Wie man einen Plate Wärmetauscher entwerfen kann

Plattenwärmetauscher (PHEs) sind kompakte Einheiten, die aus dünnen, gewellen Metallplatten bestehen, die zusammen gestapelt sind. Diese Platten erzeugen wechselnde Kanäle für heiße und kalte Flüssigkeiten, die fließen. Die Flüssigkeiten bleiben getrennt (durch Dichtungen oder geschweißte Dichtungen) und fließen typischerweise im Gegenstrommodus, wodurch der Temperaturunterschied entlang der Länge maximiert wird. Da eine Flüssigkeit über eine Seite jeder Platte fließt und die andere Flüssigkeit auf der anderen Seite fließt, wird Wärme durch das Metall geleitet. Dieses Wellplattendesign induziert Turbulenzen und liefert sehr hohe Wärmeübertragungskoeffizienten, so dassPlatten-WärmetauscherWärmetauscher können oft Wärme effizienter übertragen als Schalen - und Rohrwärmetauscher.

Dichtete PlattenwärmetauscherVerwenden Sie verschraubte Platten und elastomerische Dichtungen (wie oben gezeigt), um versiegelte Kanäle zu bilden. Gegenströmung heißer und kalter Flüssigkeiten durch diese Platten maximiert Wärmeübertragung.

Jede Platte hat eine große Oberfläche und dünne Wände, was einen schnellen Wärmefluss bedeutet. In einem dichteten Plattenwärmetauscher leiten Gummidichtungen zwischen den Platten die Flüssigkeiten in wechselnde Kanäle. (For Bei geschweißten Designs werden die Platten durch Schweißen oder Lötungen anstelle von Dichtungen versiegelt.) In jedem Fall überträgt die heiße Flüssigkeit Wärme auf das Plattenmaterial, und die Platte überträgt sie auf die kalte Flüssigkeit auf der anderen Seite. Da die kalten und heißen Ströme in entgegengesetzte Richtungen fließen (Gegenstrom), bleibt der Temperaturunterschied über die Einheit hoch, was zu einer sehr effizienten Wärmeübertragung führt.

Schlüsselschritte bei der Gestaltung eines Plattenwärmetauschers

Beim Entwerfen eines Plattenwärmetauschers für eine bestimmte Anwendung folgen Ingenieure mehreren Schritten:

Wählen Sie den richtigen Austauscher. Ermitteln Sie zunächst die Anforderungen: Flüssigkeitstyp, Temperaturen, Durchflussraten, Druck, Raum und Wartungsbedarf. Zum Beispiel für milde Bedingungen und einfache Wartung ist ein dichteter Plattenwechsel üblich. Bei sehr hohen Drucken oder aggressiven Medien können geschweißte Typen wie HT-Bloc oder Druckschaltenaustauschgeräte oder TP-Designs (Kombination von Platten - und Schalenmerkmalen) erforderlich sein. Spezialisierte Formen wie der Weitspanngeschweißtyp werden für sehr viskose / festen Flüssigkeiten bzw. extreme Bedingungen gewählt.

Berechnen Sie die Wärmeaufgabe und die erforderliche Fläche. Als nächstes bestimmen Sie die thermische Last.Q (normalerweise aus Prozessdaten oder gewünschten Temperaturänderungen) und berechnen Sie die benötigte Wärmeübertragungsfläche. Anhand der Wärmeübertragungsgleichung Q = U × A × Δ T_lm Man berechnet das GebietA benötigt. hierU ist der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient (geschätzt aus den Flüssigkeits - und Platteigenschaften) undΔ T _ Lm ist der log-mean - Temperaturunterschied zwischen den Flüssigkeiten. HöhereU Eine größere oder größere Plattenfläche erzeugt eine größere Wärmeaufgabe. In der Praxis wird die Anzahl der Platten so gewählt, dass die Gesamtfläche der Platte A = Q / (U × Δ T _ lm).

