Principio de funcionamiento de los intercambiadores de calor de circuito impreso (PCHE)

Intercambiador de calor de circuito impreso Los intercambiadores de calor (PCHE) son intercambiadores de calor de placas ultracompactos, unidos por difusión diseñados para condiciones extremas. A diferencia de las unidades convencionales de cáscara y tubo, un PCHE se construye grabando químicamente intrincados patrones de microcanales en placas metálicas delgadas y luego apilándolos y uniéndolas por difusión en un bloque sólido y monolítico.

Principio de funcionamiento de los intercambiadores de calor de circuitos impresos (El PCH):

PCHE transfiere energía térmica de una corriente caliente a una corriente fría a través de placas metálicas soldadas por difusión. Cada placa tiene canales grabados en ambas caras, y los fluidos pasan a través de estos canales en lados opuestos de la placa. A medida que el fluido caliente fluye a través de sus canales, el calor se conduce a través de la pared de la placa a los canales adyacentes del fluido frío, elevando (o bajando) las temperaturas del fluido. Los ingenieros suelen organizar las rutas de flujo de modo que un fluido fluya contracorriente al otro, maximizando el gradiente de temperatura a lo largo del flujo y aumentando la eficiencia. Crucialmente, los canales grabados a menudo incluyen pequeñas ondulaciones o curvas que inducen turbulencia incluso a caudales moderados, lo que aumenta drásticamente los coeficientes de transferencia de calor convectiva (a menudo 3,000 - 7,000 W / m2 · K).

Por ejemplo, un patrón típico de canales PCHE fuerza fluidos calientes (rojos) y fríos (azul) a través de vías de microcanales envueltas en cada placa. Esta geometría compleja, grabada químicamente, mezcla el flujo y mantiene una alta diferencia de temperatura en todo el intercambiador.

Debido a que los canales de la placa se pueden diseñar a medida (patrones 2D o 3D) para cada aplicación, los ingenieros pueden optimizar la longitud térmica y la caída de presión para las necesidades del proceso. En efecto, el principio de trabajo de un PCHE es maximizar el contacto superficial entre los fluidos a través de pequeños canales grabados y luego dejar que la conducción sólida a través de la placa fina termine el trabajo.

Construcción y Diseño de PCHE

Intercambiadores de calor PCHESe construyen a partir de placas metálicas delgadas (generalmente acero inoxidable o aleaciones de alto níquel) para resistir condiciones duras. Cada placa se somete a un preciso grabado fotoquímico para crear sus microcanales. Una vez grabadas, las placas se apilan en una configuración caliente / fría alternativa y se colocan en un horno de unión por difusión de alta presión y alta temperatura. Bajo estas condiciones (típicamente 70 - 95% del punto de fusión del metal), las superficies metálicas se soldan juntas a un nivel atómico, creando un bloque sólido sin soldadura. La figura a continuación muestra un esquema de la estructura interna del PCHE después del montaje:

El paquete de placas (bloque punteado en el interior) forma el núcleo del PCHE, intercalado entre una carcasa del lado caliente y una carcasa del lado frío. Los colectores de entrada y salida se soldan a este bloque para alimentar los fluidos en sus respectivos circuitos de canal. Debido a que todo el núcleo está unido por difusión, no hay juntas o juntas de soldadura en los pasajes activos. Esta construcción totalmente soldada explica la extraordinaria tolerancia a la presión del PCHE. Los núcleos de PCHE enlazados por difusión sobreviven rutinariamente a presiones superiores a 1.000 bares y amplios cambios de temperatura.

Mediante la adaptación del patrón de grabado en cada placa, los fabricantes pueden crear arreglos de flujo asimétrico, ciclos de múltiples pases o incluso secciones de flujo de dos fases. Por ejemplo, una placa podría encaminar el gas caliente a través de un camino en zigzag mientras que la placa de acoplamiento permite que un líquido fluya directamente a través, dependiendo de las necesidades del proceso. Esta flexibilidad permite a los diseñadores ajustar el intercambio de calor contra la caída de presión.

Desempeño Highlights

Los PCHEs ofrecen varias ventajas clave debido a su diseño.

· Eficiencia térmica excepcional:

La densa red de microcanales permite que los PCHEs alcancen una efectividad del 95 - 98%. Casi todo el calor se transfiere entre los fluidos, superando con creces las típicas unidades de cáscara y tubo. Esta alta eficiencia significa un enfoque de temperatura muy pequeño, reduciendo las pérdidas de energía.

