Tìm hiểu về thiết bị trao đổi nhiệt

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện tiểu luân này đầu tiên tôi xin giử lời cảm ơn chân thành đến
thầy TS. Công Ngọc Thắng là người đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn để tôi
thực hiện tiểu luận này. Bên cạnh đó tôi xin cảm ơn các bạn trong lớp Cao học kỹ
thuật hóa học K29 đã góp ý và sửa chữa để giúp tôi hoàn thành tốt tiểu luận này.

Hà Nội, 06 tháng 05 năm 2015
HỌC VIÊN THỰC HIỆN
Doãn Anh Tuấn

1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TĂT
Ký hiệu

Giải thích

TBTĐN

Thiết bị trao đổi nhiệt

TĐN

Trao đổi nhiệt

PHE

Thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm - Plate heat exchanger

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên hình

Trang

2


Hình 1.1. Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài

6

Hình 1.2. Sơ đồ kết cấu của vỏ bọc ngoài làm việc ở áp suất cao

6

Hình 1.3. Thiết bị có ống xoắn bên ngoài vỏ

6

Hình 1.4. Thiết bị truyền nhiệt ống xoắn

7

Hình 1.5. Thiết bị trao đổi nhiệt loại tưới

8

Hình 1.6. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống

9

Hình 1.7. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

10

Hình 1.8. Cách bố trí ống

11

Hình 1.9. Cách chia ngăn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

11

Hình 1.10. Chiều chuyển động của hai lưu thể

13

Hình 1.11. Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc

13

Hình 1.12. Thiết bị trao đổi nhiệt loại đệm nằm yên

15

Hình 1.13. Thiết bị trao đổi nhiệt loại đệm chuyển động

15

Hình 1.14. Thiết bị ngưng tụ loại khô xuôi chiều, thấp

17

Hình 2.1. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng

19

Hình 2.2. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bán hàn

20

Hình 2.3. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín

20

Hình 2.4. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tám và ống

21

Hình 2.5. Thiết bị ngưng tụ chưng cất nước sạch

21

Hình 2.6. Làm lạnh của nhà máy lọc dầu bởi một vòng lặp sản phẩm
22
trung gian
Hình 2.7. Làm lạnh axit sunfuric

22

Hình 2.8. Làm lạnh quá trình đúc liên tục

23

Hình 2.9. Gia nhiệt nước ép trước khi sấy khô

23

Hình 2.10. Quá trình chuẩn bị dung dịch nhuộm

23

Hình 2.11. Làm lạnh động cơ tàu thủy

24

Hình 2.12. Trao đổi nhiệt cho các ứng dụng của bơm nhiệt

24

Hình 2.13. Hệ thống sơn

24

Hình 2.14. Tận dụng nhiệt thải

25

Hình 2.15. Tháo các tấm trao đổi nhiệt

26

Hinh 2.16. Các tấm trao đổi nhiệt sau khi được tháo rời để vệ sinh

28

3


4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
1.1. Định nghĩa thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là một thiết bị được chế tạo cho truyền nhiệt
hiệu quả bộ phận này sang bộ phận khác. Vật trung gian truyền nhiệt có thể được
ngăn cách bởi một bức vách rắn để chúng không pha trộn vào, hoặc họ có thể tiếp
xúc trực tiếp. Thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi trong sưởi ấm không
gian, điện lạnh, điều hòa nhiệt độ, nhà máy điện, nhà máy hóa chất, nhà máy hóa
dầu, dầu khí nhà máy lọc dầu, khí tự nhiên, chế biến và xử lý nước thải. Một ví dụ
phổ biến của một bộ trao đổi nhiệt là tản nhiệt trong xe hơi, trong đó nước được sử
dụng để chuyển nhiệt của động cơ đến bộ tản nhiệt ra không khí và làm mát động
cơ [1].
1.2. Phân loại các thiết bị trao đổi nhiệt
Các thiết bị dùng để thực hiện quá trình truyền nhiệt gọi là thiết bị trao đổi
nhiệt, các thiết bị này có hình dạng và cấu tạo khác nhau tuỳ thuộc vào phương
pháp và điều kiện tiến hành quá trình.
• Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này đến chất tải nhiệt kia qua bề
mặt phân cách (bề mặt truyền nhiệt).

• Loại đệm: quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của vật rắn
và tiến hành theo hai giai đoạn nối tiếp nhau. Giai đoạn 1: cho chất tải nhiệt
nóng tiếp xúc với bề mặt vật rắn (đệm), vật rắn sẽ được đun nóng lên đến
nhiệt độ cần thiết, khi đó ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng. Giai đoạn 2:
cho chất tải nhiệt lạnh vào, nhiệt sẽ truyền từ vật rắn cho chất tải nhiệt lạnh.
• Loại trực tiếp (hỗn hợp): hai chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nhau.
1.2.1. Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp
Dựa vào cấu tạo của bề mặt truyền nhiệt, ta có thể chia thiết bị trao đổi nhiệt
gián tiếp thành các loại chính sau: loại vỏ bọc, loại ống, loại tấm, loại xoắn ốc, loại
ống gân.
1.2.1.1. Loại vỏ bọc

