Échangeurs de chaleur à circuit imprimé (PCHE)

Circuit imprimé échangeur de chaleur Les échangeurs de chaleur (PCHE) sont des échangeurs de chaleur à plaques ultra-compacts à liaison par diffusion conçus pour des conditions extrêmes. Contrairement aux unités conventionnelles à coquille et tube, un PCHE est construit en gravant chimiquement des motifs de microcanaux complexes sur des plaques métalliques minces, puis en les empilant et en les liant par diffusion en un bloc solide et monolithique.

Échangeurs de chaleur de circuits imprimés (Le PCH):

Le PCHE transfère l'énergie thermique d'un flux chaud à un flux froid à travers des plaques métalliques soudées par diffusion. Chaque plaque a des canaux gravés sur les deux faces, et les fluides passent à travers ces canaux sur les côtés opposés de la plaque. Comme le fluide chaud circule à travers ses canaux, la chaleur conduit à travers la paroi de la plaque aux canaux adjacents du fluide froid, augmentant (ou abaissant) les températures du fluide. Les ingénieurs disposent généralement les chemins d'écoulement de sorte qu ' un fluide s'écoule à contre-courant de l'autre, maximisant le gradient de température le long de l'écoulement et augmentant l'efficacité. De façon cruciale, les canaux gravés comportent souvent de petites ondulations ou courbes qui induisent des turbulences, même à des débits modérés, ce qui augmente considérablement les coefficients de transfert de chaleur convectif (souvent 3 000 - 7 000 W / m2 · K).

Par exemple, un modèle de canal PCHE typique force les fluides chauds (rouges) et froids (bleu) à travers des chemins de microcanaux enroulés sur chaque plaque. Cette géométrie complexe, gravée chimiquement, mélange le flux et maintient une différence de température élevée dans l'ensemble de l'échangeur.

Étant donné que les canaux de la plaque peuvent être conçus sur mesure (motifs 2D ou 3D) pour chaque application, les ingénieurs peuvent optimiser la longueur thermique et la chute de pression en fonction des besoins du processus. En effet, le principe de fonctionnement d'un PCHE est de maximiser le contact de surface entre les fluides via de minuscules canaux gravés, puis de laisser la conduction solide à travers la plaque mince terminer le travail.

Construction et conception de PCHE

Échangeur de chaleur PCHEsont construits à partir de minces plaques métalliques (généralement en acier inoxydable ou en alliages à haute teneur en nickel) pour résister à des conditions difficiles. Chaque plaque subit une gravure photochimique de précision pour créer ses microcanaux. Une fois gravées, les plaques sont empilées dans une configuration chaude / froide alternée et placées dans un four de liaison par diffusion à haute pression et haute température. Dans ces conditions (généralement 70 - 95% du point de fusion du métal), les surfaces métalliques se soudent ensemble au niveau atomique, créant un bloc solide sans soudure. La figure ci-dessous montre un schéma de la structure interne du PCHE après l'assemblage :

L'emballage de plaques (bloc pointillé à l'intérieur) forme le noyau du PCHE, pris en sandwich entre une coque côté chaud et une coque côté froid. Les collecteurs d'entrée et de sortie sont soudés à ce bloc pour alimenter les fluides dans leurs circuits de canaux respectifs. Parce que l'ensemble du noyau est lié par diffusion, il n'y a pas de joints ou de joints de brasage dans les passages actifs. Cette construction entièrement soudée explique l'extraordinaire tolérance à la pression du PCHE. Les noyaux PCHE liés par diffusion survivent régulièrement à des pressions supérieures à 1 000 bar et à de grandes fluctuations de température.

En personnalisant le motif de gravure sur chaque plaque, les fabricants peuvent créer des arrangements d'écoulement asymétriques, des cycles multi-passages ou même des sections d'écoulement biphasées. Par exemple, une plaque peut acheminer le gaz chaud à travers un chemin en zigzag tandis que la plaque d'accouplement permet un flux de liquide directement à travers, en fonction des besoins du processus. Cette flexibilité permet aux concepteurs de régler l'échange de chaleur par rapport à la chute de pression.

Performance Highlights

Les PCHEs offrent plusieurs avantages clés en raison de leur conception.

· Efficacité thermique exceptionnelle :

Le réseau dense de microcanaux permet aux PCHEs d'atteindre une efficacité de 95 - 98 %. Presque toute la chaleur est transférée entre les fluides, ce qui dépasse de loin les unités typiques à coquille et tube. Ce rendement élevé signifie une approche de température très faible, réduisant les pertes d'énergie.

