تاثیر کلی تغییرات متوسط بر شرایط طراحی در طراحی مبادله گرما صفحه

خلاصه: مبادلات گرما صفحه ای (PHEs) به دلیل ساختار فشرده خود در زمینه های صنعتی مانند مهندسی شیمی، پردازش مواد غذایی، HVAC و پتروشیمی به طور گسترده ای استفاده می شود.بهره وری بالای انتقال گرما، و مقیاس پذیری انعطاف پذیر. طراحی PHEs به طور نزدیک به خواص فیزیکی، شیمیایی و حرارتی محیط مبادله گرما مرتبط است. هر گونه تغییر در محیط (از جمله تغییرات در نوع،ترکیب، و پارامترهای حالت) به طور مستقیم بر شرایط اصلی طراحی PHEs، مانند بهره وری انتقال گرما، کاهش فشار، انتخاب مواد، ساختار صفحه و ثبات عملیاتی تأثیر می گذارد.این مقاله به طور سیستماتیک انواع تغییرات متوسط در طراحی PHE را تحلیل می کند.، مکانیسم تغییرات متوسط را که بر پارامترهای کلیدی طراحی تاثیر می گذارد، بررسی می کند، موارد مهندسی عملی را برای بررسی قانون تاثیر، و استراتژی های تطبیق طراحی مربوطه را ارائه می دهد.تحقیقات نشان می دهد که تغییرات متوسط باعث واکنش های زنجیره ای در سیستم طراحی PHEs می شود: تغییرات در خواص فیزیکی (سفتی، تراکم، رسانایی حرارتی) بر ضریب انتقال گرما و کاهش فشار تاثیر می گذارد؛ تغییرات در خواص شیمیایی (تخمیر،واکنش پذیری) انتخاب مواد صفحه و بسته بندی را تعیین می کند.تغییرات در پارامترهای حالت (درجه حرارت، فشار، فاز) بر انتخاب نوع صفحه و طراحی کانال جریان تاثیر می گذارد.اجزای مخلوط) خطر آلودگی را افزایش می دهند و بر بهره وری عملیاتی طولانی مدت تأثیر می گذارند.این مطالعه یک پایه نظری و راهنمایی عملی برای بهینه سازی طراحی، تنظیم عملیات و نگهداری PHEs در شرایط تغییر متوسط فراهم می کند.کمک به بهبود سازگاری و قابلیت اطمینان PHEs در محیط های صنعتی پیچیده.

کلمات کلیدی: مبادله گرما صفحه؛ تغییر متوسط؛ شرایط طراحی؛ عملکرد انتقال گرما؛ کاهش فشار؛ انتخاب مواد

مبادله گرما صفحه ای یک نوع تجهیزات انتقال گرما با کارایی بالا است که از مجموعه ای از صفحه های موج دار، گاسکت ها، صفحه های فریم و میله های بند ساخته شده است.فرآیند تبادل گرما از طریق جریان متناوب رسانه های گرم و سرد در هر دو طرف صفحات تحقق می یابددر مقایسه با مبادله گرماهای سنتی شیل و لوله،PHEs دارای مزایای ضریب انتقال گرما بالا (3000-7000 W / m2 · K برای برنامه های مایع مایع)، ساختار فشرده ( چگالی سطحی 100~200 m2/m3، 4~5 برابر مبادلات گرما شیل و لوله) ، جداسازی و نگهداری آسان،و تنظیم انعطاف پذیر منطقه انتقال گرما با افزایش یا کاهش صفحاتاین مزیت ها باعث می شود PHEs به طور گسترده ای در زمینه های مختلف صنعتی استفاده شود و منطقی بودن طراحی آنها به طور مستقیم کارایی عملیاتی، مصرف انرژی،و طول عمر کل سیستم مبادله گرما.

در تولید صنعتی، محیط تبادل گرما اغلب تحت تاثیر عوامل مانند جایگزینی مواد اولیه، تنظیم فرآیند، اصلاح فرمول محصول و تغییرات محیطی قرار می گیرد.که منجر به تغییر در نوع آن می شود، ترکیب، خواص فیزیکی و شیمیایی و پارامترهای حالت.محتوای آب در نفت خام ممکن است به دلیل تغییرات در شرایط بهره برداری از میدان نفت افزایش یابددر صنعت فرآوری مواد غذایی، لرزش شیر یا شربت ممکن است به دلیل تفاوت منابع مواد اولیه تغییر کند.خوردگی محیط ممکن است به دلیل اضافه شدن اجزای جدید افزایش یابد.هنگامی که رسانه تغییر می کند، پارامترهای طراحی اصلی PHE (مانند منطقه انتقال گرما، نوع صفحه، مواد و سرعت جریان) دیگر با شرایط عملیاتی واقعی مطابقت ندارد.منجر به مشکلات مانند کاهش بهره وری انتقال گرما، افت فشار بیش از حد، افزایش مصرف انرژی، خوردگی مواد و حتی خرابی تجهیزات.

در حال حاضر بیشتر تحقیقات موجود در طراحی PHE بر بهینه سازی ساختار صفحه، محاسبه انتقال گرما و کنترل آلودگی متمرکز است.اما وجود دارد کمبود تجزیه و تحلیل سیستماتیک در مورد تاثیر کلی تغییرات متوسط در شرایط طراحیدر مهندسی عملی، بسیاری از شرکت ها اغلب تاثیر تغییرات متوسط را نادیده می گیرند، در نتیجه PHE نمی تواند عملکرد لازم خود را انجام دهد و حتی باعث خسارت اقتصادی می شود.,هنگامی که آب برش در نفت خام افزایش می یابد، دمای خروجی محیط کاهش می یابد و اگر PHE طراحی مجدد نشود، لازم است برای گرم کردن پیش از آن سوزنده اضافه شود.که هزینه های عملیاتی سالانه را 390 درصد افزایش می دهد،000 یورو؛ در حالی که گسترش بسته پلیک PHE می تواند دمای خروجی را بازگرداند و در کمتر از سه ماه به بازپرداخت سرمایه گذاری برسد.مطالعه تاثیر تغییرات محیط بر شرایط طراحی PHEs از اهمیت نظری و عملی بالایی برخوردار است.، مکانیسم تاثیر را روشن کند و استراتژی های تعدیل را پیشنهاد کند.

