Por qué las aplicaciones de la diferencia de temperatura pequeña requieren intercambiadores de calor de placa larga o multipase

Artículo original HEXNOVAS

Por qué las aplicaciones de la diferencia de temperatura pequeña requieren largas ( SERIE LB PHE) intercambiadores de calor de placa

Por qué las aplicaciones de la diferencia de temperatura pequeña requieren intercambiadores de calor de placa larga o multipase

Y por qué los intercambiadores de calor de capas y tubos se vuelven cada vez más ineficientes cuando la diferencia de temperatura media logarítmica se vuelve muy pequeña.

El deber de diferencia de temperatura es uno de los ejemplos más claros de dónde importa la geometría del intercambiador tanto como el tipo de cambio. Cuando la fuerza de conducción de temperatura disponible se vuelve muy baja, el sistema se acerca al límite termodinámico. En estas condiciones, los intercambiadores estándar de cáscara y tubos se vuelven rápidamente muy grandes, mientras que los intercambiadores de calor de placa todavía pueden seguir siendo prácticos utilizando coeficientes de transferencia de calor en general altos, caminos de largo flujo y arreglos de multipaso. Por ello, la recuperación de calor de baja calidad, el deber de acercamiento a temperaturas cercanas y los retrofits de ahorro de energía a menudo requieren intercambiadores de calor de placas largas ( ALFA LAVAL TL10B, TL6B) o intercambiadores de calor de placas de paso múltiple en lugar de unidades convencionales de concha y tubo.

El desafío termodinámico de pequeño ΔT

En cualquier intercambiador de calor, el deber se rige por la relación básica entre la carga de calor, coeficiente de transferencia de calor general, superficie y diferencia de temperatura media logarítmica. Una vez que el LMTD se vuelve muy pequeño, la fuerza de conducción disponible se derrumba. En ese momento, el intercambiador ya no puede depender de la diferencia de temperatura para mover el calor eficientemente. Debe compensar al criar U, aumentar A, o ambos.

Considere un ejemplo de enfoque cercano:

Diferencia final de temperatura

ΔT 1 = 30 − 28 = 2 K

ΔT 2 = 10 − 8 = 2 K

Resultado de la LMTD

ΔT lm = 2 K

Esto ya está muy cerca del límite termodinámico práctico.

¿Por qué Shell y Tube se convierten en extremadamente grande

Los intercambiadores de calor de oveja y tubo funcionan bien en muchos deberes tradicionales, especialmente cuando fomentan la tolerancia, la alta presión o las boquillas grandes son prioridades. Pero no son naturalmente optimizados para un enfoque de temperatura muy pequeño. Su coeficiente de transferencia de calor general típico es mucho menor que el de un intercambiador de calor de placas, y una vez que el LMTD cae por debajo de unos 5 K, la cáscara y el tubo deben compensar casi por completo añadiendo más área.

En LMTD muy bajo, el resultado no es un aumento lineal en tamaño. Se convierte en un problema de embalaje y economía. El intercambiador crece más largo, más pesado y más caro, mientras que la estructura de soporte, diámetro de la cáscara y huella de instalación también aumentan. Para la recuperación de calor de baja calidad, esto se vuelve rápidamente poco atractivo.

Esta es la principal razón por la que la cáscara y el tubo a menudo se torna poco práctico en aplicaciones de enfoque de temperatura cercana, como la recuperación de calor de residuos, la recuperación de energía de agua a agua y la reutilización de calor de proceso de bajo grado.

¿Por qué los intercambiadores de calor de placa pueden seguir operando?

Los intercambiadores de calor de placas son fundamentalmente mejores adaptados a un servicio ΔT muy pequeño porque generan coeficientes de transferencia de calor mucho más altos. El patrón de placa ondulada crea una fuerte turbulencia incluso a velocidades de flujo relativamente modestas, mientras que los canales permanecen lo suficientemente delgados para mantener la capa de límite térmico corto. Esto permite que el intercambiador mantenga un alto valor U donde otras tecnologías pierden eficiencia.

¿Por qué sucede esto?

