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Diseño de combinaciones de canales y placas de transferencia de calor PHE

Número Navegar:0     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2020-03-23      Origen:motorizado

Diseño de combinaciones de canales y placas de transferencia de calor PHE

(Chammel simétrico en comparación con el canal asimétrico)

Los intercambiadores de calor de placas (PHE) consisten en una serie de placas onduladas delgadas colgadas de una barra de transporte y sujetas entre una placa de cabeza fija y móvil. Las placas corrugadas o placas de transferencia de calor son normalmente de acero inoxidable u otros materiales lo suficientemente dúctiles como para permitir el prensado. Cada placa de transferencia de calor está equipada con una junta elastomérica, en parte para sellar y en parte para distribuir los fluidos del proceso. Las conexiones en las placas de cabeza fijas o móviles permiten la entrada de los fluidos de proceso en el paquete de placas. Diferenciar una placa de transferencia de calor de un canal es extremadamente importante y fundamental para el análisis de PHEs. La placa de transferencia de calor separa los dos fluidos de proceso; El canal es el espacio establecido por dos placas de transferencia de calor, a través de las cuales se distribuyen los fluidos del proceso y se realiza la transferencia de calor. La Figura 1 detalla los componentes principales de un PHE. La nomenclatura que describe los PHE no está estandarizada, y varios fabricantes utilizan nombres alternativos.


TRANSFERENCIA DE CALOR

Para una transferencia de calor sensible (monofásica), el deber se puede representar mediante:

Transferencia de placa de calor

El área efectiva de transferencia de calor en un PHE, A, se calcula multiplicando el número total de placas en el intercambiador menos dos, por el área efectiva por placa.

Transferencia de placa de calor

Dos placas se restan del número total para determinar el área, ya que la primera y la última placa tienen líquido solo en un lado; no son efectivos en la transferencia de calor.

Las placas corrugadas, cuando se colocan en un intercambiador, forman una ruta de flujo tridimensional con un espacio nominal dos veces la profundidad de prensado de la placa. El espacio nominal o el espacio entre canales a menudo

definido como el diámetro hidráulico medio, Dh, varía de 0.2 a 0.4 pulg. (5 a 10 mm). Para estimar los coeficientes de película promedio en PHEs para el flujo turbulento completamente desarrollado de fluidos newtonianos, se utiliza ampliamente la siguiente relación.

Transferencia de placa de calor

Transferencia de placa de calor

Transferencia de placa de calor

LONGITUD TÉRMICA, Θ

La longitud térmica es un número adimensional que permite al ingeniero de diseño relacionar las características de rendimiento de una geometría de canal con las de un requisito de servicio. La longitud térmica de un canal describe la capacidad del canal para afectar un cambio de temperatura basado en la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD).

θ = temp. cambiar / LMTD = (entrada T - salida T) / LMTD (5)


La longitud térmica de un canal es una función del diámetro hidráulico del canal, la longitud de la placa y el ángulo de las corrugaciones, junto con las propiedades físicas de los fluidos del proceso y la caída de presión disponible. Para diseñar adecuadamente un PHE, la longitud térmica requerida por el servicio debe coincidir con la alcanzable por la geometría del canal seleccionado. Para cualquier geometría de canal elegida, la longitud térmica requerida por el deber puede

• Coincidir con la característica del canal, por lo tanto, el intercambiador tiene un tamaño óptimo utilizando toda la caída de presión disponible sin sobredimensionamiento.

• Supere lo que puede lograr el canal con la caída de presión permitida, lo que requiere que se agreguen más placas y se reduzca la caída de presión al disminuir la velocidad. Tal diseño se denomina controlado térmicamente.

• Sea menos de lo que puede lograr el canal con la caída de presión permitida. Esto da como resultado un mayor cambio de temperatura en la placa que el requerido, o un sobredimensionamiento. Tal diseño se denomina control de caída de presión. Para tener el intercambiador más económico y eficiente, es fundamental elegir, para cada fluido, una geometría de canal que coincida con el requisito de longitud térmica de cada fluido. Dado que la longitud térmica que puede alcanzar un canal depende de las propiedades físicas del fluido, se deben considerar los factores de corrección cuando las propiedades físicas del fluido difieren de las del agua (2), que se utilizan en este artículo.


