كيفية تصميم مبادل حراري لوحة

المبادلات الحرارية الصفيحة (PHEs) هي وحدات مدمجة تتكون من لوحات معدنية رقيقة ومموجة مكدسة معًا.تخلق هذه الألواح قنوات متناوبة للسوائل الساخنة والباردة لتدفقها.تبقى السوائل منفصلة (بفضل الحوامات أو الأختام الملحومة) وعادة ما تتدفق في وضع التيار المضاد ، مما يزيد من فرق درجة الحرارة على طول الطول.عندما يتدفق سائل واحد على جانب واحد من كل لوحة ويتدفق السائل الآخر على الجانب الآخر ، يتم إجراء الحرارة من خلال المعدن.هذا التصميم المموج لوحة تحفز الاضطرابات وتنتج معامل نقل الحرارة عالية جدا، لذلكالمبادلات الحرارية لوحةغالبًا ما تنقل الحرارة بشكل أكثر كفاءة من المبادلات الحرارية للقذيفة والأنابيب.

المبادلات الحرارية لوحة طوقااستخدام لوحات مسمار وحوامات مطاطية (كما هو موضح أعلاه) لتشكيل قنوات مختومة.التدفق المضاد للسوائل الساخنة والباردة من خلال هذه الألواح يزيد من النقل الحراري.

كل لوحة لها مساحة سطحية كبيرة وجدران رقيقة ، مما يعني تدفق الحرارة السريع.في المبادل الحراري المغطى بالألواح ، توجه الحوامات المطاطية بين الألواح السوائل إلى قنوات متناوبة. (Forالتصاميم الملحومة ، يتم إغلاق الألواح عن طريق اللحام أو لحام بدلاً من الحوامات.)في كلتا الحالتين ، ينقل السائل الساخن الحرارة إلى مادة اللوحة ، وينقلها اللوحة إلى السائل البارد على الجانب الآخر.نظرًا لأن التيارات الباردة والساخنة تتدفق في اتجاهات متعاكسة (التيار المضاد) ، فإن فرق درجة الحرارة يبقى مرتفعًا عبر الوحدة ، مما يؤدي إلى نقل حراري فعال للغاية.

الخطوات الرئيسية في تصميم مبادل حراري لوحة

عند تصميم مبدل حراري لوحة لتطبيق معين ، يتبع المهندسون عدة خطوات رئيسية:

اختر نوع المبادل المناسب. أولاً ، حدد المتطلبات: نوع السوائل ودرجات الحرارة ومعدلات التدفق والضغط والمساحة واحتياجات الصيانة.على سبيل المثال ، للظروف المعتدلة وسهولة الصيانة ، فإن مبادل الألواح المطوية أمر شائع.بالنسبة للضغوط العالية جدًا أو الوسائط العدوانية ، قد تكون هناك حاجة إلى أنواع ملحومة مثل مبادلات HT-Bloc أو الدوائر المطبوعة أو تصاميم TP (الجمع بين ميزات اللوحة والقذيفة).يتم اختيار الأشكال المتخصصة مثل نوع الملحومة ذات الفجوة الواسعة للسوائل اللزجة للغاية / المحملة بالمواد الصلبة أو الظروف القاسية ، على التوالي.

قم بحساب واجب الحرارة والمساحة المطلوبة. بعد ذلك ، حدد الحمل الحراريQ (عادة من بيانات العملية أو تغير درجة الحرارة المطلوبة) وحساب مساحة نقل الحرارة اللازمة.باستخدام معادلة نقل الحرارة الأساسية Q = U × A × ΔT_lm ، واحد يحسب المساحةA المطلوبة.هناU هو معامل نقل الحرارة الإجمالي (الذي يقدر من خصائص السوائل وخصائص اللوحة) ، وΔT_LM هو الفرق في درجة الحرارة بين السوائل.أعلىU أو مساحة لوحة أكبر تنتج واجب حرارة أكبر.في الممارسة العملية ، يتم اختيار عدد الألواح بحيث تلتقي المساحة الإجمالية للصفيحة A = Q / (U × ΔT_lm).