این مقاله ابتدا انواع تغییرات در محیط را در طراحی PHE طبقه بندی می کند، سپس تأثیر انواع مختلف تغییرات در محیط را بر شرایط کلیدی طراحی (کارایی انتقال گرما، کاهش فشار) تحلیل می کند.,انتخاب مواد، ساختار صفحه و غیره) از مکانیسم، موارد عملی را برای تأیید ترکیب می کند و در نهایت روش های تنظیم طراحی و پیشنهادات بهینه سازی را ارائه می دهد،ارائه حمایت برای طراحی منطقی و عملکرد پایدار PHEs در شرایط متوسط تغییر.

محیط موجود در PHEs به مایعات گرم و سرد درگیر در تبادل گرما اشاره دارد و تغییرات آن متنوع است، اما آنها را می توان بر اساس ماهیت تغییر به چهار دسته تقسیم کرد:تغییرات در خواص فیزیکیاین چهار نوع تغییر جدا نیستند و ممکن است تأثیر متقابل داشته باشند (به عنوان مثال، تغییرات در پارامترهای حالت و تغییرات در ترکیب محیط).تغییرات در دمای ممکن است منجر به تغییرات در لزوم و تراکم شود، و تغییرات در ترکیب ممکن است منجر به تغییرات در خوردگی شود).

خواص فیزیکی رسانه ای که بر طراحی PHE تأثیر می گذارد، عمدتاً شامل لزگی، تراکم، رسانایی حرارتی، ظرفیت حرارتی خاص و تنش سطحی است.تغییرات در این خواص فیزیکی به طور مستقیم بر حالت جریان رسانه در کانال جریان و فرآیند انتقال گرما تاثیر می گذاردتغییرات متداول در خواص فیزیکی عبارتند از: افزایش یا کاهش واسکوسیت (مانند افزایش واسکوسیت روغن روان کننده پس از پیری، کاهش واسکوسیت آبمیوه پس از گرم کردن),افزایش یا کاهش تراکم (مانند مخلوط کردن روغن های سبک و سنگین) و تغییرات در رسانایی حرارتی (مانند اضافه کردن افزودنی های انتقال گرما به محیط). از جمله آنها،ويسکوسیت و رسانایی حرارتی دو خاصیت فیزیکی مهم هستند، که بیشترین تاثیر را بر بهره وری انتقال گرما و کاهش فشار دارند.

خواص شیمیایی محیط عمدتا بر انتخاب مواد PHEs، از جمله خوردگی، واکنش پذیری، اکسید پذیری و کاهش پذیری تأثیر می گذارد.تغییرات در خواص شیمیایی اغلب به دلیل جایگزینی مواد اولیه رخ می دهد، اضافه کردن اجزای جدید، یا واکنش های شیمیایی در طول فرآیند تبادل گرما.محیط ممکن است به دلیل تنظیم فرآیند از خنثی به اسیدی یا قلیایی تغییر کند.در صنعت مواد غذایی، این محیط ممکن است مواد اسیدی را به دلیل تخمیر تولید کند، باعث افزایش خوردگی شود. در صنعت پتروشیمی، محتوای گوگرد در محیط ممکن است افزایش یابد.که باعث افزایش خوردگی مواد فلزی می شودعلاوه بر این، برخی از رسانه ها ممکن است با یکدیگر یا با مواد صفحه / گاسکت واکنش نشان دهند، که منجر به آسیب مواد و خرابی تجهیزات می شود.

پارامترهای حالت محیط به دمای، فشار و حالت فاز (سیال، گاز، مخلوط جامد-سیال) در طول تبادل گرما اشاره دارد.تغییرات پارامترهای حالت در تولید صنعتی رایج است، مانند تغییرات در دمای ورودی/خرید محیط به دلیل تنظیم بار فرآیند، تغییرات در فشار عملیاتی سیستم به دلیل انسداد خط لوله یا خرابی پمپ،و تغییرات فازی محیط در طول تبادل گرما (مانند تهویه بخار)در میان آنها، تغییرات فاز بیشترین تاثیر را بر طراحی PHE دارند.زیرا آنها مکانیسم انتقال گرما را تغییر می دهند و نیاز به نوع صفحه خاص و طراحی کانال جریان دارند.

تغییرات در ترکیب محیط به اضافه کردن ناخالصی ها، اجزای مخلوط یا تغییرات در نسبت اجزای موجود در محیط اصلی اشاره دارد. به عنوان مثال،محیط ممکن است حاوی ذرات جامد (مانند رسوب در آب) باشد.، ذرات کاتالیزور در واکنش های شیمیایی) به دلیل آلودگی مواد اولیه؛ مخلوط کردن دو یا چند رسانه (مانند مخلوط کردن آب و روغن) ویژگی های کلی محیط را تغییر می دهد؛نسبت اجزای موجود در محیط تغییر می کند (مانند تغییر در برش آب نفت خام)تغییرات در ترکیب رسانه نه تنها بر خواص فیزیکی و شیمیایی رسانه تأثیر می گذارد بلکه خطر آلودگی و مسدود شدن کانال جریان را افزایش می دهد.که بر عملکرد بلند مدت PHE تاثیر می گذارد.

