Eficiência de um trocador de calor em circuito impresso

Os trocadores de calor de circuito impresso são ultra-compactos,Trocadores de calor de placa de difusão projetados para condições extremas. Eles usam placas de microcanais gravadas empilhadas em um bloco monolítico, permitindo coeficientes de transferência de calor muito altos e operação quase contra-fluxo. Estas características de projeto apresentam uma eficácia térmica excepcional de 95 - 98% em condições ideais. Isto significa que aAlta pressão PHE Pode transferir quase todo o calor disponível entre os fluxos quentes e frios, deixando apenas uma diferença de temperatura muito pequena.

Esquema de um trocador de calor em circuito impresso (PCHE). Placas finas de metal com microcanais gravados (o "pacote de placas") são ligadas por difusão em um bloco sólido entre as conchas do lado quente e frio.

A alta eficiência dos PCHEs decorre da sua relação superfície-área - volume extremamente grande e dos caminhos de fluxo projetados. Cada placa contém microcanais complexos e sinuosos (muitas vezes de apenas centenas de micrômetros de largura) que forçam os fluidos a percorrer caminhos longos e turbulentos. Esta turbulência aumenta o coeficiente de transferência de calor convectiva (muitas vezes 3000 - 7000 W / m2 · K) muito além do que é possível em unidades típicas de casca e tubo. Enquanto isso, organizar os fluxos em uma configuração de contracorrente maximiza a diferença de temperatura ao longo do trocador e aumenta ainda mais a eficiência. Como as placas são ligadas por difusão em um bloco, não há vazamentos de junta ou juntas brasadas para adicionar resistência térmica - toda a pilha de placas atua como um condutor de metal contínuo. Como resultado, quase toda a energia térmica do fluido quente pode ser transferido para o fluido frio.

Em comparação, os trocadores convencionais de casca e tubo ou mesmo gabaritos não podem igualar este desempenho. Os trocadores de calor típicos de placa e estrutura já alcançam abordagens de temperatura muito mais próximas do que as fases de concha e tubo, muitas vezes dentro de alguns graus, devido às suas placas corrugadas. Os trocadores de placas com vedação podem ser até cinco vezes mais eficientes do que os projetos de concha e tubo, com temperaturas de aproximação tão próximas quanto 1 ° F. Os PCHEs empurram isso ainda mais: a sua geometria de canal fino produz rotineiramente aproximações de temperatura abaixo de 5 ° C (eficácia na ordem de 98%). Para aplicações que exigem a mais alta eficiência possível, os PCHEs estabelecem a referência.

Como os PCHEs alcançam alta eficiência

Vários fatores-chave de projeto permitem que os PCHEs alcancem uma eficácia tão alta:

· Rede densa de microcanal:

Cada placa de ligação por difusão contém um labirinto de canais gravados em ambos os lados. Esses microcanais aumentam drasticamente a área de transferência de calor por unidade de volume (muitas vezes centenas de metros quadrados por metro cúbico). Mais área de superfície significa mais espaço para que o calor flua entre os fluidos.

· Alta turbulência:

Os padrões do canal são geralmente ondulados ou ondulados, induzindo intencionalmente turbulência mesmo em taxas de fluxo moderadas. A turbulência afina as camadas limite térmicas, elevando o coeficiente de transferência de calor convectiva. Em termos práticos, isso significa que o fluido não tem que aquecer a parede lentamente - o calor é trocado muito rapidamente e eficientemente.

Configuração True Counterflow:

Os engenheiros personalizam a geometria do canal para que as correntes quentes e frias sejam principalmente contracorrentes. O contrafluxo maximiza a diferença de temperatura de condução ao longo do trocador, que é a base fundamental para uma alta eficácia térmica.

· Núcleo de metal:

Como as placas são ligadas por difusão, o núcleo do PCHE é um único bloco de metal sólido sem vedações internas ou juntas. Isso elimina a resistência de contato térmico nas articulações e evita qualquer vazamento que bypassaria a transferência de calor. Ele também permite que o núcleo resista a pressões extremamente altas (muitas vezes 600 - 1000 bar) e temperaturas (muitas vezes > 800 ° C).

· Baixo inventário de fluidos:

Os pequenos volumes do canal significam que cada lado do fluido contém apenas uma pequena quantidade de fluido. O baixo estoque reduz o atraso térmico e permite uma resposta mais rápida e uma maior eficácia.

Graças a essas características, os PCHEs normalmente atingem a eficácia térmica no percentil de meados dos anos 90 até os 90s superiores. Em termos práticos, se um PCHE for especificado para resfriar um fluido de 200 ° C a 50 ° C, o fluxo frio pode sair a quase 195 - 198 ° C, o que significa que quase todo o calor foi recuperado. Este desempenho supera em muito as unidades típicas de concha e tubo, e muitas vezes supera ligeiramente até mesmo os melhores trocadores de placas convencionais. A diferença é mais importante quando são necessárias abordagens de temperatura muito pequenas - por exemplo, pré - resfriamento de GNL ou recuperação de calor do reator - onde cada grau de diferença de temperatura é valioso.

