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Conception de plaques de transfert de chaleur et de combinaisons de canaux PHE

Nombre Parcourir:0     auteur:Éditeur du site     publier Temps: 2020-03-23      origine:Propulsé

Conception de plaques de transfert de chaleur et de combinaisons de canaux PHE

(Chammel symétrique par rapport au canal asymétrique)

Les échangeurs de chaleur à plaques (PHE) sont constitués d'une série de fines plaques ondulées suspendues à une barre de transport et serrées entre une plaque de tête fixe et mobile. Les plaques ondulées ou les plaques de transfert de chaleur sont normalement en acier inoxydable ou en d'autres matériaux suffisamment ductiles pour permettre le pressage. Chaque plaque de transfert de chaleur est équipée d'un joint élastomère, en partie pour sceller et en partie pour distribuer les fluides de traitement. Les connexions dans les plaques de tête fixes ou mobiles permettent l'entrée des fluides de processus dans le pack de plaques. Différencier une plaque de transfert de chaleur d'un canal est extrêmement important et fondamental pour l'analyse des PHE. La plaque de transfert de chaleur sépare les deux fluides de traitement; le canal est l'espace établi par deux plaques de transfert de chaleur, à travers lesquelles les fluides de traitement sont distribués et le transfert de chaleur est effectué. La figure 1 détaille les principaux composants d'un PHE. La nomenclature décrivant les PHE n'est pas normalisée et des noms alternatifs sont utilisés par divers fabricants.


TRANSFERT DE CHALEUR

Pour un transfert de chaleur sensible (monophasé), le droit peut être représenté par:

Transfert de plaque chauffante

La surface effective de transfert de chaleur dans un PHE, A, est calculée en multipliant le nombre total de plaques dans l'échangeur moins deux, par la surface effective par plaque.

Transfert de plaque chauffante

Deux plaques sont soustraites du nombre total pour déterminer la zone, car la première et la dernière plaques n'ont de fluide que d'un côté; ils ne sont pas efficaces pour transférer la chaleur.

Les plaques ondulées, lorsqu'elles sont placées dans un échangeur, forment un chemin d'écoulement tridimensionnel avec un espace nominal deux fois la profondeur de pression de la plaque. L'écart nominal ou l'espacement des canaux souvent

défini comme le diamètre hydraulique moyen, Dh, varie de 0,2 à 0,4 po (5 à 10 mm). Pour estimer les coefficients de film moyens dans les PHE pour un écoulement turbulent complètement développé de fluides newtoniens, la relation suivante est largement utilisée.

Transfert de plaque chauffante

Transfert de plaque chauffante

Transfert de plaque chauffante

LONGUEUR THERMIQUE, Θ

La longueur thermique est un nombre sans dimension qui permet à l'ingénieur de conception de relier les caractéristiques de performance d'une géométrie de canal à celles d'une exigence de service. La longueur thermique d'un canal décrit la capacité du canal à affecter un changement de température basé sur la différence de température moyenne logarithmique (LMTD).

θ = temp. change / LMTD = (T in - T out) / LMTD (5)


La longueur thermique d'un canal est fonction du diamètre hydraulique du canal, de la longueur de la plaque et de l'angle des ondulations, ainsi que des propriétés physiques des fluides de procédé et de la chute de pression disponible. Pour concevoir correctement un PHE, la longueur thermique requise par le service doit correspondre à celle pouvant être obtenue par la géométrie de canal sélectionnée. Pour toute géométrie de canal choisie, la longueur thermique requise par le service peut

• Adaptez la caractéristique du canal, ainsi l'échangeur est dimensionné de manière optimale en utilisant toute la chute de pression disponible sans surdimensionnement.

• Dépasse ce qui est réalisable par le canal à la chute de pression admissible, ce qui nécessite d'ajouter plus de plaques et de réduire la chute de pression en abaissant la vitesse. Une telle conception est appelée thermiquement contrôlée.

• Être inférieur à celui réalisable par le canal à la chute de pression admissible. Il en résulte un changement de température plus important à travers la plaque que nécessaire, ou un surdimensionnement. Une telle conception est appelée contrôlée par chute de pression. Pour avoir l'échangeur le plus économique et le plus efficace, il est essentiel de choisir, pour chaque fluide, une géométrie de canal qui correspond à la longueur thermique requise pour chaque fluide. Étant donné que la longueur thermique réalisable par un canal dépend des propriétés physiques du fluide, des facteurs de correction doivent être pris en compte lorsque les propriétés physiques du fluide diffèrent de celles de l'eau (2), qui sont utilisées dans cet article.


