Tìm hiểu chi tiết cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm được xem là giải pháp tối ưu cho việc truyền tải năng lượng giữa hai môi chất. Với cấu trúc đặc biệt gồm nhiều ống nhỏ bên trong vỏ lớn, thiết bị này mang lại hiệu suất cao và độ bền vượt trội. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm để hiểu vì sao nó lại được ứng dụng rộng rãi đến vậy!

Giới thiệu chung về bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm (Shell and Tube Heat Exchanger) là thiết bị dùng để truyền năng lượng nhiệt giữa hai môi chất (thường là chất lỏng hoặc khí) có nhiệt độ khác nhau mà không để chúng tiếp xúc trực tiếp. 

Điểm đặc trưng của bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm là cấu trúc gồm nhiều ống nhỏ (tube) được đặt trong một vỏ trụ lớn (shell). Một dòng môi chất đi bên trong các ống nhỏ, trong khi dòng còn lại chảy bên ngoài ống, bên trong vỏ. Quá trình truyền nhiệt diễn ra qua thành ống, nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai môi chất.

Ứng dụng phổ biến

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm là một trong những thiết bị truyền nhiệt phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay nhờ hiệu suất cao, độ bền tốt cùng khả năng vận hành ổn định trong điều kiện áp suất, nhiệt độ lớn như: 

• Ngành dầu khí: dùng để làm mát dầu, ngưng tụ hơi hoặc gia nhiệt dòng khí.
• Ngành hóa chất: trao đổi nhiệt trong phản ứng hóa học, chưng cất, cô đặc.
• Ngành thực phẩm và dược phẩm: tiệt trùng, thanh trùng, làm lạnh nhanh dung dịch.
• Ngành HVAC và năng lượng: làm mát nước, điều hòa trung tâm, thu hồi nhiệt.

Chi tiết cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm (Shell and Tube Heat Exchanger) có cấu tạo gồm nhiều bộ phận chính được lắp ráp chặt chẽ nhằm đảm bảo khả năng truyền nhiệt hiệu quả, hoạt động ổn định và dễ bảo trì. Dưới đây là chi tiết từng thành phần quan trọng:

Vỏ (Shell) – Khung bao chứa môi chất ngoài ống

Vỏ là bộ phận có kích thước lớn nhất của thiết bị, thường có dạng hình trụ tròn được chế tạo bằng thép carbon, thép không gỉ hoặc hợp kim đặc biệt tùy theo môi chất và nhiệt độ làm việc.

Chức năng chính:

• Chứa và dẫn hướng dòng môi chất chảy bên ngoài các ống trao đổi nhiệt.
• Bảo vệ chùm ống bên trong khỏi tác động cơ học bên ngoài.
• Đảm bảo độ kín, chịu áp suất và nhiệt độ cao trong quá trình vận hành.

Đặc điểm thiết kế:

• Hai đầu vỏ được bịt kín bằng nắp vòm hoặc mặt bích.
• Trên vỏ có bố trí các đầu nối ống vào – ra cho môi chất, cùng các vị trí gắn baffle và giá đỡ bó ống.
• Đường kính và chiều dài vỏ được thiết kế dựa trên số lượng ống, lưu lượng môi chất, và diện tích trao đổi nhiệt cần thiết.

Vỏ là bộ phận quyết định khả năng chịu áp suất tổng thể của thiết bị. Do đó, trong quá trình chế tạo, nó phải đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt như ASME Section VIII hoặc TEMA Standard.

Chùm ống (Tube Bundle) – Trung tâm truyền nhiệt

Chùm ống là phần trái tim của bộ trao đổi nhiệt, gồm nhiều ống nhỏ được xếp song song và cố định bằng hai tấm ống ở hai đầu. Đây là nơi truyền nhiệt trực tiếp giữa hai dòng môi chất.

