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Abstract: Gli scambiatori di calore a piastre (PHEs) sono ampiamente utilizzati in settori industriali quali ingegneria chimica, trasformazione alimentare, HVAC e petrolchimica a causa della loro struttura compatta,elevata efficienza di trasferimento di caloreLa progettazione dei PHEs è strettamente correlata alle proprietà fisiche, chimiche e termiche del mezzo di scambio termico.composizione, e parametri di stato) influenzeranno direttamente le condizioni di progettazione fondamentali dei PHE, come l'efficienza del trasferimento di calore, la caduta di pressione, la selezione del materiale, la struttura della piastra e la stabilità operativa.Questo documento analizza sistematicamente i tipi di cambiamenti del medio nella progettazione del PHE, esplora il meccanismo delle modifiche del medio che influenzano i parametri chiave di progettazione, combina casi di ingegneria pratici per verificare la legge dell'impatto e propone le corrispondenti strategie di aggiustamento del progetto.La ricerca dimostra che le variazioni del medio causeranno reazioni a catena nel sistema di progettazione dei PHEs: le variazioni delle proprietà fisiche (viscosità, densità, conduttività termica) influenzano il coefficiente di trasferimento del calore e la caduta di pressione; le variazioni delle proprietà chimiche (corrosività,(reattività) determinano la selezione dei materiali delle piastre e delle guarnizioni• le variazioni dei parametri di stato (temperatura, pressione, fase) influenzano la selezione del tipo di piastra e la progettazione del canale di flusso;(componenti misti) aumentano il rischio di inquinamento e influenzano l'efficienza operativa a lungo termineQuesto studio fornisce una base teorica e una guida pratica per l'ottimizzazione della progettazione, l'adeguamento del funzionamento e il mantenimento dei PHE in condizioni di variazione media.contribuire a migliorare l'adattabilità e l'affidabilità dei PHE in ambienti industriali complessi.
Parole chiave: scambiatore di calore a piastra; variazione media; condizioni di progettazione; prestazioni di trasferimento di calore; calo di pressione; selezione del materiale
Gli scambiatori di calore a piastra sono un tipo di attrezzatura di trasferimento di calore ad alta efficienza composta da una serie di piastre ondulate, guarnizioni, piastre a telaio e barre di legame.Il processo di scambio di calore è realizzato attraverso il flusso alternato di supporti caldi e freddi su entrambi i lati delle piastre, e la struttura ondulata delle piastre aumenta la turbolenza del mezzo, migliorando così l'efficienza del trasferimento di calore.I PHE presentano i vantaggi di un elevato coefficiente di trasferimento di calore (3000-7000 W/m2·K per applicazioni liquido-liquido), struttura compatta (densità superficiale di 100 ‰ 200 m2/m3, 4 ‰ 5 volte quella degli scambiatori di calore a guscio e tubo), facile smontaggio e manutenzione,e regolazione flessibile dell'area di trasferimento del calore aumentando o diminuendo le piastreQuesti vantaggi rendono i PHE ampiamente utilizzati in vari settori industriali e la loro razionalità di progettazione determina direttamente l'efficienza operativa, il consumo energetico, la qualità del lavoro e la qualità del lavoro.e durata di servizio dell'intero sistema di scambio di calore.
Nella produzione industriale, il mezzo di scambio termico è spesso influenzato da fattori quali la sostituzione della materia prima, l'adeguamento del processo, la modifica della formula del prodotto e i cambiamenti ambientali,con conseguente modifica del suo tipo, composizione, proprietà fisiche e chimiche e parametri di stato.il tenore di acqua nel greggio può aumentare a causa di cambiamenti nelle condizioni di sfruttamento del giacimento petrolifero- nell'industria alimentare, la viscosità del latte o dello sciroppo può variare a causa di differenze nelle fonti di materie prime;la corrosività del mezzo può aumentare a causa dell'aggiunta di nuovi componentiUna volta che il mezzo cambia, i parametri di progettazione originali del PHE (come l'area di trasferimento del calore, il tipo di piastra, il materiale e la portata) non corrispondono più alle condizioni di funzionamento effettive,che porta a problemi quali la riduzione dell'efficienza del trasferimento di calore, eccessiva caduta di pressione, aumento del consumo di energia, corrosione dei materiali e persino guasti delle apparecchiature.