ÉCHANGEURS DE CHALEUR CONVENTIONNELS

Les conceptions de plaques de transfert de chaleur classiques d'aujourd'hui sont classées en chevrons ou en chevrons, les ondulations formant une série de motifs. Chaque taille de plaque est pressée avec deux angles de chevrons différents, figure 2, la plaque thêta basse et la plaque thêta haute, et ont des angles au sommet aigus et obtus, respectivement.

La rainure du joint sur ces plaques de style conventionnel est encastrée à 100%, figure 3, de sorte qu'il y a toujours un avant et un arrière sur chaque plaque. En ayant la rainure du joint enfoncée à 100%, les plaques ne peuvent être tournées que autour de l'axe Z. Les canaux sont formés en faisant tourner alternativement des plaques adjacentes à 180 ° autour de leur axe Z de sorte que les têtes de flèche des angles de chevrons pointent dans la direction opposée. Lorsque deux plaques sont adjacentes l'une à l'autre, les caractéristiques de perte de charge thermique et thermique de ce canal dépendent fortement de l'angle auquel les ondulations se croisent. Avec deux motifs différents, thêta bas et haut, trois canaux distinctement différents peuvent être formés, chacun ayant ses propres caractéristiques hydrodynamiques.

• Canal H. Deux plaques à angles obtus et à thêta élevé sont placées ensemble pour former un canal à thêta élevé, caractérisé par une chute de pression élevée et des changements de température élevés à travers la plaque, figure 2.1.

• Canal L. Deux plaques aux angles aigus et à faible thêta sont placées ensemble pour former un canal à faible thêta, caractérisé par une faible chute de pression et des changements de température modestes à travers la plaque, figure 2.2.

• Canal M. Combinaison d'une plaque à thêta élevé et d'une plaque à faible théta pour former un canal à thêta moyen, dont les caractéristiques se situent quelque part entre celles d'un canal H et L, figure 2.3.


Dans un pack de plaques conventionnel, il peut également y avoir un mélange de canaux thêta hauts et bas pour l'optimisation des pertes de charge. Malgré la possibilité de mélanger les canaux, les échangeurs de chaleur à plaques conventionnels ont pour inconvénient majeur que les deux fluides sont soumis à des géométries de canal identiques car les canaux sont symétriques. Cette géométrie symétrique est très efficace lorsque les deux fluides ont la même exigence de longueur thermique et de chute de pression, mais c'est rarement le cas aujourd'hui. Les applications typiques sur le marché actuel impliquent des débits inégaux avec des exigences de longueur thermique variables pour les fluides chauds et froids. Lorsque les fonctions sont telles, les deux fluides ne peuvent jamais être totalement optimisés avec des canaux symétriques, et l'échangeur ne sera pas le plus économique possible.

L'application typique suivante démontre le défaut des PHE conventionnels. Le client dispose de 150 000 lb / h (68 Mg / h) d'eau qui doit être refroidie de 105 à 78 degrés. L'eau de refroidissement est disponible à 58 degrés et 225 000 lb / h (102 mg / h). La chute de pression admissible pour les deux fluides est de 10 psi (69 kPa).

Exigence de conception

Côté chaud Côté froid

Eau fluide Eau

Débit (lb / h) 150 000 25 000

Temp. En (° F) 105 58

Temp. Sortie (° F) 78 76

Prés autorisé. Baisse (psi) 10 10

Longueur thermique requise 1.115 0.743


Données de performance

Droit: 4 050 000 Btu / h

LMTD (° F): 24,22

Taux global (Btu / h. Ft.2 ° F): 900

Surface requise (pi2): 185

Film Coeff. (Btu / h. Ft.2 ° F) 2000 2500

Pres. Drop utilisé (psi) 5 10

Canal M M


Selon les normes conventionnelles, cela serait considéré comme une conception acceptable. Cependant, comme la chute de pression côté chaud n'est pas totalement utilisée, la conception est contrôlée par les exigences thermiques côté froid. Par conséquent, ce n'est pas la conception la plus économique si les deux fluides peuvent être optimisés individuellement. Si des canaux asymétriques étaient disponibles, l'ensemble de plaques pourrait être conçu de telle sorte que les canaux côté chaud auraient une longueur thermique plus élevée que ceux du côté froid. Ce faisant, les deux fluides seraient optimisés individuellement, en utilisant pleinement les deux chutes de pression disponibles. Étant donné que la turbulence accrue augmenterait le coefficient du film côté chaud, la surface pourrait être réduite en dessous de 185 pi 2 (17 m2) calculée dans cet exemple.

