Por que o trocador de calor é mais eficiente?

Trocadores de calor de placa Os sistemas de transferência de calor (PHEs) são frequentemente a escolha mais eficiente para transferência de calor em aplicações industriais modernas. Ao empilhar muitas placas finas de metal corrugado, os PHEs alcançam uma enorme superfície de transferência de calor por unidade de volume - muitas vezes 100 m2 / m3, em comparação com apenas 20 - 50 m2 / m3 para uma unidade típica de concha e tubo. As ondulações em cada placa induzem turbulência mesmo em taxas de fluxo moderadas, produzindo coeficientes de transferência de calor na ordem de 3.000 a 7.000 W / m2 · K para o serviço líquido-líquido.

As placas finas são presas entre as barras de transporte para formar canais alternados quentes / frios.

Os trocadores de calor de placa e estrutura espremem o fluido entre placas corrugadas para multiplicar a área de contato. Em comparação com um pacote volumoso de concha e tubo com uma única concha grande, o design da placa se encaixa na mesma tarefa em uma fração do espaço. Muitos fabricantes relatam uma pegada 70 - 90% menor para PHEs em comparação com unidades de concha e tubo equivalentes, graças à densidade de área muito maior. Esta compacidade também geralmente se traduz em custos iniciais mais baixos: os guias da indústria observam que os trocadores de placas normalmente exigem menos material e custam menos do que os pacotes de tubos comparáveis.

Comparação de Plate vs. Shell-and - Tube Exchanger

Os trocadores de calor vêm em muitas formas, mas os tipos industriais mais comuns são shell-and - tube, plate-and - frame, e vários projetos de tubos com aletas (ou aletas de placa).

Em resumo, os trocadores de calor de placa são até cinco vezes mais eficientes do que os trocadores de casca e tubo, tornando-os ideais para recuperação de energia, HVAC, alimentos / farmacêuticos, químicos e muitas outras indústrias onde os fluidos são relativamente limpos e o espaço ou o custo é uma preocupação.

Um estudo de caso comum em auditorias de energia industrial mostra que a mudança de trocadores de casca e tubo para trocadores de placa pode reduzir o consumo de energia térmica em 15 - 30% em alguns processos.

Eficiência térmica excepcional

A excelente eficiência térmica doTrocadores de calor de placa compactade sua geometria e fluxo.

Fatores-chave incluem:

Densidade da área de superfície extrema:

Placas empilhadas criam muito mais área para a troca de calor do que tubos cilíndricos. A densidade da área de superfície da PHE pode chegar a 100 - 200 m2 por m3 de volume, contra apenas 20 - 50 m2 / m3 para sistemas de casca e tubo. Cada 10 ° C de diferença de temperatura em um trocador de calor produz mais transferência de calor quando mais área está disponível, de modo que esse aumento de área aumenta diretamente o desempenho.

Placas finas, caminhos de condução curtos:

As placas são tipicamente de 0,4 a 1,0 mm de espessura. Os metais (aço inoxidável, titânio, ligas de níquel) conduzem o calor rapidamente, e a finalidade significa que a distância de condução é pequena. Isso resulta em altos coeficientes de transferência de calor. Em termos práticos, os trocadores de placas geralmente vêem valores de U em milhares de W / m2 · K, em comparação com algumas centenas para um fluido equivalente do lado da concha ou bobina com aletas.

Canais de fluxo turbulento:

Cada placa tem ondulações chevron ou arenque gravadas ou estampadas.À medida que o fluido flui através de uma lacuna fina e ondulada, o padrão força a turbulência mesmo em taxas de fluxo modestas. Isso perturba as camadas limite e mantém a transferência de calor convectiva muito alta. Os padrões ondulados podem mais do que dobrar o coeficiente de transferência de calor em comparação com canais suaves.

Caminhos de fluxo eficientes:

A maioria dos PHEs usam canais alternados quentes / frios e muitas vezes configuram os fluidos em arranjos de contrafluxo (ou contrafluxo multipassage). Controfluxo significa que as correntes quentes e frias se movem em direções opostas, permitindo a diferença máxima de temperatura ao longo do trocador e permitindo temperaturas mínimas de "pinch" (aproximação). Em contrafluxo ideal, a saída fria pode teóricamente aproximar-se da temperatura de entrada quente, maximizando a força motriz. Alguns projetos até alcançam uma temperatura cruzada (saída quente mais fria do que a saída fria) em configurações de contrafluxo extremo - algo praticamente impossível em unidades de tubo de casca de passagem única.

Um benchmark de engenharia observa que um pacote de múltiplos tubos é ~ 12 vezes mais eficiente do que um grande tubo do mesmo volume; PHEs multiplicam esse efeito ainda mais.

Dinâmica do fluxo e queda de pressão

EnquantoPillow Plate (em inglês)Eles também aumentam a queda de pressão porque os fluidos negociam caminhos apertados e tortuosos. Os designers equilibram a eficiência com o custo hidráulico:

Geometria de placa otimizada:

Os fabricantes de trocadores de calor ajustam o ângulo de ondulação, a profundidade e o espaçamento das placas para ajustar o desempenho. Canais mais estreitos e ondulações mais íngremes aumentam a turbulência (e transferência de calor), mas também aumentam a queda de pressão. Muitos projetos modernos de PHE otimizam a geometria da placa para atingir um ponto ideal de transferência de calor muito alta com potência de bombeamento aceitável.