Attualmente la maggior parte delle ricerche esistenti sulla progettazione di PHE si concentra sull'ottimizzazione della struttura della piastra, sul calcolo del trasferimento di calore e sul controllo dell'inquinamento,ma manca un'analisi sistematica sull'impatto complessivo delle modifiche del medio sulle condizioni di progettazioneIn ingegneria pratica, molte imprese spesso ignorano l'impatto dei cambiamenti medi, con la conseguenza che il PHE non è in grado di esercitare le sue dovute prestazioni e provoca persino perdite economiche.,quando l'acqua tagliata nel petrolio grezzo aumenta, la temperatura di uscita del mezzo scende e, se il PHE non viene riprogettato, è necessario aggiungere bruciatori per il preriscaldamento,che aumenta di 390 il costo annuale di esercizioL'impostazione è stata effettuata in base a una proposta di regolamento (CE) del Consiglio che prevede l'introduzione di un sistema di controllo delle emissioni di gas di scarico per la produzione di energia elettrica.è di grande importanza teorica e pratica studiare l'impatto delle variazioni del mezzo sulle condizioni di progettazione dei PHEs, chiarire il meccanismo di impatto e proporre strategie di adeguamento.
Questo documento classifica in primo luogo i tipi di variazioni del mezzo nella progettazione del PHE, quindi analizza l'impatto dei diversi tipi di variazioni del mezzo sulle condizioni chiave di progettazione (prestazioni di trasferimento di calore, calo di pressione,La Commissione ritiene che il sistema di controllo dei rifiuti di carbonio sia un sistema di controllo efficace, in quanto esso è in grado di garantire l'adeguamento dei materiali, la struttura delle piastre, ecc.fornire supporto per la progettazione razionale e il funzionamento stabile delle PHE in condizioni di variazione media.
Il mezzo in PHEs si riferisce ai fluidi caldi e freddi coinvolti nello scambio di calore, e i suoi cambiamenti sono diversi, ma possono essere divisi in quattro categorie a seconda della natura del cambiamento:variazioni delle proprietà fisiche, cambiamenti nelle proprietà chimiche, cambiamenti nei parametri di stato e cambiamenti nella composizione del mezzo.le variazioni di temperatura possono comportare variazioni di viscosità e densità, e i cambiamenti nella composizione possono portare a cambiamenti nella corrosività).
Le proprietà fisiche del mezzo che influenzano la progettazione del PHE includono principalmente viscosità, densità, conducibilità termica, capacità termica specifica e tensione superficiale.Le variazioni di queste proprietà fisiche influenzeranno direttamente lo stato di flusso del mezzo nel canale di flusso e il processo di trasferimento del caloreLe variazioni comuni delle proprietà fisiche includono: aumento o diminuzione della viscosità (come l'aumento della viscosità dell'olio lubrificante dopo l'invecchiamento, la diminuzione della viscosità dello sciroppo dopo il riscaldamento),aumento o diminuzione della densità (come la miscelazione di oli leggeri e pesanti) e variazioni della conduttività termica (come l'aggiunta di additivi per il trasferimento del calore nel mezzo).viscosità e conduttività termica sono le due proprietà fisiche più critiche, che hanno l'impatto più significativo sull'efficienza del trasferimento di calore e sulla caduta di pressione.
Le proprietà chimiche del mezzo influenzano principalmente la selezione dei materiali di PHEs, compresa la corrosività, la reattività, l'ossidabilità e la riducibilità.I cambiamenti nelle proprietà chimiche si verificano spesso a causa della sostituzione delle materie prime, l'aggiunta di nuovi componenti, o reazioni chimiche durante il processo di scambio termico.il mezzo può passare da neutro a acido o alcalino a causa di un aggiustamento del processo- nell'industria alimentare, il mezzo può produrre sostanze acide a causa della fermentazione, aumentando la corrosività; nell'industria petrolchimica, il tenore di zolfo nel mezzo può aumentare;che porta ad una maggiore corrosione dei materiali metalliciInoltre, alcuni supporti possono reagire tra loro o con i materiali della piastra/guarnizione, causando danni ai materiali e guasti all'attrezzatura.
I parametri di stato del mezzo si riferiscono alla temperatura, alla pressione e allo stato di fase (liquido, gas, miscela solido-liquido) durante lo scambio termico.Le variazioni dei parametri di stato sono comuni nella produzione industriale, come le variazioni della temperatura di entrata/uscita del mezzo dovute a regolazioni del carico di processo, le variazioni della pressione di esercizio del sistema dovute a blocco della condotta o a guasto della pompa,e cambiamenti di fase del mezzo durante lo scambio di calore (come la condensazione del vapore)Tra questi, i cambiamenti di fase hanno l'impatto più significativo sulla progettazione del PHE.poiché cambieranno il meccanismo di trasferimento del calore e richiedono un tipo di piastra speciale e una progettazione del canale di flusso.
Le variazioni nella composizione del mezzo si riferiscono all'aggiunta di impurità, componenti misti o modifiche della percentuale di componenti nel mezzo originale.il mezzo può contenere particelle solide (come sedimenti in acqua), particelle catalizzatrici nelle reazioni chimiche) a causa dell'inquinamento delle materie prime; la miscelazione di due o più mezzi (come la miscelazione di acqua e olio) modifica le proprietà complessive del mezzo;variazioni della percentuale di componenti nel mezzo (come la variazione del taglio idrico del greggio)- le modifiche della composizione del mezzo non solo influenzeranno le proprietà fisiche e chimiche del mezzo, ma aumenteranno anche il rischio di inquinamento e di blocco del canale di flusso;che incidono sul funzionamento a lungo termine del PHE.
