Plate Heat Exchanger 를 설계하는 방법

Plate heat exchanger (PHEs) 는 얇은 골판형 금속 판으로 구성된 컴팩트한 장치입니다.이 플레이트는 뜨거운 유체와 차가운 유체가 흐를 수 있도록 교차하는 채널을 만듭니다.유체는 분리되어 (가스킷 또는 용접 된 씰 덕분에) 유지되며 일반적으로 반대 전류 모드로 흐르며 길이를 따라 온도 차이를 극대화합니다.한 유체가 각 플레이트의 한 쪽을 흐르고 다른 유체가 반대 쪽을 흐르면, 열은 금속을 통해 전도됩니다.이 골형판 설계는 난류를 유발하고 매우 높은 열전달 계수를 가져옵니다.플레이트 열교환기종종 쉘 및 튜브 열교환기보다 더 효율적으로 열을 전달합니다.

Gasketed Plate Heat Exchanger (가스킷판 열교환기)볼트 플레이트와 탄성체 가스켓 (위와 같이) 을 사용하여 밀봉된 채널을 형성합니다.이 플레이트를 통해 뜨거운 유체와 차가운 유체의 역류는 열 전달을 극대화합니다.

각 플레이트는 큰 표면적과 얇은 벽을 가지고 있으며, 이는 빠른 열 흐름을 의미합니다.패스킹된 판 열교환기에서, 판 사이의 고무 패스킹은 유체를 교차 채널로 지시합니다. (For용접된 디자인은, 판은 가스켓 대신 용접 또는 brazing 에 의해 밀봉됩니다.)두 경우 모두, 뜨거운 유체는 판 재료로 열을 전달하고, 판은 반대편의 차가운 유체로 열을 전달합니다.차가운 스트림과 뜨거운 스트림이 반대 방향으로 흐르기 때문에 온도 차이는 유닛 전체에서 높게 유지되어 매우 효율적인 열 전달을 제공합니다.

Plate Heat Exchanger 설계의 주요 단계

특정 응용 분야를 위해 플레이트 열교환기를 설계할 때 엔지니어는 다음과 같은 몇 가지 주요 단계를 수행합니다.

올바른 교환기 유형을 선택합니다. 먼저 요구 사항 (유체 유형, 온도, 유량, 압력, 공간 및 유지 보수 요구 사항) 을 파악합니다.예를 들어, 가벼운 조건과 쉬운 유지 보수를 위해, 가스켓이있는 플레이트 교환기는 일반적입니다.매우 높은 압력 또는 공격적인 매체의 경우 HT - 블록 또는 인쇄 회로 교환기 또는 TP 설계 (플래트 및 쉘 특징을 결합하는) 와 같은 용접 유형이 필요할 수 있습니다.넓은 간격 용접 유형과 같은 특수 형태는 매우 점성 / 고체 적재 유체 또는 극한 조건에 각각 선택됩니다.

난방 듀티와 필요한 면적을 계산합니다. 다음으로, 열 부하를 결정합니다.Q (일반적으로 공정 데이터 또는 원하는 온도 변화로부터) 필요한 열전달 면적을 계산합니다.기본 열전달 방정식 사용 Q = U × A × Δ T _ lm 한쪽은 면적을 계산합니다.A (A) 필요해요.여기U U 전체 열전달 계수 (유체 특성과 판 특성을 기준으로 추정됨) 및Δ T _ lm 유체 사이의 평균 온도 차이입니다.더 높다U U 또는 더 큰 플레이트 면적은 더 큰 열 의무가됩니다.실제로는 총 플레이트 면적이 일치하도록 플레이트 수를 선택합니다. A = Q / (U × Δ T _ lm).

압력강하를 추정합니다. 유체가 플레이트를 통해 흐를 때 마찰 손실이 발생합니다.설계자는 알려진 유량, 플레이트 간격 및 골형 패턴을 사용하여 각 면의 압력 강하를 계산합니다.마찰 계수 및 채널 길이는 유체 흐름 공식을 입력하여 결과 압력 강하가 시스템에 허용되는지 확인합니다.드롭이 너무 큰 경우 더 많은 플레이트를 추가하거나 플레이트 형상을 변경할 수 있습니다 (예를 들어,틈이 넓은 디자인에서 더 큰 통로) 를 사용하여 질식 감소.

재질 및 구성요소를 선택합니다. 재료 선택은 화학적 호환성과 온도에 따라 달라집니다.일반적인 플레이트 재료는 스테인레스 스틸입니다 (예: 316 L) 일반 용도, 부식성 유체용 티타늄 또는 니켈 합금 및 매우 고온용 특수 합금.가스켓 (사용되는 경우) 은 유체 (NBR, EPDM, Viton 등) 에 적합해야 합니다.그리고 온도도.용접 교환기 (HT - Block, TP, Wide - Gap) 에는 가스킷이 없으므로 매우 높은 압력 및 온도 등급을 허용합니다.

