Подушечно-пластинчатый теплообменник

Подушечно-пластинчатые теплообменники представляют собой класс цельносварных теплообменников , которые имеют волнистую «подушкообразную» поверхность, образующуюся в процессе накачивания. По сравнению с более традиционным оборудованием, таким как кожухотрубные, пластинчатые и рамные теплообменники , опорные пластины являются довольно молодой технологией. Благодаря своей геометрической гибкости их применяют как в теплообменниках «пластинчатого типа», так и в качестве рубашек для охлаждения или обогрева сосудов. Оборудование с подушками в настоящее время пользуется повышенным вниманием и внедрением в перерабатывающей промышленности.

Строительство

Подушки изготавливаются методом раздувания, при котором два тонких металлических листа привариваются друг к другу точечной сваркой по всей поверхности с помощью лазерной или контактной сварки . Боковые стороны пластин, за исключением соединительных портов, герметизированы шовной сваркой. Наконец, зазор между тонкими металлическими листами сжимается гидравлической жидкостью, вызывая пластическую форму пластин, что в конечном итоге приводит к их характерной волнистой поверхности.

В принципе, существует два разных типа подушкообразных тарелок: одинарное и двойное тиснение. Первые обычно образуют двойные стенки сосудов с рубашкой , а вторые собираются в стопку (банку) для изготовления пластинчатых теплообменников с подушками. Подушки с одинарным тиснением образуются, когда базовая пластина значительно толще верхней. Более тонкая верхняя пластина деформируется, а нижняя остается плоской.

Кроме того, опорные пластины обычно оснащаются сварными швами с перегородками, которые обеспечивают целенаправленное направление потока в каналах опорных пластин в тех случаях, когда распределение потока или скорость жидкости могут быть проблемой. Недавно был предложен способ направления потока с помощью перегородок в каналах между соседними опорными пластинами в пластинчатых теплообменниках. ^[1]

Благодаря своей конструкции опорные плиты герметичны, обладают высокой структурной стабильностью, а их производство в основном автоматизировано и отличается высокой гибкостью. Подушки могут работать при давлении > 100 МПа. ^{[ нужна ссылка ]} и температуре до 800°С.

Приложение

Применение подушкообразных пластин очень широко благодаря их благоприятным свойствам, таким как высокая геометрическая гибкость и хорошая адаптивность практически к любому процессу. Их реализация зависит от их базовой конструкции, т.е. блоков с подушками или резервуаров с рубашкой из подушек. Относительно плоская внешняя поверхность легко чистится и подходит для сильно загрязняющих или санитарных применений, но внутренняя поверхность имеет тонкие швы вокруг каждой точки сварки и ее нелегко чистить, поэтому внутренняя поверхность пригодна только для незагрязняющих жидкостей, таких как вода. , пар или хладагенты.

Подушки пластинчатые банки (теплообменники)

Блоки опорных пластин обычно используются в приложениях, связанных с жидкостью-жидкостью, газом-жидкостью, высокой вязкостью или загрязненными средами, требованиями к низким потерям давления, конденсацией (например, верхние конденсаторы), испарением падающей пленки (например, бумажная и целлюлозная промышленность), ребойлерами , водяным охлаждением. , сушка твердых веществ, производство чешуйчатого льда (пищевая промышленность) и многое другое. Они также широко используются в качестве погружных охладителей (например, при гальванике ), где банки погружаются непосредственно в резервуар. Банки могут быть сконструированы таким образом, чтобы отдельные тарелки можно было отделить от стопки, что упрощает очистку или обслуживание.

Резервуары с подушками и рубашкой

На сегодняшний день наиболее широкое применение подушкообразных пластин приходится на сосуды с рубашкой из-за их гибкости, покрытия всей площади поверхности для теплопередачи, низкого удержания жидкости, низких производственных затрат и времени, а также легкой очистки, особенно в стерильных условиях. Резервуары могут быть оборудованы несколькими рубашками по поверхности, включая днище резервуара, например, конической или вогнутой формы , и могут включать дополнительные цилиндрические оболочки внутри резервуара. Типичными областями применения резервуаров с подушкообразной рубашкой являются пищевая промышленность и промышленность по производству напитков, а также химическая и фармацевтическая промышленность. Эти куртки еще называют «куртками с ямочками».

Другой

Благодаря своей геометрической гибкости, опорные пластины могут быть адаптированы практически к любой геометрии, обеспечивая целевую передачу тепла там, где это необходимо. Некоторыми примерами являются охлаждение труб в термических процессах или даже аккумуляторных батарей и электродвигателей для электромобилей в автомобильной промышленности.

Ноу-хау и исследования в области подушек

В отличие от более традиционных теплообменников, знания о теплогидравлических характеристиках опорных пластин и опыт их проектирования ограничены. Чтобы преодолеть это узкое место, в настоящее время предпринимаются усилия по разработке коммерческих программных инструментов. Приблизительный обзор современного состояния подушек можно найти здесь. ^[2]

Исследования подушек можно разделить на три основные категории: геометрический анализ, анализ течения жидкости и теплопередачи в подушках и анализ течения жидкости и теплопередачи в зазоре между соседними подушками.

Геометрический анализ

Предложены методы расчета площади поверхности, удерживаемого жидкости объема, площади поперечного сечения и гидравлического диаметра, необходимые для теплогидравлических расчетов. ^[3] Указанные геометрические параметры были определены с помощью метода конечных элементов (МКЭ), который имитирует процесс надувания при изготовлении подушек. Кроме того, с помощью метода конечных элементов можно оценить теоретическое разрывное давление опорных пластин.

