Cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng tấm gồm những bộ phận nào?

Cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng tấm gồm cụm tấm truyền nhiệt được lắp trong một hệ thống khung, kết hợp với các bộ phận làm kín, dẫn hướng và kết nối môi chất. Các tấm được bố trí liên tiếp để tạo thành nhiều kênh dòng chảy, nơi hai môi chất trao đổi nhiệt qua bề mặt tấm mà không trộn trực tiếp với nhau.

Cấu tạo thực tế sẽ khác nhau giữa Gasketed Plate Heat Exchanger, Brazed Plate Heat Exchanger và Welded Plate Heat Exchanger. Trong đó, dạng có gioăng (Gasketed PHE) thể hiện rõ nhất các thành phần như tấm truyền nhiệt, gioăng, cụm tấm, tấm khung, tấm ép, thanh đỡ, bu lông siết và cổng kết nối. Các phần dưới đây sẽ làm rõ chức năng của từng bộ phận trong hệ thống.

Tổng quan cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, đặc biệt với dòng Gasketed Plate Heat Exchanger, gồm một cụm tấm truyền nhiệt được ép chặt trong hệ thống khung. Các tấm được xếp liên tiếp để tạo thành những kênh dòng chảy xen kẽ cho môi chất nóng và môi chất lạnh.

Trong cụm này, tấm truyền nhiệt đảm nhiệm quá trình truyền nhiệt, gioăng làm kín và định hướng dòng chảy, còn khung, tấm ép, thanh đỡ và bu lông giữ toàn bộ cụm tấm đúng vị trí. Các cổng kết nối đưa môi chất vào và ra khỏi thiết bị.

Plate pack là khu vực truyền nhiệt chính của thiết bị. Tùy thiết kế, cụm này có thể gồm các tấm kênh, tấm đầu, gioăng và một số tấm chuyển tiếp.

Bộ phận	Chức năng chính
Tấm truyền nhiệt	Truyền nhiệt và tạo kênh dòng chảy
Gioăng	Làm kín và định hướng môi chất
Cụm tấm	Tạo tổng diện tích trao đổi nhiệt
Tấm khung cố định	Đỡ và cố định thiết bị
Tấm ép	Ép chặt cụm tấm
Thanh đỡ	Treo và giữ các tấm
Thanh dẫn hướng	Giữ các tấm thẳng hàng
Bu lông siết	Tạo lực ép lên cụm tấm
Cổng kết nối	Dẫn môi chất vào và ra khỏi thiết bị

Tấm truyền nhiệt

Tấm truyền nhiệt hay còn gọi là tấm trao đổi nhiệt là bộ phận trực tiếp tạo bề mặt trao đổi nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm. Các tấm được xếp liên tiếp trong plate pack, tạo thành những kênh riêng cho môi chất nóng và môi chất lạnh. Ở nhiều thiết kế gasketed PHE, các tấm channel plate được lắp xen kẽ theo hướng A/B để tạo các kênh dòng chảy giữa những tấm liền kề.

Tấm truyền nhiệt có chức năng gì?

Tấm truyền nhiệt thực hiện ba nhiệm vụ chính:

• Ngăn cách hai môi chất trong điều kiện vận hành bình thường.
• Truyền nhiệt qua chiều dày tấm từ môi chất nóng sang môi chất lạnh.
• Cùng với tấm kế cận tạo thành kênh dòng chảy.

Tổng diện tích truyền nhiệt của thiết bị phụ thuộc vào diện tích hữu ích của từng tấm và số lượng tấm tham gia trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, không nên hiểu đơn giản rằng chỉ cần tăng số tấm là hiệu suất luôn tăng tương ứng, vì thiết kế còn chịu ảnh hưởng của lưu lượng, cách bố trí kênh và tổn thất áp suất.

Cấu tạo bề mặt tấm truyền nhiệt

Ở một tấm truyền nhiệt điển hình có thể phân biệt các vùng chính như:

• Khu vực lỗ cổng để môi chất đi vào và ra.
• Vùng phân phối giúp đưa dòng chảy từ cổng vào bề mặt tấm.
• Vùng truyền nhiệt chính.
• Các gân hoặc corrugation được dập trên bề mặt.

Hình dạng cụ thể của từng vùng khác nhau theo model và nhà sản xuất, vì vậy không nên coi đây là một hình học tiêu chuẩn áp dụng cho tất cả Plate Heat Exchanger.