Khi đun nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng, đặc biệt là những trường
hợp bên trong thiết bị không đặt được ống xoắn, ta thường truyền nhiệt gián tiếp
qua vỏ thiết bị. Một trong những thiết bị loại này là thiết bị vỏ bọc ngoài: vỏ ngoài 2
được ghép chắc vào vỏ thiết bị bằng mặt bích 3 hoặc hàn liền, giữa hai lớp vỏ tạo
thành một khoảng trống kín, chất tải nhiệt sẽ vào khoảng trống đó để đun nóng hoặc
làm nguội.
5


Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị.
Thông thường, các loại thiết bị vỏ bọc ngoài có bề mặt truyền nhiệt không lớn quá
10 m2 và áp suất làm việc của hơi đốt không quá 10 at. Muốn tăng hệ số cấp nhiệt
của chất tải nhiệt trong thiết bị, ta thường đặt cánh khuấy để tăng tốc độ tuần hoàn.

Hình 1.1. Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ Hình 1.2. Sơ đồ kết cấu của vỏ bọc
bọc ngoài
ngoài làm việc ở áp suất cao
1.thiết bị; 2.vỏ bọc ngoài; 3.mặt bích

1.vỏ thiết bị; 2.vỏ bọc ngoài

Khi cần làm việc ở áp suất cao thì vỏ bọc ngoài cần phải có cấu tạo đặc biệt.
Sơ đồ cấu tạo của một kiểu thiết bị vỏ bọc ngoài làm việc ở áp suất cao, vỏ ngoài 2
là tấm thép có khoét nhiều lỗ, các lỗ này hàn liền vào vỏ 1, áp suất làm việc của loại
thiết bị này có thể đến 75 at.

Hình 1.3. Thiết bị có ống xoắn bên ngoài vỏ
a, b, c, d. các dạng kết cấu của ống xoắn với vỏ
1.vỏ thiết bị; 2.ống xoắn
Thiết bị truyền nhiệt qua vỏ thiết bị còn có các loại khác như thiết bị có ống
xoắn bên ngoài vỏ, để truyền nhiệt từ ống xoắn vào vỏ thiết bị được tốt, ta lót thêm
miếng lót 3 bằng kim loại để tăng bề mặt tiếp xúc hoặc đúc ống xoắn vào trong vỏ
thiết bị, loại này có áp suất làm việc của hơi trong ống xoắn có thể đến 250 at. Đôi
khi ống xoắn được bổ đôi rồi hàn vào vỏ thiết bị hoặc là lấy thép góc hàn vào vỏ

6


thiết bị, các loại này có áp suất làm việc của hơi trong rãnh xoắn thường được đến
60 at.
1.2.1.2. Loại ống

Loại này bề mặt truyền nhiệt có dạng hình ống. Căn cứ vào tính chất làm việc
và cấu tạo của thiết bị, ta có thể chia thành mấy kiểu sau: ống xoắn, kiểu tưới, ống
lồng ống, ống chùm.
• Ống xoắn
Thiết bị truyền nhiệt kiểu ống xoắn là một trong những loại thiết bị đơn giản
nhất. Nó gồm các đoạn ống thẳng nối với nhau bằng ống khuỷu, gọi là xoắn gấp

khúc, hoặc các ống uốn cong theo hình ren ốc, gọi là xoắn ruột gà. Khi làm việc,
một chất tải nhiệt đi ngoài ống còn một chất tải nhiệt khác đi trong ống.
Khi muốn tăng tốc độ của chất tải nhiệt ở ngoài ống ta lắp thêm một ống 5 để
hạn chế dung dịch phiá ngoài ống xoắn. Khi đó, chất tải nhiệt phía ngoài chảy dọc
theo thiết bị có tiết diện hình vành khăn giới hạn bởi thiết bị 1 và ống 5.
Hệ số cấp nhiệt phía trong ống xoắn thường lớn hơn ống thẳng một ít. Khi
đun nóng bằng hơi bão hoà nếu chiều dài của ống xoắn quá lớn thì phần cuối ống sẽ
chứa đầy nước ngưng làm giảm hiệu quả truyền nhiệt, đồng thời áp suất hơi ở phần
cuối cũng bị giảm và khó tháo nước ngưng. Vì vậy, khi yêu cầu bề mặt truyền nhiệt
lớn, ta phải bố trí thành nhiều ống xoắn làm việc song song xếp nối tiếp nhau hoặc
xếp thành những vòng đồng tâm.

