Liên quan đến truyền nhiệt thì có một vài công việc đòi hỏi phải biết cơ bản về tính toán truyền nhiệt ví dụ như: Hàn miệng túi nilong, hàn nhiệt cho vỏ pin lithium, đốt nóng không khí, làn nóng nước cho máy giửa sản phẩm, làm mát sản phẩm…vv

Cá nhân mình thì từng làm về hàn miệng túi lithium vì cty mình làm nhiều về pin, hay nhiệt hàn cho túi đựng các linh kiện điện tử, làm mát cho chi tiết hoặc gần đây nhất là đốt không khí tạo nhiệt cho lò sơn bột. Có cái hay là mình được đo thực nghiệm vì mình tính toán xong thì phải kiểm tra lại trong thực tế, nếu tính sai thì phải tìm hiểu vấn đề và tìm cách giải quyết. Ngoài cách tính tay này thì sẽ có cách tính phức tạp hơn và chuẩn xác hơn là phân tích nhiệt bằng phần mềm. Tuy nhiên công việc của mình k đòi hỏi phải quá chuyên sâu và tỷ mỷ đến mức dùng phần mềm phân tích nên mình không thể nói về nọi dung đó được. Bài này sẽ đưa ra cách tính toán căn bản nhất để có thể ước lượng được chi tiết cần mua.

Bài toán mình đặt ra như sau:

Mình cần truyền nhiệt để hàn một mẫu nilong, nhiệt độ cần thiết để hàn là 150 độ, thời gian để làm nóng phần đầu hàn là tối đa 3 phút, dùng đầu hàn bằng đồng. Yêu cầu phải tính xem lõi đốt nhiệt cần công suất bao nhiêu?

Vì là khách chỉ đưa ra điều kiện về nhiệt độ và thời gian khởi động vậy(tức là thời gian từ khi bắt đầu khởi động máy đến lúc đạt nhiệt độ làm việc) nên việc đầu tiên là đi tìm vật liệu cho đầu hàn. Thông thường thì tùy theo yêu cầu của khách mà vật liệu sử dụng sẽ khác nhau. ví dụ như khi làm về pin thì không được sử dụng đồ có chứa đồng vậy nên nếu khách không đòi hỏi gì thì mình có thể chọn SUS304 cho đầu hàn cho rẻ. Nếu không yêu cầu gì thì có thể chọn đồng làm đầu hàn vì gia công sẽ dễ dàng hơn. Hoặc gần đây nhất thì khách có yêu cầu đặc biệt về vật liệu đầu hàn là super invar , đặc tính của nó là độ giãn nở vì nhiệt rất rất ít(nó chỉ bằng 1 phần trăm so với thép) cụ thể là 30〜330℃ thì hệ số giãn nở là 45〜65 * 10-7/℃. tùy theo yêu cầu của khách hàng mà chọn vật liệu và kết cấu của đầu hàn. Lí do chính là liên quan đến vấn đề giãn nở vì nhiệt thôi. Ví dụ mình sẽ chọn đồng làm vật liệu đầu hàn.

Sau khi chọn được vật liệu đầu hàn thì bắt đầu tính toán xem đầu hàn có kích cỡ, hình dáng ra sao thì mới có thể chọn được phần lõi nhiệt. Phần này sẽ lược bỏ vì nó tùy từng bài toán khác nhau mà sẽ ra hình dáng khác nhau.

Mình giả sử đã tính được kích thước của đầu hàn là cao 100mm, dài 210mm, dày 30mm(không tính hình dáng đầu hàn vì đầu hàn nhỏ hơn rất nhiều).

Trong phần tính toán này mình sẽ cần các thông số như sau:

・ kích thước của đầu hàn(dòng 1 đến 3)

・vật liệu truyền và thông số của vật liệu(như hệ số truyền nhiệt, tỷ trọng, nhiệt dung riêng)

・nhiệt độ phòng(trước khi gia nhiệt) và nhiệt độ muốn đạt

・thời gian gia nhiệt để đạt từ nhiệt đọ phòng đến nhiệt độ muốn đạt

Về công thức thức tính:

phần tài liệu tiếng nhật nhưng chắc cũng k khác nhiều so với tài liệu tiếng việt nên b chỉ cần nhìn công thức cũng được. Công thức tính lượng nhiệt được tính là tổng lượng nhiệt sinh ra(Q1) và lượng nhiệt thất thoát(Q2).

Trong đó V:

  • thể tích vật truyền nhiệt(m3)
  • ρ là khối lương riêng (kg/m3)
  • Cp là nhiệt dung riêng (kJ/kgK hoặc kJ/kg℃)
  • ΔT là độ chênh nhiệt(hiệu số giữa nhiệt độ muốn đạt với nhiệt độ ban đầu) (℃)
  • t là thời gian cần gia nhiệt(giây)

Mình chỉ tính công thức ①-1 vì công thức ①-2 mình sẽ nhân tỷ lệ phần trăm(mình lấy 40% thất thoát và không phải lúc nào cũng vậy hoặc bạn có thể tính theo công thức ①-2 càng tốt)

Như vậy mình sẽ tính ra được công suất cần thiết cho lõi nhiệt là 1514W sau khi cộng cả thất thoát nhiệt thì sẽ là 2120W

Khi chọn loại lõi nhiệt thì mình sẽ chọn lõi dành cho khuôn dập(vì nó cùng kiểu truyền nhiệt cho khối) chứ không thể dùng loại đốt không khí(loại này dùng cho việc thổi gió nóng cho lò) hay loại dành cho các dạng lỏng(như đun nóng nước cho buồng nước).