تقييم انخفاض الضغط. عندما تتدفق السوائل عبر الألواح ، ستكون هناك خسائر احتكاكية.يقوم المصممون بحساب انخفاض الضغط على كل جانب ، باستخدام معدلات التدفق المعروفة ، والمسافة بين اللوحات ، وأنماط المموج.يدخل عامل الاحتكاك وطول القناة صيغة تدفق السوائل لضمان أن انخفاض الضغط الناتج مقبول للنظام.إذا كان الانخفاض كبيرًا جدًا ، فقد يضيف المرء المزيد من الألواح (زيادة المساحة) أو يغير هندسة اللوحة (مثل ،الممرات الأكبر في تصميم فجوة واسعة) للحد من الاختناق.

حدد المواد والمكونات. يعتمد اختيار المادة على التوافق الكيميائي ودرجة الحرارة.مواد اللوحة الشائعة هي الفولاذ المقاوم للصدأ (مثل ،316L) للاستخدام العام ، سبائك التيتانيوم أو النيكل للسوائل المسببة للتآكل ، والسبائك الخاصة لدرجات الحرارة العالية جدًا.يجب أن تناسب الحوامات (إذا تم استخدامها) السائل (NBR ، EPDM ، Viton ، إلخ)ودرجة الحرارة.في المبادلات الملحومة (HT-Bloc ، TP ، wide-gap) ، لا توجد طوقاً ، مما يسمح بتقييمات ارتفاع ضغط ودرجة الحرارة.

مراجعة التصميم والاختبار إن أمكن. بعد التصميم الأولي ، تتمثل الممارسة الجيدة في محاكاة أو نموذج أولي للمبادل للتحقق من نقل الحرارة والهيدروليكية.كما يلاحظ أحد الدليلين ، "التحقق من التصميم باستخدام المحاكاة أو الاختبار التجريبي لضمان ... معدل نقل الحرارة المطلوب وانخفاض الضغط".ضبط عدد الألواح أو التكوين أو معلمات التشغيل حسب الحاجة لتلبية الأهداف.

هذه الخطوات (الاختيار ، والتحجيم الحراري ، والتحقق من انخفاض الضغط ، واختيار المواد ، والتحقق) تضمن تصميمًا قويًا.على طول الطريق ، يمكن أن تساعد الإشارة إلى عائلات المنتجات المعروفة: على سبيل المثال ،مبادلات لوحة ملحومة HT-Bloc استخدام حزم لوحة ملحومة بالكامل لخدمة الضغط العالي.المبادلات الملحومة واسعة الفجوة توفير قنوات موسعة لمنع التلوث بواسطة الملاط ؛ ومبادلات الدائرة المطبوعة استخدام القنوات الدقيقة المرتبطة بالانتشار للظروف القاسية.

صيغة تصميم: واجب الحرارة و LMTD

الصيغة الأساسية في تصميم المبادلات الحرارية هي التوازن الحراري:

Q = <unk>_h × c_{p,h} × (T_{h,in} -T_{h,out})

= <unk>_c × c_{p,c} × (T_{c,out} - T_{c,in})

أو

حيث المشتركين(ح))ج( يشير إلى السوائل الساخنة والباردة.وهذا يضمن توازن الطاقة: الحرارة المفقودة من قبل السائل الساخن تساوي الحرارة المكتسبة من البرد.

علاقة رئيسية أخرى هي معادلة نقل الحرارة:

Q = U × A × ΔT_lm

هنا U (معامل نقل الحرارة الإجمالي) يمثل الموصلية الحرارية لمبادل الصفيحة (يعتمد على الحمل الحراري السائل ، ومواد الصفيحة ، والتلوث) ،Aهي المساحة السطحية الإجمالية للصفائح ، وΔT_LM هو الفرق في درجة الحرارة بين التيارات الساخنة والباردة.تعكس صيغة LMTD حقيقة أن فرق درجة الحرارة يتغير على طول المبادل.وبعبارة بسيطة، واحد أولا حسابات ΔT_lm = (ΔT1-ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2),أينΔT1 وΔT2 هي اختلافات درجات الحرارة في الطرفين.