Hình 1.4. Thiết bị truyền nhiệt ống xoắn
a.xoắn gấp khúc; b, c.xoắn ruột gà; 1.thiết bị; 2.ống xoắn; 3.giá đỡ.
7


Thiết bị ống xoắn có ưu điểm là chế tạo đơn giản, có thể làm bằng các vật liệu
chống ăn mòn, dễ kiểm tra và sửa chữa.
Khuyết điểm là cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt phía
ngoài bé, khó làm sạch phía trong ống, trở lực thuỷ lực lớn hơn ống thẳng. Đối với
chất lỏng cho vào từ dưới thì lên để ống xoắn luôn chứa đầy, còn hơi thì cho từ trên
xuống để tránh va đập thuỷ lực.
Tốc độ của chất lỏng trong ống xoắn thường từ 0,5 - 1 m/s, đối với chất khí ở
áp suất thường thì từ 5 - 12 m/s. Đường kính ống không quá 100 mm vì lớn quá khó
gia công. Đối với ống xoắn gấp khúc, chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào loại vật
liệu: ống thép L ≤ 6 m, ống gang L ≤ 3 m, ống gốm sứ L ≤ 2 m, ...
Đối với ống xoắn ruột gà D ≥ 8d (D là đường kính của vòng xoắn, d là
đường kính của ống xoắn, m).
• Loại ống tưới

Loại này thường dùng để làm lạnh và ngưng tụ. Chất lỏng phun ở ngoài ống thường
là nước. Nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ ống trên xuống ống dưới 3 rồi chảy
vào máng chứa 4.

Hình 1.5. Thiết bị trao đổi nhiệt loại tưới
1.máng tưới; 2.ống truyền nhiệt; 3.khuỷu nối.
Khi trao đổi nhiệt, sẽ có một phần nước bị bay hơi (khoảng 1 - 2% lượng nước
đưa vào tưới), khi bay hơi như vậy nó sẽ lấy một phần nhiệt từ chất tải nhiệt nóng ở
trong ống, do đó lượng nước dùng làm nguội ở đây ít hơn so với các thiết bị làm
nguội khác.

8


Ưu điểm: lượng nước làm lạnh ít, cấu tạo đơn giản, dễ quan sát và làm sạch ở
bên ngoài ống , khi nối ống bằng mặt bích thì làm sạch ở trong ống cũng dễ.
Khuyết điểm: cồng kềnh, khi cung cấp nước ít thì lượng nước bay hơi sẽ tăng,
do đó cần phải đặt ở chỗ thoáng nhưng tránh gió, khi lượng nước quá ít thì các ống
ở dưới sẽ bị khô làm giảm hiệu quả truyền nhiệt.
• Loại ống lồng ống :
Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, mỗi đoạn
gồm hai ống lồng vào nhau, ống trong 1 của đoạn này nối thông với ống trong của
đoạn khác và ống ngoài 2 của đoạn này nối thông với ống ngoài của đoạn khác; để
dễ thay thế và rửa ống người ta nối bằng khuỷu 3 và ống nối 4 có mặt bích.

Hình 1.6. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống
1.ống trong; 2.ống ngoài; 3.khủy nối; 4.ống nối
Chất tải nhiệt I đi trong ống trong từ dưới lên còn chất tải nhiệt II đi trong ống
ngoài từ trên xuống. Khi năng suất lớn, ta đặt nhiều dãy làm việc song song.
Ưu điểm của loại thiết bị này là hệ số truyền nhiệt lớn vì có thể tạo ra vận tốc

lớn ở cả hai chất tải nhiệt,chế tạo đơn giản.
Nhược điểm: cồng kềnh, giá thành cao vì tốn nhiều kim loại, khó làm sạch
khoảng trống giữa hai ống.
• Loại ống chùm

9


Thiết bị truyền nhiệt loại này được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hoá
chất vì có nhiều kinh nghiệm trong sử dụng chúng; trong công nghiệp đã sản xuất
được nhiều loại thiết bị làm việc ở điều kiện nhiệt độ, áp suất, môi trường khác
nhau; đã có các phương pháp kỹ thuật tính toán trao đổi nhiệt và thuỷ động trong
các loại thiết bị này. Hiện nay, các nhà máy sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt có bề mặt
trao đổi nhiệt từ 1 ÷ 1500 m2, áp suất làm việc từ chân không đến 10 MPa (≈ 100
at), nhiệt độ làm việc từ -70oC÷ 540 oC.
Loại này có ưu điểm là cơ cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn.
Nhược điểm chủ yếu là cồng kềnh, tốn kim loại, bề mặt trao đổi nhiệt riêng
tương đối nhỏ nên trong những khối công suất lớn, trong hệ thống công nghệ phải
dùng nhiều thiết bị song song, nối tiếp. Tuy nhiên, vẫn có thể chấp nhận được theo
quan điểm kinh tế, công nghệ, điều khiển quá trình.

Hình 1.7. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
1.vỏ thiết bị; 2.lưới ống; 3.ống truyền nhiệt; 4.đáy thiết bị; 5.ống nối; 6.tai đỡ.
Phân loại: Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm có nhiều loại: loại đặt nằm
ngang, loại đặt thẳng đứng; loại có một ngăn, loại có nhiều ngăn; loại cơ cấu cứng
(cố định), loại có một đầu tự do, ...
Nguyên tắc làm việc: Chất tải nhiệt I đi vào đáy dưới qua các ống lên trên và
ra khỏi thiết bị, còn chất tải nhiệt II đi từ cửa trên của vỏ vào khoảng trống giữa ống
và vỏ rồi ra phía dưới.
Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn, đôi khi người

ta dùng đệm để ghép kín, trong trường hợp này thì ống có thể di chuyển theo chiều
dọc khi giãn nở nhưng lắp như vậy phức tạp. Cách bố trí ống trên lưới ống thường
10


