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