Định cỡ bộ trao đổi nhiệt là một quá trình quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu, hiệu quả năng lượng và phù hợp với các ứng dụng công nghiệp cụ thể. Việc định cỡ liên quan đến việc xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt thích hợp và kích thước vật lý dựa trên tải nhiệt, tính chất chất lỏng, tốc độ dòng chảy và chênh lệch nhiệt độ.

Các bước chính và cân nhắc trong việc định cỡ bộ trao đổi nhiệt

• Tính tải nhiệt (Q): Xác định tổng lượng truyền nhiệt cần thiết, thường tính bằng kW hoặc BTU/giờ, dựa trên tốc độ dòng chất lỏng, nhiệt dung riêng và sự thay đổi nhiệt độ. Công thức thường được sử dụng là Q=m˙×Cp×ΔT với m˙m˙ là tốc độ dòng chảy khối lượng, Cp là nhiệt dung riêng, và ΔT là chênh lệch nhiệt độ87.

• Xác định chênh lệch nhiệt độ: Thiết lập nhiệt độ đầu vào và đầu ra cho chất lỏng nóng và lạnh. Sử dụng chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) để tính đến sự thay đổi nhiệt độ dọc theo chiều dài của bộ trao đổi nhiệt. LMTD rất quan trọng để tính toán sự truyền nhiệt hiệu quả57.

• Ước tính hệ số truyền nhiệt tổng thể (U): Hệ số này phụ thuộc vào loại bộ trao đổi nhiệt, tính chất chất lỏng, chế độ dòng chảy, các yếu tố bám bẩn và vật liệu. Nó đại diện cho tốc độ truyền nhiệt trên một đơn vị diện tích trên mỗi độ chênh lệch nhiệt độ59.

• Tính diện tích truyền nhiệt cần thiết (A): Sử dụng công thức A=Q/(U×LMTD), diện tích bề mặt cần thiết cho bộ trao đổi nhiệt được tìm thấy. Khu vực này quyết định kích thước và số lượng ống hoặc tấm cần thiết68.

• Chọn loại bộ trao đổi nhiệt: Các loại phổ biến bao gồm vỏ và ống, tấm và ống vây. Mỗi loại có đặc tính truyền nhiệt và phương pháp định cỡ khác nhau. Sự lựa chọn ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt và kích thước vật lý17.

• Xem xét giảm áp suất và tốc độ dòng chảy: Giảm áp suất ảnh hưởng đến yêu cầu và tốc độ dòng chảy của máy bơm, ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt. Kích thước phải đảm bảo giảm áp suất có thể chấp nhận được để duy trì lưu lượng mong muốn11.

• Tài khoản bám bẩn và bảo trì: Theo thời gian, sự bám bẩn làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. Thiết kế thường bao gồm biên độ an toàn hoặc quá khổ (ví dụ: lớn hơn 30-40%) để phù hợp với sự bám bẩn và đảm bảo hiệu suất lâu dài10.

Các phương pháp và công cụ phổ biến để định cỡ

• Quy tắc ngón tay cái: Sử dụng diện tích bề mặt gấp 1,5 đến 2 lần diện tích truyền nhiệt tính toán. Đơn giản nhưng có thể dẫn đến quá khổ hoặc quá nhỏ1.

• Phương pháp Osesse: Một phương pháp chính xác hơn kết hợp nhiệt dung riêng, hệ số truyền nhiệt và tốc độ truyền nhiệt để tính toán chính xác diện tích bề mặt cần thiết, áp dụng cho các loại bộ trao đổi nhiệt khác nhau1.

• Phương pháp của Kern: Một cách tiếp cận thiết kế cổ điển tính toán nhiệm vụ nhiệt và diện tích truyền nhiệt bằng cách sử dụng các tương quan thực nghiệm và phỏng đoán thiết kế8.

• Máy tính và mô phỏng phần mềm: Các công cụ như máy tính của Blackmonk Engineering và trình mô phỏng web của HISAKA tự động hóa các tính toán, bao gồm tốc độ dòng chảy, LMTD, diện tích truyền nhiệt và cân nhắc giảm áp suất611.

Tóm tắt công thức định cỡ

A=Q/(U×LMTD)

Với:

• A = Diện tích bề mặt truyền nhiệt (m²)

• Q = Tải nhiệt (kW)

• U = Hệ số truyền nhiệt tổng thể (kW / m² ·°C)

• LMTD = Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (°C)

Ghi chú cuối cùng

Kích thước bộ trao đổi nhiệt thích hợp cân bằng các yêu cầu truyền nhiệt, động lực học chất lỏng, giảm áp suất và các ràng buộc vật lý. Quá khổ có thể dẫn đến chi phí không cần thiết và sử dụng không gian, trong khi quá nhỏ làm giảm hiệu quả và hiệu suất. Sử dụng các phương pháp chi tiết như phương pháp Oesse hoặc phương pháp Kern, kết hợp với các công cụ mô phỏng hiện đại, đảm bảo thiết kế bộ trao đổi nhiệt chính xác và hiệu quả phù hợp với các ứng dụng cụ thể17811.