Как спроектировать пластичный теплообменник

Пластинные теплообменники (PHEs) представляют собой компактные единицы, состоящие из тонких гофрированных металлических пластин, сложенных вместе.Эти пластины создают чередующиеся каналы для течения горячей и холодной жидкости.Жидкости остаются отдельными (благодаря уплотнениям или сварным уплотнениям) и, как правило, течат в режиме противотока, максимизируя разницу температуры вдоль длины.Поскольку одна жидкость течет по одной стороне каждой пластины, а другая жидкость течет по противоположной стороне, тепло проводится через металл.Такая конструкция гофрированной пластины вызывает турбулентность и дает очень высокие коэффициенты теплопередачи, поэтомупластичные теплообменникиЧасто теплообменники передают тепло более эффективно, чем оболочки и трубки теплообменников.

Прокладные пластичные теплообменникииспользовать болтовые пластины и эластомерные уплотнения (как показано выше) для формирования герметичных каналов.Противопоток горячих и холодных жидкостей через эти пластины максимизирует теплопередача.

Каждая пластина имеет большую площадь поверхности и тонкие стенки, что означает быстрый тепловой поток.В уплотненном пластичном теплообменнике резиновые уплотнения между пластинами направляют жидкости в переменные каналы. (Forпри сварных конструкциях, пластины герметизируются сваркой или плавкой вместо прокладки.)В любом случае горячая жидкость передает тепло материалу пластины, а пластина передает его холодной жидкости с другой стороны.Поскольку холодные и горячие потоки течат в противоположных направлениях (противотока), разница температуры остается высокой по всему блоку, что обеспечивает очень эффективную теплопередача.

Ключевые шаги в разработке пластичного теплообменника

При проектировании пластичного теплообменника для данного применения инженеры следуют нескольким ключевым шагам:

Выберите правильный тип обменателя. Во-первых, определите требования: тип жидкости, температуры, расходные скорости, давление, пространство и потребности в техническом обслуживании.Например, для мягких условий и легкого обслуживания, уплотненный пластиновый обменник является распространенным.Для очень высоких давлений или агрессивных сред может потребоваться сварный тип, такой как HT-Bloc или обменники с печатной схемой или TP конструкции (комбинирование пластины и корпуса).Специализированные формы, такие как сварный тип с широким зазором, выбираются для очень вязких / твердых жидкостей или экстремальных условий, соответственно.

Расчет тепловой нагрузки и требуемой площади. Далее, определите тепловую нагрузкуQ (обычно из данных процесса или желаемого изменения температуры) и рассчитать необходимую площадь теплопередачи.Используя основное уравнение теплопередачи Q = U × A × ΔT_lm Один вычисляет площадьA Необходимо.ЗдесьU - коэффициент теплопередачи (оцененный на основе свойств жидкости и характеристик пластины), иΔT_lm Лог-средняя разница температуры между жидкостями.ВышеU Большая или большая площадь пластины приводит к большей тепловой задаче.На практике количество пластинок выбирается таким образом, чтобы общая площадь пластины соответствовала A = Q / (U × ΔT_lm).

Оценка падения давления. По мере того, как жидкости течат через пластины, будут потери трения.Разработчики рассчитывают падение давления на каждой стороне, используя известные расходы, расстояние между пластинами и рисунки гофрирования.Коэффициент трения и длина канала входят в формулу расхода жидкости, чтобы гарантировать, что полученное падение давления является приемлемым для системы.Если падение слишком большое, можно добавить больше пластин (увеличивая площадь) или изменить геометрию пластины (например,более крупные проходы в конструкции с широким зазором) для уменьшения удушения.

Выбирайте материалы и компоненты. Выбор материала зависит от химической совместимости и температуры.Общие материалы пластины - нержавеющая сталь (например, 316L) для общего использования, сплавы титана или никеля для коррозионных жидкостей и специальные сплавы для очень высоких температур.Прокладки (если используются) должны соответствовать жидкости (NBR, EPDM, Viton и т. д.)И температуры.В сварных обменниках (HT-Bloc, TP, wide-gap) нет уплотнений, что позволяет иметь очень высокие температурные и давление номиналы.