가능한 경우 설계를 검토하고 테스트합니다. 예비 설계를 한 후, 좋은 방법은 열 전달 및 유압을 확인하기 위해 교환기를 시뮬레이션하거나 프로토타입하는 것입니다.한 가이드가 언급한 바와 같이, "시뮬레이션 또는 실험 테스트를 사용하여 설계를 확인하여 원하는 열 전달 속도와 압력 강하를 보장합니다."필요에 따라 플레이트 수, 구성 또는 작동 매개변수를 조정하여 목표에 도달합니다.

이러한 단계 (선택, 열 크기 조정, 압력 하강 검사, 재료 선택, 검증) 는 견고한 설계를 보장합니다.도중 알려진 제품군을 참조하면 도움이 됩니다. 예를 들어,HT - BLOC 용접판 교환기 고압 서비스를 위해 완전히 용접 된 플레이트 팩을 사용하십시오;와이드 gap 용접 교환기 슬러리에 의한 오염을 방지하기 위해 확장된 채널을 제공; 그리고인쇄회로 교환기 극단적 인 조건에 대해 확산 결합 된 마이크로 채널을 사용합니다.

설계 공식: 열 Duty 및 LMTD

열교환기 설계의 핵심 공식은 열 균형입니다 :

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

= 엠 _ c × c _ {p, c} × (T _ {c, out} - T _ {c, in})

또는

Where the subscribers 는h, C 뜨거운 유체와 차가운 유체를 언급합니다.이것은 에너지 균형을 보장합니다 : 뜨거운 유체에 의해 손실 된 열은 차가운 유체에 의해 얻은 열과 같습니다.

또 다른 중요한 관계는 열전달 방정식입니다:

Q = U × A × Δ T _ lm

여기 U U (전체 열전달 계수) 는 판교환기의 열 전도도를 나타냅니다 (유체 대류, 판 재료 및 오염에 따라 달라집니다).A (A)은 판의 총 표면 면적이며,Δ T _ lm 뜨거운 흐름과 차가운 흐름 사이의 평균 온도 차이입니다. LMTD 공식은 교환기를 따라 온도 차이가 변한다는 사실을 설명합니다.간단히 말해서, 첫 번째 계산은 Δ T _ lm = (Δ T 1 - Δ T 2) / ln (Δ T 1 / Δ T 2),어디서Δ T 1 및Δ T 2 양쪽 끝의 온도 차이입니다.

와 함께Q알 수 있고 추정되는U U필요한 영역은A = Q / (U × Δ T _ lm) .설계자는 평판 패턴이나 재질을 추정하기 위해 반복합니다.U U(액체 - 액체 PHEs 의 경우 수 천에서 7000 W / m 2 · K 까지의 범위일 수 있음), 계산A (A) 을 클릭한 다음 플레이트 면적의 합이 충족되도록 플레이트 수를 선택합니다.A (A) .더 복잡한 크기를 위해 NTU - effectiveness 방법을 사용할 수도 있지만,U × A × Δ T _ lm 접근법은 공통의 출발점입니다.

인쇄 회로 열교환기는 마이크로 채널 플레이트 (위에서 표시됨) 에 의존합니다.각 플레이트는 좁은 채널 (파란색 및 빨간색 흐름) 을 사용하여 컴팩트한 볼륨에서 거대한 표면적을 만듭니다.전체 열전달은 다음과 같다.Q = U × A × Δ T _ lm 따라서, 그들의 매우 큰A (A)/ volume 및 highU U 탁월한 성능을 발휘하다.

산업용 애플리케이션 및 설계 고려 사항

플레이트 교환기는 많은 산업에서 사용됩니다.각 응용 프로그램에는 고유한 요구 사항이 있습니다 :

화학적 처리:

화학 공장은 종종 부식성 또는 독성 유체를 다루며 고압이나 온도를 필요로 할 수 있습니다.여기의 디자인은 특수 합금으로 만든 용접 PHEs (누출되는 gasket 없음) 를 선호합니다.예를 들어, HT - Block 완전 용접 교환기는 플레이트 효율과 쉘 및 튜브 강도를 결합하여 가혹한 화학 루프에서 서비스를 가능하게합니다.유동 채널은 현탁 촉매 또는 고체로 인한 오염을 방지하기 위해 초 좁은 채널보다 약간 더 커야 할 수 있습니다. Hastelloy 또는 티타늄과 같은 재료는 일반적입니다.청소의 용이성은 매우 중요합니다 - 많은 공정은 CIP (In - Place Cleaning) 를 허용하므로 개방형 설계 (볼트 고정 프레임) 를 유지 보수에 사용할 수 있습니다.

