T

Tóm tắt: Máy trao đổi nhiệt tấm (PHEs) được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như kỹ thuật hóa học, chế biến thực phẩm, HVAC và hóa dầu do cấu trúc nhỏ gọn của chúng,hiệu suất truyền nhiệt caoThiết kế của PHEs có liên quan chặt chẽ đến các tính chất vật lý, hóa học và nhiệt của môi trường trao đổi nhiệt.thành phần, và các tham số trạng thái) sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến các điều kiện thiết kế cốt lõi của PHEs, chẳng hạn như hiệu quả truyền nhiệt, giảm áp suất, lựa chọn vật liệu, cấu trúc tấm và ổn định hoạt động.Bài báo này phân tích một cách có hệ thống các loại thay đổi trung bình trong thiết kế PHE, khám phá cơ chế thay đổi môi trường ảnh hưởng đến các thông số thiết kế chính, kết hợp các trường hợp kỹ thuật thực tế để xác minh luật tác động và đưa ra các chiến lược điều chỉnh thiết kế tương ứng.Nghiên cứu cho thấy rằng thay đổi môi trường sẽ gây ra phản ứng chuỗi trong hệ thống thiết kế của PHEs: thay đổi trong các tính chất vật lý (độ nhớt, mật độ, dẫn nhiệt) ảnh hưởng đến hệ số chuyển nhiệt và giảm áp suất; thay đổi trong các tính chất hóa học (hạt ăn,phản ứng) xác định sự lựa chọn của tấm và vật liệu đệmCác thay đổi trong các thông số trạng thái (nhiệt độ, áp suất, pha) ảnh hưởng đến việc lựa chọn loại tấm và thiết kế kênh dòng chảy; và thay đổi thành phần môi trường (chất ô nhiễm,các thành phần hỗn hợp) làm tăng nguy cơ bẩn và ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động lâu dàiNghiên cứu này cung cấp một cơ sở lý thuyết và hướng dẫn thực tế cho việc tối ưu hóa thiết kế, điều chỉnh hoạt động và duy trì PHEs trong điều kiện thay đổi trung bình,giúp cải thiện khả năng thích nghi và độ tin cậy của PHEs trong môi trường công nghiệp phức tạp.

Từ khóa: Máy trao đổi nhiệt tấm; Thay đổi trung bình; Điều kiện thiết kế; Hiệu suất truyền nhiệt; Giảm áp suất; Lựa chọn vật liệu

Máy trao đổi nhiệt tấm là một loại thiết bị truyền nhiệt hiệu quả cao bao gồm một loạt các tấm lợp, ván, tấm khung và thanh buộc.Quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện thông qua dòng chảy xen kẽ của môi trường nóng và lạnh ở cả hai bên của các tấm, và cấu trúc lông lông của các tấm tăng cường nhiễu loạn của môi trường, do đó cải thiện hiệu quả truyền nhiệt.PHEs có lợi thế của hệ số chuyển nhiệt cao (3000 ≈ 7000 W / m2 · K cho các ứng dụng lỏng-lỏng), cấu trúc nhỏ gọn (mật độ bề mặt 100 ∼ 200 m2/m3, gấp 4 ∼ 5 lần so với máy trao đổi nhiệt vỏ và ống), dễ tháo rời và bảo trì,và điều chỉnh linh hoạt của khu vực chuyển nhiệt bằng cách tăng hoặc giảm tấmNhững lợi thế này làm cho PHEs được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau và tính hợp lý của thiết kế của chúng trực tiếp quyết định hiệu quả hoạt động, tiêu thụ năng lượng,và tuổi thọ của toàn bộ hệ thống trao đổi nhiệt.

Trong sản xuất công nghiệp, môi trường trao đổi nhiệt thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như thay thế nguyên liệu thô, điều chỉnh quy trình, sửa đổi công thức sản phẩm và thay đổi môi trường,dẫn đến thay đổi về loại của nó, thành phần, tính chất vật lý và hóa học, và các tham số trạng thái.hàm lượng nước trong dầu thô có thể tăng do thay đổi điều kiện khai thác mỏ dầuTrong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, độ nhớt của sữa hoặc xi-rô có thể thay đổi do sự khác biệt trong nguồn nguyên liệu thô; trong ngành công nghiệp hóa học,khả năng ăn mòn của môi trường có thể tăng do bổ sung các thành phần mớiMột khi môi trường thay đổi, các thông số thiết kế ban đầu của PHE (như khu vực truyền nhiệt, loại tấm, vật liệu và tốc độ dòng chảy) sẽ không còn phù hợp với điều kiện hoạt động thực tế,dẫn đến các vấn đề như giảm hiệu quả truyền nhiệt, giảm áp suất quá mức, tăng tiêu thụ năng lượng, ăn mòn vật liệu, và thậm chí thất bại thiết bị.

