Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm là gì? 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm (Plate Heat Exchanger – PHE) là thiết bị truyền nhiệt giữa hai môi chất thông qua hệ thống các tấm kim loại mỏng được bố trí thành nhiều kênh dòng chảy xen kẽ. Nhiệt được truyền từ môi chất có nhiệt độ cao sang môi chất có nhiệt độ thấp qua bề mặt tấm, trong khi hai dòng lưu chất được tách biệt trong điều kiện thiết bị vận hành bình thường. 

Nhờ cấu trúc nhỏ gọn và khả năng truyền nhiệt hiệu quả, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được ứng dụng trong nhiều hệ thống HVAC, chiller, heat pump, làm lạnh công nghiệp, thực phẩm, hóa chất, năng lượng và thu hồi nhiệt. Để hiểu rõ cách Plate Heat Exchanger hoạt động, cần xem xét cấu tạo, nguyên lý truyền nhiệt, các loại thiết bị phổ biến và phạm vi ứng dụng của từng cấu hình. 

Cấu tạo của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có nhiều cấu hình khác nhau, trong đó phổ biến nhất là dạng tấm có gioăng, còn gọi là Gasketed Plate Heat Exchanger. Ở loại này, các tấm truyền nhiệt mỏng được ghép thành một cụm và ép chặt trong khung. Giữa các tấm là hệ thống gioăng làm kín và định hướng dòng chảy.  

Các bộ phận chính gồm: 

Tấm truyền nhiệt 

Tấm truyền nhiệt là bộ phận trực tiếp ngăn cách hai môi chất và truyền nhiệt từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp. 

Các tấm thường được dập gân thay vì để phẳng. Hình dạng gân có ba vai trò chính: 

• Tạo đường dẫn cho lưu chất 
• Tăng độ cứng cơ học của tấm 
• Làm tăng mức độ xáo trộn của dòng chảy, từ đó hỗ trợ quá trình truyền nhiệt. 

Ở nhiều thiết kế thương mại, trên mỗi tấm còn có các lỗ cổng ở các góc để phân phối môi chất vào và ra khỏi các kênh dòng.  

Gioăng làm kín 

Gioăng được bố trí trên các tấm để thực hiện hai nhiệm vụ: 

Làm kín nhằm hạn chế rò rỉ ra bên ngoài. 

Định hướng môi chất nóng và môi chất lạnh đi vào các kênh riêng biệt. 

Nhờ cách bố trí gioăng, hai môi chất được phân phối xen kẽ qua các khe giữa các tấm. Vì vậy, một mặt của tấm tiếp xúc với dòng nóng, còn mặt kia tiếp xúc với dòng lạnh.  

Không phải mọi bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đều sử dụng gioăng. Dạng brazed hoặc welded sử dụng phương pháp liên kết khác để làm kín cụm tấm. 

Cụm tấm truyền nhiệt 

Toàn bộ các tấm được xếp lại thành một cụm, thường gọi là plate pack. 

Khoảng không gian giữa hai tấm liền kề tạo thành một kênh dòng chảy. Các kênh được bố trí xen kẽ cho hai môi chất. Ví dụ, một kênh dành cho dòng nóng thì kênh kế tiếp dành cho dòng lạnh.  

Khung cố định và tấm ép 

Cụm tấm được đặt giữa: 

• Tấm khung cố định.
• Tấm ép di động. 

Hai bộ phận này giữ plate pack ở đúng vị trí và tạo lực ép cần thiết để hệ thống gioăng làm kín đúng chức năng. 

Thanh đỡ và thanh dẫn hướng 

Các tấm thường được treo trên thanh đỡ phía trên và được định vị bằng thanh dẫn hướng phía dưới. 

Hệ thống này giúp giữ các tấm thẳng hàng khi lắp ráp, tháo mở hoặc bảo trì. 

Bu lông siết 

Bu lông siết tạo lực nén lên toàn bộ cụm tấm giữa tấm khung và tấm ép. 

Độ siết phải tuân theo kích thước và hướng dẫn của nhà sản xuất. Siết không đúng có thể ảnh hưởng đến độ kín, khoảng cách kênh và khả năng làm việc của thiết bị. 

Cổng kết nối  

Các cổng kết nối là vị trí đưa môi chất vào và ra khỏi bộ trao đổi nhiệt. 

Một thiết bị hai dòng điển hình có các cổng: 

• Môi chất nóng vào 
• Môi chất nóng ra 
• Môi chất lạnh vào 
• Môi chất lạnh ra. 

Các cổng được liên kết với hệ thống lỗ trên plate để phân phối dòng chảy vào đúng nhóm kênh. 

Nguyên lý hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm 

Nguyên lý hoạt động của Plate Heat Exchanger dựa trên truyền nhiệt gián tiếp qua thành tấm kim loại. Hai môi chất không trộn trực tiếp với nhau mà đi trong các kênh riêng biệt. 

Có thể mô tả quá trình theo các bước sau. 

