Efficacité d'un échangeur de chaleur à circuit imprimé

Les échangeurs de chaleur à circuits imprimés sont ultra-compacts.Échangeurs de chaleur à plaques par diffusion Conçu pour les conditions extrêmes. Ils utilisent des plaques à microcanaux gravées empilées dans un bloc monolithique, permettant des coefficients de transfert de chaleur très élevés et un fonctionnement presque à contre-flux. Ces caractéristiques de conception vantent une efficacité thermique exceptionnelle de 95 - 98 % dans des conditions idéales. Cela signifie que AHaute pression PHE peut transférer presque toute la chaleur disponible entre les flux chauds et froids, ne laissant qu 'une très petite différence de température "approche".

Schéma d'un échangeur de chaleur à circuit imprimé (PCHE). Des plaques métalliques minces avec des microcanaux gravés (le « paquet de plaques ») sont liées par diffusion dans un bloc solide entre les coquilles chaudes et froides.

La haute efficacité des PCHEs résulte de leur rapport surface-surface - volume extrêmement élevé et de leurs chemins d'écoulement conçus. Chaque plaque contient des microcanaux complexes et enroulés (souvent seulement des centaines de micromètres de large) qui forcent les fluides dans de longs chemins turbulents. Cette turbulence augmente le coefficient de transfert de chaleur convectif (souvent 3000 - 7000 W / m2 · K) bien au-delà de ce qui est possible dans les unités typiques à coquille et tube. Pendant ce temps, l'arrangement des flux dans une véritable configuration à contre-courant maximise la différence de température le long de l'échangeur et augmente encore l'efficacité. Parce que les plaques sont liées par diffusion en un seul bloc, il n'y a pas de fuite de joint ou de soudure pour ajouter de la résistance thermique - toute la pile de plaques agit comme un conducteur métallique continu. En conséquence, presque toute l'énergie thermique du fluide chaud peut être transférée au fluide froid.

En comparaison, les échangeurs à coque et tube conventionnels ou même les échangeurs à joints ne peuvent pas égaler cette performance. Les échangeurs de chaleur typiques à plaques et à cadre atteignent déjà des approches de température beaucoup plus rapprochées que les phases à coque et tube, souvent à quelques degrés, en raison de leurs plaques ondulées. Les échangeurs de plaques à joints peuvent être jusqu'à cinq fois plus efficaces que les conceptions à coque et tube, avec des températures d'approche aussi proches de 1 ° F. Les PCHEs poussent cela encore plus loin : leur géométrie à canaux fins donne régulièrement des approches de température inférieures à 5 ° C (efficacité de l'ordre de 98 %). Pour les applications exigeant le plus haut rendement possible, les PCHEs définissent la référence.

Comment les PCHEs atteignent une haute efficacité

Plusieurs facteurs de conception clés permettent aux PCHE d'atteindre une efficacité aussi élevée :

· Réseau de microcanaux :

Chaque plaque de liaison par diffusion contient un labyrinthe de canaux gravés des deux côtés. Ces microcanaux augmentent considérablement la surface de transfert de chaleur par unité de volume (souvent des centaines de mètres carrés par mètre cube). Plus de surface signifie plus d'espace pour que la chaleur circule entre les fluides.

· Turbulences élevées :

Les modèles de canaux sont généralement ondulés ou ondulés, induisant intentionnellement des turbulences même à des débits modérés. La turbulence amincit les couches limites thermiques, augmentant le coefficient de transfert de chaleur convectif. En termes pratiques, cela signifie que le fluide n'a pas à chauffer lentement le mur - la chaleur est échangée très rapidement et efficacement.

Configuration True Counterflow :

Les ingénieurs personnalisent la géométrie du canal de sorte que les flux chauds et froids sont principalement à contre-courant. Le contre-flux maximise la différence de température de conduite le long de l'échangeur, qui est la base fondamentale pour une efficacité thermique élevée.

· Noyau tout métal :

Parce que les plaques sont liées par diffusion, le noyau PCHE est un seul bloc métallique solide sans joints internes ni joints. Cela élimine la résistance au contact thermique dans les joints et empêche toute fuite qui contournerait le transfert de chaleur. Il permet également au noyau de résister à des pressions extrêmement élevées (souvent 600 - 1000 bar) et à des températures (souvent > 800 ° C).

· Inventaire faible de fluides :

Les minuscules volumes du canal signifient que chaque côté du fluide ne contient qu ' une petite quantité de fluide. Un faible inventaire réduit le décalage thermique et permet une réponse plus rapide et une efficacité plus élevée.

Grâce à ces caractéristiques, les PCHEs atteignent généralement une efficacité thermique dans le milieu des années 90 au percentile supérieur des années 90. En termes pratiques, si un PCHE est spécifié pour refroidir un fluide de 200 ° C à 50 ° C, le flux froid pourrait quitter à près de 195 - 198 ° C, ce qui signifie que presque toute la chaleur a été récupérée. Cette performance dépasse de loin les unités typiques à coquille et tube, et dépasse souvent légèrement même les meilleurs échangeurs de plaques conventionnels. La différence est particulièrement importante lorsque des approches de température très faibles sont nécessaires - par exemple, le pré - refroidissement du GNL ou la récupération de la chaleur du réacteur - où chaque degré de différence de température est précieux.