Hiện nay, hầu hết các nghiên cứu hiện có về thiết kế PHE tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc tấm, tính toán chuyển nhiệt và kiểm soát bẩn,nhưng thiếu phân tích có hệ thống về tác động tổng thể của các thay đổi trong môi trường đối với các điều kiện thiết kếTrong kỹ thuật thực tế, nhiều doanh nghiệp thường bỏ qua tác động của các thay đổi trung bình, dẫn đến PHE không thể thực hiện hiệu suất thích hợp của nó, và thậm chí gây ra tổn thất kinh tế.,khi nước cắt trong dầu thô tăng lên, nhiệt độ thoát của môi trường sẽ giảm, và nếu PHE không được thiết kế lại, cần phải thêm lò đốt để làm nóng trước,tăng chi phí hoạt động hàng năm 390, 000 euro; trong khi mở rộng gói đĩa của PHE có thể khôi phục nhiệt độ đầu ra và đạt được phục hồi đầu tư trong vòng chưa đầy ba tháng.có ý nghĩa lý thuyết và thực tế lớn để nghiên cứu tác động của các thay đổi môi trường đối với các điều kiện thiết kế của PHEs, làm rõ cơ chế tác động và đề xuất các chiến lược điều chỉnh.

Bài báo này đầu tiên phân loại các loại thay đổi môi trường trong thiết kế PHE, sau đó phân tích tác động của các loại thay đổi môi trường khác nhau đối với các điều kiện thiết kế chính (hiệu suất chuyển nhiệt, giảm áp suất,lựa chọn vật liệu, cấu trúc tấm, v.v.) từ cơ chế, kết hợp các trường hợp thực tế để xác minh và cuối cùng đưa ra các phương pháp điều chỉnh thiết kế và đề xuất tối ưu hóa,hỗ trợ thiết kế hợp lý và hoạt động ổn định của PHEs trong điều kiện thay đổi trung bình.

Phương tiện trong PHEs đề cập đến các chất lỏng nóng và lạnh tham gia trao đổi nhiệt, và những thay đổi của nó rất đa dạng, nhưng chúng có thể được chia thành bốn loại tùy theo bản chất của sự thay đổi:thay đổi trong các tính chất vật lý, thay đổi tính chất hóa học, thay đổi các tham số trạng thái và thay đổi thành phần môi trường.Thay đổi nhiệt độ có thể dẫn đến thay đổi độ nhớt và mật độ, và thay đổi thành phần có thể dẫn đến thay đổi tính ăn mòn).

Các tính chất vật lý của môi trường ảnh hưởng đến thiết kế PHE chủ yếu bao gồm độ nhớt, mật độ, độ dẫn nhiệt, công suất nhiệt cụ thể và độ căng bề mặt.Thay đổi trong các tính chất vật lý này sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến trạng thái lưu lượng của môi trường trong kênh lưu lượng và quá trình chuyển nhiệtNhững thay đổi phổ biến trong tính chất vật lý bao gồm: tăng hoặc giảm độ nhớt (như tăng độ nhớt của dầu bôi trơn sau khi lão hóa, giảm độ nhớt của xi-rô sau khi sưởi ấm),Tăng hoặc giảm mật độ (như trộn dầu nhẹ và dầu nặng) và thay đổi tính dẫn nhiệt (như thêm chất phụ gia chuyển nhiệt vào môi trường).độ nhớt và dẫn nhiệt là hai tính chất vật lý quan trọng nhất, có tác động quan trọng nhất đến hiệu quả chuyển nhiệt và giảm áp suất.

Các tính chất hóa học của môi trường chủ yếu ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu của PHEs, bao gồm ăn mòn, phản ứng, oxy hóa và giảm.Thay đổi tính chất hóa học thường xảy ra do thay thế nguyên liệu thô, việc bổ sung các thành phần mới, hoặc các phản ứng hóa học trong quá trình trao đổi nhiệt.môi trường có thể thay đổi từ trung tính thành axit hoặc kiềm do điều chỉnh quá trìnhTrong ngành công nghiệp thực phẩm, môi trường có thể tạo ra các chất axit do lên men, làm tăng khả năng ăn mòn; trong ngành hóa dầu, hàm lượng lưu huỳnh trong môi trường có thể tăng,dẫn đến sự ăn mòn gia tăng của vật liệu kim loạiNgoài ra, một số phương tiện có thể phản ứng với nhau hoặc với các vật liệu tấm / đệm, dẫn đến thiệt hại vật liệu và thất bại thiết bị.

Các thông số trạng thái của môi trường đề cập đến nhiệt độ, áp suất và trạng thái pha (lỏng, khí, hỗn hợp rắn-lỏng) trong quá trình trao đổi nhiệt.Thay đổi các thông số trạng thái là phổ biến trong sản xuất công nghiệp, chẳng hạn như thay đổi nhiệt độ đầu vào / đầu ra của môi trường do điều chỉnh tải quá trình, thay đổi áp suất hoạt động của hệ thống do tắc nghẽn đường ống hoặc hỏng bơm,và thay đổi pha của môi trường trong quá trình trao đổi nhiệt (chẳng hạn như ngưng tụ hơiTrong số đó, thay đổi pha có tác động quan trọng nhất đến thiết kế PHE,vì chúng sẽ thay đổi cơ chế chuyển nhiệt và yêu cầu loại đĩa đặc biệt và thiết kế kênh dòng chảy.

Thay đổi thành phần môi trường đề cập đến việc thêm tạp chất, các thành phần hỗn hợp hoặc thay đổi tỷ lệ các thành phần trong môi trường ban đầu.môi trường có thể chứa các hạt rắn (như trầm tích trong nước, các hạt xúc tác trong các phản ứng hóa học) do ô nhiễm nguyên liệu thô; trộn hai hoặc nhiều môi trường (chẳng hạn như trộn nước và dầu) thay đổi tính chất tổng thể của môi trường;tỷ lệ các thành phần trong môi trường thay đổi (chẳng hạn như sự thay đổi trong cắt nước của dầu thô)Thay đổi thành phần môi trường sẽ không chỉ ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của môi trường mà còn làm tăng nguy cơ bị bẩn và tắc nghẽn kênh dòng chảy,ảnh hưởng đến hoạt động lâu dài của PHE.

