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Design delle piastre di scambio termico e combinazioni di canali PHE

numero Sfoglia:0     Autore:Editor del sito     Pubblica Time: 2020-03-23      Origine:motorizzato

Design delle piastre di scambio termico e combinazioni di canali PHE

(Chammel simmetrico rispetto al canale asimmetrico)

Gli scambiatori di calore a piastre (PHE) sono costituiti da una serie di piastre ondulate sottili appese a una barra di trasporto e bloccate tra una piastra di testa fissa e mobile. Le piastre ondulate o le piastre di trasferimento del calore sono normalmente in acciaio inossidabile o altri materiali sufficientemente duttili da consentire la pressatura. Ogni piastra di trasferimento del calore è dotata di una guarnizione elastomerica, in parte per sigillare e in parte per distribuire i fluidi di processo. I collegamenti nelle piastre di testa fisse o mobili consentono l'ingresso dei fluidi di processo nel pacco piastre. La differenziazione di una piastra di trasferimento di calore da un canale è estremamente importante e fondamentale per l'analisi dei PHE. La piastra di trasferimento del calore separa i due fluidi di processo; il canale è lo spazio stabilito da due piastre di trasferimento di calore, attraverso le quali vengono distribuiti i fluidi di processo e viene effettuato il trasferimento di calore. La Figura 1 mostra in dettaglio i principali componenti di un PHE. La nomenclatura che descrive i PHE non è standardizzata e nomi alternativi sono usati da vari produttori.


TRASFERIMENTO TERMICO

Per il trasferimento di calore sensibile (monofase), il servizio può essere rappresentato da:

Trasferimento a piastre di calore

L'area di trasferimento del calore efficace in un PHE, A, viene calcolata moltiplicando il numero totale di piastre nello scambiatore meno due, per l'area effettiva per piastra.

Trasferimento a piastre di calore

Vengono sottratte due piastre dal numero totale nel determinare l'area poiché la prima e l'ultima piastra hanno fluido solo su un lato; sono inefficaci nel trasferimento di calore.

Le piastre ondulate, quando posizionate in uno scambiatore, formano un percorso di flusso tridimensionale con uno spazio nominale doppio rispetto alla profondità di pressione della piastra. Il divario nominale o la spaziatura dei canali spesso

definito come diametro idraulico medio, Dh, varia da 5 a 10 mm da 0,2 a 0,4 pollici. Per stimare i coefficienti medi di film in PHE per il flusso turbolento completamente sviluppato di fluidi newtoniani, viene ampiamente usata la seguente relazione.

Trasferimento a piastre di calore

Trasferimento a piastre di calore

Trasferimento a piastre di calore

LUNGHEZZA TERMICA, Θ

La lunghezza termica è un numero senza dimensioni che consente al progettista di mettere in relazione le caratteristiche prestazionali di una geometria del canale con quelle di un requisito di servizio. La lunghezza termica di un canale descrive la capacità del canale di influenzare una variazione di temperatura in base alla differenza di temperatura media del registro (LMTD).

θ = temp. change / LMTD = (T in - T out) / LMTD (5)


La lunghezza termica di un canale è una funzione del diametro idraulico del canale, della lunghezza della piastra e dell'angolo delle ondulazioni, insieme alle proprietà fisiche dei fluidi di processo e alla caduta di pressione disponibile. Per progettare correttamente un PHE, la lunghezza termica richiesta dal servizio deve essere abbinata a quella raggiungibile dalla geometria del canale selezionata. Per qualsiasi geometria del canale prescelta, la lunghezza termica richiesta dal servizio può

• Abbinare le caratteristiche del canale, quindi lo scambiatore viene dimensionato in modo ottimale utilizzando tutta la caduta di pressione disponibile senza sovradimensionamento.

• Supera ciò che è possibile ottenere dal canale alla caduta di pressione consentita, richiedendo l'aggiunta di più piastre e la caduta di pressione ridotta abbassando la velocità. Tale design è definito termicamente controllato.

• Essere meno di quello raggiungibile dal canale alla caduta di pressione consentita. Ciò si traduce in un maggiore cambiamento di temperatura sulla piastra rispetto al necessario o nel sovradimensionamento. Un tale progetto è definito caduta di pressione controllata. Per avere lo scambiatore più economico ed efficiente è fondamentale scegliere, per ciascun fluido, una geometria del canale che corrisponda alla lunghezza termica richiesta per ciascun fluido. Poiché la lunghezza termica raggiungibile da un canale dipende dalle proprietà fisiche del fluido, i fattori di correzione devono essere considerati quando le proprietà fisiche del fluido differiscono da quelle per l'acqua (2), utilizzate in questo articolo.


