Bộ trao đổi nhiệt đã phát triển như thế nào qua thời gian:
Giới thiệu:
Bản thân các thiết bị trao đổi nhiệt có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu, cắt giảm chi phí và giảm lượng khí thải carbon khiến chúng trở thành một phần không thể thiếu của bất kỳ nhà máy sản xuất nào. Bộ trao đổi nhiệt có thể ảnh hưởng đến hiệu quả tổng thể của nhà máy và khi các ngành công nghiệp phát triển, nhu cầu về các bộ trao đổi nhiệt hiệu quả hơn và được cải tiến ngày càng tăng. Do đó, chúng ta bắt buộc phải tìm hiểu về lịch sử của những thiết bị này và chúng đã phát triển như thế nào trong những năm qua.
Các ví dụ thô sơ về các thiết bị trao đổi nhiệt đã được tìm thấy ở Châu Âu từ thời La Mã, nơi mà bây giờ chúng ta gọi là các hệ thống thu hồi nhiệt được sử dụng trong các phòng tắm. Vào khoảng đầu thiên niên kỷ thứ nhất, các nguyên tắc trao đổi nhiệt gián tiếp đã được sử dụng để sản xuất rượu nguyên chất, đây vẫn là nguyên tắc cốt lõi của Thiết bị trao đổi nhiệt.
Lịch sử ghi lại của Bộ trao đổi nhiệt có thể bắt nguồn từ những năm 1880, ứng dụng chính của chúng là ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống. Được công nhận rộng rãi rằng bằng sáng chế đầu tiên được ghi lại cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm đã được trao cho Albrecht Drake của Đức vào năm 1878. Tuy nhiên, các ví dụ thương mại và hiện đại đầu tiên về Bộ trao đổi nhiệt sẽ được quan sát vào đầu những năm 1900.
Những phát triển ban đầu Vào đầu những năm 1900:
Vào đầu những năm 1900, những thiết kế đầu tiên được biết đến cho Bộ trao đổi nhiệt dạng ống đã được phát triển. Chúng được phát triển do nhu cầu vận hành của các nhà máy điện, nơi chúng sẽ được sử dụng làm bình ngưng tụ cũng như máy đun nước cấp, cả hai đều vẫn là những ứng dụng phổ biến. Giữa cuối những năm 1880 và 1920, một số phát triển đã được thực hiện cho Máy trao đổi nhiệt dạng tấm (PHE), dẫn đến nhiều bằng sáng chế bao gồm các dạng khác nhau của nó, đặc biệt là việc sử dụng nó trong quá trình thanh trùng sữa.
Công nghệ HE trong những năm 1920 & 30:
Thiết kế ban đầu của Bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ (STHE) được phát triển trong những năm 1920 để sử dụng trong ngành công nghiệp dầu mỏ. Chúng được ứng dụng làm máy sưởi / làm mát dầu, nồi hơi và bình ngưng trong các nhà máy dầu thô. Họ cũng tìm thấy các ứng dụng hoạt động trong môi trường gồ ghề hoặc ở áp suất và áp suất cao. Tuy nhiên, rất ít thông tin về thiết kế bộ trao đổi nhiệt dạng ống. Hầu hết các thiết kế được thực hiện dựa trên độ bền của vật liệu, trong khi truyền nhiệt được đo một cách thô sơ từ các ước tính.
Gesellschaft für Entstaubungs-Anlagen mbH (GEA) được thành lập vào tháng 2 năm 1920 tại trung tâm Ruhr, một trong những trung tâm công nghiệp quan trọng nhất của Đức vào thời điểm đó, với khai thác than và sản xuất thép là các ngành công nghiệp chính. Dưới sự lãnh đạo của người sáng lập công ty Otto Happel, sản phẩm mới đầu tiên của công ty - hệ thống làm mát không khí mạch kín sử dụng không khí lưu thông trong một ống kim loại được chế tạo xung quanh động cơ điện - được phát triển cho máy móc điện lớn. Happel đã đi tiên phong trong công nghệ này với sự hợp tác của Giáo sư Ludwig Prandtl, Giám đốc Viện Nghiên cứu Khí động học ở Göttingen, và họ đã cùng nhau phát minh ra một thiết bị làm mát không khí mới: ống vây hình elip.