Thiết kế của PHEs dựa trên các thông số môi trường ban đầu, và bất kỳ thay đổi nào trong môi trường sẽ gây ra phản ứng chuỗi trong hệ thống thiết kế.Sau đây sẽ phân tích tác động của thay đổi môi trường đối với các điều kiện thiết kế chính từ năm khía cạnh: hiệu suất truyền nhiệt, giảm áp suất, lựa chọn vật liệu, cấu trúc tấm và thiết kế kênh dòng chảy, và ổn định bẩn và hoạt động.

Hiệu suất chuyển nhiệt là chỉ số cốt lõi của thiết kế PHE, được đo chủ yếu bằng hệ số chuyển nhiệt (U) và tốc độ chuyển nhiệt (Q).Quá trình chuyển nhiệt của PHEs bao gồm ba liên kết: chuyển nhiệt thông qua đường dẫn nhiệt từ môi trường nóng đến tường tấm, chuyển nhiệt thông qua tường tấm và chuyển nhiệt thông qua đường dẫn nhiệt từ tường tấm đến môi trường lạnh.Thay đổi môi trường ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển nhiệt bằng cách thay đổi hiệu suất chuyển nhiệt thông qua đối lưu và sức đề kháng nhiệt của môi trường.

Độ nhớt là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hệ số chuyển nhiệt thông qua đối lưu.càng khó tạo ra nhiễu loạnVí dụ, khi độ nhớt của môi trường nóng tăng 50%,số Reynolds (Re) của môi trường trong kênh dòng chảy sẽ giảm đáng kể (Re tỷ lệ ngược với độ nhớt), và trạng thái dòng chảy sẽ thay đổi từ dòng chảy hỗn loạn sang dòng chảy laminar.dẫn đến giảm đáng kể tốc độ truyền nhiệtNgược lại, sự giảm độ nhớt sẽ làm tăng số Reynolds, tăng nhiễu loạn và cải thiện hệ số chuyển nhiệt đối lưu.

Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền nhiệt của môi trường.và càng cao hệ số chuyển nhiệtVí dụ: khi thay đổi môi trường từ nước (đối dẫn nhiệt 0,6 W/mK) sang dầu động cơ (đối dẫn nhiệt 0,14 W/mK), tính dẫn nhiệt giảm 77%,và hệ số chuyển nhiệt thông qua đối lưu sẽ giảm đáng kể, đòi hỏi phải tăng diện tích chuyển nhiệt để đáp ứng các yêu cầu chuyển nhiệt thiết kế.Những thay đổi về mật độ và công suất nhiệt cụ thể sẽ ảnh hưởng đến tốc độ lưu lượng công suất nhiệt (m·cp) của môi trường, do đó ảnh hưởng đến sự khác biệt nhiệt độ giữa lối vào và lối ra của môi trường và tốc độ truyền nhiệt.

Thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển nhiệt theo hai cách: một mặt, thay đổi nhiệt độ sẽ dẫn đến thay đổi các tính chất vật lý của môi trường (như độ nhớt,dẫn nhiệt), do đó ảnh hưởng đến hệ số chuyển nhiệt đối lưu; mặt khác, thay đổi nhiệt độ vào/ra của môi trường sẽ thay đổi sự khác biệt nhiệt độ trung bình log (LMTD),là lực thúc đẩy chuyển nhiệtVí dụ, nếu nhiệt độ đầu vào của môi trường nóng giảm 20 °C, LMTD sẽ giảm, và tốc độ truyền nhiệt sẽ giảm tương ứng.Để duy trì yêu cầu chuyển nhiệt ban đầu, cần phải tăng diện tích truyền nhiệt hoặc điều chỉnh tốc độ lưu lượng của môi trường.

Thay đổi pha (như ngưng tụ hơi nước, bay hơi của chất lỏng) sẽ thay đổi đáng kể cơ chế chuyển nhiệt.nhiệt tiềm ẩn của sự thay đổi pha sẽ được giải phóng hoặc hấp thụ, có thể cải thiện đáng kể tốc độ chuyển nhiệt. Ví dụ, khi môi trường nóng được thay đổi từ nước bão hòa (chuyển nhiệt có ý nghĩa) sang hơi nước bão hòa (chuyển nhiệt tiềm ẩn),hệ số chuyển nhiệt có thể được tăng gấp 2×3 lầnTuy nhiên, các thay đổi giai đoạn cũng đưa ra các yêu cầu cao hơn đối với loại tấm và thiết kế kênh dòng chảy.ngưng tụ hơi đòi hỏi một loại tấm có hiệu suất tách khí-nước tốt để tránh sự tích tụ màng chất lỏng ảnh hưởng đến chuyển nhiệt; bốc hơi chất lỏng đòi hỏi một kênh dòng chảy với sự phân bố đồng đều để đảm bảo môi trường được nung nóng đồng đều.