Nguồn điện thì tùy khách có nguồn gì, mình sẽ tạm chọn nguồn 200V.

Nếu để ý một chút thì mức 2000W là mức khá lớn và không xuất hiện trong danh sách. thực ra trước khi đến bước này thì phải cân nhắc về công suất của lõi nhiệt. Lí do khiến nó lớn(với mình) như vậy là do thời gian để nó đạt đến nhiệt độ làm việc là khá nhanh(với mình) trong khi kích thước dành cho việc hàn lại rất nhỏ, chỉ cần giữ cho nhiệt độ ổn định đều đặn vậy nên mình sẽ phải xem xét việc giảm thời gian khởi động(cái này cần có sự thỏa thuận với khách) ví dụ ta cho 10p khởi động chẳng hạn thì công suất cần thiết giảm xuống chỉ còn 636W.

hoặc tìm cách giảm kích thước của khối đầu hàn này xuống ví dụ như chiều cao của nó từ 100 xuống còn 50mm thì công suất cũng vẫn ở mức 636W trong vòng 5 phút

Ngoài ra còn 1 cách nữa là cho đầu hàn ngắn lại còn 50mm(nếu có thể). Như bài toán ở dưới mình phải hàn đè liên tục trên 1 dộ dài vô định(tùy khách muốn độ dài ra sao) vậy mình chỉ cần 504W

Vậy là sẽ tính được kích thước của đầu hàn và chọn được lõi nhiệt.

Khi xác định được hình dáng của lõi truyền nhiệt thì mình sẽ quay sang vẽ hình dạng của đầu nhiệt.

Ví dụ như mình muốn hàn như hình bên trái, hàn nhiều lần đè lên nhau, dùng 1 đầu hàn như hình bên phải

Trong hình bên phải thì mình có vẽ 2 lỗ, 1 lỗ lớn dành cho lõi nhiệt, lỗ nhỏ dành cho cảm biến nhiệt. Lõi nhiệt cũng có loại tích hợp cả cảm biến nhiệt nhưng mình thích dùng cảm biến riêng vì nó cho phép mình đặt vị trí tùy ý. Nếu gần đầu nhiệt quá sẽ không biết nhiệt độ thật của đầu hàn.

Tiếp theo là mình nói về cảm biến nhiệt

cảm biến nhiệt thì tùy theo độ lớn của đầu hàn mà có nhiều kiểu khác nhau.

ví dụ loại gắn ngoài như hình dưới

Loại gắn trong như hình dưới

Ngoài 2 thứ là lõi nhiệt và cảm biến nhiệt kể trên thì đôi khi sẽ có khách có yêu cầu thêm cả 1 cảm biến quá nhiệt. Khi làm việc với nhiệt thì có độ nguy hiểm về hỏa hoạn, nếu chỉ tin tưởng vào cảm biến nhiệt thì rất có khả năng nó bị hỏng hay lỗi, vậy nên có thể thêm 1 cảm biến quá nhiệt ngắt vật lí(thermo start). Khi xảy ra quá nhiệt ở 1 nhiệt độ nhất định thì nó sẽ ngắt điện của lõi nhiệt và nó sẽ tự phục hồi khi nhiệt độ về nhiệt độ cho phép. Nguyên lí khá giống mấy cái ngắt mạch của nồi cơm điện ngày xưa, hoặc bàn là. Phần này mình sẽ không vào chi tiết vì nó không quá phức tạp.

Có 1 điều bạn nên ghi nhớ thế này: Khi chọn đầu lõi nhiệt không nên chọn loại thấp quá hoặc sát kết quả quá. vì nếu điều kiện về nhiệt độ thay đổi thì bạn sẽ không có cơ hội sửa. Thà nó lớn 1 chút để nó bền vẫn hơn là sát quá khiến bản thân căng thảng lo lắng về kết quả thực tế. Cái này không chỉ trong phần nhiệt này mà các thứ khác như motor, cylinder…vv cũng vậy.

Phần bảng tính thì bạn nên tự làm và kiểm tra lại, việc này sẽ giúp bạn tăng kiến thức, thêm công cụ cho công việc. Tự làm thì kiến thức sẽ sâu hơn là đi copy ở đâu về(kinh nghiệm bản thân). Ngoài ra các kiến thức xung quanh tính toán nhiệt khá nhiều và càng tìm thì càng thấy thú vị vậy nên b nên tận dụng việc tìm kiếm để học hỏi được nhiều kiến thức hơn.

Trên đây là một phần khá căn bản và đơn giản trong tính toán truyền nhiệt. Hy vọng sẽ có ích cho các bạn trong công việc.