Multipass e contrafluxo:

Para manter alta eficiência em espaço limitado, os PHEs geralmente usam fluxo de passagem múltipla. Os fluidos zig-zag através de várias placas antes de sair, simulando efetivamente longos caminhos de fluxo em um pequeno pacote. Os layouts de contra-fluxo ou contra-fluxo cruzado aumentam ainda mais os gradientes de temperatura.

Gerenciamento de Pressão Drop:

Os fabricantes controlam ativamente a queda de pressão.Desenho de placa Wide-gapbicos e grandes reduzem a perda de pressão em fluxos viscosos ou de partículas. Mesmo em PHEs compactos, a queda de pressão é muitas vezes comparável a uma unidade semelhante de concha e tubo, mas o calor transferido é muito maior, de modo que a eficiência energética geral (calor por watt de bombeamento) ainda pode favorecer as placas.

A combinação de alto coeficiente de transferência de calor e queda de pressão razoável significa que os PHEs geralmente permitem projetos de sistemas menores e mais eficientes em termos de energia.

Compactação e economia de espaço

Uma das vantagens mais marcantes dos trocadores de calor de placa é sua compacidade. Graças à sua alta densidade de área, os PHEs fornecem o mesmo trabalho térmico em volume e peso muito menores do que as unidades de concha e tubo. Pontos de dados típicos:

Redução da Footprint:

Fontes da indústria citam uma pegada 70 - 90% menor para unidades de placa em comparação com tubos. Isso é importante em plantas onde o espaço de rack e as corridas de tubulação estão em um prêmio.

Menor uso de material:

Um trocador compacto utiliza menos aço e menos componentes. Isso geralmente reduz custos. Menos volume também significa tanques de fluido menores para aquecer ou resfriar, melhorando o controle do sistema.

No projeto do trocador de calor industrial, essa vantagem de tamanho não pode ser exagerada. Em uma planta de processamento químico ou central elétrica, dezenas de trocadores podem compartilhar o espaço de rack de tubos. O uso de placas pode dobrar ou triplicar o número de trocadores na mesma área. Muitos skids modernos e sistemas OEM agora especificam trocadores de placas principalmente por suas qualidades de economia de espaço.

Desenhos de trocadores de calor de placas especializados pela SHPHE

As principais vantagens dos trocadores de calor de placas são ainda mais reforçadas pela evolução de vários projetos especializados adaptados para condições industriais desafiadoras.

Trocadores de calor de placas(Gphe)

Estes são a forma mais comum de trocadores de calor de placa, com placas corrugadas seladas por juntas elastoméricas. Eles são ideais para fluidos que devem ser mantidos separados e para sistemas que exigem desmontagem ou limpeza frequente.

Aplicações: HVAC, aquecimento / resfriamento distrital, alimentos e bebidas, produtos farmacêuticos e processos químicos limpos.

Forças: Manutenção fácil, pacotes de placas reconfiguráveis, substituição rápida de junta.

O design da junta permite uma fácil inspeção e limpeza, tornando-a uma solução preferida para aplicações que exigem padrões de higiene ou operação flexível.

Trocadores de calor de placa soldagada

Para lidar com pressões mais altas e meios agressivos, os trocadores de calor de placas soldadas usam costuras soldadas a laser ou TIG em vez de juntas. Existem vários subtipos:

-Bloco tipo trocador soldadoS

Estes apresentam placas soldadas em um bloco com passagens de fluxo internas e quadros externos. Eles suportam pressões e temperaturas mais altas em comparação com os tipos de vedação, e são frequentemente implantados em processamento de gás, refinaria e indústrias químicas.

Vantagens: operação sem junta, compactação, alta integridade sob estresse.

Limpeza: Alguns modelos têm tampas ou canais abertos para limpeza química.

-Trocador de Placas Wide-GapS

Projetados para lidar com fluidos fibrosos ou carregados de partículas, estes trocadores têm maior espaçamento entre placas e canais de fluxo especialmente moldados. Eles são bem adequados para celulose, águas residuais ou fluidos semelhantes a lama que entupiriam placas padrão.

Casos de uso: Refinamento de açúcar, papelarias, tratamento de efluentes industriais.

Característica-chave: a geometria do fluxo impede o bloqueio e possibilita um maior rendimento.

Trocadores de calor de circuito impresso (PCHÃO)

Entre os tipos mais avançados, os trocadores de calor de circuito impresso são fabricados por gravação química de canais de fluxo em placas de metal e, em seguida, ligação por difusão. Estes podem operar em pressões muito altas (até 600 bar) e temperaturas muito altas (até 800 ° C).

Aplicações: Produção de hidrogênio, GNL, ciclos supercríticos de CO2 e reatores nucleares compactos.

Vantagens: Resistência excepcional, densidade de área muito alta e design compacto.

Os PCHEs representam a vanguarda da tecnologia de trocador de calor compacto, trazendo eficiência térmica de placa para aplicações de trabalho extremo.

Resumo: por que o trocador de calor de placa é mais eficiente?

Os trocadores de calor de placas se destacam como uma das soluções térmicas mais eficientes e versáteis em várias indústrias. Seu desempenho superior de transferência de calor, design compacto e baixos custos operacionais os posicionam como a escolha ideal onde quer que a eficiência e a economia de espaço sejam importantes.

De energia distrital e HVAC a refino de petróleo e processos avançados de hidrogênio, PHEs continuam a deslocar alternativas mais voluminosas e menos eficientes. Com inovações como placas de grande abertura, blocos soldados e projetos de circuitos impressos, a gama de aplicações para trocadores de placas continua a crescer.

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