Tin tức
Tin tức
Trang chủ / Tin tức / Tin tức ngành / Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm - Hướng dẫn thiết kế, lựa chọn, định cỡ và bảo trì hiệu quả

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm - Hướng dẫn thiết kế, lựa chọn, định cỡ và bảo trì hiệu quả

Công ty TNHH Nhôm Vô Tích Jinlianshun 2025.10.16

1. Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm - tổng quan và ưu điểm cốt lõi

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm là thiết bị nhiệt hiệu quả cao được thiết kế để truyền nhiệt giữa hai hoặc nhiều chất lỏng trong khi vẫn duy trì kích thước nhỏ gọn và kết cấu nhẹ. Chúng bao gồm các tấm kim loại xếp chồng lên nhau được ngăn cách bằng các vây tạo ra nhiều đường dẫn dòng chảy; hình dạng vây làm tăng diện tích bề mặt và thúc đẩy sự nhiễu loạn để cải thiện khả năng truyền nhiệt đối lưu. Các ưu điểm điển hình bao gồm tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao, trọng lượng trên mỗi kW thấp, khả năng đa luồng (không khí, khí-dầu, chất lỏng-khí) và dễ dàng tùy chỉnh theo yêu cầu về áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy.

2. Cân nhắc về thiết kế và xây dựng

Một thiết kế thực tế bắt đầu bằng việc xác định công suất (tải nhiệt), nhiệt độ đầu vào/đầu ra, độ giảm áp suất tối đa cho phép và các đặc tính của chất lỏng. Các biến số xây dựng chính xác định hiệu suất là loại vây, chiều cao và khoảng cách vây, độ dày tấm, lựa chọn vật liệu, phương pháp hàn hoặc hàn và sắp xếp dòng chảy (dòng chảy ngang, dòng chảy ngược hoặc nhiều dòng). Các nhà thiết kế thường lập mô hình truyền nhiệt bằng phương pháp chênh lệch nhiệt độ trung bình log (LMTD) và xác minh bằng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) khi tồn tại trọng lượng chặt chẽ hoặc hạn chế nhiệt.

2.1 Vật liệu, khả năng hàn và chống ăn mòn

Vật liệu thường được sử dụng là nhôm (nhẹ, dẫn nhiệt tuyệt vời), thép không gỉ (áp suất/nhiệt độ cao hơn, chống ăn mòn) và đồng (dẫn điện tuyệt vời nhưng nặng hơn và đắt hơn). Hàn đồng (hợp kim hàn nhôm hoặc đồng) là phổ biến để nối các tấm và vây; hàn chân không tạo ra các mối nối đáng tin cậy cho các thiết bị hàng không vũ trụ và đông lạnh hiệu suất cao. Chọn vật liệu và phương pháp nối dựa trên nhiệt độ vận hành, tính chất hóa học của chất lỏng và độ bền cơ học cần thiết.

2.2 Hình dạng vây và tác động của nó đến truyền nhiệt và giảm áp suất

Hình dạng cánh tản nhiệt (trơn, đục lỗ, có mái che, lượn sóng hoặc dải lệch) kiểm soát sự cân bằng giữa hệ số truyền nhiệt và độ giảm áp suất. Các cánh tản nhiệt và dải lệch làm tăng sự nhiễu loạn và truyền nhiệt nhưng cũng làm tăng độ sụt áp; các cánh tản nhiệt trơn giảm thiểu sự sụt giảm áp suất nhưng yêu cầu diện tích phía trước lớn hơn cho nhiệm vụ tương đương. Thực hành thiết kế điển hình là chọn vây đáp ứng ΔP cho phép đồng thời giảm thiểu trọng lượng và diện tích phía trước.

3. Hiệu suất nhiệt: danh sách kiểm tra tính toán

Thực hiện theo danh sách kiểm tra từng bước này để ước tính hiệu suất nhiệt cho thiết kế ban đầu:

  • Xác định nhiệt độ vào/ra và tốc độ dòng khối cho mỗi luồng.
  • Tính công suất nhiệt yêu cầu Q = ṁ·c_p·ΔT cho tất cả các luồng.
  • Chọn hình dạng vây và ước tính hệ số đối lưu từng phía (sử dụng mối tương quan hoặc dữ liệu của nhà cung cấp).
  • Tính hệ số truyền nhiệt tổng thể U bao gồm hiệu suất của vây và dẫn nhiệt qua các tấm.
  • Sử dụng A = Q / (U·LMTD) để ước tính diện tích truyền nhiệt cần thiết; lặp lại với các ràng buộc giảm áp suất.

4. Giảm áp suất và giới hạn cơ học - sự cân bằng thực tế

Thiết kế vây tấm thường bị hạn chế bởi độ giảm áp suất cho phép. Mật độ vây cao và hình dạng vây hung hãn làm tăng khả năng truyền nhiệt nhưng cũng làm tăng tổn thất áp suất và công suất quạt/bơm. Đối với chất khí, độ giảm áp suất tăng mạnh theo vận tốc và lực cản của vây; đối với chất lỏng, việc lựa chọn cẩn thận kích thước đường dẫn sẽ tránh được tổn thất nhớt cao. Các giới hạn cơ học bao gồm áp suất làm việc tối đa, độ giãn nở chênh lệch giữa các vật liệu và độ mỏi của mối hàn hàn dưới tải nhiệt theo chu kỳ—quan trọng đối với việc sử dụng hàng không vũ trụ và đông lạnh.

