Dalam bidang proses termal industri yang kompleks, dan khususnya di bidang industri sanitasi seperti produk susu (HTST), produk farmasi, dan bahan kimia halus, penukar panas single-pass konvensional sering tidak memadai untuk memenuhi persyaratan proses multi-variabel yang kompleks. Ketika suatu proses perlu memiliki tahap yang berbeda untuk pemanasan, pendinginan, dan regenerasi dalam ruang terbatas, Multi-Section (Multi-Stage) Plate Heat Exchanger (PHE) adalah solusi rekayasa standar.
Tinjauan rekayasa ini menguraikan aspek struktural, mekanis, dan hidrolik dan pertimbangan desain yang terkait dengan implementasi unit multi-bagian, melampaui dasar-dasar untuk mengatasi masalah rekayasa.
Mekanika Struktural dan Konfigurasi Aliran
Tidak seperti unit single-pass, PHE multi-bagian mengintegrasikan beberapa tugas termal ke dalam satu bingkai. Komponen yang menentukan adalah Pelat Partisi Menengah (juga disebut sebagai Connector Grid atau Divider Plate).
Peran dari Connector Grid
Pelat partisi berfungsi sebagai batas mekanis dan hidrolik dalam paket pelat. Ini melayani dua fungsi rekayasa utama:
- Pengaliran Aliran:Ini menggunakan porting internal (sudut) untuk mengarahkan cairan ke blok pelat tertentu (tahap) atau mengalihkannya ke pipa eksternal untuk loop bantu (misalnya, memegang tabung, homogenizer, atau pemisah).
- Isolasi Tekanan Diferensial:Ini secara fisik memisahkan tahap proses (misalnya, memisahkan bagian pendinginan dari bagian pemanasan), memungkinkan profil tekanan independen dalam bingkai yang sama.
Logika Aliran
Melalui pengaturan strategis pelat partisi dan konfigurasi pass, PHE memungkinkan untuk:
- Regenerasi:Transfer panas dari produk ke produk di mana cairan yang dipanaskan yang keluar memanaskan pra-cairan dingin yang masuk.
- Pemrosesan Multi-Zona:Pengolahan berurutan (misalnya, Zona 1: Pre-pendinginan; Zona 2: Pendinginan dalam dengan glikol) tanpa pipa eksternal antara tahap.
Keuntungan Teknik dalam Integrasi Proses
1. Regenerasi Termal dan Efisiensi NTU
Dalam pemrosesan volume tinggi, tujuan desain utama adalah memaksimalkan Efisiensi Regeneratif (sering melebihi 90-95% dalam loop HTST modern). Desain multi-bagian memungkinkan aliran arus kontra produk mentah dan pasteurisasi dalam bagian khusus. Ini secara drastis mengurangi beban uap ketel dan media pendinginan yang diperlukan untuk bagian pemanasan dan pendinginan berikutnya.
2. Pengurangan Jejak Hidrolik
Mengkonsolidasikan tiga atau empat operasi unit ke dalam satu bingkai mengurangi jejak geser. Yang lebih penting, meminimalkan hold-up volume dan mengurangi panjang yang setara dari pipa saling menghubungkan, dengan demikian mengurangi total kehilangan kepala sistem dan kebutuhan energi pompa relatif terhadap menginstal penukar diskrit.
Pertimbangan Desain Kritis
Merancang a multi-bagian unit membutuhkan mengatasi keterbatasan hidrolik dan mekanis tertentu yang kurang umum dalam unit single-pass.
1. Maldistribusi Aliran dan Kecepatan Pelabuhan
Dalam unit multi-bagian, cairan sering masuk dan keluar dari paket pelat melalui grid konektor daripada port bingkai utama. Jika diameter port dari jaringan konektor kurang ukuran relatif terhadap laju aliran, itu menginduksi penurunan tekanan port yang berlebihan. Hal ini mengakibatkan salah distribusi di lebar pelat, yang mengurangi koefisien transfer panas efektif (nilai U) dan menciptakan zona pencemaran potensial karena stres geser rendah.
2. Tekanan Diferensial dan Pelat Flexing
Pelat partisi tunduk pada tekanan dari kedua sisi. Mode kegagalan kritis terjadi ketika ada delta tekanan yang signifikan antara bagian yang berdekatan (misalnya, bagian pemanasan tekanan tinggi di sebelah bagian pendinginan tekanan rendah).
- Kontrol Teknik:Ketebalan pelat partisi harus dihitung untuk menahan tekanan diferensial maksimum untuk mencegah lenturan.