Проверьте дизайн и, по возможности, проверите. После предварительной разработки оптимальная практика заключается в моделировании или создании прототипа обменника для проверки теплопередачи и гидравлики.Как отмечается в одном руководстве, "проверка конструкции с помощью моделирования или экспериментальных испытаний обеспечивает... желаемую скорость теплопередачи и падение давления".Корректировка количества пластин, конфигурации или эксплуатационных параметров по мере необходимости для достижения целей.

Эти шаги (выбор, термический размер, проверка падения давления, выбор материалов, проверка) обеспечивают надежность конструкции.На этом пути может помочь ссылка на известные семейства продуктов: например,HT-Bloc сварные пластинные обменники использовать полностью сварные пластиновые упаковки для эксплуатации под высоким давлением;Широкозазорные сварочные обменники - предоставлять расширенные каналы для предотвращения загрязнения шламами; иОбменники с печатной схемой Используйте диффузионные микроканалы для экстремальных условий.

Формула проектирования: тепловое обязательство и LMTD

Основная формула в конструкции теплообменника - тепловой баланс:

Q = ∑_h × c_{p, h} × (T_{h, in} -T_{h, out})

= ∑_c × c_{p, c} × (T_{c, out} -T_{c, in})

или

Где подписчикиh, c Речь идет о горячих и холодных жидкостях.Это обеспечивает энергетический баланс: тепло, потеряемое горячей жидкостью, равен теплу, полученному холодом.

Еще одно ключевое соотношение - уравнение теплопередачи:

Q = U × A × ΔT_lm

Здесь U (общий коэффициент теплопередачи) представляет собой теплопроводность пластинового обменника (это зависит от конвекции жидкости, материала пластины и загрязнения),A- это общая площадь поверхности пластины, иΔT_lm - это среднее значение разницы температуры между горячими и холодными потоками.Формула LMTD учитывает тот факт, что разница температуры изменяется вдоль обменника.В первую очередь, вычисляется ΔT_lm = (ΔT1-ΔT2) / ln (ΔT1 / ΔT2),гдеΔT1 andΔT2 Разница температуры на обоих концах.

WithQизвестной и оценочной дляUТребуемая площадь являетсяA = Q / (U × ΔT_lm) .Дизайнеры часто итерают: предполагают рисунок пластины или материал для оценки.U(которые могут варьироваться от нескольких тысяч до 7000 Вт / м2 · К для жидко-жидкостных ПЭ), рассчитатьA , затем выберите количество пластинок таким образом, чтобы сумма площадей пластинок соответствовалаA .Можно также использовать методы NTU-эффективности для более сложного размера, ноU × A × ΔT_lm Подход является общей отправной точкой.

Теплообменники с печатной схемой основаны на микроканальных пластинах (показано выше).Каждая пластина выгравирована с узкими каналами (синие и красные потоки), чтобы создать огромную площадь поверхности в компактном объеме.Общая теплопередача следующаяQ = U × A × ΔT_lm И поэтому их чрезвычайно большиеA/ Volume и HighU Дать выдающиеся результаты.

Промышленное применение и соображения дизайна

Пластинные обменники используются во многих отраслях промышленности.Каждое приложение имеет свои требования:

Химическая обработка:

Химические заводы часто работают с коррозионными или токсичными жидкостями и могут требовать высокого давления или температуры.Проекты здесь предпочитают сварные ПХЭ (без уплотнений для утечки), изготовленные из специальных сплавов.Например, полностью сварный обменник HT-Bloc сочетает эффективность пластины с прочностью оболочки и трубки, что позволяет работать в суровых химических циклах.Канала потока должны быть немного больше, чем ультра-тёмные, чтобы предотвратить загрязнение от взвешенных катализаторов или твердых веществ.Такие материалы, как гастеллой или титан, являются распространенными.Легкость очистки важна - многие процессы позволяют очистить на месте (CIP) - поэтому открывающиеся конструкции (закрученные рамки) могут быть использованы для обслуживания.

Отопление / вентиляция / кондиционер:

Системы ОВК обычно включают нагрев или охлаждение воды и гликольных контуров при умеренном давлении.Здесь,обменники с уплотненными пластинами Они очень распространены из-за их низкой стоимости и простоты обслуживания.Они превосходят себя в рекуперации энергии и охлаждающих / конденсационных обязанностяхВ дизайне акцент делается на максимизации эффективности в ограниченном пространстве.Поскольку жидкости относительно чистые, для максимальной теплопередачи могут использоваться узкие пластины (с высокой гофрированностью).Прокладки позволяют просто размонтировать для очистки или добавления пластинок, если требуется изменить емкость.Типичными материалами являются нержавеющая сталь (316L) и стандартные прокладки эластомеры.Номинальные значения давления в ОВК умеренны (часто < 20 бар), поэтому стандартные уплотненные агрегаты достаточно.