Течение жидкости и теплообмен в опорных пластинах (внутренних каналах)

Сложная волнистая геометрия в каналах опорных пластин способствует перемешиванию жидкостей, что приводит к благоприятным показателям теплоотдачи , но также неблагоприятно сказывается на потерях давления (образовании зон рециркуляции вслед за сварочными пятнами). Информацию о потоке жидкости и теплопередаче в опорных пластинах можно найти в ^[4] а корреляции для расчета коэффициента трения Дарси и числа Нуссельта в опорных пластинах в широком диапазоне изменений геометрических параметров и условий процесса найдены в . ^[5]

Течение жидкости и теплообмен в зазоре между соседними опорными пластинами (наружными каналами)

Подобно внутренним каналам опорных пластин, каналы, образованные между соседними опорными пластинами (внешние каналы), также являются волнистыми и способствуют перемешиванию жидкости, что, в свою очередь, благоприятно для скорости теплопередачи . Однако потери давления во наружных каналах значительно ниже, чем во внутренних из-за отсутствия мест сварки, которые являются препятствиями для потока (обтекание мест сварки). Информацию о движении жидкости и теплопередаче во внешних каналах пластинчатых теплообменников можно найти в . ^[6]

Растекание падающей пленки по поверхности подушкообразных пластин

Надежная конструкция конденсаторов, испарителей с падающей пленкой и водоохладителей требует детальных знаний гидродинамики и теплопередачи падающей пленки жидкости по поверхности опорных пластин. ^[7]

Ссылки

^ Пайпер, М.; Кениг, EY (18 мая 2016 г.). «Подушечно-пластинчатые теплообменники» . Патент .
^ Инновационные теплообменники . Спрингер. 2018. С. 233–294. ISBN 978-3-319-71639-8 .
^ Пайпер, М.; Оленберг, А.; Тран, Дж. М.; Кениг, EY (декабрь 2015 г.). «Определение геометрических конструктивных параметров опорно-пластинчатых теплообменников». Прикладная теплотехника . 91 : 1168–1175. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.08.097 . ISSN 1359-4311 .
^ Пайпер, М.; Зибарт, А.; Тран, Дж. М.; Кениг, EY (март 2016 г.). «Численное исследование турбулентного теплообмена с вынужденной конвекцией в подушках». Международный журнал тепломассообмена . 94 : 516–527. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.11.014 . ISSN 0017-9310 .
^ Пайпер, М.; Зибарт, А.; Кениг, EY (октябрь 2017 г.). «Новые расчетные уравнения для турбулентной вынужденной конвекции теплопередачи и потери давления в подушкообразных каналах». Международный журнал тепловых наук . 120 : 459–468. doi : 10.1016/j.ijthermalsci.2017.06.012 . ISSN 1290-0729 .
^ Пайпер, М.; Тран, Дж. М.; Кениг, EY (11 ноября 2016 г.). CFD-исследование термогидравлических характеристик опорно-пластинчатых теплообменников . Материалы летней конференции ASME 2016 по теплопередаче (Вашингтон, округ Колумбия). Цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков. дои : 10.1115/HT2016-7176 . ISBN 978-0-7918-5032-9 .
^ Пайпер, М.; Векер, К.; Оленберг, А.; Тран, Дж. М.; Кениг, EY (июль 2015 г.). «Экспериментальный анализ топологии и динамики стекания пленки жидкости по волнистой поверхности вертикальной опорной пластины». Химико-техническая наука . 130 : 129–134. Бибкод : 2015ЧЭнС.130..129П . дои : 10.1016/j.ces.2015.03.005 . ISSN 0009-2509 .

[1] Пайпер, М.; Кениг, EY (18 мая 2016 г.). «Подушечно-пластинчатые теплообменники» . Патент .

[2] Инновационные теплообменники . Спрингер. 2018. С. 233–294. ISBN 978-3-319-71639-8 .

[3] Пайпер, М.; Оленберг, А.; Тран, Дж. М.; Кениг, EY (декабрь 2015 г.). «Определение геометрических конструктивных параметров опорно-пластинчатых теплообменников». Прикладная теплотехника . 91 : 1168–1175. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.08.097 . ISSN 1359-4311 .

[4] Пайпер, М.; Зибарт, А.; Тран, Дж. М.; Кениг, EY (март 2016 г.). «Численное исследование турбулентного теплообмена с вынужденной конвекцией в подушках». Международный журнал тепломассообмена . 94 : 516–527. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.11.014 . ISSN 0017-9310 .

[5] Пайпер, М.; Зибарт, А.; Кениг, EY (октябрь 2017 г.). «Новые расчетные уравнения для турбулентной вынужденной конвекции теплопередачи и потери давления в подушкообразных каналах». Международный журнал тепловых наук . 120 : 459–468. doi : 10.1016/j.ijthermalsci.2017.06.012 . ISSN 1290-0729 .

[6] Пайпер, М.; Тран, Дж. М.; Кениг, EY (11 ноября 2016 г.). CFD-исследование термогидравлических характеристик опорно-пластинчатых теплообменников . Материалы летней конференции ASME 2016 по теплопередаче (Вашингтон, округ Колумбия). Цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков. дои : 10.1115/HT2016-7176 . ISBN 978-0-7918-5032-9 .

[7] Пайпер, М.; Векер, К.; Оленберг, А.; Тран, Дж. М.; Кениг, EY (июль 2015 г.). «Экспериментальный анализ топологии и динамики стекания пленки жидкости по волнистой поверхности вертикальной опорной пластины». Химико-техническая наука . 130 : 129–134. Бибкод : 2015ЧЭнС.130..129П . дои : 10.1016/j.ces.2015.03.005 . ISSN 0009-2509 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]