có ba kiểu : bố trí theo hình 6 cạnh hoặc theo vòng tròn đồng tâm, đôi khi người ta
xếp theo kiểu thẳng hàng. Khoảng cách t giữa các tâm của hai ống liền nhau gọi là
bước ống. Khi lắp ống bằng cách nong thì lấy t min = (1,3 ÷1,6) dn, còn khi lắp bằng
cách hàn thì lấy tmin≈ 1,26dn (dn là đường kính ngoài của ống ). Khoảng cách từ ống
đến vỏ thiết bị: t - dn ≥ 6mm.
Cách chia ngăn trong thiết bị ống chùm: Khi cần tăng tốc độ của chất tải nhiệt
để tăng hiệu quả truyền nhiệt người ta chia thiết bị thành nhiều ngăn, có thể chia
ngăn dọc hoặc ngăn ngang. Chia thành 4 ngăn dọc đối với chất tải nhiệt đi trong
ống, như vậy vận tốc chất tải nhiệt trong ống sẽ tăng lên 4 lần. Tấm ngăn dọc 3 chia
ngăn đối với chất tải nhiệt đi ngoài ống, nếu chia thành hai ngăn như vậy thì vận tốc
sẽ tăng lên 2 lần. Nếu chia ngăn ngang đối với chất tải nhiệt đi ngoài ống, trường
hợp này ngoài tác dụng tăng tốc độ còn có tác dụng làm cho chất tải nhiệt đi chéo
góc với phương của trục truyền nhiệt nhưng tốc độ tăng không tỷ lệ với số ngăn.

Hình 1.8. Cách bố trí ống
a.xếp theo hình sáu cạnh; b.xếp theo hình vuông; c.xếp theo hình tròn
Tuy nhiên, khi chia thiết bị thành nhiều ngăn tổn thất áp suất tăng, trở lực tăng,
ma sát tổng tăng. Nếu chia thiết bị thành n ngăn thì tổn thất áp suất tăng n 1,8 lần, ma
sát tổng tăng n2,8 lần.

11


Hình 1.9. Cách chia ngăn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
a. Chia ngăn trong; b. Chia ngăn ngoài

1.2.1.3. Loại tấm

Loại thiết bị này có bề mặt truyền nhiệt làm bằng các tấm kim loại, các khe
giữa các tấm tạo thành hai hệ thống không thông với nhau, một hệ chứa chất tải
nhiệt I còn hệ kia chứa chất tải nhiệt II.
Hiện nay, các nhà máy sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt có bề mặt truyền nhiệt,
nhiệt độ, áp suất làm việc khác nhau: loại thiết bị lắp ghép có bề mặt từ 2 đến 400
m2, áp suất làm việc từ rất thấp đến 2,5 MPa (≈25 at ), nhiệt độ từ -30oC đến 200oC;
loại thiết bị hàn chết có bề mặt từ 20 đến 600 m 2, áp suất làm việc đến 3,9MPa (≈
39 at), nhiệt độ làm việc từ -150oC. Nhiệt độ và áp suất làm việc phụ thuộc vào vật
liệu lót kín và cấu tạo các mối hàn.
Phân loại: thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm thể chia thành ba loại là loại tháo lắp
được, loại bán tháo lắp và loại hàn chết (không tháo lắp được)
Cấu tạo: Loại này có bề mặt trao đổi nhiệt là các tấm kim loại gợn sóng ghép
song song với nhau sao cho giữa chúng có khe hở tạo môi trường làm việc, các tấm
có chiều dày nhỏ, các rãnh cho môi trường làm việc có thể có tiết diện tối thiểu nên
thiết bị gọn mà thiết bị trao đổi nhiệt loại ống không đạt được, cùng một loại nhiệt
tải thì kích thước và khối lượng thiết bị truyền nhiệt dạng tấm nhỏ hơn loại ống
chùm rất nhiều.
Nguyên tắc làm việc: cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm tạo thành hai hệ
thống để chứa hai chất tải nhiệt. hai chất tải nhiệt này có thể chuyển động ngược
chiều, chéo dòng hay xuôi chiều.
12


Ưu điểm: thiết bị loại này gọn, tốn ít kim loại, lưu lượng hai chất tải nhiệt có
thể thay đổi trong khoảng rộng, tốc độ chất tải nhiệt ở hai phía đều lớn, hệ số truyền
nhiệt lớn gấp 2-3 lần so với thiết bị loại ống.
Nhược điểm; khó làm việc ở áp suất quá cao, khó ghép kín, khó làm sạch bên
trong nên loại này thường dùng để trao đổi nhiệt ở áp suất thường, chủ yếu để đun

nóng không khí bằng khói lò, trao đổi nhiệt giữa các chất khí trong hệ thống lạnh.
Đối với các thiết bị lắp ráp dùng đệm để làm kín, do độ bền nhiệt, độ bền hoá học
của đệm có giới hạn nên làm giảm nhiệt độ làm việc
Với các môi trường không làm bẩn bề mặt trao đổi nhiệt thì có thể sử dụng
loại thiết bị bán tháo lắp (dùng các tấm hàn từng cặp tạo thành các rãnh không tháo
được trong 2 môi trường), giảm lượng đệm để tăng độ bền thiết bị. Các thiết bị loại
tấm không tháo lắp thì bền hơn.