Cấu tạo chi tiết:

• Mỗi bó ống gồm hàng chục đến hàng trăm ống nhỏ, đường kính phổ biến từ 12 – 25 mm, chiều dài có thể lên đến 6 – 10 mét tùy công suất thiết bị.
• Vật liệu ống được lựa chọn dựa trên môi chất và yêu cầu ăn mòn, có thể là:
  • Đồng hoặc hợp kim đồng – dùng trong hệ thống làm mát nước biển.
  • Inox 304/316L – dùng trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm.
  • Hợp kim titan hoặc niken – dùng cho môi trường ăn mòn mạnh, nhiệt độ cao.

Kiểu bố trí ống (tube pitch):

• Dạng tam giác đều (triangular pitch): tăng mật độ ống, diện tích truyền nhiệt lớn, nhưng khó vệ sinh.
• Dạng vuông (square pitch): dễ vệ sinh, thích hợp cho môi chất bẩn.
• Dạng ziczac (staggered pitch): cân bằng giữa hiệu suất truyền nhiệt và khả năng bảo trì.

Chùm ống có thể cố định hoặc tháo rời (floating tube bundle). Dạng tháo rời giúp dễ vệ sinh, thay thế, đặc biệt trong môi trường có nhiều cặn hoặc chất bẩn.

Tấm ống (Tube Sheet) – Liên kết giữa chùm ống và vỏ

Tấm ống là bộ phận đĩa kim loại dày, được khoan lỗ để gắn và cố định hai đầu của các ống trao đổi nhiệt. Đây là phần ngăn cách hoàn toàn giữa môi chất trong ống và ngoài ống, đảm bảo độ kín tuyệt đối của thiết bị.

Chức năng:

• Cố định chặt các đầu ống, giúp toàn bộ chùm ống ổn định khi chịu áp suất cao.
• Ngăn không cho hai môi chất trộn lẫn trong quá trình trao đổi nhiệt.

Tấm ống thường làm bằng cùng loại vật liệu với ống để tránh hiện tượng giãn nở không đều hoặc ăn mòn điện hóa tại điểm tiếp xúc.

Vách ngăn (Baffle) – Tăng cường hiệu quả truyền nhiệt

Baffle là những tấm kim loại mỏng được bố trí dọc theo chiều dài vỏ, có tác dụng định hướng dòng chảy của môi chất ngoài ống.

Vai trò chính:

• Buộc dòng chảy bên ngoài ống di chuyển ziczac quanh bó ống, tạo ra dòng chảy rối, giúp tăng hệ số truyền nhiệt.
• Giữ cố định bó ống, tránh rung động khi thiết bị vận hành ở tốc độ cao.
• Phân bố đều dòng chảy, tránh hiện tượng chảy tắt (short circuit flow).

Các dạng baffle phổ biến:

• Segmental Baffle (dạng rẻ quạt): loại phổ biến nhất, hiệu quả cao.
• Disk and Doughnut Baffle (dạng đĩa và vòng): giảm tổn thất áp suất, thích hợp cho dòng lưu lượng lớn.
• Helical Baffle (dạng xoắn): hướng dòng chảy xoáy quanh bó ống, tăng hiệu quả truyền nhiệt tới 30% và giảm rung động cơ học.

Khoảng cách giữa các baffle thường bằng 1/5 đến 1/2 đường kính vỏ, được tính toán để cân bằng giữa hiệu quả trao đổi nhiệt và tổn thất áp suất.

Nắp ống – Ống phân phối (Head & Channel)

Nắp ống là phần bịt kín hai đầu của chùm ống, đồng thời đóng vai trò dẫn dòng môi chất vào và ra khỏi ống. Đây là khu vực thường được thiết kế đa dạng nhất, tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, bảo trì và giãn nở nhiệt.

Các kiểu cấu tạo phổ biến:

Fixed Tube Sheet (Tấm ống cố định)

• Hai đầu bó ống được hàn cố định vào vỏ.
• Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ.
• Nhược điểm: khó vệ sinh phía ngoài ống và hạn chế khả năng giãn nở nhiệt.
• Ứng dụng: trong hệ thống có môi chất sạch, nhiệt độ ổn định.

