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Design von PHE-Wärmeübertragungsplatten und Kanalkombinationen

Anzahl Durchsuchen:0     Autor:Site Editor     veröffentlichen Zeit: 2020-03-23      Herkunft:Powered

Design von PHE-Wärmeübertragungsplatten und Kanalkombinationen

(Symmetrisches Chammel im Vergleich zum asymmetrischen Kanal)

Plattenwärmetauscher (PHE) bestehen aus einer Reihe dünner Wellplatten, die an einer Tragstange aufgehängt und zwischen einer festen und einer beweglichen Kopfplatte eingeklemmt sind. Die Wellplatten oder Wärmeübertragungsplatten bestehen normalerweise aus Edelstahl oder anderen Materialien, die duktil genug sind, um ein Pressen zu ermöglichen. Jede Wärmeübertragungsplatte ist mit einer Elastomerdichtung ausgestattet, um die Prozessflüssigkeiten teilweise abzudichten und teilweise zu verteilen. Anschlüsse in den festen oder beweglichen Kopfplatten ermöglichen den Eintritt der Prozessflüssigkeiten in das Plattenpaket. Die Unterscheidung einer Wärmeübertragungsplatte von einem Kanal ist äußerst wichtig und grundlegend für die Analyse von PHEs. Die Wärmeübertragungsplatte trennt die beiden Prozessflüssigkeiten; Der Kanal ist der Raum, der durch zwei Wärmeübertragungsplatten geschaffen wird, durch die Prozessflüssigkeiten verteilt und die Wärmeübertragung durchgeführt wird. Abbildung 1 zeigt die Hauptkomponenten eines PHE. Die Nomenklatur, die PHEs beschreibt, ist nicht standardisiert, und alternative Namen werden von verschiedenen Herstellern verwendet.


WÄRMEÜBERTRAGUNG

Für eine sinnvolle (einphasige) Wärmeübertragung kann die Leistung dargestellt werden durch:

Heizplattenübertragung

Die effektive Wärmeübertragungsfläche in einem PHE A wird berechnet, indem die Gesamtzahl der Platten im Wärmetauscher minus zwei mit der effektiven Fläche pro Platte multipliziert wird.

Heizplattenübertragung

Bei der Bestimmung der Fläche werden zwei Platten von der Gesamtzahl abgezogen, da die erste und die letzte Platte nur auf einer Seite Flüssigkeit aufweisen. Sie sind bei der Wärmeübertragung nicht wirksam.

Wellplatten bilden in einem Wärmetauscher einen dreidimensionalen Strömungsweg mit einem Nennspalt, der doppelt so groß ist wie die Drucktiefe der Platte. Der nominelle Spalt oder Kanalabstand oft

definiert als der mittlere hydraulische Durchmesser Dh liegt im Bereich von 5 bis 10 mm (0,2 bis 0,4 Zoll). Um die durchschnittlichen Filmkoeffizienten in PHEs für eine vollständig entwickelte turbulente Strömung von Newtonschen Flüssigkeiten abzuschätzen, wird die folgende Beziehung häufig verwendet.

Heizplattenübertragung

Heizplattenübertragung

Heizplattenübertragung

THERMISCHE LÄNGE, Θ

Die thermische Länge ist eine dimensionslose Zahl, mit der der Konstrukteur die Leistungsmerkmale einer Kanalgeometrie mit denen einer Betriebsanforderung in Beziehung setzen kann. Die thermische Länge eines Kanals beschreibt die Fähigkeit des Kanals, eine Temperaturänderung basierend auf der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz (LMTD) zu beeinflussen.

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


Die thermische Länge eines Kanals ist eine Funktion des hydraulischen Kanaldurchmessers, der Plattenlänge und des Winkels der Wellen sowie der physikalischen Eigenschaften der Prozessflüssigkeiten und des verfügbaren Druckabfalls. Um einen PHE richtig zu entwerfen, muss die für die Aufgabe erforderliche thermische Länge mit der durch die ausgewählte Kanalgeometrie erreichbaren übereinstimmen. Für jede gewählte Kanalgeometrie kann die vom Dienst geforderte thermische Länge

• Passen Sie die Eigenschaften des Kanals an, damit der Wärmetauscher unter Verwendung des gesamten verfügbaren Druckabfalls ohne Überdimensionierung optimal dimensioniert ist.

