Συγκριτική ανάλυση εναλλάκτη θερμότητας πλακών και εναλλάκτη θερμότητας κελύφους και σωλήνων

Συγκριτική ανάλυση των ανταλλακτών θερμότητας πλάκας και των ανταλλακτών θερμότητας σκελετών και σωλήνων

1Ο κατασκευαστικός σχεδιασμός και οι μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας

1.1 Ανταλλάκτες θερμότητας πλάκας

Ένας εναλλάκτης θερμότητας πλάκας αποτελείται από μια στοίβα κυματοειδών μεταλλικών πλάκων, με συμπίεση που σφραγίζει τα κενά μεταξύ των γειτονικών πλακών για να σχηματίσουν ξεχωριστά κανάλια ροής.Δύο υγρά λειτουργίας ρέουν αντιστρόφως ή διασταυρούμενα μέσω εναλλασσόμενων καναλιών, που ανταλλάσσουν θερμότητα μέσω των μεταλλικών πλακών.

Μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας:

• Η θερμότητα από το ζεστό υγρό μεταφέρεται πρώτα στην πλάκα μέσω συγκέντρωσης, στη συνέχεια διενεργείται μέσω της πλάκας υψηλής θερμικής αγωγιμότητας (π.χ. από ανοξείδωτο χάλυβα, με θερμική αγωγιμότητα 45 W/(m·K)),και τελικά μεταφέρεται στο κρύο υγρό.

• Η επιφάνεια της κυματοειδούς πλάκας προκαλεί αναταραχές σε χαμηλούς αριθμούς Reynolds (Re = 50·200), αυξάνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα μεταφοράς θερμότητας.Αυτή η αναταραχή αυξάνει επίσης την πτώση της πίεσης λόγω της μεγαλύτερης αντίστασης του υγρού..

1.2 Ανταλλάκτες θερμότητας με κέλυφος και σωλήνα

Ένας ανταλλακτής θερμότητας με κέλυφος και σωλήνα αποτελείται από ένα κυλινδρικό κέλυφος, ένα δέμα σωλήνων (στη θέση τους ή πλωτούς μέσω φύλλων σωλήνων) και κεφαλές.ενώ το άλλο ρέει γύρω από τους σωλήνες μέσα στο κέλυφος (πλευρά του κέλυφου)Οι κοινές διαμορφώσεις περιλαμβάνουν μοντέλα σταθερού σωλήνα, πλωτού κεφαλιού και U-σωλήνα.

Μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας:

• Η θερμότητα από το ζεστό υγρό (πλευρά σωλήνα ή κελύφους) μεταφέρεται στον τοίχο του σωλήνα, που διεξάγεται μέσω του σωλήνα (π.χ. σωλήνες χαλκού με θερμική αγωγιμότητα 375 W/(m·K) ·και στη συνέχεια συνυπάρχει με το κρύο υγρό στην αντίθετη πλευρά.

• Οι φραγμοί εγκαθίστανται στο κέλυφος για να ανακατευθύνουν το υγρό από την πλευρά του κέλυφου, επεκτείνοντας τις διαδρομές ροής και αυξάνοντας την αναταραχή, βελτιώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα της μεταφοράς θερμότητας.

2. Χαρακτηριστικά απόδοσης

3- Πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα και εφαρμογές

3.1 Ανταλλάκτες θερμότητας πλάκας

Πλεονεκτήματα:

• Υψηλή αποδοτικότητα: Η αναταρακτική ροή σε χαμηλούς αριθμούς Reynolds και η λειτουργία αντίστροφου ρεύματος παράγουν έναν συντελεστή διόρθωσης λογαριθμικής μέσης διαφοράς θερμοκρασίας (LMTD) ~ 0.95, με διαφορές τελικής θερμοκρασίας τόσο χαμηλές όσο < 1 °C (έναντι ~ 5 °C για σχέδια κελύφους και σωλήνων).

• Σύνθετο σχεδιασμό: 2×5 φορές μεγαλύτερη επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας ανά μονάδα όγκου· καταλαμβάνει το 1/5×1/8 του χώρου των μονάδων κελύφους και σωλήνων για ισοδύναμη χωρητικότητα.

