stringtranslate.com

Пластинчатый теплообменник

Теплообменники с подушками-пластинами представляют собой класс полностью сварных конструкций теплообменников , которые демонстрируют волнистую, «подушкообразную» поверхность, образованную в процессе инфляции. По сравнению с более традиционным оборудованием, таким как кожухотрубчатые и пластинчато-рамные теплообменники , подушки-пластины являются довольно молодой технологией. Благодаря своей геометрической гибкости они используются так же, как и «пластинчатые» теплообменники, а также в качестве рубашек для охлаждения или нагрева сосудов. Оборудование с подушками-пластинами в настоящее время привлекает все большее внимание и внедряется в перерабатывающей промышленности.

Строительство

Пластины Pillow изготавливаются методом инфляции, при котором два тонких металлических листа свариваются друг с другом по всей поверхности лазерной или контактной сваркой . Боковые стороны пластин герметизируются сваркой швов, за исключением соединительных отверстий. Наконец, зазор между тонкими металлическими листами подвергается давлению гидравлической жидкости, вызывая пластическую формовку пластин, что в конечном итоге приводит к их характерной волнистой поверхности.

Отдельная рельефная пластина-подушка.

В принципе, существует два различных типа подушкообразных пластин: однорельефные и двухрельефные. Первые обычно образуют двойные стенки сосудов с рубашкой , в то время как последние собираются в стопку (банк) для изготовления пластинчатых теплообменников с подушкообразными пластинами. Однорельефные подушкообразные пластины образуются, когда нижняя пластина значительно толще верхней. Более тонкая верхняя пластина деформируется, в то время как нижняя пластина остается плоской.

Двойная рельефная пластина-подушка.

Кроме того, подушки пластины обычно оснащены шовными сварками «перегородок», которые обеспечивают целевое направление потока в каналах подушек пластин в случаях, когда распределение потока или скорость жидкости могут быть проблемой. Метод получения направления потока перегородками в каналах между соседними подушками пластин в теплообменниках с подушками пластинами был недавно предложен в. [1]

Благодаря своей конструкции подушки герметичны, обладают высокой структурной устойчивостью, а их производство в основном автоматизировано и отличается высокой гибкостью. Подушки могут работать при давлениях > 100 МПа [ требуется цитата ] и температурах до 800 °C.

Приложение

Применение подушкообразных пластин очень обширно из-за их благоприятных свойств, таких как высокая геометрическая гибкость и хорошая адаптивность практически к любому процессу. Их реализация зависит от их базовой конструкции, то есть группы подушкообразных пластин или резервуары с рубашкой подушкообразных пластин. Относительно плоская внешняя поверхность легко чистится и подходит для сильно загрязняющих или санитарных применений, но внутренняя поверхность имеет тонкие швы вокруг каждого точечного сварного шва и ее нелегко чистить, поэтому внутренняя поверхность подходит только для не загрязняющих жидкостей, таких как вода, пар или хладагенты.

Секция пластинчатого теплообменника.

Пластинчатые батареи (теплообменники)

Подушки пластинчатых батарей обычно используются в приложениях, включающих жидкость-жидкость, газ-жидкость, высоковязкие или грязные среды, требования к низким потерям давления, конденсацию (например, верхние конденсаторы), испарение падающей пленки (например, бумажная и целлюлозная промышленность), ребойлеры , охлаждение воды, сушку твердых веществ, генерацию чешуйчатого льда (пищевая промышленность) и многое другое. Они также обычно используются в качестве погружных охладителей (например, в гальваностегии ), где батареи погружаются непосредственно в резервуар. Батареи могут быть сконструированы так, чтобы позволить отдельным пластинам быть отделенными от стопки, что обеспечивает легкую очистку или обслуживание.

Резервуар с рубашкой из пластинчатой ​​подушки.

Резервуары с кожухом из пластинчатой ​​подушки

Наиболее широкое применение подушкообразных пластин на сегодняшний день — это сосуды с рубашкой из-за их гибкости, полного покрытия поверхности для теплопередачи, низкого удержания жидкости, выгодных производственных затрат и времени, а также легкой очистки, особенно в стерильных применениях. Резервуары могут быть оснащены несколькими рубашками по всей поверхности, включая также дно резервуара, например, коническое или чашеобразное , и могут включать дополнительные цилиндрические оболочки внутри резервуара. Типичные области применения резервуаров с рубашкой из подушкообразных пластин — пищевая промышленность и производство напитков, а также химическая и фармацевтическая промышленность. Эти рубашки также называются «ямчатыми рубашками».

Другой

Благодаря своей геометрической гибкости, подушки-пластины могут быть настроены/адаптированы практически к любой геометрии, чтобы обеспечить целевую теплопередачу там, где это необходимо. Некоторые примеры — охлаждение труб в термических процессах или даже аккумуляторные батареи и электродвигатели для электромобилей в автомобильной промышленности.

