인쇄 회로 열교환기의 크기: 포괄적인 가이드

인쇄 회로 열교환기 Applications of Printed Circuit Heat Exchanger

• 석유와 가스: 액화 천연 가스 플랜트 및 재가스화 유닛에서 PCHEs 는 사전 냉각 된 메탄 사이클, 엔드 플래시 가스 회수, 끓는 가스 처리 및 증발기 의무에서 사용됩니다.저온 성능 (최하 -196 °C) 과 고압 능력은 PCHEs 를 연료 가스 히터 및 부동 재기화기의 열 회수용에 이상적으로 만듭니다.

• 수소연료 및 처리 (Hydrogen Fueling and Processing): 빠른 수소 주유 스테이션은 충전 속도를 극대화하기 위해 고압 H 2 의 빠른 사전 냉각에 의존합니다. PCHEs (특히 특수 3 D 에칭 채널) 는 700 bar 에서 수소를 저장 조건으로 미리 냉각하여 펌프 전력과 대기 시간을 줄이는 데 사용됩니다.더 광범위하게, 수소 액화 및 처리는 PCHEs 의 고압 탄력성을 활용할 수 있습니다.
• 화학물질 석유화학 공장 (Petrochemical Plants): PCHEs 는 고압 탄화수소 가공, 정제 및 석유화학 업무를 위해 시간 검증되었습니다.그들은 엄격한 청결을 요구하는 공정에서 가스 이슬점 제어, 반응기 단계 간 냉각, 산성 가스 냉각 및 응축과 같은 업무를 처리합니다.그들의 작은 유체 재고와 높은 열 효율은 청결, 중요한 서비스에 적합합니다. (예를 들어, 니켈 합금 PCHEs 는 가혹한 유체와 고온에 저항하기 위해 화학 가공에 널리 사용됩니다.)
• 전력 생성: 고급 전력 사이클에서 PCHEs 는 회수기 및 발전기에 사용됩니다.모든 스트림이 200 - 300 bar 이상인 초임계 CO 2 사이클의 경우, PCHEs 는 ~ 600 ° C 의 온도 슬라이딩과 거대한 압력 차이를 견딜 수 있습니다.그들은 또한 원자력 발전 (증기 발전기 교체) 및 가스 터빈 연료 가스 난방에 사용됩니다.그들의 초고압 등급 (일부 디자인에서 ~ 1250 bar 까지) 은 새로운 사이클에 매력적입니다.

• 재생 가능 에너지및 스토리지: PCHEs 는 집중 태양 전력, 장기 열 저장 (용융 소금 등) 에 대한 관심을 얻고 있습니다.높은 사이클 효율과 컴팩트한 열교환이 중요한 탄소 포획 시스템입니다.

PCHE 크기에 대한 주요 고려 사항

• 열전달 요구 사항 (Heat Transfer Requirements): 먼저, 필요한 난방수량을 계산합니다. Q 프로세스 데이터 (질량 유량, 비열 및 뜨거운 및 차가운 유체의 온도 변화) 에서또한 LMTD (대기 평균 온도 차이) 또는 필요한 출구 온도를 결정합니다.열 duty 및 LMTD 는 관계를 통해 필요한 전체 열 전달 면적을 설정합니다.
  
  어디서 U U 전체 열전달계수입니다.
• 유체 유량 속도 및 속도: 각 유체의 질량 유량 (핫 면 및 차가운 면) 을 지정하면 속도를 계산할 초기 채널 치수를 선택합니다.예를 들어, 각 채널에 횡단면 면적이 있는 경우 , 유체 속도 .속도는 흐름 체제 (레이놀드 수) 를 결정합니다. 열전달 및 압력강하 (heat transfer and pressure drop) PCHE microchannels 는 일반적으로 0. 4 - 4 mm 유압 지름의 순서, 그래서 흐름은 속도와 유체에 따라 층층에서 난류에 이르기까지 다양 할 수 있습니다.
• 채널 형상 및 구성 : 채널 형상, 폭을 결정합니다 ((그리고 길이가 있습니다.) PCHE 제조업체는 종종 채널 패턴 (직선, 지그자그, 웨이브, 3 D 등) 의 카탈로그를 제공합니다.판 및 골판 프로파일.좁은 채널은 표면적을 증가 (열 전달 증가) 하지만 또한 압력 강하를 증가.선택한 형상은 필요한 열 전달을 제공하는 동안 압력 하강 한계를 충족해야 합니다.화학적 에칭은 매우 유연하기 때문에 PCHEs 는 단순한 핀 플레이트에서는 불가능한 복잡한 serpentine 또는 분배자 패턴을 구현할 수 있습니다.제품 매개변수는 초기 선택을 안내할 수 있습니다. 예를 들어 SHPHE 는 전형적인 채널 간격이 0. 4 ~ 4 mm, 플레이트 두께는 0. 5 ~ 2 mm 입니다.
• 열전달계수 계산: 상관관계를 사용하여 대류 열전달 계수를 추정합니다. h 각 쪽에서.많은 PCHE 설계 (몇 밀리미터의 반원형 채널) 의 경우 Nu 와 마찰 계수 상관 관계는 문헌 또는 CFD 데이터에서 사용할 수 있습니다.예를 들어, 한 연구는 2 mm 반원형 채널에 대해 다음과 같이 말합니다.