طراحی PHEs بر مبنای پارامترهای اصلی محیط است و هر گونه تغییر در محیط باعث یک واکنش زنجیره ای در سیستم طراحی می شود.در زیر تاثیر تغییرات متوسط بر شرایط کلیدی طراحی از پنج جنبه مورد بررسی قرار می گیرد.: عملکرد انتقال گرما، کاهش فشار، انتخاب مواد، ساختار صفحه و طراحی کانال جریان، و ثبات آلودگی و عملکرد.

عملکرد انتقال گرما شاخص اصلی طراحی PHE است که عمدتاً با ضریب انتقال گرما (U) و نرخ انتقال گرما (Q) اندازه گیری می شود.فرآیند انتقال گرما PHEs شامل سه پیوند است: انتقال حرارتی محور از محیط داغ به دیواره صفحه، انتقال حرارتی رسانا از طریق دیواره صفحه، و انتقال حرارتی محور از دیوار صفحه به محیط سرد.تغییرات متوسط با تغییر بهره وری انتقال گرما و مقاومت حرارتی محیط، عملکرد انتقال گرما را تحت تاثیر قرار می دهد..

ویسکوزیتی مهمترین فاکتور تأثیرگذار بر ضریب انتقال گرما کنوکتوی است. هرچه ویسکوزیتی محیط بالاتر باشد، مقاومت جریان بیشتر است.هرچه سخت تر باشد که آشفتگی ایجاد شودبرای مثال، زمانی که واسکسیت محیط داغ 50٪ افزایش می یابد،تعداد رینولدز (Re) از رسانه در کانال جریان به طور قابل توجهی کاهش می یابد (Re معکوس نسبت به لزوم است)، و حالت جریان از جریان آشفته به جریان لامینری تغییر می کند. در این زمان ضریب انتقال حرارتی محور 30٪ ٪ 50٪ کاهش می یابد ،که منجر به کاهش قابل توجهی در سرعت انتقال گرما می شودبرعکس، کاهش لزوم، تعداد رینولد را افزایش می دهد، آشفتگی را افزایش می دهد و ضریب انتقال گرما را بهبود می بخشد.

رسانایی حرارتی به طور مستقیم بر ظرفیت انتقال گرما محیط تاثیر می گذارد. هرچه رسانایی حرارتی محیط بالاتر باشد، انتقال گرما بین محیط و دیواره صفحه سریع تر است.و هرچه ضریب انتقال گرما بالاتر باشدبه عنوان مثال، هنگامی که محیط از آب (رخشندگی حرارتی 0.6 W/mK) به روغن موتور (رخشندگی حرارتی 0.14 W/mK) تغییر می کند، رخشندگی حرارتی 77٪ کاهش می یابد.و ضریب انتقال حرارتی محور به طور قابل توجهی کاهش می یابد، که نیاز به افزایش منطقه انتقال گرما برای برآورده کردن الزامات انتقال گرما طراحی دارد.تغییرات در تراکم و ظرفیت حرارتی خاص بر سرعت جریان ظرفیت حرارتی (m·cp) محیط تأثیر می گذارد، که در نتیجه بر تفاوت دمایی بین ورودی و خروجی محیط و سرعت انتقال گرما تاثیر می گذارد.

تغییرات دمایی بر عملکرد انتقال گرما به دو روش تاثیر می گذارد: از یک طرف، تغییرات دمایی منجر به تغییرات در خواص فیزیکی محیط می شود (مانند لزگی،رسانایی حرارتی)از سوی دیگر، تغییرات در دمای ورودی/خرید محیط، تفاوت میانگین دمای (LMTD) را تغییر می دهد.که نیروی محرک انتقال گرما است.به عنوان مثال، اگر دمای ورودی محیط گرم 20 درجه سانتیگراد کاهش یابد، LMTD کاهش می یابد و سرعت انتقال گرما به همین ترتیب کاهش می یابد.برای حفظ نیاز اولیه انتقال گرما، لازم است که منطقه انتقال گرما افزایش یابد یا سرعت جریان محیط تنظیم شود.

تغییرات فازی (مانند تهویه بخار، تبخیر مایع) به طور قابل توجهی مکانیسم انتقال گرما را تغییر می دهد.گرمای پنهان تغییر فاز آزاد یا جذب می شود.، که می تواند سرعت انتقال گرما را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. به عنوان مثال، هنگامی که محیط داغ از آب اشباع شده (انتقال گرما احساس شده) به بخار اشباع شده (انتقال گرما پنهان) تغییر می کند،ضریب انتقال گرما را می توان 2×3 برابر افزایش دادبا این حال، تغییرات فاز همچنین الزامات بیشتری را برای نوع صفحه و طراحی کانال جریان مطرح می کند.تهویه بخار نیاز به یک نوع صفحه با عملکرد خوبی از جدایی گاز از مایع دارد تا از تجمع فیلم مایع که بر انتقال گرما تأثیر می گذارد جلوگیری شود.تبخیر مایع نیاز به یک کانال جریان با توزیع یکنواخت برای اطمینان از گرم شدن یکنواخت محیط دارد.

هنگامی که محیط حاوی ذرات جامد یا ناخالصی ها باشد، ذرات یک لایه آلودگی را بر روی سطح صفحه تشکیل می دهند و مقاومت حرارتی لایه آلودگی را افزایش می دهند.بنابراین باعث کاهش ضریب انتقال گرما می شود.هرچه محتوای ذرات بالاتر باشد، میزان آلودگی سریعتر است و کاهش کارایی انتقال گرما بیشتر است.زمانی که آب مورد استفاده به عنوان محیط سرد حاوی مقدار زیادی یون کلسیم و منیزیم باشد.، پس از کار طولانی مدت ، مقیاس روی سطح صفحه رخ می دهد و رسانایی حرارتی لایه مقیاس تنها 1/10 ‰ 1/5 از صفحه فلزی است.که باعث کاهش ضریب انتقال گرما با 20٪ تا 40٪ پس از مقیاس بندی می شودعلاوه بر این، مخلوط کردن رسانه های مختلف ممکن است منجر به انحلال یا طبقه بندی متقابل شود.تغییر خواص فیزیکی کلی محیط و تاثیر بیشتر بر عملکرد انتقال گرما.

