Phân tích so sánh của bộ trao đổi nhiệt tấm và bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống

Phân tích so sánh bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng

1. Thiết kế cấu trúc và cơ chế truyền nhiệt

1.1 Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm bao gồm một chồng các tấm kim loại có gợn sóng, với các gioăng làm kín các khe hở giữa các tấm liền kề để tạo thành các kênh dòng chảy riêng biệt. Hai chất lỏng làm việc chảy ngược chiều hoặc chéo chiều qua các kênh xen kẽ, trao đổi nhiệt thông qua các tấm kim loại.

Cơ chế truyền nhiệt:

• Nhiệt từ chất lỏng nóng trước tiên được truyền đến tấm thông qua đối lưu, sau đó dẫn qua tấm có độ dẫn nhiệt cao (ví dụ: thép không gỉ, với độ dẫn nhiệt là 45 W/(m·K)), và cuối cùng đối lưu đến chất lỏng lạnh.

• Bề mặt tấm gợn sóng tạo ra sự nhiễu loạn ở số Reynolds thấp (Re = 50–200), làm tăng đáng kể hiệu quả truyền nhiệt. Tuy nhiên, sự nhiễu loạn này cũng làm tăng sụt áp do sức cản chất lỏng lớn hơn.

1.2 Bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng bao gồm một vỏ hình trụ, một bó ống (cố định hoặc nổi thông qua các tấm ống) và các đầu ống. Một chất lỏng chảy qua các ống (phía ống), trong khi chất lỏng còn lại chảy xung quanh các ống bên trong vỏ (phía vỏ), với nhiệt được trao đổi qua thành ống. Các cấu hình phổ biến bao gồm thiết kế tấm ống cố định, đầu nổi và ống chữ U.

Cơ chế truyền nhiệt:

• Nhiệt từ chất lỏng nóng (phía ống hoặc phía vỏ) được đối lưu đến thành ống, dẫn qua ống (ví dụ: ống đồng với độ dẫn nhiệt là 375 W/(m·K)), và sau đó đối lưu đến chất lỏng lạnh ở phía đối diện.

• Vách ngăn được lắp đặt trong vỏ để chuyển hướng chất lỏng phía vỏ, kéo dài đường đi của dòng chảy và tăng cường sự nhiễu loạn, do đó cải thiện hiệu quả truyền nhiệt.

2. Đặc tính hiệu suất

3. Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng

3.1 Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Ưu điểm:

• Hiệu quả cao: Dòng chảy rối ở số Reynolds thấp và hoạt động ngược chiều tạo ra hệ số hiệu chỉnh chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) khoảng ~0,95, với chênh lệch nhiệt độ cuối thấp tới<1°C (so với ~5°C đối với thiết kế ống lồng).

• Thiết kế nhỏ gọn: Diện tích truyền nhiệt cao hơn 2–5 lần trên một đơn vị thể tích; chiếm 1/5–1/8 không gian của các đơn vị ống lồng cho cùng một công suất.

• Tính linh hoạt: Dễ dàng mở rộng bằng cách thêm/bớt tấm; thích ứng với các thay đổi của quy trình (ví dụ: cấu hình lại đường đi của dòng chảy).

• Tính kinh tế: Nhẹ (độ dày tấm: 0,4–0,8 mm so với 2,0–2,5 mm đối với ống), chi phí thấp hơn 40–60% so với các đơn vị ống lồng có cùng vật liệu và diện tích; sản xuất hàng loạt bằng cách dập.

• Mất nhiệt thấp: Diện tích bề mặt tiếp xúc tối thiểu làm giảm sự tản nhiệt, loại bỏ nhu cầu cách nhiệt.

Nhược điểm:

• Giới hạn áp suất và nhiệt độ (không phù hợp với >3 MPa hoặc nhiệt độ khắc nghiệt).

• Gioăng dễ bị suy giảm trong môi trường ăn mòn hoặc nhiệt độ cao.

• Sụt áp cao hơn có thể yêu cầu bơm mạnh hơn.

Ứng dụng:

Lý tưởng cho áp suất từ thấp đến trung bình, 中小换热面积场景 (ví dụ: HVAC, chế biến thực phẩm, hệ thống nước nóng gia đình và các ngành công nghiệp yêu cầu làm sạch thường xuyên như dược phẩm).

3.2 Bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng

Ưu điểm:

• Khả năng chịu áp suất/nhiệt độ cao: Thích hợp cho các điều kiện khắc nghiệt (lên đến 30 MPa, 400°C), làm cho nó lý tưởng cho các quy trình công nghiệp áp suất cao.

• Độ bền: Vỏ hình trụ và bó ống cứng cáp chịu được xung động cao và tốc độ dòng chảy lớn; tương thích với chất lỏng có độ nhớt cao hoặc chứa hạt (với thiết kế vách ngăn thích hợp).

• Tuổi thọ cao: Kết cấu hoàn toàn bằng thép không gỉ (hoặc ống đồng) mang lại độ bền (lên đến 20 năm) trong môi trường ăn mòn.

Nhược điểm:

• Hiệu quả truyền nhiệt thấp hơn: Hệ số hiệu chỉnh LMTD thường là <0,9 do các kiểu dòng chảy chéo; chiếm diện tích lớn hơn và trọng lượng cao hơn.

• Thiếu linh hoạt: Khó sửa đổi diện tích truyền nhiệt sau khi lắp đặt; chi phí ban đầu cao hơn cho cùng một công suất.

Ứng dụng:

Được ưa chuộng cho các quy trình công nghiệp áp suất cao/nhiệt độ cao (ví dụ: hóa dầu, phát điện, khai thác mỏ) và trao đổi nhiệt quy mô lớn (ví dụ: sưởi ấm tập trung, hệ thống làm mát hạng nặng).

Tóm tắt

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm vượt trội về hiệu quả, tính nhỏ gọn và tính linh hoạt cho các ứng dụng áp suất từ thấp đến trung bình, trong khi bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng chiếm ưu thế trong các tình huống công nghiệp áp suất cao, nhiệt độ cao và quy mô lớn. Việc lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện vận hành, nhu cầu bảo trì và yêu cầu về khả năng mở rộng.