Comparaison avec d'autres échangeurs de chaleur

Dans un tableau de comparaison des performances généralisées, tous les échangeurs à plaques haute performance (jointés, soudés, circuits imprimés) sont marqués comme « Excellent » pour leur efficacité thermique. Cependant, les PCHEs atteignent le plus haut rendement nominal grâce à leurs microcanaux optimisés. Si la récupération de chaleur maximale et la température d'approche minimale sont l'objectif (en particulier dans des conditions de pression / température extrêmes), un PCHE va généralement surpasser les autres conceptions.

Pour des comparaisons plus détaillées, veuillez consulter notre rapport spécial :

>https://www.china-heattransfer.com/welded-vs-gasketed-vs-printed-circuit-plate-heat-exchangers/

Applications industrielles et FAQs

Pourquoi choisir une PCHE ? Les PCHEs offrent une compacité et une robustesse inégalées. Ils peuvent être spécifiés pour des conditions extrêmes - pressions allant jusqu'à ~ 1000 bar et températures allant jusqu'à ~ 850 ° C - où les échangeurs conventionnels ne peuvent pas fonctionner.

En effet, les PCHEs ont été adoptés pour la première fois dans les secteurs de l'énergie nucléaire et de l'aérospatiale pour cette raison. Par exemple, dans une usine de GNL, un PCHE pourrait être utilisé dans la section cryogénique pour refroidir et condenser le gaz naturel avec une perte de température minimale.

Les champs typiques comprennent :

· Oil & Gas (Pétrochimie, GNL) :

Les liquéfacteurs de GNL compacts et les unités de traitement du gaz utilisent des PCHEs pour le pré - refroidissement, les vaporisateurs et la récupération de la chaleur résiduelle. La haute efficacité réduit la charge de réfrigération. De même, le traitement des gaz en aval et les processus chimiques bénéficient d'un contrôle strict de la température.Échangeurs de plaquesEn général, les PCHEs sont déjà largement utilisés dans l'industrie pétrolière et gazière en raison de leur haute efficacité, de leur taille compacte, de leur résistance à la corrosion et de leur facilité d'entretien, et les PCHEs représentent la prochaine étape lorsque des charges plus élevées sont nécessaires.

· Production d'énergie (nucléaire, CO2 supercritique) :

Dans les réacteurs avancés et les cycles de CO2 supercritiques, les PCHEs servent d'échangeurs de chaleur primaires ou de récupérateurs. Leur construction entièrement métallique étanche convient aux liquides de refroidissement agressifs, et leur efficacité améliore les performances globales du cycle.

· énergies renouvelables (hydrogène, capture du carbone) :

Comme l'ont noté les sources de l'industrie, les PCHEs sont utiles dans les stations de ravitaillement en hydrogène (pour le pré - refroidissement de l'hydrogène gazeux) et dans les usines de capture du carbone (pour le refroidissement des flux de CO2 dense ou de solvants). Leur capacité à gérer les cryogènes et les hautes pressions est particulièrement utile ici.

· Métallurgie et produits chimiques :

Les usines sidérurgiques et les usines chimiques nécessitent souvent une récupération de chaleur à haute température (par exemple, à partir des gaz sortants). Bien que moins courantes que dans l'énergie / O & G, les PCHE peuvent être appliquées dans ces secteurs pour les boucles de récupération de chaleur, en raison de leur robustesse.

· Aérospatiale et défense :

Les applications spécialisées dans l'aérospatiale et la cryogénie utilisent les PCHEs pour le contrôle thermique dans les véhicules spatiaux et les avions à haute altitude, où le poids et la fiabilité sont critiques.

Les ingénieurs se demandent souvent si les PCHE valent le coût pour l'efficacité. Les PCHEs sont en effet plus chers à fabriquer (gravure de précision et liaison par diffusion). Cependant, leur retour sur investissement provient souvent de la performance : réduction de la surface de transfert de chaleur requise, économie d'espace au sol (ils peuvent être 80 - 90% plus petits que les coquilles et tubes) et minimisation de la puissance de pompage.

En cas de blocage, plusieurs stratégies de nettoyage peuvent être requises, allant de la pulvérisation d'eau à haute pression à des processus de nettoyage chimique plus complexes et coûteux. Ces tâches de maintenance peuvent être particulièrement difficiles dans les installations étroitement confinées ou peu accessibles, ce qui rend essentiel la conception de systèmes avec des ports de nettoyage et des points d'accès de service appropriés. Dans le cadre d'une planification opérationnelle saine, les dispositions relatives à ces méthodes de nettoyage devraient être intégrées dans chaque système de PCHE. De plus, des problèmes liés à la corrosion galvanique entre l'échangeur de chaleur et les matériaux de tuyauterie connectés ont parfois surgi, soulignant la nécessité de kits d'isolation ou de sections de bobines revêtues lors de l'installation pour assurer la compatibilité des matériaux sur place.

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