Vì sao tấm truyền nhiệt được dập gân?

Các tấm không được làm hoàn toàn phẳng vì corrugation giúp tạo kênh dòng chảy, tăng xáo trộn của lưu chất và tạo các điểm tiếp xúc cơ học giữa các tấm.

Alfa Laval cho biết các plate có thể sử dụng nhiều độ sâu dập, góc chevron và hình dạng corrugation khác nhau để tối ưu hiệu suất. Corrugation cũng góp phần tạo độ bền cơ học tại các điểm tiếp xúc giữa các tấm.

Mức độ xáo trộn càng cao thường giúp tăng truyền nhiệt nhưng đồng thời làm tăng pressure drop. Vì vậy, hình học tấm phải được lựa chọn để cân bằng giữa thermal performance và tổn thất áp suất cho phép.

Các dạng vân tấm thường gặp

Trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, các kiểu vân phổ biến và thiết kế chuyên dụng gồm:

• Chevron/Fishbone: Gân dập hình chữ V hoặc xương cá, phổ biến trong Gasketed Plate Heat Exchanger. Góc gân và độ sâu dập ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt và tổn thất áp suất.
• Vân kênh rộng (Wide Gap): Thiết kế kênh có khoảng hở lớn hơn, phù hợp với một số môi chất có độ nhớt cao, chứa sợi hoặc dễ gây tắc nghẽn.
• Micro Plate: Công nghệ tạo hình bề mặt tấm của Danfoss, sử dụng cấu trúc dập đặc biệt để tối ưu truyền nhiệt và tổn thất áp suất, được ứng dụng trong một số dòng Brazed Plate Heat Exchanger.

Việc lựa chọn kiểu vân tấm phụ thuộc vào đặc tính môi chất, lưu lượng, yêu cầu truyền nhiệt và tổn thất áp suất cho phép của hệ thống.

Vật liệu tấm truyền nhiệt phổ biến

Vật liệu tấm được lựa chọn theo môi chất và điều kiện vận hành. Các vật liệu thường gặp gồm:

AISI 304, AISI 316/316L, Titanium, SMO, Hastelloy và một số hợp kim chuyên dụng khác

Gioăng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Gioăng là bộ phận quan trọng trong Gasketed Plate Heat Exchanger, có nhiệm vụ làm kín giữa các tấm truyền nhiệt và định hướng môi chất đi đúng kênh dòng chảy. Nhờ hệ thống gioăng, hai môi chất nóng và lạnh được phân phối xen kẽ qua các kênh riêng biệt mà không trộn trực tiếp với nhau trong điều kiện vận hành bình thường.

Gioăng có chức năng gì?

Gioăng thực hiện hai chức năng chính:

• Làm kín giữa các tấm, hạn chế rò rỉ môi chất ra bên ngoài.
• Điều hướng dòng nóng và dòng lạnh vào các kênh luân phiên trong cụm plate pack.

Nói cách khác, gioăng không chỉ đóng vai trò sealing mà còn tham gia trực tiếp vào việc tổ chức đường đi của môi chất trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.

Gioăng được bố trí như thế nào?

Gioăng được lắp trên bề mặt từng tấm truyền nhiệt, bao quanh vùng trao đổi nhiệt và các lỗ cổng theo thiết kế của tấm.

Cách bố trí gioăng quyết định cổng nào thông với kênh dòng chảy và cổng nào được chặn lại. Khi các tấm được xếp xen kẽ, hệ thống gioăng sẽ tạo ra các kênh riêng cho môi chất nóng và môi chất lạnh.

Vì vậy, vị trí gioăng phải đúng với chiều lắp tấm và cấu hình của nhà sản xuất. Lắp sai vị trí có thể làm sai đường dòng, gây rò rỉ hoặc ảnh hưởng đến khả năng làm việc của thiết bị.

Vật liệu gioăng thường gặp

Vật liệu gioăng được lựa chọn theo loại môi chất và điều kiện vận hành. Một số vật liệu phổ biến gồm:

• EPDM: thường được sử dụng trong các ứng dụng nước và HVAC.
• NBR: thường gặp trong một số ứng dụng liên quan đến dầu và môi chất công nghiệp.
• FKM: được dùng trong một số ứng dụng yêu cầu khả năng chịu nhiệt hoặc kháng hóa chất cao hơn.