کاهش فشار یکی دیگر از شرایط کلیدی طراحی PHEs است که به کاهش فشار رسانه هنگام جریان در کانال جریان PHE اشاره دارد.کاهش فشار به طور مستقیم بر مصرف انرژی پمپ (یا فن) و ثبات عملیاتی سیستم تأثیر می گذاردکاهش فشار PHEs عمدتا توسط مقاومت جریان رسانه در کانال جریان تعیین می شود که با خواص فیزیکی رسانه، نرخ جریان، ساختار کانال جریان مرتبط است.,و عوامل دیگر. تغییرات متوسط به کاهش فشار با تغییر مقاومت جریان محیط تاثیر می گذارد.

ویسکوزیتی مهمترین عامل تأثیرگذار بر کاهش فشار است. هرچه ویسکوزیتی محیط بالاتر باشد، مقاومت جریان بیشتر است و کاهش فشار بیشتر است.طبق فرمول مکانیک مایعات، کاهش فشار متناسب با لزوزیت محیط تحت همان نرخ جریان و ساختار کانال جریان است. به عنوان مثال، هنگامی که لزوزیت محیط 100٪ افزایش می یابد،کاهش فشار حدود 80٪ ٪ در برابر همان جریان افزایش می یابد.علاوه بر این، تراکم محیط نیز بر کاهش فشار تاثیر می گذارد: هرچه تراکم محیط بالاتر باشد، نیروی بی وقفه مایع بیشتر است.و هرچه بیشتر کاهش فشار تحت همان جریان.

تغییرات در دمای اثر می گذارد کاهش فشار با تغییر واسکوسیت و تراکم محیط. به عنوان مثال، زمانی که دمای محیط افزایش می یابد، واسکوسیت کاهش می یابد،و کاهش فشار به همین ترتیب کاهش می یابد.در مقابل، هنگامی که دمای کاهش می یابد، واسکوسیت افزایش می یابد و کاهش فشار افزایش می یابد. تغییرات فشار بر تراکم و حالت فاز محیط تأثیر می گذارد. به عنوان مثال،زمانی که فشار کار کمتر از فشار اشباع محیط باشد، محیط تبخیر می شود و جریان دو فاز گاز مایع را تشکیل می دهد که به طور قابل توجهی مقاومت جریان و کاهش فشار را افزایش می دهد.کاهش فشار PHE همچنین با سرعت جریان محیط مرتبط است.. اگر سرعت جریان متوسط به دلیل تنظیم فرآیند افزایش یابد، کاهش فشار به شدت افزایش می یابد (تراکم فشار متناسب با مربع سرعت جریان است).

هنگامی که محیط حاوی ذرات جامد یا ناخالصی است، ذرات در طول فرآیند جریان با دیوار صفحه و یکدیگر برخورد می کنند، مقاومت جریان و کاهش فشار را افزایش می دهند.علاوه بر اين، ذرات در کانال جریان تجمع می کنند، کاهش بخش قطعی کانال جریان، افزایش بیشتر سرعت جریان و کاهش فشار. به عنوان مثال،زمانی که محیط حاوی 5٪ تا 10٪ ذرات جامد (حجم ذرات 10 ٪ 50 μm) باشد، کاهش فشار در مقایسه با محیط پاک 30٪ تا 50٪ افزایش می یابد. اگر ذرات بیش از حد بزرگ باشند (بیش از 100 μm) ، حتی ممکن است کانال جریان را مسدود کنند.که منجر به عدم عملکرد طبیعی PHE می شود..

انتخاب مواد PHEs (از جمله مواد صفحه و مواد گشایش) عمدتا توسط خواص شیمیایی و پارامترهای حالت محیط تعیین می شود.الزامات اصلی انتخاب مواد مقاومت در برابر خوردگی است، و سپس رسانایی حرارتی، مقاومت مکانیکی و هزینه مؤثر. تغییرات متوسط به طور مستقیم منجر به عدم مطابقت بین مواد اصلی و محیط جدید می شود،که منجر به خوردگی مواد می شود، پیری گاسکت و مشکلات دیگر، که بر عمر سرویس PHE تاثیر می گذارد.

قابلیت خوردگی عامل اصلی تعیین کننده مواد صفحه است. مواد رایج صفحه شامل فولاد ضد زنگ (304 ، 316L) ، تیتانیوم ، هستلوئی و آلیاژ مس است.فولاد ضد زنگ 316L به طور گسترده ای در رسانه های خنثی و ضعیف خوردنی (مانند آب) استفاده می شود.، روغن غذایی) ، اما در برابر اسیدهای قوی، قلیات قوی و رسانه های حاوی کلراید مقاوم نیست. تیتانیوم در برابر خوردگی قوی (مانند آب دریا،اسید کلرایدروکولیک) و برای شرایط سخت کار مناسب است.اگر محیط از خنثی به اسیدی تغییر کند (مانند مقدار pH از 7 تا 3) ،صفحه فولادی اصلی 304 از فولاد ضد زنگ خوردگی خواهد شد.در این زمان، لازم است که صفحه را با تیتانیوم یا Hastelloy جایگزین کنید.

