Centrum wiadomości
Streszczenie: Płytkowe wymienniki ciepła (PHE) są szeroko stosowane w dziedzinach przemysłowych, takich jak inżynieria chemiczna, przetwórstwo żywności, HVAC i petrochemikalia ze względu na ich kompaktową strukturę,wysoka wydajność transferu ciepła, i elastyczna skalowalność. Konstrukcja PHE jest ściśle związana z właściwościami fizycznymi, chemicznymi i termicznymi medium wymiany ciepła.skład, i parametry stanu) bezpośrednio wpływają na podstawowe warunki projektowania PHE, takie jak sprawność przenoszenia ciepła, spadek ciśnienia, wybór materiału, struktura płyty i stabilność pracy.Niniejszy artykuł systematycznie analizuje rodzaje zmian medium w projektowaniu PHE, analizuje mechanizm zmian medium wpływających na kluczowe parametry projektowania, łączy praktyczne przypadki inżynieryjne w celu zweryfikowania prawa wpływu i proponuje odpowiednie strategie dostosowania projektu.Badania pokazują, że zmiany średniej powodują reakcje łańcuchowe w systemie projektowania PHE: zmiany w właściwościach fizycznych (wiśnie, gęstość, przewodność cieplna) wpływają na współczynnik przenoszenia ciepła i spadek ciśnienia; zmiany w właściwościach chemicznych (żrzywość,W celu określenia właściwości i właściwości materiałów do produkcji płyt i uszczelnieniaZmiany parametrów stanu (temperatura, ciśnienie, faza) wpływają na wybór typu płyty i konstrukcję kanału przepływu; oraz zmiany składu medium (niedostępności, zanieczyszczenia, zanieczyszczenia)Zmieszane składniki) zwiększają ryzyko zanieczyszczenia i wpływają na długoterminową wydajność eksploatacyjnąBadanie to stanowi teoretyczną podstawę i praktyczne wytyczne dotyczące optymalizacji projektu, dostosowania działania i utrzymania PHE w warunkach średniej zmienności,pomoc w poprawie zdolności adaptacyjnej i niezawodności PHE w złożonych środowiskach przemysłowych.
Słowa kluczowe: wymiennik ciepła płyty; Średnia zmiana; Warunki konstrukcyjne; Wydajność przenoszenia ciepła; Spadek ciśnienia; Wybór materiału
Wymienniki ciepła płytkowe to rodzaj wysokiej wydajności urządzeń transferu ciepła składających się z serii płyt falistych, uszczelnień, płyt ramkowych i prętów wiązania.Proces wymiany ciepła realizowany jest poprzez zmienną przepływ ciepłych i zimnych mediów po obu stronach płytW porównaniu z tradycyjnymi wymiennikami ciepła w formie muszli i ruryPHE mają zaletę wysokiego współczynnika przenoszenia ciepła (3000 ‰ 7000 W/m2·K dla zastosowań płynno-płynnych), kompaktowa konstrukcja (gęstość powierzchni 100 ‰ 200 m2/m3, 4 ‰ 5 razy większa niż w przypadku wymienników ciepła w formie muszli i rurki), łatwe demontaż i konserwacja,i elastyczna regulacja powierzchni transferu ciepła poprzez zwiększanie lub zmniejszanie płytZalety te sprawiają, że PHE są szeroko stosowane w różnych dziedzinach przemysłu, a ich racjonalność konstrukcyjna bezpośrednio określa wydajność eksploatacyjną, zużycie energii,i żywotności całego systemu wymiany ciepła.
W produkcji przemysłowej na medium wymiany ciepła często wpływają czynniki takie jak wymiana surowca, dostosowanie procesu, modyfikacja formuły produktu oraz zmiany środowiska,powodujące zmiany w jego typie, skład, właściwości fizyczne i chemiczne oraz parametry stanu.zawartość wody w ropie naftowej może wzrosnąć z powodu zmian warunków eksploatacji pola naftowegoW przemyśle spożywczym lepkość mleka lub syropu może się zmieniać ze względu na różnice w źródłach surowców; w przemyśle chemicznymŻrącość środka może wzrosnąć z powodu dodania nowych składnikówPo zmianie medium pierwotne parametry projektowe PHE (takie jak obszar przenoszenia ciepła, typ płyty, materiał i przepływ) nie będą już odpowiadać rzeczywistym warunkom pracy,prowadzące do problemów, takich jak zmniejszona wydajność transferu ciepła, nadmierne spadek ciśnienia, zwiększone zużycie energii, korozja materiału, a nawet awaria sprzętu.