Khi môi trường chứa các hạt hoặc tạp chất rắn, các hạt sẽ tạo thành một lớp bẩn trên bề mặt tấm, làm tăng sức đề kháng nhiệt của lớp bẩn,do đó làm giảm hệ số chuyển nhiệt tổng thể. Năng lượng hạt càng cao, tỷ lệ bẩn càng nhanh và hiệu quả chuyển nhiệt càng giảm đáng kể.khi nước được sử dụng làm môi trường lạnh chứa một lượng lớn ion canxi và magiê, sẽ xảy ra sự nghiền nát trên bề mặt tấm sau khi hoạt động lâu dài, và độ dẫn nhiệt của lớp nghiền nát chỉ là 1/10-1/5 của tấm kim loại,sẽ làm giảm hệ số chuyển nhiệt 20%~40% sau khi mở rộng quy môNgoài ra, việc trộn các phương tiện khác nhau có thể dẫn đến sự hòa tan hoặc phân tầng lẫn nhau,thay đổi các tính chất vật lý tổng thể của môi trường và tiếp tục ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt.

Giảm áp suất là một điều kiện thiết kế chính khác của PHEs, đề cập đến sự mất áp suất của môi trường khi chảy qua kênh dòng chảy của PHE.Giảm áp suất ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng của máy bơm (hoặc quạt) và sự ổn định hoạt động của hệ thốngGiảm áp suất của PHEs chủ yếu được xác định bởi sức đề kháng dòng chảy của môi trường trong kênh dòng chảy, liên quan đến tính chất vật lý của môi trường, tốc độ dòng chảy, cấu trúc kênh dòng chảy,Thay đổi môi trường sẽ ảnh hưởng đến sự sụt giảm áp suất bằng cách thay đổi sức đề kháng dòng chảy của môi trường.

Độ nhớt là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự sụt giảm áp suất. Độ nhớt của môi trường càng cao, kháng lưu càng lớn và giảm áp suất càng cao.Theo công thức cơ học chất lỏng, sự sụt giảm áp suất tỷ lệ thuận với độ nhớt của môi trường dưới cùng một tốc độ dòng chảy và cấu trúc kênh dòng chảy.Giảm áp suất sẽ tăng khoảng 80%~100% với cùng một dòng chảyNgoài ra, mật độ của môi trường cũng ảnh hưởng đến sự sụt giảm áp suất: mật độ của môi trường càng cao, lực quán tính của chất lỏng càng lớn,và càng cao giảm áp suất dưới cùng một dòng chảy.

Thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến giảm áp suất bằng cách thay đổi độ nhớt và mật độ của môi trường.và giảm áp suất giảm tương ứngThay đổi áp suất sẽ ảnh hưởng đến mật độ và trạng thái pha của môi trường. Ví dụ:khi áp suất hoạt động thấp hơn áp suất bão hòa của môi trường, môi trường sẽ bay hơi, tạo thành một dòng chảy khí-nước hai pha, sẽ làm tăng đáng kể sức đề kháng dòng chảy và giảm áp suất.giảm áp suất của PHE cũng liên quan đến tốc độ dòng chảy của môi trườngNếu tốc độ dòng chảy trung bình tăng do điều chỉnh quy trình, giảm áp suất sẽ tăng mạnh (giảm áp suất tỷ lệ thuận với bình phương của tốc độ dòng chảy).

Khi môi trường chứa các hạt rắn hoặc tạp chất, các hạt sẽ va chạm với tường tấm và lẫn nhau trong quá trình dòng chảy, làm tăng sức đề kháng dòng chảy và giảm áp suất.Ngoài ra, các hạt sẽ tích tụ trong kênh dòng chảy, thu hẹp đường cắt ngang kênh dòng chảy, tăng thêm tốc độ dòng chảy và giảm áp suất.khi môi trường chứa 5%~10% hạt rắn (kích thước hạt 10~50 μm)Nếu các hạt quá lớn (hơn 100 μm), chúng thậm chí có thể chặn kênh dòng chảy.dẫn đến việc PHE không hoạt động bình thường.

Việc lựa chọn vật liệu của PHEs (bao gồm vật liệu tấm và vật liệu đệm) chủ yếu được xác định bởi các tính chất hóa học và các thông số trạng thái của môi trường.Yêu cầu cốt lõi của việc lựa chọn vật liệu là chống ăn mòn, sau đó là tính dẫn nhiệt, độ bền cơ học và hiệu quả chi phí.dẫn đến ăn mòn vật liệu, lão hóa vỏ và các vấn đề khác, ảnh hưởng đến tuổi thọ của PHE.

Chất ăn mòn là yếu tố chính quyết định vật liệu tấm. Các vật liệu tấm phổ biến bao gồm thép không gỉ (304, 316L), titan, Hastelloy và hợp kim đồng.Thép không gỉ 316L được sử dụng rộng rãi trong môi trường trung tính và ăn mòn yếu (như nước, dầu ăn), nhưng nó không chống lại axit mạnh, kiềm mạnh và môi trường chứa clorua; titan chống ăn mòn mạnh (như nước biển,axit hydrochloric) và phù hợp với điều kiện làm việc khắc nghiệt· Hastelloy có khả năng chống lại hầu hết các axit và kiềm mạnh và được sử dụng trong các ngành công nghiệp hóa học với môi trường ăn mòn mạnh.tấm thép không gỉ 304 ban đầu sẽ bị ăn mònTrong thời điểm này, nó là cần thiết để thay thế tấm bằng titan hoặc Hastelloy.