مواد گاسکت نیز تحت تاثیر خواص شیمیایی این ماده قرار می گیرند. مواد گاسکت رایج شامل لاستیک نیتریل (NBR) ، مونومر اتیلن-پروپیلن-دیئن (EPDM) و لاستیک فلورین (Viton) است.NBR برای رسانه های مبتنی بر روغن مناسب است اما در برابر اسیدهای قوی و قلیات مقاوم نیست؛ EPDM برای رسانه های خنثی و ضعیف خوردنی مناسب است و مقاومت درجه حرارت بالایی دارد؛ ویتون در برابر اسیدهای قوی، قلیات قوی و حلال های آلی مقاوم است، اما هزینه آن بالا است.اگر رسانه از روغن به اسید قوی تغییر کند، بسته بندی اصلی NBR خوردگی و پیری خواهد داشت که منجر به نشت متوسط می شود و لازم است آن را با بسته بندی Viton جایگزین کنید.

تغییرات دمای و فشار بر انتخاب مواد با تغییر سرعت خوردگی محیط و خواص مکانیکی مواد تأثیر می گذارد.دمای بالا سرعت خوردگی محیط را تسریع می کند و قدرت مکانیکی و عمر خدمت مواد را کاهش می دهدبه عنوان مثال، هنگامی که دمای کار از 100 درجه سانتیگراد به 150 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، سرعت خوردگی از محیط به صفحه فولاد ضد زنگ 2 × 3 برابر افزایش می یابد.و لازم است که یک ماده با مقاومت بهتر در برابر خوردگی در دمای بالا انتخاب شود (مانند Hastelloy)فشار بالا نیاز به مقاومت مکانیکی بالاتر برای جلوگیری از تغییر شکل و یا آسیب به صفحه دارد. به عنوان مثال، هنگامی که فشار کار از 1.6 MPa به 4.0 MPa افزایش می یابد،صفحه اصلی فولاد ضد زنگ معمولی (ضخامت 0).5 میلی متر) نمی تواند به فشار بالا تحمل کند و لازم است ضخامت صفحه را افزایش دهید یا یک ماده با قدرت بالاتر را انتخاب کنید.

هنگامی که محیط حاوی یون های کلراید، یون های گوگرد یا دیگر یون های خوردنی باشد، خوردگی مواد صفحه را تسریع می کند. به عنوان مثال،حتی مقدار کمی از یون های کلرید (بیش از 200 ppm) باعث خوردگی حفره ای از صفحات فولاد ضد زنگ می شود.در این زمان، لازم است مواد مقاوم به کلرید (مانند تیتانیوم) را انتخاب کنید. علاوه بر این، اگر محیط حاوی حلال های آلی باشد،مواد گيسکت رو حل ميکنهبه عنوان مثال، محیط حاوی استون گاز NBR را حل می کند و لازم است آن را با گاز Viton جایگزین کنید.

ساختار صفحه (نوع صفحه، زاویه لوله کشی، ضخامت صفحه) و طراحی کانال جریان (عرض کانال جریان، جهت جریان،تعداد گذرگاه ها) از PHEs بر اساس شرایط جریان و نیازهای انتقال گرما در محیط اصلی طراحی شده است.تغییرات متوسط بر وضعیت جریان و نیازهای انتقال گرما محیط تاثیر می گذارد، بنابراین نیاز به تنظیمات در ساختار صفحه و طراحی کانال جریان دارد.

برای رسانه های با لزگی بالا، کانال جریان باریک اصلی منجر به کاهش فشار بیش از حد و انتقال گرما ضعیف می شود.برای کاهش مقاومت جریان و بهبود وضعیت جریان محیط، لازم است که یک نوع صفحه با کانال جریان گسترده تر (مانند صفحه ای با زاویه موج 30°) انتخاب شود.به عنوان مثال، هنگامی که رسانه از آب (لچک کم) به روغن سنگین (لچک بالا) تغییر می کند، باید عرض کانال جریان از 2 ¢3 mm به 4 ¢5 mm افزایش یابد تا کاهش فشار کاهش یابد.علاوه بر اين، رسانه های با لزگی بالا نیاز به نوع صفحه ای با اثر آشفتگی قوی تر دارند (مانند صفحه های موج دار هیرینگبون) برای افزایش انتقال گرما محرک.

برای رسانه هایی که رسانایی حرارتی پایین دارند، لازم است که منطقه انتقال گرما با افزایش تعداد صفحات یا انتخاب صفحات با یک سطح خاص بزرگتر افزایش یابد.هنگامی که محیط از آب به روغن موتور تغییر می کند (رسانش گرما کم)، تعداد صفحه ها نیاز به افزایش ۳۰٪ تا ۵۰٪ برای پاسخگویی به الزامات انتقال گرما دارد. علاوه بر این، زاویه نوردی صفحه نیز بر انتقال گرما و کاهش فشار تأثیر می گذارد:یک زاویه موج بزرگ تر (60 درجه) می تواند ضریب انتقال گرما را بهبود بخشد، اما کاهش فشار بزرگتر است؛ یک زاویه کوچک تر موج (30 °) می تواند کاهش فشار را کاهش دهد، اما ضریب انتقال گرما پایین تر است.تغییرات متوسط نیاز به تعادل انتقال گرما و کاهش فشار با تنظیم زاویه موج.

هنگامی که محیط تحت تغییر فاز (مانند تهویه بخار) قرار می گیرد، لازم است که یک نوع صفحه مناسب برای انتقال گرما تغییر فاز انتخاب شود.انتقال گرما از طریق تهویه نیاز به یک صفحه با سطح صاف و یک کانال جریان بزرگ برای تسهیل تخلیه مایع تهویه شده و جلوگیری از تجمع فیلم مایع دارد.انتقال گرما تبخیر نیاز به یک صفحه با یک کانال جریان یکنواخت برای اطمینان از گرم شدن متوسط به طور مساوی و جلوگیری از گرم شدن بیش از حد محلی دارد.رسانه های تغییر فاز نیاز به طراحی کانال جریان چند گذر برای افزایش زمان اقامت رسانه در PHE و بهبود کارایی تغییر فاز دارند..