• Überschreiten Sie das, was der Kanal mit dem zulässigen Druckabfall erreichen kann, und erfordern Sie, dass mehr Platten hinzugefügt und der Druckabfall durch Verringern der Geschwindigkeit verringert werden. Ein solches Design wird als thermisch gesteuert bezeichnet.

• Bei dem zulässigen Druckabfall geringer sein als der vom Kanal erreichbare Wert. Dies führt zu einer größeren Temperaturänderung über der Platte als erforderlich oder zu einer Überdimensionierung. Eine solche Konstruktion wird als druckabfallgesteuert bezeichnet. Um den wirtschaftlichsten und effizientesten Wärmetauscher zu erhalten, ist es wichtig, für jedes Fluid eine Kanalgeometrie zu wählen, die den thermischen Längenanforderungen jedes Fluids entspricht. Da die durch einen Kanal erreichbare thermische Länge von den physikalischen Eigenschaften des Fluids abhängt, müssen Korrekturfaktoren berücksichtigt werden, wenn sich die physikalischen Eigenschaften des Fluids von denen für Wasser (2) unterscheiden, die in diesem Artikel verwendet werden.


KONVENTIONELLE WÄRMETAUSCHER

Heutzutage werden herkömmliche Wärmeübertragungsplattenkonstruktionen als Chevron- oder Fischgrätenmuster klassifiziert, wobei die Wellen eine Reihe von Mustern bilden. Jede Plattengröße wird mit zwei verschiedenen Chevron-Winkeln, Fig. 2, der Platte mit niedrigem Theta und der Platte mit hohem Theta, gepresst und weist spitze bzw. stumpfe Scheitelwinkel auf.

Die Dichtungsnut dieser Platten im herkömmlichen Stil ist zu 100% vertieft (Abbildung 3), sodass jede Platte immer eine Vorder- und Rückseite aufweist. Wenn die Dichtungsnut zu 100% versenkt ist, können die Platten nur um die Z-Achse gedreht werden. Die Kanäle werden durch abwechselndes Drehen benachbarter Platten um 180 ° um ihre Z-Achse gebildet, so dass die Pfeilspitzen der Chevron-Winkel in die entgegengesetzte Richtung zeigen. Wenn zwei Platten nebeneinander liegen, hängen die Wärme- und Druckabfallcharakteristiken dieses Kanals stark von dem Winkel ab, in dem sich die Wellen kreuzen. Mit zwei verschiedenen Mustern, niedrigem und hohem Theta, können drei deutlich unterschiedliche Kanäle gebildet werden, von denen jeder seine eigenen hydrodynamischen Eigenschaften aufweist.

• H-Kanal. Zwei Platten mit stumpfen Winkeln und hohem Theta werden zusammengelegt und bilden einen Kanal mit hohem Theta, der durch hohen Druckabfall und hohe Temperaturänderungen auf der Platte gekennzeichnet ist (Abbildung 2.1).

• L-Kanal. Zwei Platten mit spitzen Winkeln und niedrigem Theta werden zusammengelegt, um einen Kanal mit niedrigem Theta zu bilden, der durch geringen Druckabfall und geringe Temperaturänderungen auf der Platte gekennzeichnet ist (Abbildung 2.2).

• M-Kanal. Kombinieren einer High-Theta-Platte und einer Low-Theta-Platte zu einem Medium-Theta-Kanal mit Eigenschaften, die irgendwo zwischen denen eines H- und L-Kanals liegen (Abbildung 2.3).