Obecnie większość istniejących badań nad projektowaniem PHE koncentruje się na optymalizacji struktury płyt, obliczeniach przenoszenia ciepła i kontroli skażenia,ale brakuje systematycznej analizy ogólnego wpływu zmian medium na warunki projektowaniaW praktyce inżynieryjnej wiele przedsiębiorstw często ignoruje wpływ zmian średniej, co powoduje, że PHE nie jest w stanie wykonywać swoich obowiązków, a nawet powoduje straty ekonomiczne.,gdy wzrośnie ilość wody w ropie naftowej, temperatura wyjściowa medium spadnie, a jeśli nie zostanie przeprojektowany PHE, konieczne jest dodanie palników do podgrzewania,co zwiększa roczne koszty operacyjne o 390W tym celu należy wprowadzić nowy system, który umożliwi zwiększenie temperatury wyjścia i uzyskanie zwrotu z inwestycji w mniej niż trzy miesiące.Istnieje duże teoretyczne i praktyczne znaczenie badania wpływu zmian medium na warunki projektowania PHEs., wyjaśnić mechanizm oddziaływania i zaproponować strategie dostosowania.
W niniejszym artykule najpierw klasyfikowane są rodzaje zmian medium w projektowaniu PHE, a następnie analizowany jest wpływ różnych rodzajów zmian medium na kluczowe warunki projektowania (wydajność transferu ciepła, spadek ciśnienia,W celu określenia właściwości mechanizmów, które mają być wykorzystane w procesie tworzenia płyt, w celu określenia właściwości mechanizmów, w celu określenia właściwości mechanizmów, wyboru materiału, struktury płyt itp.), połączenia praktycznych przypadków do weryfikacji i wreszcie przedstawienia metod dostosowywania projektu i sugestii optymalizacji,wspieranie racjonalnego projektowania i stabilnego funkcjonowania PHE w warunkach średniej zmienności.
Środowisko w PHEs odnosi się do ciepłych i zimnych płynów zaangażowanych w wymianę ciepła, a jego zmiany są zróżnicowane, ale można je podzielić na cztery kategorie w zależności od charakteru zmiany:zmiany właściwości fizycznychZmiany w właściwościach chemicznych, zmiany parametrów stanu i zmiany składu medium.zmiany temperatury mogą prowadzić do zmian lepkości i gęstości, a zmiany w składzie mogą prowadzić do zmian w korozyjności).
Właściwości fizyczne medium, które wpływają na konstrukcję PHE, obejmują głównie lepkość, gęstość, przewodność cieplną, właściwą pojemność cieplną i napięcie powierzchniowe.Zmiany w tych właściwościach fizycznych będą bezpośrednio wpływać na stan przepływu środka w kanale przepływu i proces transferu ciepłaCzęste zmiany właściwości fizycznych obejmują: wzrost lub spadek lepkości (np. wzrost lepkości oleju smarowego po starzeniu, spadek lepkości syropu po podgrzaniu),wzrost lub zmniejszenie gęstości (np. mieszanie lekkich i ciężkich olejów) oraz zmiany przewodności cieplnej (np. dodanie do środka dodatków przenoszących ciepło).lepkość i przewodność cieplna to dwie najważniejsze właściwości fizyczne, które mają największy wpływ na efektywność przenoszenia ciepła i spadek ciśnienia.
Właściwości chemiczne środka wpływają głównie na dobór materiału PHE, w tym na korozyjność, reaktywność, utlenialność i redukowalność.Zmiany właściwości chemicznych często występują w wyniku wymiany surowców, dodawanie nowych składników lub reakcje chemiczne podczas procesu wymiany ciepła.Środek może zmienić się z neutralnego na kwasowy lub alkaliczny z powodu regulacji procesu; w przemyśle spożywczym medium może wytwarzać substancje kwaśne w wyniku fermentacji, zwiększając korozyjność; w przemyśle petrochemicznym zawartość siarki w medium może wzrosnąć,prowadzące do zwiększonej korozji materiałów metalowychPonadto niektóre media mogą reagować ze sobą lub z materiałami płyty/uszczelnienia, co prowadzi do uszkodzenia materiału i awarii urządzenia.
Parametry stanu medium odnoszą się do temperatury, ciśnienia i stanu fazy (płyn, gaz, mieszanina stała-płynna) podczas wymiany ciepła.Zmiany parametrów stanu są częste w produkcji przemysłowej, np. zmiany temperatury wejścia/wyjścia medium z powodu regulacji obciążenia procesu, zmiany ciśnienia roboczego układu z powodu zablokowania rurociągu lub awarii pompy,i zmiany fazy medium podczas wymiany ciepła (np. kondensacja paryWśród nich zmiany fazowe mają najważniejszy wpływ na projektowanie PHE.ponieważ zmienią mechanizm przenoszenia ciepła i wymagają specjalnego typu płyty i konstrukcji kanału przepływowego.
Zmiany w składzie medium odnoszą się do dodania zanieczyszczeń, mieszanych składników lub zmian w proporcji składników w pierwotnym medium.medium może zawierać cząstki stałe (np. osad w wodzie, cząstki katalizatorów w reakcjach chemicznych) z powodu zanieczyszczenia surowców; mieszanie dwóch lub więcej nośników (takich jak mieszanie wody i oleju) zmienia ogólne właściwości nośnika;zmiana udziału składników w środku (np. zmiana odcięcia wody ropy naftowej)Zmiany w składzie medium będą miały wpływ nie tylko na właściwości fizyczne i chemiczne medium, ale również zwiększą ryzyko skażenia i zablokowania kanału przepływu,wpływające na długoterminowe funkcjonowanie PHE.
