Khi lựa chọn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, nhiều khách hàng chủ yếu tập trung vào giá mua. Tuy nhiên, chất lượng và giá thành của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phần lớn được xác định bởi một số yếu tố chính, bao gồm vật liệu tấm, thiết kế kết cấu, diện tích truyền nhiệt và nhiệm vụ nhiệt yêu cầu.
Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan thực tế về tính toán kích thước bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và giới thiệu hai phương pháp thiết kế thường được sử dụng: Phương pháp chênh lệch nhiệt độ trung bình log (LMTD) và Phương pháp số đơn vị truyền tải (NTU).
Mặc dù mỗi ứng dụng đều có điều kiện vận hành riêng, thông tin sau đây cung cấp điểm khởi đầu hữu ích để chọn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phù hợp.
1. Bộ trao đổi nhiệt dạng tấmTính toán kích thước
Nhiệm vụ nhiệt
Nhiệm vụ nhiệt đề cập đến lượng nhiệt mà bộ trao đổi nhiệt phải truyền.
Dựa trên các điều kiện của quy trình, tốc độ dòng chất lỏng, nhiệt độ đầu vào và đầu ra và các thông số vận hành khác, có thể tính toán công suất nhiệt yêu cầu.
Diện tích truyền nhiệt
Diện tích truyền nhiệt là một trong những thông số quan trọng nhất khi xác định kích thước của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.
Nó được tính toán dựa trên công suất nhiệt cần thiết, tốc độ dòng chất lỏng, nhiệt độ vận hành và hiệu suất truyền nhiệt.
Số lượng tấm
Số lượng tấm xác định bề mặt truyền nhiệt có sẵn bên trong bộ trao đổi nhiệt.
Nói chung, việc tăng số lượng tấm mang lại diện tích truyền nhiệt lớn hơn và cải thiện hiệu suất nhiệt.
Tuy nhiên, các tấm bổ sung cũng làm tăng chi phí thiết bị và giảm áp suất.
Số lượng tấm cần thiết phải được xác định theo diện tích truyền nhiệt, kích thước tấm và điều kiện dòng chảy.
Model và thông số kỹ thuật
Sau khi xác định được các thông số thiết kế chính, có thể chọn mô hình phù hợp từ dòng sản phẩm có sẵn.
Lựa chọn nên xem xét các yếu tố như:
- Vật liệu tấm
- Đánh giá áp suất
- Chống ăn mòn
- Nhiệt độ hoạt động
- Yêu cầu quy trình
Giảm áp suất
Giảm áp suất đề cập đến sự mất áp suất của chất lỏng khi đi qua bộ trao đổi nhiệt.
Nó phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm:
- Tốc độ dòng chảy
- Số lượng tấm
- Khoảng cách tấm
- Độ dày tấm
Khi chọn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, điều quan trọng là phải xác minh rằng mức giảm áp suất tính toán vẫn nằm trong giới hạn cho phép của hệ thống xử lý.
Bản tóm tắt
Phương pháp định cỡ chính xác phải luôn được điều chỉnh theo điều kiện hoạt động cụ thể của từng ứng dụng.
Ngoài tính toán nhiệt, các yêu cầu lắp đặt, khả năng tiếp cận bảo trì và phương pháp làm sạch cũng cần được xem xét để đảm bảo hoạt động lâu dài và đáng tin cậy.
Trong số các phương pháp tính toán khác nhau hiện có,Ghi lại phương pháp chênh lệch nhiệt độ trung bình (LMTD)vàPhương pháp số lượng đơn vị chuyển giao (NTU)là hai phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để thiết kế bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.
Cả hai phương pháp đều dựa trên nguyên tắc truyền nhiệt và mối tương quan giảm áp suất.
2. Phương pháp chênh lệch nhiệt độ trung bình log (LMTD) là gì?
Phương pháp chênh lệch nhiệt độ trung bình log (LMTD) là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để tính toán khả năng truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.
Nguyên tắc cơ bản của nó giả định rằng sự trao đổi nhiệt xảy ra dựa trên chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa chất lỏng nóng và lạnh.
Quá trình truyền nhiệt được chia thành một loạt các phần nhỏ.
Trong mỗi phần, nhiệt độ của hai chất lỏng được biểu thị bằngT₁, T₂, T₃, VàT₄.
