Cómo diseñar un intercambiador de calor de placas

Los intercambiadores de calor de placas (PHEs) son unidades compactas que consisten en placas metálicas delgadas y corrugadas apiladas entre sí. Estas placas crean canales alternados para que fluyan los fluidos calientes y fríos. Los fluidos permanecen separados (gracias a las juntas o sellos soldados) y normalmente fluyen en modo de contracorriente, maximizando la diferencia de temperatura a lo largo de la longitud. Como un fluido fluye sobre un lado de cada placa y el otro fluido fluye en el lado opuesto, el calor se conduce a través del metal. Este diseño de placa corrugada induce turbulencia y produce coeficientes de transferencia de calor muy altos, por lo quePlaca intercambiador de calora menudo transferir calor de manera más eficiente que los intercambiadores de calor de cáscara y tubo.

Intercambiadores de calor de placasUse placas atornilladas y juntas elastoméricas (como se muestra arriba) para formar canales sellados. El contraflujo de fluidos calientes y fríos a través de estas placas maximiza la transferencia térmica.

Cada placa tiene una gran superficie y paredes delgadas, lo que significa un rápido flujo de calor. En un intercambiador de calor de placas, las juntas de goma entre las placas dirigen los fluidos a canales alternados. (For diseños soldados, las placas se sellan mediante soldadura o soldadura en lugar de juntas.) En cualquier caso, el fluido caliente transfiere calor al material de la placa, y la placa lo transfiere al fluido frío en el otro lado. Debido a que las corrientes frías y calientes fluyen en direcciones opuestas (corriente contraria), la diferencia de temperatura se mantiene alta a través de la unidad, lo que resulta en una transferencia de calor muy eficiente.

Pasos claves en el diseño de un intercambiador de calor de placas

Al diseñar un intercambiador de calor de placas para una aplicación dada, los ingenieros siguen varios pasos clave:

Elige el tipo de intercambiador adecuado. Primero, identifique los requisitos: tipo de fluido, temperaturas, caudales, presión, espacio y necesidades de mantenimiento. Por ejemplo, para condiciones suaves y un mantenimiento fácil, un intercambiador de placas junta es común. Para presiones muy altas o medios agresivos, pueden ser necesarios tipos de soldadura como los intercambiadores HT-Bloc o de circuitos impresos o diseños TP (que combinan características de placa y carcasa). Las formas especializadas como el tipo de soldadura de gran espacio se eligen para fluidos muy viscosos / cargados de sólidos o condiciones extremas, respectivamente.

Calcular el trabajo de calor y el área requerida. Determina la carga térmicaQ (generalmente a partir de los datos del proceso o el cambio de temperatura deseado) y calcular el área de transferencia de calor necesaria. Utilizando la ecuación básica de transferencia de calor Q = U × A × Δ T_lm Uno calcula el áreaA. requeridos. AquíU es el coeficiente global de transferencia de calor (estimado a partir de las propiedades del fluido y las características de la placa), yΔ T _ LM es la diferencia de temperatura log media entre los fluidos. más altoU un área de placa más grande o mayor da una mayor carga de calor. En la práctica, el número de placas se elige de modo que el área total de la placa se encuentre con A = Q / (U × Δ T_lm).

Caída de presión estimada. A medida que fluyen los fluidos a través de las placas, habrá pérdidas por fricción. Los diseñadores calculan la caída de presión en cada lado, utilizando caudales conocidos, espaciados de placas y patrones de corrugado. El factor de fricción y la longitud del canal entran en una fórmula de flujo de fluido para asegurar que la caída de presión resultante es aceptable para el sistema. Si la caída es demasiado grande, se pueden agregar más placas (aumentando el área) o cambiar la geometría de la placa (por ejemplo, pasajes más grandes en un diseño de gran abertura) para reducir la asfixia.

Seleccionar materiales y componentes. La elección del material depende de la compatibilidad química y la temperatura. Los materiales de placa comunes son acero inoxidable (por ejemplo, 316L) para uso general, aleaciones de titanio o níquel para fluidos corrosivos, y aleaciones especiales para temperaturas muy altas. Las juntas (si se usan) deben adaptarse al fluido (NBR, EPDM, Viton, etc.) Y la temperatura. En los intercambiadores soldados (HT-Bloc, TP, amplio espacio), no hay juntas, lo que permite clasificaciones de presión y temperatura muy altas.