Innerhalb eines herkömmlichen Plattenpakets kann es auch ein Mischen von Kanälen mit hohem und niedrigem Theta zur Optimierung des Druckabfalls geben. Trotz der Fähigkeit, Kanäle zu mischen, haben herkömmliche Plattenwärmetauscher den Hauptnachteil, dass beide Flüssigkeiten identischen Kanalgeometrien unterliegen, da die Kanäle symmetrisch sind. Diese symmetrische Geometrie ist sehr effektiv, wenn beide Flüssigkeiten den gleichen thermischen Längenbedarf und Druckabfall haben, dies ist heute jedoch selten der Fall. Typische Anwendungen auf dem heutigen Markt sind ungleiche Durchflussraten mit unterschiedlichen Anforderungen an die thermische Länge der heißen und kalten Flüssigkeiten. Wenn die Aufgaben so sind, können beide Flüssigkeiten mit symmetrischen Kanälen niemals vollständig optimiert werden, und der Wärmetauscher ist nicht so wirtschaftlich wie möglich.

Die folgende typische Anwendung zeigt den Mangel herkömmlicher PHEs. Der Kunde hat 68 mg / h Wasser, das von 105 ° auf 78 ° C abgekühlt werden muss. Kühlwasser ist mit 58 ° C und 225 mg lb / h (102 mg / h) verfügbar. Der zulässige Druckabfall für beide Flüssigkeiten beträgt 10 psi (69 kPa).

Designanforderung

Heiße Seite Kalte Seite

Flüssiges Wasser Wasser

Durchflussrate (lb / h) 150.000 25.000

Temp. In (° F) 105 58

Temp. Out (° F) 78 76

Zulässige Pres. Tropfen (psi) 10 10

Erforderliche thermische Länge 1,115 0,743


Leistungsdaten

Zoll: 4.050.000 Btu / h

LMTD (° F): 24,22

Gesamtrate (Btu / h, ft.2 ° F): 900

Erforderliche Fläche (ft2): 185

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

Pres. Drop Used (psi) 5 10

Kanal M M.


Nach herkömmlichen Standards würde dies als akzeptables Design angesehen. Da der Druckabfall auf der heißen Seite jedoch nicht vollständig ausgenutzt wird, wird das Design durch die thermischen Anforderungen auf der kalten Seite gesteuert. Daher ist dies nicht das wirtschaftlichste Design, wenn beide Flüssigkeiten einzeln optimiert werden könnten. Wenn asymmetrische Kanäle verfügbar wären, könnte das Plattenpaket so ausgelegt werden, dass die Kanäle auf der heißen Seite eine höhere thermische Länge haben als die auf der kalten Seite. Auf diese Weise würden beide Flüssigkeiten einzeln optimiert, wobei beide verfügbaren Druckabfälle voll ausgeschöpft würden. Da die erhöhte Turbulenz den Filmkoeffizienten der heißen Seite erhöhen würde, könnte die Fläche unter 17 m² (185 ft 2) reduziert werden, die in diesem Beispiel berechnet wurde.

Heizplattenübertragung

Heizplattenübertragung


WÄRMETAUSCHER DER NÄCHSTEN GENERATION

Während die herkömmliche Wärmeübertragungsplatte ein homogenes Wellenmuster aufweist, weist die asymmetrische Platte einen Wärmeübertragungsabschnitt auf, der in vier Quadranten mit zwei unterschiedlichen Winkeln B1 und B2 unterteilt ist (Abbildung 4). Die asymmetrische Platte verwendet eine patentierte Erfindung, die es ermöglicht, dass die Dichtungsnut ausgeführt wird in der neutralen Ebene der Platte positioniert, 50% vertieft, Abbildung 3.2. Wenn sich die Dichtungsnut in der neutralen Ebene befindet, ist der Abstand zwischen der Dichtfläche benachbarter Platten und der Dichtungsnut unabhängig von der Drehung der Platte immer gleich. Herkömmliche Platten mit einer zu 100% vertieften Dichtungsnut können sich nur um eine Achse, die Z-Achse, drehen.

Heizplattenübertragung

Asymmetrische Wärmeübertragungsplatten sind mit einem hohen oder niedrigen Theta-Muster erhältlich. Mit diesen beiden Mustern und den zusätzlichen Rotationsfreiheitsgraden ist es möglich, sechs verschiedene Kanalgeometrien zu haben. Dies ist doppelt so viel wie bei herkömmlichen PHEs.

HS-Kanal. Zwei High-Theta-Platten kombiniert mit Pfeilspitzen in

die gleiche Richtung, Abbildung 4.1.