La progettazione dei PHEs si basa sui parametri originali del mezzo e ogni modifica del mezzo provoca una reazione a catena nel sistema di progettazione.In seguito verrà analizzato l'impatto delle modifiche del medio sulle condizioni chiave di progettazione da cinque aspetti:: prestazioni di trasferimento di calore, calo di pressione, selezione del materiale, struttura della piastra e progettazione del canale di flusso, stabilità di inquinamento e di funzionamento.
La prestazione di trasferimento di calore è l'indice di base della progettazione del PHE, misurato principalmente dal coefficiente di trasferimento di calore (U) e dalla velocità di trasferimento di calore (Q).Il processo di trasferimento del calore dei PHEs comprende tre collegamenti: trasferimento di calore convettivo dal mezzo caldo alla parete della piastra, trasferimento di calore conduttivo attraverso la parete della piastra e trasferimento di calore convettivo dalla parete della piastra al mezzo freddo.Le variazioni del mezzo influenzano le prestazioni di trasferimento di calore modificando l'efficienza di trasferimento di calore convettivo e la resistenza termica del mezzo.
La viscosità è il fattore più importante che influenza il coefficiente di trasferimento di calore convettivo.più è difficile formare turbolenze, e più basso è il coefficiente di trasferimento di calore convettivo.il numero di Reynolds (Re) del mezzo nel canale di flusso diminuirà significativamente (Re è inversamente proporzionale alla viscosità), e lo stato di flusso cambierà da flusso turbolento a flusso laminare.con conseguente riduzione significativa del tasso di trasferimento del caloreAl contrario, la diminuzione della viscosità aumenterà il numero di Reynolds, aumenterà la turbolenza e migliorerà il coefficiente di trasferimento di calore convettivo.
La conduttività termica ha un effetto diretto sulla capacità di trasferimento del calore del mezzo, più alta è la conduttività termica del mezzo, più veloce è il trasferimento di calore tra il mezzo e la parete della piastra.e maggiore è il coefficiente di trasferimento di caloreAd esempio, quando il mezzo viene cambiato dall'acqua (conduttività termica 0,6 W/mK) all'olio motore (conduttività termica 0,14 W/mK), la conduttività termica si riduce del 77%.e il coefficiente di trasferimento di calore convettivo sarà significativamente ridotto, che richiede un aumento dell'area di trasferimento del calore per soddisfare i requisiti di trasferimento del calore di progetto.le variazioni della densità e della capacità termica specifica influenzeranno il flusso di capacità termica (m·cp) del mezzo, influenzando così la differenza di temperatura tra l'ingresso e l'uscita del mezzo e la velocità di trasferimento del calore.
Le variazioni di temperatura influenzano le prestazioni di trasferimento del calore in due modi: da un lato, le variazioni di temperatura porteranno a variazioni delle proprietà fisiche del mezzo (come la viscosità,conduttività termica), influenzando così il coefficiente di trasferimento di calore convettivo; d'altra parte, le variazioni della temperatura di ingresso/uscita del mezzo modificano la differenza di temperatura media log (LMTD),che è la forza motrice del trasferimento di caloreAd esempio, se la temperatura di ingresso del mezzo caldo diminuisce di 20°C, il LMTD diminuirà e la velocità di trasferimento del calore diminuirà di conseguenza.Per mantenere il requisito originale di trasferimento di calore, è necessario aumentare l'area di trasferimento del calore o regolare la portata del mezzo.
I cambiamenti di fase (come la condensazione del vapore, la vaporizzazione del liquido) cambieranno significativamente il meccanismo di trasferimento del calore.il calore latente del cambiamento di fase sarà rilasciato o assorbito, che può migliorare notevolmente la velocità di trasferimento del calore, ad esempio quando il mezzo caldo viene cambiato da acqua satura (trasferimento di calore sensibile) a vapore saturo (trasferimento di calore latente),il coefficiente di trasferimento del calore può essere aumentato di 2 ∼ 3 volteTuttavia, i cambiamenti di fase pongono anche requisiti più elevati per il tipo di piastra e la progettazione del canale di flusso.la condensazione a vapore richiede un tipo di piastra con buone prestazioni di separazione gas-liquido per evitare l'accumulo di pellicole liquide che influenzano il trasferimento di caloreLa vaporizzazione del liquido richiede un canale di flusso con distribuzione uniforme per garantire che il mezzo sia riscaldato uniformemente.