1. Hai môi chất đi vào thiết bị 

Môi chất nóng và môi chất lạnh đi vào bộ trao đổi nhiệt qua các cổng riêng. 

Hệ thống cổng và gioăng sẽ phân phối hai dòng vào các kênh tương ứng trong plate pack.  

2. Hai dòng chảy qua các kênh xen kẽ 

Các kênh giữa các tấm được bố trí luân phiên: 

Kênh 1: dòng nóng 

Kênh 2: dòng lạnh 

Kênh 3: dòng nóng 

Kênh 4: dòng lạnh 

Như vậy, mỗi tấm truyền nhiệt thường có dòng nóng ở một phía và dòng lạnh ở phía còn lại. 

Cấu hình này giúp tạo diện tích tiếp xúc truyền nhiệt lớn trong một thiết bị nhỏ gọn.  

3. Nhiệt truyền qua tấm kim loại 

Khi hai môi chất có nhiệt độ khác nhau đi qua hai phía của cùng một tấm, nhiệt được truyền theo ba giai đoạn: 

• Đối lưu từ dòng nóng đến bề mặt tấm 
• Dẫn nhiệt qua chiều dày của tấm 
• Đối lưu từ bề mặt tấm sang dòng lạnh. 

Về tổng thể, nhiệt luôn truyền từ môi chất có nhiệt độ cao hơn sang môi chất có nhiệt độ thấp hơn cho đến mức được xác định bởi điều kiện nhiệt động và thiết kế của thiết bị. 

4. Gân tấm làm tăng cường quá trình truyền nhiệt 

Các gân dập trên tấm làm thay đổi hướng dòng chảy và tăng mức độ xáo trộn trong kênh. 

Điều này làm giảm chiều dày lớp biên nhiệt và hỗ trợ tăng hệ số truyền nhiệt. Tuy nhiên, mức độ xáo trộn càng cao thường cũng làm tăng tổn thất áp suất, vì vậy thiết kế PHE luôn phải cân bằng giữa hiệu quả truyền nhiệt và chênh áp cho phép. 

5. Dòng nóng nguội đi, dòng lạnh nóng lên 

Sau khi trao đổi nhiệt: 

• Nhiệt độ dòng nóng giảm. 
• Nhiệt độ dòng lạnh tăng. 
• Hai dòng sau đó rời thiết bị qua các cửa ra riêng biệt. 

6. Dòng chảy ngược chiều thường được ưu tiên 

Trong nhiều bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, hai môi chất được bố trí chảy ngược chiều nhau. 

Dòng chảy ngược chiều giúp duy trì chênh lệch nhiệt độ thuận lợi dọc theo chiều dài bề mặt truyền nhiệt và có thể đạt nhiệt độ tiếp cận nhỏ hơn so với bố trí cùng chiều trong cùng điều kiện thiết kế.  

Tuy nhiên, không nên hiểu rằng tất cả Plate Heat Exchanger đều bắt buộc phải vận hành ngược chiều. Cấu hình dòng thực tế có thể thay đổi theo thiết kế của nhà sản xuất và yêu cầu công nghệ. 

Tóm lại, nguyên lý hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có thể hiểu như sau: 

Dòng nóng → đối lưu → tấm truyền nhiệt → dẫn nhiệt qua tấm → đối lưu → dòng lạnh 

Vì sao tấm trao đổi nhiệt thường được dập gân? 

Tấm trao đổi nhiệt thường được dập gân để tạo kênh dòng chảy và làm lưu chất liên tục đổi hướng khi đi qua thiết bị. Nhờ đó, dòng chảy trở nên xáo trộn hơn, giúp tăng khả năng truyền nhiệt giữa môi chất và bề mặt tấm. 

Các gân dập còn giúp tăng độ cứng cơ học cho tấm, hạn chế biến dạng khi chịu chênh lệch áp suất. Tuy nhiên, mức độ xáo trộn cao cũng có thể làm tăng tổn thất áp suất, vì vậy thiết kế tấm cần cân bằng giữa hiệu quả truyền nhiệt và chênh áp cho phép. 

Các loại bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phổ biến 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được chia thành nhiều loại, trong đó phổ biến nhất là dạng có gioăng, dạng brazed và dạng hàn. Mỗi loại phù hợp với điều kiện vận hành và yêu cầu bảo trì khác nhau. 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có gioăng 

Gasketed Plate Heat Exchanger sử dụng gioăng để làm kín và định hướng dòng chảy giữa các tấm. Ưu điểm chính là có thể tháo mở để vệ sinh, kiểm tra và thay thế tấm hoặc gioăng khi cần. 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm brazed 

Brazed Plate Heat Exchanger sử dụng quá trình brazing để liên kết các tấm thành một khối kín, không dùng gioăng giữa các tấm. Thiết bị có kết cấu nhỏ gọn và thường được sử dụng trong HVAC, heat pump và hệ thống lạnh. 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn 

Welded Plate Heat Exchanger sử dụng mối hàn để liên kết các tấm truyền nhiệt. Loại này phù hợp với một số môi chất, nhiệt độ hoặc áp suất mà thiết kế dùng gioăng không phù hợp. Khả năng tháo mở phụ thuộc vào cấu hình cụ thể. 

