Пластинчатый теплообменник - Plate heat exchanger

А пластинчатый теплообменник это тип теплообменник который использует металл тарелки для передачи высокая температура между двумя жидкости. Это имеет большое преимущество перед обычным теплообменником в том, что жидкости подвергаются гораздо большему воздействию. площадь поверхности потому что жидкости растекаются по пластинам. Это облегчает передачу тепла и значительно увеличивает скорость температура изменять. Пластинчатые теплообменники сейчас обычное дело и очень маленькие припаянный версии используются в секциях горячего водоснабжения миллионов комбинированные котлы. Высокая эффективность теплопередачи при таком небольшом физическом размере увеличила расход горячей воды (ГВС) комбинированных котлов. Небольшой пластинчатый теплообменник оказал большое влияние на бытовое отопление и горячее водоснабжение. Использование более крупных коммерческих версий прокладки между пластинами, в то время как меньшие версии, как правило, припаяны.

Концепция теплообменника заключается в использовании труб или других защитных сосудов для нагрева или охлаждения одной текучей среды путем передачи тепла между ней и другой текучей средой. В большинстве случаев теплообменник состоит из спиральной трубы, содержащей одну жидкость, которая проходит через камеру, содержащую другую жидкость. Стенки трубы обычно делают из металл, или другое вещество с высоким теплопроводность, чтобы облегчить замену, тогда как внешний кожух большей камеры выполнен из пластик или покрытый теплоизоляция, чтобы предотвратить утечку тепла из теплообменника.

Пластинчатый теплообменник (ПТО) был изобретен доктором Ричардом Селигманом в 1923 году и произвел революцию в методах косвенного нагрева и охлаждения жидкостей.[1] Д-р Ричард Селигман основал APV в 1910 году как Aluminium Plant & Vessel Company Limited, специализированная производственная фирма, поставляющая сварные сосуды для пивоваренных заводов и торговцев растительным маслом.

Конструкция пластинчатых и рамных теплообменников

Принципиальная принципиальная схема пластинчато-рамного теплообменника.
Индивидуальная пластина для теплообменника

Пластинчатый теплообменник (PHE) представляет собой специализированную конструкцию, хорошо подходящую для передачи тепла между жидкостями среднего и низкого давления. Сварные, полусварные и паяные теплообменники используются для теплообмена между жидкостями под высоким давлением или там, где требуется более компактный продукт. Вместо трубы, проходящей через камеру, есть две чередующиеся камеры, обычно тонкие по глубине, разделенные по своей наибольшей поверхности гофрированной металлической пластиной. Пластины, используемые в пластинчато-рамном теплообменнике, получают путем прессования металлических пластин за одно целое. Нержавеющая сталь - обычно используемый металл для изготовления пластин из-за ее способности выдерживать высокие температуры, прочности и коррозионной стойкости.

Пластины часто разделены резиновыми уплотнительными прокладками, которые зацементированы в секцию по краю пластин. Пластины прижимаются, образуя желоба под прямым углом к ​​направлению потока жидкости, которая проходит через каналы в теплообменнике. Эти желоба расположены так, что они соединяются с другими пластинами, образуя канал с зазорами 1,3–1,5 мм между пластинами. Пластины сжаты вместе в жесткую раму, образуя систему параллельных каналов с чередующимися горячими и холодными жидкостями. Пластины имеют чрезвычайно большую площадь поверхности, что обеспечивает максимально быстрый перенос. Если сделать каждую камеру тонкой, то большая часть объема жидкости будет контактировать с пластиной, что также способствует обмену. Желоба также создают и поддерживают турбулентный поток жидкости, чтобы максимизировать теплопередачу в теплообменнике. Высокая степень турбулентности может быть получена при низких расходах и тогда может быть достигнут высокий коэффициент теплопередачи.

По сравнению с кожухотрубными теплообменниками температура Подход в пластинчатых теплообменниках может составлять всего 1 ° C, тогда как кожухотрубные теплообменники требуют приближения к температуре 5 ° C или более. При том же количестве передаваемого тепла размер пластинчатого теплообменника меньше из-за большой площади теплообмена, обеспечиваемой пластинами (большая площадь, через которую может проходить тепло). Увеличение и уменьшение площади теплопередачи в пластинчатом теплообменнике выполняется просто путем добавления или удаления пластин из пакета.

Оценка пластинчатых теплообменников

Теплообменник в частично разобранном виде, с видимыми пластинами и прокладками

Все пластинчатые теплообменники внешне похожи. Разница заключается внутри, в деталях конструкции пластины и используемых технологиях уплотнения. Следовательно, при оценке пластинчатого теплообменника очень важно не только изучить детали поставляемого продукта, но также проанализировать уровень исследований и разработок, проводимых производителем, а также послепродажное обслуживание и доступность запасных частей.