Quando il mezzo contiene particelle o impurità solide, queste formeranno uno strato di impolveramento sulla superficie della piastra, aumentando la resistenza termica dello strato di impolveramento,riducendo così il coefficiente globale di trasferimento di calorePiù elevato è il contenuto di particelle, più veloce è il tasso di inquinamento e più significativa è la riduzione dell'efficienza di trasferimento del calore.quando l'acqua utilizzata come mezzo di raffreddamento contiene una grande quantità di ioni di calcio e magnesio, si verificherà una scala sulla superficie della piastra dopo un funzionamento prolungato e la conduttività termica dello strato di scala è solo 1/10 ‰ 1/5 di quella della piastra metallica,che ridurrà il coefficiente di trasferimento del calore del 20% al 40% dopo la scalazioneInoltre, la miscelazione di diversi media può portare a reciproca dissoluzione o stratificazione,modificando le proprietà fisiche complessive del mezzo e influenzando ulteriormente le prestazioni di trasferimento di calore.
La caduta di pressione è un'altra condizione fondamentale di progettazione dei PHE, che si riferisce alla perdita di pressione del mezzo quando scorre attraverso il canale di flusso del PHE.La caduta di pressione influisce direttamente sul consumo di energia della pompa (o del ventilatore) e sulla stabilità operativa del sistemaLa caduta di pressione dei PHEs è determinata principalmente dalla resistenza al flusso del mezzo nel canale di flusso, che è correlata alle proprietà fisiche del mezzo, alla velocità di flusso, alla struttura del canale di flusso.,Le variazioni del mezzo influenzeranno la caduta di pressione modificando la resistenza al flusso del mezzo.
La viscosità è il fattore più importante che influenza la caduta di pressione.Secondo la formula della meccanica dei fluidi, il calo di pressione è proporzionale alla viscosità del mezzo con lo stesso flusso e la stessa struttura del canale di flusso.la caduta di pressione aumenterà di circa l'80%-100% con la stessa portataInoltre, la densità del mezzo influisce anche sulla caduta di pressione: maggiore è la densità del mezzo, maggiore è la forza inerziale del fluido.e maggiore è il calo di pressione sotto la stessa portata.
Le variazioni di temperatura influenzano la caduta di pressione modificando la viscosità e la densità del mezzo.e la caduta di pressione diminuisce di conseguenzaAl contrario, quando la temperatura diminuisce, la viscosità aumenta e la caduta di pressione aumenta.quando la pressione di funzionamento è inferiore alla pressione di saturazione del mezzo, il mezzo si vaporizzerà, formando un flusso gas-liquido in due fasi, che aumenterà significativamente la resistenza al flusso e la caduta di pressione.la caduta di pressione del PHE è anche correlata alla portata del mezzoSe la portata del mezzo aumenta a causa dell'adeguamento del processo, la caduta di pressione aumenterà bruscamente (la caduta di pressione è proporzionale al quadrato della portata).
Quando il mezzo contiene particelle solide o impurità, le particelle si scontrano con la parete della piastra e tra loro durante il processo di flusso, aumentando la resistenza al flusso e la caduta di pressione.Inoltre, le particelle si accumulano nel canale di flusso, restringendo la sezione trasversale del canale di flusso, aumentando ulteriormente la portata e la caduta di pressione.quando il mezzo contiene particelle solide del 5% ∼10% (dimensione delle particelle 10 ∼50 μm), la caduta di pressione aumenterà del 30%/50% rispetto al mezzo pulito.causando il mancato funzionamento normale del PHE.
La selezione dei materiali dei PHEs (compresi i materiali delle piastre e delle guarnizioni) è determinata principalmente dalle proprietà chimiche e dai parametri di stato del mezzo.Il requisito fondamentale della selezione del materiale è la resistenza alla corrosione, seguita dalla conduttività termica, dalla resistenza meccanica e dall'efficacia economica.causando corrosione dei materiali, invecchiamento delle guarnizioni e altri problemi, che influenzano la vita utile del PHE.
La corrosività è il fattore chiave che determina il materiale della piastra.L'acciaio inossidabile 316L è ampiamente utilizzato in mezzi neutri e debolmente corrosivi (come l'acqua)., olio commestibile), ma non è resistente agli acidi forti, alle alcali forti e ai cloruri; il titanio è resistente a forti corrosioni (come l'acqua di mare,acido cloridrico) ed è adatto a condizioni di lavoro difficili.Il Hastelloy è resistente alla maggior parte degli acidi e delle acque alcaline forti ed è utilizzato nelle industrie chimiche con forti corrosivi.la piastra di acciaio inossidabile 304 originale verrà corrosaIn questo momento, è necessario sostituire la piastra con titanio o Hastelloy.