Konstrukcja PHE opiera się na pierwotnych parametrach medium, a każda zmiana medium spowoduje reakcję łańcuchową w systemie projektowanym.Poniżej przeanalizowane zostaną wpływ zmian medium na kluczowe warunki projektowania z pięciu aspektów.: wydajność transferu ciepła, spadek ciśnienia, wybór materiału, struktura płyty i konstrukcja kanału przepływu, a także stabilność w przypadku zanieczyszczenia i działania.
Wydajność transferu ciepła jest podstawowym wskaźnikiem projektowania PHE, który mierzy się głównie współczynnikiem transferu ciepła (U) i szybkością transferu ciepła (Q).Proces przenoszenia ciepła PHE obejmuje trzy ogniwa: konwekcyjny transfer ciepła z ciepłego medium do ściany płyty, przewodzący transfer ciepła przez ścianę płyty i konwekcyjny transfer ciepła z ściany płyty do zimnego medium.Zmiany w środku wpływają na skuteczność przenoszenia ciepła poprzez zmianę wydajności konwekcyjnego przenoszenia ciepła i oporu cieplnego środka.
Większa lepkość środka, większy opór przepływu.Im trudniej jest tworzyć turbulencjeNa przykład, gdy lepkość gorącego medium wzrasta o 50%,liczba Reynoldsa (Re) medium w kanale przepływowym znacznie zmniejszy się (Re jest odwrotnie proporcjonalna do lepkości), a stan przepływu zmieni się z przepływu turbulentnego na przepływ laminowy.powodujące znaczne zmniejszenie prędkości transferu ciepłaW przeciwieństwie do tego, zmniejszenie lepkości zwiększy liczbę Reynoldsa, zwiększy turbulencję i poprawi współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła.
Przewodność cieplna ma bezpośredni wpływ na zdolność przenoszenia ciepła medium. Im wyższa przewodność cieplna medium, tym szybszy transfer ciepła między medium a ścianą płyty,i im wyższy współczynnik przenoszenia ciepłaPrzykładowo przy zmianie medium z wody (przewodność cieplna 0,6 W/mK) na olej silnikowy (przewodność cieplna 0,14 W/mK) przewodność cieplna zmniejsza się o 77%,i współczynnik konwekcyjnego przeniesienia ciepła zostanie znacznie zmniejszony, co wymaga zwiększenia powierzchni przenoszenia ciepła w celu spełnienia wymogów projektowych dotyczących przenoszenia ciepła.zmiany gęstości i właściwej pojemności cieplnej będą miały wpływ na przepływ pojemności cieplnej (m·cp) medium, wpływając w ten sposób na różnicę temperatury pomiędzy wejściem i wyjściem medium oraz szybkość przenoszenia ciepła.
Zmiany temperatury wpływają na skuteczność przenoszenia ciepła na dwa sposoby: z jednej strony zmiany temperatury prowadzą do zmian właściwości fizycznych medium (takich jak lepkość,przewodnictwo cieplne), wpływając w ten sposób na współczynnik konwekcyjnego przeniesienia ciepła; z drugiej strony zmiany temperatury wejścia/wyjścia medium zmienią logarytmiczną średnią różnicę temperatury (LMTD),która jest siłą napędową przenoszenia ciepłaNa przykład, jeśli temperatura wejścia gorącego medium zmniejszy się o 20°C, LMTD zmniejszy się, a współczynnik transferu ciepła odpowiednio zmniejszy się.Utrzymanie pierwotnego wymogu przenoszenia ciepła, konieczne jest zwiększenie powierzchni przenoszenia ciepła lub dostosowanie natężenia przepływu medium.
Zmiany fazowe (takie jak kondensacja pary, parowanie płynu) znacząco zmienią mechanizm transferu ciepła.latentne ciepło zmiany fazy zostanie uwolnione lub wchłonięte, co może znacznie poprawić szybkość przenoszenia ciepła.współczynnik przenoszenia ciepła może być zwiększony o 2 ̇ 3 razyZmiany fazowe wymagają jednak również wyższych wymogów dotyczących typu płyty i konstrukcji kanału przepływu.kondensacja pary wymaga rodzaju płyty o dobrej skuteczności separacji gaz-płyn, aby uniknąć akumulacji płynu płynnego wpływającego na transfer ciepłaW przypadku parowania cieczy wymagany jest kanał przepływu o równomiernym rozmieszczeniu, aby zapewnić równomierne podgrzewanie medium.
