कैसे एक प्लेट गर्मी एक्सचेंजर डिजाइन करें

प्लेट हीट एक्सचेंजर (पीएचई) कॉम्पैक्ट इकाइयां हैं जिनमें पतली, लहराती धातु प्लेटें एक साथ ढेर होती हैं।ये प्लेटें गर्म और ठंडे तरल पदार्थों के प्रवाह के लिए वैकल्पिक चैनल बनाते हैं।तरल पदार्थ अलग रहते हैं (गस्केट या वेल्डेड सील के लिए धन्यवाद) और आम तौर पर काउंटर-वर्तमान मोड में बहते हैं, जिससे लंबाई के साथ तापमान अंतर को अधिकतम किया जाता है।चूंकि एक तरल पदार्थ प्रत्येक प्लेट के एक तरफ से बहता है और दूसरा तरल पदार्थ विपरीत तरफ से बहता है, इसलिए गर्मी धातु के माध्यम से आयोजित की जाती है।यह लहरदार प्लेट डिजाइन अशांति को प्रेरित करता है और बहुत उच्च गर्मी हस्तांतरण गुणांक पैदा करता है, इसलिएप्लेट गर्मी एक्सचेंजरअक्सर शेल और ट्यूब गर्मी एक्सचेंजर की तुलना में अधिक कुशलता से गर्मी स्थानांतरित करते हैं।

गैस्केट प्लेट गर्मी एक्सचेंजरसील किए गए चैनलों को बनाने के लिए बोल्ट किए गए प्लेटों और elastomeric gaskets (जैसे ऊपर दिखाया गया है) का उपयोग करें।इन प्लेटों के माध्यम से गर्म और ठंडे तरल पदार्थों का काउंटरफ्लो थर्मल हस्तांतरण को अधिकतम करता है।

प्रत्येक प्लेट में एक बड़ा सतह क्षेत्र और पतली दीवारें होती हैं, जिसका अर्थ है तेज़ गर्मी प्रवाह।एक गस्केट प्लेट गर्मी एक्सचेंजर में, प्लेटों के बीच रबर गस्केट तरल पदार्थों को वैकल्पिक चैनलों में निर्देशित करते हैं।(Forवेल्डेड डिजाइन, प्लेटों को वेल्डेजिंग या गस्केट के बजाय ब्रजिंग द्वारा सील किया जाता है)किसी भी मामले में, गर्म तरल पदार्थ प्लेट सामग्री में गर्मी हस्तांतरित करता है, और प्लेट इसे दूसरी तरफ ठंडे तरल पदार्थ में स्थानांतरित करता है।चूंकि ठंडे और गर्म धाराएं विपरीत दिशाओं (काउंटर-वर्तमान) में बहती हैं, इसलिए इकाई में तापमान अंतर उच्च रहता है, जिससे बहुत कुशल गर्मी हस्तांतरण होता है।

एक प्लेट हीट एक्सचेंजर डिजाइन करने में प्रमुख कदम

किसी दिए गए अनुप्रयोग के लिए एक प्लेट गर्मी एक्सचेंजर डिजाइन करते समय, इंजीनियर कई महत्वपूर्ण चरणों का पालन करते हैं:

सही एक्सचेंजर प्रकार का चयन करें। सबसे पहले, आवश्यकताओं की पहचान करें: तरल पदार्थ प्रकार, तापमान, प्रवाह दर, दबाव, अंतरिक्ष और रखरखाव की आवश्यकताएं।उदाहरण के लिए, हल्के परिस्थितियों और आसान रखरखाव के लिए, एक गैस्केट प्लेट एक्सचेंजर आम है।बहुत उच्च दबाव या आक्रामक मीडिया के लिए, HT-Bloc या मुद्रित-सर्किट एक्सचेंजर या TP डिज़ाइन (प्लेट और शेल सुविधाओं को जोड़ने) जैसे वेल्डेड प्रकार की आवश्यकता हो सकती है।व्यापक-गैप वेल्ड प्रकार जैसे विशेष रूपों को क्रमशः बहुत चिपचिपा / ठोस-लाडे हुए तरल पदार्थों या चरम स्थितियों के लिए चुना जाता है।