WithQالمعروفة وتقديراتUالمنطقة المطلوبة هيA = Q / (U × ΔT_lm) .غالبًا ما يتكرر المصممون: افترض نمط لوحة أو مادة لتقديرهاU(التي يمكن أن تتراوح من بضعة آلاف إلى 7000 W / m2 · K ل PHEs السائل السائل) ، حسابA ، ثم اختر عدد اللوحات بحيث يلتقي مجموع مساحات اللوحاتA .يمكن للمرء أيضًا استخدام أساليب فعالية NTU للتحجيم الأكثر تعقيدًا ، ولكنU × A × ΔT_lm النهج هو نقطة بداية مشتركة.

تعتمد المبادلات الحرارية للدوائر المطبوعة على لوحات القنوات الصغيرة (الموضحة أعلاه).يتم حفر كل لوحة بقنوات ضيقة (تدفقات زرقاء وحمراء) لإنشاء مساحة سطحية ضخمة في حجم مدمج.النقل الحراري الكلي يلي:Q = U × A × ΔT_lm ، لذلك كبيرة جداA/volume وارتفاعU إعطاء أداء متميز.

تطبيقات الصناعة واعتبارات التصميم

يتم استخدام مبادلات اللوحات في العديد من الصناعات.كل تطبيق له متطلباته الخاصة:

المعالجة الكيميائية:

غالبًا ما تتعامل المصانع الكيميائية مع السوائل التآكلية أو السامة وقد تتطلب ضغوطًا أو درجات حرارة عالية.التصاميم هنا تفضل PHEs الملحومة (لا توجد طوقا للتسرب) مصنوعة من سبائك خاصة.على سبيل المثال ، يجمع مبادل HT-Bloc الملحوم بالكامل بين كفاءة اللوحة وقوة القذيفة والأنبوب ، مما يتيح الخدمة في الحلقات الكيميائية القاسية.قد تحتاج قنوات التدفق إلى أن تكون أكبر قليلاً من الضيق للغاية لمنع التلوث من المحفزات المعلقة أو المواد الصلبة.مواد مثل Hastelloy أو التيتانيوم شائعة.سهولة التنظيف مهمة - تسمح العديد من العمليات بالتنظيف في المكان (CIP) - لذلك يمكن استخدام التصاميم القابلة لفتحها (الإطارات المثبتة) للصيانة.

HVAC (التدفئة / التهوية / AC):

عادة ما تنطوي أنظمة HVAC على تسخين أو تبريد المياه وحلقات الجليكول عند ضغوط معتدلة.هنا ،مبادلات لوحة طوقا هي شائعة جدا بسبب انخفاض تكلفتها وسهولة الصيانة.إنهم يتفوقون في استرداد الطاقة وواجبات المبرد / المكثف.يتم التركيز على التصميم على زيادة الكفاءة إلى أقصى حد في مساحة محدودة.نظرًا لأن السوائل نظيفة نسبيًا ، يمكن استخدام الألواح الضيقة (المموج العالي) لتحقيق أقصى قدر من نقل الحرارة.تسمح الحوامات بالتفكيك البسيط لتنظيف أو إضافة الألواح إذا كانت السعة بحاجة إلى تغيير.المواد النموذجية هي الفولاذ المقاوم للصدأ (316L) والملاستومرات الطوقا القياسية.تصنيفات الضغط في HVAC متواضعة (غالبًا ما <20 بار) ، لذلك تكون الوحدات المطوية القياسية كافية.

توليد الطاقة :

تحتوي محطات الطاقة (الأحفوري أو النووي) على تيارات ذات درجة حرارة عالية وارتفاع ضغط (البخار والسوائل فائقة الحرجة).تم تطوير المبادلات الحرارية ذات الدوائر المطبوعة (PCHEs) لأول مرة للطاقة النووية والغاز الطبيعي المسال وتجد الآن استخدامًا في دورات الطاقة.PCHEلديها لوحات القنوات الدقيقة المرتبطة بالانتشار في كتلة صلبة ، مما يعطي قوة متميزة وممرات صغيرة عالية الكفاءة.يمكن أن تعمل حتى ~ 1000 بار و 900 درجة مئوية ، أبعد بكثير من PHEs العادية.في تطبيقات الطاقة الأقل تطرفًا (مثل ،تسخين مياه تغذية المرجل)، مبادلات لوحة ملحومة مثل أنواع TP تجمع بين الاكتظاظ مع القوة.قد تحتوي هذه على قذائف قابلة لفتحها للصيانة وتسمح بانخفاض الضغط المقبول للدورة.في جميع الحالات ، يعتبر النظافة أمرًا بالغ الأهمية (لا توجد تسربات) ، لذلك يتم اختيار التصاميم الملحومة بالكامل أو المرتبطة بالانتشار.