Jeżeli medium zawiera cząstki stałe lub zanieczyszczenia, cząstki te tworzą warstwę zanieczyszczającą na powierzchni płyty, zwiększając odporność termiczną warstwy zanieczyszczającej,zmniejszając w ten sposób całkowity współczynnik przenoszenia ciepłaIm wyższa zawartość cząstek, tym szybciej występuje skażenie, a tym większe zmniejszenie efektywności przenoszenia ciepła.gdy woda używana jako medium chłodzące zawiera dużą ilość jonów wapnia i magnezu, po długotrwałej pracy na powierzchni płyty wystąpi skalowanie, a przewodność cieplna warstwy skalowania wynosi tylko 1/101/5 przewodności płyty metalowej,który zmniejszy współczynnik przenoszenia ciepła o 20%~40% po skalowaniuPonadto mieszanie różnych mediów może prowadzić do wzajemnego rozpadu lub warstwawienia,zmiana ogólnych właściwości fizycznych medium i dalszy wpływ na osiągi przenoszenia ciepła.
Spadek ciśnienia jest kolejnym kluczowym warunkiem projektowania PHE, który odnosi się do utraty ciśnienia medium podczas przepływu przez kanał przepływu PHE.Spadek ciśnienia ma bezpośredni wpływ na zużycie energii przez pompę (lub wentylator) i stabilność pracy systemuSpadek ciśnienia PHE jest głównie określany przez opór przepływu medium w kanale przepływu, który jest związany z właściwościami fizycznymi medium, szybkością przepływu, strukturą kanału przepływu,Zmiany średniej wpływają na spadek ciśnienia poprzez zmianę oporu przepływu środka.
Większa lepkość środka, większy opór przepływu i większy spadek ciśnienia.Według formuły mechaniki płynów, spadek ciśnienia jest proporcjonalny do lepkości medium przy tej samej przepływie i strukturze kanału przepływowego.spadek ciśnienia wzrośnie o około 80% ≈ 100% przy tej samej przepływiePonadto gęstość środka wpływa również na spadek ciśnienia: im większa gęstość środka, tym większa siła inercyjna płynu,i im wyższy spadek ciśnienia przy tej samej przepływie.
Zmiany temperatury wpływają na spadek ciśnienia poprzez zmianę lepkości i gęstości medium.i spadek ciśnienia zmniejsza się odpowiednioZmiany ciśnienia będą miały wpływ na gęstość i stan fazowy medium.gdy ciśnienie robocze jest niższe niż ciśnienie nasycenia medium, medium odparowuje się, tworząc dwufazowy przepływ płynu gazowego, co znacznie zwiększa opór przepływu i spadek ciśnienia.spadek ciśnienia PHE zależy również od natężenia przepływu mediumJeśli natężenie przepływu środka wzrośnie z powodu regulacji procesu, spadek ciśnienia gwałtownie wzrośnie (spadek ciśnienia jest proporcjonalny do kwadratu natężenia przepływu).
Kiedy medium zawiera cząstki stałe lub zanieczyszczenia, cząstki zderzą się ze ścianą płyty i ze sobą podczas procesu przepływu, zwiększając opór przepływu i spadek ciśnienia.W dodatku, cząstki gromadzą się w kanale przepływowym, zwężając przekrój kanału przepływowego, zwiększając dalej przepływ i spadek ciśnienia.gdy medium zawiera 5%~10% cząstek stałych (rozmiar cząstek 10~50 μm), spadek ciśnienia wzrośnie o 30%~50% w porównaniu z czystego medium.powodujące nieprawidłowe działanie PHE.
Wybór materiału PHE (w tym materiału płyty i materiału uszczelnienia) zależy głównie od właściwości chemicznych i parametrów stanu medium.Podstawowym wymogiem wyboru materiału jest odporność na korozję, a następnie przewodność cieplna, wytrzymałość mechaniczna i opłacalność.powodujące korozję materiału, starzenie się uszczelnienia i inne problemy, wpływające na żywotność urządzenia.
Korrozyjność jest kluczowym czynnikiem określającym materiał płyty.Stal nierdzewna 316L jest szeroko stosowana w mediach neutralnych i słabo żrących (takich jak woda, olej spożywczy), ale nie jest odporny na silne kwasy, szczeliny i środki zawierające chlorydy; tytan jest odporny na silną korozję (np. wodę morską,kwas solny) i nadaje się do trudnych warunków pracy.; Hastelloy jest odporny na większość silnych kwasów i kwasów alkalicznych i jest stosowany w przemyśle chemicznym z silnymi środkami żrącymi.oryginalna tablica ze stali nierdzewnej 304 zostanie skorodowanaW tym momencie konieczne jest zastąpienie płyty tytanem lub Hastelloyem.