Schätzung des Druckrückgangs. Wenn Flüssigkeiten durch die Platten strömen, wird es Reibungsverluste geben. Designer berechnen den Druckabfall auf jeder Seite unter Verwendung bekannter Durchflussraten, Plattenabstand und Wellwellmuster. Der Reibungsfaktor und die Kanallänge werden in eine Flüssigkeitsflussformel eingegeben, um sicherzustellen, dass der resultierende Druckabfall für das System akzeptabel ist. Wenn der Tropfen zu groß ist, kann man mehr Platten hinzufügen (vergrößernde Fläche) oder die Plattengeometrie ändern (z. B. Größere Durchgänge in einem breitspaltenden Design), um Erstickung zu reduzieren.

Materialien und Komponenten auswählen. Die Wahl des Materials hängt von der chemischen Verträglichkeit und der Temperatur ab. Die üblichen Plattenmaterialien sind Edelstahl (z. B. 316L) für den allgemeinen Gebrauch, Titan - oder Nickellegierungen für korrosive Flüssigkeiten und Speziallegierungen für sehr hohe Temperaturen. Dichtungen (falls verwendet) müssen der Flüssigkeit entsprechen (NBR, EPDM, Viton usw.) und der Temperatur. Bei geschweißten Austauschern (HT-Bloc, TP, Wide-Lap) sind keine Dichtungen vorhanden, was sehr hohe Druck - und Temperaturbewertungen ermöglicht.

Überprüfen Sie das Design und testen Sie es, wenn möglich. Nach einem vorläufigen Entwurf ist es eine gute Praxis, den Austauscher zu simulieren oder zu prototypieren, um die Wärmeübertragung und die Hydraulik zu überprüfen. Wie ein Leitfaden bemerkt, "verifizieren Sie das Design durch Simulation oder experimentelle Tests, um sicherzustellen... die gewünschte Wärmeübertragungsrate und Druckabfall". Anpassen Sie die Plattenzahl, Konfiguration oder Betriebsparameter je nach Bedarf, um die Ziele zu erreichen.

Diese Schritte (Auswahl, thermische Größe, Druckfallprüfung, Materialauswahl, Verifizierung) sorgen für ein robustes Design. Unterwegs kann das Verweisen auf bekannte Produktfamilien helfen: zum Beispiel,HT-Bloc Schweißplattenwechselgeräte voll geschweißte Plattenpakete für den Hochdruckdienst verwenden;Wide-gap - geschweißte Austauscher bieten erweiterte Kanäle, um Schmutzungen durch Schlamme zu verhindern; undPrinted-Circuit - Austauschgeräte Diffusion-bonded Mikrokanäle für extreme Bedingungen verwenden.

Design-Formel: Heat Duty und LMTD

Eine Kernformel in der Wärmetauscher-Design ist die Wärmebilanz:

Q = ∀ _ h × c _ {p, h} × (T _ {h, in} - T _ {h, out})

= ∀ _ c × c _ {p, c} × (T _ {c, out} - T _ {c, in})

oder

Wo die Abonnentenhund C Sie bezieht sich auf heiße und kalte Flüssigkeiten. Dadurch wird ein Energie-Balance gewährleistet: Die durch die heiße Flüssigkeit verlorene Wärme entspricht der durch die Kälte gewonnenen Wärme.

Ein weiterer Schlüsselbeziehung ist die Wärmeübertragungsgleichung:

Q = U × A × Δ T_lm

hier U (Gesamtwärmeübertragungskoeffizient) stellt die Wärmeleitfähigkeit des Plattentauschers dar (es hängt von Flüssigkeitskonvektion, Plattenmaterial und Schmutz ab),Aist die Gesamtfläche der Platten undΔ T _ Lm ist der log-mean - Temperaturunterschied zwischen heißen und kalten Strömen. Die LMTD-Formel erklärt die Tatsache, dass sich der Temperaturunterschied entlang des Austauschers ändert. Einfach ausgedrückt, eine erste Berechnungen Δ T_lm = (Δ T1 - Δ T2) / ln (Δ T1 / Δ T2),woΔ T1 undΔ T2 Die Temperaturunterschiede an beiden Enden.