Revise el diseño y prueba si es posible. Después de un diseño preliminar, una buena práctica es simular o crear un prototipo del intercambiador para verificar la transferencia de calor y la hidráulica. Como señala una guía, "verifique el diseño mediante simulación o pruebas experimentales para garantizar... la velocidad de transferencia de calor y la caída de presión deseadas". Ajuste el recuento de placas, configuración o parámetros de funcionamiento según sea necesario para cumplir con los objetivos.

Estos pasos (selección, dimensionamiento térmico, verificación de caída de presión, selección de materiales, verificación) garantizan un diseño robusto. En el camino, la referencia a familias de productos conocidas puede ayudar: por ejemplo,intercambiadores de placas soldadas HT-Bloc utilizar paquetes de placas completamente soldadas para servicio de alta presión;Intercambiadores de soldadura Wide-gap Ofrecer canales ampliados para evitar la incrustación por los lodos; yIntercambiador de circuitos impresos Utilice microcanales de difusión en condiciones extremas.

Fórmula de diseño: Tarea de calor y LMTD

Una fórmula central en el diseño del intercambiador de calor es el equilibrio de calor:

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

= <unk> _ c × c _ {p, c} × (T _ {c, out} - T _ {c, in})

o

Donde los suscriptoresHEl c Se refiere a los fluidos calientes y fríos. Esto asegura el equilibrio energético: el calor perdido por el fluido caliente es igual al calor ganado por el frío.

Otra relación clave es la ecuación de transferencia de calor:

Q = U × A × Δ T_lm

Aquí U (coeficiente global de transferencia de calor) representa la conductividad térmica del intercambiador de placas (depende de la convección del fluido, el material de la placa y la incrustación),A.es la superficie total de las placas, yΔ T _ LM es la diferencia de temperatura media logarítmica entre las corrientes calientes y frías. La fórmula de LMTD explica el hecho de que la diferencia de temperatura cambia a lo largo del intercambiador. En términos simples, un primer cálculo Δ T _ lm = (Δ T1 - Δ T2) / ln (Δ T1 / Δ T2),DondeΔ T1 yΔ T2 son las diferencias de temperatura en los dos extremos.

conQconocidos y una estimación deUEl área requerida esA = Q / (U × Δ T_lm) . Los diseñadores a menudo iteran: asumen un patrón de placa o material para estimarU(que puede variar de unos pocos miles hasta 7000 W / m2 · K para PHEs líquido-líquido), calcularA. , a continuación, elija un recuento de placas de tal manera que la suma de las áreas de placas se reúneA. . También se pueden utilizar métodos de eficacia NTU para dimensionamiento más complejo, pero elU × A × Δ T_lm El planteamiento es un punto de partida común.

Los intercambiadores de calor de circuitos impresos se basan en placas de microcanales (mostradas arriba). Cada placa se graba con canales estrechos (flujos azules y rojos) para crear una gran superficie en un volumen compacto. La transferencia total de calor sigueQ = U × A × Δ T_lm Por lo tanto, su enormeA./ Volumen y altoU Dar un rendimiento excepcional.

Aplicaciones industriales y consideraciones de diseño

Los intercambiadores de placas se utilizan en muchas industrias. Cada aplicación tiene sus propias demandas:

Procesamiento Químico:

Las plantas químicas a menudo se ocupan de fluidos corrosivos o tóxicos y pueden requerir altas presiones o temperaturas. Los diseños aquí favorecen PHEs soldados (sin juntas para fugas) hechos de aleaciones especiales. Por ejemplo, un intercambiador totalmente soldado HT-Bloc combina la eficiencia de la placa con la resistencia de la carcasa y el tubo, lo que permite el servicio en bucles químicos duros. Los canales de flujo pueden necesitar ser ligeramente más grandes que los ultra estrechos para evitar la incrustación de catalizadores o sólidos suspendidos. Los materiales como Hastelloy o titanio son comunes. La facilidad de limpieza es importante - muchos procesos permiten la limpieza in situ (CIP) - por lo que los diseños abiertos (marcos atornillados) se pueden utilizar para el mantenimiento.

HVAC (Calentamiento / Ventilación / AC):

Los sistemas de HVAC típicamente involucran el calentamiento o enfriamiento de agua y bucles de glicol a presiones moderadas. Aquí,Intercambiadores de placas son muy comunes debido a su bajo costo y fácil mantenimiento. Destacan en la recuperación de energía y en las tareas de enfriamiento / condensador. El énfasis en el diseño es maximizar la eficiencia en un espacio limitado. Debido a que los fluidos son relativamente limpios, se pueden utilizar placas estrechas (altas corrugadas) para la máxima transferencia de calor. Las juntas permiten un desmontaje simple para la limpieza o la adición de placas si la capacidad necesita cambiar. Los materiales típicos son acero inoxidable (316L) y elastómeros de junta estándar. Las clasificaciones de presión en HVAC son modestas (a menudo < 20 bar), por lo que las unidades estándar con junta son suficientes.

