Пластинчатый теплообменник
Пластинчатый теплообменник — это тип теплообменника используются металлические , в котором для передачи тепла между двумя жидкостями пластины . Это имеет главное преимущество перед обычным теплообменником в том, что жидкости подвергаются воздействию гораздо большей площади поверхности , поскольку жидкости распределены по пластинам. Это облегчает передачу тепла и значительно увеличивает скорость изменения температуры . Пластинчатые теплообменники в настоящее время широко распространены, а очень маленькие паяные версии используются в водогрейных секциях миллионов комбинированных котлов . Высокая эффективность теплопередачи при таком небольшом физическом размере позволила увеличить расход горячей воды для бытового потребления (ГВС) в комбинированных котлах. Небольшой пластинчатый теплообменник оказал большое влияние на бытовое отопление и горячее водоснабжение. используются прокладки В более крупных коммерческих версиях между пластинами , тогда как в меньших версиях обычно используются пайки.
Концепция теплообменника заключается в использовании труб или других защитных сосудов для нагрева или охлаждения одной жидкости путем передачи тепла между ней и другой жидкостью. В большинстве случаев теплообменник состоит из спиральной трубы, содержащей одну жидкость, которая проходит через камеру, содержащую другую жидкость. Стенки трубы обычно изготавливаются из металла или другого материала с высокой теплопроводностью , чтобы облегчить обмен, тогда как внешняя оболочка большей камеры изготавливается из пластика или покрыта теплоизоляцией , чтобы предотвратить утечку тепла из трубы. обменник.
Первый в мире коммерчески жизнеспособный пластинчатый теплообменник (ПТО) был изобретен доктором Ричардом Селигманом в 1923 году и произвел революцию в методах косвенного нагрева и охлаждения жидкостей. Доктор Ричард Селигман основал APV в 1910 году как Aluminium Plant & Vessel Company Limited, специализированную производственную фирму, поставляющую сварные сосуды пивоварням и предприятиям по производству растительного масла. Кроме того, он установил норму для современных тонкометаллических пластинчатых теплообменников, разработанных с помощью компьютера, которые используются во всем мире. [1]
Проектирование пластинчатых и рамных теплообменников [ править ]
Пластинчатый теплообменник (ПТО) 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 компактное изделие. Вместо трубы, проходящей через камеру, имеются две чередующиеся камеры, обычно тонкие по глубине, разделенные по наибольшей поверхности гофрированной металлической пластиной. Пластины, используемые в пластинчато-рамочном теплообменнике, получены методом цельного прессования металлических пластин. Нержавеющая сталь является широко используемым металлом для изготовления пластин из-за ее способности выдерживать высокие температуры, прочности и коррозионной стойкости.
Пластины часто разделяются резиновыми уплотнительными прокладками, которые приклеиваются в секцию по краям пластин. Пластины спрессованы с образованием желобов, расположенных под прямым углом к направлению потока жидкости, протекающей по каналам теплообменника. Эти желоба расположены так, что они соединяются с другими пластинами, образуя канал с зазорами между пластинами 1,3–1,5 мм. Пластины сжаты вместе в жесткой раме, образуя систему параллельных каналов потока с чередующимися горячими и холодными жидкостями. Пластины имеют чрезвычайно большую площадь поверхности, что обеспечивает максимально быструю передачу. Утончение каждой камеры гарантирует, что большая часть объема жидкости контактирует с пластиной, что также способствует обмену. Желоба также создают и поддерживают турбулентный поток жидкости для максимизации теплопередачи в теплообменнике. Высокая степень турбулентности может быть получена при низких скоростях потока и тогда может быть достигнут высокий коэффициент теплопередачи.
По сравнению с кожухотрубными теплообменниками, температурный диапазон (наименьшая разница между температурами холодного и горячего потоков) в пластинчатых теплообменниках может составлять всего 1 °C, тогда как для кожухотрубных теплообменников требуется приближение 5 °С и более. При том же объеме теплообмена размер пластинчатого теплообменника меньше из-за большой площади теплопередачи, обеспечиваемой пластинами (большая площадь, через которую может проходить тепло). Увеличение и уменьшение площади теплопередачи в пластинчатом теплообменнике осуществляется простым добавлением или удалением пластин из пакета.
Оценка пластинчатых теплообменников [ править ]
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 послепуско-наладочное обслуживание и наличие запасных частей.