تغییرات در درجه حرارت و فشار نیز بر ضخامت صفحه تأثیر می گذارد. دمای بالا و فشار بالا نیاز به صفحات ضخیم تر برای اطمینان از قدرت مکانیکی دارند. به عنوان مثال،زمانی که فشار کار از 1 افزایش می یابد.6 MPa به 4.0 MPa، ضخامت صفحه نیاز به افزایش از 0.5 mm به 0.8~1.0 mm دارد. علاوه بر این، رسانه های با دمای بالا نیاز به صفحات با رسانایی حرارتی خوب برای کاهش استرس حرارتی دارند.مانند صفحات آلیاژ مس یا صفحات تیتانیوم.

هنگامی که محیط حاوی ذرات جامد یا ناخالصی ها باشد، لازم است که یک نوع صفحه با یک کانال جریان گسترده و تمیز کردن آسان برای جلوگیری از انسداد کانال جریان انتخاب شود.محیط حاوی ذرات جامد باید یک صفحه با عرض کانال جریان بیش از 4 میلی متر را انتخاب کند.، و سطح صفحه باید صاف باشد تا تجمع ذرات را کاهش دهد.جهت جریان محیط باید به عنوان جریان ضد جریان طراحی شود تا کارایی انتقال گرما را بهبود بخشد و تجمع ذرات را کاهش دهد.برای رسانه هایی که تمایل جدی به آلودگی دارند، طراحی PHE قابل جدا شدن برای تسهیل تمیز کردن و نگهداری منظم ضروری است.

آلودگی یک مشکل رایج در عملیات PHE است، که به تجمع ناخالصی ها، مقیاس و سایر مواد در سطح صفحه اشاره دارد، که منجر به کاهش بهره وری انتقال گرما می شود.کاهش فشار بیشتر، و کوتاه شدن عمر خدمت. تغییرات متوسط یکی از علل اصلی آلودگی است. علاوه بر این، تغییرات متوسط نیز بر ثبات عملیاتی PHE تأثیر می گذارد،که منجر به مشکلات مانند نشت متوسط می شود.، تغییر شکل صفحه و نوسانات سیستم.

تغییرات در ترکیب محیط عامل اصلی منجر به آلودگی می شود. به عنوان مثال افزایش یون های کلسیم و منیزیم در محیط منجر به مقیاس بندی می شود.افزایش ذرات جامد منجر به آلودگی رسوب می شود.علاوه بر این، تغییرات در دمای هوا و فشار نیز سرعت آلودگی را افزایش می دهد.دمای بالا کریستالیزه شدن یون های کلسیم و منیزیم را تسریع می کند.، که منجر به مقیاس بندی می شود؛ تغییرات فشار منجر به بارش گازهای محلول شده در محیط می شود و باعث تشکیل فیلم گازی می شود.آلودگی نه تنها باعث کاهش بهره وری انتقال گرما می شود بلکه باعث کاهش فشار نیز می شود، که منجر به افزایش مصرف انرژی و حتی مسدود شدن کانال جریان می شود.

تغییرات متوسط ممکن است منجر به نشت متوسط شود. به عنوان مثال، تغییرات در خواص شیمیایی محیط ممکن است گاز یا صفحه را خورد کند و منجر به نشت شود.تغییرات در فشار ممکن است باعث تغییر شکل یا سقوط گاسکت شود.علاوه بر این، کاهش بیش از حد فشار ناشی از تغییرات متوسط ممکن است منجر به اضافه بار پمپ شود و عملکرد پایدار سیستم را تحت تاثیر قرار دهد.زمانی که افت فشار از حد طراحی فراتر رود، پمپ تحت فشار بیش از حد کار می کند که منجر به آسیب پمپ یا خاموش شدن سیستم می شود. علاوه بر این، تغییرات در حالت جریان محیط ممکن است منجر به توزیع نامنظم دمای صفحه شود.که منجر به فشار حرارتی و تغییر شکل صفحه می شود.

برای بررسی بیشتر تاثیر تغییرات متوسط بر شرایط طراحی PHEs، این مقاله دو مورد مهندسی عملی را تجزیه و تحلیل می کند،از جمله تاثیر تغییرات ترکیب متوسط در صنعت پتروشیمی و تاثیر تغییرات خواص فیزیکی در صنعت پردازش مواد غذایی، و اقدامات تطبیقی مربوطه را پیشنهاد می کند.

یک شرکت پتروشیمی از یک PHE برای گرم کردن نفت خام استفاده می کند. محیط طراحی اصلی نفت خام با کاهش آب 5٪ (کسان جرم) است، دمای ورودی نفت خام 70 ° C است،دمای خروجی 101 درجه سانتیگراد است.، و منطقه انتقال حرارتی PHE 120 متر است. مواد صفحه است 316L فولاد ضد زنگ، و مواد گاز است NBR. با توجه به تغییرات در شرایط بهره برداری از میدان نفت،کاهش آب نفت خام به 20 درصد افزایش می یابد، که منجر به تغییرات در خواص فیزیکی محیط می شود: لزوم 30٪ افزایش می یابد ، رسانایی حرارتی 15٪ کاهش می یابد و تراکم 8٪ افزایش می یابد.