Floating Head (Đầu nổi)

• Một đầu bó ống có thể di chuyển tự do trong vỏ.
• Ưu điểm: dễ vệ sinh cả trong và ngoài ống, chịu giãn nở nhiệt tốt.
• Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, chi phí cao hơn.
• Ứng dụng: trong môi trường nhiệt độ biến thiên lớn hoặc có cặn bám.

U-Tube (Ống chữ U)

• Các ống được uốn cong hình chữ U và gắn cố định một đầu vào tấm ống.
• Ưu điểm: không cần đầu nổi, tự bù giãn nở nhiệt.
• Nhược điểm: chỉ phù hợp cho môi chất sạch, khó làm sạch bên trong ống cong.
• Ứng dụng: hệ thống trao đổi nhiệt dạng dầu – nước, nước – hơi.

Một số bộ phận phụ trợ khác

Ngoài năm bộ phận chính, bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm còn có các chi tiết phụ trợ:

• Vòi xả khí, xả nước ngưng giúp loại bỏ hơi khí hoặc nước đọng trong hệ thống.
• Đồng hồ đo áp suất, nhiệt độ để giám sát hoạt động.
• Giá đỡ, tai treo hoặc bệ đỡ giúp cố định thiết bị.
• Lớp cách nhiệt ngoài vỏ (nếu cần), hạn chế thất thoát nhiệt ra môi trường.

Nguyên lý hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhiệt gián tiếp – tức là năng lượng nhiệt được truyền từ môi chất nóng sang môi chất lạnh thông qua thành ống kim loại mà không làm hai môi chất trộn lẫn với nhau.

• Một môi chất chảy bên trong ống (tube side), thường là chất lỏng hoặc khí cần được làm nóng hoặc làm mát.
• Môi chất còn lại chảy bên ngoài ống, trong khoang vỏ (shell side), có nhiệm vụ trao đổi nhiệt với dòng trong ống.

Khi hai dòng chất lưu có nhiệt độ chênh lệch, nhiệt năng sẽ truyền qua thành ống – từ môi chất nóng sang môi chất lạnh – nhờ quá trình dẫn nhiệt và đối lưu. Kim loại chế tạo ống (thường là đồng, inox hoặc hợp kim nhôm) có hệ số dẫn nhiệt cao, giúp quá trình này diễn ra hiệu quả.

Để tăng hiệu suất truyền nhiệt, các ống được bố trí thành bó (tube bundle) và sử dụng tấm chắn dòng (baffle) trong vỏ để điều hướng dòng chảy ngoài ống, buộc môi chất di chuyển theo dạng ziczac quanh các ống. Nhờ đó, thời gian tiếp xúc giữa hai môi chất tăng lên, nâng cao khả năng trao đổi nhiệt.

Tùy vào yêu cầu sử dụng, bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm có thể được thiết kế với ba kiểu dòng chảy chính:

• Dòng song song (Parallel flow): cả hai môi chất đi cùng chiều – cấu tạo đơn giản nhưng hiệu suất thấp hơn.
• Dòng ngược chiều (Counter flow): hai môi chất đi ngược hướng nhau – cho hiệu suất truyền nhiệt cao nhất.
• Dòng chéo (Cross flow): hai môi chất giao nhau theo góc 90° – phù hợp với các ứng dụng đặc biệt.

Vật liệu chế tạo và tiêu chuẩn kỹ thuật của bộ trao đổi nhiệt Megasun

Công ty TNHH Sản Xuất Megasun là thương hiệu hàng đầu tại Việt Nam với hơn 19 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo thiết bị nhiệt, bao gồm bình bảo ôn, máy nước nóng trung tâm và bộ trao đổi nhiệt.