MitQbekannt und eine Schätzung fürUDie erforderliche Fläche istA = Q / (U × Δ T _ lm) . Designer iteren häufig: Nehmen Sie an, dass ein Plattenmuster oder ein Material zu schätzen ist.U(die von einigen Tausend bis zu 7000 W / m2 · K für flüssig-flüssig PHEs reichen können), berechnenA Wählen Sie dann eine Plattenzahl, so dass die Summe der Plattenflächen erfülltA . Man kann auch NTU-Effizienz - Methoden für komplexere Größerung verwenden, aber dieU × A × Δ T _ lm Der Ansatz ist ein gemeinsamer Ausgangspunkt.

Druckleiter-Wärmetauscher basieren auf Mikrokanalplatten (oben gezeigt). Jede Platte wird mit schmalen Kanälen (blaue und rote Ströme) geätzt, um eine riesige Oberfläche in einem kompakten Volumen zu schaffen. Die Wärmeübertragung wird folgendermaßenQ = U × A × Δ T_lm Ihre extrem großenA/ Volumen und HighU hervorragende Leistung zu bieten.

Industrieanwendungen und Designüberlegungen

Plattenwechselgeräte werden in vielen Branchen eingesetzt. Jede Anwendung hat ihre eigenen Anforderungen:

Chemische Verarbeitung:

Chemische Anlagen beschäftigen sich häufig mit korrosiven oder giftigen Flüssigkeiten und erfordern möglicherweise hohen Druck oder Temperaturen. Designs bevorzugen hier geschweißte PHEs (keine Dichtungen zu lecken) aus Sonderlegierungen. Beispielsweise kombiniert ein HT-Bloc vollgeschweißter Austachler die Platteneffizienz mit der Stärke der Hülle und des Rohres und ermöglicht den Betrieb in harten chemischen Schleifen. Durchflusskanäle müssen möglicherweise etwas größer als ultra-schmal sein, um Schmutzungen durch suspendierte Katalysatoren oder Feststoffe zu verhindern. Materialien wie Hastelloy oder Titan sind üblich. Die einfache Reinigung ist wichtig - viele Prozesse erlauben eine In-Place - Reinigung (CIP) - so können öffnbare Designs (verraubte Rahmen) für die Wartung verwendet werden.

Heizung / Lüftung / AC:

HVAC-Systeme beinhalten typischerweise das Erwärmen oder Kühlen von Wasser und Glykolschleifen bei moderaten Drucken. hier,Platten-Austauscher Sie sind aufgrund ihrer geringen Kosten und einfachen Wartung sehr verbreitet. Sie zeichnen sich in der Energierückgewinnung und Kühler / Kondensator-Aufgaben aus. Der Schwerpunkt des Designs liegt auf der Maximierung der Effizienz in einem begrenzten Raum. Da Flüssigkeiten relativ sauber sind, können schmale Platten (hohe Wellung) für eine maximale Wärmeübertragung verwendet werden. Dichtungen ermöglichen eine einfache Demontage für die Reinigung oder das Hinzufügen von Platten, wenn die Kapazität geändert werden muss. Typische Materialien sind Edelstahl (316L) und Standarddichtungen Elastomere. Die Druckbewertungen in der HVAC sind bescheiden (oft < 20 bar), so dass Standarddichtungen genügen.

Energieerzeugung:

Kraftwerke (fossile oder nukleare) haben Hochtemperatur - und Hochdruckströme (Dampf, superkritische Flüssigkeiten). Printed-Circuit - Wärmetauscher (PCHEs) wurden zuerst für Kernkraft und LNG entwickelt und finden heute Einsatz in Energiezyklen.PCHE istDie Mikro-Kanal - Platten sind diffusionsverbund zu einem festen Block, die hervorragende Festigkeit und winzige, hocheffiziente Durchgänge bieten. Sie können bis zu ~ 1000 bar und 900 ° C arbeiten, weit über normale PHEs. Bei weniger extremen Leistungsanwendungen (z. B. Kesselzufuhrwasserheizung), geschweißte Plattenaustauscher wie TP-Typen vereinen Kompaktheit mit Robustheit. Diese können öffnbare Schalen für die Wartung haben und erlauben Druckabfälle, die für den Zyklus akzeptabel sind. In allen Fällen ist die Sauberkeit von entscheidender Bedeutung (keine Lecks), daher werden vollgeschweißte oder diffusionsgebundene Designs gewählt.