Выработка электроэнергии:

Энергетические установки (ископаемые или атомные) имеют высокотемпературные, высоко давление потоки (пары, сверхкритические жидкости).Теплообменники с печатными схемами (PCHEs) были впервые разработаны для ядерного и СПГ и теперь используются в энергетических циклах.PCHEВ них имеются микроканальные пластины, диффузионно скрепленные в твердом блоке, что дает выдающуюся прочность и крошечные, высокоэффективные проходы.Они могут работать до ~ 1000 бар и 900 °C, что значительно превышает нормальные PHEs.В менее экстремальных случаях (например,сварные пластиновые обменники, такие как типы TP, сочетают компактность с надежностью.Они могут иметь открывающиеся оболочки для обслуживания и допускать падение давления, приемлемое для цикла.Во всех случаях чистота имеет решающее значение (нет утечек), поэтому выбираются полностью сварные или диффузионно-связанные конструкции.

Питание и напитки:

Пищевая промышленность нуждается в обменниках, которые являются гигиеничными и легко очищаться.ПХЭ с уплотнениями широко используются для пастеризации молока, сорта в пивоварении и для нагрева / охлаждения соков.Пластинки часто из нержавеющей стали (иногда 316L) с уплотнениями, одобренными FDA.Многие единицы построены на открытых рамах, так что пластины можно вымыть или заменить для очистки.Для продуктов, содержащих частицы (например,сок из сахарного тростника),Широкозазорные пластиновые обменники используется.Они имеют расширенные каналы потока, которые терпимы к твердым кусочкам без забивания.Конструкции с широким зазором по-прежнему сварны и поддаются давлению, но их форма канала предотвращает «мертвые зоны» и блокировки.Цель состоит в мягкой обработке (во избежание сдвига продукта) при соблюдении жесткого температурного контроля.Часто встроены системы CIP (чистки на месте), и гофрировка пластины может быть более мягкой.

Широкозазорные сварные пластины теплообменники (как синий блок выше) обрабатывают вязкие или частично загруженные жидкости.Большие каналы предотвращают забивание, в то время как конструкция гофрированной плиты поддерживает высокую тепловую эффективность.

Помимо этих примеров, почти всякая промышленность от нефтехимии до фармацевтики использует пластинообменники в той или иной форме.Основные требования варьируются в зависимости от сектора: химические заводы сопротивляемости к стрессовой коррозии и давлению, HVAC фокусируется на компактности и эксплуатационной удобности, электростанции на тепловой производительности и давлении, а продукты питания / напитки на гигиене и загрязнении.Понимая требования приложения, дизайнеры выбирают правильную геометрию пластины, способ уплотнения, материал и общую конфигурацию.

Вывод

Проектирование пластичного теплообменника требует четкого понимания принципов теплопередачи и конкретных потребностей процесса.Начнем с основ: пластиновый обменник работает путем противотока горячих и холодных жидкостей по чередующихся пластинах, достигая очень эффективного теплообмена.Затем следуйте систематическим шагам: выберите тип (пакетное, сварное, печатная схема и т. д.),вычислить тепловую нагрузку и требуемую площадь, убедиться в приемлемости падений давления, выбрать совместимые материалы и проверить конструкцию.

Различные отрасли будут руководствоваться выбором: например, сварные пластиновые обменники HT-Bloc сочетают эффективность пластины с высокой прочностью под давлением, в то время как пластиновые обменники Wide-Gap отличаются в пищевых или горнодобывающих приложениях с твердыми веществами, а ПХЭ обеспечивают компактные решения для электростанций.Сочетая эти принципы конструкции с соответствующим типом продукции и материалами, инженеры гарантируют, что каждый пластичный теплообменник надежно выполняет свой предназначенный сервис.

Если вам необходимы дополнительные консультации и дискуссии, пожалуйста, не стесняйтесь обратиться к нам. Contact us.

Email: info@shphe.com

WhatsApp / Мобильный: 86 15201818405