Bộ trao đổi nhiệt dạng ống hoạt động như thế nào?

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống là thiết bị dùng để truyền nhiệt từ một môi chất sang môi chất khác thông qua bề mặt trao đổi nhiệt. Hai môi chất được dẫn đi theo những đường riêng và không tiếp xúc trực tiếp với nhau.

Trong các thiết kế dạng ống, một môi chất có thể đi bên trong ống, trong khi môi chất còn lại đi ở phía ngoài ống. Nhiệt truyền từ môi chất có nhiệt độ cao hơn sang môi chất có nhiệt độ thấp hơn thông qua thành ống.

Nguyên lý này được ứng dụng trong nhiều hệ thống công nghiệp như làm mát dầu, làm mát nước, gia nhiệt chất lỏng và các hệ thống trao đổi nhiệt trong thiết bị cơ khí, năng lượng.

Nguyên lý hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng ống

Có thể hình dung quá trình hoạt động theo 4 bước:

Môi chất nóng đi vào → truyền nhiệt qua thành ống → môi chất lạnh nhận nhiệt → hai môi chất đi ra với nhiệt độ thay đổi.

Trong bộ trao đổi nhiệt dạng ống, hai dòng môi chất được phân cách bởi thành ống. Vì vậy, khi có chênh lệch nhiệt độ, nhiệt sẽ truyền từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp.

Đối với loại ống chùm – vỏ (shell-and-tube), một dòng chảy qua phía trong các ống, gọi là tube side, còn dòng kia đi qua không gian phía ngoài các ống, gọi là shell side. DOE mô tả đây là cấu hình điển hình của bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ.

Điều quan trọng là bộ trao đổi nhiệt không tạo ra nhiệt cũng không làm mất nhiệt theo nghĩa tuyệt đối. Thiết bị thực hiện quá trình truyền nhiệt giữa các dòng môi chất.

Quá trình truyền nhiệt diễn ra qua thành ống như thế nào?

Giả sử có dầu nóng cần được làm mát bằng nước.

Dầu nóng đi qua một phía của bộ trao đổi nhiệt, còn nước làm mát đi qua phía còn lại. Khi hai dòng môi chất di chuyển qua thiết bị, nhiệt từ dầu truyền qua thành ống sang nước.

Có thể mô tả:

Dầu nóng → thành ống → nước làm mát

Kết quả là:

• nhiệt độ của dầu giảm;
• nhiệt độ của nước tăng;
• dầu sau khi được làm mát tiếp tục quay lại hệ thống;
• nước nhận nhiệt và được đưa ra khỏi bộ trao đổi nhiệt hoặc tiếp tục tuần hoàn tùy thiết kế.

Đây là nguyên lý cơ bản được sử dụng trong nhiều hệ thống làm mát dầu bằng nước.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống gồm những đường dòng nào?

Đối với bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ, có hai đường dòng chính.

Dòng phía ống – Tube side

Môi chất đi vào đầu thiết bị, sau đó được dẫn vào bên trong các ống truyền nhiệt.

Tùy thiết kế, môi chất có thể đi qua ống một lần hoặc đi qua nhiều lượt. Với thiết bị nhiều pass, dòng môi chất được đổi hướng trong các khoang đầu để tăng chiều dài đường đi trong thiết bị.

DOE cũng phân biệt rõ các cấu hình parallel flow và counter-flow, trong đó hướng chuyển động của hai môi chất quyết định đáng kể đến quá trình truyền nhiệt. The Department of Energy’s Energy.gov

Dòng phía vỏ – Shell side

Môi chất còn lại đi vào khoang bên ngoài chùm ống.

Trong thiết kế shell-and-tube, các tấm chắn dòng (baffle) có thể được bố trí bên trong vỏ. Baffle vừa có tác dụng hỗ trợ chùm ống vừa định hướng dòng chảy phía vỏ, giúp tăng mức độ xáo trộn của dòng và hỗ trợ quá trình truyền nhiệt. Alfa Laval

Không phải mọi bộ trao đổi nhiệt dạng ống đều có cấu tạo baffle giống nhau. Cách bố trí phụ thuộc vào thiết kế của từng loại thiết bị.

Dòng chảy cùng chiều và ngược chiều khác nhau thế nào?

Hướng chuyển động của hai môi chất là một yếu tố quan trọng trong thiết kế bộ trao đổi nhiệt.

Dòng chảy cùng chiều

Hai môi chất đi vào từ cùng một phía và chuyển động theo cùng một hướng.

Khi đi qua thiết bị, chênh lệch nhiệt độ giữa hai dòng thay đổi dọc theo chiều dài bộ trao đổi nhiệt.

Dòng chảy ngược chiều

Hai môi chất di chuyển theo hai hướng ngược nhau.

Ví dụ:

Dầu nóng → → →

← ← ← Nước làm mát

Theo tài liệu của U.S. Department of Energy, trong những điều kiện tương đương, cấu hình dòng ngược chiều có khả năng truyền nhiệt lớn hơn dòng cùng chiều. Đây là một trong những lý do dòng ngược chiều được sử dụng phổ biến trong thiết kế bộ trao đổi nhiệt. The Department of Energy’s Energy.gov

Tuy nhiên, không nên hiểu rằng mọi bộ trao đổi nhiệt dạng ống đều bắt buộc phải sử dụng dòng ngược chiều. Cấu hình dòng chảy thực tế phụ thuộc vào thiết kế, số pass và yêu cầu của hệ thống.