Transfert de plaque chauffante

Transfert de plaque chauffante


ÉCHANGEUR DE CHALEUR DE PROCHAINE GÉNÉRATION

Alors que la plaque de transfert de chaleur conventionnelle a un motif ondulé homogène, la plaque asymétrique a une section de transfert de chaleur divisée en quatre quadrants, avec deux angles différents, B1 et B2, figure 4. La plaque asymétrique utilise une invention brevetée qui permet à la rainure du joint d'être positionné dans le plan neutre de la plaque, en retrait de 50%, figure 3.2. Avec la rainure du joint dans le plan neutre, la distance entre la surface du joint des plaques adjacentes et la rainure du joint sera désormais la même quelle que soit la rotation de la plaque. Les plaques conventionnelles, avec rainure de joint 100% encastrée, ne peuvent tourner que sur un axe, l'axe Z.

Transfert de plaque chauffante

Les plaques de transfert de chaleur asymétriques sont disponibles avec un motif thêta haut ou bas. Avec ces deux motifs et les degrés de liberté de rotation supplémentaires, il est possible d'avoir six géométries de canaux différentes. C'est le double de celui des PH E conventionnels.

Canal HS. Deux plaques à haute teneur en thêta combinées avec des pointes de flèches

dans le même sens, figure 4.1.

Chaîne HD. Deux plaques à haute thêta combinées avec des pointes de flèches

en sens inverse, figure 4.2.

Canal LS. Deux plaques à faible teneur en thêta combinées avec des pointes de flèches dans

dans le même sens, figure 4.3.

Canal LD. Deux plaques à faible teneur en thêta combinées avec des pointes de flèches dans

la direction opposée, figure 4.4.

Chaîne MS. Combinaison d'une plaque thêta haute et basse avec une flèche

dirige dans la même direction, figure 4.5.

Canal MD. Combinaison d'une plaque thêta haute et basse avec des pointes de flèche dans le sens opposé, figure 4.6.

Trois des géométries de canal sont identiques à celles disponibles avec les plaques conventionnelles, les canaux HD, LD et MD sont identiques aux canaux H, L et M conventionnels. Trois nouveaux canaux formés avec des pointes de flèches dans la même direction ont augmenté l'efficacité thermique par rapport à leurs homologues avec des pointes de flèches dans la direction opposée. Cette augmentation de l'efficacité est le résultat d'une turbulence accrue des fluides de traitement. Pour former les canaux asymétriques à l'intérieur du pack de plaques, les plaques sont systématiquement tournées pour obtenir la combinaison souhaitée de canaux S et D, correspondant à la longueur thermique requise pour chaque fluide.

La possibilité de faire pivoter les plaques les unes par rapport aux autres permet à l'ingénieur de conception d'optimiser indépendamment le canal pour les fluides chauds et froids, en faisant correspondre les longueurs thermiques requises pour chaque fluide avec celles réalisables par le regroupement. Cela permet aux tâches thermiques avec différentes exigences de longueur thermique côté chaud et côté froid d'être efficacement gérées par un PHE, n'ayant plus de conceptions d'échangeur contrôlées par un côté ou l'autre. Les avantages des regroupements asymétriques sont illustrés ci-dessous, où les mêmes conditions sont utilisées que dans l'exemple précédent pour les plaques conventionnelles.

Exigence de conception

Côté chaud Côté froid

Eau fluide Eau

Débit (pph) 150 000 225 000

Temp. En (° F) 105 58

Temp. Sortie (° F) 78 76

Prés autorisé. Baisse (psi) 10 10

Longueur thermique requise 1.115 0.743


Données de performance

Droit: 4 050 000 Btu / h

LMTD (° F): 24,22

Taux global (Btu / h. Ft.2 ° F): 1,080

Surface requise (pi2): 155

Film Coeff. (Btu / h. Ft.2 ° F) 3000 2500

Pres. Drop utilisé (psi) 10 10

Channel MS MD

Économies de zone 16%

Réduction approximative des coûts 10%

Cette réduction de surface de 16% et les économies de coûts de 10% ne sont possibles qu'avec des canaux asymétriques permettant une optimisation indépendante des deux fluides et une efficacité thermique maximale. En formant des canaux côté chaud avec des pointes de flèches dans la même direction, la perte de charge totale est maintenant utilisée et le coefficient de film est sensiblement augmenté. Le coefficient du film étant proportionnel à la chute de pression utilisée (h = f (chute de pression 0,35), plus la chute de pression est élevée, plus les coefficients du film seront élevés et plus l'échangeur sera petit. ■

Ouvrages cités

1. Marriott, J., Chem. Eng. Prog., P.73 (février 1977).

2. \"Thermal Handbook, \" Alta Laval AB, Suède (1969).

Transfert de plaque chauffante

Transfert de plaque chauffante

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