Nguyên Lý Hoạt Động Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Ống Lồng Ống

(Website nhà tài trợ: https://baohiemlienviet.com/bao-hiem-nhan-tho-daiichi-viet-nam-an-tam-hung-thinh-toan-dien)
Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống là một trong những thiết kế đơn giản nhất của hệ thống trao đổi nhiệt. Cấu trúc gồm một hoặc nhiều ống nhỏ nằm đồng tâm bên trong một ống lớn hơn. Mặc dù đơn giản, loại thiết bị này vẫn mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt tốt cho nhiều ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng có quy mô nhỏ và vừa. Hãy cùng avil.vn/thiet-bi-trao-doi-nhiet khám phá cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và các ứng dụng tiêu biểu của máy trao đổi nhiệt ống lồng ống.

I. Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Ống Lồng Ống Là Gì?

​

Trao đổi nhiệt ống lồng ống (Tube in Tube Heat Exchanger), hay còn gọi là thiết bị trao đổi nhiệt ống đôi, có cấu tạo cơ bản gồm hai ống đồng tâm: một ống nhỏ hơn nằm bên trong một ống lớn hơn, tạo thành hai kênh dẫn lưu chất hình trụ. Một dòng lưu chất chảy trong ống bên trong, và dòng lưu chất còn lại chảy trong không gian hình vành khăn (annulus) giữa ống bên trong và ống bên ngoài.

Nguyên lý hoạt động dựa trên sự truyền nhiệt qua thành ống bên trong từ dòng lưu chất nóng sang dòng lưu chất lạnh hơn (hoặc ngược lại). Thiết kế đơn giản này mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt tốt trong một số điều kiện nhất định và dễ dàng lắp đặt, bảo trì.

II. Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động Chi Tiết (Detailed Structure and Working Principle)

​

1. Cấu Tạo (Structure)

Một thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống cơ bản bao gồm:

• Ống bên trong (Inner Tube): Ống nhỏ hơn, thường là nơi một trong hai dòng lưu chất chảy qua.
• Ống bên ngoài (Outer Pipe): Ống lớn hơn, bao bọc ống bên trong, tạo ra không gian hình vành khăn cho dòng lưu chất còn lại chảy qua.
• Đầu bịt (End Fittings hoặc Return Bends): Các phụ kiện ở hai đầu của các đoạn ống lồng ống để kết nối các đoạn lại với nhau (trong trường hợp thiết bị có nhiều đoạn) và để dẫn lưu chất vào và ra. Các đầu bịt có thể có nhiều hình dạng khác nhau (ví dụ: chữ U) để tạo thành các đoạn trao đổi nhiệt liên tiếp.
• Các cổng kết nối (Inlets/Outlets): Các đầu nối để dẫn lưu chất vào và ra khỏi ống bên trong và không gian hình vành khăn.
• Các bộ phận hỗ trợ (Supports): Giá đỡ để cố định và lắp đặt thiết bị.

2. Nguyên Lý Hoạt Động (Working Principle)

Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống diễn ra như sau:

• Hai dòng lưu chất chảy trong hai kênh riêng biệt: một trong ống bên trong và một trong không gian hình vành khăn.
• Hướng dòng chảy có thể là dòng chảy song song (cùng hướng) hoặc dòng chảy ngược chiều (ngược hướng). Dòng chảy ngược chiều thường mang lại hiệu suất truyền nhiệt cao hơn.
• Nhiệt lượng truyền qua thành ống bên trong từ dòng lưu chất nóng hơn sang dòng lưu chất lạnh hơn (hoặc ngược lại).
• Hiệu suất truyền nhiệt phụ thuộc vào diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (chiều dài và đường kính của ống bên trong) và hệ số truyền nhiệt giữa hai dòng lưu chất.

Các kiểu dòng chảy:

• Dòng chảy song song (Parallel flow): Cả hai dòng lưu chất đi vào ở cùng một đầu và chảy theo cùng một hướng.
• Dòng chảy ngược chiều (Counter-current flow): Hai dòng lưu chất đi vào ở hai đầu đối diện và chảy ngược chiều nhau.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất:

• Lưu lượng và tốc độ dòng chảy của cả hai lưu chất.
• Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai dòng lưu chất.
• Tính chất vật lý của lưu chất (độ nhớt, tỷ nhiệt, hệ số dẫn nhiệt).
• Kích thước (đường kính và chiều dài) của ống bên trong.
• Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống bên trong.
• Loại dòng chảy (song song hay ngược chiều).

III. Ứng Dụng Tiêu Biểu của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Ống Lồng Ống (Typical Applications)

​

Bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống thường được sử dụng trong các ứng dụng sau:

• Trao đổi nhiệt trong các hệ thống có lưu lượng nhỏ và vừa: Phù hợp cho các quy trình thí nghiệm, pilot plant, hoặc các ứng dụng công nghiệp có quy mô nhỏ.
• Gia nhiệt hoặc làm lạnh các chất lỏng có độ nhớt không quá cao và ít cặn bẩn.
• Ứng dụng trong các hệ thống thu hồi nhiệt quy mô nhỏ.
• Làm lạnh dầu thủy lực và các loại dầu bôi trơn.
• Trao đổi nhiệt sơ bộ trước khi lưu chất đi vào các thiết bị lớn hơn.
• Ứng dụng trong một số hệ thống điều hòa không khí và làm lạnh.

IV. Các Yếu Tố Cần Xem Xét Khi Lựa Chọn Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Ống Lồng Ống (Selection Criteria)

Khi lựa chọn trao đổi nhiệt ống lồng ống, cần xem xét các yếu tố sau:

• Yêu cầu về hiệu suất trao đổi nhiệt: Tính toán lượng nhiệt cần trao đổi và lưu lượng của các dòng lưu chất.
• Tính chất của lưu chất: Độ nhớt, độ ăn mòn, khả năng tạo cặn, hàm lượng chất rắn lơ lửng.
• Áp suất và nhiệt độ làm việc của cả hai phía (ống bên trong và không gian hình vành khăn).
• Loại dòng chảy (song song hoặc ngược chiều) để tối ưu hóa hiệu suất.
• Vật liệu chế tạo ống bên trong và ống bên ngoài phù hợp với tính chất ăn mòn của lưu chất.
• Kích thước và không gian lắp đặt có sẵn.
• Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành.
• Yêu cầu về bảo trì và vệ sinh.
• Các tiêu chuẩn và quy định kỹ thuật liên quan.
• Nhà cung cấp uy tín và khả năng hỗ trợ kỹ thuật.

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống là một giải pháp đơn giản, hiệu quả và kinh tế cho các ứng dụng trao đổi nhiệt có quy mô nhỏ và vừa. Với cấu trúc dễ chế tạo, lắp đặt và bảo trì, chúng vẫn đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, cần cân nhắc các nhược điểm về diện tích bề mặt và khả năng xử lý lưu chất phức tạp khi lựa chọn loại thiết bị này cho các ứng dụng lớn hơn hoặc đòi hỏi cao hơn.