गर्मी कर्तव्य और आवश्यक क्षेत्र की गणना करें। फिर, थर्मल लोड का निर्धारण करेंक्यू (आमतौर पर प्रक्रिया डेटा या वांछित तापमान परिवर्तन से) और आवश्यक गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र की गणना करें।मूल ताप हस्तांतरण समीकरण का उपयोग करें Q = U × A × ΔT_lm , एक क्षेत्र गणना करता हैए ए आवश्यक है ।यहांयू समग्र गर्मी हस्तांतरण गुणांक है ( द्रव गुणों और प्लेट विशेषताओं से अनुमानित), औरΔT_ lm तरल पदार्थों के बीच तापमान का अंतर है।उच्चतमयू अधिक या अधिक प्लेट क्षेत्र अधिक गर्मी कर्तव्य देता है।कुल क्षेत्रफल के हिसाब से A = Q / (U × ΔT_lm).

दबाव में गिरावट का अनुमान लगाएं। चूंकि प्लेटों के माध्यम से तरल पदार्थ बहता है, इसलिए घर्षण हानि होगी।डिजाइनर ज्ञात प्रवाह दरों, प्लेट अंतराल और तरंग पैटर्न का उपयोग करके प्रत्येक तरफ दबाव की गिरावट की गणना करते हैं।घर्षण कारक और चैनल लंबाई यह सुनिश्चित करने के लिए एक तरल प्रवाह सूत्र में प्रवेश करती है कि परिणामी दबाव की गिरावट सिस्टम के लिए स्वीकार्य है।यदि ड्रॉप बहुत बड़ा है, तो कोई अधिक प्लेटें जोड़ सकता है (अधिक क्षेत्र) या प्लेट ज्यामितीय को बदल सकता है (उदाहरण के लिए,एक बड़े छेद में एक व्यापक अंतर डिजाइन में) choking कम करने के लिए।

सामग्री और घटकों का चयन करें सामग्री की पसंद रासायनिक संगतता और तापमान पर निर्भर करती है।सामान्य प्लेट सामग्री स्टेनलेस स्टील (उदाहरण के लिए, 316L) सामान्य उपयोग के लिए, संक्षारक तरल पदार्थों के लिए टाइटैनियम या निकेल मिश्र धातु, और बहुत उच्च तापमान के लिए विशेष मिश्र धातु।गैस्केट (यदि उपयोग किया जाता है) को तरल पदार्थ (एनबीआर, ईपीडीएम, विटन, आदि) के अनुरूप होना चाहिए।और तापमान ।वेल्डेड एक्सचेंजर (एचटी-ब्लॉक, टीपी, वाइड-गैप) में, कोई गैस्केट नहीं है, जो बहुत उच्च दबाव और तापमान रेटिंग की अनुमति देता है।

यदि संभव हो तो डिजाइन और परीक्षण की समीक्षा करें। एक प्रारंभिक डिजाइन के बाद, अच्छा अभ्यास गर्मी हस्तांतरण और हाइड्रोलिक्स को सत्यापित करने के लिए एक्सचेंजर का अनुकरण या प्रोटोटाइप करना है।एक गाइड नोट के रूप में, "यह सुनिश्चित करने के लिए सिमुलेशन या प्रयोगात्मक परीक्षण का उपयोग करके डिजाइन को सत्यापित करें ... वांछित गर्मी हस्तांतरण दर और दबाव गिरावट"।लक्ष्य को पूरा करने के लिए आवश्यकतानुसार प्लेट गिनती, कॉन्फ़िगरेशन या ऑपरेटिंग पैरामीटर को समायोजित करें।

ये कदम ( चयन, थर्मल आकार, दबाव ड्रॉप जांच, सामग्री चयन, सत्यापन) एक मजबूत डिजाइन सुनिश्चित करते हैं।इस तरह, परिवारों के लिए उपयोगी जानकारी प्राप्त कर सकते हैं, उदाहरण के लिए,एचटी-ब्लॉक वेल्ड प्लेट एक्सचेंजर उच्च दबाव सेवा के लिए पूरी तरह से वेल्डेड प्लेट पैक का उपयोग करें;चौड़ा-गैप वेल्डिंग एक्सचेंजर गढ़ों से गिरने को रोकने के लिए विस्तारित चैनल प्रदान करें; औरप्रिंट सर्किट एक्सचेंजर चरम स्थितियों के लिए प्रसार-बांडित माइक्रोचैनल का उपयोग करें।