HD-Kanal. Zwei High-Theta-Platten kombiniert mit Pfeilspitzen

in die entgegengesetzte Richtung, Abbildung 4.2.

LS-Kanal. Zwei Low-Theta-Platten kombiniert mit Pfeilspitzen in

die gleiche Richtung, Abbildung 4.3.

LD-Kanal. Zwei Low-Theta-Platten kombiniert mit Pfeilspitzen in

die entgegengesetzte Richtung, Abbildung 4.4.

MS-Kanal. Kombination einer High- und Low-Theta-Platte mit einem Pfeil

Köpfe in die gleiche Richtung, Abbildung 4.5.

MD-Kanal. Kombinieren einer High- und Low-Theta-Platte mit Pfeilspitzen in entgegengesetzter Richtung, Abbildung 4.6.

Drei der Kanalgeometrien sind identisch mit denen, die mit herkömmlichen Platten verfügbar sind, die Kanäle HD, LD und MD sind identisch mit herkömmlichen H-, L- und M-Kanälen. Drei neue Kanäle, die mit Pfeilspitzen in derselben Richtung gebildet wurden, haben den thermischen Wirkungsgrad im Vergleich zu ihren Gegenstücken mit Pfeilspitzen in der entgegengesetzten Richtung erhöht. Diese Effizienzsteigerung ist das Ergebnis erhöhter Turbulenzen der Prozessflüssigkeiten. Um die asymmetrischen Kanäle innerhalb des Plattenpakets zu bilden, werden die Platten systematisch gedreht, um die gewünschte Kombination von S- und D-Kanälen zu erreichen, die der für jedes Fluid erforderlichen thermischen Länge entspricht.

Die Fähigkeit, die Platten relativ zueinander zu drehen, ermöglicht es dem Konstrukteur, den Kanal für die heißen und kalten Flüssigkeiten unabhängig zu optimieren und die erforderlichen thermischen Längen für jede Flüssigkeit an die durch die Gruppierung erreichbaren anzupassen. Dies ermöglicht es, dass thermische Aufgaben mit unterschiedlichen Anforderungen an die thermische Länge auf der heißen und kalten Seite von einem PHE effektiv bewältigt werden können, ohne dass die Wärmetauscherkonstruktionen mehr von der einen oder anderen Seite gesteuert werden. Die Vorteile asymmetrischer Gruppierungen sind nachstehend dargestellt, wobei für herkömmliche Platten dieselben Bedingungen wie im vorherigen Beispiel verwendet werden.

Designanforderung

Heiße Seite Kalte Seite

Flüssiges Wasser Wasser

Durchflussrate (pph) 150.000 225.000

Temp. In (° F) 105 58

Temp. Out (° F) 78 76

Zulässige Pres. Tropfen (psi) 10 10

Erforderliche thermische Länge 1,115 0,743


Leistungsdaten

Zoll: 4.050.000 Btu / h

LMTD (° F): 24,22

Gesamtrate (Btu / h, ft.2 ° F): 1.080

Erforderliche Fläche (ft2): 155

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

Pres. Drop Used (psi) 10 10

Kanal MS MD

Flächeneinsparungen 16%

Ungefähre Kostenreduzierung 10%

Diese Flächenreduzierung von 16% und Kosteneinsparungen von 10% sind nur mit asymmetrischen Kanälen möglich, die eine unabhängige Optimierung beider Flüssigkeiten und einen maximalen thermischen Wirkungsgrad ermöglichen. Durch die Bildung von Kanälen auf der heißen Seite mit Pfeilspitzen in derselben Richtung wird nun der volle Druckabfall genutzt und der Filmkoeffizient wesentlich erhöht. Da der Filmkoeffizient proportional zum verwendeten Druckabfall ist (h = f (Druckabfall 0,35), sind die Filmkoeffizienten umso höher und desto kleiner wird der Wärmetauscher, je höher der Druckabfall ist

Literatur zitiert

1. Marriott, J., Chem. Eng. Prog., S. 73 (Februar 1977).

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

Heizplattenübertragung

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