Tamanho de trocadores de calor de circuitos impressos: um guia abrangente

Aplicações de trocador de calor de circuito impresso

• Petróleo e gásEm usinas de gás natural liquefeito e unidades de regasificação, os PCHEs servem em ciclos de metano pré - arrefecido, recuperação de gás de flash final, manuseio de gás de ebulição e tarefas de vaporizador. O desempenho criogênico (até -196 °C) e a capacidade de alta pressão tornam os PCHEs ideais para aquecedores de gás combustível e recuperação de calor em regasificadores flutuantes.

• Combustível de hidrogênio e processamentoAs estações de abastecimento rápido de hidrogênio dependem de um rápido pré - resfriamento de H2 de alta pressão para maximizar as taxas de enchimento. Os PCHEs (especialmente com canais especializados gravados em 3D) são usados para pré - resfriar o hidrogênio de 700 bar para condições de armazenamento, reduzindo a potência da bomba e os tempos de espera. De forma mais ampla, a liquefação e o processamento de hidrogênio podem alavancar a resiliência de alta pressão dos PCHEs.
• Químico e plantas petroquímicasOs PCHEs são testados no tempo no processamento de hidrocarbonetos de alta pressão, refino e tarefas petroquímicas. Eles lidam com tarefas como controle do ponto de orvalho do gás, resfriamento entre estágios do reator, resfriamento de gás ácido e condensação em processos que exigem uma limpeza rigorosa. Seu pequeno inventário de fluidos e alta eficácia térmica os adequam para serviços limpos e críticos. (Os PCHEs de liga de níquel, por exemplo, são amplamente adotados no processamento químico para resistir a fluidos agressivos e altas temperaturas.)
• Geração de energiaEm ciclos de energia avançados, os PCHEs são usados em recuperadores e geradores. Para ciclos de CO2 supercríticos, onde todos os fluxos estão a 200 - 300 bar ou mais, os PCHEs podem suportar deslizamentos de temperatura de ~ 600 ° C e diferenças de pressão maciças. Eles também são usados na energia nuclear (substituição do gerador de vapor) e no aquecimento de gás combustível de turbina a gás. Sua classificação de pressão ultra-alta (até ~ 1250 bar em alguns projetos) os torna atraentes para novos ciclos.

• Energia RenovávelE armazenamentoOs PCHEs estão ganhando atenção para energia solar concentrada, armazenamento térmico de longa duração (sais fundidos, etc.), sistemas de captura de carbono, onde a alta eficiência do ciclo e a troca de calor compacta são críticas.

Considerações-chave no dimensionamento do PCHE

• Requisitos de transferência de calor (Heat Transfer Requirements): Primeiro, calcule o trabalho de calor necessário Q dados do processo (caixas de massa, calor específico e mudança de temperatura dos fluidos quentes e frios). Determine também a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD) ou as temperaturas de saída necessárias. A função térmica e a LMTD definem a área total de transferência de calor necessária através da relação
  
  Onde U é o coeficiente total de transferência de calor.
• Fluxo de fluido e velocidade: Dadas as taxas de fluxo de massa de cada fluido (lado quente e frio), escolha as dimensões iniciais do canal para calcular a velocidade. Por exemplo, se cada canal tem uma área de seção transversal Velocidade fluida . A velocidade determina o fluxo (número de Reynolds) e, assim, a transferência de calor e a queda de pressão. Os microcanais PCHE são tipicamente da ordem de 0,4 - 4 mm de diâmetro hidráulico, de modo que os fluxos podem variar de laminar a turbulento, dependendo da taxa e do fluido.
• Geometria e Configuração do Canal: A forma do canal, a largura (e comprimento. Os fabricantes de PCHE geralmente fornecem catálogos de padrões de canais (retos, zigzag, ondulados, 3D, etc.) perfis de placa e corrugada. Os canais mais estreitos aumentam a área de superfície (aumentando a transferência de calor), mas também aumentam a queda de pressão. A geometria selecionada deve satisfazer os limites de queda de pressão, ao mesmo tempo em que fornece a transferência de calor necessária. Como a gravação química é muito flexível, os PCHEs podem implementar padrões complexos de serpentina ou distribuidor impossíveis em placas de aleta simples. Os parâmetros do produto podem orientar as escolhas iniciais - por exemplo, a SHPHE lista as lacunas típicas do canal de 0,4 a 4 mm e a espessura da placa de 0,5 - 2 mm.
• Cálculo do coeficiente de transferência de calor: Use correlações para estimar o coeficiente de transferência de calor convectiva h em cada lado. Para muitos projetos PCHE (canais semicirculares de alguns milímetros), Nu e correlações do fator de atrito estão disponíveis a partir de dados da literatura ou CFD. Por exemplo, um estudo dá para canais semicirculares de 2 mm:

• Área e contagem de canais: uma vez U estimado, resolvido área total de transferência de calor necessária. Em um PCHE, a área vem da soma de todas as paredes do canal. Se cada canal tiver canais paralelos de largura Comprimento e e há as placas, então a área total é aproximadamente onde (onde assimétrica, se houver). A partir disso, pode-se resolver o necessário E então Dadas as dimensões práticas da placa. Por exemplo, se uma área efetiva de 0,5 m2 é necessária e cada canal contribui com 0,01 m2, então cerca de 50 placas de canal devem ser empilhadas.
• Estimação de queda de pressão: Calcule a queda de pressão de cada lado. Para um determinado canal, a lei de Darcy dá . aqui é a velocidade média no canal e o fator de fricção da correlação acima. Como os canais são pequenos, a queda de pressão pode ser significativa - os engenheiros devem garantir permanece dentro do limite permitido. Se a queda for muito alta, pode-se aumentar o tamanho do canal, reduzir o comprimento do canal (adicionando mais canais / placas paralelas), ou escolher uma geometria diferente do caminho de fluxo.
• Constrangimentos materiais e mecânicos: Selecione o material da placa e espessura com base nos requisitos de pressão e corrosão. A.PCHE IndustrialA espessura da placa da SHPHE deve suportar a pressão total de projeto; por exemplo, a SHPHE especifica uma espessura de placa de 0,5 - 2 mm para pressões de até 1000 bar. Materiais como SS316L, Inconel 625, titânio ou Hastelloy são comuns para resistir a alta temperatura ou fluidos corrosivos. As pressões muito altas podem exigir placas mais grossas ou ligas de alta resistência, que reduzem o tamanho ou a área do canal, por isso esse trade-off deve ser iterado.
• Iteração e otimização: Como os fatores acima são interdependentes, o dimensionamento geralmente é iterativo. Um normalmente ajusta a diferença de canal ou contagem e recalcula U E então até que sejam satisfeitas as restrições térmicas e hidráulicas. Ferramentas computacionais ou software do fabricante muitas vezes ajudam a fazer isso. Em casos críticos (ciclos de CO2, por exemplo), uma simulação detalhada pode ser usada para finalizar a geometria.

1. Defina requisitos: Reúna as temperaturas de entrada / saída quente / frio, taxas de fluxo de massa, quedas de pressão admissíveis e serviço exigido .

2. Selecione preliminarmente as dimensões do canal: Escolha uma largura de canal (por exemplo, 1 - 3 mm) e forma de placa corrugada.

3. Velocidade e número de Reynolds: , .

4. Coeficientes de transferência de calor: Correlações de Nusselt (Nu vs. Re) E então para cada lado.

5. Computação geral : Combine , e condução da parede.

6. Cálculo da área necessária: .

7. Determine a contagem / comprimento do canal: Use a fórmula da área para encontrar E então Isso corresponde ao tamanho da placa.

8. Verifique as quedas de pressão: computação para cada lado.

9. Ajuste de geometria: se É muito alto ou U muito baixo, modifique a largura do canal, a contagem de placas ou o caminho de fluxo (adicione curvas, mude o padrão) e repita.

10. Validação mecânica: Certifique-se de que a espessura da parede e o material atendam aos códigos ASME / PED para a pressão e temperatura de projeto.

Ao longo deste processo, é crucial respeitar as restrições de fabricação. Por exemplo, a gravação química pode criar canais muito intrincados (serpentinas, circuitos de passagem múltipla), mas paredes excessivamente finas (< 0,2 mm) são impraticáveis para gravar e unir. As diretrizes da SHPHE sugerem espessuras de placas na faixa de 0,5 - 2 mm para a maioria dos PCHEs.

Comparação com trocadores de casca e tubo e outros tipos

Sobre uma nota final