• Ευελιξία: Εύκολη κλιμάκωση με την προσθήκη/αφαίρεση πλακών· προσαρμόσιμη στις αλλαγές της διαδικασίας (π.χ. επαναπροσδιορισμός διαδρομών ροής).

• Η οικονομική απόδοση: Ελαφρύς βάρος (δυναμικότητα πλάκας: 0,4·0,8 mm έναντι 2,0·2,5 mm για σωλήνες), 40·60% χαμηλότερο κόστος από τις μονάδες με κέλυφος και σωλήνα του ίδιου υλικού και της ίδιας έκτασης· μαζική παραγωγή μέσω τυποποίησης.

• Χαμηλή απώλεια θερμότητας: Η ελάχιστη εκτεθειμένη επιφάνεια μειώνει την απώλεια θερμότητας, εξαλείφοντας την ανάγκη για μόνωση.

Μειονεκτήματα:

• Περιορισμένη ανοχή πίεσης και θερμοκρασίας (μη κατάλληλη για > 3 MPa ή ακραίες θερμοκρασίες).

• Οι επικάλυψεις είναι επιρρεπείς στην υποβάθμιση σε διαβρωτικά ή υψηλής θερμοκρασίας περιβάλλοντα.

• Η μεγαλύτερη πτώση της πίεσης μπορεί να απαιτήσει ισχυρότερες αντλίες.

Εφαρμογές:

Ιδανικό για χαμηλής έως μεσαίας πίεσης, 中小换热面积 σκηνές (π.χ., HVAC, επεξεργασία τροφίμων, συστήματα θερμού νερού και βιομηχανίες που απαιτούν συχνό καθαρισμό όπως τα φαρμακευτικά προϊόντα).

3.2 Ανταλλάκτες θερμότητας με κέλυφος και σωλήνα

Πλεονεκτήματα:

• Αντοχή σε υψηλή πίεση/θερμοκρασία: Κατάλληλο για σκληρές συνθήκες (μέχρι 30 MPa, 400°C), καθιστώντας το ιδανικό για βιομηχανικές διαδικασίες υψηλής πίεσης.

• Δυνατότητα: Κύλινδρος περίβλημα και άκαμπτοι σωλήνες δέσμες αντέχουν υψηλές παλμήσεις και μεγάλες ταχύτητες ροής. συμβατό με υγρά υψηλής ιξώδους ή σωματιδίων φορτωμένα (με κατάλληλο σχεδιασμό προφυλακτήρα).

• Μεγάλη διάρκεια ζωής: Η κατασκευή (ή οι σωλήνες χαλκού) που είναι αποκλειστικά από ανοξείδωτο χάλυβα προσφέρουν αντοχή (έως 20 έτη) σε διαβρωτικά περιβάλλοντα.

Μειονεκτήματα:

• Μειωμένη απόδοση μεταφοράς θερμότητας: οι συντελεστές διόρθωσης LMTD είναι συχνά < 0,9 λόγω των διασταυρούμενων προτύπων ροής· μεγαλύτερο αποτύπωμα και μεγαλύτερο βάρος.

• Αδυναμία ευελιξίας: Δύσκολη τροποποίηση της περιοχής μεταφοράς θερμότητας μετά την εγκατάσταση· υψηλότερο αρχικό κόστος για ισοδύναμη ισχύ.

Εφαρμογές:

Προτιμάται για βιομηχανικές διεργασίες υψηλής πίεσης/υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. πετροχημικές, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, εξορύξεις) και μεγάλης κλίμακας ανταλλαγή θερμότητας (π.χ. κεντρική θέρμανση,συστήματα ψύξης βαρέων χρήσεων).

Σύνοψη

Οι εναλλάκτες θερμότητας πλάκας υπερέχουν στην αποτελεσματικότητα, τη συμπαγή και την ευελιξία για εφαρμογές χαμηλής έως μεσαίας πίεσης, ενώ οι εναλλάκτες θερμότητας κελύφους και σωλήνων κυριαρχούν σε υψηλής πίεσης, υψηλής θερμοκρασίας,και βιομηχανικά σενάρια μεγάλης κλίμακαςΗ επιλογή εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας, τις ανάγκες συντήρησης και τις απαιτήσεις επεκτασιμότητας.