Vật liệu đệm cũng bị ảnh hưởng bởi các tính chất hóa học của môi trường. Các vật liệu đệm phổ biến bao gồm cao su nitrile (NBR), monomer ethylene-propylene-diene (EPDM) và cao su fluorine (Viton).NBR phù hợp với môi trường dựa trên dầu nhưng không chống lại axit và kiềm mạnh; EPDM phù hợp với môi trường trung tính và ăn mòn yếu và có khả năng chống nhiệt độ cao tốt; Viton chống lại axit mạnh, kiềm mạnh và dung môi hữu cơ, nhưng chi phí cao.Nếu môi trường được thay đổi từ dầu sang axit mạnh, vỏ nắp NBR ban đầu sẽ bị ăn mòn và lão hóa, dẫn đến rò rỉ trung bình, và cần phải thay thế bằng vỏ nắp Viton.

Thay đổi nhiệt độ và áp suất ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu bằng cách thay đổi tốc độ ăn mòn của môi trường và tính chất cơ học của vật liệu.Nhiệt độ cao sẽ tăng tốc độ ăn mòn của môi trường và làm giảm sức mạnh cơ học và tuổi thọ của vật liệuVí dụ: khi nhiệt độ hoạt động tăng từ 100 ° C lên 150 ° C, tỷ lệ ăn mòn của môi trường đến tấm thép không gỉ sẽ tăng gấp 2 ⁄ 3 lần,và cần phải chọn vật liệu có khả năng chống ăn mòn nhiệt độ cao tốt hơn (như Hastelloy)Áp suất cao đòi hỏi vật liệu phải có độ bền cơ học cao hơn để tránh biến dạng đĩa hoặc hư hỏng.tấm thép không gỉ nguyên bản thông thường (trọng lượng 0.5 mm) không thể chịu được áp suất cao, và cần phải tăng độ dày tấm hoặc chọn vật liệu có độ bền cao hơn.

Khi môi trường chứa ion clorua, ion lưu huỳnh hoặc các ion ăn mòn khác, nó sẽ tăng tốc độ ăn mòn của vật liệu tấm.ngay cả một lượng nhỏ các ion clorua (hơn 200 ppm) sẽ gây ăn mòn hố của tấm thép không gỉ, dẫn đến hư hỏng đĩa. tại thời điểm này, cần phải chọn vật liệu chống clorua (như titan).nó sẽ hòa tan vật liệu đệmVí dụ, môi trường chứa acetone sẽ hòa tan vỏ nắp NBR và cần phải thay thế bằng vỏ Viton.

Cấu trúc tấm (loại tấm, góc lấn, độ dày tấm) và thiết kế kênh dòng chảy (chiều rộng kênh dòng chảy, hướng dòng chảy,số lần đi qua) của PHEs được thiết kế theo trạng thái dòng chảy và các yêu cầu chuyển nhiệt của môi trường ban đầuThay đổi môi trường sẽ ảnh hưởng đến trạng thái dòng chảy và yêu cầu chuyển nhiệt của môi trường, do đó yêu cầu điều chỉnh cấu trúc tấm và thiết kế kênh dòng chảy.

Đối với môi trường độ nhớt cao, kênh dòng chảy hẹp ban đầu sẽ dẫn đến giảm áp suất quá mức và chuyển nhiệt kém.Nó là cần thiết để chọn một loại tấm với một kênh dòng chảy rộng hơn (chẳng hạn như một tấm với một góc sóng 30 °) để giảm kháng dòng chảy và cải thiện tình trạng dòng chảy của môi trườngVí dụ, khi môi trường được thay đổi từ nước (thăng suất thấp) sang dầu nặng (thăng suất cao), chiều rộng kênh dòng chảy cần phải tăng từ 2 ¢ 3 mm lên 4 ¢ 5 mm để giảm giảm áp suất.Ngoài ra, môi trường độ nhớt cao đòi hỏi một loại tấm có hiệu ứng nhiễu loạn mạnh hơn (chẳng hạn như tấm lông lông) để tăng cường chuyển nhiệt đối lưu.

Đối với các phương tiện dẫn nhiệt thấp, cần phải tăng diện tích truyền nhiệt bằng cách tăng số lượng tấm hoặc chọn tấm có diện tích bề mặt cụ thể lớn hơn.khi môi trường được thay đổi từ nước sang dầu động cơ (khả năng dẫn nhiệt thấp), số lượng tấm cần phải được tăng thêm 30%~50% để đáp ứng các yêu cầu chuyển nhiệt.một góc sóng lớn hơn (60 °) có thể cải thiện hệ số truyền nhiệt, nhưng giảm áp suất lớn hơn; một góc sóng nhỏ hơn (30 °) có thể làm giảm giảm áp suất, nhưng hệ số chuyển nhiệt thấp hơn.Thay đổi trung bình cần phải cân bằng chuyển nhiệt và giảm áp suất bằng cách điều chỉnh góc sóng.

Khi môi trường trải qua sự thay đổi pha (chẳng hạn như ngưng tụ hơi nước), cần phải chọn một loại tấm phù hợp với chuyển nhiệt thay đổi pha.Chuyển nhiệt ngưng tụ đòi hỏi một tấm có bề mặt mịn và một kênh lưu lượng lớn để tạo điều kiện giải phóng chất lỏng ngưng tụ và tránh tích tụ màng chất lỏng. Chuyển nhiệt bốc hơi đòi hỏi một tấm với một kênh dòng chảy đồng đều để đảm bảo rằng môi trường được làm nóng đồng đều và ngăn ngừa quá nóng tại chỗ.Phương tiện thay đổi pha đòi hỏi thiết kế kênh dòng chảy nhiều đường để kéo dài thời gian cư trú của phương tiện trong PHE và cải thiện hiệu quả thay đổi pha.

