chứa bên trong một bó gồm nhiều ống nhỏ. Hai đầu bó ống được giữ cố định bởi tấm ống. Một dòng môi chất chảy bên trong các ống, dòng môi chất còn lại chảy bên ngoài các ống, trong không gian vỏ. Các tấm chắn thường được bố trí trong vỏ để định hướng dòng chảy của môi chất phía vỏ, làm tăng sự xáo trộn và vận tốc, nhờ đó tăng cường truyền nhiệt. Nắp phân phối ở hai đầu cho phép phân phối và thu gom dòng chảy phía ống.
2. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Bao gồm một loạt các tấm kim loại mỏng được dập rãnh hoặc gấp nếp theo các hình dạng đặc thù (ví dụ: Chevron, Herringbone). Các tấm này được xếp song song và ép sát vào nhau trong một khung ép bởi các bulông ép. Giữa các tấm là các gioăng đệm (đối với GPHE) tạo thành các kênh dẫn cho hai dòng môi chất chảy xen kẽ qua lại giữa các tấm. Môi chất nóng chảy qua các kênh chẵn, môi chất lạnh chảy qua các kênh lẻ (hoặc ngược lại). Nhiệt được truyền trực tiếp qua các tấm kim loại mỏng.
3. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống cánh
Bao gồm một bó các ống truyền nhiệt (có thể thẳng hoặc uốn cong) mà bên ngoài các ống này được gắn thêm các cánh tản nhiệt. Các ống này thường được bố trí trong một khung đỡ và thường đi kèm với quạt (đặt phía trên để hút hoặc phía dưới để đẩy) để cưỡng bức dòng không khí chuyển động qua bó ống có cánh. Một môi chất chảy bên trong các ống, môi chất còn lại (thường là không khí hoặc khí khác) chảy qua bề mặt ngoài có cánh tản nhiệt.
4. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống là loại đơn giản nhất, chỉ bao gồm hai ống đồng tâm lồng vào nhau. Môi chất thứ nhất chảy bên trong ống nhỏ (ống trong), môi chất thứ hai chảy trong không gian hình vành khuyên giữa ống nhỏ và ống lớn (ống ngoài). Các kết nối đầu cuối được thiết kế để dẫn hai dòng môi chất vào và ra riêng biệt.
5. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn ruột gà được tạo thành từ các ống tròn (thường bằng đồng, inox hoặc thép không gỉ) được uốn cong và cuộn thành hình xoắn tròn đồng tâm, tạo nên một cấu trúc dạng cuộn coil. Các ống này có thể được đặt bên trong bồn chứa hoặc lồng trong một vỏ bảo vệ kín, tùy theo yêu cầu ứng dụng. Hai dòng môi chất (nóng và lạnh) được dẫn qua các vùng khác nhau – một dòng chảy bên trong ống xoắn, dòng còn lại đi quanh các ống trong không gian chứa để tạo hiệu quả trao đổi nhiệt.
6. Các loại khác
- Thiết bị trao đổi nhiệt dạng khối: Thường được làm từ vật liệu chống ăn mòn cao như Graphite, Silicon Carbide (SiC), Ceramic. Cấu tạo từ các khối đục lỗ hoặc tạo kênh được xếp chồng lên nhau. Rất bền trong môi trường hóa chất cực kỳ ăn mòn (vd: axit mạnh, halogen).
- Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm-cánh: Cấu tạo gồm các tấm phẳng xen kẽ với các lớp vật liệu có cánh gấp nếp (thường bằng nhôm hoặc thép không gỉ). Các lớp này được hàn/brazed kín tạo thành các kênh dẫn. Rất nhỏ gọn, có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích rất cao. Thường được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất thấp (cryogenic), công nghiệp khí (hóa lỏng khí tự nhiên), hoặc hàng không vũ trụ do trọng lượng nhẹ.
Ngoài cấu tạo, vật liệu chế tạo cũng là một yếu tố phân loại quan trọng khi xem xét ứng dụng cụ thể. Các vật liệu như Titanium, Hastelloy, Graphite, Glass được sử dụng khi môi chất có tính ăn mòn cao.
Tìm hiểu thêm: Cách chọn thiết bị trao đổi nhiệt
Thế giới của thiết bị trao đổi nhiệt vô cùng đa dạng, được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí như cấu tạo, phương thức dòng chảy, cơ chế truyền nhiệt, quá trình hoạt động và trạng thái môi chất. Hiểu rõ các cách phân loại thiết bị trao đổi nhiệt này và đặc điểm của từng loại phổ biến là bước đầu tiên và quan trọng nhất để có thể lựa chọn được thiết bị phù hợp, đảm bảo hiệu quả vận hành, tuổi thọ và an toàn cho hệ thống của bạn.
Thiết bị trao đổi nhiệt không chỉ đơn thuần là một bộ phận cơ khí, mà là một giải pháp kỹ thuật phức tạp, đóng góp trực tiếp vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả, bền vững. Nếu bạn đang tìm hiểu sâu hơn về từng loại thiết bị hoặc cần một giải pháp trao đổi nhiệt chuyên biệt cho ứng dụng của mình, đừng ngần ngại liên hệ với Avil Việt Nam qua hotline 0919 007 133 hoặc email sale@avil.vn để nhận tư vấn miễn phí ngay hôm nay!
Tìm hiểu thêm về các Ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt, Các vấn đề thường gặp ở thiết bị trao đổi nhiệt
