Comment concevoir un échangeur de chaleur à plaques

Les échangeurs de chaleur à plaques (PHEs) sont des unités compactes constituées de minces plaques métalliques ondulées empilées ensemble. Ces plaques créent des canaux alternatifs pour que les fluides chauds et froids s'écoulent. Les fluides restent séparés (grâce à des joints ou des joints soudés) et circulent généralement en mode contre-courant, maximisant la différence de température le long de la longueur. Comme un fluide s'écoule sur un côté de chaque plaque et l'autre fluide s'écoule sur le côté opposé, la chaleur est conduite à travers le métal. Cette conception de plaque ondulée induit des turbulences et donne des coefficients de transfert de chaleur très élevés, doncÉchangeurs de chaleur PlateIls transfèrent souvent la chaleur plus efficacement que les échangeurs de chaleur à coque et tubes.

Échangeurs de chaleur à plaques jointsutiliser des plaques boulonnées et des joints élastomères (comme indiqué ci-dessus) pour former des canaux scellés. Le contre-flux des fluides chauds et froids à travers ces plaques maximise le transfert thermique.

Chaque plaque possède une grande surface et des parois minces, ce qui signifie un flux de chaleur rapide. Dans un échangeur de chaleur à plaques jointes, les joints en caoutchouc entre les plaques diriger les fluides dans des canaux alternatifs. (For les conceptions soudées, les plaques sont scellées par soudage ou brasage au lieu des joints.) Dans les deux cas, le fluide chaud transfère la chaleur au matériau de la plaque, et la plaque le transfère au fluide froid de l'autre côté. Parce que les flux froids et chauds circulent dans des directions opposées (contre-courant), la différence de température reste élevée à travers l'unité, ce qui donne un transfert de chaleur très efficace.

Étapes clés dans la conception d'un échangeur de chaleur à plaques

Lors de la conception d'un échangeur de chaleur à plaques pour une application donnée, les ingénieurs suivent plusieurs étapes clés :

Choisissez le bon type d'échangeur. Tout d'abord, identifiez les exigences : type de fluide, températures, débits, pression, espace et besoins d'entretien. Par exemple, pour des conditions douces et un entretien facile, un échangeur de plaques joint est courant. Pour des pressions très élevées ou des milieux agressifs, des types de soudage tels que les échangeurs HT-Bloc ou les circuits imprimés ou les conceptions TP (combinant des caractéristiques de plaque et de coque) peuvent être nécessaires. Les formes spécialisées comme le type de soudure à large espace sont choisies pour les fluides très visqueux / chargés de solides ou les conditions extrêmes, respectivement.

Calculer la chaleur et la surface requise. Ensuite, déterminer la charge thermique.Q. (généralement à partir des données du processus ou du changement de température souhaité) et calculer la surface de transfert de chaleur nécessaire. En utilisant l'équation de transfert de chaleur de base Q = U × A × Δ T_lm On calcule la zoneA. requis. iciU U est le coefficient global de transfert de chaleur (estimé à partir des propriétés du fluide et des caractéristiques de la plaque), etΔ T _ lm est la différence de température log-moyenne entre les fluides. plus hautU U une surface de plaque plus grande ou plus grande donne une plus grande charge de chaleur. En pratique, le nombre de plaques est choisi de telle sorte que la surface totale de la plaque soit A = Q / (U × Δ T_lm).

Estimation de chute de pression. Comme les fluides circulent à travers les plaques, il y aura des pertes de friction. Les concepteurs calculent la chute de pression de chaque côté, en utilisant les débits connus, l'espacement des plaques et les modèles d'ondulation. Le facteur de frottement et la longueur du canal entrent dans une formule de débit de fluide pour s'assurer que la chute de pression résultante est acceptable pour le système. Si la chute est trop grande, on peut ajouter plus de plaques (augmentation de la surface) ou changer la géométrie de la plaque (par exemple, passages plus grands dans une conception à large espace) pour réduire l'étouffement.

Sélectionnez les matériaux et composants. Le choix du matériau dépend de la compatibilité chimique et de la température. Les matériaux de plaque communs sont l'acier inoxydable (par exemple, 316L) pour usage général, alliages de titane ou de nickel pour fluides corrosifs, et alliages spéciaux pour très hautes températures. Les joints (si utilisés) doivent s'adapter au fluide (NBR, EPDM, Viton, etc.) Et la température. Dans les échangeurs soudés (HT-Bloc, TP, large-gap), il n'y a pas de joints, ce qui permet des pressions et des températures très élevées.