Tamaño ultracompacto:

Al grabar muchos canales minúsculos en cada placa, los PCHEs empaquetan una enorme superficie de transferencia de calor en un pequeño volumen. De hecho, los PCHEs pueden ocupar un 80 - 90% menos de espacio que un intercambiador de cáscara y tubo comparable. Este "núcleo sólido lleno de área de transferencia de calor " los hace ideales donde el espacio y el peso son una prima.

· Capacidad de presión / temperatura extrema:

El núcleo unido por difusión no tiene juntas de flujo o juntas, por lo que puede soportar condiciones brutales. Los PCHEs manejan rutinariamente fluidos criogénicos (hasta -196 °C) y flujos supercríticos (hasta 850 °C). Las presiones superiores a 1.000 bar son alcanzables, lo que permite que los PCHEs sirvan en sistemas de combustible de hidrógeno, reactores avanzados y compresores de alta presión.

· Durabilidad mecánica:

La eliminación de juntas y juntas de soldadura significa esencialmente que no hay vías de fuga en el núcleo. Este diseño totalmente soldado resiste la fatiga por vibración y ciclo térmico. El enlace por difusión preserva la resistencia total del metal y la resistencia a la corrosión, por lo que los PCHEs manejan fluidos agresivos (ácidos, amoníaco, etc.) de manera fiable. donde fallaron otros intercambiadores.

· Flexibilidad de diseño:

El grabado avanzado significa que los canales pueden seguir patrones complexos. Los PCHEs se pueden construir con contraflujo, flujo cruzado o pases múltiples para equilibrar la transferencia de calor y la caída de presión. Perfiles de corrugado a medida aumentan aún más la mezcla. Cada intercambiador de calor de circuito impreso está diseñado a medida para su función, lo que proporciona un rendimiento superior para cada par de fluidos.

Para ilustrar la escala de un PCHE, considere nuestras especificaciones de productos deTransferencia de calor Shanghai. Ofrecemos núcleos PCHE con:

Estos valores reflejan la extraordinaria capacidad térmica y la robustez de un PCHE.

Aplicaciones de nuestro intercambiador de calor de circuitos impresos

El principio de trabajo de PCHE lo hace adecuado para las tareas de transferencia de calor más exigentes. Las aplicaciones típicas incluyen:

· Procesamiento de gas natural licuado (GNL): Los PCHEs manejan temperaturas criogénicas y altas presiones durante la licuefacción y regasificación de GNL. Se utilizan para la vaporización de gas combustible en FSRUs y la recuperación de gas de ebullición en portadores.

· Nuclear ygeneración de energía: En reactores avanzados y ciclos de CO2 supercríticos, los PCHEs sirven como generadores de vapor compactos o recuperadores de calor residual. Su capacidad de soportar 850 ° C y 1000 bar los hace ideales para refrigerante de reactor o recuperación de calor de alta temperatura.

· Químicoy Petroquímicos: El espacio es apretado en las plantas de refinación y químicas. Los PCHEs intercambian calor de manera eficiente en reactores de alta presión (por ejemplo, hidrogenación) y control del punto de rocío, mientras que las aleaciones resistentes a la corrosión les permiten entrar en contacto con productos químicos duros.

· Combustible de hidrógeno y captura de carbono: Los PCHEs preenfrian el hidrógeno antes de abastecerse (crítico para las estaciones de recarga rápida) y recuperan calor en los sistemas de CCS. Su precisión y eficiencia ayudan a mejorar el rendimiento del sistema al tiempo que ahorran energía.

En general, el principio de trabajo - microcanales grabados, enlace de difusión y flujo de contracorriente - le da a los PCHE una combinación única de eficiencia, compacidad y resistencia. Estas cualidades les permiten mejorar la recuperación de calor y reducir el consumo de energía. Los últimos estudios de SHPHE muestran que los PCHE pueden reducir la potencia de bombeo en ~ 30% en comparación con los diseños tradicionales, gracias a su alta efectividad.

Shanghai Equipos de Transferencia de Calor Co., Ltd. se especializa en el diseño, fabricación, instalación y servicio de intercambiadores de calor de placas y sistemas completos de transferencia de calor.

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