Phân loại các bộ trao đổi nhiệt theo phương tiện: Hướng dẫn kỹ thuật công nghiệp

Phân loại bộ trao đổi nhiệt theo phương tiện phân loại thiết bị dựa trên trạng thái vật lý (giai đoạn) của các chất lỏng trao đổi năng lượng nhiệt.Khả năng nhiệt đặc tính (c_p) và dẫn nhiệt (k) của phương tiện trực tiếp quyết định hệ số chuyển nhiệt tổng thể (U) và dấu chân vật lý của thiết bịBốn phân loại công nghiệp chính là máy trao đổi nhiệt chất lỏng-đối-đồ lỏng, khí-đối-đồ lỏng, khí-đối-ga, và pha-chuyển (Hai-Phase).

Hệ thống chất lỏng-với-vật lỏng có hiệu quả cao do độ dẫn nhiệt cao tự nhiên và mật độ của chất lỏng (như nước, dầu và hóa chất lỏng).

Bởi vì chất lỏng cung cấp hệ số chuyển nhiệt đối lưu tuyệt vời, các bộ trao đổi này đòi hỏi diện tích bề mặt (A) ít hơn đáng kể để chuyển một lượng nhiệt (Q) nhất định so với các hệ thống khí.

• Phương tiện truyền thông phổ biến: Nước vào nước, dầu vào nước, hóa chất vào nước.

• Thiết bị điển hình: Máy trao đổi nhiệt tấm và khung, Máy trao đổi nhiệt vỏ và ống (không có vây).

• Ứng dụng chính: Xử lý dược phẩm, thanh trùng thực phẩm và đồ uống, trộn hóa chất và làm mát máy móc vòng kín.

Đây là phân loại phổ biến nhất trong cả ngành công nghiệp nặng và các ứng dụng thương mại.Các hệ thống này thu hẹp khoảng cách giữa môi trường hiệu suất cao (lỏng) và môi trường hiệu suất thấp (ga / không khí).

Các khí có tính dẫn nhiệt cực kỳ thấp. để toán học bù đắp cho hệ số chuyển nhiệt kém ở phía khí,các kỹ sư phải nhân tạo tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với khíĐiều này được thực hiện phổ biến bằng cách thêm các bề mặt mở rộng (vây) vào bên ngoài của các ống chứa chất lỏng.

• Phương tiện phổ biến: Không khí vào nước, không khí vào chất làm mát, khí khói vào nước.

• Thiết bị điển hình: Máy trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí (máy làm mát quạt), Máy tản nhiệt ô tô, Vòng xoay HVAC.

• Ứng dụng chính: Điều hòa không khí môi trường, làm mát đường ống từ xa, và làm mát nước trong vỏ động cơ.

Máy trao đổi nhiệt khí-đua gas có cấu trúc lớn vì cả hai chất lỏng đều có tính chất truyền nhiệt kém.

Các hệ thống này hoạt động gần như độc quyền để thu hồi nhiệt thải từ dòng khí thải để làm nóng trước không khí xung quanh, cải thiện hiệu quả nhiệt động lực tổng thể của nhà máy.

• Phương tiện thông thường: Khí thải nóng vào không khí xung quanh.

• Thiết bị điển hình: bánh xe nhiệt quay (tái tạo), Máy trao đổi nhiệt cánh đĩa, Máy làm nóng không khí ống.

• Ứng dụng chính: Sưởi ấm trước không khí nồi hơi trong nhà máy điện, tách không khí lạnh và phục hồi nhiệt lò công nghiệp.

Trong các hệ thống thay đổi pha, một hoặc cả hai chất lỏng trải qua một sự thay đổi trạng thái (lôi hoặc ngưng tụ) trong quá trình trao đổi nhiệt.

Việc chuyển nhiệt thay đổi pha sử dụng nhiệt tiềm ẩn thay vì nhiệt cảm nhận.Những bộ trao đổi này có thể chuyển lượng năng lượng khổng lồ với độ biến đổi nhiệt độ tối thiểu và tốc độ lưu lượng khối lượng thấp.

• Phương tiện phổ biến: hơi nước thành nước (hấp đặc), chất làm mát thành không khí (hơi hóa), hơi hóa học.

• Thiết bị điển hình: Máy ngưng tụ, Máy bốc hơi, Máy sưởi và Máy phát hơi.

• Ứng dụng chính: Chu kỳ Rankine của nhà máy điện hơi nước, vòng lạnh và cột chưng cất hóa học.

Vật lý cơ bản quyết định thiết kế các bộ trao đổi này dựa trên trạng thái của môi trường.

Đối với chuyển đổi nhiệt đơn pha (nhiệt độ cảm giác) (Làn-Làn, Khí-Khí, Khí-Làn)

Để hiểu lý do tại sao kích thước thiết bị thay đổi rất nhiều, các kỹ sư tham khảo hệ số chuyển nhiệt tổng thể (U).

Hỏi: Tại sao vây hầu như không bao giờ được sử dụng trong các bộ trao đổi nhiệt chất lỏng?

A: Các chất lỏng tự nhiên có độ dẫn nhiệt cao và hệ số chuyển nhiệt đối lưu cao.Thêm vây sẽ làm tăng một chút diện tích bề mặt nhưng đồng thời sẽ tạo ra ma sát bên trong lớn, gây ra một sự sụt giảm áp suất không thể chấp nhận được (Delta P) sẽ áp đảo hệ thống bơm mà không cung cấp lợi ích nhiệt có ý nghĩa.

Q: Một bộ trao đổi "nhiệt độ nhạy cảm" so với "nhiệt độ tiềm ẩn" là gì?

A: Một bộ trao đổi nhiệt hợp lý thay đổi nhiệt độ của môi trường mà không thay đổi trạng thái vật lý của chúng (ví dụ: làm mát dầu nóng bằng nước lạnh).Một bộ trao đổi nhiệt tiềm ẩn chuyển năng lượng bằng cách thay đổi trạng thái môi trường ở nhiệt độ liên tục (e.g., đun sôi nước lỏng thành hơi nước).

Hỏi: Phân loại trung bình nào khó duy trì nhất?

A: Các hệ thống hai pha (thay đổi pha), đặc biệt là nồi hơi và máy bốc hơi, thường là hệ thống bảo trì chuyên sâu nhất.Quá trình đun sôi chất lỏng thường để lại các chất rắn và khoáng chất hòa tan, dẫn đến sự nghiền nát và bẩn nhanh chóng trên bề mặt truyền nhiệt, làm suy giảm đáng kể giá trị U theo thời gian.