SCAMBIATORI DI CALORE CONVENZIONALI

Oggi i tradizionali design delle piastre di trasferimento del calore sono classificati come a spina di pesce o a spina di pesce, con le ondulazioni che formano una serie di motivi. Ogni dimensione della piastra viene pressata con due diversi angoli di gallone, Figura 2, la piastra theta bassa e la piastra theta alta, e hanno rispettivamente angoli acuti e ottusi.

La scanalatura della guarnizione su queste piastre di tipo convenzionale è incassata al 100%, Figura 3, in modo che vi sia sempre una parte anteriore e una parte posteriore su ciascuna piastra. Avendo la scanalatura della guarnizione incassata al 100%, le piastre possono essere ruotate solo attorno all'asse Z. I canali sono formati ruotando alternativamente le piastre adiacenti di 180 ° attorno al loro asse Z in modo che le teste delle frecce degli angoli a gallone puntino nella direzione opposta. Quando due piastre sono adiacenti l'una all'altra, le caratteristiche di caduta termica e di pressione di quel canale dipendono fortemente dall'angolo a cui le ondulazioni si incrociano. Con due diversi schemi, theta basso e alto, possono essere formati tre canali distintamente diversi, ognuno con le proprie caratteristiche idrodinamiche.

• Canale H. Due piastre con angoli ottusi e alto theta sono disposte insieme formando un canale ad alto theta, caratterizzato da una caduta di pressione elevata e da variazioni di temperatura elevate attraverso la piastra, Figura 2.1.

• Canale L. Due piastre con angoli acuti e basso theta sono poste insieme formando un canale a basso theta, caratterizzato da bassa caduta di pressione e modesti cambiamenti di temperatura attraverso la piastra, Figura 2.2.

• Canale M. Combinazione di una piastra high-theta e una piastra low-theta per formare un canale medio-theta, con caratteristiche che rientrano da qualche parte tra quelle di un canale H e L, Figura 2.3.


All'interno di un pacco piastre convenzionale, può esserci anche una miscelazione di canali high e low theta per l'ottimizzazione della caduta di pressione. Nonostante la capacità di mescolare i canali, gli scambiatori di calore a piastre convenzionali hanno il principale difetto che entrambi i fluidi sono soggetti a geometrie di canale identiche poiché i canali sono simmetrici. Questa geometria simmetrica è molto efficace quando entrambi i fluidi hanno lo stesso requisito di lunghezza termica e caduta di pressione, ma oggi raramente è così. Le applicazioni tipiche nel mercato odierno prevedono portate diseguali con requisiti di lunghezza termica variabili per i fluidi caldi e freddi. Quando i compiti sono tali, entrambi i fluidi non possono mai essere totalmente ottimizzati con canali simmetrici e lo scambiatore non sarà il più economico possibile.

La seguente tipica applicazione dimostra la mancanza di PHE convenzionali. Il cliente ha 150.000 lb / h (68 Mg / h) di acqua che deve essere raffreddata da 105 ° a 78 °. L'acqua di raffreddamento è disponibile a 58 gradi e 225.000 lb / h (102 Mg / h). La caduta di pressione consentita per entrambi i fluidi è di 69 kPa (10 psi).

Requisiti di progettazione

Lato caldo Lato freddo

Acqua fluida Acqua

Portata (lb / h) 150.000 25.000

Temp. Tra (° F) 105 58

Temp. Fuori (° F) 78 76

Pres. Ammissibile Drop (psi) 10 10

Lunghezza termica richiesta 1.115 0.743


Dati sulle prestazioni

Dovere: 4.050.000 Btu / h

LMTD (° F): 24.22

Tasso globale (Btu / h. Ft.2 ° F): 900

Area richiesta (ft2): 185

Film Coeff. (Btu / h. Ft.2 ° F) 2.000 2.500

Pres. Goccia usata (psi) 5 10

Canale M M


Per gli standard convenzionali, questo sarebbe considerato un progetto accettabile. Poiché la caduta di pressione sul lato caldo non viene utilizzata completamente, tuttavia, il design è controllato dai requisiti termici del lato freddo. Pertanto, questo non è il progetto più economico se entrambi i fluidi potessero essere ottimizzati individualmente. Se fossero disponibili canali asimmetrici, il pacco piastre potrebbe essere progettato in modo tale che i canali del lato caldo avessero una lunghezza termica maggiore rispetto a quelli del lato freddo. In questo modo, entrambi i fluidi sarebbero ottimizzati individualmente, sfruttando appieno entrambe le perdite di carico disponibili. Poiché la maggiore turbolenza aumenterebbe il coefficiente del film sul lato caldo, l'area potrebbe essere ridotta al di sotto di 17 m (185 ft 2) calcolata in questo esempio.