الأغذية والمشروبات:

تحتاج صناعة الغذاء إلى مبادلات صحية وسهلة التنظيف.تستخدم PHEs المطوية على نطاق واسع لتعقيم الحليب ، والنبتة في تخمير ، وتسخين / تبريد العصائر.غالبًا ما تكون الألواح من الفولاذ المقاوم للصدأ (أحيانًا 316L) مع طوقا معتمدة من إدارة الأغذية والعقاقير.يتم بناء العديد من الوحدات على إطارات مفتوحة بحيث يمكن طرد الألواح أو استبدالها للتنظيف.بالنسبة للمنتجات التي تحتوي على جسيمات (مثل ،عصائر الفاكهة اللبية ، عصير قصب السكر ) ،مبادلات لوحة فجوة واسعة يتم استخدامها.وقد وسعت هذه قنوات التدفق التي تتسامح مع القطع الصلبة دون انسداد.لا تزال تصاميم الفجوة الواسعة ملحومة ومصنفة بالضغط ، ولكن شكل القناة يمنع "المناطق الميتة" والانسدادات.الهدف هو التعامل اللطيف (لتجنب قص المنتج) مع تلبية التحكم في درجة الحرارة الصارمة.في كثير من الأحيان ، يتم دمج أنظمة CIP (التنظيف في المكان) ، وقد يكون تموج اللوح أكثر اعتدالاً.

تتعامل المبادلات الحرارية اللوحية الملحومة ذات الفجوة الواسعة (مثل الوحدة الزرقاء أعلاه) مع السوائل اللزجة أو المحملة بالجسيمات.تمنع القنوات الكبيرة الانسداد ، في حين أن تصميم اللوحة المموج يحافظ على كفاءة حرارية عالية.

وبالإضافة إلى هذه الأمثلة ، فإن كل صناعة تقريبًا من البتروكيماويات إلى المستحضرات الصيدلانية تستخدم مبادلات الألواح بشكل ما.تختلف المتطلبات الرئيسية حسب القطاع: المحطات الكيميائية مقاومة التآكل الإجهاد وتصنيف الضغط ، وتركز HVAC على الضغط والقدرة على الخدمة ، ومحطات الطاقة على الأداء الحراري والضغط ، والأغذية / المشروبات على النظافة ومقاومة التلوث.من خلال فهم متطلبات التطبيق ، يختار المصممون هندسة اللوحة الصحيحة وطريقة الختم والمواد والتكوين العام.

ثالثا - الاستنتاج

يتطلب تصميم المبادل الحراري الصفيحي فهمًا واضحًا لمبادئ نقل الحرارة واحتياجات العملية المحددة.ابدأ بالأساسيات: يعمل مبدل الألواح عن طريق التدفق المضاد للسوائل الساخنة والباردة على الألواح المتناوبة ، مما يحقق تبادلًا حراريًا فعالًا للغاية.ثم اتبع الخطوات المنهجية: حدد النوع (مطوقا ، ملحومة ، الدوائر المطبوعة ، إلخ) ،حساب الواجب الحراري والمساحة المطلوبة ، والتأكد من انخفاض الضغط مقبول ، واختيار المواد المتوافقة ، والتحقق من التصميم.

ستقوم الصناعات المختلفة بتوجيه الخيارات: على سبيل المثال ، تجمع مبادلات الصفائح الملحومة HT-Bloc بين كفاءة الصفائح مع صلابة الضغط العالي ، في حين تتفوق مبادلات الصفائح Wide-Gap في تطبيقات الغذاء أو التعدين مع المواد الصلبة ، وتقدم PCHEs حلول محطة توليد الطاقة المدمجة.من خلال مزج مبادئ التصميم هذه مع نوع المنتج والمواد المناسبة ، يضمن المهندسون أن يؤدي كل مبادل حراري لوحة بشكل موثوق في خدمته المقصودة.

إذا كنت بحاجة إلى مزيد من التشاور والمناقشة، لا تتردد في اتصل بنا.

البريد الإلكتروني: info@shphe.com

WhatsApp / الخليوي: 86 15201818405