डिजाइन सूत्र: गर्मी ड्यूटी और LMTD

गर्मी एक्सचेंजर डिजाइन में एक मुख्य सूत्र गर्मी संतुलन हैः

Q = ∑_h × c_{p, h} × (T_{h, in} - T_{h, out})

= ∑_c × c_{p, c} × (T_{c, out} - T_{c, in})

या

कहाँ हैं सब्सक्राइबh, सी गर्म और ठंडे तरल पदार्थों को संदर्भित करता हैयह ऊर्जा संतुलन सुनिश्चित करता है: गर्म तरल पदार्थ द्वारा खोई गई गर्मी ठंड द्वारा प्राप्त गर्मी के बराबर है।

एक और महत्वपूर्ण संबंध है गर्मी हस्तांतरण समीकरण:

Q = U × A × ΔT_lm

यहां यू (सामान्य गर्मी हस्तांतरण गुणांक) प्लेट एक्सचेंजर की थर्मल कंडक्टेंसी का प्रतिनिधित्व करता है (यह तरल प्रवाह, प्लेट सामग्री, और फाउलिंग पर निर्भर करता है),ए एयह प्लेटों का कुल सतह क्षेत्र है, औरΔT_ lm गर्म और ठंडे धाराओं के बीच का औसत तापमान अंतर है।LMTD सूत्र इस तथ्य के लिए जिम्मेदार है कि तापमान अंतर एक्सचेंजर के साथ बदलता है।पहले तो बस एक ही हिसाब ΔT_lm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2),कहाँΔT1 औरΔT2 दोनों छोरों पर तापमान का अंतर है।

के साथक्यूज्ञात और अनुमानितयू, आवश्यक क्षेत्र हैA = Q / (U × ΔT_lm) .डिजाइनर अक्सर पुनरावृत्ति करते हैं: अनुमान लगाने के लिए एक प्लेट पैटर्न या सामग्री मान लेंयू(जो तरल- तरल PHEs के लिए कुछ हजार से 7000 W / m2 · K तक हो सकता है), गणना करेंए ए , फिर एक प्लेट गिनती चुनें इस तरह कि प्लेट क्षेत्रों की योग मिल जाता हैए ए .अधिक जटिल आकार के लिए एनटीयू प्रभावशीलता विधियों का उपयोग भी किया जा सकता है, लेकिनU × A × ΔT_ lm यह एक सामान्य प्रारंभिक बिंदु है।

मुद्रित सर्किट गर्मी एक्सचेंजर माइक्रोचैनल प्लेटों पर भरोसा करते हैं (ऊपर दिखाया गया है)।प्रत्येक प्लेट को संकीर्ण चैनलों (नीले और लाल प्रवाह) के साथ चिह्नित किया जाता है ताकि एक कॉम्पैक्ट मात्रा में एक विशाल सतह क्षेत्र बनाया जा सके।समग्र गर्मी हस्तांतरण निम्नलिखित हैQ = U × A × ΔT_lm , तो उनके बेहद बड़ेए ए/ वॉल्यूम और उच्चयू उत्कृष्ट प्रदर्शन दें।

उद्योग अनुप्रयोग और डिजाइन विचार

प्लेट एक्सचेंजर का उपयोग कई उद्योगों में किया जाता है।प्रत्येक आवेदन की अपनी मांगें हैंः

रासायनिक प्रसंस्करण:

रासायनिक पौधे अक्सर संक्षारक या जहरीले तरल पदार्थों से निपटते हैं और उच्च दबाव या तापमान की आवश्यकता हो सकती है।यहां डिजाइन विशेष मिश्र धातु से बने वेल्डेड पीएचई (लीक करने के लिए कोई गैस्केट नहीं) का पक्ष लेते हैं।उदाहरण के लिए, एक HT-Bloc पूरी तरह से वेल्डेड एक्सचेंजर प्लेट दक्षता को शेल एंडट्यूब ताकत के साथ जोड़ता है, जो कठोर रासायनिक लूपों में सेवा सक्षम बनाता है।फ्लो चैनल को निलंबित उत्प्रेरक या ठोस पदार्थों से फाउलिंग को रोकने के लिए अल्ट्रा-संकीर्ण से थोड़ा बड़ा होने की आवश्यकता हो सकती है।हेस्टेलॉय या टाइटैनियम जैसी सामग्री आम हैं।सफाई की आसानी महत्वपूर्ण है - कई प्रक्रियाएं इन-प्लेस सफाई (सीआईपी) की अनुमति देती हैं - इसलिए रखरखाव के लिए खोलने योग्य डिजाइन (बोल्टेड फ्रेम) का उपयोग किया जा सकता है।