Il materiale di guarnizione è anche influenzato dalle proprietà chimiche del mezzo.Il NBR è adatto a supporti a base di olio ma non resistente agli acidi e alle alcali forti; L'EPDM è adatto a supporti neutri e debolmente corrosivi e ha una buona resistenza alle alte temperature; Viton è resistente agli acidi forti, alle alcali forti e ai solventi organici, ma il costo è elevato.Se il mezzo viene cambiato da olio ad acido forte, la guarnizione originale NBR sarà corrosa e invecchiata, con conseguente perdita media, ed è necessario sostituirla con una guarnizione Viton.
Le variazioni di temperatura e pressione influenzano la selezione del materiale modificando il tasso di corrosione del mezzo e le proprietà meccaniche del materiale.L'elevata temperatura accelererà la velocità di corrosione del mezzo e ridurrà la resistenza meccanica e la durata del materialeAd esempio, quando la temperatura di funzionamento aumenta da 100°C a 150°C, il tasso di corrosione del mezzo verso la piastra in acciaio inossidabile aumenta di 2−3 volte.e è necessario selezionare un materiale con una migliore resistenza alla corrosione ad alte temperature (come Hastelloy)Per evitare la deformazione o il danneggiamento della piastra, l'alta pressione richiede una maggiore resistenza meccanica del materiale.la piastra originale in acciaio inossidabile ordinario (spessore 0.5 mm) non può sopportare l'elevata pressione, ed è necessario aumentare lo spessore della piastra o selezionare un materiale con maggiore resistenza.
Quando il mezzo contiene ioni cloruro, ioni zolfo o altri ioni corrosivi, accelererà la corrosione del materiale della piastra.anche una piccola quantità di ioni cloruro (più di 200 ppm) causerà corrosione a pozzo delle piastre in acciaio inossidabileIn questo momento è necessario selezionare materiali resistenti ai cloruri (come il titanio).dissolverà il materiale della guarnizioneAd esempio, il mezzo contenente acetone dissolverà la guarnizione NBR ed è necessario sostituirla con una guarnizione Viton.
La struttura della piastra (tipo di piastra, angolo di ondulazione, spessore della piastra) e la progettazione del canale di flusso (larghezza del canale di flusso, direzione del flusso,il numero di passaggi) di PHEs sono progettati in base allo stato di flusso e ai requisiti di trasferimento di calore del mezzo originaleLe variazioni del mezzo influenzeranno lo stato di flusso e i requisiti di trasferimento di calore del mezzo, richiedendo quindi aggiustamenti alla struttura della piastra e alla progettazione del canale di flusso.
Per i mezzi ad alta viscosità, il canale di flusso originario stretto porterà a un eccessivo calo di pressione e a un cattivo trasferimento di calore.È necessario selezionare un tipo di piastra con un canale di flusso più ampio (come una piastra con un angolo di ondulazione di 30°) per ridurre la resistenza al flusso e migliorare lo stato di flusso del mezzoAd esempio, quando il mezzo viene cambiato dall'acqua (bassa viscosità) all'olio pesante (alta viscosità), la larghezza del canale di flusso deve essere aumentata da 2 mm3 a 4 mm5 per ridurre il calo di pressione.Inoltre, i supporti ad alta viscosità richiedono un tipo di piastra con un effetto di turbolenza più forte (come le piastre ondulate a spirale) per migliorare il trasferimento di calore convettivo.
Per i supporti a bassa conduttività termica è necessario aumentare l'area di trasferimento del calore aumentando il numero di piastre o selezionando piastre con una superficie specifica maggiore.quando il mezzo viene cambiato dall'acqua all'olio motore (bassa conduttività termica)Inoltre, l'angolo di ondulazione della piastra influisce anche sul trasferimento di calore e sulla caduta di pressione:un angolo di ondulazione maggiore (60°) può migliorare il coefficiente di trasferimento del calore, ma la caduta di pressione è maggiore; un angolo di ondulazione più piccolo (30°) può ridurre la caduta di pressione, ma il coefficiente di trasferimento del calore è inferiore.Le variazioni medie devono bilanciare il trasferimento di calore e la caduta di pressione regolando l'angolo di ondulazione.
Quando il mezzo subisce un cambiamento di fase (come la condensazione a vapore), è necessario selezionare un tipo di piastra adatto al trasferimento di calore in fase di cambiamento.il trasferimento di calore da condensazione richiede una piastra con una superficie liscia e un grande canale di flusso per facilitare lo scarico del liquido condensato ed evitare l'accumulo di film liquidoIl trasferimento di calore per vaporificazione richiede una piastra con un canale di flusso uniforme per garantire che il mezzo sia riscaldato uniformemente ed evitare il surriscaldamento locale.i mezzi di cambio di fase richiedono una progettazione del canale di flusso a più passaggi per prolungare il tempo di permanenza del mezzo nel PHE e migliorare l'efficienza del cambio di fase;.