Materiał uszczelniający jest również pod wpływem właściwości chemicznych środka.NBR nadaje się do mediów na bazie ropy naftowej, ale nie jest odporny na silne kwasy i alkały; EPDM nadaje się do neutralnych i słabo korozyjnych nośników i ma dobrą odporność na wysokie temperatury; Viton jest odporny na silne kwasy, silne alkały i rozpuszczalniki organiczne, ale jego koszty są wysokie.Jeśli medium zmieni się z oleju na silny kwas, oryginalna uszczelka NBR ulegnie korozji i starzeje się, co prowadzi do średniego wycieku, i konieczne jest zastąpienie jej uszczelką Viton.
Zmiany temperatury i ciśnienia wpływają na wybór materiału poprzez zmianę szybkości korozji medium i właściwości mechanicznych materiału.Wysoka temperatura przyspieszy szybkość korozji medium i zmniejszy wytrzymałość mechaniczną i żywotność materiałuPrzykładowo, gdy temperatura pracy wzrośnie z 100°C do 150°C, szybkość korozji środka do płyty ze stali nierdzewnej wzrośnie o 2-3 razy.i należy wybrać materiał o lepszej odporności na korozję w wysokich temperaturach (np. Hastelloy)W celu uniknięcia deformacji lub uszkodzenia płyty wysokie ciśnienie wymaga od materiału wyższej wytrzymałości mechanicznej.oryginalna zwykła płytka ze stali nierdzewnej (tłuszcz 0.5 mm) nie wytrzyma dużego ciśnienia i konieczne jest zwiększenie grubości płyty lub wybór materiału o wyższej wytrzymałości.
Kiedy medium zawiera jony chlorku, jony siarki lub inne jony korozyjne, przyspieszy korozję materiału płyty.nawet niewielka ilość jonów chlorku (ponad 200 ppm) spowoduje korozję do dołków płyt ze stali nierdzewnejW tym momencie konieczne jest wybranie materiałów odpornych na chlor (takich jak tytan).Rozpuszcza materiał uszczelnieniaPrzykładowo medium zawierające aceton rozpuszcza uszczelnienie NBR i konieczne jest jego zastąpienie uszczelnieniem Viton.
Struktura płyty (typ płyty, kąt falności, grubość płyty) i konstrukcja kanału przepływu (szerokość kanału przepływu, kierunek przepływu,liczba przejść) PHE są zaprojektowane zgodnie z stanem przepływu i wymaganiami przenoszenia ciepła pierwotnego mediumZmiany w środku będą miały wpływ na stan przepływu i wymagania w zakresie transferu ciepła w środku, co wymaga dostosowania struktury płyty i konstrukcji kanału przepływu.
W przypadku mediów o wysokiej lepkości pierwotny wąski kanał przepływu prowadzi do nadmiernego spadku ciśnienia i złego przenoszenia ciepła.Należy wybrać typ płyty o szerszym kanale przepływu (np. płytę o kącie falkowania 30°) w celu zmniejszenia oporu przepływu i poprawy stanu przepływu mediumPrzykładowo, gdy medium jest zmieniane z wody (niskiej lepkości) na olej ciężki (wysokiej lepkości), szerokość kanału przepływu musi zostać zwiększona z 2 mm3 do 4 mm5 w celu zmniejszenia spadku ciśnienia.W dodatku, nośniki o wysokiej lepkości wymagają typu płyty o silniejszym działaniu turbulencji (takie jak płyty faliste z kości śledzia) w celu zwiększenia konwekcyjnej przenoszenia ciepła.
W przypadku nośników o niskiej przewodności cieplnej konieczne jest zwiększenie powierzchni przenoszenia ciepła poprzez zwiększenie liczby płyt lub wybór płyt o większej powierzchni właściwej.gdy medium jest zmieniane z wody na olej silnikowy (niska przewodność cieplna), liczba płyt musi zostać zwiększona o 30%~50% w celu spełnienia wymagań dotyczących przenoszenia ciepła.większy kąt falkowania (60°) może poprawić współczynnik przenoszenia ciepła, ale spadek ciśnienia jest większy; mniejszy kąt fali (30°) może zmniejszyć spadek ciśnienia, ale współczynnik przenoszenia ciepła jest niższy.Średnie zmiany muszą zrównoważyć przenoszenie ciepła i spadek ciśnienia poprzez dostosowanie kąta falistego.
W przypadku zmiany fazy (np. kondensacji pary) należy wybrać typ płyty odpowiedni do zmiany fazy.przepływ ciepła z kondensacji wymaga płyty o gładkiej powierzchni i dużego kanału przepływu, aby ułatwić wyładowanie skondensowanego płynu i uniknąć akumulacji płynuW przypadku przemieszczania ciepła w wyniku parowania wymagana jest płytka o jednolitym kanale przepływu, aby zapewnić równomierne ogrzewanie medium i zapobiec lokalnemu przegrzaniu.Środki zmiany fazy wymagają projektowania kanału przepływowego wielokrotnego przejścia w celu wydłużenia czasu pobytu medium w PHE i poprawy wydajności zmiany fazy.