Nahrung und Getränke:

Die Lebensmittelindustrie benötigt Austauscher, die hygienisch sind und leicht zu reinigen sind. Dichtete PHEs werden weit verbreitet für die Pasteurisierung von Milch, Wort im Brau und Erhitzung / Kühlung von Säften verwendet. Platten sind oft aus Edelstahl (manchmal 316L) mit FDA-zugelassenen Dichtungen. Viele Einheiten sind auf offenen Rahmen gebaut, so dass Platten für die Reinigung ausgespült oder ersetzt werden können. Bei Produkten mit Partikeln (z.B. Fruchtsäfte, Zuckerrohrsaft),Wide-Gap - Plate-Exchanger verwendet werden. Diese haben vergrößerte Durchflusskanäle, die feste Stücke ohne Verstopfung tolerieren. Breitspalt-Designs sind immer noch geschweißt und druckbewertet, aber ihre Kanalform verhindert "Toten Zonen" und Blockaden. Das Ziel ist die sanfte Handhabung (um Produktscherung zu vermeiden) bei gleichzeitiger strikter Temperaturkontrolle. Oft sind CIP-Systeme (Clean-in - Place) integriert, und die Plattenwellung kann milder sein.

Weitspannige geschweißte Plattenwärmetauscher (wie die blaue Einheit oben) behandeln viskose oder partikelbeladenen Flüssigkeiten. Große Kanäle verhindern Verstopfung, während das Wellplattendesign eine hohe thermische Effizienz beibehalten kann.

Neben diesen Beispielen verwenden fast jede Industrie von Petrochemie bis Pharma in irgendeiner Form Plattenwechselgeräte. Die wichtigsten Anforderungen variieren je nach Branche: Chemieanlagen legen den Fokus auf Belastungskorrosionsbeständigkeit und Druckbewertung, HVAC legt den Fokus auf Kompaktheit und Betriebsfähigkeit, Kraftwerke auf thermische Leistung und Druck sowie Lebensmittel / Getränke auf Hygiene und Schmutzbeständigkeit. Durch das Verständnis der Anforderungen der Anwendung wählen die Designer die richtige Plattengeometrie, Dichtungsmethode, Material und Gesamtkonfiguration aus.

Schlußfolgerung

Die Gestaltung eines Plattenwärmetauschers erfordert ein klares Verständnis der Wärmeübertragungsprinzipien und der spezifischen Prozessanforderungen. Beginnen Sie mit den Grundlagen: Ein Plattentauscher arbeitet, indem er heiße und kalte Flüssigkeiten über wechselnde Platten gegenströmt, wodurch ein sehr effizienter Wärmetaustausch erreicht wird. Dann folgen Sie systematischen Schritten: Wählen Sie den Typ (dichtet, geschweißt, Leiterleitung usw.), Berechnen Sie die thermische Leistung und die erforderliche Fläche, stellen Sie sicher, dass Druckabfälle akzeptabel sind, wählen Sie kompatible Materialien und überprüfen Sie das Design.

Unterschiedliche Branchen werden die Auswahl bestimmen: So kombinieren die geschweißten Plattenwechselgeräte HT-Bloc Platteneffizienz mit Hochdruckzähigkeit, während sich die Wide-Gap - Plattenwechselgeräte in Lebensmittel - oder Bergbauanwendungen mit Feststoffen auszeichnen, und PCHEs liefern kompakte Lösungen für Kraftwerke. Durch die Mischung dieser Konstruktionsprinzipien mit dem entsprechenden Produkttyp und Materialien sorgen Ingenieure dafür, dass jeder Plattenwärmetauscher in seinem vorgesehenen Betrieb zuverlässig abläuft.

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