Thay đổi nhiệt độ và áp suất cũng ảnh hưởng đến độ dày của tấm. Nhiệt độ cao và áp suất cao đòi hỏi các tấm dày hơn để đảm bảo độ bền cơ học. Ví dụ,khi áp suất hoạt động tăng từ 1.6 MPa đến 4,0 MPa, độ dày tấm cần phải tăng từ 0,5 mm lên 0,8 ∼1,0 mm. Ngoài ra, môi trường nhiệt độ cao đòi hỏi các tấm có độ dẫn nhiệt tốt để giảm căng thẳng nhiệt,như tấm hợp kim đồng hoặc tấm titan.

Khi môi trường chứa các hạt rắn hoặc tạp chất, cần phải chọn loại tấm có kênh lưu lượng rộng và dễ làm sạch để tránh tắc nghẽn kênh lưu lượng.môi trường chứa các hạt rắn nên chọn một tấm với chiều rộng kênh lưu lượng hơn 4 mm, và bề mặt tấm phải mịn để giảm sự tích tụ hạt.hướng dòng chảy của môi trường nên được thiết kế như dòng chảy ngược để cải thiện hiệu quả truyền nhiệt và giảm sự tích tụ hạtĐối với các phương tiện có xu hướng bẩn nghiêm trọng, cần thiết phải thiết kế một PHE có thể tháo rời để tạo điều kiện cho việc làm sạch và bảo trì thường xuyên.

Bẩn là một vấn đề phổ biến trong hoạt động PHE, đề cập đến sự tích tụ của tạp chất, vảy và các chất khác trên bề mặt tấm, dẫn đến giảm hiệu quả truyền nhiệt,tăng giảm áp suấtNgoài ra, thay đổi trung bình cũng sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định hoạt động của PHE,dẫn đến các vấn đề như rò rỉ trung bình, biến dạng đĩa, và biến động hệ thống.

Sự thay đổi trong thành phần môi trường là yếu tố chính dẫn đến sự bẩn. Ví dụ, sự gia tăng ion canxi và magiê trong môi trường sẽ dẫn đến nếp nhăn;sự gia tăng của các hạt rắn sẽ dẫn đến sự bẩn của trầm tíchNgoài ra, thay đổi nhiệt độ và áp suất cũng sẽ tăng tốc độ bẩn. Ví dụ:nhiệt độ cao sẽ tăng tốc độ kết tinh của ion canxi và magiê, dẫn đến nếp nhăn; thay đổi áp suất sẽ dẫn đến sự kết tủa của khí hòa tan trong môi trường, tạo thành các lớp phim khí.Bẩn không chỉ làm giảm hiệu quả truyền nhiệt mà còn làm tăng giảm áp suất, dẫn đến tăng tiêu thụ năng lượng và thậm chí tắc nghẽn kênh lưu lượng.

Thay đổi môi trường có thể dẫn đến rò rỉ môi trường. Ví dụ, thay đổi tính chất hóa học của môi trường có thể ăn mòn miếng dán hoặc tấm, dẫn đến rò rỉ;Thay đổi áp suất có thể làm cho vỏ nắp biến dạng hoặc rơi raNgoài ra, giảm áp suất quá mức do thay đổi môi trường có thể dẫn đến quá tải bơm, ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của hệ thống.khi áp suất giảm vượt quá giới hạn thiết kế, máy bơm sẽ hoạt động dưới quá tải, dẫn đến hư hỏng máy bơm hoặc tắt hệ thống.dẫn đến căng thẳng nhiệt và biến dạng tấm.

Để xác minh thêm tác động của các thay đổi môi trường đối với các điều kiện thiết kế của PHEs, bài báo này phân tích hai trường hợp kỹ thuật thực tế,bao gồm tác động của sự thay đổi thành phần trung bình trong ngành hóa dầu và tác động của sự thay đổi thuộc tính vật lý trong ngành chế biến thực phẩm, và đề xuất các biện pháp điều chỉnh tương ứng.

Một doanh nghiệp hóa dầu sử dụng một PHE để làm nóng dầu thô. môi trường thiết kế ban đầu là dầu thô với một cắt nước 5% (phần khối lượng), nhiệt độ đầu vào của dầu thô là 70 °C,nhiệt độ cửa ra là 101°C, và diện tích chuyển nhiệt của PHE là 120 m2. vật liệu tấm là thép không gỉ 316L, và vật liệu nắp là NBR. Do những thay đổi trong điều kiện khai thác mỏ dầu,cắt giảm nước của dầu thô tăng lên 20%, dẫn đến những thay đổi trong tính chất vật lý của môi trường: độ nhớt tăng 30%, độ dẫn nhiệt giảm 15% và mật độ tăng 8%.

Sau khi cắt giảm nước tăng lên, các vấn đề hoạt động của PHE là như sau: (1) Hiệu quả truyền nhiệt giảm đáng kể, nhiệt độ đầu ra của dầu thô giảm xuống 99 °C,không thể đáp ứng các yêu cầu quá trình sau đó(2) Giảm áp suất tăng 40%, dẫn đến quá tải của máy bơm dầu thô và tăng tiêu thụ năng lượng; (3) Nước trong dầu thô gây ăn mòn nhẹ tấm,và miếng nắp đã cũ và biến dạng, với nguy cơ rò rỉ tiềm ẩn.