Zmiany temperatury i ciśnienia wpływają również na grubość płyty.gdy ciśnienie robocze wzrasta z 1.6 MPa do 4,0 MPa, grubość płyty musi zostać zwiększona z 0,5 mm do 0,8 ∼1,0 mm. Ponadto medium o wysokiej temperaturze wymaga płyt o dobrej przewodności cieplnej w celu zmniejszenia naprężenia cieplnego,o pojemności nieprzekraczającej 10 W.
W przypadku, gdy medium zawiera cząstki stałe lub zanieczyszczenia, należy wybrać typ płyty o szerokim kanale przepływu i łatwym czyszczeniu, aby uniknąć zablokowania kanału przepływu.medium zawierające cząstki stałe powinno wybrać płytę o szerokości kanału przepływu większej niż 4 mm, a powierzchnia płyty powinna być gładka w celu zmniejszenia akumulacji cząstek.kierunek przepływu medium powinien być zaprojektowany jako przepływ przeciwprądu w celu poprawy wydajności transferu ciepła i zmniejszenia akumulacji cząstekW przypadku nośników o poważnej skłonności do skażenia konieczne jest zaprojektowanie odłączalnego urządzenia PHE, aby ułatwić regularne czyszczenie i konserwację.
Uprawienie jest częstym problemem w pracy PHE, który odnosi się do gromadzenia się zanieczyszczeń, skał i innych substancji na powierzchni płyty, co prowadzi do zmniejszenia wydajności transferu ciepła,wzrost spadku ciśnienia, a także skrócenie czasu użytkowania. Średnie zmiany są jedną z głównych przyczyn skażenia. Ponadto średnie zmiany będą również wpływać na stabilność pracy PHE,doprowadza do problemów, takich jak przecieki średnie, deformacji płyt i wahania układu.
Zmiany w składzie medium są głównym czynnikiem prowadzącym do skażenia, np. wzrost ilości jonów wapnia i magnezu w medium doprowadzi do skalowania;zwiększenie ilości cząstek stałych doprowadzi do zanieczyszczenia osadówZmiany temperatury i ciśnienia również przyspieszą tempo skażenia.wysoka temperatura przyspieszy krystalizację jonów wapnia i magnezu, co prowadzi do skalowania; zmiany ciśnienia doprowadzą do opadowania rozpuszczonych gazów w środku, tworząc powstawanie folii gazowej.Zanieczyszczenie nie tylko obniża efektywność przenoszenia ciepła, ale również zwiększa spadek ciśnienia, co prowadzi do zwiększonego zużycia energii, a nawet zablokowania kanału przepływu.
Na przykład zmiany w właściwościach chemicznych medium mogą korozować uszczelnienie lub płytę, co prowadzi do wycieku;zmiany ciśnienia mogą powodować deformację lub odpad uszczelnieniaPonadto nadmierne spadek ciśnienia spowodowany zmianami medium może prowadzić do przeciążenia pompy, wpływając na stabilną pracę systemu.gdy spadek ciśnienia przekracza granicę projektową, pompa będzie działać pod obciążeniem, co prowadzi do uszkodzenia pompy lub wyłączenia systemu.powodujące naprężenie cieplne i deformację płyty.
W celu dalszej weryfikacji wpływu zmian medium na warunki projektowania PHE w niniejszym artykule analizowane są dwa praktyczne przypadki inżynieryjne,w tym wpływ zmian składu medium w przemyśle petrochemicznym i wpływ zmian właściwości fizycznych w przemyśle przetwórczym żywności, a następnie proponuje odpowiednie środki dostosowawcze.
Przedsiębiorstwo petrochemiczne wykorzystuje PHE do podgrzewania ropy naftowej.temperatura wyjścia wynosi 101°C, a powierzchnia transferu ciepła PHE wynosi 120 m2. Materiał płyty to stal nierdzewna 316L, a materiał uszczelnienia jest NBR. Ze względu na zmiany warunków eksploatacji pola naftowego,Odcięcie wody z ropy naftowej wzrasta do 20%, co prowadzi do zmian właściwości fizycznych medium: lepkość wzrasta o 30%, przewodność cieplna maleje o 15%, a gęstość wzrasta o 8%.
Po zwiększeniu redukcji wody problemy eksploatacyjne PHE są następujące: (1) Skuteczność przenoszenia ciepła znacznie spada, temperatura wyjścia ropy naftowej spada do 99°C,które nie mogą spełniać wymogów kolejnych procesów2) Spadek ciśnienia wzrasta o 40%, co prowadzi do przeciążenia pompy ropy naftowej i zwiększonego zużycia energii; 3) Woda w ropie naftowej powoduje lekką korozję płyty,a uszczelka jest starza i zdeformowana, z potencjalnym ryzykiem wycieku.