Réviser la conception et tester si possible. Après une conception préliminaire, il est bon de simuler ou de prototyper l'échangeur pour vérifier le transfert de chaleur et l'hydraulique. Comme l'indique un guide, « vérifiez la conception en utilisant des simulations ou des essais expérimentaux pour vous assurer... le taux de transfert de chaleur et la chute de pression désirés ». Ajustez le nombre de plaques, la configuration ou les paramètres de fonctionnement selon les besoins pour atteindre les objectifs.

Ces étapes (sélection, dimensionnement thermique, contrôle de la chute de pression, sélection des matériaux, vérification) garantissent une conception robuste. En cours de route, la référence des familles de produits connues peut aider : par exemple,Échangeurs de plaques soudés HT-Bloc utiliser des plaques entièrement soudées pour le service à haute pression ;Échangeurs de soudage Wide-gap offrir des canaux élargis pour éviter le sale par les boues ; etÉchangeur de circuits imprimés Utilisez des microcanaux liés par diffusion pour des conditions extrêmes.

Formule de conception : Duty de chaleur et LMTD

Une formule de base dans la conception d'échangeurs de chaleur est l'équilibre de chaleur :

Q = ∑ _ h × c _ {p, h} × (T _ {h, in} - T _ {h, out})

= <unk> _ c × c _ {p, c} × (T _ {c, out} - T _ {c, in})

ou

Où les souscripteurshet c. se réfère aux fluides chauds et froids. Cela assure un équilibre énergétique : la chaleur perdue par le fluide chaud égale la chaleur gagnée par le froid.

Une autre relation clé est l'équation de transfert de chaleur :

Q = U × A × Δ T_lm

ici U U (coefficient global de transfert de chaleur) représente la conductivité thermique de l'échangeur de plaques (il dépend de la convection du fluide, du matériau de la plaque et de l'encrassement),A.est la surface totale des plaques, etΔ T _ lm est la différence de température log-moyenne entre les flux chauds et froids. La formule LMTD tient compte du fait que la différence de température varie le long de l'échangeur. En termes simples, un premier calcul Δ T _ lm = (Δ T1 - Δ T2) / ln (Δ T1 / Δ T2),oùΔ T1 etΔ t2 Les différences de température aux deux extrémités.

AvecQ.connu et une estimation deU ULa zone requise estA = Q / (U × Δ T_lm) . Les concepteurs itèrent souvent : supposons un motif de plaque ou un matériau à estimerU U(qui peut varier de quelques milliers à 7000 W / m2 · K pour les PHEs liquide-liquide), calculezA. , puis choisissez un nombre de plaques de telle sorte que la somme des surfaces des plaques se réunisseA. . On peut également utiliser des méthodes d'efficacité NTU pour un dimensionnement plus complexe, mais le modèleU × A × Δ T_lm L'approche est un point de départ commun.

Les échangeurs de chaleur à circuits imprimés reposent sur des plaques à microcanaux (illustrées ci-dessus). Chaque plaque est gravée avec des canaux étroits (flux bleu et rouge) pour créer une surface énorme dans un volume compact. Le transfert total de chaleur suitQ = U × A × Δ T_lm Ainsi, leur très grandeA./ volume et hautU U Donnez une performance exceptionnelle.

Applications industrielles et considérations de conception

Les échangeurs de plaques sont utilisés dans de nombreuses industries. Chaque application a ses propres exigences :

Processus chimique :

Les usines chimiques traitent souvent avec des fluides corrosifs ou toxiques et peuvent nécessiter des pressions ou des températures élevées. Les conceptions ici favorisent les PHEs soudés (pas de joints à fuir) en alliages spéciaux. Par exemple, un échangeur entièrement soudé HT-Bloc combine l'efficacité de la plaque avec la résistance de la coque et du tube, permettant un service dans des boucles chimiques difficiles. Les canaux d'écoulement peuvent avoir besoin d'être légèrement plus grands que l'ultra-étroite pour éviter l'encrassement par les catalyseurs en suspension ou les solides. Les matériaux tels que l'Hastelloy ou le titane sont courants. La facilité de nettoyage est importante - de nombreux procédés permettent le nettoyage sur place (CIP) - de sorte que les conceptions ouvertes (cadres boulonnés) peuvent être utilisées pour l'entretien.

HVAC (Chauffage / Ventilation) :

Les systèmes de CVC impliquent généralement le chauffage ou le refroidissement de l'eau et des boucles de glycol à des pressions modérées. ici,Échangeur de plaques Ils sont très courants en raison de leur faible coût et de leur entretien facile. Ils excelent dans la récupération d'énergie et les fonctions de refroidissement / condensateur. La conception est axée sur la maximisation de l'efficacité dans un espace limité. Parce que les fluides sont relativement propres, des plaques étroites (haute ondulation) peuvent être utilisées pour un transfert de chaleur maximal. Les joints permettent un démontage simple pour le nettoyage ou l'ajout de plaques si la capacité doit changer. Les matériaux typiques sont l'acier inoxydable (316L) et les élastomères de joint standard. Les pressions en HVAC sont modestes (souvent < 20 bar), de sorte que les unités jointes standard suffisent.