Cụm tấm truyền nhiệt Plate Pack

Plate Pack là cụm gồm nhiều tấm truyền nhiệt được xếp liên tiếp, tạo thành các kênh dòng chảy (channel) xen kẽ cho môi chất nóng và lạnh. Hai môi chất được ngăn cách bởi các tấm kim loại và trao đổi nhiệt qua bề mặt tấm.

Trong Gasketed Plate Heat Exchanger, cụm tấm được ép giữa tấm khung cố định (Frame Plate) và tấm ép (Pressure Plate) bằng hệ thống bu lông siết để đảm bảo độ kín của gioăng.

Số lượng kênh dòng chảy phụ thuộc vào số tấm và cấu hình thiết kế. Với cụm gồm n tấm xếp liên tiếp, có thể hình thành n − 1 khoảng kênh, nhưng số kênh dành cho từng môi chất còn phụ thuộc vào cách bố trí tấm.

Khung bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Khung là bộ phận cơ khí dùng để giữ, định vị và tạo lực ép lên cụm tấm truyền nhiệt trong Gasketed Plate Heat Exchanger. Cấu tạo khung thường gồm tấm khung cố định, tấm ép, thanh đỡ, thanh dẫn hướng và cột đỡ. Các bộ phận này phối hợp với nhau để giữ plate pack đúng vị trí và cho phép tháo mở thiết bị khi cần bảo trì.

Tấm khung cố định – Frame Plate

Frame Plate là tấm cố định của bộ khung, có nhiệm vụ đỡ và giữ cụm tấm truyền nhiệt. Đây cũng thường là vị trí bố trí các cổng kết nối để đưa môi chất vào và ra khỏi thiết bị.

Tùy cấu hình của nhà sản xuất, số lượng và vị trí cổng kết nối trên frame plate có thể khác nhau.

Tấm ép – Pressure Plate

Pressure Plate là tấm có thể di chuyển dọc theo hệ thống khung. Khi bu lông siết được ép chặt, pressure plate tạo lực nén lên plate pack theo hướng về phía frame plate.

Ở dòng gasketed, pressure plate có thể được dịch chuyển khi tháo thiết bị, giúp mở cụm tấm để kiểm tra, vệ sinh hoặc thay thế tấm và gioăng.

 

Thanh đỡ – Carrying Bar

Carrying Bar nằm phía trên cụm tấm, có nhiệm vụ treo và đỡ các tấm truyền nhiệt cùng pressure plate.

Khi thiết bị được tháo mở, các tấm có thể được trượt dọc theo carrying bar, giúp quá trình kiểm tra và bảo trì thuận tiện hơn.

Thanh dẫn hướng – Guiding Bar

Guiding Bar thường nằm phía dưới cụm tấm, giúp định vị các tấm truyền nhiệt và pressure plate theo đúng phương.

Bộ phận này hạn chế tình trạng lệch plate pack trong quá trình lắp ráp, siết cụm tấm hoặc tháo mở bảo trì.

Cột đỡ – Support Column

Support Column được sử dụng trên một số thiết kế để đỡ carrying bar và guiding bar ở đầu phía sau của khung.

Cột đỡ giúp duy trì độ ổn định cơ học của toàn bộ kết cấu, đặc biệt với các bộ trao đổi nhiệt có plate pack dài hoặc kích thước lớn.

Bu lông siết và cơ cấu ép cụm tấm

Bu lông siết (tightening bolts) có nhiệm vụ ép pressure plate về phía frame plate, tạo lực nén lên toàn bộ plate pack. Lực ép này giúp các gioăng tiếp xúc đúng với bề mặt tấm và duy trì độ kín giữa các channel trong quá trình vận hành.

Khoảng ép của cụm tấm phải tuân theo giá trị thiết kế do nhà sản xuất quy định. Siết quá chặt có thể làm biến dạng tấm hoặc ảnh hưởng đến gioăng, trong khi siết quá lỏng có thể gây rò rỉ hoặc làm sai kích thước kênh dòng chảy. Vì vậy, không nên tự ý thay đổi độ siết nếu không có dữ liệu kỹ thuật của thiết bị.

Cổng kết nối và đường đi của môi chất

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm thường có bốn cổng chính:

• Hot inlet: môi chất nóng vào
• Hot outlet: môi chất nóng ra
• Cold inlet: môi chất lạnh vào
• Cold outlet: môi chất lạnh ra

Từ các cổng kết nối, môi chất đi qua các lỗ cổng trên tấm rồi được phân phối vào hệ thống channel tương ứng. Gioăng và cách bố trí tấm quyết định kênh nào dành cho dòng nóng và kênh nào dành cho dòng lạnh.