Le variazioni di temperatura e pressione influenzano anche lo spessore della piastra.quando la pressione di funzionamento aumenta da 1.6 MPa a 4,0 MPa, lo spessore della piastra deve essere aumentato da 0,5 mm a 0,8·1,0 mm. Inoltre, i supporti ad alta temperatura richiedono piastre con buona conduttività termica per ridurre lo stress termico,di una lunghezza superiore a 50 mm,.
Quando il mezzo contiene particelle solide o impurità, è necessario selezionare un tipo di piastra con un ampio canale di flusso e una pulizia facile per evitare il blocco del canale di flusso.il mezzo contenente particelle solide deve selezionare una piastra con una larghezza del canale di flusso superiore a 4 mm, e la superficie della piastra deve essere liscia per ridurre l'accumulo di particelle.la direzione del flusso del mezzo deve essere progettata come flusso controcorrente per migliorare l'efficienza del trasferimento di calore e ridurre l'accumulo di particellePer i supporti con grave tendenza all'inquinamento, è necessario progettare un PHE staccabile per facilitare la pulizia e la manutenzione regolari.
L'inquinamento è un problema comune nel funzionamento del PHE, che si riferisce all'accumulo di impurità, scala e altre sostanze sulla superficie della piastra, che porta a una ridotta efficienza di trasferimento del calore,aumento della caduta di pressione, e una durata di vita ridotta. I cambiamenti medi sono una delle principali cause di inquinamento. Inoltre i cambiamenti medi influenzeranno anche la stabilità operativa del PHE,che porta a problemi quali la perdita media, deformazione della piastra e fluttuazione del sistema.
I cambiamenti nella composizione del mezzo sono il principale fattore che porta all'inquinamento, ad esempio l'aumento degli ioni di calcio e magnesio nel mezzo porterà alla scalazione;l'aumento delle particelle solide porterà all'inquinamento da sedimentazioneL'aumento della materia organica porterà a impolveramento biologico o chimico.l'alta temperatura accelererà la cristallizzazione degli ioni di calcio e magnesio, con conseguente incrustazione; le variazioni di pressione porteranno alla precipitazione di gas disciolti nel mezzo, formando incrustazioni di pellicole di gas.L'inquinamento non solo riduce l'efficienza del trasferimento di calore, ma aumenta anche il calo di pressione, con conseguente aumento del consumo di energia e persino blocco dei canali di flusso.
Le variazioni del mezzo possono causare perdite, ad esempio le variazioni delle proprietà chimiche del mezzo possono corrodere la guarnizione o la piastra, causando perdite;le variazioni di pressione possono causare la deformazione o la caduta della guarnizioneInoltre, un eccessivo calo di pressione causato da variazioni del mezzo può portare a un sovraccarico della pompa, influenzando il funzionamento stabile dell'impianto.quando la caduta di pressione supera il limite di progettazione, la pompa funzionerà sotto sovraccarico, con conseguente danno della pompa o arresto del sistema.causando tensione termica e deformazione della piastra.
Per verificare ulteriormente l'impatto delle modifiche del mezzo sulle condizioni di progettazione dei PHE, il presente documento analizza due casi pratici di ingegneria,compreso l'impatto dei cambiamenti nella composizione del mezzo nell'industria petrolchimica e l'impatto dei cambiamenti nelle proprietà fisiche nell'industria alimentare, e propone misure di adeguamento corrispondenti.
Un'impresa petrolchimica utilizza un PHE per riscaldare in anticipo il greggio. Il mezzo di progettazione originale è il greggio con un taglio dell'acqua del 5% (frazione di massa), la temperatura di ingresso del greggio è di 70 °C,la temperatura di uscita è di 101°C, e l'area di trasferimento del calore del PHE è di 120 m2.il taglio dell'acqua del petrolio grezzo aumenta al 20%, con conseguente cambiamento delle proprietà fisiche del mezzo: la viscosità aumenta del 30%, la conduttività termica diminuisce del 15% e la densità aumenta dell'8%.
Dopo l'aumento del taglio dell'acqua, i problemi di funzionamento del PHE sono i seguenti: (1) L'efficienza di trasferimento del calore diminuisce significativamente, la temperatura di uscita del greggio scende a 99°C,che non possono soddisfare i requisiti di processo successivi2) Il calo di pressione aumenta del 40%, con conseguente sovraccarico della pompa dell'olio grezzo e aumento del consumo energetico;e la guarnizione è vecchia e deformata, con potenziali rischi di perdite.