Năm 1923, Tiến sĩ Richard Seligman (người thành lập Công ty Nhà máy & Tàu nhôm vào năm 1910) đã phát minh ra PHE khả thi về mặt thương mại đầu tiên cho các ứng dụng trong nhà máy bia và ngành công nghiệp dầu thực vật. PHE đã cách mạng hóa các phương pháp làm nóng và làm lạnh gián tiếp chất lỏng.
Vào đầu những năm 30, Thụy Điển đã sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm xoắn ốc đầu tiên và sẽ tiếp tục sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm đầu tiên để sử dụng trong các nhà máy bột giấy vào cuối thập kỷ này. Vương quốc Anh cũng bắt đầu sử dụng phương pháp hàn để tạo ra bộ trao đổi nhiệt dạng vây tấm làm bằng vật liệu đồng và hợp kim đồng cho các ứng dụng trong động cơ máy bay.
Năm 1935, Otto Happel và kỹ sư người Đức, Tiến sĩ Kurt Lang bắt đầu nghiên cứu thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí cho tuabin hơi nước tĩnh dùng để phát điện, và vào năm 1939, GEA đã thực hiện dự án thử nghiệm đầu tiên sử dụng bình ngưng làm mát bằng không khí cho tuabin hơi nước tĩnh tại Waltrop Colliery ở Ruhr, Đức. Sau những nghi ngờ ban đầu, Hample và nhóm của ông đã phát triển thêm công nghệ này, công nghệ này sẽ mang lại thành công trong những thập kỷ tới cho GEA.
Trong khi các nguyên tắc thiết kế cho STHE cũng đã được các nhà thiết kế thống nhất từ dữ liệu và các giả định được đào tạo trong thời kỳ này, rất nhiều yếu tố kỹ thuật của bộ trao đổi nhiệt dạng ống vẫn chưa được biết và hầu hết dữ liệu thu thập được là từ thử nghiệm và sai sót.
Điều đó nói lên rằng, các bộ trao đổi nhiệt được chế tạo cho các ứng dụng nước và hơi nước trong những năm 1920/30 có thể so sánh với các bộ trao đổi nhiệt hiện đại ngày nay, do hiệu quả chế ngự của sự bám bẩn. Các tiêu chuẩn hóa cho STHE sẽ được thiết lập trong thập kỷ tới. Năm 1938, Alfa-Laval giới thiệu thiết bị trao đổi nhiệt đầu tiên của mình.
Trong khi các nguyên tắc thiết kế cho STHE cũng đã được các nhà thiết kế thống nhất từ dữ liệu và các giả định được đào tạo trong thời kỳ này, rất nhiều yếu tố kỹ thuật của bộ trao đổi nhiệt dạng ống vẫn chưa được biết và hầu hết dữ liệu thu thập được là từ thử nghiệm và sai sót. Điều đó nói lên rằng, các bộ trao đổi nhiệt được chế tạo cho các ứng dụng nước và hơi nước trong những năm 1920/30 có thể so sánh với các bộ trao đổi nhiệt hiện đại ngày nay, do hiệu quả chế ngự của sự bám bẩn. Các tiêu chuẩn hóa cho STHE sẽ được thiết lập trong thập kỷ tới. Năm 1938, Alfa-Laval giới thiệu thiết bị trao đổi nhiệt đầu tiên của mình.