Với một số cấu hình single-pass, các cổng có thể tập trung trên frame plate. Ở các cấu hình khác, một số connection có thể được bố trí cả phía pressure plate tùy thiết kế.

Hot In → Channel nóng → Hot Out

Cold In → Channel lạnh → Cold Out

Các bộ phận phối hợp với nhau như thế nào?

Các bộ phận trong Plate Heat Exchanger hoạt động theo một chuỗi liên kết thống nhất. Cổng kết nối đưa môi chất vào thiết bị, sau đó gioăng định hướng dòng chảy vào đúng channel. Các tấm truyền nhiệt ngăn cách hai môi chất và cho phép nhiệt truyền qua bề mặt tấm.

Plate pack tạo nên tổng diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị, trong khi frame plate và pressure plate giữ toàn bộ cụm tấm đúng vị trí. Bu lông siết tạo lực ép cần thiết để duy trì độ kín, còn carrying bar và guiding bar giúp các tấm được treo, dẫn hướng và giữ thẳng hàng.

Có thể tóm tắt đường đi của môi chất và quá trình truyền nhiệt như sau:

Connection → Port → Channel → Plate → Heat Transfer → Outlet

Những bộ phận nào cần kiểm tra khi bảo trì?

Trong quá trình bảo trì bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, cần kiểm tra các bộ phận quan trọng để phát hiện sớm tình trạng bám bẩn, rò rỉ, ăn mòn hoặc hư hỏng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành.

Các vị trí cần kiểm tra gồm:

• Bề mặt tấm truyền nhiệt: Kiểm tra cặn bám, ăn mòn, vết nứt hoặc biến dạng của tấm.
• Gioăng làm kín: Kiểm tra tình trạng lão hóa, biến dạng, hư hỏng và khả năng làm kín.
• Kênh dòng chảy (Channel): Kiểm tra cặn bẩn, tắc nghẽn hoặc hiện tượng fouling làm giảm khả năng truyền nhiệt.
• Cổng kết nối: Kiểm tra dấu hiệu rò rỉ, ăn mòn và tình trạng các mối nối.
• Bu lông siết: Kiểm tra tình trạng cơ khí và kích thước ép cụm tấm theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
• Cụm tấm (Plate Pack): Kiểm tra độ thẳng hàng, vị trí lắp đặt và tình trạng xô lệch của các tấm.

Việc kiểm tra cần thực hiện theo hướng dẫn kỹ thuật của từng thiết bị để bảo đảm an toàn và duy trì khả năng trao đổi nhiệt ổn định.

Xem thêm: Cách bảo trì và vệ sinh bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.

Câu hỏi thường gặp về cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

1. Độ dày tấm truyền nhiệt có ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi nhiệt không?

Có. Độ dày tấm ảnh hưởng đến điện trở dẫn nhiệt và khả năng chịu tải cơ học. Tấm mỏng giúp giảm điện trở dẫn nhiệt nhưng phải đáp ứng yêu cầu độ bền của thiết bị.

2. Có thể sử dụng tấm truyền nhiệt của các hãng khác nhau để thay thế không?

Không nên. Tấm thay thế phải tương thích về kích thước, hình dạng dập gân, vị trí cổng và thiết kế gioăng của thiết bị.

3. Có thể sử dụng nhiều kiểu tấm truyền nhiệt trong cùng một thiết bị không?

Có. Một số thiết kế cho phép kết hợp các kiểu tấm khác nhau để đáp ứng yêu cầu truyền nhiệt và tổn thất áp suất.

4. Kích thước kênh dòng chảy có ảnh hưởng đến khả năng tắc nghẽn không?

Có. Kênh dòng chảy hẹp có nguy cơ tắc nghẽn cao hơn khi môi chất chứa cặn hoặc hạt rắn. Mức độ ảnh hưởng còn phụ thuộc vào hình dạng kênh và đặc tính môi chất.

5. Có thể thay đổi kích thước khung mà vẫn giữ nguyên tấm truyền nhiệt không?

Có thể trong một số thiết kế, nhưng khung mới phải tương thích với kích thước tấm, hệ thống dẫn hướng, cơ cấu ép và giới hạn thiết kế của nhà sản xuất.