Важным аспектом, который следует учитывать при оценке теплообменника, являются формы гофра внутри теплообменника. Существует два типа: перемежающаяся и шевронная гофры. Как правило, большее улучшение теплопередачи достигается за счет шевронов при заданном увеличении перепада давления, и они используются чаще, чем перемежающиеся гофры. [2] Существует так много различных способов модификаций для повышения эффективности теплообменников, что крайне сомнительно, что какой-либо из них будет поддерживаться коммерческим симулятором. Кроме того, производители средств повышения теплопередачи никогда не могут разглашать некоторые конфиденциальные данные. Однако это не означает, что какие-либо предварительные измерения для новых технологий не выполняются инженерами. Контекстная информация о нескольких различных формах изменений теплообменников приведена ниже. Основная цель получения теплообменника с экономической выгодой по сравнению с использованием традиционного теплообменника всегда должна достигаться за счет усовершенствования теплообменника. Загрязняющая способность, надежность и безопасность – это другие факторы, на которые следует обратить внимание.
Во-первых, это периодическая уборка. Периодическая очистка (очистка на месте) – наиболее эффективный метод удаления всех отходов и грязи, которые со временем снижают эффективность теплообменника. Этот подход требует опорожнения обеих сторон ПТО (пластинчатого теплообменника) с последующей его изоляцией от жидкости в системе. С обеих сторон воду следует смывать до тех пор, пока она не станет полностью прозрачной. Для достижения наилучших результатов промывку следует проводить в направлении, противоположном обычным операциям. Как только это будет сделано, пришло время использовать циркулярный насос и резервуар для раствора для подачи чистящего средства, гарантируя при этом, что средство совместимо с прокладками и пластинами PHE (пластинчатого теплообменника). Наконец, пока поток нагнетания не станет прозрачным, систему следует снова промыть водой.
Оптимизация пластинчатых теплообменников [ править ]
Чтобы добиться улучшения ПТО, необходимо учитывать два важных фактора, а именно количество теплопередачи и перепад давления, так что объем теплопередачи необходимо увеличить, а падение давления необходимо уменьшить. В пластинчатых теплообменниках из-за наличия гофрированной пластины наблюдается значительное сопротивление потоку с высокими потерями на трение. Таким образом, при проектировании пластинчатых теплообменников следует 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 перепада давления в пластинчатых теплообменниках, однако такая особенность точно не предписана. В теплообменниках с гофрированными пластинами из-за узкого пути между пластинами возникает большая напорная способность, и поток на этом пути становится турбулентным. Поэтому для него требуется большая мощность перекачки, чем для других типов теплообменников. Таким образом, целью является более высокая теплопередача и меньший перепад давления. Форма пластинчатого теплообменника очень важна для промышленного применения, на которое влияет перепад давления. [ нужна ссылка ]
теплопередачи Уравнение потока и распределения
Проектные расчеты пластинчатого теплообменника включают распределение потока, перепад давления и теплопередачу. Первое – это вопрос распределения потока в коллекторах . [3] Компоновочная конфигурация пластинчатого теплообменника можетобычно упрощается до коллекторной системы с двумя коллекторамиколлекторы для разделения и объединения жидкостей, которые могут бытьподразделяются на расположение U-типа и Z-типа в соответствии снаправление потока в коллекторах, как показано на схеме расположения коллектора. Бассиуни и Мартин разработали предыдущую теорию дизайна. [4] [5] В последние годы Ван [6] [7] унифицировал все основные существующие модели и разработал наиболее совершенную теорию и инструмент проектирования.
Суммарная скорость теплопередачи между горячей и холодной жидкостью, проходящей через пластинчатый теплообменник, может быть выражена как:Q = UA∆Tmгде U — общий коэффициент теплопередачи , A — общая площадь пластины, а ∆Tm — средняя логарифмическая разница температур . U зависит от коэффициентов теплопередачи в горячем и холодном потоках. [2]
Их очистка помогает избежать загрязнения и накипи без остановки теплообменника или нарушения работы. Чтобы избежать снижения производительности теплообменника и увеличения срока службы удлинителя трубки, OnC (онлайн-очистка) может использоваться как отдельный подход или в сочетании с химической обработкой. Система типа шарика с рециркуляцией и система щеток и корзин являются некоторыми из методов OnC. OfC (автономная очистка) — еще один эффективный метод очистки, который эффективно повышает производительность теплообменников и снижает эксплуатационные расходы. В этом методе, также известном как очистка скребками, используется пулевое устройство, которое вставляется в каждую трубку и использует высокое давление воздуха для опускания трубки. Химическая промывка, гидроструйная очистка и гидропрокалывание — это другие широко используемые методы, помимо OfC. Оба эти метода, при частом использовании, восстанавливают оптимальную эффективность теплообменника до тех пор, пока засорение и накипь не начнут медленно уменьшаться, отрицательно влияя на эффективность теплообменника.
Расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание необходимы для теплообменника. Но есть разные способы минимизировать затраты. Во-первых, стоимость можно минимизировать за счет уменьшения образования отложений на теплообменнике, что снижает общий коэффициент теплопередачи. По оценкам анализа, эффект образования отложений приведет к огромным эксплуатационным потерям, которые составят более 4 миллиардов долларов. Общая стоимость загрязнения, включая капитальные затраты, затраты на электроэнергию, затраты на техническое обслуживание и стоимость потери прибыли. Химические ингибиторы загрязнения являются одним из методов борьбы с загрязнением. Например, сополимеры акриловой кислоты/гидроксипропилакрилата (AA/HPA) и сополимеры акриловой кислоты/сульфоновой кислоты (AA/SA) можно использовать для предотвращения загрязнения за счет отложения фосфата кальция. Кроме того, отложение загрязнений также можно уменьшить, установив теплообменник вертикально, поскольку сила гравитации оттягивает любые частицы от поверхности теплопередачи в теплообменнике. Во-вторых, эксплуатационные затраты могут быть минимизированы, если в качестве жидкости используется насыщенный пар по сравнению с перегретым паром. Перегретый пар действует как изолятор и плохой проводник тепла, поэтому он не подходит для применения в качестве тепла, например, в теплообменнике.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ «Пластинчатые теплообменники» . Инженеры Техтранса . 19 февраля 2022 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хьюитт, Дж. (1994). Процесс теплопередачи . ЦРК Пресс.
- ^ Ван, JY (2011). «Теория распределения потоков в коллекторах». Химическая инженерия Дж . 168 (3): 1331–1345. doi : 10.1016/j.cej.2011.02.050 .
- ^ Бассиуни, МК; Мартин, Х. (1984). «Распределение потоков и перепад давления в пластинчатых теплообменниках. Часть I. Устройство U-типа». хим. англ. Наука . 39 (4): 693–700. дои : 10.1016/0009-2509(84)80176-1 .
- ^ Бассиуни, МК; Мартин, Х. (1984). «Распределение потоков и перепад давления в пластинчатых теплообменниках. Часть II. Устройство Z-типа». хим. англ. Наука . 39 (4): 701–704. дои : 10.1016/0009-2509(84)80177-3 .
- ^ Ван, JY (2008). «Падение давления и распределение потока в параллельных каналах конфигураций батарей топливных элементов: расположение U-типа». Международный журнал водородной энергетики . 33 (21): 6339–6350. doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.08.020 .
- ^ Ван, JY (2010). «Падение давления и распределение потока в параллельных каналах конфигураций батарей топливных элементов: расположение Z-типа». Международный журнал водородной энергетики . 35 (11): 5498–5509. doi : 10.1016/j.ijhydene.2010.02.131 .
Библиография [ править ]
- Садик Какач и Хунтан Лю (март 2002 г.). Теплообменники: выбор, рейтинг и тепловое проектирование (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-0902-1 .
- Т. Куппан (февраль 2000 г.). Справочник по проектированию теплообменников (1-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8247-9787-4 .
- Дж. М. Коулсон и Дж. Ф. Ричардсон (1999). Химическая инженерия Коулсона и Ричарсона, том 1 (6-е изд.). Баттерворт Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-4444-0 .
Внешние ссылки [ править ]
- Теплообменники в Керли
- Список опубликованных статей по пластинчатым теплообменникам.
- Метод отбора для оптимального выбора конфигурации пластинчатого теплообменника, разработанный JMPinto и JAWGut, Университет Сан-Паулу , Бразилия.
- В поисках оптимальной конструкции типичного пластинчатого теплообменника (ПТО) Афанасиос Г. Канарис, Айкатерини А. Моуза и Спирос В. Парас, Университет Аристотеля в Салониках .