Hình 1.10. Chiều chuyển động của hai lưu thể
1.2.1.4. Loại xoắn ốc

Loại này có bề mặt truyền nhiệt làm bằng các tấm kim loại cuốn theo đường
xoắn ốc. Thiết bị gồm hai tấm kim loại 1 và 2, đầu trong của hai tấma kim loại này
hàn vào tấm ngăn 3, giữa hai tấm 1 và 2 tạo thành một khe có tiết diện hình chữ
nhật, chất tải nhiệt sẽ đi trong các khe đó. Hai đầu của thiết bị được ghép kín bằng
nắp 4.

13


Hình 1.11. Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc
1, 2.tấm kim loại; 3.nắp
Ưu điểm: Thiết bị truyền nhiệt kiểu xoắn ốc có ưu điểm là gọn, có tốc độ lớn,
hai chất tải nhiệt có thể chuyển động ngược chiều nhau hoàn toàn, trở lực thuỷ lực
nhỏ hơn trong thiết bị ống chùm.
Nhược điểm: chế tạo và sửa chữa phức tạp, không làm việc được áp suất cao
hơn 6 at. Nếu cấu tạo đặc biệt có thể làm việc được ở 10 at.
1.2.1.5. Loại ống gân

Khi truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt mà hệ số cấp nhiệt một phía rất nhỏ

so với phía kia thì ta cần phải tăng bề mặt truyền nhiệt ở phía có hệ số cấp nhiệt nhỏ
để tăng hiệu quả truyền nhiệt bằng cách thêm các gân lên trên bề mặt truyền nhiệt.
Ví dụ: khi đun nóng không khí hoặc khí bằng hơi nước bão hoà thì hệ số cấp
nhiệt từ hơi đến bề mặt truyền nhiệt là α1 = 11600W/m2.độ, còn từ bề mặt ra không
khí là α2= 5,8÷ 58 W/m2.độ, nghĩa là α2 << α1, khi đó ta gắn gân ở phía α2; thiết bị
như vậy gọi là thiết bị truyền nhiệt loại ống gân. Cách bố trí gân cũng phải chú ý
chiều chuyển động của khí để khí có thể đi sâu vào giữa các gân, gân phải làm bằng
vật kiệu dẫn nhiệt tốt.
Thiết bị truyền nhiệt loại ống gân thường có hai kiểu: gân dọc 1 và gân
ngang. Đôi khi truyền nhiệt giữa hai chất khí có hệ số cấp nhiệt đều nhỏ thì người ta
cấu tạo gân ở cả hai phía, trường hợp này gân thường có dạng hình kim 3, gọi là
thiết bị truyền nhiệt hình kim.

14


1.2.2. Thiết bị trao đổi nhiệt loại đệm
Như đã nói ở trên, quá trình truyền nhiệt trong các thiết bị loại đệm thực hiện
trên cùng một bề mặt của đệm, đệm thường làm bằng gạch chịu lửa, lá kim loại
hoặc bi kim loại ....
Quá trình xảy ra như sau: Giai đoạn 1 (đun nóng đệm): cho chất tải nhiệt
nóng đi qua truyền nhiệt cho đệm, đệm sẽ được đun nóng lên đến nhiệt độ yêu cầu,
khi đó ngừng cấp chất tải nhiệt nóng. Giai đoạn 2 (làm nguội đệm): cho chất tải
nhiệt lạnh vào, nó sẽ được đun nóng đến nhiệt độ cần thiết nhờ lượng nhiệt tích
trong đệm truyền cho, đệm sẽ nguội đi. Sau đó lại tiếp tục giai đoạn đun nóng
....Quá trình truyền nhiệt ở đây là quá trình không ổn định, thiết bị có thể làm việc
gián đoạn hay liên tục. Khi muốn làm việc liên tục thì cần phải có hai thiết bị làm
việc song song, một thiết bị cho chất tải nhiệt nóng đi qua, còn thiết bị kia cho chất
tải lạnh đi qua, sau đó đổi ngược lại.
Trong sơ đồ làm việc liên tục của hệ thống thiết bị loại đệm, đệm nằm yên,