Nhiệt truyền trong mỗi phần được tính riêng và tổng tốc độ truyền nhiệt thu được bằng cách tính tổng các kết quả.
Thay vì sử dụng chênh lệch nhiệt độ thực tế ở từng phần, phương pháp này sử dụnglog chênh lệch nhiệt độ trung bình.
Phương trình LMTD là:
Ở đâu:
- ΔT₁= Chênh lệch nhiệt độ ở một đầu của bộ trao đổi nhiệt
- ΔT₂= Chênh lệch nhiệt độ ở đầu bên kia
- ΔTlm= Nhật ký chênh lệch nhiệt độ trung bình
Tổng hệ số truyền nhiệt được tính như sau:
Q=U × A × ∆Tlm
Ở đâu:
- Q= Tốc độ truyền nhiệt
- U= Hệ số truyền nhiệt tổng thể
- A= Diện tích truyền nhiệt hiệu quả
- ΔTlm= Nhật ký chênh lệch nhiệt độ trung bình
Trong các ứng dụng thực tế, nhiệt độ chất lỏng liên tục thay đổi dọc theo đường dẫn dòng chảy.
Do đó, việc tính toán phải được thực hiện bằng cách sử dụng các điều kiện vận hành thực tế và các giá trị thích hợp choUVàAđược lựa chọn để có được kết quả chính xác.
3. Phương pháp thiết kế bộ trao đổi nhiệt dạng tấm của NTU
cácPhương pháp số lượng đơn vị chuyển giao (NTU)là một phương pháp khác được sử dụng rộng rãi để ước tính hiệu suất nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm.
Không giống như Phương pháp LMTD, Phương pháp NTU dựa trên khái niệm vềSố đơn vị chuyển giao (NTU), một tham số không thứ nguyên biểu thị khả năng truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt.
NTU phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ dòng khối, công suất nhiệt và hiệu suất truyền nhiệt tổng thể.
Bước 1. Xác định tính chất nhiệt và chất lỏng
Dựa vào điều kiện của quá trình, hãy tính:
- Nhiệm vụ nhiệt cần thiết
- Tốc độ dòng chảy lớn
- Nhiệt dung riêng của từng chất lỏng
Bước 2. Xác định khả năng truyền nhiệt
Khả năng truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt được thể hiện bằng:
- Hệ số truyền nhiệt tổng thể (U)
- Diện tích truyền nhiệt hiệu quả (A)
Hệ số truyền nhiệt tổng thể mô tả tốc độ truyền nhiệt giữa hai chất lỏng trên một đơn vị chênh lệch nhiệt độ.
Bước 3. Tính giá trị NTU
NTU được tính bằng cách sử dụng:
Ở đâu:
- Cminlà nhiệt dung nhỏ hơn của hai chất lỏng.
Bước 4. Tính hiệu suất trao đổi nhiệt
Hiệu suất trao đổi nhiệt có thể được ước tính bằng cách sử dụng:
ε=1 - exp(-NTU × (1 - Cr))
Ở đâu:
- ε= Hiệu suất trao đổi nhiệt
- Cr= Tỷ lệ công suất nhiệt, được định nghĩa là tỷ lệ giữa tốc độ công suất nhiệt nhỏ hơn và tốc độ công suất nhiệt lớn hơn.
Bước 5. Tính tốc độ truyền nhiệt
Khi đó hệ số truyền nhiệt được tính như sau:
Q=ε × Cmin × (T1 - T2)
Ở đâu:
- Q= Tốc độ truyền nhiệt
- T₁ – T₂= Chênh lệch nhiệt độ giữa dòng vào của hai chất lỏng.
Ghi chú
Phương pháp NTU yêu cầu số lượng tham số đầu vào lớn hơn Phương pháp LMTD và các phép tính thường phức tạp hơn.
Vì lý do này, dữ liệu vận hành chính xác là điều cần thiết để đảm bảo kết quả tính toán đáng tin cậy.
Khi được sử dụng đúng cách, Phương pháp NTU cung cấp một cách hiệu quả để đánh giá hiệu suất nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, đặc biệt khi không xác định được nhiệt độ đầu ra trong giai đoạn thiết kế.