In base alle variazioni del mezzo, vengono adottate le seguenti misure di adeguamento della progettazione: 1) regolare la struttura della piastra: aumentare il numero di piastre, espandere la superficie di trasferimento del calore a 150 m2,e selezionare un tipo di piastra con un angolo di ondulazione di 30° per ridurre la caduta di pressione2) Ottimizzare la progettazione del canale di flusso: aumentare la larghezza del canale di flusso da 2,5 mm a 3,5 mm per adattarsi al mezzo ad alta viscosità e ridurre l'accumulo di particelle;sostituire la guarnizione NBR con una guarnizione EPDM per migliorare la resistenza alla corrosione al greggio contenente acqua4) Aggiungere un dispositivo di pretrattamento: installare un dispositivo di separazione acqua-olio all'ingresso del PHE per ridurre il taglio dell'acqua del petrolio greggio al 10% e ridurre l'impatto dell'acqua sul PHE.,la temperatura di uscita del petrolio greggio è ripristinata a 101°C, la caduta di pressione è ridotta al livello di progetto e la stabilità operativa del PHE è significativamente migliorata.L'investimento nelle misure di adeguamento è recuperato in meno di tre mesi grazie al risparmio energetico e alla riduzione dei costi di manutenzione.
Un'impresa di trasformazione alimentare utilizza un PHE per raffreddare il latte. Il supporto di progettazione originale è il latte fresco con una viscosità di 1,2 mPa·s, la temperatura di entrata è di 60°C, la temperatura di uscita è di 4°C,e la superficie di trasferimento del calore è di 80 m2Il materiale della piastra è in acciaio inossidabile 316L e il materiale della guarnizione è EPDM. A causa della sostituzione delle fonti di latte crudo, la viscosità del latte aumenta a 2.5 mPa·s (a causa dell'aumento del tenore di grassi)La densità aumenta del 5%.
Dopo l'aumento della viscosità, i problemi di funzionamento del PHE sono i seguenti: (1) Lo stato di flusso del latte nel canale di flusso cambia da flusso turbolento a flusso laminare,il coefficiente di trasferimento di calore convettivo diminuisce del 45%, il tempo di raffreddamento è prolungato, il che non consente di mantenere il ritmo di produzione; (2) la caduta di pressione aumenta del 50%, con conseguente aumento del consumo energetico della pompa di acqua di raffreddamento;(3) Il latte ad alta viscosità aderisce facilmente alla superficie della piastra, con conseguente inquinamento e riduzione dell'efficienza di trasferimento del calore dopo un funzionamento prolungato.
Le misure di regolazione del progetto sono le seguenti: (1) Sostituire il tipo di targa:selezionare piastre ondulate a spirale con un angolo di ondulazione di 60° per migliorare la turbolenza e il coefficiente di trasferimento di calore convettivo2) Regolare il flusso: aumentare il flusso del latte del 30% per aumentare il numero di Reynolds e ripristinare lo stato di flusso turbolento; 3) Ottimizzare la progettazione del canale di flusso:adottare una progettazione di canale di flusso multipass per prolungare il tempo di permanenza del latte nel PHE e migliorare l'effetto di raffreddamento4) Rafforzare la pulizia: aumentare la frequenza della pulizia CIP (clean-in-place) per evitare l'accumulo di sporcizia.la caduta di pressione è ridotta del 20%, e il problema dell'inquinamento è efficacemente controllato, garantendo il funzionamento stabile della linea di produzione.
Per far fronte all'impatto delle modifiche del medio sulle condizioni di progettazione dei PHE,è necessario formulare strategie scientifiche e ragionevoli di adeguamento del progetto basate sul tipo e sul grado di variazione del mezzoLe principali strategie di adeguamento sono le seguenti:
Quando i cambiamenti del mezzo portano a una diminuzione del coefficiente di trasferimento di calore,l'area di trasferimento del calore può essere aumentata aumentando il numero di piastre o selezionando piastre con una superficie specifica maggiore per garantire il tasso di trasferimento del calorePer i supporti con cambi di fase, il modello di calcolo del trasferimento di calore deve essere adeguato e il calore latente del cambiamento di fase deve essere considerato per calcolare con precisione l'area di trasferimento di calore.Inoltre, la portata del mezzo può essere regolata per modificare il numero di Reynolds, aumentare la turbolenza e migliorare il coefficiente di trasferimento di calore convettivo.la portata deve essere adeguatamente aumentata; per i supporti a bassa viscosità, la portata deve essere regolata per evitare un eccessivo calo di pressione.
Quando i cambiamenti del mezzo portano a un eccessivo calo di pressione, la larghezza del canale di flusso può essere aumentata selezionando un tipo di piastra con un canale di flusso più ampio per ridurre la resistenza al flusso.L'angolo di ondulazione della piastra può essere regolato: si seleziona un angolo di ondulazione più piccolo per ridurre la caduta di pressione e si ottiene un equilibrio tra efficienza di trasferimento del calore e caduta di pressione.il numero di passaggi del canale di flusso può essere ridotto per accorciare il percorso di flusso del mezzo e ridurre la caduta di pressionePer i supporti contenenti particelle solide, si deve aggiungere un dispositivo di pretrattamento (come un filtro, un separatore) per rimuovere le impurità e ridurre il rischio di calo di pressione e di inquinamento.