HVAC (난방 / 환기 / AC)

HVAC 시스템은 일반적으로 적당한 압력으로 물과 글리콜 루프를 가열하거나 냉각합니다.여기,패스킹된 플레이트 교환기 그들은 저렴한 비용과 쉬운 유지 보수 때문에 매우 일반적입니다.그들은 에너지 회수 및 냉각기 / 응축기 작업에 탁월합니다.설계는 제한된 공간에서 효율성을 극대화하는 데 중점을 두었습니다.유체는 상대적으로 깨끗하기 때문에 가장 큰 열 전달을 위해 좁은 플레이트 (고류형) 를 사용할 수 있습니다.용량을 변경해야 할 경우 용량을 청소하거나 플레이트를 추가하기 위해 가스킷을 쉽게 분해할 수 있습니다.전형적인 재료는 스테인레스 스틸 (316 L) 과 표준 가스켓 엘라스토머입니다. HVAC 의 압력 등급은 겸손합니다 (일반적으로 < 20 bar), 그래서 표준 가스켓 유닛으로 충분합니다.

전력 발생:

발전소 (화석 또는 원자력) 에는 고온, 고압 흐름 (증기, 초임계 유체) 이 있습니다.인쇄 회로 열교환기 (PCHEs) 는 원자력 및 LNG 를 위해 처음 개발되었으며 현재 전력 사이클에서 사용되고 있습니다.PCHE 에 대한 리뷰 보기마이크로 채널 플레이트는 확산 - 단단한 블록으로 결합되어 뛰어난 강도와 작은 고효율 통로를 제공합니다.그들은 ~ 1000 bar 및 900 ° C 까지 작동 할 수 있으며, 이는 일반적인 PHEs 를 훨씬 초과합니다.덜 극단적 인 전력 응용 프로그램 (예를 들어,보일러 급수 가열), TP 유형과 같은 용접 플레이트 교환기는 컴팩트성과 견고성을 결합합니다.이들은 유지보수를 위해 열릴 수 있는 쉘을 가질 수 있으며 사이클에 허용되는 압력 강하를 허용할 수 있습니다.모든 경우에 청결성이 중요합니다 (누출 없음), 그래서 완전 용접 또는 확산 결합 디자인을 선택합니다.

음식 및 음료:

식품 산업은 위생적이고 청소하기 쉬운 교환기가 필요합니다. Gasketed PHEs 는 우유의 저온 살균, 양조에서 wort, 주스의 가열 / 냉각에 널리 사용됩니다.플레이트는 종종 스테인레스 스틸 (때로는 316 L) 이며 FDA 가 승인 한 가스켓이 있습니다.많은 유닛은 열린 프레임에 구축되어 있으므로 플레이트를 씻거나 청소를 위해 교체할 수 있습니다.미립자가 있는 제품의 경우 (예를 들어,펄프 과일 주스, 사탕수수 주스),넓은 간격 플레이트 교환기 사용된다.이들은 막히지 않고 솔리드 조각을 견딜 수 있는 유동 채널을 확대했습니다.넓은 간격 설계는 여전히 용접되고 압력 등급이 있지만 채널 모양은 "사체 영역" 과 막힘을 방지합니다.목표는 엄격한 온도 제어를 충족하면서 부드러운 취급 (제품 전단 방지) 입니다.종종 CIP (clean - in - place) 시스템이 통합되어 있으며 판 골형이 더 부드러워질 수 있습니다.

넓은 간격 용접판 열교환기 (위쪽의 파란색 장치와 같은) 는 점성 또는 입자가 적재된 유체를 처리합니다.큰 채널은 막힘을 방지하고 골판 디자인은 높은 열 효율을 유지합니다.

이러한 예를 넘어, 석유화학에서 제약에 이르기까지 거의 모든 산업에서 어떤 형태로든 플레이트 교환기를 사용합니다.주요 요구 사항은 화학 공장의 응력 부식 저항성과 압력 등급, HVAC 는 컴팩트성과 서비스 성능에 중점을 두고, 발전소는 열 성능과 압력에 중점을 두고, 식품 / 음료는 위생 및 오염 저항성에 중점을 두고 있습니다.설계자는 응용 프로그램의 요구 사항을 이해함으로써 올바른 판 형상, 밀봉 방법, 재료 및 전반적인 구성을 선택합니다.

결론.

판 열교환기를 설계하려면 열전달 원리와 특정 공정 요구 사항에 대한 명확한 이해가 필요합니다.기본부터 시작하십시오: 판교환기는 뜨거운 유체와 차가운 유체를 교차하는 플레이트 위로 역류하여 매우 효율적인 열교환을 달성합니다.그런 다음 체계적인 단계를 따르십시오 : 유형 (게스킷, 용접, 인쇄 회로 등) 을 선택합니다.열 의무 및 필요한 면적을 계산하고, 압력 강하가 허용되는지 확인하고, 호환되는 재료를 선택하고, 설계를 확인합니다.

다양한 산업은 선택의 방향을 이끌 것입니다: 예를 들어, HT - 블록 용접 판 교환기는 판 효율과 고압 인성을 결합하는 반면, Wide - Gap 판 교환기는 고체를 사용하는 식품 또는 광산 응용 분야에서 탁월하며, PCHEs 는 컴팩트한 발전소 솔루션을 제공합니다.이러한 설계 원칙을 적절한 제품 유형 및 재료와 혼합함으로써 엔지니어는 각 플레이트 열교환기가 의도된 서비스에서 안정적으로 수행되도록 보장합니다.

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