INTERCAMBIADORES DE CALOR CONVENCIONALES

Los diseños de placas de transferencia de calor convencionales de hoy en día se clasifican en tipo chevron o espiga, con las corrugaciones formando una serie de patrones. Cada tamaño de placa se presiona con dos ángulos de chevron diferentes, la Figura 2, la placa theta baja y la placa theta alta, y tienen ángulos de vértice agudos y obtusos, respectivamente.

La ranura de la junta en estas placas de estilo convencional está empotrada al 100%, Figura 3, de modo que siempre haya una parte frontal y posterior de cada placa. Al tener la ranura de la junta empotrada al 100%, las placas solo se pueden girar alrededor del eje Z. Los canales se forman girando alternativamente placas adyacentes 180 ° alrededor de su eje Z de modo que las puntas de flecha de los ángulos de chevron apunten en la dirección opuesta. Cuando dos placas están adyacentes entre sí, las características térmicas y de caída de presión de ese canal dependen en gran medida del ángulo en el que se cruzan las corrugaciones. Con dos patrones diferentes, bajo y alto theta, se pueden formar tres canales claramente diferentes, cada uno con sus propias características hidrodinámicas.

• Canal H. Dos placas con ángulos obtusos y alta theta se colocan juntas formando un canal de alta theta, que se caracteriza por una alta caída de presión y cambios de temperatura en la placa, Figura 2.1.

• Canal L. Dos placas con ángulos agudos y baja theta se colocan juntas formando un canal bajo en theta, caracterizado por una baja caída de presión y cambios moderados de temperatura en la placa, Figura 2.2.

• Canal M. Combinando una placa de alta teta y una placa de baja teta para formar un canal de media teta, que tiene características que se encuentran en algún punto entre las de un canal H y L, Figura 2.3.


Dentro de un paquete de placas convencional, también puede haber una mezcla de canales de alta y baja teta para la optimización de la caída de presión. A pesar de la capacidad de mezclar canales, los intercambiadores de calor de placas convencionales tienen la principal desventaja de que ambos fluidos están sujetos a geometrías de canal idénticas ya que los canales son simétricos. Esta geometría simétrica es muy efectiva cuando ambos fluidos tienen el mismo requerimiento de longitud térmica y caída de presión, pero hoy en día rara vez es así. Las aplicaciones típicas en el mercado actual implican caudales desiguales con requisitos variables de longitud térmica para los fluidos calientes y fríos. Cuando las tareas son tales, ambos fluidos nunca pueden optimizarse totalmente con canales simétricos, y el intercambiador no será lo más económico posible.

La siguiente aplicación típica demuestra la deficiencia de los PHE convencionales. El cliente tiene 150,000 lb / h (68 Mg / h) de agua que debe enfriarse de 105 grados a 78 grados. El agua de refrigeración está disponible a 58 grados y 225,000 lb / h (102 Mg / h). La caída de presión permitida para ambos fluidos es de 10 psi (69 kPa).

Requisito de diseño

Lado caliente lado frío

Agua Fluida Agua

Velocidad de flujo (lb / h) 150,000 25,000

Temperatura. En (° F) 105 58

Temperatura. Fuera (° F) 78 76

Pres permitido. Caída (psi) 10 10

Longitud térmica requerida 1.115 0.743


Datos de rendimiento

Deber: 4,050,000 Btu / h

LMTD (° F): 24.22

Velocidad general (Btu / h. Ft.2 ° F): 900

Área requerida (ft2): 185

Film Coeff. (Btu / h. Ft.2 ° F) 2,000 2,500

Pres. Caída utilizada (psi) 5 10

Canal M M


Según los estándares convencionales, esto se consideraría un diseño aceptable. Sin embargo, dado que la caída de presión del lado caliente no se utiliza por completo, el diseño se controla mediante el requisito térmico del lado frío. Por lo tanto, este no es el diseño más económico si ambos fluidos pudieran optimizarse individualmente. Si hubiera canales asimétricos disponibles, el paquete de placas podría diseñarse de manera que los canales del lado caliente tuvieran una longitud térmica más alta que los del lado frío. Al hacer esto, ambos fluidos se optimizarían individualmente, haciendo uso completo de ambas caídas de presión disponibles. Dado que el aumento de la turbulencia aumentaría el coeficiente de película del lado caliente, el área podría reducirse por debajo de 185 pies 2 (17 m2) calculados en este ejemplo.

