Baskılı Devre Isı Eşanjörlerinin Boyutlandırılması: Kapsamlı Bir Kılavuz

Baskılı Devre Isı Eşanjörü Uygulamaları

• Petrol ve GazSıvılaştırılmış doğal gaz tesislerinde ve gazlaştırma ünitelerinde, PCHE'ler önceden soğutulmuş metan çevrimlerinde, son flaş gazı geri kazanımında, kaynama gazı işlemede ve buharlaştırıcı görevlerinde kullanılır. Kriyojenik performans (-196°C'ye kadar) ve yüksek basınç kapasitesi, PCHE'leri yakıt gazı ısıtıcıları ve yüzer gazlaştırıcılarda ısı geri kazanımı için ideal hale getirir.

• Hidrojen Yakıtlandırma ve İşlemeHızlı hidrojen yakıt ikmal istasyonları, dolum oranlarını en üst düzeye çıkarmak için yüksek basınçlı H₂'nin hızlı ön soğutulmasına güvenir. PCHE'ler (özellikle özel 3 boyutlu aşındırılmış kanallara sahip olanlar), hidrojeni 700 bar'dan depolama koşullarına önceden soğutmak için kullanılır ve bu da pompa gücünü ve bekleme sürelerini azaltır. Daha genel olarak, hidrojen sıvılaştırma ve işleme, PCHE'lerin yüksek basınç dayanıklılığından yararlanabilir.
• Kimyasal ve Petrokimya Tesisleri: PCHE'ler, yüksek basınçlı hidrokarbon işleme, rafinasyon ve petrokimya görevlerinde zaman içinde test edilmiştir. Gaz çiğ noktası kontrolü, reaktör ara kademe soğutması, asit gazı soğutması ve sıkı temizlik gerektiren proseslerde yoğuşma gibi görevleri yerine getirirler. Küçük akışkan envanterleri ve yüksek termal verimlilikleri, onları temiz ve kritik hizmetler için uygun hale getirir. (Örneğin, nikel alaşımlı PCHE'ler, sert akışkanlara ve yüksek sıcaklıklara dayanmak için kimyasal işlemede yaygın olarak kullanılmaktadır.)
• Güç Üretimi: Gelişmiş güç çevrimlerinde, PCHE'ler reküperatörlerde ve jeneratörlerde kullanılır. Tüm akışların 200-300 bar veya daha yüksek olduğu süperkritik CO₂ çevrimlerinde, PCHE'ler ~600°C sıcaklık kaymalarına ve büyük basınç farklarına dayanabilir. Ayrıca nükleer enerjide (buhar jeneratörü yerine) ve gaz türbini yakıt gazı ısıtmasında da kullanılırlar. Ultra yüksek basınç değerleri (bazı tasarımlarda ~1250 bara kadar), onları yeni çevrimler için cazip hale getirir.

• Yenilenebilir Enerjive Depolama:PCHE'ler yoğunlaştırılmış güneş enerjisi, uzun süreli termal depolama (erimiş tuzlar, vb.) ve yüksek çevrim verimliliği ile kompakt ısı değişiminin kritik öneme sahip olduğu karbon yakalama sistemleri için ilgi görüyor.

PCHE Boyutlandırmasında Temel Hususlar

• Isıl Görev (Isı Transferi Gereksinimi):Öncelikle gerekli ısı yükünü hesaplayınQProses verilerinden (kütle akış hızları, özgül ısılar ve sıcak ve soğuk akışkanların sıcaklık değişimleri) yararlanın. Ayrıca, logaritmik ortalama sıcaklık farkını (LMTD) veya gerekli çıkış sıcaklıklarını belirleyin. Isı görevi ve LMTD, gerekli toplam ısı transfer alanını şu ilişki aracılığıyla belirler:
  
  NeresiSengenel ısı transfer katsayısıdır.
• Akışkan Akış Oranları ve Hızı:Her bir akışkanın (sıcak ve soğuk tarafların) kütle akış hızları göz önüne alındığında, hızı hesaplamak için başlangıç ​​kanal boyutlarını seçin. Örneğin, her kanalın kesit alanı, akışkan hızıHız, akış rejimini belirler (Reynolds sayısı)) ve böylece ısı transferi ve basınç düşüşü. PCHE mikrokanalları genellikle 0,4–4 mm hidrolik çapa sahiptir, bu nedenle akışlar hıza ve akışkana bağlı olarak laminerden türbülansa kadar değişebilir.
• Kanal Geometrisi ve Yapılandırması:Kanal şekline, genişliğine () karar verin) ve uzunluk. PCHE üreticileri genellikle kanal desenleri (düz, zikzak, dalgalı, 3 boyutlu vb.) ve plaka oluk profilleri katalogları sunar. Daha dar kanallar yüzey alanını artırır (ısı transferini artırır) ancak aynı zamanda basınç düşüşünü de artırır. Seçilen geometri, gerekli ısı transferini sağlarken basınç düşüşü sınırlarını karşılamalıdır. Kimyasal aşındırma çok esnek olduğundan, PCHE'ler basit kanatçık plakalarında imkansız olan karmaşık serpantin veya dağıtıcı desenleri uygulayabilir. Ürün parametreleri ilk seçimleri yönlendirebilir; örneğin, SHPHE tipik kanal boşluklarını 0,4 ila 4 mm ve plaka kalınlığını 0,5 ila 2 mm olarak listeler.
• Isı Transfer Katsayısı Hesabı:Konvektif ısı transfer katsayısını tahmin etmek için korelasyonları kullanınHHer iki tarafta. Birçok PCHE tasarımı (birkaç milimetrelik yarım daire kanalları) için, Nu ve sürtünme faktörü korelasyonları literatürden veya CFD verilerinden elde edilebilir. Örneğin, bir çalışma 2 mm yarım daire kanalları için şunları verir:

• Alan ve Kanal Sayısı:Bir kereSentahmin ediliyor, çözülüyorToplam ısı transfer alanı için gereken değer. Bir PCHE'de, alan tüm kanal duvarlarının toplamından elde edilir. Her kanal plakasındagenişlikte paralel kanallarve uzunlukve varplakalar varsa, toplam alan yaklaşık olarak(Neresi(Eğer varsa asimetriyi hesaba katar). Buradan, gerekli çözüm bulunabilir.VeÖrneğin, 0,5 m²'lik bir etkin alana ihtiyaç duyuluyorsa ve her kanal 0,01 m²'lik bir katkı sağlıyorsa, yaklaşık 50 kanal plakasının üst üste yerleştirilmesi gerekir.
• Basınç Düşümü Tahmini:Her iki taraftaki basınç düşüşünü hesaplayın. Belirli bir kanal için Darcy yasası şunu verir:. Buradakanaldaki ortalama hızdır veYukarıdaki korelasyondan sürtünme faktörü. Kanallar küçük olduğundan, basınç düşüşü önemli olabilir; mühendisler,İzin verilen sınır içinde kalır. Düşüş çok yüksekse, kanal boyutu artırılabilir, kanal uzunluğu azaltılabilir (daha fazla paralel kanal/plaka ekleyerek) veya farklı bir akış yolu geometrisi seçilebilir.
• Malzeme ve Mekanik Kısıtlamalar:Basınç ve korozyon gereksinimlerine göre plaka malzemesini ve kalınlığını seçin.endüstriyel PCHE'nin plaka kalınlığı, tasarım basıncının tamamına dayanmalıdır; örneğin, SHPHE, 1000 bara kadar basınçlar için 0,5-2 mm arasında plaka kalınlığı belirtmektedir. SS316L, Inconel 625, titanyum veya Hastelloy gibi malzemeler, yüksek sıcaklıklara veya aşındırıcı sıvılara karşı dayanıklılıklarıyla bilinir. Çok yüksek basınçlar, kanal boyutunu veya alanını küçülten daha kalın plakalar veya yüksek mukavemetli alaşımlar gerektirebilir, bu nedenle bu denge tekrar tekrar değerlendirilmelidir.
• Tekrarlama ve Optimizasyon:Yukarıdaki faktörler birbirine bağlı olduğundan, boyutlandırma genellikle yinelemeli olur. Genellikle kanal boşluğu veya sayısı ayarlanır ve yeniden hesaplanır.SenVeHem termal görev hem de hidrolik kısıtlamalar karşılanana kadar. Hesaplama araçları veya üretici yazılımları genellikle bu konuda yardımcı olur. Kritik durumlarda (örneğin sCO₂ çevrimleri), geometriyi sonlandırmak için ayrıntılı bir simülasyon kullanılabilir.

1. Gereksinimleri tanımlayın:Sıcak/soğuk giriş/çıkış sıcaklıklarını, kütle akış hızlarını, izin verilen basınç düşüşlerini ve gerekli görevi toplayın.

2. Kanal boyutlarını önceden seçin:Bir kanal genişliği (örneğin 1–3 mm) ve levha oluk formunu seçin.

3. Hızı ve Reynolds sayısını hesaplayın: ,.

4. Isı transfer katsayılarını tahmin edin:Nusselt korelasyonlarını (Nu ve Re) kullanarak elde edinVeher iki taraf için de.

5. Genel hesaplama:Birleştirmek,ve duvar iletimi.

6. Gerekli alanı hesaplayın: .

7. Kanal sayısını/uzunluğunu belirleyin:Alan formülünü kullanarak bulunVetabak boyutuna uygun.

8. Basınç düşüşlerini kontrol edin:Hesaplaher iki taraf için de.

9. Geometriyi ayarlayın:Eğerçok yüksek veyaSençok düşükse, kanal genişliğini, plaka sayısını veya akış yolunu değiştirin (bükümler ekleyin, deseni değiştirin) ve tekrarlayın.

10. Mekanik olarak doğrulayın:Duvar kalınlığının ve malzemenin tasarım basıncı ve sıcaklığı için ASME/PED kodlarını karşıladığından emin olun.

Bu süreç boyunca üretim kısıtlamalarına uymak çok önemlidir. Örneğin, kimyasal aşındırma çok karmaşık kanallar (yılanlar, çok geçişli devreler) oluşturabilir, ancak aşırı ince duvarlar (<0,2 mm) aşındırma ve bağlama için pratik değildir. SHPHE yönergeleri, çoğu PCHE için 0,5-2 mm aralığında plaka kalınlıkları önermektedir.

Borulu ve Diğer Eşanjör Tipleriyle Karşılaştırma

Son Bir Not