Baffle có vai trò gì trong bộ trao đổi nhiệt dạng ống?

Trong bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ, baffle được đặt ở phía vỏ để định hướng dòng môi chất đi qua chùm ống.

Nếu chỉ để môi chất đi thẳng qua khoảng không bên ngoài các ống, dòng chảy có thể không tận dụng tốt bề mặt trao đổi nhiệt.

Baffle làm thay đổi hướng dòng chảy, khiến môi chất đi qua chùm ống theo đường được thiết kế. Điều này có thể làm tăng mức độ xáo trộn và hỗ trợ truyền nhiệt.

Bên cạnh đó, baffle còn có chức năng đỡ và duy trì vị trí của chùm ống trong vỏ. Alfa Laval

Tuy nhiên, việc tăng số lượng hoặc thay đổi khoảng cách baffle không đơn giản là càng nhiều càng tốt. Thiết kế phải cân bằng giữa khả năng truyền nhiệt và tổn thất áp suất của dòng chảy.

Vì sao chênh lệch nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt?

Truyền nhiệt cần có chênh lệch nhiệt độ giữa hai môi chất.

Nếu dầu có nhiệt độ cao hơn nước, nhiệt sẽ truyền từ dầu sang nước. Khi nhiệt độ của hai dòng tiến gần nhau, động lực truyền nhiệt giảm.

Do đó, khi thiết kế hoặc lựa chọn bộ trao đổi nhiệt, không chỉ cần biết nhiệt độ đầu vào mà còn phải xem xét nhiệt độ đầu ra, lưu lượng và đặc tính của hai môi chất.

Trong tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) là một đại lượng được sử dụng để biểu diễn động lực nhiệt trong quá trình truyền nhiệt. Với các cấu hình nhiều pass hoặc khác dòng ngược chiều lý tưởng, cần sử dụng hệ số hiệu chỉnh phù hợp. studylib.net

Vì vậy, không thể xác định khả năng làm mát của một bộ trao đổi nhiệt chỉ dựa vào kích thước bên ngoài.

Lưu lượng ảnh hưởng thế nào đến quá trình trao đổi nhiệt?

Ngoài nhiệt độ, lưu lượng của hai môi chất cũng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình trao đổi nhiệt.

Ví dụ, trong hệ thống làm mát dầu:

• dầu đi qua thiết bị với một lưu lượng nhất định;
• nước làm mát đi qua thiết bị với một lưu lượng nhất định;
• nhiệt lượng dầu cần thải ra phải phù hợp với khả năng nhận nhiệt của phía nước;
• đồng thời tổn thất áp suất của cả hai phía phải nằm trong giới hạn cho phép.

Do đó, một bộ trao đổi nhiệt được thiết kế cho lưu lượng này không nên mặc nhiên sử dụng cho hệ thống có điều kiện vận hành hoàn toàn khác.

Áp suất và tổn thất áp suất cũng cần được tính đến

Bộ trao đổi nhiệt không chỉ thực hiện truyền nhiệt mà còn tạo ra tổn thất áp suất khi môi chất đi qua đường ống, đầu nối, khoang và chùm ống.

Tổn thất áp suất của phía ống và phía vỏ là những thông số cần được xem xét trong thiết kế và đánh giá thiết bị. Các tài liệu kỹ thuật về shell-and-tube heat exchanger đều xem áp suất và pressure drop là những yếu tố quan trọng trong quá trình lựa chọn và thiết kế. studylib.net

Vì vậy, khi lựa chọn bộ trao đổi nhiệt cho một hệ thống thực tế, không nên chỉ đặt câu hỏi:

“Thiết bị có đủ khả năng làm mát hay không?”

Mà cần xem xét đồng thời:

• nhiệt tải cần trao đổi;
• nhiệt độ vào và ra;
• lưu lượng;
• áp suất làm việc;
• tổn thất áp suất cho phép;
• đặc tính của môi chất;
• vật liệu;
• điều kiện lắp đặt.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống được ứng dụng ở đâu?

Nhờ cấu tạo có thể thiết kế theo nhiều kích thước và điều kiện làm việc, bộ trao đổi nhiệt dạng ống được sử dụng trong nhiều hệ thống công nghiệp.

Một số ứng dụng thường gặp gồm:

Làm mát dầu

Dầu sau khi nhận nhiệt từ máy móc hoặc ổ đỡ được đưa qua bộ trao đổi nhiệt để truyền nhiệt sang nước hoặc môi chất làm mát khác.

Đây là ứng dụng liên quan trực tiếp đến nhóm két làm mát dầu.

Xem thêm: Két làm mát dầu

Làm mát nước

Bộ trao đổi nhiệt có thể được sử dụng để truyền nhiệt từ nước của một vòng tuần hoàn sang nước của vòng tuần hoàn khác mà không cần hai dòng nước tiếp xúc trực tiếp.