khoá 2 dùng để đổi chiều chất tải nhiệt. Trong sơ đồ làm việc liên tục của thiết bị
truyền nhiệt loại đệm, đệm chuyển động (đệm làm bằng bi kim loại ), đệm từ thiết
bị 1 đi qua khoá 2 vào thiết bị 3 sau đó qua khoá 4 rồi lại được đưa vào thiết bị 1
nhờ bộ phận vận chuyển 5. Trong thiết bị 1, cho chất tải nhiệt nóng đi qua, còn thiết
bị 3 cho chất tải nhiệt lanh đi qua, đệm được đun nóng ở thiết bị 1 khi sang thiết bị
3 sẽ đun nóng chất tải nhiệt lạnh. Như vậy, quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt
nóng sang chất tải nhiệt lạnh nhờ đệm di chuyển liên tục qua 1 và 3.
Ưu điểm: quá trình truyền nhiệt không cần bề mặt ngăn cách giữa các chất tải
nhiệt, do đó cấu tạo thiết bị đơn giản hơn, sử dụng nhiệt tốt hơn và cho phép hiệu số
nhiệt độ giữa các chất tải nhiệt tương đối nhỏ. Loại thiết bị này thường dùng trong
trường hợp nhiệt độ cao hơn 500oC, khi đó đệm được làm bằng vật kiệu chịu lửa.
Nhược điểm: cần phải có bộ phận chuyển đổi chiều hoặc bộ phận vận chuyển
và không tránh khỏi tình trạng bị trộn lẫn chất tải nhiệt.
Hiện nay thiết bị truyền nhiệt loại đệm cũng được dùng phổ biến trong truyền
nhiệt giữa các khí ở nhiệt độ rất thấp (-200oC), đệm làm bằng những lá tôn mỏng.

15


Hình 1.12. Thiết bị trao đổi nhiệt loại Hình 1.13. Thiết bị trao đổi nhiệt loại
đệm nằm yên
đệm chuyển động
1.2.3. Thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp
1.2.3.1. Đun nóng bằng hơi nước trực tiếp

Đây là phương pháp truyền nhiệt đơn giản nhất, cho hơi nước sục thẳng vào
trong lòng chất lỏng cần đun nóng. Hơi nước ngưng tụ và cấp ẩn nhiệt cho chất
lỏng, nước ngưng tụ tạo thành lại trộn lẫn với chất lỏng. Thiết bị gồm một bể chưa
chất lỏng cần đun nóng và một ống hơi. Trên ống dẫn hơi có đặt các van đê rtaoj
thêm điều kiên chó quá trình làm việc tốt. Van ngược chiều 5 dùng để ngăn không

cho chất lỏng đi ngược lại trong trường hợp mà áp suất trong ống hơi thấp hơn áp
suất khí quyển. Trước khi bắt đầu đun nóng, người ta mở van phụ 4 để tháo hết
nước ngưng đang tích tụ trong ống dẫn hơi.
Khi cần thiết vừa đun nóng vừa khuấy trộn chất lỏng thì dùng thiết bị đun
nóng loại sủi bọt. Trong thiết bị này, hơi từ ống dẫn hơi vào được đi qua những ống
phun hình xoắn ốc, vòng tròn hoặc một số ống thẳng song song có những lỗ nhỏ,
đặt nằm dưới đáy bể chứa chất lỏng. Nhờ bố trí như thế nên hơi được phun đều
trong bể có tác dụng khuấy trộn.
Loại thiết bị sủi bọt và loại sục làm việc có nhiều tiếng động. Để tránh tiếng
độn, người ta dùng thiết bị đun nóng không tiếng động. Loại này có lắp thêm một
cái loa ở đầu ống dẫn hơi. Khi làm việc, hơi phun ra khỏi đầu ống dẫn hơi với tốc
độ rất lớn, do đó áp suất tĩnh học trong loa giảm xuống, chất lỏng bên ngoài loa ập
vào các lỗ cạnh loa, vừa pha trộn với luồng hơi phun ra vừa làm tắt tiếng động.
Điều kiện sử dụng: Phương pháp đun nóng bằng hơi nước trực tiếp nói
chung là rất đơn giản, nhưng có nhược điểm là đưa thêm một lượng lớn nước ngưng
tụ vào trong chất lỏng cần đun nóng. Do đó, phương pháp này chỉ dùng trong
trường hợp cho phép pha loãng chất lỏng cần đun và không có phản ứng xảy ra giữa
16


chất lỏng và nước. Tường người ta chỉ dùng khi đun nóng nước và các dung dịch
nước.
1.2.3.2. Ngưng tụ trực tiếp

Nguyên tắc làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp là cho phun
nước vào trong hơi, hơi toả ẩn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại. Do đó, thiết bị
ngưng tụ trực tiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có giá
trị hoặc không tan trong nước, vì chất lỏng đã ngưng tụ sẽ trộn lẫn với nước làm
nguội.
Khi làm việc, giữa hơi và nước cần phải có bề mặt tiếp xúc lớn thì hiệu quả

ngưng tụ mới cao. vì thế, thường người ta cho phun nước qua những vòi phun hoặc
cho chảy qua nhiều tấm ngăn nằm ngang có lỗ nhỏ.
Thiết bị ngưng tụ trực tiếp ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học vì có
ưu điểm năng suất cao, cấu tạo đơn giản và dễ chống ăn mòn.
Tuỳ theo cách làm việc của thiết bị mà người ta chia ra hai loại: thiết bị ngưng
tụ loại ướt và loại khô. Đặc điểm khác nhau giữa hai loại này như sau:
• Trong thiết bị ngưng tụ loại ướt, chất lỏng ngưng tụ, nước làm nguội và khí không
ngưng được dẫn ra cùng một đường bằng một bơm "không khí ướt".
• Trong thiết bị ngưng tụ loại khô, nước ngưng và nước làm nguội được dẫn chung đi
chung một đường, còn khí không ngưng được hút theo một đường khác

Hình 1.14. Thiết bị ngưng tụ loại khô xuôi chiều, thấp
1.thân thiết bị; 2.vòi phun; 3.bơm ly tâm; 4.bơm tia hút khí; 5.phao; 6.van.