Cải tiến thêm:
Theo thời gian, các bộ trao đổi nhiệt bắt đầu được chế tạo bằng vật liệu mới để chứa nhiều phương tiện ăn mòn hơn. Bộ trao đổi nhiệt kiểu STHE đã có những bước tiến đáng kể trong những năm 1940. Các nhà thiết kế bắt đầu tìm hiểu sự sụt giảm áp suất phía vỏ trong giai đoạn này. Các tiêu chuẩn của Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị trao đổi hình ống (TEMA) năm 1941 mang lại sự đồng nhất rất cần thiết trong các thiết kế STHE, cho đến nay vẫn là bí mật được bảo vệ chặt chẽ của nhà sản xuất.
Babcock và Wilcox Co.
Những cải tiến sẽ tiếp tục được thực hiện trong những năm 60 với sự hiểu biết tốt hơn về dòng chảy của nhớt. Bộ trao đổi dạng tấm lần đầu tiên được giới thiệu trong ngành công nghiệp dầu khí trong thời gian này. Những năm 60 cũng chứng kiến sự phát triển nhanh chóng trong các lĩnh vực công nghệ vũ trụ, hoạt động công nghiệp và khoa học, kết hợp với sự phát triển cải tiến trong kỹ thuật sản xuất Sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt được cải tiến và đáp ứng nhiều ứng dụng và yêu cầu về kích thước.
Phát triển trong phần mềm:
Phần mềm Thiết kế Hỗ trợ Máy tính (CAD) bắt đầu phát triển vào cuối những năm 1950, với sự đồng thuận chung là ‘Sketchpad’ của Ivan Sutherland là phần mềm CAD thực sự đầu tiên. Sutherland đã phát triển Sketchpad vào đầu những năm 1960 như một phần của chương trình Ph.D. luận án tại MIT. Các ngành công nghiệp dần dần bắt đầu chuyển sang sử dụng phần mềm CAD để thiết kế cơ học các Bộ trao đổi nhiệt. Được thành lập vào năm 1962, HTRI được điều hành để tiến hành các nghiên cứu theo định hướng ứng dụng trong lĩnh vực truyền nhiệt và công nghệ dòng chất lỏng. HTRI ngày nay là một trong những tổ chức nghiên cứu đáng tin cậy nhất trên thế giới và phần mềm của họ đã giúp thiết kế một số bộ trao đổi nhiệt.
M&S Computing (Hiện nay là Hexagon PPM) được thành lập tại Alabama, Hoa Kỳ vào năm 1969. Họ đã phát triển sản phẩm CAD tương tác đầu tiên, Phần mềm Thiết kế Đồ họa Tương tác (IGDS), đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp trong một thời gian rất ngắn. Họ tiếp tục phát triển PV Elite, một trong những phần mềm thiết kế cơ khí được biết đến nhiều nhất hiện nay.
Thiết kế nhiệt và mô hình hóa có khởi đầu chậm hơn, với việc sử dụng thương mại phần mềm tính toán đầu tiên vào những năm 1970. Trong khi nghiên cứu vẫn là ưu tiên hàng đầu, trong những năm 1990, nhiều ngành công nghiệp đã rõ ràng rằng việc sử dụng máy tính để thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng là tiêu chuẩn. Những thập kỷ tới chứng kiến nhiều bước tiến được thực hiện trong phần mềm được thiết kế đặc biệt cho Bộ trao đổi nhiệt như HTRI Xchanger Suite.
Phát triển trong Quy tắc và Tiêu chuẩn:
TEMA được thành lập vào năm 1939 với tư cách là hiệp hội các nhà chế tạo STHE nhằm mang lại sự đồng nhất trong các thiết kế STHE và ‘Tiêu chuẩn TEMA’ (hiện đang ở phiên bản thứ 10) vẫn được coi là tiêu chuẩn cần tuân theo cho thiết kế STHE trong toàn ngành. (Tuyên bố từ chối trách nhiệm: theo thông tin có sẵn trong miền công cộng) Tiêu chuẩn TEMA có 3 danh mục phụ, Loại R cho dầu mỏ và nhà máy lọc dầu, Loại C cho mục đích thương mại thông thường và Loại B cho dịch vụ xử lý hóa chất. Lớp C là lớp ít nghiêm ngặt nhất, trong khi Lớp R là lớp nhiều nhất. TEMA tiêu chuẩn hóa danh pháp của các loại thiết bị trao đổi, bằng cách đưa ra ký hiệu bằng chữ cái. Ví dụ. Bộ khởi động lại kiểu ấm đun nước có gói ống chữ U có thể tháo rời là loại 'BKU'.
Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ hay ASME được thành lập vào năm 1880. ASME có các mã và tiêu chuẩn cho các lĩnh vực kỹ thuật và thành phần khác nhau. ASME có hơn 110.000 thành viên tại hơn 150 quốc gia trên toàn thế giới. Mã nồi hơi và bình áp lực ASME (BPVC) là tiêu chuẩn lớn nhất của nó về cả quy mô và số lượng tình nguyện viên. Mục tiêu chính của nó là ngăn ngừa sự cố của các bình áp suất lò hơi. Mã ASME VIII đề cập đến các bộ phận điều áp của bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống, bao gồm các bộ phận bên trong vỏ, chủ yếu là các ống. Phần II và V, đề cập đến vật liệu và kiểm tra không phá hủy, đôi khi cũng được sử dụng cho mục đích thiết kế.
CEN (tiếng Pháp là Comité Européen de Normalization) còn được gọi là Ủy ban Tiêu chuẩn hóa Châu Âu, là một nhóm tiêu chuẩn hóa công cộng được thành lập vào năm 1961. 34 quốc gia thành viên của nó làm việc cùng nhau để phát triển các Tiêu chuẩn Châu Âu (ENs) trên nhiều lĩnh vực / dịch vụ khác nhau và được chính thức công nhận với tư cách là cơ quan tiêu chuẩn Châu Âu của Liên minh Châu Âu, Hiệp hội Thương mại Tự do Châu Âu và Vương quốc Anh. EN 13445, một mã bình chịu áp lực tương đối mới có hiệu lực đầy đủ vào ngày 22 tháng 5 năm 2002. Được viết theo Chỉ thị Thiết bị Áp suất Châu Âu, nó đã được Ủy ban Kỹ thuật CEN TC54 tổng hợp trong hơn 10 năm. Mặc dù nó không có nền tảng lịch sử vững chắc và có nhược điểm là viết 'mẫu số chung thấp nhất, nó được viết bởi các chuyên gia chịu trách nhiệm duy trì các mã quốc gia khác nhau và nhằm cập nhật thường xuyên để thu hẹp khoảng cách hiện có.
Hệ thống trao đổi nhiệt ngày nay:
Ví dụ về các hệ thống trao đổi nhiệt ngày nay được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu ăn
Bộ trao đổi nhiệt là một phần của hầu hết mọi ngành công nghiệp, bao gồm nhưng không giới hạn ở hóa chất, hóa dầu, dược phẩm, phân bón, hóa chất nông nghiệp, sơn, kim loại, giấy, dầu ăn, v.v. Trong khi nguyên tắc của các bộ trao đổi nhiệt này không thay đổi, cải tiến trong Kiểm soát lưu lượng / tuần hoàn chất lỏng, các công cụ thiết kế và mô phỏng kỹ thuật số, công nghệ vật liệu, phương pháp chế tạo và các phương tiện để dễ dàng tích hợp tất cả các yếu tố này đã tạo ra các bộ trao đổi nhiệt đa năng, hiệu quả cao với chi phí thấp hơn nhiều.
Với các giải pháp tùy chỉnh giờ đây dễ dàng hơn bao giờ hết, việc áp dụng thích hợp các bộ trao đổi hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu suất thu hồi nhiệt, tái sử dụng 35-60% nhiệt lượng được tạo ra.