Важным аспектом, который следует учитывать при оценке теплообменника, являются формы гофрирования внутри теплообменника. Есть два типа: скрещивание и шеврон гофры. Как правило, большее улучшение теплопередачи достигается за счет шевронов для данного увеличения перепада давления, и они используются чаще, чем чередующиеся гофры.[2]Существует так много различных способов модификации для повышения эффективности теплообменников, что крайне сомнительно, что какой-либо из них будет поддерживаться коммерческим симулятором. Кроме того, некоторые проприетарные данные не могут быть раскрыты производителями теплообменников. Однако это не означает, что какие-либо предварительные измерения для новых технологий не выполняются инженерами. Ниже приводится контекстная информация о нескольких различных формах изменений теплообменников. Основная цель получения теплообменника с рентабельностью по сравнению с использованием традиционного теплообменника всегда должна достигаться за счет усовершенствования теплообменника. Емкость обрастания, надежность и безопасность - это другие факторы, которые необходимо учитывать.

Во-первых, это периодическая уборка. Периодическая очистка (очистка на месте) - это наиболее эффективный метод вымывания всех отходов и грязи, которые со временем снижают эффективность теплообменника. Этот подход требует, чтобы обе стороны ПТО (пластинчатого теплообменника) были опорожнены, а затем изолирован от жидкости в системе. С обеих сторон следует смывать воду, пока она не станет полностью чистой. Для достижения наилучших результатов промывку следует выполнять в направлении, противоположном обычным операциям. Как только это будет сделано, пора использовать циркуляционный насос и резервуар для раствора для пропуска чистящего средства, при этом убедитесь, что средство совместимо с прокладками и пластинами PHE (пластинчатого теплообменника). Наконец, пока нагнетаемый поток не станет чистым, систему следует снова промыть водой.

Оптимизация пластинчатых теплообменников

Чтобы добиться улучшения в ПТО, необходимо учитывать два важных фактора, а именно количество теплопередачи и падение давления, так что количество теплопередачи необходимо увеличивать, а падение давления необходимо уменьшать. В пластинчатых теплообменниках из-за наличия гофрированной пластины возникает значительное сопротивление потоку с высокими потерями на трение. Таким образом, при проектировании пластинчатых теплообменников необходимо учитывать оба фактора.

Для различного диапазона чисел Рейнольдса существует множество корреляций и углов шеврона для пластинчатых теплообменников. Геометрия пластин является одним из наиболее важных факторов теплопередачи и падения давления в пластинчатых теплообменниках, однако такая особенность не прописана точно. В гофрированных пластинчатых теплообменниках из-за узкого пути между пластинами существует большая допустимая нагрузка по давлению, и поток становится турбулентным по пути. Следовательно, он требует большей мощности накачки, чем другие типы теплообменников. Поэтому нацелены на более высокую теплопередачу и меньшее падение давления. Форма пластинчатого теплообменника очень важна для промышленных применений, на которые влияет падение давления.[нужна цитата ]Расширение поверхностей за счет оребрения и вставок - это некоторые способы усовершенствования теплообменника. Ребристые трубы могут быть оребрены как на внутренней, так и на внешней стороне. Это, вероятно, самый старый метод улучшения теплопередачи. Оребрение будет выгодным, если жидкость, как газ, имеет относительно низкий коэффициент теплопередачи пленки. При применении турбулентности ребро не только увеличивает коэффициент пленки, но и увеличивает площадь поверхности теплопередачи. Более высокий перепад давления приводит к этой дополнительной эффективности. Тем не менее, площадь плавников должна быть изменена для обеспечения производительности, как и любая дополнительная площадь поверхности. Что касается теплопередачи, оптимальная высота ребра обеспечивается за счет этого КПД. В открытой литературе большинство коэффициентов теплопередачи и пленки требуются для оребренных труб, и в основном поддерживаются коммерческие пакеты рейтинга теплообменников. Недавняя статья также определяет прогноз производительности ребристых труб. В литературе также есть данные о выходе труб с низким оребрением в сравнении с обобщенными корреляциями.

Для облегчения вибрации в трубку вставляются табуляторы, вставки или статические смесители. Эти устройства наиболее эффективны для жидкостей с высокой вязкостью в области ламинарного потока. Коэффициенты теплопередающей пленки могут увеличиваться до пяти раз. Для теплопередачи жидкости и для облегчения закипания чаще всего используются вставки. Вставки обычно неэффективны в трубке для конденсации и почти постоянно увеличивают падение давления. Нет общего сходства для прогнозирования изменений из-за сложности взаимосвязей между геометрией пластины и результатом увеличения теплопередачи и снижения давления. Тем не менее, в некоторых случаях повышение коэффициента теплопередачи может быть достигнуто при меньшем падении давления за счет изменения количества проходов.

Уравнение распределения потока и теплопередачи

Расчет конструкции пластинчатого теплообменника включает распределение потока, падение давления и теплопередачу. Первое - это проблема Распределение потока в коллекторах.[3] Компоновку пластинчатого теплообменника обычно можно упростить до коллекторной системы с двумя коллекторными коллекторами для разделения и объединения жидкостей, которые можно разделить на U-образную и Z-образную компоновку в соответствии с направлением потока в коллекторах, как показано на коллекторной компоновке. Бассиуни и Мартин разработали предыдущую теорию дизайна.[4][5] В последние годы Ван [6][7] объединил все основные существующие модели и разработал наиболее законченный инструмент теории и проектирования.