Generación de energía:

Las centrales eléctricas (fósiles o nucleares) tienen corrientes de alta temperatura y alta presión (vapor, fluidos supercríticos). Los intercambiadores de calor de circuito impreso (PCHE) se desarrollaron primero para la energía nuclear y el GNL y ahora encuentran su uso en los ciclos de energía.El PCHLas placas de microcanales tienen unidas por difusión en un bloque sólido, dando una resistencia excepcional y pequeños pasajes de alta eficiencia. Pueden operar hasta ~ 1000 bar y 900 ° C, mucho más allá de PHEs normales. En aplicaciones de potencia menos extremas (por ejemplo, Calentamiento de agua de alimentación de calderas), intercambiadores de placas soldadas como los tipos TP combinan compactidad con robustez. Estos pueden tener carcasas abiertas para el mantenimiento y permitir caídas de presión que son aceptables para el ciclo. En todos los casos, la limpieza es crítica (sin fugas), por lo que se eligen diseños completamente soldados o unidos por difusión.

Comida y Bebida:

La industria alimentaria necesita intercambiadores que sean sanitarios y fáciles de limpiar. Los PHEs con junta son ampliamente utilizados para la pasteurización de leche, wort en la elaboración de cerveza y calentamiento / enfriamiento de jugos. Las placas a menudo son de acero inoxidable (a veces 316L) con juntas aprobadas por la FDA. Muchas unidades se construyen en marcos abiertos para que las placas puedan ser enjuagadas o reemplazadas para la limpieza. Para productos con partículas (por ejemplo, jugos de fruta pulpa, jugo de caña de azúcar),Intercambiadores de placas wide-gap se utilizan. Estos han ampliado los canales de flujo que toleran piezas sólidas sin obstrucciones. Los diseños de gran brecha todavía están soldados y calificados a presión, pero su forma de canal evita "zonas muertas" y bloqueos. El objetivo es un manejo suave (para evitar el cizallamiento del producto) mientras se cumple con un estricto control de temperatura. A menudo, los sistemas CIP (limpieza en el lugar) están integrados, y la corrugada de la placa puede ser más suave.

Los intercambiadores de calor de placa soldada de gran brecha (como la unidad azul de arriba) manejan fluidos viscosos o cargados de partículas. Los grandes canales evitan el obstrucción, mientras que el diseño de la placa corrugada mantiene una alta eficiencia térmica.

Más allá de estos ejemplos, casi todas las industrias, desde petroquímicas hasta farmacéuticas, usan intercambiadores de placas de alguna forma. Los requisitos clave varían según el sector: las plantas químicas se centran en la resistencia a la corrosión por estrés y la clasificación de presión, HVAC se centra en la compacidad y la facilidad de servicio, las plantas eléctricas en el rendimiento térmico y la presión, y los alimentos / bebidas en la higiene y la resistencia a la incrustación. Al comprender las demandas de la aplicación, los diseñadores eligen la geometría de la placa, el método de sellado, el material y la configuración general adecuados.

Conclusiones

El diseño de un intercambiador de calor de placas requiere una clara comprensión de los principios de transferencia de calor y las necesidades específicas del proceso. Comience por lo básico: un intercambiador de placas funciona contrafluyendo fluidos calientes y fríos sobre placas alternas, logrando un intercambio de calor muy eficiente. A continuación, siga los pasos sistemáticos: seleccione el tipo (junta, soldado, circuito impreso, etc.), Calcular el trabajo térmico y el área requerida, asegurarse de que las caídas de presión son aceptables, elegir materiales compatibles y verificar el diseño.

Diferentes industrias guiarán las elecciones: por ejemplo, los intercambiadores de placas soldadas HT-Bloc combinan eficiencia de placas con dureza a alta presión, mientras que los intercambiadores de placas Wide-Gap se destacan en aplicaciones de alimentos o minería con sólidos, y los PCHEs ofrecen soluciones compactas para plantas de energía. Al combinar estos principios de diseño con el tipo de producto y los materiales apropiados, los ingenieros se aseguran de que cada intercambiador de calor de placas funcione de manera fiable en su servicio previsto.

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