Theo sự thay đổi của môi trường, các biện pháp điều chỉnh thiết kế sau đây được áp dụng: (1) Điều chỉnh cấu trúc tấm: tăng số lượng tấm, mở rộng diện tích chuyển nhiệt lên 150 m2,và chọn một loại tấm với một góc sóng 30 ° để giảm giảm áp suất; (2) Tối ưu hóa thiết kế kênh dòng chảy: tăng chiều rộng kênh dòng chảy từ 2,5 mm lên 3,5 mm để thích nghi với môi trường độ nhớt cao và giảm sự tích tụ hạt; (3) Thay thế vật liệu đệm:thay thế nắp NBR bằng nắp EPDM để cải thiện khả năng chống ăn mòn dầu thô chứa nước; (4) Thêm một thiết bị xử lý trước: lắp đặt một thiết bị tách nước-dầu tại lối vào của PHE để giảm nước cắt dầu thô đến 10% và giảm tác động của nước trên PHE. Sau khi điều chỉnh,nhiệt độ đầu ra của dầu thô được phục hồi trở lại 101 °C, giảm áp suất xuống mức thiết kế và ổn định hoạt động của PHE được cải thiện đáng kể.Đầu tư vào các biện pháp điều chỉnh được thu hồi trong ít hơn ba tháng thông qua tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí bảo trì.

Một doanh nghiệp chế biến thực phẩm sử dụng PHE để làm mát sữa. môi trường thiết kế ban đầu là sữa tươi với độ nhớt 1,2 mPa·s, nhiệt độ vào là 60 °C, nhiệt độ ra là 4 °C,và diện tích chuyển nhiệt là 80 m2. Vật liệu tấm là thép không gỉ 316L, và vật liệu đệm là EPDM. Do thay thế các nguồn sữa thô, độ nhớt của sữa tăng lên 2.5 mPa·s (do sự gia tăng hàm lượng chất béo), và mật độ tăng 5%.

Sau khi độ nhớt tăng lên, các vấn đề hoạt động của PHE là như sau: (1) Tình trạng dòng chảy của sữa trong kênh dòng chảy thay đổi từ dòng chảy hỗn loạn sang dòng chảy laminar,hệ số chuyển nhiệt truyền nhiệt giảm 45%, và thời gian làm mát được kéo dài, không thể đáp ứng nhịp độ sản xuất; (2) Giảm áp suất tăng 50%, dẫn đến tăng tiêu thụ năng lượng của bơm nước làm mát;(3) Sữa có độ nhớt cao dễ dính vào bề mặt đĩa, dẫn đến bẩn và giảm hiệu quả truyền nhiệt sau khi hoạt động lâu dài.

Các biện pháp điều chỉnh thiết kế là như sau: (1) Thay thế loại tấm:chọn các tấm lông lông với góc lông lông 60 ° để tăng cường nhiễu loạn và cải thiện hệ số chuyển nhiệt đối lưu(2) Điều chỉnh dòng chảy: tăng dòng chảy sữa 30% để tăng số Reynolds và khôi phục trạng thái dòng chảy hỗn loạn; (3) Tối ưu hóa thiết kế kênh dòng chảy:áp dụng thiết kế kênh dòng chảy nhiều đường để kéo dài thời gian cư trú của sữa trong PHE và cải thiện hiệu ứng làm mát(4) Tăng cường làm sạch: tăng tần suất làm sạch CIP (làm sạch tại chỗ) để tránh sự tích tụ bẩn. Sau khi điều chỉnh, thời gian làm mát sữa được khôi phục lại mức ban đầu,Giảm áp suất 20%, và vấn đề bẩn được kiểm soát hiệu quả, đảm bảo hoạt động ổn định của dây chuyền sản xuất.

Để đối phó với tác động của các thay đổi trong môi trường đối với các điều kiện thiết kế của PHEs,cần thiết phải xây dựng các chiến lược điều chỉnh thiết kế khoa học và hợp lý dựa trên loại và mức độ thay đổi môi trường, kết hợp với các yêu cầu hoạt động thực tế của hệ thống.

Khi thay đổi môi trường dẫn đến giảm hệ số chuyển nhiệt,diện tích truyền nhiệt có thể được tăng bằng cách tăng số lượng tấm hoặc chọn tấm có diện tích bề mặt cụ thể lớn hơn để đảm bảo tốc độ truyền nhiệtĐối với các phương tiện với sự thay đổi pha, mô hình tính toán chuyển nhiệt nên được điều chỉnh và nhiệt tiềm ẩn của sự thay đổi pha nên được xem xét để tính toán chính xác khu vực chuyển nhiệt.Ngoài ra, tốc độ dòng chảy của môi trường có thể được điều chỉnh để thay đổi số Reynolds, tăng cường nhiễu loạn và cải thiện hệ số chuyển nhiệt đối lưu.tốc độ dòng chảy nên được tăng lên một cách thích hợp; đối với môi trường độ nhớt thấp, tốc độ dòng chảy nên được điều chỉnh để tránh giảm áp suất quá mức.

Khi thay đổi môi trường dẫn đến giảm áp suất quá mức, chiều rộng kênh dòng chảy có thể được tăng bằng cách chọn loại tấm có kênh dòng chảy rộng hơn để giảm kháng dòng chảy.Các góc sóng của tấm có thể được điều chỉnh: một góc sóng nhỏ hơn được chọn để giảm giảm áp suất, và một sự cân bằng giữa hiệu quả truyền nhiệt và giảm áp suất được đạt được.số lượng các đường truyền của kênh dòng chảy có thể được giảm để rút ngắn đường dòng chảy của môi trường và giảm giảm áp suấtĐối với các phương tiện chứa hạt rắn, một thiết bị xử lý trước (như bộ lọc, bộ tách) nên được thêm để loại bỏ tạp chất và giảm giảm áp suất và nguy cơ bẩn.

