Размер теплообменников с печатной схемой: всестороннее руководство

Применение теплообменников с печатной схемой

• Нефть & Газ: На установках сжиженного природного газа и установках регазификации ПХЭ используются в предварительно охлажденных циклах метана, рекуперации газа после окончательного вспышки, обработке кипящего газа и в выполнении функций испарителя.Криогенные характеристики (до -196°C) и высокое давление делают ПХЭ идеальными для нагревателей топливного газа и тепловой рекуперации в плавучих регазификаторах.

• Водород топливо и переработкаСтанции быстрого водородного заправки полагаются на быстрое предварительное охлаждение H2 высокого давления для максимизации скорости заправки.ПХЭ (особенно со специализированными 3D-гравированными каналами) используются для предварительного охлаждения водорода от 700 бар до условий хранения, уменьшая мощность насоса и время ожидания.В более широком смысле, сжижение и обработка водорода могут повысить устойчивость ПХЭ к высоким давлениям.
• Химические и нефтехимических заводов: ПХЭ проверены временем в переработке углеводородов высокого давления, переработке и нефтехимических работах.Они выполняют такие задачи, как контроль температуры росы газа, межступенчатое охлаждение реактора, охлаждение кислотного газа и конденсация в процессах, требующих строгой чистоты.Их небольшой запас жидкости и высокая теплоэффективность подходят для очистки, критически важных услуг. (ПХЭ из никелевого сплава, например, широко используются в химической обработке для противодействия суровым жидкостям и высоким температурам.)
• Выработка электроэнергии: В передовых циклах мощности ПХЭ используются в рекуператорах и генераторах.Для сверхкритических циклов CO2, где все потоки составляют 200 - 300 бар или выше, ПХЭ могут выдерживать температурные скачки до ~ 600 °C и массивные различия давления.Они также применяются в атомной энергетике (замена парогенератора), и газотурбинном топливном газоотоплении.Их сверхвысокое давление (до ~ 1250 бар в некоторых конструкциях) делает их привлекательными для новых циклов.

• Возобновляемые источникии хранение: ПХЭ привлекают внимание к концентрированной солнечной энергии, длительному хранению тепловой энергии (расплавленных солей и т. д.),и системы улавливания углерода, где высокая эффективность цикла и компактный теплообмен имеют критическое значение.

Ключевые соображения в размере PCHE

• Теплообменность (Heat Transfer Requirement): Во-первых, вычислите требуемую тепловую нагрузку Q из данных процесса (массовые расходы, удельные тепла и изменение температуры горячих и холодных жидкостей).Определите также значение средней температурной разницы (LMTD) или требуемую температуру выхода.Теплообеспечение и LMTD устанавливают требуемую общую площадь теплопередачи через соотношение
  
  где U - коэффициент теплопередачи.
• Скорость и скорость потока жидкости: Учитывая массовые расходы каждой жидкости (горячая и холодная стороны), выберите начальные размеры канала для вычисления скорости.Например, если каждый канал имеет площадь сечения, , скорость жидкости .Скорость движения определяет режим потока (число Рейнольдса) ) и, следовательно, теплопередача и падение давления.Микроканалы PCHE обычно имеют диаметр 0,4 - 4 мм, поэтому потоки могут варьироваться от ламинарных до турбулентных в зависимости от скорости и жидкости.
• Геометрия и конфигурация канала: Выбор формы канала, ширины (и длины.Производители PCHE часто предоставляют каталоги моделей каналов (прямые, зигзагные, волнообразные, 3D и т. д.)Профили пластин и гофрированных.Более узкие каналы увеличивают площадь поверхности (увеличивают теплопередачу), но также увеличивают падение давления.Выбранная геометрия должна соответствовать пределам падения давления при обеспечении требуемой теплопередачи.Поскольку химическое гравирование является очень гибким, ПХЭ могут реализовать сложные серпентинные или распределительные узоры, невозможные в простых пластинках.Параметры продукта могут служить ориентиром для первоначального выбора - например, SHPHE перечисляет типичные зазоры каналов от 0,4 до 4 мм и толщину пластины 0,5 - 2 мм.
• Вычисление коэффициента теплопередачи: Использование корреляций для оценки коэффициента теплопередачи конвекции h с каждой стороны.Для многих конструкций PCHE (полукруглые каналы размером нескольких миллиметров) корреляции Nu и коэффициента трения имеются из литературы или данных CFD.Например, одно исследование дает для 2 мм полукругловых каналов:

• Область и количество каналов: Один раз U рассчитаны, решены Общая площадь теплопередачи требуется.В ПЧЭ площадь получается из суммы всех стен каналов.Если каждая канала имеет параллельные каналы ширины Длина и , и есть Площадь составляет приблизительно, то общая площадь (Где асимметрии (если таковые имеются).Из этого можно решить необходимое and с учетом практических размеров пластинок.Например, если требуется эффективная площадь 0,5 м2, а каждый канал вносит 0,01 м2, то необходимо сложить примерно 50 канала-пластин.
• Оценка падения давления: Вычислить падение давления с каждой стороны.Для данного канала закон Дарси дает .Здесь - средняя скорость в канале и коэффициент трения из корреляции выше.Поскольку каналы малы, падение давления может быть значительным, инженеры должны обеспечить остаются в допустимых пределах.Если падение слишком высокое, можно увеличить размер канала, уменьшить длину канала (добавляя больше параллельных каналов / пластин) или выбрать другую геометрию пути потока.
• Материалы и механические ограничения: Выбирайте материал и толщину пластины на основе требований к давлению и коррозии. Aпромышленный PCHEТолщина пластины должны выдерживать полное конструктивное давление; например, SHPHE указывает толщину пластины от 0,5 - 2 мм для давлений до 1000 бар.Такие материалы, как SS316L, Inconel 625, титан или гастеллой, обычно выдерживают высокие температуры или коррозионные жидкости.Очень высокое давление может потребовать более толстых пластин или высокопрочных сплавов, которые уменьшают размер или площадь канала, поэтому этот компромисс должен быть повторен.
• Итерация и оптимизация: Поскольку вышеперечисленные факторы взаимозависимы, размеры обычно итеративны.Обычно корректируют разрыв канала или счет и пересчитывают U and До тех пор, пока не будут выполнены как тепловые, так и гидравлические ограничения.Вычислительные инструменты или программное обеспечение производителя часто помогают этому.В критических случаях (например, циклы СО2) для окончательной доработки геометрии может быть использована подробная симуляция.

1. Определение требований: Сбор температур горячего / холодного входа / выхода, массовых расходов, допустимых падений давления и требуемой работы .

2. Предварительно выберите размеры канала: Выберите ширину канала (например, 1 - 3 мм) и форму гофрированной плиты.

3. Вычисление скорости и числа Рейнольдса: , .

4. Расчетные коэффициенты теплопередачи: Используйте корреляции Нуссельта (Nu vs. Re), чтобы получить and Для каждой стороны.

5. Вычисления в целом : Комбинируйте , и стеновое провождение.

6. Расчет требуемой площади: .

7. Определение количества каналов / длины: Используйте формулу площади, чтобы найти and Это соответствует размеру тарелки.

8. Проверка падения давления: Вычислить Для каждой стороны.

9. Корректировка геометрии: If слишком высокие или U Если уровень слишком низкий, измените ширину канала, количество пластин или траекторию потока (добавить изгибы, изменить схему) и повторите.

10. Проверка механически: Убедитесь, что толщина стенки и материал соответствуют кодам ASME / PED для конструкционного давления и температуры.

На протяжении всего этого процесса крайне важно уважать ограничения производства.Например, химическое гравирование может создать очень сложные каналы (серпентины, многопроходные схемы), но чрезмерно тонкие стены (< 0,2 мм) непрактичны для гравирования и слияния.В руководящих принципах SHPHE для большинства ПХЭ рекомендуется иметь толщину пластины в диапазоне 0,5 - 2 мм.

Сравнение с оболочкой и трубками и другими типами обменников

В заключительной записке.