Taille ultra-compacte :

En gravant de nombreux canaux minuscules dans chaque plaque, les PCHEs emballent une énorme surface de transfert de chaleur dans un petit volume. En fait, les PCHEs peuvent occuper de 80 à 90% moins d'espace qu ' un échangeur à coque et tubes comparable. Ce « noyau solide emballé avec une zone de transfert de chaleur » les rend idéaux là où l'espace et le poids sont à la prime.

· Capacité de pression / température extrême :

Le noyau lié par diffusion n'a pas de joints d'écoulement ni de joints, de sorte qu 'il peut supporter des conditions brutales. Les PCHEs manipulent régulièrement les fluides cryogènes (jusqu'à -196 ° C) et les flux supercritiques (jusqu'à 850 ° C). Des pressions supérieures à 1 000 bar sont réalisables, ce qui permet aux PCHEs d'être utilisés dans les systèmes de combustible à hydrogène, les réacteurs avancés et les compresseurs haute pression.

· Durabilité mécanique :

L'élimination des joints et des joints de brasage signifie essentiellement pas de voies de fuite dans le noyau. Cette conception entièrement soudée résiste à la fatigue due aux vibrations et au cycle thermique. La liaison par diffusion préserve la résistance totale du métal et la résistance à la corrosion, de sorte que les PCHEs manipulent de manière fiable les fluides agressifs (acides, ammoniac, etc.). Là où les autres échangeurs échouent.

· Flexibilité de conception :

La gravure avancée signifie que les canaux peuvent suivre des motifs complexes. Les PCHEs peuvent être construits avec contre-écoulement, flux croisé ou passages multiples pour équilibrer le transfert de chaleur et la chute de pression. Des profils ondulés sur mesure stimulent davantage le mélange. Chaque échangeur de chaleur à circuit imprimé est conçu sur mesure pour son fonctionnement, offrant des performances supérieures pour chaque paire de fluide.

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Ces valeurs reflètent la capacité thermique et la robustesse extraordinaires d'un PCHE.

Applications de notre échangeur de chaleur à circuit imprimé

Le principe de fonctionnement du PCHE le rend adapté aux tâches de transfert de chaleur les plus exigeantes. Les applications typiques comprennent :

· Transformation du gaz naturel liquéfié (GNL) : Les PCHEs gèrent des températures cryogènes et des pressions élevées pendant la liquéfaction et la régasification du GNL. Ils sont utilisés pour la vaporisation du gaz combustible sur les FSRUs et la récupération des gaz d'ébullition sur les porteurs.

· Nucléaire &Génération électrique: Dans les réacteurs avancés et les cycles de CO2 supercritiques, les PCHEs servent de générateurs de vapeur compacts ou de récupérateurs de chaleur résiduelle. Leur capacité à soutenir 850 °C et 1000 bar les rend idéales pour le refroidissement du réacteur ou la récupération de chaleur à haute température.

· chimiqueet pétrochimiques : L'espace est serré dans les usines de raffinage et de chimie. Les PCHEs échangent efficacement la chaleur dans les réacteurs à haute pression (par exemple, l'hydrogénation) et contrôlent le point de rosée, tandis que les alliages résistants à la corrosion les laissent entrer en contact avec des produits chimiques agressifs.

· Hydrogène et capture du carbone : Les PCHEs pré - refroidissent l'hydrogène avant le ravitaillement (critique pour les stations de remplissage rapide) et récupèrent la chaleur dans les systèmes de CCS. Leur précision et leur efficacité contribuent à améliorer les performances du système tout en économisant de l'énergie.

Dans l'ensemble, le principe de fonctionnement - microcanaux gravés, liaison par diffusion et flux à contre-courant - donne aux PCHE une combinaison unique d'efficacité, de compacité et de résistance. Ces qualités leur permettent d'améliorer la récupération de chaleur et de réduire la consommation d'énergie. Les dernières études de SHPHE montrent que les PCHEs peuvent réduire la puissance de pompage de ~ 30% par rapport aux modèles traditionnels, grâce à leur efficacité élevée.

Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. Ltd. est spécialisée dans la conception, la fabrication, l'installation et l'entretien d'échangeurs de chaleur à plaques et de systèmes complets de transfert de chaleur.

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