Loại	Đặc điểm chính	Khả năng tháo mở
Gasketed	Làm kín bằng gioăng	Có
Brazed	Liên kết bằng brazing	Không
Welded	Liên kết bằng mối hàn	Tùy thiết kế

Việc lựa chọn loại bộ trao đổi nhiệt dạng tấm cần dựa trên môi chất, nhiệt độ, áp suất và yêu cầu vệ sinh, bảo trì của hệ thống. 

Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống cần gia nhiệt, làm lạnh hoặc thu hồi nhiệt. Một số ứng dụng phổ biến gồm: 

• HVAC và hệ thống điều hòa không khí 
• Chiller và hệ thống nước lạnh 
• Heat Pump 
• Hệ thống lạnh công nghiệp 
• Thực phẩm và đồ uống 
• Công nghiệp hóa chất 
• Dầu khí 
• Năng lượng 
• Thu hồi nhiệt từ quy trình 
• Xử lý nước và nước thải 

Phạm vi ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào loại thiết bị, vật liệu tấm, gioăng và điều kiện vận hành của hệ thống. 

Ưu điểm của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có một số ưu điểm chính: 

• Thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian lắp đặt. 
• Diện tích truyền nhiệt lớn trên một thể tích thiết bị tương đối nhỏ. 
• Khả năng truyền nhiệt tốt nhờ cấu trúc tấm dập gân tạo dòng chảy xáo trộn. 
• Có nhiều cấu hình như dạng có gioăng, brazed và dạng hàn để phù hợp với từng ứng dụng. 
• Dòng có gioăng có thể tháo mở để vệ sinh, kiểm tra và thay thế tấm hoặc gioăng khi cần. 

Khi nào nên sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm? 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phù hợp khi hệ thống cần thiết bị có kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo khả năng truyền nhiệt tốt. Đây cũng là lựa chọn đáng cân nhắc trong các hệ thống có không gian lắp đặt hạn chế hoặc yêu cầu tối ưu diện tích thiết bị. 

Với dòng có gioăng, thiết bị đặc biệt phù hợp khi cần tháo mở để vệ sinh, kiểm tra hoặc thay thế tấm và gioăng trong quá trình bảo trì. Ngoài ra, một số cấu hình cho phép điều chỉnh số lượng tấm trong giới hạn thiết kế, giúp thiết bị linh hoạt hơn khi điều kiện vận hành thay đổi. 

Xem bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và giải pháp lựa chọn theo thông số vận hành. (link)

Câu hỏi thường gặp 

Plate Heat Exchanger có phải lúc nào cũng dùng gioăng không? 

Không. Ngoài loại có gioăng còn có bộ trao đổi nhiệt dạng brazed và dạng hàn. 

Hai môi chất có tiếp xúc trực tiếp với nhau không? 

Không. Trong điều kiện vận hành bình thường, hai môi chất được ngăn cách bởi các tấm truyền nhiệt. 

Tấm trao đổi nhiệt có luôn làm bằng thép không gỉ không? 

Không. Vật liệu tấm có thể là thép không gỉ, titanium hoặc các hợp kim khác tùy môi chất và điều kiện vận hành. 

Plate Heat Exchanger có thể dùng để gia nhiệt và làm lạnh không? 

Có. Thiết bị có thể được sử dụng cho cả quá trình gia nhiệt và làm lạnh tùy cách bố trí hệ thống. 

Dòng chảy trong thiết bị có luôn ngược chiều không? 

Không. Dòng ngược chiều được sử dụng phổ biến, nhưng cấu hình thực tế phụ thuộc vào thiết kế và yêu cầu công nghệ. 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có phù hợp với môi chất bẩn không? 

Có thể, nhưng cần đánh giá mức độ fouling, kích thước hạt và thiết kế kênh dòng để hạn chế nguy cơ tắc nghẽn. 

Có thể tháo vệ sinh tất cả các loại PHE không? 

Không. Dòng có gioăng thường có thể tháo mở, trong khi dạng brazed không được thiết kế để tháo rời cụm tấm. 

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm là thiết bị truyền nhiệt giữa hai môi chất thông qua hệ thống các tấm kim loại mỏng. Cấu trúc dạng tấm giúp tạo diện tích truyền nhiệt lớn, trong khi các kênh xen kẽ cho phép hai dòng lưu chất trao đổi nhiệt mà không trộn trực tiếp với nhau. 

Tùy theo ứng dụng, thiết bị có thể sử dụng cấu hình có gioăng, brazed hoặc dạng hàn. Khi cần lựa chọn model phù hợp, cần xem xét đồng thời môi chất, nhiệt độ, lưu lượng, áp suất và yêu cầu bảo trì của hệ thống.