In base alle variazioni delle proprietà chimiche del mezzo, i materiali di piastra e di guarnizione devono essere sostituiti tempestivamente.materiali con una forte resistenza alla corrosione (come il titanio), Hastelloy) devono essere selezionati; per i supporti contenenti solventi organici, devono essere selezionati materiali di guarnizione con buona resistenza ai solventi (come Viton).devono essere selezionati materiali con elevata resistenza meccanica e resistenza alle alte temperature, e lo spessore della piastra deve essere aumentato per garantire la stabilità strutturale.devono essere effettuate prove di corrosione per verificare l'adattabilità del materiale al nuovo mezzo.
Per i supporti ad alta viscosità, selezionare un tipo di piastra con un canale di flusso più ampio e un effetto di turbolenza più forte; per i supporti con cambi di fase, selezionare un tipo di piastra adatto al trasferimento di calore in fase;per supporti contenenti particelle solide, selezionare un tipo di piastra con una superficie liscia e facile da pulire, regolare la larghezza del canale di flusso, la direzione del flusso,e numero di passaggi in base allo stato di flusso e ai requisiti di trasferimento di calore del nuovo mezzo per garantire che il mezzo fluisca uniformemente e che il trasferimento di calore sia efficientePer i PHE staccabili, la disposizione della piastra può essere regolata per modificare la struttura del canale di flusso e adattarsi ai cambiamenti del mezzo.
Per i mezzi con grave tendenza all'inquinamento, è necessario aggiungere un dispositivo di pretrattamento per rimuovere le impurità e ridurre le fonti di inquinamento.velocità di flusso) per rallentare la velocità di inquinamento. formulare un piano di pulizia regolare, adottare la pulizia CIP o la pulizia manuale per rimuovere il livello di impasto in tempo e ripristinare l'efficienza del trasferimento di calore.Rafforzare l'ispezione quotidiana e la manutenzione del PHE, controllare la superficie della piastra e la guarnizione per la corrosione, l'invecchiamento e i danni, e sostituirli tempestivamente per garantire la stabilità di funzionamento.
Le variazioni medie rappresentano un problema inevitabile nella progettazione e nel funzionamento degli scambiatori di calore a piastre e hanno un impatto globale e di vasta portata sulle condizioni di progettazione dei PHE.Variazioni delle proprietà fisiche, le proprietà chimiche, i parametri di stato e la composizione del mezzo influenzeranno direttamente le prestazioni di trasferimento di calore, la caduta di pressione, la selezione del materiale, la struttura della piastra,e stabilità operativa dei PHE, che porta a una serie di problemi quali la riduzione dell'efficienza di trasferimento del calore, l'aumento del consumo di energia, la corrosione dei materiali e il guasto delle apparecchiature.
Attraverso un'analisi sistematica, si scopre che l'impatto dei cambiamenti del mezzo sulla progettazione del PHE è una reazione a catena:I cambiamenti nelle proprietà fisiche (in particolare viscosità e conduttività termica) sono i fattori principali che influenzano l'efficienza di trasferimento del calore e il calo di pressione- le variazioni delle proprietà chimiche determinano la selezione dei materiali delle piastre e delle guarnizioni; le variazioni dei parametri di stato (soprattutto le variazioni di fase) influenzano il tipo di piastra e la progettazione del canale di flusso;le variazioni nella composizione del mezzo aumentano il rischio di inquinamento e influenzano l'efficienza operativa a lungo termine;I casi di ingegneria dimostrano che gli aggiustamenti scientifici e ragionevoli di progettazione (come l'aggiustamento dell'area di trasferimento del calore, la sostituzione dei materiali, l'ottimizzazione della struttura della piastra,L'efficienza delle apparecchiature di controllo delle emissioni di CO2 e il rafforzamento del controllo dell'inquinamento) possono far fronte efficacemente all'impatto dei cambiamenti del mezzo e garantire il funzionamento stabile ed efficiente delle PHE..
Nella progettazione ingegneristica pratica, è necessario considerare pienamente la possibilità di modifiche del mezzo, condurre un'analisi approfondita delle proprietà del nuovo mezzo,e formulare strategie mirate di adeguamento del progettoAllo stesso tempo, rafforzare il monitoraggio dei parametri medi durante l'operazione, individuare e affrontare in modo tempestivo l'impatto dei cambiamenti medi,Per dare pieno svolgimento ai vantaggi dei PHE, ridurre il consumo di energia e migliorare i benefici economici e sociali del sistemai tipi di mezzi di scambio termico diventeranno più complessi, e le ricerche sull'impatto delle modifiche dei media sulla progettazione delle PHE saranno più approfondite, il che fornirà più supporto teorico e guida tecnica per l'ottimizzazione e l'aggiornamento delle PHE.