Ноу-хау и исследования в области подушечных пластин

В отличие от более традиционных теплообменников, знания термогидравлических характеристик подушек и опыт их проектирования ограничены. Для преодоления этого узкого места в настоящее время предпринимаются усилия по разработке коммерческих программных средств. Краткую сводку о состоянии дел в области подушек можно найти в [2] .

Исследования подушечных пластин можно разделить на три основные категории: геометрический анализ, анализ потока жидкости и теплопередачи в подушечных пластинах и анализ потока жидкости и теплопередачи в зазоре между соседними подушечными пластинами.

Геометрический анализ

Методы расчета площади поверхности, объема удерживаемой жидкости, площади поперечного сечения и гидравлического диаметра, необходимые для термогидравлических расчетов, были предложены в [3] . Упомянутые геометрические параметры были определены с помощью анализа конечных элементов (FEM), который имитирует процесс надувания во время изготовления подушек. Более того, теоретические давления разрыва подушек можно оценить с помощью FEM.

CFD-моделирование течения жидкости в канале пластины-подушки. Поток представлен линиями тока.

Течение жидкости и теплопередача в пластинах-подушках (внутренние каналы)

Сложная волнистая геометрия в каналах подушки способствует перемешиванию жидкости, что приводит к благоприятным скоростям теплопередачи , но также неблагоприятно для потери давления (образование областей рециркуляции в результате точек сварки). Информация о потоке жидкости и теплопередаче в подушках доступна в [4], а корреляции для расчета коэффициента трения Дарси и числа Нуссельта в подушках в широком диапазоне изменений геометрических параметров и условий процесса находятся в [5] .


Течение жидкости и теплопередача в зазоре между соседними пластинами-подушками (наружные каналы)

Подобно внутренним каналам пластин-подушек, каналы, образованные между соседними пластинами-подушками (внешние каналы), также волнистые и способствуют перемешиванию жидкости, что в свою очередь благоприятствует скорости теплопередачи . Однако потери давления во внешних каналах значительно ниже, чем во внутренних из-за отсутствия точек сварки, которые являются препятствиями для потока (обтекание точек сварки). Информация о течении жидкости и теплопередаче во внешних каналах пластинчатых теплообменников- подушек доступна в. [6]

Течение падающей пленки по поверхности пластин-подушек

Надежная конструкция конденсаторов, испарителей с падающей пленкой и водоохладителей требует детального знания динамики жидкости и теплопередачи падающей пленки жидкости по поверхности подушек. [7]

Ссылки

  1. ^ Пайпер, М.; Кениг, EY (2016-05-18). "Пластинчатые теплообменники с подушками". Патент .
  2. ^ Инновационные теплообменники . Springer. 2018. С. 233–294. ISBN 978-3-319-71639-8.
  3. ^ Piper, M.; Olenberg, A.; Tran, JM; Kenig, EY (декабрь 2015 г.). «Определение геометрических параметров конструкции пластинчатых теплообменников». Applied Thermal Engineering . 91 : 1168–1175. doi :10.1016/j.applthermaleng.2015.08.097. ISSN  1359-4311.
  4. ^ Piper, M.; Zibart, A.; Tran, JM; Kenig, EY (март 2016 г.). «Численное исследование теплопередачи при турбулентной вынужденной конвекции в пластинах-подушках». Международный журнал по тепло- и массообмену . 94 : 516–527. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.11.014. ISSN  0017-9310.
  5. ^ Piper, M.; Zibart, A.; Kenig, EY (октябрь 2017 г.). «Новые расчетные уравнения для теплопередачи при турбулентной вынужденной конвекции и потери давления в каналах с пластинчатыми подушками». International Journal of Thermal Sciences . 120 : 459–468. doi : 10.1016/j.ijthermalsci.2017.06.012. ISSN  1290-0729.
  6. ^ Piper, M.; Tran, JM; Kenig, EY (2016-11-11). Исследование термогидравлических характеристик пластинчатых теплообменников с помощью вычислительной гидродинамики. Труды летней конференции ASME 2016 по теплопередаче (Вашингтон, округ Колумбия). Цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков. doi : 10.1115/HT2016-7176. ISBN 978-0-7918-5032-9.
  7. ^ Piper, M.; Wecker, C.; Olenberg, A.; Tran, JM; Kenig, EY (июль 2015 г.). «Экспериментальный анализ топологии и динамики падающей жидкой пленки по волнистой поверхности вертикальной пластины-подушки». Chemical Engineering Science . 130 : 129–134. Bibcode :2015ChEnS.130..129P. doi :10.1016/j.ces.2015.03.005. ISSN  0009-2509.