Dải công suất và ứng dụng linh hoạt

Bộ trao đổi nhiệt Megasun được thiết kế với dải công suất lớn, đáp ứng đa dạng nhu cầu sử dụng:

• Ứng dụng trong các hệ thống làm nóng, làm mát, ngưng tụ hoặc bay hơi.
• Phù hợp cho các dự án nước – nước (water to water), hơi – nước (steam to water), hoặc bơm nhiệt (heat pump).
• Thiết bị hoạt động ổn định trong nhiều môi trường khắc nghiệt, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư và nâng cao hiệu suất truyền nhiệt.

Cấu tạo và vật liệu chế tạo chính

Megasun cung cấp nhiều tùy chọn vật liệu chế tạo để phù hợp với từng ứng dụng và môi chất khác nhau, đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt và độ bền tối đa. Dưới đây là cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm của Megasun:

• Ống trao đổi nhiệt: Sử dụng đồng, inox 304, inox 316 hoặc titanium. Mỗi vật liệu có ưu điểm riêng:
  • Đồng: dẫn nhiệt tốt, giá thành hợp lý, thích hợp cho hệ thống nước sạch.
  • Inox 304/316: chống ăn mòn cao, dùng cho môi trường hóa chất hoặc nước biển.
  • Titanium: chịu được môi trường ăn mòn mạnh, thường dùng trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, nước mặn.
• Vỏ (shell) bộ trao đổi nhiệt: Làm từ thép không gỉ (inox 304, inox 316) hoặc titanium – có khả năng chịu áp suất và nhiệt độ cao, đảm bảo độ kín tuyệt đối.
• Lớp bảo ôn: Megasun sử dụng các vật liệu Polyurethane, Glasswool hoặc Rockwool, giúp hạn chế thất thoát nhiệt và duy trì hiệu suất truyền nhiệt ổn định trong thời gian dài.
• Lớp vỏ bảo ôn ngoài: Làm bằng inox 304, inox 316 hoặc thép sơn tĩnh điện, vừa tăng tính thẩm mỹ, vừa bảo vệ thiết bị khỏi tác động môi trường.

Áp suất và nhiệt độ làm việc

Bộ trao đổi nhiệt Megasun được thiết kế tùy chỉnh áp suất và nhiệt độ làm việc theo yêu cầu của từng dự án hoặc ứng dụng cụ thể:

• Áp suất làm việc tiêu chuẩn: 6 bar
• Áp suất thử nghiệm: 9 bar
• Tùy chọn mở rộng: 3 bar, 4 bar, 5 bar, 7 bar, 8 bar, 9 bar, 10 bar, 12 bar, 15 bar

Nhờ thiết kế linh hoạt, sản phẩm có thể sử dụng cho nhiều hệ thống có áp lực khác nhau, từ bơm nhiệt dân dụng đến các nhà máy công nghiệp áp suất cao.

Về nhiệt độ làm việc, Megasun cũng cung cấp nhiều mức tùy chọn phù hợp với từng môi chất:

• Tiêu chuẩn: 95°C
• Tùy chọn mở rộng: 150°C hoặc 200°C đối với ứng dụng công nghiệp, nhờ sử dụng inox 316L hoặc hợp kim chịu nhiệt đặc biệt.

Độ bền và tuổi thọ sản phẩm

Nhờ sử dụng vật liệu chất lượng cao, công nghệ hàn tiên tiến và lớp bảo ôn dày, bộ trao đổi nhiệt Megasun có:

• Tuổi thọ trung bình trên 10 năm, thậm chí hơn 15 năm nếu được bảo dưỡng định kỳ.
• Hiệu suất truyền nhiệt ổn định lâu dài, không bị giảm sút do ăn mòn hoặc đóng cặn.

Hiểu rõ cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm sẽ giúp bạn dễ dàng hơn trong việc lựa chọn, vận hành và bảo trì hệ thống. Liên hệ ngay với Megasun Solar để nhận tư vấn miễn phí và giải pháp tối ưu nhất cho công trình của bạn.