تحليل مقارن لمبادل الحرارة الصفيح ومبادل الحرارة الصناعي

تحليل مقارن لمبادلات الحرارة الصفيحة ومبادلات الحرارة القشرية والأنبوبية

1التصميم الهيكلي وآليات نقل الحرارة

1.1 مبادلات حرارة الصفائح

يتكون مبادل الحرارة الصفيحة من كومة من الصفائح المعدنية المموجة ، مع غشاشات تغلق الفجوات بين الصفائح المجاورة لتشكيل قنوات تدفق منفصلة.اثنين من السوائل العاملة تتدفق ضد التيار الحالي أو عبر التيار الحالي من خلال القنوات المتغيرة، وتبادل الحرارة عبر لوحات معدنية.

آلية نقل الحرارة:

• يتم نقل الحرارة من السائل الساخن أولاً إلى اللوحة عن طريق الحمل الحراري ، ثم يتم إجراؤها عبر اللوحة ذات التوصيل الحراري العالي (على سبيل المثال ، الفولاذ المقاوم للصدأ ، الذي يبلغ التوصيل الحراري 45 واط / (((m·K)),و أخيراً تُحمل إلى السائل البارد

• يسبب سطح الصفيحة المموجة اضطرابًا عند أرقام رينولدز منخفضة (Re = 50 ‰ 200) ، مما يعزز بكثير كفاءة نقل الحرارة.هذه الاضطرابات تزيد من انخفاض الضغط بسبب مقاومة السائل الكبيرة.

1.2 مبادلات الحرارة ذات القشرة والأنابيب

المبادل الحراري للقشرة والأنبوب يتكون من قشرة أسطوانية، وقطعة أنبوب (ثابتة أو عائمة عبر أوراق الأنابيب) ، والرؤوس. يتدفق سائل واحد من خلال الأنابيب (جانب الأنابيب) ،بينما يتدفق الآخر حول الأنابيب داخل الغلاف (جانب الغلاف)، مع تبادل الحرارة من خلال جدران الأنابيب. تشمل التكوينات الشائعة تصاميم الأنبوب الثابت ، والرأس العائم ، وأنابيب U.

آلية نقل الحرارة:

• يتم توصيل الحرارة من السائل الساخن (جانب الأنابيب أو الغلاف) إلى جدار الأنابيب ، يتم إجراؤها عبر الأنابيب (على سبيل المثال ، أنابيب النحاس ذات الموصلة الحرارية 375 W / ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((())))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))ومن ثم يتم نقلها إلى السائل البارد على الجانب الآخر.

• يتم تثبيت عازلات في القشرة لإعادة توجيه السائل الجانبي للقشرة ، وتوسيع مسارات التدفق وتعزيز الاضطرابات ، وبالتالي تحسين كفاءة نقل الحرارة.

2خصائص الأداء

3المزايا والعيوب والتطبيقات

3.1 مبادلات حرارة الصفائح

المزايا:

• كفاءة عالية: التدفق المضطرب عند أرقام رينولدز المنخفضة وتشغيل التيار المضاد يعطي معامل تصحيح للفارق الحراري المتوسط اللوغاريتمي (LMTD) من ~ 0.95، مع اختلافات درجة الحرارة النهائية منخفضة إلى < 1 °C (مقارنة مع ~ 5 °C لتصميمات القشرة والأنابيب).

• التصميم المدمج: مساحة نقل حرارة أكبر بـ 2×5 مرات لكل وحدة حجماً؛ يحتل 1/5×1/8 من مساحة وحدات القشرة والأنابيب للكفاءة المكافئة.

• المرونة: سهلة التوسع من خلال إضافة / إزالة الألواح ؛ قابلة للتكيف مع تغييرات العملية (على سبيل المثال ، إعادة تكوين مسارات التدفق).

• فعالية التكلفة: خفيفة الوزن (سمك الصفيحة: 0.4 × 0.8 ملم مقابل 2.0 × 2.5 ملم للأنابيب) ، 40 × 60% أقل تكلفة من وحدات القشرة والأنابيب من نفس المادة والمساحة ؛ قابلة للإنتاج الجماعي عن طريق الطابع.

• خسارة حرارة منخفضة: الحد الأدنى من مساحة السطح المكشوفة يقلل من تبديد الحرارة ، مما يلغي الحاجة إلى العزل.

العيوب:

• تحمل ضغط ودرجة حرارة محدودة (غير مناسبة لدرجات حرارة > 3 MPa أو درجات حرارة متطرفة).

• الصمامات عرضة للتدهور في بيئات تآكل أو درجات حرارة عالية.

• انخفاض ضغط أعلى قد يتطلب مضخات أقوى.

التطبيقات:

مثالية للضغط المنخفض إلى المتوسط ، وسط الحرارة الصغيرة (على سبيل المثال ، HVAC ، معالجة الأغذية ، أنظمة المياه الساخنة المنزلية ، والصناعات التي تتطلب تنظيفًا متكررًا مثل الأدوية).

3.2 مبادلات الحرارة ذات القشرة والأنابيب

المزايا:

• مقاومة الضغط العالي ودرجة الحرارة: مناسبة لظروف قاسية (حتى 30 MPa ، 400 ° C) ، مما يجعلها مثالية للعمليات الصناعية عالية الضغط.

• صلابة: القشرة الأسطوانية والحزم الأنبوبية الصلبة تتحمل نبضات عالية ومعدلات تدفق كبيرة ؛ متوافقة مع السوائل عالية اللزوجة أو المحملة بالجسيمات (مع تصميم محاذية مناسب).

• عمر خدمة طويل: البناء بالكامل من الفولاذ المقاوم للصدأ (أو أنابيب النحاس) يوفر المتانة (حتى 20 عاما) في البيئات التآكل.

العيوب:

• انخفاض كفاءة نقل الحرارة: غالبًا ما تكون عوامل تصحيح LMTD < 0.9 بسبب أنماط التدفق المتقاطع ؛ مساحة أكبر وزناً أكبر.

• عدم المرونة: من الصعب تعديل منطقة نقل الحرارة بعد التثبيت ؛ تكلفة أولية أعلى للقدرة المكافئة.

التطبيقات:

يفضل للعمليات الصناعية عالية الضغط / عالية درجة الحرارة (مثل البتروكيماويات ، توليد الطاقة ، التعدين) وتبادل الحرارة على نطاق واسع (مثل التدفئة المركزية ،أنظمة التبريد الثقيلة).

ملخص

المبادلات الحرارية الصفيحة تتفوق في الكفاءة والتكامل والمرونة لتطبيقات الضغط المنخفض إلى المتوسط، في حين أن المبادلات الحرارية القشرة والأنابيب تهيمن في الضغط العالي، ودرجة الحرارة العالية،والسيناريوهات الصناعية على نطاق واسعيعتمد الاختيار على ظروف التشغيل واحتياجات الصيانة ومتطلبات التوسع.