پس از افزایش کاهش آب، مشکلات عملیاتی PHE به شرح زیر است: (1) کارایی انتقال گرما به طور قابل توجهی کاهش می یابد، دمای خروجی نفت خام به 99 °C کاهش می یابد،که نمی توانند الزامات فرآیند بعدی را برآورده کنند(2) کاهش فشار 40٪ افزایش می یابد که منجر به بارگذاری بیش از حد پمپ روغن خام و افزایش مصرف انرژی می شود. (3) آب در روغن خام باعث خوردگی جزئی صفحه می شود.و گيسنت پير شده و شکسته شده، با خطرات احتمالی نشت.

با توجه به تغییرات متوسط، اقدامات تنظیم طراحی زیر اتخاذ می شود: (1) تنظیم ساختار صفحه: افزایش تعداد صفحات، گسترش منطقه انتقال گرما به 150 m2و یک نوع صفحه با زاویه موج 30 درجه را برای کاهش کاهش فشار انتخاب کنید2) طراحی کانال جریان را بهینه کنید: عرض کانال جریان را از 2.5 mm به 3.5 mm افزایش دهید تا با محیط با لزگی بالا سازگار شود و تجمع ذرات را کاهش دهد.جایگزینی گچ NBR با گچ EPDM برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی روغن خام حاوی آب(4) اضافه کردن یک دستگاه پیش پردازش: نصب یک دستگاه جدایی آب- روغن در ورودی PHE برای کاهش آب برش نفت خام به 10٪ و کاهش تاثیر آب بر PHE.,دمای خروجی نفت خام به 101 درجه سانتیگراد بازگردانده می شود، کاهش فشار به سطح طراحی کاهش می یابد و ثبات عملیاتی PHE به طور قابل توجهی بهبود می یابد.سرمایه گذاری در اقدامات تنظیم در کمتر از سه ماه از طریق صرفه جویی در انرژی و کاهش هزینه های نگهداری بازپرداخت می شود.

یک شرکت فرآوری مواد غذایی از PHE برای خنک کردن شیر استفاده می کند. محیط طراحی اصلی شیر تازه با لزگی 1.2 mPa · s است، دمای ورودی 60 ° C است، دمای خروجی 4 ° C است،و مساحت انتقال گرما 80 متر مربع است. مواد صفحه از فولاد ضد زنگ 316L است و مواد گاسکت EPDM است. به دلیل جایگزینی منابع شیر خام ، لزگی شیر به 2 افزایش می یابد.5 mPa·s (به دلیل افزایش محتوای چربی)، و تراکم 5٪ افزایش می یابد.

پس از افزایش لزوم، مشکلات عملیاتی PHE به شرح زیر است: (1) حالت جریان شیر در کانال جریان از جریان آشفته به جریان لامینری تغییر می کند،ضریب انتقال حرارتی به واسطه محور ۴۵٪ کاهش می یابد.(2) کاهش فشار 50٪ افزایش می یابد که منجر به افزایش مصرف انرژی پمپ آب خنک کننده می شود.(3) شیر با لزگی بالا به راحتی به سطح بشقاب چسبیده است، که منجر به آلودگی و کاهش بهره وری انتقال گرما پس از کار طولانی مدت می شود.

اقدامات تنظیم طراحی به شرح زیر است: (1) نوع صفحه را جایگزین کنید:انتخاب صفحه های نال دار با زاویه نال 60 درجه برای افزایش آشفتگی و بهبود ضریب انتقال گرما(2) تنظیم جریان: افزایش جریان شیر 30٪ برای افزایش تعداد رینولدز و بازگرداندن حالت جریان آشفته؛ (3) بهینه سازی طراحی کانال جریان:طراحی کانال جریان چند گذر را برای افزایش زمان اقامت شیر در PHE و بهبود اثر خنک کننده اتخاذ کنید4) تقویت تمیز کردن: افزایش فرکانس تمیز کردن CIP ( تمیز کردن در محل) برای جلوگیری از تجمع آلودگی. پس از تنظیم، زمان خنک شدن شیر به سطح اصلی بازگردد.کاهش فشار 20 درصد کاهش می یابد.، و مشکل آلودگی به طور موثر کنترل می شود، اطمینان از عملکرد پایدار خط تولید.

برای مقابله با تاثیر تغییرات متوسط بر شرایط طراحی PHEs،لازم است استراتژی های علمی و منطقی برای تنظیم طراحی بر اساس نوع و میزان تغییرات در محیط طراحی شده، تهیه شود.استراتژی های اصلی تنظیم از پنج جنبه عبارتند از:

هنگامی که تغییرات محیط منجر به کاهش ضریب انتقال گرما شود،منطقه انتقال گرما را می توان با افزایش تعداد صفحات یا انتخاب صفحات با یک سطح خاص بزرگتر برای اطمینان از سرعت انتقال گرما افزایش دادبرای رسانه هایی که تغییرات فازی دارند، مدل محاسبه انتقال گرما باید تنظیم شود و گرمای پنهان تغییر فاز باید برای محاسبه دقیق منطقه انتقال گرما در نظر گرفته شود.علاوه بر اين، سرعت جریان رسانه را می توان برای تغییر تعداد رینولد، افزایش آشفتگی و بهبود ضریب انتقال گرما محور تنظیم کرد.سرعت جریان باید به طور مناسب افزایش یابد.در مورد رسانه های با لزگی پایین، سرعت جریان باید تنظیم شود تا از کاهش بیش از حد فشار جلوگیری شود.