• 면적 및 채널 수: 한 번 U U 계산, 해결 필요한 전체 열전달 면적입니다. PCHE 에서 면적은 모든 채널 벽의 합계로부터 생성됩니다.각 채널 플레이트에는 폭의 병렬 채널 길이 및 length 그리고, There are 전체 면적은 대략 (Where) 비대칭 (asymmetry)이를 통해 필요한 문제를 해결할 수 있습니다. 및 실제 플레이트 치수를 지정합니다.예를 들어, 0. 5 m 2 의 유효 면적이 필요하고 각 채널이 0. 01 m 2 를 기여하는 경우 약 50 개의 채널 플레이트를 쌓아야 합니다.
• 압력강하 추정: 각 측의 압력 강하를 계산합니다.주어진 채널에 대해, Darcy 's Law 는 .여기 채널의 평균 속도와 위의 상관 관계에서 발생하는 마찰 계수입니다.채널이 작기 때문에 압력 강하가 크게 발생할 수 있습니다. 엔지니어들은 허용되는 한계 내에서 유지됩니다.강도가 너무 높으면 채널 크기를 늘리거나 (병렬 채널 / 플레이트를 추가하여) 채널 길이를 줄이거나 다른 흐름 경로 형상을 선택할 수 있습니다.
• 재질 및 기계적 구속조건: 압력 및 부식 요구 사항에 따라 플레이트 재질 및 두께를 선택합니다. A (A)산업용 PCHE의 플레이트 두께는 전체 설계 압력을 견딜 수 있어야 합니다. 예를 들어, SHPHE 는 최대 1000 bar 의 압력을 위해 플레이트 두께를 0. 5 - 2 mm 로 지정합니다. SS 316 L, Inconel 625, titanium 또는 Hastelloy 와 같은 재료는 고온 또는 부식성 유체에 저항하는 데 일반적입니다.매우 높은 압력은 더 두꺼운 플레이트 또는 고강도 합금을 필요로 할 수 있으므로 채널 크기 또는 면적을 줄이기 때문에 이러한 트레이드 오프가 반복되어야합니다.
• Iteration 및 Optimization: 위의 요인은 상호 의존적이기 때문에 크기는 일반적으로 반복적입니다.일반적으로 채널 간격 또는 카운트를 조정하고 다시 계산합니다. U U 및 열 및 유압 제약 조건이 모두 충족될 때까지컴퓨터 도구 또는 제조업체의 소프트웨어는 종종 이를 돕습니다.중요한 경우 (예를 들어, sCO 2 사이클) 상세한 시뮬레이션을 사용하여 형상을 최종화할 수 있습니다.

1. 요구사항 정의: 핫 / 차가운 입구 / 출구 온도, 질량 유량, 허용 압력 강하 및 요구된 듀티 수집 .

2. 채널 치수를 예비적으로 선택합니다. 채널 너비 (예: 1 - 3 mm) 와 판 골형 형태를 선택합니다.

3. 속도와 레이놀드 수 계산: , .

4. 열전달계수 추정: 누셀트 상관관계 (Nu vs. Re) 를 사용하여 및 각 측에 대하여.

5. 전체 계산 : 결합 , 그리고 벽의 전도성.

6. 필요한 면적 계산: .

7. 채널 수 / 길이 결정: 면적 공식을 사용하여 찾기 및 그것은 접시 크기와 일치합니다.

8. 압력 강하 확인: 계산하다 각 측에 대하여.

9. 형상 조정: 만약 너무 높거나 혹은 U U 너무 낮은 경우 채널 폭, 플레이트 수 또는 흐름 경로를 수정 (곡부 추가, 패턴 변경) 하고 반복합니다.

10. 기계적으로 유효성 검사: 벽 두께 및 재료가 설계 압력 및 온도에 대한 ASME / PED 코드를 충족하는지 확인하십시오.

이 과정에서 제조 제약 조건을 존중하는 것이 중요합니다.예를 들어, 화학적 에칭은 매우 복잡한 채널 (serpentines, 다중 패스 회로) 을 만들 수 있지만 지나치게 얇은 벽 (< 0. 2 mm) 은 에칭 및 접합에 실용적이지 않습니다. SHPHE 의 지침은 대부분의 PCHEs 에 대해 0. 5 - 2 mm 범위의 플레이트 두께를 제안합니다.

Shell - and - Tube 및 기타 유형의 교환기와의 비교

마지막 노트 On A Final Note