HVAC (हिटिंग / वेंटिलेशन / एसी):

एचवीएसी सिस्टम में आमतौर पर मध्यम दबाव पर गर्म या ठंडा पानी और ग्लाइकोल लूप शामिल होते हैं।यहां,गस्केट प्लेट एक्सचेंजर वे उनकी कम लागत और आसान रखरखाव के कारण बहुत आम हैं।वे ऊर्जा वसूली और शीतल / कंडेंसर कर्तव्यों में उत्कृष्ट हैं।डिजाइन पर जोर एक सीमित स्थान में दक्षता को अधिकतम करने पर है।चूंकि तरल पदार्थ अपेक्षाकृत स्वच्छ होते हैं, इसलिए अधिकतम गर्मी हस्तांतरण के लिए संकीर्ण प्लेटों (उच्च तरंग) का उपयोग किया जा सकता है।गैस्केट सफाई या प्लेट जोड़ने के लिए सरल विघटन की अनुमति देते हैं यदि क्षमता में बदलाव की आवश्यकता होती है।सामान्य सामग्री स्टेनलेस स्टील (316L) और मानक गैकेट एलेस्टोमर हैं।एचवीएसी में दबाव रेटिंग मामूली (अक्सर < 20 बार) होती है, इसलिए मानक गैस्केटेड इकाइयां पर्याप्त होती हैं।

बिजली उत्पादन:

बिजली संयंत्रों (जीवाश्म या परमाणु) में उच्च तापमान, उच्च दबाव की धाराएं (बाप, सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ) होती हैं।मुद्रित सर्किट हीट एक्सचेंजर (पीसीएचई) को पहली बार परमाणु और एलएनजी के लिए विकसित किया गया था और अब बिजली चक्रों में उपयोग मिलता है।पीसीएचएमाइक्रोचैनल प्लेटों में एक ठोस ब्लॉक में प्रसार-बॉन्ड किया गया है, जो उत्कृष्ट ताकत और छोटे, उच्च दक्षता वाले मार्ग प्रदान करता है।वे ~ 1000 बार और 900 डिग्री सेल्सियस तक काम कर सकते हैं, जो सामान्य पीएचई से बहुत अधिक है।कम अत्यधिक बिजली अनुप्रयोगों में (उदाहरण के लिए,बॉयलर फीडवाटर हीटिंग), वेल्डेड प्लेट एक्सचेंजर जैसे टीपी प्रकार दृढ़ता के साथ कॉम्पैक्टनेस को जोड़ते हैं।इन में रखरखाव के लिए खोले जाने वाले गोले हो सकते हैं और दबाव की बूंदों की अनुमति दे सकते हैं जो चक्र के लिए स्वीकार्य हैं।सभी मामलों में, स्वच्छता महत्वपूर्ण है (कोई लीक नहीं है), इसलिए पूरी तरह से वेल्डेड या प्रसार-बांड किए गए डिजाइन चुने जाते हैं।