W zależności od zmian medium przyjmuje się następujące środki dostosowania konstrukcji: 1) dostosować strukturę płyt: zwiększyć liczbę płyt, zwiększyć powierzchnię przenoszenia ciepła do 150 m2,i wybierz typ płyty o kącie falności 30° w celu zmniejszenia spadku ciśnienia2) Optymalizacja konstrukcji kanału przepływowego: zwiększenie szerokości kanału przepływowego z 2,5 mm do 3,5 mm w celu dostosowania się do medium o wysokiej lepkości i zmniejszenia akumulacji cząstek; 3) Zastąpienie materiału uszczelnienia:Zastąpienie uszczelnienia NBR uszczelnieniem EPDM w celu poprawy odporności na korozję na ropę surową zawierającą wodę(4) Dodać urządzenie wstępnej obróbki: zainstalować urządzenie oddzielające wodę od oleju w wejściu do PHE w celu zmniejszenia odcięcia wody ropy naftowej do 10% i zmniejszenia wpływu wody na PHE.,temperatura wyjścia ropy naftowej zostaje przywrócona do 101°C, spadek ciśnienia jest zmniejszony do poziomu projektowego, a stabilność pracy PHE jest znacznie poprawiona.Inwestycja w środki dostosowawcze odzyskuje się w ciągu mniej niż trzech miesięcy dzięki oszczędnościom energii i zmniejszeniu kosztów utrzymania.
Przedsiębiorstwo przetwarzające żywność wykorzystuje PHE do chłodzenia mleka.a powierzchnia przenoszenia ciepła wynosi 80 m2Materiał płyty jest ze stali nierdzewnej 316L, a materiał uszczelnienia EPDM. Ze względu na wymianę źródeł surowego mleka lepkość mleka wzrasta do 2.5 mPa·s (ze względu na wzrost zawartości tłuszczu), a gęstość wzrasta o 5%.
Po zwiększeniu lepkości problemy operacyjne PHE są następujące: 1) stan przepływu mleka w kanale przepływu zmienia się z przepływu turbulentnego na przepływ laminowy,współczynnik transferu ciepła konwekcyjny zmniejsza się o 45%2) Spadek ciśnienia wzrasta o 50%, co prowadzi do zwiększenia zużycia energii przez pompę wody chłodzącej;(3) Mleko o wysokiej lepkości łatwo przylega do powierzchni płytyPo długotrwałej pracy powodują one zanieczyszczenie i zmniejszenie efektywności transferu ciepła.
Środki dostosowania konstrukcji są następujące: (1) Wymiana typu tablicy:wybierać płyty faliste z kości śledzia o kącie falistych 60° w celu zwiększenia turbulencji i poprawy współczynnika konwekcyjnego przenoszenia ciepła2) Dostosować przepływ: zwiększyć przepływ mleka o 30% w celu zwiększenia liczby Reynoldsa i przywrócenia stanu przepływu turbulentnego; 3) zoptymalizować konstrukcję kanału przepływu:wprowadzenie projektu kanału przepływowego wielokrotnego przepływu w celu wydłużenia czasu pobytu mleka w PHE i poprawy efektu chłodzenia; 4) Wzmocnienie czyszczenia: zwiększenie częstotliwości czyszczenia CIP (Clean-in-place) w celu uniknięcia gromadzenia się zanieczyszczeń.spadek ciśnienia jest zmniejszony o 20%, a problem skażenia jest skutecznie kontrolowany, zapewniając stabilną pracę linii produkcyjnej.
Aby poradzić sobie z wpływem zmian w średnim zakresie na warunki projektowania PHE,konieczne jest opracowanie naukowych i rozsądnych strategii dostosowania projektu w oparciu o rodzaj i stopień zmian mediumNastępujące są kluczowe strategie dostosowania z pięciu aspektów:
W przypadku gdy zmiany medium prowadzą do zmniejszenia współczynnika przenoszenia ciepła,obszar przenoszenia ciepła można zwiększyć poprzez zwiększenie liczby płyt lub wybór płyt o większej powierzchni specyficznej w celu zapewnienia szybkości przenoszenia ciepłaW przypadku nośników o zmianach fazowych należy dostosować model obliczania przeniesienia ciepła, a w celu dokładnego obliczenia obszaru przeniesienia ciepła należy wziąć pod uwagę ukryte ciepło zmiany fazy.W dodatku, natężenie przepływu medium można regulować w celu zmiany liczby Reynoldsa, zwiększenia turbulencji i poprawy współczynnika konwekcyjnego przenoszenia ciepła.przepływ należy odpowiednio zwiększyć; w przypadku mediów o niskiej lepkości przepływ należy regulować w celu uniknięcia nadmiernego spadku ciśnienia.
W przypadku gdy zmiany medium prowadzą do nadmiernego spadku ciśnienia, szerokość kanału przepływu można zwiększyć, wybierając typ płyty o szerszym kanale przepływu w celu zmniejszenia oporu przepływu.Kąt falistej płyty można regulować: w celu zmniejszenia spadku ciśnienia wybierany jest mniejszy kąt falkowania i osiąga się równowaga między efektywnością przenoszenia ciepła a spadku ciśnienia.liczba przejść kanału przepływu może zostać zmniejszona w celu skrócenia drogi przepływu medium i zmniejszenia spadku ciśnieniaW przypadku nośników zawierających cząstki stałe należy dodać urządzenie wstępnej obróbki (takie jak filtr, separator) w celu usunięcia zanieczyszczeń i zmniejszenia spadku ciśnienia i ryzyka skażenia.