• Las placas onduladas perturban continuamente el flujo.
• Los microcanallos de alta presión aumentan la transferencia de calor convectiva.
• Las capas de límites térmicos gruesos reducen la resistencia en ambos lados.
• El arreglo de contracorriente ayuda al intercambiador a mantenerse efectivo incluso en un enfoque cercano.

¿Por qué se requieren diseños largos y estrechos

Una vez que el diseñador ha elegido un intercambiador de calor de placas para el servicio ΔT bajo, la siguiente pregunta es geometría. No es suficiente simplemente hacer que la unidad sea más grande en cualquier dirección. Si el intercambiador se hace más ancho en lugar de más tiempo, la velocidad de flujo cae, la turbulencia se debilita y el coeficiente de transferencia de calor disminuye. Eso socava directamente la razón de usar un PHE en primer lugar.

Es por eso que los intercambiadores de calor de la serie LB , geometrías de placa larga y diseños similares de flujo-flujo son preferidos para pequeñas aplicaciones de diferencia de temperatura. La idea es mantener el canal relativamente estrecho mientras aumenta la longitud de flujo efectiva.

Diseño amplio y corto

• Velocidad inferior
• Turbulencia de Weaker
• Coeficiente de transferencia de calor reducido
• Pobre respuesta en un deber de acercamiento cercano

Diseño largo y estrecho

• Mantiene velocidad
• Conserva turbulencia
• Apoya un valor U superior
• Aumenta la eficacia de la NTU

La trayectoria de flujo más larga también mejora el número de unidades de transferencia, que se vuelve cada vez más importante cuando la diferencia de temperatura es pequeña y cada bit de la longitud de contacto térmico importa.

¿Por qué Multi-Pass Flow es usado a menudo

En muchas aplicaciones de aproximación a temperaturas cercanas, un intercambiador de calor de placas de un solo paso todavía no es suficiente. Los ingenieros recurren a los arreglos multipass para acercar al intercambiador al deber térmico requerido. Al forzar el fluido a cambiar la dirección y pasar a través de la longitud de flujo efectiva adicional, el diseño multipass aumenta la velocidad interna y el tiempo de contacto simultáneamente.

• El flujo se redistribuye a través de secciones repetidas de pase.
• La velocidad local aumenta en comparación con un diseño amplio de un solo paso.
• El fluido experimenta un camino más eficaz dentro del intercambiador.
• La transferencia de calor convectiva mejora bajo condiciones de fuerza de conducción bajas.

Resumen de ingeniería

Conclusión final

La pequeña diferencia de temperatura no es un simple inconveniente de diseño. Es una limitación termodinámica. Una vez que la fuerza motriz se vuelve muy baja, el intercambiador debe confiar en la geometría y la dinámica de fluidos para mantenerse efectivo.

Los intercambiadores de cascos y tubos suelen responder convirtiéndose en muy grandes. Los intercambiadores de calor de la placa responden preservando turbulencia, manteniendo coeficientes de transferencia de calor elevados y ampliando el camino térmico eficaz. Es por eso que los intercambiadores de calor largos, estrechos, de placas multipass no son simplemente un estilo de diseño opcional en bajo deber ΔT. En muchos casos, son la única solución de ingeniería práctica.

Para aplicaciones que implican un enfoque de temperatura cercana, la recuperación de calor de bajo grado y el intercambio térmico compacto de alta eficiencia, HEXNOVAS puede ayudar a evaluar si un intercambiador de calor de placas gaseadas, un diseño de placa larga dedicado, o una configuración multipass es la opción correcta.

FAQ

intercambiador de calor pequeña diferencia de temperatura, intercambiador de calor de placas largas, intercambiador de calor de placas LB, intercambiador de calor de placas multipass, intercambiador de calor de placas baja delta T, intercambiador de calor de recuperación de calor de bajo grado, intercambiador de calor de cáscara y tubo vs de placa, intercambiador de calor de acercamiento a temperatura cercana, intercambiador de calor bajo LMTD, intercambiador de placa de alta eficiencia