5. Thực hành tốt nhất về bám bẩn, làm sạch và bảo trì

Bởi vì bộ trao đổi dạng tấm sử dụng các lối đi hẹp nên chúng nhạy cảm hơn với các hạt bụi bẩn và cặn bẩn do hơi ngưng tụ. Thực tiễn tốt nhất:

  • Chỉ định quá trình lọc và phân tách ngược dòng để giảm lượng hạt và giọt.
  • Chọn vật liệu vây và tấm tương thích với hóa chất tẩy rửa nếu dự kiến ​​phải làm sạch bằng hóa chất.
  • Thiết kế để kiểm tra tại chỗ hoặc bao gồm các mô-đun lõi có thể thay thế cho các ứng dụng có yêu cầu khắt khe.
  • Sử dụng chức năng xả ngược định kỳ (đối với dòng chảy thuận nghịch) hoặc làm sạch bằng khí nén nếu có.

6. Hướng dẫn định cỡ và tính toán ví dụ

Ví dụ về kích thước ngắn gọn (không khí thành chất lỏng): công suất yêu cầu 50 kW, đầu vào không khí 25°C đến 45°C, đầu vào nước 40°C đến 35°C, phía không khí cho phép ΔP = 150 Pa. Cách tiếp cận nhanh: tính Q và tốc độ dòng khối nước, ước tính hệ số truyền nhiệt phía không khí dựa trên loại cánh tản nhiệt và diện tích phía trước đã chọn, tính U và A bằng LMTD, sau đó kiểm tra tốc độ không khí cho ΔP giới hạn. Trong thực tế, bạn phải lặp lại khoảng cách vây và diện tích phía trước; các nhà cung cấp thường cung cấp bản đồ hiệu suất để đẩy nhanh quá trình này.

7. Danh sách kiểm tra ứng dụng và lựa chọn cho người mua

Các lĩnh vực ứng dụng phổ biến bao gồm bộ làm mát liên động và loại bỏ nhiệt hàng không vũ trụ, thiết bị làm lạnh, xử lý khí, tàu làm mát dầu & khí đốt và bộ tiết kiệm HVAC nhỏ gọn. Sử dụng danh sách kiểm tra này để chọn nhà cung cấp hoặc sản phẩm:

  • Xác nhận nhiệm vụ nhiệt, ΔP cho phép và nhiệt độ chất lỏng tối đa/tối thiểu.
  • Yêu cầu chứng chỉ vật liệu và hàn đồng cũng như báo cáo thử nghiệm (kiểm tra áp suất/rò rỉ, đường cong kiểm tra hiệu suất).
  • Yêu cầu xác nhận của bên thứ 3 đối với các ứng dụng quan trọng (hàng không vũ trụ, công nghệ đông lạnh, khu vực lân cận hạt nhân).
  • Đánh giá các tùy chọn truy cập bảo trì và mô-đun dự phòng để có khả năng hoạt động lâu dài.

8. So sánh: bộ trao đổi nhiệt dạng tấm với bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống và dạng tấm

Bảng dưới đây tóm tắt những cân nhắc thực tế để giúp quyết định khi nào bộ trao đổi cánh tản nhiệt dạng tấm là lựa chọn phù hợp.

tham số Bộ trao đổi vây tấm Vỏ và ống Tấm đệm
Công suất riêng / kW·kg⁻¹ Rất cao Thấp Trung bình
Nhạy cảm với ô nhiễm Cao (lối đi hẹp) Thấp (larger passages) Trung bình (cleanable)
Khả năng đa luồng Tuyệt vời bị giới hạn bị giới hạn
Chi phí điển hình Trung bình–high (depends on material) Thấper for simple designs Cạnh tranh

9. Tiêu chí thử nghiệm, chứng nhận và nghiệm thu

Chỉ định các thử nghiệm chấp nhận trong đơn đặt hàng: thử nghiệm áp suất thủy tĩnh, thử nghiệm rò rỉ khí heli (đối với các thiết bị chân không/đông lạnh), xác nhận đường cong hiệu suất (nhiệm vụ đo được so với dự đoán) và kiểm tra không phá hủy các mối nối hàn đồng khi được yêu cầu. Đối với các hệ thống quan trọng về an toàn bao gồm các thử nghiệm độ mỏi và chu trình nhiệt. Yêu cầu tài liệu QA do nhà cung cấp cung cấp chẳng hạn như truy xuất nguồn gốc vật liệu và báo cáo hàn kín.

10. Tham khảo nhanh — lời khuyên thiết thực dành cho kỹ sư

  • Nếu trọng lượng và độ nén là những hạn chế chính (máy bay, thiết bị di động) thì tấm vây thường được ưu tiên hơn.
  • Đối với chất lỏng bẩn hoặc chứa nhiều hạt, hãy ưu tiên loại vỏ và ống hoặc cung cấp khả năng lọc sơ bộ mạnh mẽ.
  • Khi thiết kế cho dịch vụ ở nhiệt độ rất thấp (làm lạnh), thiết kế cánh tản nhiệt bằng nhôm được hàn chân không là tiêu chuẩn công nghiệp—hãy chú ý đến sự co lại và bịt kín khác biệt.
  • Luôn yêu cầu bản đồ hiệu suất của nhà cung cấp (nhiệm vụ so với ΔP) và chứng chỉ kiểm tra trước khi lựa chọn cuối cùng.