Dimensionamiento de intercambiadores de calor de circuitos impresos: una guía completa

Aplicaciones de intercambiador de calor de circuito impreso

• Petróleo y GasEn plantas de gas natural licuado y unidades de regasificación, los PCHEs sirven en ciclos de metano preenfriados, recuperación de gas de flash final, manejo de gas de ebullición y tareas de vaporizador. El rendimiento criogénico (hasta -196 ° C) y la capacidad de alta presión hacen que los PCHEs sean ideales para calentadores de combustible y recuperación de calor en regasificadores flotantes.

• Combustible y procesamiento de hidrógenoLas estaciones de reabastecimiento rápido de hidrógeno dependen de un rápido preenfriamiento de H2 de alta presión para maximizar las tasas de llenado. Los PCHEs (especialmente con canales especializados grabados en 3D) se utilizan para preenfriar el hidrógeno desde 700 bar a condiciones de almacenamiento, reduciendo la potencia de la bomba y los tiempos de espera. De manera más amplia, la licuefacción y el procesamiento de hidrógeno pueden aprovechar la resistencia a alta presión de los PCHEs.
• Químico plantas petroquímicas yLos PCHEs están probados en el tiempo en tareas de procesamiento de hidrocarburos de alta presión, refinación y petroquímica. Se encargan de tareas como el control del punto de rocío del gas, enfriamiento entre etapas del reactor, enfriamiento de gas ácido y condensación en procesos que requieren una limpieza estricta. Su pequeño inventario de fluidos y su alta eficiencia térmica los adecuan para servicios limpios y críticos. (Los PCHEs de aleación de níquel, por ejemplo, se adoptan ampliamente en el procesamiento químico para resistir fluidos duros y altas temperaturas.)
• Generación de energíaEn los ciclos de potencia avanzados, los PCHEs se utilizan en recuperadores y generadores. Para los ciclos de CO2 supercríticos, donde todas las corrientes están a 200 - 300 bar o más, los PCHEs pueden soportar los deslizamientos de temperatura de ~ 600 ° C y las diferencias de presión masivas. También se utilizan en la energía nuclear (reemplazo del generador de vapor) y la calefacción de gas de combustible de la turbina de gas. Su clasificación de presión ultra alta (hasta ~ 1250 bar en algunos diseños) los hace atractivos para nuevos ciclos.

• Energía Renovabley AlmacenamientoLos PCHEs están ganando atención para la energía solar concentrada, el almacenamiento térmico de larga duración (sales fundidas, etc.), sistemas de captura de carbono, donde la alta eficiencia del ciclo y el intercambio de calor compacto son críticos.

Consideraciones clave en el dimensionamiento de PCHE

• Requisitos de transferencia de calor (Heat Transfer Requirements): Primero, calcule el trabajo de calor requerido Q datos del proceso (caudal de masa, calor específico y cambio de temperatura de los fluidos calientes y fríos). También determine la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) o temperaturas de salida requeridas. El servicio térmico y LMTD establecen el área total de transferencia de calor necesaria a través de la relación
  
  Donde U es el coeficiente total de transferencia de calor.
• Flujo de fluido y velocidad: Dadas las tasas de caudal de masa de cada fluido (lado caliente y frío), elija las dimensiones iniciales del canal para calcular la velocidad. Por ejemplo, si cada canal tiene una sección transversal Velocidad fluida . La velocidad determina el régimen de flujo (número de Reynolds) y por lo tanto la transferencia de calor y la caída de presión. Los microcanales PCHE son típicamente del orden de 0,4 - 4 mm de diámetro hidráulico, por lo que los flujos pueden variar de laminar a turbulento dependiendo de la velocidad y el fluido.
• Geometría y configuración de canales: La forma del canal, el ancho (y la longitud). Los fabricantes de PCHE a menudo proporcionan catálogos de patrones de canales (rectos, en zigzag, ondulados, 3D, etc.) Placa y perfiles de corrugado. Los canales más estrechos aumentan el área de superficie (aumentando la transferencia de calor), pero también aumentan la caída de presión. La geometría seleccionada debe satisfacer los límites de caída de presión al tiempo que ofrece la transferencia de calor requerida. Debido a que el grabado químico es muy flexible, los PCHEs pueden implementar patrones de serpentina o distribuidor complejos imposibles en placas de aleta simples. Los parámetros del producto pueden guiar las elecciones iniciales, por ejemplo, SHPHE enumera espacios típicos de canal de 0,4 a 4 mm y espesor de placa de 0,5 - 2 mm.
• Cálculo del coeficiente de transferencia de calor: Utilice correlaciones para estimar el coeficiente de transferencia de calor convectiva H a cada lado. Para muchos diseños de PCHE (canales semicirculares de unos pocos milímetros), Nu y correlaciones del factor de fricción están disponibles de la literatura o datos de CFD. Por ejemplo, un estudio da para los canales semicirculares de 2 mm:

• Área y contagem de canales: Una vez U Se estima, se resuelve para el área total de transferencia de calor necesaria. En un PCHE, el área proviene de la suma de todas las paredes del canal. Si cada canal tiene una Canales paralelos de ancho Longitud y Y hay hay Las placas, entonces el área total es aproximadamente (donde asimetría, si es que existe). A partir de esto, se puede resolver para lo requerido y Dadas las dimensiones prácticas de la placa. Por ejemplo, si se necesita un área efectiva de 0,5 m2 y cada canal contribuye con 0,01 m2, entonces se deben apilar aproximadamente 50 placas de canal.
• Estimación de caída de presión: Calcular la caída de presión en cada lado. Para un canal dado, la ley de Darcy da . Aquí es la velocidad media en el canal y factor de fricción de la correlación anterior. Debido a que los canales son pequeños, la caída de presión puede ser significativa - los ingenieros deben garantizar que permanecer dentro del límite permitido. Si la caída es demasiado alta, se puede aumentar el tamaño del canal, reducir la longitud del canal (agregando más canales / placas paralelas) o elegir una geometría diferente de la trayectoria de flujo.
• Restricciones mecánicas y materiales: Seleccione el material y el grosor de la placa basándose en los requisitos de presión y corrosión. A.PCHE industrialEl espesor de la placa debe soportar la presión de diseño completa; por ejemplo, SHPHE especifica un espesor de placa de 0,5 - 2 mm para presiones de hasta 1000 bar. Los materiales como SS316L, Inconel 625, titanio o Hastelloy son comunes para resistir altas temperaturas o fluidos corrosivos. Las presiones muy altas pueden requerir placas más gruesas o aleaciones de alta resistencia, lo que reduce el tamaño o el área del canal, por lo que esta compensación debe ser repetida.
• Iteración y optimización: Debido a que los factores anteriores son interdependientes, el dimensionamiento suele ser iterativo. Normalmente se ajusta la brecha de canal o el recuento y se recalcula. U y hasta que se cumplan las obligaciones térmicas y hidráulicas. Las herramientas computacionales o el software de los fabricantes a menudo ayudan a esto. En casos críticos (ciclos de CO2, por ejemplo), se puede utilizar una simulación detallada para finalizar la geometría.

1. Definir requisitos: Reúna las temperaturas de entrada / salida caliente / fría, caudales masivos, caídas de presión permitidas y servicio requerido .

2. Seleccione preliminarmente las dimensiones del canal: Elija un ancho de canal (por ejemplo, 1 - 3 mm) y forma de corrugado de placa.

3. Velocidad y número de Reynolds: , .

4. Coeficientes de transferencia de calor: Correlaciones de Nusselt (Nu vs. Re) y para cada lado.

5. Computación en general : Combinación , y conducción de pared.

6. Cálculo del área requerida: .

7. Determinación del número de canales / longitud: Utilice la fórmula del área para encontrar y que coincide con el tamaño del plato.

8. Comprobar las caídas de presión: Computación para cada lado.

9. Ajuste de geometría: Si es demasiado alto o U demasiado bajo, modifique el ancho del canal, el recuento de placas o la trayectoria de flujo (agrega curvas, cambia el patrón) y repita.

10. Valida mecánicamente: Asegúrese de que el espesor de la pared y el material cumplan con los códigos ASME / PED para la presión y la temperatura de diseño.

A lo largo de este proceso, es crucial respetar las limitaciones de fabricación. Por ejemplo, el grabado químico puede crear canales muy intrincados (serpentinas, circuitos de paso múltiple), pero las paredes excesivamente delgadas (< 0,2 mm) no son prácticas para grabar y unir. Las pautas de SHPHE sugieren espesores de placa en el rango de 0,5 - 2 mm para la mayoría de los PCHE.

Comparación con intercambiadores Shell-and - Tube y otros tipos

En una nota final