17


CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI TẤM CỦA HÃNG
SONDEX
2.1. Nguyên lý, đặc tính và ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate Heat Exchanger, viết tắt là PHE) là thiết
bị làm mát công nghiệp, cấu tạo với nhiều tấm kim loại mỏng được làm kín bởi các
gioăng cao su (hoặc hàn kín bằng mối hàn hợp kim) giúp ngăn hai dòng lưu chất
nóng và lạnh. Hai dòng lưu chất nóng và lạnh chảy xen kẽ với nhau giữa các tấm,
các tấm này được dập rãnh để tạo nên dòng chảy rối cho hai lưu chất nhằm đạt được
năng suất trao đổi nhiệt lớn nhất [2].
Do mỗi tấm có diện tích bề mặt lớn, nên tạo ra bề mặt trao đổi nhiệt lớn giữa
các môi chất. So với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm truyền thống với cùng
công suất thì một bộ PHE sẽ có hiệu suất trao đổi nhiệt tốt hơn. Hơn nữa, với PHE
quá trình vệ sinh, bảo trì và bảo dưỡng cũng trở nên dễ dàng hơn [2].

Hiện nay, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm có các loại cơ bản sau [1-2]:
- Loại tấm đệm kín bằng gioăng (gasket)
- Loại tấm hàn kín
- Loại tấm bán hàn
- Loại tấm khe hở rộng
- Loại tấm lồng ống
Nguyên lý Các tính năng của PHE gồm có nhiều tấm trao đổi nhiệt có gân
sóng bề mặt. Được treo bằng các thanh dẫn bên trên và bên dưới. Các tấm được xếp
rất gọn bằng bu lông ở giữa khung hình cố định và di động. Các chất lỏng được
truyền thông qua các khe, rãnh lượn sóng làm cho tối đa bề mặt truyền nhiệt trong
một kích thước giới hạn. Do đó, nó có thể hoạt động hiệu quả nhất ở một kích thước
nhỏ nhất [3].
2.2. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm của hãng Sondex
Được thành lập từ năm 1984, SONDEX nhanh chóng phát triển và trở thành
một trong những công ty hàng đầu chiếm lĩnh thị phần thế giới về thiết bị trao đổi
nhiệt dạng tấm và các ứng dụng về trao đổi nhiệt khác. Với những nỗ lực cải tiến
công nghệ gắn kết cùng sự phát triển bền vững của xã hội và con người, SONDEX
đã phát triển và đưa ra nhiều cải tiến với nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
18


và thiết bị chưng cất nước với hiệu quả truyền nhiệt cao và kinh tế trong việc tận
dụng nguồn nhiệt thải từ các động cơ trong nhà máy và công nghiệp.
2.2.1. SONDEX Gasket PHE (Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm loại gioăng)
Ứng dụng: Với thiết bị dạng tấm loại roăn, các tấm được ghép với nhau bằng
roăn đệm cao su, tạo nên một ưu điểm là dễ dàng tháo lắp và vệ sinh định kỳ.
Dựa vào các ứng dụng cụ thể, tấm sẽ được thiết kế đặc trưng phù hợp cho từng
ứng dụng và do vậy loại Gasket PHE này được chia làm các loại như cụ thể dưới
đây:
•

Industry Plate (Tấm sử dụng trong công nghiêp)

•

Sanitary Plate (Tấm vệ sinh) Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm.

•

Free flow Plate

Hình 2.1. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng
2.2.2. SONDEX Semi-welded PHE (Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm loại bán hàn)
Loại thiết bị trao đổi nhiệt này được thiết kế chuyên biệt cho hệ thống lạnh và
cho các ứng dụng mà lưu chất sử dụng có tính chất ăn mòn và độc hại (NH3,
R22…).
Mối hàn của các bộ tấm cassette thay thế hoàn toàn các rãnh roăn, do vậy, tối
ưu hóa việc sử dụng bề mặt trao đổi nhiệt.

19


Các bộ tấm cassette với việc tăng cấu trúc roăn đi theo sẽ được làm tăng độ
chắc đồng thời với việc tăng áp suất làm việc.
Cũng như các thiết bị truyền thống, bộ tấm cassette cũng được dập theo đúng
tiêu chuẩn 3A cho các ứng dụng trong các ngành đòi hỏi tiêu chuẩn vệ sinh khắt
khe.

Hình 2.2. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bán hàn
2.2.3. SONDEX Brazed PHE(Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm loại hàn kín bằng

đồng)
Chịu được nhiệt độ và áp lực cao.
Khác hẳn với các thiết bị truyền thống, loại hàn đồng này không hề sử dụng
roăn cao su, và do vậy, thiết bị có thể vận hành một cách liên tục tại nhiệt độ cao từ
180oC lên đến 200oC. Áp suất vận hành lên đến 30 bar.
Bộ phận gia nhiệt, làm nóng và thông gió.
Các hệ thống điều hòa không khí và gia nhiệt năng lượng mặt trời.
Các hệ thống cung cấp nhiệt và bơm nhiệt.
Các hệ thống làm mát xăng nhiên liên liệu và dầu thủy lực.