Génération d'énergie :

Les centrales électriques (fossiles ou nucléaires) ont des flux à haute température et haute pression (vapeur, fluides supercritiques). Les échangeurs de chaleur à circuits imprimés (PCHE) ont d'abord été développés pour le nucléaire et le GNL et trouvent maintenant une utilisation dans les cycles d'énergie.Le PCHLes plaques de microcanaux sont liées par diffusion dans un bloc solide, ce qui donne une résistance exceptionnelle et de minuscules passages à haute efficacité. Ils peuvent fonctionner jusqu'à ~ 1000 bar et 900 ° C, bien au-delà des PHEs normaux. dans des applications de puissance moins extrême (par exemple, chauffage de l'eau d'alimentation des chaudières), les échangeurs de plaques soudés tels que les types TP combinent compacité et robustesse. Ceux-ci peuvent avoir des coquilles ouvertes pour l'entretien et permettre des chutes de pression acceptables pour le cycle. Dans tous les cas, la propreté est essentielle (pas de fuites), de sorte que les conceptions entièrement soudées ou liées par diffusion sont choisies.

Aliments et boissons :

L'industrie alimentaire a besoin d'échangeurs hygiéniques et faciles à nettoyer. Les PHEs joints sont largement utilisés pour la pasteurisation du lait, le moût dans la brassage et le chauffage / refroidissement des jus. Les plaques sont souvent en acier inoxydable (parfois 316L) avec des joints approuvés par la FDA. De nombreuses unités sont construites sur des cadres ouverts afin que les plaques puissent être rincées ou remplacées pour le nettoyage. Pour les produits contenant des particules (p. ex. jus de fruits pulpés, jus de canne à sucre),Échangeurs de plaques large-gap sont utilisées. Ceux-ci ont élargi les canaux d'écoulement qui tolèrent les pièces solides sans obstruction. Les conceptions à large espace sont toujours soudées et évaluées sous pression, mais leur forme de canal empêche les « zones mortes » et les blocages. L'objectif est une manipulation douce (pour éviter le cisaillement du produit) tout en respectant un contrôle strict de la température. Souvent, les systèmes CIP (nettoyage en place) sont intégrés, et l'ondulation de la plaque peut être plus douce.

Les échangeurs de chaleur à plaques soudées à large espace (comme l'unité bleue ci-dessus) gèrent les fluides visqueux ou chargés de particules. Les grands canaux évitent le blocage, tandis que la conception de la plaque ondulée maintient un rendement thermique élevé.

Au-delà de ces exemples, presque toutes les industries, de la pétrochimique à la pharmacie, utilisent des échangeurs de plaques sous une forme ou une autre. Les principales exigences varient selon le secteur : la résistance à la corrosion sous contrainte et la pression des usines chimiques, la CVC se concentre sur la compacité et la facilité d'utilisation, les centrales électriques sur les performances thermiques et la pression, et les aliments / boissons sur l'hygiène et la résistance aux salissages. En comprenant les exigences de l'application, les concepteurs choisissent la géométrie de la plaque, la méthode d'étanchéité, le matériau et la configuration globale.

Conclusions

La conception d'un échangeur de chaleur à plaques nécessite une compréhension claire des principes de transfert de chaleur et des besoins spécifiques du processus. Commencez par les bases : un échangeur à plaques fonctionne en contrecoulant des fluides chauds et froids sur des plaques alternatives, obtenant un échange de chaleur très efficace. Suivez ensuite des étapes systématiques : sélectionnez le type (jointé, soudé, circuit imprimé, etc.), Calculer la charge thermique et la surface requise, s'assurer que les chutes de pression sont acceptables, choisir des matériaux compatibles et vérifier la conception.

Différents secteurs d'activité orienteront les choix : par exemple, les échangeurs de plaques soudés HT-Bloc combinent efficacité de plaques avec une ténacité à haute pression, tandis que les échangeurs de plaques à large écart excelent dans les applications alimentaires ou minières avec des solides, et les PCHEs offrent des solutions compactes pour les centrales électriques. En combinant ces principes de conception avec le type de produit et les matériaux appropriés, les ingénieurs s'assurent que chaque échangeur de chaleur à plaques fonctionne de manière fiable dans son service prévu.

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