Transferencia de placa de calor

Transferencia de placa de calor


INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PRÓXIMA GENERACIÓN

Mientras que la placa de transferencia de calor convencional tiene un patrón de corrugación homogéneo, la placa asimétrica tiene una sección de transferencia de calor dividida en cuatro cuadrantes, con dos ángulos diferentes, B1 y B2, Figura 4. La placa asimétrica utiliza una invención patentada que permite que la ranura de la junta sea colocado en el plano neutro de la placa, empotrado al 50%, Figura 3.2. Con la ranura de la junta en el plano neutro, ahora la distancia entre la superficie de la junta de las placas adyacentes y la ranura de la junta siempre será la misma, independientemente de la rotación de la placa. Las placas convencionales, con ranura de junta 100% empotrada, solo pueden girar alrededor de un eje, el eje Z.

Transferencia de placa de calor

Las placas de transferencia de calor asimétricas están disponibles con un patrón theta alto o bajo. Con estos dos patrones y los grados de libertad de rotación adicionales, es posible tener seis geometrías de canal diferentes. Esto es el doble que el disponible en PH E s convencionales.

HS Channel. Dos placas de alta theta combinadas con puntas de flecha en

la misma dirección, Figura 4.1.

Canal HD Dos platos de alta theta combinados con puntas de flecha

en la dirección opuesta, Figura 4.2.

LS Channel. Dos placas bajas en theta combinadas con puntas de flecha en

la misma dirección, Figura 4.3.

LD Channel. Dos placas bajas en theta combinadas con puntas de flecha en

la dirección opuesta, Figura 4.4.

MS Channel. Combinando una placa theta alta y baja con flecha

cabezas en la misma dirección, Figura 4.5.

MD Channel. Combinando una placa theta alta y baja con puntas de flecha en la dirección opuesta, Figura 4.6.

Tres de las geometrías de los canales son idénticas a las disponibles con placas convencionales, los canales HD, LD y MD son idénticos a los canales convencionales H, L y M. Tres nuevos canales formados con puntas de flecha en la misma dirección han aumentado la eficiencia térmica en comparación con sus contrapartes con puntas de flecha en la dirección opuesta. Este aumento en la eficiencia es el resultado de una mayor turbulencia de los fluidos del proceso. Para formar los canales asimétricos dentro del paquete de placas, las placas se giran sistemáticamente para lograr la combinación deseada de canales S y D, que coinciden con la longitud térmica requerida para cada fluido.

La capacidad de rotar las placas entre sí permite que el ingeniero de diseño optimice de forma independiente el canal para los fluidos calientes y fríos, ajustando las longitudes térmicas requeridas para cada fluido con las que puede lograr la agrupación. Esto permite que las tareas térmicas con diferentes requisitos de longitud térmica del lado frío y del lado caliente sean manejadas de manera efectiva por un PHE, sin tener diseños de intercambiadores controlados por un lado u otro. Los beneficios de las agrupaciones asimétricas se ilustran a continuación, donde se usan las mismas condiciones que en el ejemplo anterior para placas convencionales.

Requisito de diseño

Lado caliente lado frío

Agua Fluida Agua

Caudal (pph) 150,000 225,000

Temperatura. En (° F) 105 58

Temperatura. Fuera (° F) 78 76

Pres permitido. Caída (psi) 10 10

Longitud térmica requerida 1.115 0.743


Datos de rendimiento

Deber: 4,050,000 Btu / h

LMTD (° F): 24.22

Velocidad general (Btu / h. Ft.2 ° F): 1,080

Área requerida (ft2): 155

Film Coeff. (Btu / h. Ft.2 ° F) 3,000 2,500

Pres. Caída utilizada (psi) 10 10

Channel MS MD

Ahorro de área 16%

Reducción aproximada de costos 10%

Esta reducción del área del 16% y el ahorro de costos del 10% solo es posible con canales asimétricos que permiten la optimización independiente de ambos fluidos y la máxima eficiencia térmica. Al formar canales del lado caliente con puntas de flecha en la misma dirección, ahora se utiliza la caída de presión completa y el coeficiente de película aumenta sustancialmente. Dado que el coeficiente de la película es proporcional a la caída de presión utilizada (h = f (caída de presión 0.35), cuanto mayor sea la caída de presión, mayores serán los coeficientes de la película y más pequeño será el intercambiador. ■

Literatura citada

1. Marriott, J., Chem. Ing. Prog., P.73 (febrero de 1977).

2. \"Manual térmico, \" Alta Laval AB, Suecia (1969).

Transferencia de placa de calor

Transferencia de placa de calor

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