- Pemilihan Bahan:Grano biasanya menentukan blok stainless steel padat 304 atau 316L (sering tebal 40mm-60mm tergantung pada ukuran bingkai) untuk memastikan kekakuan mekanis.
3. Total penurunan tekanan sistem (ΔP)
Sementara unit multi-bagian menghemat ruang, susunan seri beberapa lulus secara signifikan meningkatkan total resistensi hidrolik. Insinyur harus menghitung Total Kepala Dinamis (TDH) akurat. Jumlah penurunan tekanan di bagian regenerasi, pemanasan, dan pendinginan, ditambah loop eksternal (tabung pemegang), tidak boleh melebihi pompa’ kurva kinerja atau batas tekanan desain pelat.
Studi Kasus: Integrasi HTST Sanitary
Aplikasi: Pasteurisasi Susu Berkelanjutan
Konfigurasi Desain: 3-Tahap Frame (Regenerasi / Pemanasan / Pendinginan)
Tahap 1 (Regenerasi): Susu mentah yang masuk (4 ° C) dipanaskan sebelumnya dalam penukar panas dengan susu pasteurisasi yang keluar (72 ° C).
Catatan Teknis: Bagian ini dirancang dengan NTU (Jumlah Unit Transfer) tinggi untuk memaksimalkan pemulihan energi.
Tahap 2 (Pemanasan):Susu yang dipanaskan sebelumnya dibawa ke titik pengaturan pasteurisasi 72,5 ° C menggunakan air panas atau uap.
Tahap 3 (Pendinginan):Produk didinginkan hingga suhu penyimpanan 4 ° C menggunakan air dingin atau glikol.
Hasil: Integrasi mencapai penghematan energi regeneratif 85%. Dengan menggunakan satu bingkai, fasilitas menghilangkan kebutuhan untuk dua tangki keseimbangan menengah dan pompa transfer terkait.
Protokol Pemeliharaan dan Perakitan
Untuk insinyur pemeliharaanKompleksitas PHE multi-bagian menentukan kepatuhan ketat terhadap protokol perakitan.
- Pengurutan Piring (The “Hanging Map”):Tidak seperti unit sederhana, penukar multi-bagian sering menggunakan gelombang pelat yang berbeda (Theta-High vs Theta-Low) atau bahan di bagian yang berbeda. Memasang kembali paket pelat dari urutan mengubah geometri saluran, mengubah kinerja termal dan penurunan tekanan.
- Spesifikasi A-Dimensi:Ketekatan paket pelat harus dilakukan untuk spesifik A-Dimensi (jarak antara pelat tekanan) yang disediakan dalam gambar GA. Ketekatan berlebihan dapat menghancurkan gasket grid konektor; kurang ketat menyebabkan kontaminasi silang antara bagian.
- Kompatibilitas gasket:Bagian yang berbeda dapat menggunakan bahan gasket yang berbeda (misalnya, EPDM untuk pemanasan uap, NBR untuk pendinginan). Verifikasi kompatibilitas materi selama perubahan wajib.
FAQ (Pertanyaan umum)
T: Bisakah unit multi-bagian diperluas setelah komisi?
Pemantauan Suhu Inlet Mendeteksi Masalah Awal Ya, asalkan panjang rel bingkai (bar membawa) memiliki kapasitas yang tersedia. Ekspansi melibatkan menambahkan kaset pelat ke bagian tertentu. Namun, ini mengubah resistensi hidrolik dan tugas termal. Perhitungan ulang kecepatan port dan penurunan tekanan diperlukan untuk memastikan pompa yang ada tetap memadai.
T: Mengapa perhitungan penurunan tekanan penting dalam desain multi-bagian?
Pemantauan Suhu Inlet Mendeteksi Masalah Awal Unit multi-bagian secara inheren melibatkan jalur aliran yang lebih panjang dan beberapa pengalihan aliran (kerugian berputar) di jaringan konektor. Meremahkan ΔP akan mengakibatkan tingkat aliran yang berkurang, kegagalan untuk mencapai aliran turbulen (jumlah Reynolds yang lebih rendah), dan tingkat pencemaran yang meningkat.
T: Bagaimana kontaminasi silang terdeteksi antara bagian?
Pemantauan Suhu Inlet Mendeteksi Masalah Awal Kebocoran antar bagian sering halus. Hal ini dideteksi melalui:
- Anomali termal:Perubahan suhu yang tidak dapat dijelaskan dalam media pendingin atau produk.
- Pengujian Tekanan Diferensial:Selama pemeliharaan, pengujian hidrostatik independen dari setiap bagian (sementara bagian yang berdekatan berada pada tekanan atmosfer) diperlukan untuk mengidentifikasi kegagalan segel pelat partisi.