Làm mát các thiết bị trong nhà máy thủy điện

Trong các hệ thống thủy điện, thiết bị trao đổi nhiệt có thể được sử dụng trong các hệ thống làm mát dầu và các hệ thống nhiệt liên quan đến tổ máy.

Cường Phát MTC hiện có các sản phẩm két làm mát dầu ổ hướng trên và ổ hướng dưới dành cho ứng dụng nhà máy thủy điện.

Làm mát không khí

Các thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống cũng có thể được thiết kế để trao đổi nhiệt giữa không khí và môi chất làm mát, tùy cấu hình thiết bị.

Khi nào cần lựa chọn bộ trao đổi nhiệt theo thiết kế riêng?

Không phải hệ thống nào cũng có thể sử dụng cùng một model bộ trao đổi nhiệt.

Khi thiết bị phải đáp ứng đồng thời các yêu cầu về:

• nhiệt tải;
• lưu lượng;
• nhiệt độ;
• áp suất;
• vật liệu;
• kích thước;
• vị trí đầu nối;
• không gian lắp đặt;

thì thiết bị có thể cần được tính toán và chế tạo theo yêu cầu cụ thể của hệ thống.

Đặc biệt với thiết bị thay thế cho máy móc đang vận hành, việc lấy lại bản vẽ, model, kích thước và thông số của thiết bị hiện hữu sẽ giúp hạn chế rủi ro chọn sai thiết bị.

Cường Phát MTC nhận gia công thiết bị trao đổi nhiệt theo bản vẽ, model và thông số kỹ thuật thực tế.

Xem thêm: Thiết bị trao đổi nhiệt gia công theo yêu cầu

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống hoạt động hiệu quả phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Có thể tóm tắt thành các nhóm chính:

1. Chênh lệch nhiệt độ
Tạo động lực cho quá trình truyền nhiệt.

2. Diện tích trao đổi nhiệt
Diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn hơn có thể hỗ trợ tăng khả năng trao đổi nhiệt khi các điều kiện khác phù hợp.

3. Lưu lượng môi chất
Ảnh hưởng đến khả năng mang nhiệt và điều kiện dòng chảy.

4. Hướng dòng chảy
Dòng ngược chiều thường tạo điều kiện truyền nhiệt thuận lợi hơn dòng cùng chiều trong các điều kiện so sánh tương đương. The Department of Energy’s Energy.gov

5. Vật liệu và tình trạng bề mặt truyền nhiệt
Vật liệu, cáu cặn và tình trạng bề mặt có thể ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt.

6. Tổn thất áp suất
Thiết bị phải đáp ứng yêu cầu truyền nhiệt mà không tạo ra tổn thất áp suất vượt quá giới hạn của hệ thống.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống có phải lúc nào cũng là ống chùm không?

Không.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống là khái niệm rộng, bao gồm nhiều cấu hình thiết bị sử dụng ống làm bề mặt truyền nhiệt.

Bộ trao đổi nhiệt ống chùm (shell-and-tube) là một dạng cụ thể, trong đó một chùm ống được đặt bên trong vỏ và hai môi chất đi qua phía ống và phía vỏ.

Ngoài shell-and-tube, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống còn có thể có các cấu hình khác tùy ứng dụng.

Vì vậy, không nên sử dụng hai thuật ngữ này như hai khái niệm hoàn toàn đồng nghĩa.

Kết luận

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhiệt giữa hai môi chất thông qua bề mặt ngăn cách, thường là thành ống. Một môi chất đi bên trong ống, môi chất còn lại có thể đi phía ngoài ống; nhiệt truyền từ phía nóng sang phía lạnh.

Khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị không chỉ phụ thuộc vào kích thước mà còn liên quan đến nhiệt độ, lưu lượng, diện tích truyền nhiệt, hướng dòng chảy, vật liệu và tổn thất áp suất.

Đây cũng là lý do bộ trao đổi nhiệt dùng cho từng hệ thống cần được lựa chọn dựa trên thông số thực tế thay vì chỉ dựa vào tên gọi hoặc kích thước bên ngoài.

Cường Phát MTC cung cấp và gia công bộ trao đổi nhiệt, bộ trao đổi nhiệt dạng ống và các loại két làm mát theo yêu cầu kỹ thuật, bản vẽ hoặc model thiết bị hiện hữu.

Liên hệ Cường Phát MTC

Cường Phát MTC luôn sẵn sàng tư vấn và hỗ trợ khách hàng trong quá trình tìm hiểu, lựa chọn sản phẩm và giải pháp phù hợp với nhu cầu sử dụng. Quý khách có thể liên hệ trực tiếp với Cường Phát MTC để được tư vấn và trao đổi thông tin chi tiết.

Thông tin liên hệ:

• Công ty TNHH Thương mại Cơ khí Cường Phát
• Hotline: 0971.858.017 – 0981.44.91.92 (Zalo, Wechat, Whatsapp)
• Website: https://cuongphatmtc.com/
• Fanpage: Cường Phát MTC
• Email: [email protected]