Общая скорость теплопередачи между горячей и холодной текучими средами, проходящими через пластинчатый теплообменник, может быть выражена как: Q = UA∆Tm, где U - Общий коэффициент теплопередачи, A - общая площадь пластины, ∆Tm - Средняя разница температур в журнале. U зависит от коэффициентов теплопередачи в горячем и холодном потоках.[2]

Расположение коллектора для распределения потока

Такая очистка помогает избежать загрязнения и накипи без необходимости отключения теплообменника или прерывания работы. Чтобы избежать снижения производительности теплообменника и снижения срока службы удлинителя трубы, OnC (Online Cleaning) может использоваться как автономный подход или в сочетании с химической обработкой. Система с рециркуляцией шариков и система щеток и корзин являются одними из техник OnC. OfC (Offline Cleaning) - еще один эффективный метод очистки, который эффективно увеличивает производительность теплообменников и снижает эксплуатационные расходы. Этот метод, также известный как скребок, использует пулевое устройство, которое вставляется в каждую трубку и использует высокое давление воздуха для опускания трубки. Химическая промывка, гидроабразивная очистка и гидроразрыв - это другие широко используемые методы, помимо OfC. Оба эти метода при частом использовании восстановят оптимальную эффективность теплообменника до тех пор, пока загрязнение и накипь не начнут медленно проскальзывать, что отрицательно скажется на эффективности теплообменника.

Для теплообменника необходимы затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Но есть разные способы минимизировать стоимость. Во-первых, стоимость может быть минимизирована за счет уменьшения образования отложений на теплообменнике, что снижает общий коэффициент теплопередачи. Согласно оценкам анализа, эффект образования обрастания приведет к огромным эксплуатационным потерям, которые превышают 4 миллиарда долларов. Общие затраты на загрязнение, включая капитальные затраты, затраты на электроэнергию, затраты на техническое обслуживание и потерю прибыли. Ингибиторы химического обрастания - один из методов борьбы с обрастанием. Например, сополимеры акриловой кислоты / гидроксипропилакрилата (AA / HPA) и акриловой кислоты / сульфоновой кислоты (AA / SA) могут быть использованы для подавления загрязнения за счет осаждения фосфата кальция. Затем отложение загрязнений также можно уменьшить, установив теплообменник вертикально, поскольку сила тяжести отталкивает любую из частиц от поверхности теплообмена в теплообменнике. Во-вторых, эксплуатационные расходы могут быть минимизированы при использовании насыщенного пара по сравнению с перегретым паром в качестве жидкости. Перегретый пар действует как изолятор и плохой проводник тепла, он не подходит для применения тепла, такого как теплообменник.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Пластинчатые теплообменники». ООО «Голд-Бар Инжиниринг». Получено 30 июн 2015.
  2. ^ а б Хьюитт, G (1994). Технологическая передача тепла. CRC Press.
  3. ^ Ван, J.Y. (2011). «Теория распределения потока в коллекторах». Химическая инженерия J. 168 (3): 1331–1345. Дои:10.1016 / j.cej.2011.02.050.
  4. ^ Bassiouny, M.K .; Мартин, Х. (1984). «Распределение потока и падение давления в пластинчатых теплообменниках. Часть I. Устройство U-типа». Chem. Англ. Наука. 39 (4): 693–700. Дои:10.1016/0009-2509(84)80176-1.
  5. ^ Bassiouny, M.K .; Мартин, Х. (1984). «Распределение потока и падение давления в пластинчатых теплообменниках. Часть II. Устройство Z-типа». Chem. Англ. Наука. 39 (4): 701–704. Дои:10.1016/0009-2509(84)80177-3.
  6. ^ Ван, J.Y. (2008). «Перепад давления и распределение потока в параллельных каналах конфигураций батарей топливных элементов: U-образное расположение». Международный журнал водородной энергетики. 33 (21): 6339–6350. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2008.08.020.
  7. ^ Ван, J.Y. (2010). «Перепад давления и распределение потока в параллельноканальных конфигурациях батарей топливных элементов: Z-образное расположение». Международный журнал водородной энергетики. 35 (11): 5498–5509. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2010.02.131.

Библиография

  • Садик Какач и Хонгтан Лю (март 2002 г.). Теплообменники: выбор, номинальные характеристики и тепловое исполнение (2-е изд.). CRC Press. ISBN  978-0-8493-0902-1.
  • Т. Куппан (февраль 2000 г.). Руководство по проектированию теплообменников (1-е изд.). CRC Press. ISBN  978-0-8247-9787-4.
  • Дж. М. Коулсон и Дж. Ф. Ричардсон (1999). Том 1 "Химическая инженерия" Коулсона и Ричарсона (6-е изд.). Баттерворт Хайнеманн. ISBN  978-0-7506-4444-0.

внешняя ссылка