20


Hình 2.3. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín

2.2.4. SONDEX Plate and Shell Heat Exchanger (Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
và ống )
Loại thiết bị trao đổi nhiệt này làm việc tương tự như các thiết bị trao đổi nhiệt
loại ống truyền thống trước đây, tuy nhiên, nó hoạt động hoàn toàn hiệu quả với
diện tích trao đổi nhiệt tăng đáng kể của các tấm truyền nhiệt thay vì là các ống như
trước đây. Các tấm sẽ được hàn laze hoặc TIG với nhau tạo thành một bộ tấm kín,
sau đó các bộ tấm này sẽ được đặt vào trong một vỏ hình trụ. Mức độ áp suất của
khung có thể chịu từ 16 đến 25 bar: PN16/PN25. Nhiệt độ tối đa: lên đến 250oC.

Hình 2.4. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tám và ống
2.2.5. SONDEX Freshwater Distiller (Thiết bị chưng cất nước sạch)
21


Thiết bị sản xuất nước sạch SONDEX được thiết kế từ các bộ trao đổi nhiệt là

dàn bay hơi và dàn ngưng tụ, thiết kế đạt điều kiện làm việc tốt nhất.
SONDEX là công ty duy nhất không ngừng phát triển các loại tấm trao đổi
nhiệt chuyên biệt cho thiết bị sản xuất và chưng cất nước sạch.Thiết kế của Sondex
dựa trên các tấm sử dụng cho loại ống đứng, trong đó bộ bay hơi và bộ ngưng tụ
được đặt vào, và các tấm được thiết kế là những tấm với tấm được dập theo kiểu
tấm dòng chảy tự do thuận lợi ứng dụng cho tất cả các lợi chất lỏng.

Hình 2.5. Thiết bị ngưng tụ chưng cất nước sạch
2.3. Một số ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt này [3]
Thiết bị trao đổi nhiệt này được sử dụng trong nhiều nhà máy và nhiều lĩnh
vực công nghiệp khác nhau như:
2.3.1. Công nghiệp hóa học
Làm lạnh các quá trình như: Natri cacbonat, chất nhuộm, phân bón, lọc dầu,
dầu và chất béo, thuốc, axit, kerosene, nước mềm, nước mặn và hexane và quá trình
trùng hợp và gia nhiệt glycerine và ngưng tụ ethanol [3].

Hình 2.6. Làm lạnh của nhà máy lọc dầu bởi một vòng lặp sản phẩm trung gian
22


2.3.2. Công nghiệp thép
Làm lạnh các quá trình như: Làm lạnh khuôn, lò, bộ phận đúc, nước
amoniac, mạ điện phân, máy nén và dầu áp lực và thu hồi nhiệt thải.

Hình 2.7. Làm lạnh axit sunfuric
2.3.3. Công nghiệp cơ khí
Làm lạnh các quá trình như: Làm lạnh các bộ phận máy móc, các chất tạo
nhũ, dầu nén, chất lỏng nghiền, lò nung và động cơ và thu hồi nhiệt thải.

Hình 2.8. Làm lạnh quá trình đúc liên tục

2.3.4. Công nghiệp thực phẩm
Sử dụng trong các quá trình như: Làm lạnh, gia nhiệt, tái sinh nhiệt, cô đặc
và làm tiệt trùng nước ép, sữa, tương, và dầu vừng, dung dịch đường và dung dịch
cồn.

23


Hình 2.9. Gia nhiệt nước ép trước khi sấy khô
2.3.5. Công nghiệp dệt
Sử dụng trong các quá trình như: Làm lạnh nước làm sạch cho máy quay tơ
và máy dệt, dung dịch NaOH, và dung dịch nhuộm, thu hồi nhiệt thải.

Hình 2.10. Quá trình chuẩn bị dung dịch nhuộm
2.3.6. Công nghiệp đóng tàu
Làm mát trung tâm, dầu bôi trơn, vỏ bọc, nước piston, dầu nặng, dầu vận
chuyển, dầu gia nhiệt, và làm nóng sơ bộ dầu đốt.

Hình 2.11. Làm lạnh động cơ tàu thủy

24


2.3.7. Cơ sở xây dựng
Gia nhiệt tại chỗ, cung cấp nước nóng, hệ thống điều hòa không khí, gia
nhiệt và làm lạnh nước tuần hoàn, hệ thống tiết kiệm điện ban đêm.

Hình 2.12. Trao đổi nhiệt cho các ứng dụng của bơm nhiệt
2.3.8. Công nghiệp giấy và bột giấy
Làm lạnh quá trình xử lý nước đen, gia nhiệt nguyên liệu, và tái sinh nhiệt

thải.

Hình 2.13. Hệ thống sơn
2.3.9. Nơi nghỉ dưỡng
Truyền nhiệt và tái sinh nhiệt thải của điện, điện, chất bán dẫn, nhà máy, xí
nghiệp, trạm điện, máy nước biển nóng...

Hình 2.14. Tận dụng nhiệt thải
25