Comparação com outros trocadores de calor

Em uma tabela de comparação de desempenho generalizada, todos os trocadores de placas de alto desempenho (juncados, soldados, circuitos impressos) são marcados como "Excelente" para eficiência térmica. No entanto, os PCHEs atingem a maior eficiência nominal devido aos seus microcanais otimizados. Se a recuperação máxima de calor e a temperatura mínima de aproximação forem o objetivo (especialmente sob condições de pressão / temperatura extrema), um PCHE geralmente superará outros projetos.

Para comparações mais detalhadas, consulte nosso relatório especial:

>https://www.china-heattransfer.com/welded-vs-gasketed-vs-printed-circuit-plate-heat-exchangers/

Aplicações da Indústria e FAQs

Por que escolher uma PCHE? Os PCHEs oferecem compacidade e robustez inigualáveis. Eles podem ser especificados para condições extremas - pressões até ~ 1000 bar e temperaturas até ~ 850 ° C - onde os trocadores convencionais não podem operar.

De fato, os PCHEs foram adotados pela primeira vez nos setores de energia nuclear e aeroespacial por essa razão. Por exemplo, em uma planta de GNL, um PCHE pode ser usado na seção criogênica para resfriar e condensar o gás natural com perda mínima de temperatura.

Os campos típicos incluem:

· Petróleo e Gás (Petroquímico, GNL):

Liquefeitores de GNL compactos e unidades de processamento de gás usam PCHEs para pré - resfriamento, vaporizadores e recuperação de calor residual. A alta eficiência reduz a carga de refrigeração. Da mesma forma, o tratamento de gás a jusante e os processos químicos se beneficiam de um controle de temperatura rigoroso.Trocadores de placaEm geral, já são amplamente aplicados na indústria de petróleo e gás devido à sua alta eficiência, tamanho compacto, resistência à corrosão e facilidade de manutenção, e os PCHEs representam o próximo passo quando é necessário um dever mais elevado.

· Geração de energia (nuclear, CO2 supercrítico)

Em reatores avançados e ciclos de CO2 supercríticos, os PCHEs servem como trocadores de calor primários ou recuperadores. Sua construção totalmente metálica à prova de vazamento é adequada para refrigerantes agressivos e sua eficiência melhora o desempenho geral do ciclo.

· Renováveis (hidrogênio, captura de carbono):

Como observado por fontes da indústria, os PCHEs são valiosos em estações de reabastecimento de hidrogênio (para pré - resfriamento do gás hidrogênio) e em plantas de captura de carbono (para resfriamento de CO2 denso ou fluxos de solvente). Sua capacidade de lidar com criogênicos e altas pressões é especialmente útil aqui.

· Metalurgia e produtos químicos:

As siderúrgicas e as fábricas químicas geralmente requerem recuperação de calor a alta temperatura (por exemplo, a partir de gases de escape). Embora menos comuns do que em energia / O & G, os PCHEs podem ser aplicados nesses setores para ciclos de recuperação de calor, devido à sua robustez.

· Aeroespacial e Defesa;

Aplicações aeroespaciais especializadas e criogênicas usam PCHEs para controle térmico em veículos espaciais e aeronaves de alta altitude, onde o peso e a confiabilidade são críticos.

Os engenheiros muitas vezes perguntam se os PCHEs valem o custo para a eficiência. Os PCHEs são, de fato, mais caros de fabricar (gravura de precisão e ligação por difusão). No entanto, seu retorno sobre o investimento geralmente vem do desempenho: reduzindo a área de transferência de calor necessária, economizando espaço de piso (eles podem ser 80 - 90% menores do que a casca e o tubo) e minimizando a potência de bombeamento.

No caso de um bloqueio, várias estratégias de limpeza podem ser necessárias, desde o jato de água de alta pressão até processos de limpeza química mais complexos e caros. Essas tarefas de manutenção podem ser particularmente desafiadoras em configurações bem confinadas ou pouco acessíveis, tornando-se essencial projetar sistemas com portas de limpeza e pontos de acesso de serviço apropriados. Como parte de um planejamento operacional sólido, as disposições para esses métodos de limpeza devem ser integradas em cada sistema de PCHE. Além disso, ocasionalmente surgiram problemas relacionados à corrosão galvânica entre o trocador de calor e os materiais de tubulação conectados, destacando a necessidade de kits de isolamento ou seções de bobina revestidas durante a instalação para garantir a compatibilidade dos materiais no local.

Sobre a SHPHE

Shanghai Equipamento de Transferência de Calor Co., Ltd. Ltd. é especializada no projeto, fabricação, instalação e serviço de trocadores de calor de placa e sistemas completos de transferência de calor.

Com tecnologia avançada de engenharia e fabricação, experiência abrangente em trocadores de calor e experiências de serviço ricas, a SHPHE dedica-se a fornecer trocadores de calor de placa de qualidade a vários clientes em todo o mundo em petróleo e gás, química, usina elétrica, bioenergia, metalurgia, marinha, HVAC, fabricação mecânica, papel e celulose, aço, etc.

A SHPHE continua empenhada em impulsionar o progresso da indústria através da inovação tecnológica contínua. Ao fazer parceria com empresas líderes em casa e no exterior, a SHPHE pretende se tornar um fornecedor de soluções de alta qualidade na indústria de troca de calor, tanto na China quanto internacionalmente.

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