هنگامی که تغییرات رسانه منجر به کاهش بیش از حد فشار می شود، عرض کانال جریان می تواند با انتخاب یک نوع صفحه با یک کانال جریان گسترده تر برای کاهش مقاومت جریان افزایش یابد.زاویه موج دار شدن صفحه را می توان تنظیم کرد: یک زاویه نوردی کوچکتر برای کاهش کاهش فشار انتخاب می شود و تعادل بین بهره وری انتقال گرما و کاهش فشار به دست می آید.تعداد گذرگاه های کانال جریان را می توان کاهش داد تا مسیر جریان رسانه کوتاه شود و کاهش فشار کاهش یابد.برای رسانه هایی که حاوی ذرات جامد هستند، یک دستگاه پیش پردازش (مانند فیلتر، جدا کننده) باید برای حذف ناخالصی ها و کاهش افت فشار و خطر آلودگی اضافه شود.

با توجه به تغییرات در خواص شیمیایی محیط، مواد صفحه و بسته بندی باید به موقع جایگزین شوند.مواد با مقاومت قوی در برابر خوردگی (مانند تیتانیوم)برای رسانه های حاوی حلال های آلی، مواد بسته بندی با مقاومت خوب به حلال (مانند Viton) باید انتخاب شوند.مواد با قدرت مکانیکی بالا و مقاومت در برابر دمای بالا باید انتخاب شوند، و ضخامت صفحه باید برای اطمینان از ثبات ساختاری افزایش یابد.آزمایش های خوردگی باید برای بررسی سازگاری مواد با محیط جدید انجام شود..

برای رسانه های با لزگی بالا، یک نوع صفحه با کانال جریان گسترده تر و اثر آشفتگی قوی تر را انتخاب کنید؛ برای رسانه های با تغییرات فاز، یک نوع صفحه مناسب برای انتقال گرما تغییر فاز را انتخاب کنید.برای رسانه هایی که حاوی ذرات جامد هستند، یک نوع صفحه با سطح صاف و تمیز کردن آسان را انتخاب کنید. عرض کانال جریان، جهت جریان را تنظیم کنید،و تعداد گذرگاه ها با توجه به وضعیت جریان و الزامات انتقال گرما در محیط جدید برای اطمینان از جریان یکنواخت و انتقال گرما کارآمدبرای PHEs قابل جدا شدن، ترتیب صفحه را می توان برای تغییر ساختار کانال جریان و سازگاری با تغییرات محیط تنظیم کرد.

برای رسانه هایی که تمایل جدی به پوسیدگی دارند، باید یک دستگاه پیش پردازش برای حذف ناخالصی ها و کاهش منابع پوسیدگی اضافه شود.سرعت جریان) برای کاهش سرعت آلودگی. یک برنامه تمیز کردن منظم را تهیه کنید، تمیز کردن CIP یا تمیز کردن دستی را برای از بین بردن لایه آلودگی در زمان و بازگرداندن کارایی انتقال گرما اتخاذ کنید.تقویت بازرسی روزانه و نگهداری PHE، سطح صفحه و گاسکت را برای خوردگی، پیری و آسیب بررسی کنید و آنها را به موقع جایگزین کنید تا ثبات عملیاتی را تضمین کنید.

تغییرات متوسط یک مشکل اجتناب ناپذیر در طراحی و عملکرد مبادلات گرما صفحه هستند و تأثیر جامع و گسترده ای بر شرایط طراحی PHEs دارند.تغییرات در خواص فیزیکی، خواص شیمیایی، پارامترهای حالت و ترکیب محیط به طور مستقیم بر عملکرد انتقال گرما، کاهش فشار، انتخاب مواد، ساختار صفحه تاثیر می گذارد.و ثبات عملیاتی PHEs، که منجر به یک سری مشکلات مانند کاهش بهره وری انتقال گرما، افزایش مصرف انرژی، خوردگی مواد و خرابی تجهیزات می شود.

از طریق تجزیه و تحلیل سیستماتیک مشخص شده است که تاثیر تغییرات در محیط بر طراحی PHE یک واکنش زنجیره ای است:تغییرات در خواص فیزیکی (به ویژه لرزش و رسانایی حرارتی) عوامل اصلی تأثیرگذار بر بهره وری انتقال گرما و کاهش فشار هستندتغییرات در خواص شیمیایی انتخاب مواد صفحات و گاسکت ها را تعیین می کند؛ تغییرات در پارامترهای حالت (به ویژه تغییرات فاز) بر نوع صفحه و طراحی کانال جریان تأثیر می گذارد.تغییرات در ترکیب متوسط خطر آلودگی را افزایش می دهد و بر بهره وری عملیاتی طولانی مدت تأثیر می گذارد.موارد مهندسی نشان می دهد که تنظیمات طراحی علمی و منطقی (مانند تنظیم منطقه انتقال گرما، جایگزینی مواد، بهینه سازی ساختار صفحه، تغییر در اندازه و اندازه صفحه)و تقویت کنترل آلودگی) می تواند به طور موثر با تأثیر تغییرات متوسط مقابله کند و عملکرد پایدار و کارآمد PHEs را تضمین کند..

در طراحی مهندسی عملی، لازم است که به طور کامل امکان تغییرات رسانه را در نظر بگیرید، تجزیه و تحلیل عمیق از خواص رسانه جدید را انجام دهید،و راهبردهای تنظیم طراحی هدفمند را شکل می دهنددر عین حال، نظارت بر پارامترهای متوسط در طول عملیات را تقویت کنید، اثرات تغییرات متوسط را به موقع پیدا کنید و با آنها مقابله کنید.برای استفاده کامل از مزایای PHEs، مصرف انرژی را کاهش می دهد و مزایای اقتصادی و اجتماعی سیستم را بهبود می بخشد.انواع رسانه های مبادله گرما پیچیده تر خواهند شد، و تحقیقات در مورد تأثیر تغییرات متوسط بر طراحی PHE عمیق تر خواهد شد، که پشتیبانی نظری و راهنمایی های فنی بیشتری برای بهینه سازی و ارتقاء PHEs فراهم می کند.