भोजन और पेयः

खाद्य उद्योग को ऐसे एक्सचेंजर की आवश्यकता होती है जो स्वच्छ और साफ करने में आसान हों।गैस्केटेड पीएचई व्यापक रूप से दूध के पास्टिनाइजेशन, शराब पीने में वर्ट, और रसों के हीटिंग / शीतलन के लिए उपयोग किए जाते हैं।प्लेटें अक्सर एफडीए-अनुमोदित गैस्केट के साथ स्टेनलेस स्टील (कभी-कभी 316 एल) होती हैं।कई इकाइयों को खुले फ्रेम पर बनाया जाता है ताकि प्लेटों को साफ करने के लिए बाहर निकाला जा सके या प्रतिस्थापित किया जा सके।कणों के साथ उत्पादों (उदाहरण के लिए,पल्पी फलों के रस, गन्ना का रस),चौड़ा-गाप प्लेट एक्सचेंजर उपयोग किया जाता है।इन ने प्रवाह चैनलों को बढ़ाया है जो बिना भीड़ के ठोस टुकड़ों को सहन करते हैं।वाइड-गैप डिजाइन अभी भी वेल्डिंग और दबाव-रेटेड हैं, लेकिन उनके चैनल आकार "मृत क्षेत्रों" और अवरोधों को रोकता है।लक्ष्य कोमल हैंडलिंग (उत्पाद कटाई से बचने के लिए) है, जबकि तंग तापमान नियंत्रण को पूरा करना है।अक्सर, सीआईपी (सफाई-इन-प्लेस) सिस्टम एकीकृत होते हैं, और प्लेट का घनत्व हल्के हो सकता है।

वाइड-गैप वेल्डिंग प्लेट गर्मी एक्सचेंजर (उपवर्ती नीली इकाई की तरह) चिपचिपा या कण से भरे तरल पदार्थों को संभालते हैं।बड़े चैनल क्लॉगिंग को रोकते हैं, जबकि लहराती प्लेट डिजाइन उच्च थर्मल दक्षता बनाए रखता है।

इन उदाहरणों से परे, पेट्रोकेमिकल्स से लेकर फार्मास्यूटिकल्स तक लगभग हर उद्योग किसी रूप में प्लेट एक्सचेंजर का उपयोग करता है।प्रमुख आवश्यकताएं क्षेत्र के अनुसार भिन्न होती हैं: रासायनिक संयंत्र संक्षारण प्रतिरोध और दबाव रेटिंग पर तनाव देते हैं, एचवीएसी कॉम्पैक्टनेस और सर्विसबिलिटी पर केंद्रित है, थर्मल प्रदर्शन और दबाव पर बिजली संयंत्र, और स्वच्छता और फाउलिंग प्रतिरोध पर भोजन / पेय।एप्लिकेशन की मांगों को समझकर, डिजाइनर सही प्लेट ज्यामितीय, सीलिंग विधि, सामग्री और समग्र कॉन्फ़िगरेशन चुनते हैं।

निष्कर्ष निकाला

एक प्लेट गर्मी एक्सचेंजर को डिजाइन करने के लिए गर्मी हस्तांतरण सिद्धांतों और विशिष्ट प्रक्रिया की आवश्यकताओं की स्पष्ट समझ की आवश्यकता होती है।मूल बातें से शुरू करें: एक प्लेट एक्सचेंजर वैकल्पिक प्लेटों पर गर्म और ठंडे तरल पदार्थों को काउंटरफ्लो करके काम करता है, जिससे बहुत कुशल गर्मी विनिमय प्राप्त होता है।फिर व्यवस्थित चरणों का पालन करें: प्रकार का चयन करें (गस्केट, वेल्डेड, मुद्रित-सर्किट, आदि),थर्मल ड्यूटी और आवश्यक क्षेत्र की गणना करें, यह सुनिश्चित करें कि दबाव की बूंदें स्वीकार्य हैं, संगत सामग्री चुनें, और डिजाइन को सत्यापित करें।

विभिन्न उद्योग विकल्पों को नियंत्रित करेंगे: उदाहरण के लिए, HT-Bloc वेल्ड प्लेट एक्सचेंजर उच्च दबाव की कठोरता के साथ प्लेट दक्षता को जोड़ते हैं, जबकि वाइड-गैप प्लेट एक्सचेंजर ठोस पदार्थों के साथ भोजन या खनन अनुप्रयोगों में उत्कृष्टता रखते हैं, और पीसीएचई कॉम्पैक्ट बिजली संयंत्र समाधान प्रदान करते हैं।उपयुक्त उत्पाद प्रकार और सामग्रियों के साथ इन डिजाइन सिद्धांतों को मिश्रण करके, इंजीनियर यह सुनिश्चित करते हैं कि प्रत्येक प्लेट गर्मी एक्सचेंजर अपनी नियोजित सेवा में विश्वसनीय रूप से प्रदर्शन करता है।

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