Trasferimento a piastre di calore

Trasferimento a piastre di calore


SCAMBIATORE DI CALORE DI PROSSIMA GENERAZIONE

Mentre la piastra di trasferimento di calore convenzionale ha un modello di corrugazione omogeneo, la piastra asimmetrica ha una sezione di trasferimento di calore divisa in quattro quadranti, con due diversi angoli, B1 e B2, Figura 4. La piastra asimmetrica utilizza un'invenzione brevettata che consente alla scanalatura della guarnizione di essere posizionato sul piano neutro della piastra, incassato al 50%, Figura 3.2. Con la scanalatura della guarnizione sul piano neutro, ora la distanza tra la superficie della guarnizione delle piastre adiacenti e la scanalatura della guarnizione sarà sempre la stessa indipendentemente dalla rotazione della piastra. Le piastre convenzionali, con scanalatura per guarnizione incassata al 100%, possono ruotare solo di un asse, l'asse Z.

Trasferimento a piastre di calore

Sono disponibili piastre asimmetriche per il trasferimento di calore con un modello theta alto o basso. Con questi due modelli e gli ulteriori gradi di libertà di rotazione, è possibile avere sei diverse geometrie dei canali. Questo è il doppio di quello disponibile nei PH E convenzionali.

Canale HS. Due piatti di alto theta combinati con punte di freccia dentro

la stessa direzione, Figura 4.1.

Canale HD. Due lastre high theta combinate con punte di freccia

nella direzione opposta, Figura 4.2.

Canale LS. Due piastre a basso theta combinate con punte di freccia in

la stessa direzione, Figura 4.3.

Canale LD. Due piastre a basso theta combinate con punte di freccia in

la direzione opposta, Figura 4.4.

MS Channel. Combinazione di una piastra theta alta e bassa con la freccia

si dirige nella stessa direzione, Figura 4.5.

MD Channel. Combinazione di una piastra theta alta e bassa con punte di freccia nella direzione opposta, Figura 4.6.

Tre delle geometrie dei canali sono identiche a quelle disponibili con le piastre convenzionali, i canali HD, LD e MD sono identici ai canali H, L e M convenzionali. Tre nuovi canali formati con punte di freccia nella stessa direzione hanno aumentato l'efficienza termica rispetto alle loro controparti con punte di freccia nella direzione opposta. Questo aumento dell'efficienza è il risultato di una maggiore turbolenza dei fluidi di processo. Per formare i canali asimmetrici all'interno del pacco piastre, le piastre vengono sistematicamente ruotate per ottenere la combinazione desiderata di canali S e D, facendo corrispondere la lunghezza termica richiesta per ciascun fluido.

La capacità di ruotare le piastre l'una rispetto all'altra consente al progettista di ottimizzare in modo indipendente il canale per i fluidi caldi e freddi, abbinando le lunghezze termiche richieste per ciascun fluido con quelle ottenibili dal raggruppamento. Ciò consente di gestire efficacemente i compiti termici con diversi requisiti di lunghezza termica lato caldo e lato freddo da un PHE, senza che i progetti di scambiatori siano controllati da un lato o dall'altro. I vantaggi dei raggruppamenti asimmetrici sono illustrati di seguito, dove vengono utilizzate le stesse condizioni dell'esempio precedente per le piastre convenzionali.

Requisiti di progettazione

Lato caldo Lato freddo

Acqua fluida Acqua

Portata (pph) 150.000 225.000

Temp. Tra (° F) 105 58

Temp. Fuori (° F) 78 76

Pres. Ammissibile Drop (psi) 10 10

Lunghezza termica richiesta 1.115 0.743


Dati sulle prestazioni

Dovere: 4.050.000 Btu / h

LMTD (° F): 24.22

Tasso globale (Btu / h. Ft.2 ° F): 1.080

Area richiesta (ft2): 155

Film Coeff. (Btu / h. Ft.2 ° F) 3.000 2.500

Pres. Goccia usata (psi) 10 10

Channel MS MD

Risparmio di area 16%

Riduzione approssimativa dei costi del 10%

Questa riduzione dell'area del 16% e un risparmio sui costi del 10% è possibile solo con canali asimmetrici che consentono l'ottimizzazione indipendente di entrambi i fluidi e la massima efficienza termica. Formando canali lato caldo con punte di freccia nella stessa direzione, viene ora utilizzata la caduta di pressione completa e il coefficiente del film viene sostanzialmente aumentato. Con il coefficiente del film proporzionale alla caduta di pressione utilizzata (h = f (caduta di pressione 0,35), maggiore è la caduta di pressione, maggiori saranno i coefficienti del film e minore sarà lo scambiatore. ■

Letteratura citata

1. Marriott, J., Chem. Ing. Prog., P.73 (febbraio 1977).

2. \"Thermal Handbook, \" Alta Laval AB, Svezia (1969).

Trasferimento a piastre di calore

Trasferimento a piastre di calore

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