W zależności od zmian w właściwościach chemicznych środka, materiały płyty i uszczelnienia należy w odpowiednim czasie wymienić.Materiały o wysokiej odporności na korozję (np. tytan), Hastelloy) należy wybrać; dla nośników zawierających rozpuszczalniki organiczne należy wybrać materiały uszczelniające o dobrej odporności na rozpuszczalniki (np. Viton).Należy wybrać materiały o wysokiej wytrzymałości mechanicznej i wysokiej odporności na temperaturę, a grubość płyty powinna zostać zwiększona w celu zapewnienia stabilności konstrukcyjnej.należy przeprowadzić badania korozji w celu zweryfikowania zdolności materiału do dostosowania się do nowego medium.
W przypadku nośników o wysokiej lepkości należy wybrać typ płyty o szerszym kanale przepływu i silniejszym działaniu turbulencji; w przypadku nośników o zmianach fazy należy wybrać typ płyty odpowiedni do przesyłu ciepła z zmianą fazy;dla nośników zawierających cząstki stałe, wybierz typ płyty o gładkiej powierzchni i łatwym do czyszczenia.i liczba przepływów zgodnie z stanem przepływu i wymaganiami w zakresie transferu ciepła nowego medium w celu zapewnienia równomiernego przepływu medium i efektywnego transferu ciepłaW przypadku PHE odłączalnych układ płyty można dostosować do zmiany struktury kanału przepływu i dostosowania się do zmian medium.
W przypadku nośników o poważnej skłonności do skażenia należy dodać urządzenie wstępnej obróbki w celu usunięcia zanieczyszczeń i zmniejszenia źródeł skażenia.przepływ) w celu spowolnienia szybkości zanieczyszczenia. Opracować regularny plan czyszczenia, przyjąć czyszczenie CIP lub ręczne czyszczenie w celu usunięcia warstwy skażonej w czasie i przywrócenia wydajności transferu ciepła.Wzmocnienie codziennej kontroli i utrzymania PHE, sprawdź powierzchnię płyty i uszczelnienie pod kątem korozji, starzenia się i uszkodzenia i zastąp je w odpowiednim czasie, aby zapewnić stabilność pracy.
Średnie zmiany stanowią nieunikniony problem w projektowaniu i eksploatacji wymienników ciepła płytkowych i mają wszechstronny i dalekosiężny wpływ na warunki projektowania PHE.Zmiany właściwości fizycznych, właściwości chemiczne, parametry stanu i skład medium bezpośrednio wpływają na właściwości przenoszenia ciepła, spadek ciśnienia, wybór materiału, strukturę płyty,i stabilności operacyjnej PHE, co prowadzi do szeregu problemów, takich jak zmniejszona wydajność transferu ciepła, zwiększone zużycie energii, korozja materiałów i awaria urządzeń.
Dzięki systematycznej analizie stwierdzono, że wpływ zmian medium na projektowanie PHE jest reakcją łańcuchową:zmiany właściwości fizycznych (zwłaszcza lepkości i przewodności cieplnej) są głównymi czynnikami wpływającymi na efektywność przenoszenia ciepła i spadek ciśnienia; zmiany właściwości chemicznych decydują o wyborze materiału płyt i uszczelnień; zmiany parametrów stanu (zwłaszcza zmiany fazy) wpływają na typ płyty i konstrukcję kanału przepływu;Zmiany w składzie środka zwiększają ryzyko skażenia i wpływają na długoterminową wydajność eksploatacyjnąBadania inżynieryjne pokazują, że naukowe i rozsądne dostosowania projektowe (takie jak dostosowanie powierzchni przenoszenia ciepła, wymiana materiałów, optymalizacja struktury płyty,Zmiany w środowisku mogą skutecznie sprostać wpływowi zmian w środowisku i zapewnić stabilne i wydajne działanie PHE..
W praktycznym projektowaniu inżynieryjnym konieczne jest pełne rozważenie możliwości zmian medium, przeprowadzenie dogłębnej analizy właściwości nowego medium,i opracowanie ukierunkowanych strategii dostosowania projektuJednocześnie wzmocnić monitorowanie parametrów średnich podczas eksploatacji, w odpowiednim czasie wykryć i rozwiązać skutki zmian średnich.Aby w pełni wykorzystać zalety PHEW przyszłości, wraz z rozwojem technologii przemysłowych,rodzaje mediów wymiany ciepła staną się bardziej złożone, a badania nad wpływem zmian medium na projektowanie PHE będą bardziej dogłębne, co zapewni więcej wsparcia teoretycznego i wskazówek technicznych dla optymalizacji i modernizacji PHEs.