Theo những thay đổi trong tính chất hóa học của môi trường, các vật liệu tấm và vỏ phải được thay thế kịp thời.vật liệu có khả năng chống ăn mòn mạnh (như titan), Hastelloy) nên được lựa chọn; đối với các môi trường có chứa dung môi hữu cơ, các vật liệu đệm có khả năng chống dung môi tốt (chẳng hạn như Viton) nên được chọn.Các vật liệu có độ bền cơ học cao và khả năng chống nhiệt độ cao nên được chọn, và độ dày tấm nên được tăng để đảm bảo sự ổn định cấu trúc.nên thực hiện các thử nghiệm ăn mòn để xác minh khả năng thích nghi của vật liệu với môi trường mới.

Đối với môi trường độ nhớt cao, chọn một loại tấm có kênh dòng chảy rộng hơn và hiệu ứng nhiễu loạn mạnh hơn; đối với môi trường có sự thay đổi pha, chọn một loại tấm phù hợp với chuyển nhiệt thay đổi pha;cho môi trường chứa các hạt rắn, chọn một loại tấm với bề mặt mịn và dễ làm sạch. điều chỉnh chiều rộng kênh dòng chảy, hướng dòng chảy,và số lượng các đường truyền theo trạng thái dòng chảy và các yêu cầu chuyển nhiệt của môi trường mới để đảm bảo rằng môi trường chảy đồng đều và chuyển nhiệt hiệu quảĐối với PHEs có thể tháo rời, sự sắp xếp tấm có thể được điều chỉnh để thay đổi cấu trúc kênh dòng chảy và thích nghi với sự thay đổi của môi trường.

Đối với các phương tiện có xu hướng bẩn nghiêm trọng, một thiết bị xử lý trước nên được thêm để loại bỏ tạp chất và giảm nguồn bẩn.tốc độ dòng chảy) để làm chậm tốc độ bẩnXây dựng một kế hoạch làm sạch thường xuyên, áp dụng làm sạch CIP hoặc làm sạch bằng tay để loại bỏ lớp bẩn trong thời gian và khôi phục hiệu quả truyền nhiệt.Tăng cường kiểm tra và bảo trì hàng ngày của PHE, kiểm tra bề mặt tấm và miếng đệm cho ăn mòn, lão hóa và hư hỏng, và thay thế chúng kịp thời để đảm bảo ổn định hoạt động.

Thay đổi trung bình là một vấn đề không thể tránh khỏi trong thiết kế và hoạt động của máy trao đổi nhiệt tấm, và chúng có tác động toàn diện và sâu rộng đến các điều kiện thiết kế của PHEs.Sự thay đổi trong các tính chất vật lý, tính chất hóa học, các tham số trạng thái và thành phần của môi trường sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền nhiệt, giảm áp suất, lựa chọn vật liệu, cấu trúc tấm,và ổn định hoạt động của PHEs, dẫn đến một loạt các vấn đề như giảm hiệu quả truyền nhiệt, tăng tiêu thụ năng lượng, ăn mòn vật liệu và thất bại thiết bị.

Thông qua phân tích có hệ thống, nó được tìm thấy rằng tác động của các thay đổi môi trường đối với thiết kế PHE là một phản ứng chuỗi:Những thay đổi trong tính chất vật lý (đặc biệt là độ nhớt và độ dẫn nhiệt) là các yếu tố cốt lõi ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt và giảm áp suấtCác thay đổi trong tính chất hóa học quyết định sự lựa chọn vật liệu của các tấm và ván; thay đổi các tham số trạng thái (đặc biệt là thay đổi pha) ảnh hưởng đến loại tấm và thiết kế kênh dòng chảy;Những thay đổi trong thành phần trung bình làm tăng nguy cơ bị bẩn và ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động lâu dàiCác trường hợp kỹ thuật cho thấy rằng các điều chỉnh thiết kế khoa học và hợp lý (như điều chỉnh diện tích chuyển nhiệt, thay thế vật liệu, tối ưu hóa cấu trúc tấm,và tăng cường kiểm soát bẩn) có thể đối phó hiệu quả với tác động của thay đổi môi trường và đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của PHEs.

Trong thiết kế kỹ thuật thực tế, cần phải xem xét đầy đủ khả năng thay đổi môi trường, tiến hành phân tích sâu về tính chất của môi trường mới,và xây dựng các chiến lược điều chỉnh thiết kế có mục tiêuĐồng thời, tăng cường giám sát các thông số trung bình trong quá trình hoạt động, tìm và xử lý tác động của các thay đổi trung bình một cách kịp thời.để tận dụng đầy đủ những lợi thế của PHEs, giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện lợi ích kinh tế và xã hội.các loại môi trường trao đổi nhiệt sẽ trở nên phức tạp hơn, và nghiên cứu về tác động của các thay đổi môi trường đối với thiết kế PHE sẽ được làm sâu sắc hơn, sẽ cung cấp hỗ trợ lý thuyết và hướng dẫn kỹ thuật cho việc tối ưu hóa và nâng cấp PHEs.