حجم المبادلات الحرارية الدوائر المطبوعة: دليل شامل

تطبيقات المبادل الحراري الدوائر المطبوعة

• النفط و الغاز: In liquefied natural gas plants and regasification units, PCHEs serve in precooled methane cycles, end-flash gas recovery, boil-off gas handling, and vaporizer duties.الأداء المبرد (تصل إلى -196 درجة مئوية) وقدرة الضغط العالي تجعل PCHEs مثالية لسخانات غاز الوقود واستعادة الحرارة في أجهزة إعادة الغاز العائمة.

• الوقود الهيدروجيني والمعالجة: تعتمد محطات التزود بالوقود الهيدروجيني السريع على التبريد المسبق السريع للهيدروجين عالي الضغط لزيادة معدلات التعبئة إلى أقصى حد.تستخدم PCHEs (خاصة مع القنوات المحفورة ثلاثية الأبعاد المتخصصة) لتبريد الهيدروجين مسبقًا من 700 بار إلى ظروف التخزين ، مما يقلل من طاقة المضخة وأوقات الانتظار.وعلى نطاق أوسع، يمكن لتسييل الهيدروجين ومعالجته الاستفادة من مرونة الضغط العالي للكهرباء الهيدروجيني.
• كيميائي مصانع البتروكيماويات: PCHEs are time-tested in high-pressure hydrocarbon processing, refining, and البتروكيماويات.إنهم يتعاملون مع واجبات مثل التحكم في نقطة الندى للغاز ، وتبريد المفاعل بين المراحل ، وتبريد الغاز الحمضي ، والتكثيف في العمليات التي تتطلب نظافة صارمة.مخزون السوائل الصغيرة والفعالية الحرارية العالية تناسبهم للخدمات النظيفة الحرجة. (على سبيل المثال ، يتم اعتماد PCHEs من سبائك النيكل على نطاق واسع في المعالجة الكيميائية لمقاومة السوائل القاسية ودرجات الحرارة المرتفعة.)
• توليد الكهرباء: في دورات الطاقة المتقدمة ، تستخدم PCHEs في المستردات والمولدات.بالنسبة لدورات ثاني أكسيد الكربون فائقة الحرجة ، حيث تكون جميع التيارات في 200-300 بار أو أعلى ، يمكن لـ PCHEs أن تتحمل الانزلاقات في درجة حرارة ~ 600 درجة مئوية واختلافات الضغط الهائلة.كما أنها تستخدم في الطاقة النووية (استبدال مولد البخار) ، وتدفئة الغاز الوقود التوربينات الغازية.تصنيف الضغط العالي للغاية (تصل إلى ~ 1250 بار في بعض التصاميم) يجعلها جذابة لدورات جديدة.

• الطاقة المتجددةو التخزين: PCHEs are gaining attention for concentrated solar power, long-term thermal storage (melt salts, etc.),وأنظمة احتجاز الكربون ، حيث تعتبر كفاءة الدورة العالية والتبادل الحراري المدمج أمرين بالغين الأهمية.

الاعتبارات الرئيسية في PCHE Sizing

• واجب الحرارية (متطلبات نقل الحرارة): أولاً ، قم بحساب واجب الحرارة المطلوب Q من بيانات العملية (معدلات التدفق الكتلي ، والحرارات المحددة ، وتغير درجة الحرارة للسوائل الساخنة والباردة).حدد أيضًا فرق درجة الحرارة في متوسط السجل (LMTD) أو درجات حرارة المخرج المطلوبة.تعيين واجب الحرارة و LMTD مساحة نقل الحرارة الإجمالية اللازمة عبر العلاقة
  
  أين U هو معامل نقل الحرارة الكلي.
• معدل تدفق السوائل والسرعة: وبالنظر إلى معدلات التدفق الكتلي لكل سائل (الجانبين الساخن والبارد) ، اختر أبعاد القناة الأولية لحساب السرعة.على سبيل المثال ، إذا كانت كل قناة لها مساحة مقطعية سرعة السوائل .تحدد السرعة نظام التدفق (عدد رينولدز) ) وبالتالي نقل الحرارة وانخفاض الضغط.عادة ما تكون القنوات الدقيقة PCHE على النحو الذي يبلغ قطره الهيدروليكي 0.4-4 مم ، لذلك قد تتراوح التدفقات من الصفائحية إلى المضطربة اعتمادًا على المعدل والسائل.
• هندسة القناة وتكوينها: قرر على شكل القناة، العرض () ، والطول.غالبًا ما توفر الشركات المصنعة لـ PCHE كتالوجات لأنماط القناة (مستقيم ، متعرج ، موجي ، ثلاثي الأبعاد ، إلخ)صفيحة وملفات التموج.القنوات الضيقة ترفع مساحة السطح (زيادة نقل الحرارة) ولكن أيضا تزيد من انخفاض الضغط.يجب أن تلبي الهندسة المختارة حدود انخفاض الضغط مع تقديم نقل الحرارة المطلوب.نظرًا لأن الحفر الكيميائي مرن جدًا ، يمكن لـ PCHEs تنفيذ أنماط ثعبانية أو موزع معقدة مستحيلة في لوحات زعنفة بسيطة.قد توجه معلمات المنتج الخيارات الأولية - على سبيل المثال ، تسرد SHPHE فجوات القناة النموذجية من 0.4 إلى 4 مم وسمك اللوحة 0.5-2 مم.
• حساب معامل نقل الحرارة: استخدام الارتباطات لتقدير معامل نقل الحرارة الحماري (ح) على كل جانب.بالنسبة للعديد من تصاميم PCHE (قنوات شبه دائرية من بضعة ملليمترات) ، تتوفر الارتباطات بين عامل Nu و الاحتكاك من الأدبيات أو بيانات CFD.على سبيل المثال ، تعطي إحدى الدراسات قنوات نصف دائرية بـ 2 مم:

• المساحة وعدد القنوات: مرة واحدة U يتم تقديرها ، حل للمساحة الإجمالية لنقل الحرارة اللازمة.في PCHE ، تأتي المساحة من مجموع جميع جدران القناة.إذا كانت كل لوحة قناة لديها قنوات متوازية من العرض الطول و الطول ، وهناك الألواح ، ثم المساحة الإجمالية هي تقريبا (حيث حسابات عدم التماثل إذا كان هناك).من هذا ، يمكن للمرء حل المطلوبة و بالنظر إلى أبعاد اللوحة العملية.على سبيل المثال ، إذا كانت هناك حاجة إلى مساحة فعالة تبلغ 0.5 متر مربع وتساهم كل قناة بمساهمة 0.01 متر مربع ، فيجب تكديس ما يقرب من 50 لوحة قناة.
• تقديرات انخفاض الضغط: قم بحساب انخفاض الضغط على كل جانب.بالنسبة لقناة معينة ، يعطي قانون دارسي .هنا هو متوسط السرعة في القناة و عامل الاحتكاك من الارتباط أعلاه.نظرًا لأن القنوات صغيرة ، يمكن أن يكون انخفاض الضغط كبيرًا - يجب على المهندسين ضمان يبقى داخل الحد المسموح به.إذا كان الانخفاض مرتفعًا جدًا ، فيمكن للمرء زيادة حجم القناة ، أو تقليل طول القناة (عن طريق إضافة المزيد من القنوات / الألواح المتوازية) ، أو اختيار هندسة مسار تدفق مختلفة.
• القيود المادية والميكانيكية : حدد مادة اللوحة وسمكها على أساس متطلبات الضغط والتآكل. Aالصناعية PCHEيجب أن يتحمل سمك اللوحة ضغط التصميم الكامل ؛ على سبيل المثال ، تحدد SHPHE سمك اللوحة من 0.5-2 مم للضغوط التي تصل إلى 1000 بار.مواد مثل SS316L ، Inconel 625 ، التيتانيوم ، أو Hastelloy شائعة لمقاومة درجات الحرارة العالية أو السوائل المسببة للتآكل.قد تتطلب الضغوط العالية جدًا ألواحًا سميكة أو سبائك عالية القوة ، مما يقلل من حجم القناة أو مساحةها ، لذلك يجب تكرار هذه المقايضة.
• التكرار والتحسين: نظرًا لأن العوامل المذكورة أعلاه مترابطة ، فإن التحجيم عادة ما يكون متكررًا.عادة ما يقوم المرء بضبط فجوة القناة أو العد وإعادة الحساب U و حتى يتم تلبية كل من الواجب الحراري والقيود الهيدروليكية.غالبًا ما تساعد الأدوات الحاسوبية أو برامج الشركة المصنعة في ذلك.في الحالات الحرجة (دورات ثاني أكسيد الكربون ، على سبيل المثال) ، يمكن استخدام محاكاة مفصلة لإنهاء الهندسة.

1. تعريف المتطلبات: جمع درجات حرارة المدخل / المخرج الساخنة / الباردة ، ومعدلات التدفق الكلي ، وقطرات الضغط المسموح بها ، والواجب المطلوب .

2. تحديد أبعاد القناة أوليًا: اختر عرض القناة (على سبيل المثال 1-3 مم) وشكل المموجات اللوحية.

3. السرعة الحسابية وعدد رينولدز: , .

4. تقدير معاملات نقل الحرارة: استخدام الارتباطات Nusselt (Nu vs.Re) للحصول على و على كل جانب.

5. الحساب بشكل عام : الجمع بين , ، وتوصيل الجدار.

6. احسب المساحة المطلوبة: .

7. تحديد عدد القناة / طول: استخدم صيغة المساحة للعثور على و التي تتطابق مع حجم اللوحة.

8. التحقق من قطرات الضغط: حساب على كل جانب.

9. تعديل الهندسة: If مرتفع جدا أو U منخفضة جدا، وتعديل عرض القناة، وعدد لوحة، أو مسار تدفق (إضافة الانحناءات، تغيير النمط) وتكرار.

10. التحقق من صحة ميكانيكيا: تأكد من أن سمك الجدار والمواد تلبي رموز ASME / PED لضغط التصميم ودرجة الحرارة.

طوال هذه العملية ، من الأهمية بمكان احترام قيود التصنيع.على سبيل المثال ، يمكن للنقش الكيميائي أن يخلق قنوات معقدة للغاية (السعابين ، الدوائر متعددة الممرات) ، ولكن الجدران الرقيقة بشكل مفرط (<0.2 مم) غير عملية للنقش والربط.وتقترح المبادئ التوجيهية لـ SHPHE سمكات اللوحات في نطاق 0.5-2 مم لمعظم PCHEs.

مقارنة مع شل وأنبوب وأنواع أخرى من المبادلات

على ملاحظة ختامية