В сфере сложных промышленных тепловых процессов, и в частности в области санитарной промышленности, такой как молочная продукция (HTST), фармацевтическая продукция и тонкие химические вещества, обычные однопроходные теплообменники часто не являются адекватными для удовлетворения требований сложных многопеременных процессов. Когда процесс должен иметь различные этапы для нагрева, охлаждения и регенерации в ограниченном пространстве, многосекционный (многоступенчатый) пластинный теплообменник (PHE) является стандартным инженерным решением.
В этом инженерном обзоре излагаются структурные, механические и гидравлические аспекты и соображения по проектированию, связанные с реализацией многосекционных блоков, выходящие за рамки основ для решения инженерных проблем.
Структурная механика и конфигурация потока
В отличие от единообразных блоков, многосекционный PHE интегрирует несколько тепловых задач в одну рамку. Определяющим компонентом является Промежуточная разделительная пластина (также известный как сетка соединения или разделительная пластина).
Роль сети соединителей
Переделительная пластина функционирует как механическая и гидравлическая граница внутри пакета пластин. Он выполняет две основные инженерные функции:
- Отклонение потока:Он использует внутренние порты (углы), чтобы направлять жидкость в конкретные блоки пластин (этапы) или перенаправлять ее в внешние трубопроводы для вспомогательных петель (например, трубки для удержания, гомогенизаторы или сепараторы).
- Изоляция дифференциального давления:Он физически отделяет этапы процесса (например, отделяя охлаждающую секцию от нагревающей секции), позволяя создать независимые профили давления в одной и той же раме.
Логика потока
Благодаря стратегическому расположению перегородных пластин и конфигураций проходов PHE позволяет:
- Регенерация:Передача тепла от продукта к продукту, когда выходящая нагреваемая жидкость предварительно нагревает входящую холодную жидкость.
- Многозонная обработка:Последовательная обработка (например, зона 1: предварительное охлаждение; зона 2: глубокое охлаждение гликолем) без внешней трубопроводки между этапами.
Инженерные преимущества интеграции процессов
1. Тепловая регенерация и эффективность НТУ
При обработке больших объемов основной целью проектирования является максимизация Регенеративная эффективность (часто превышает 90-95% в современных петлях HTST). Многосекционная конструкция позволяет противотоковый поток сырого и пастеризированного продукта в рамках специальной секции. Это резко снижает нагрузку на пар котла и охлаждающую среду, необходимую для последующих секций отопления и охлаждения.
2. Гидравлическое уменьшение отпечатка
Консолидация трех или четырех операций единицы в один кадр уменьшает следы скольжения. Что еще более важно, он минимизирует объем удержания и уменьшает эквивалентную длину взаимосоединяющих трубопроводов, тем самым снижая общую потерю головки системы и потребности в энергии насоса относительно установка дискретных обменников.
Критические соображения дизайна
Проектирование многосекционный блок требует устранения специфических гидравлических и механических ограничений, которые менее распространены в однопроходных блоках.
1. Неправильное распределение потока и скорость порта
В многосекционных блоках жидкости часто входят и выходят из пакета пластин через сетки соединителей, а не через порты основной рамы. Если диаметр порта сетки соединителя недостаточен по отношению к скорости потока, это вызывает чрезмерное падение давления порта. Это приводит к неправильному распределению по ширине пластины, что снижает эффективный коэффициент теплопередачи (U-значение) и создает потенциальные зоны загрязнения из-за низкого сдерживающего напряжения.
2. Дифференциальное давление и гибка пластины
Переделительная пластина подвергается давлению с обеих сторон. Режим критического сбоя возникает, когда между соседними секциями существует значительная дельта давления (например, секция нагрева высокого давления рядом с секцией охлаждения низкого давления).
- Инженерный контроль:Толщина перегородной пластины должна рассчитываться, чтобы выдержать максимальное дифференциальное давление, чтобы предотвратить изгибание.
- Выбор материала:Грано обычно определяет твердые блоки из нержавеющей стали 304 или 316L (часто толщиной 40 мм-60 мм в зависимости от размера рамы) для обеспечения механической жесткости.
3. Общее падение давления системы (ΔP)
В то время как многосекционные блоки экономят место, серийное расположение нескольких проходов значительно увеличивает общее гидравлическое сопротивление. Инженеры должны рассчитать Общая динамическая голова (TDH) точно. Сумма падений давления по регенерации, нагреванию и охлаждению секций, плюс внешние петли (удерживающие трубки), не должна превышать насос’ кривая производительности с или предел давления конструкции пластины.
Тематическое исследование: интеграция санитарного HTST
Применение: Непрерывная пастеризация молока
Конфигурация конструкции: 3-ступенчатая рама (регенерация / отопление / охлаждение)
Этап 1 (регенерация): Приходящее сырое молоко (4°С) предварительно нагревается в теплообменнике с помощью выходящего пастеризированного молока (72°С).
Техническая записка: Этот раздел разработан с высоким NTU (количество переданных единиц) для максимального восстановления энергии.
2-й этап (отопление):Предварительно нагретое молоко приводится к установленной температуре пастеризации 72,5°С с помощью горячей воды или пара.
Этап 3 (Охлаждение):Продукт охлаждают до температуры хранения 4°C с использованием охлажденной воды или гликоля.
Результаты: Интеграция позволила сэкономить 85% регенеративной энергии. Используя одну раму, объект устранил необходимость в двух промежуточных балансовых резервуарах и связанных с ними трансферных насосах.
Протоколы технического обслуживания и сборки
Для инженеры по техническому обслуживаниюСложность многосекционного PHE диктует строгое соблюдение протоколов сборки.
- Последовательность пластин (The “Hanging Map”):В отличие от простых блоков, многосекционные обменники часто используют различные пластинные гофры (Theta-High vs Theta-Low) или материалы в разных секциях. Пересборка пластины из последовательности меняет геометрию канала, изменяя как тепловую производительность, так и падение давления.
- Спецификация A-Dimension:Укрепление упаковки пластины должно быть сделано для конкретного А-измерение (расстояние между пластинами давления), представленное на чертеже GA. Чрезмерное затяжение может разбить уплотнения сетки соединителя; недостаточное затяжение вызывает перекрестное загрязнение.
- Совместимость уплотнения:Различные секции могут использовать различные материалы уплотнения (например, EPDM для нагрева паром, NBR для охлаждения). Проверка совместимости материала при замене является обязательной.
Часто задаваемые вопросы
В: Можно ли расширить многосекционный блок после ввода в эксплуатацию?
Мониторинг температуры входа обнаруживает проблемы на раннем этапе Да, при условии, что длина рамной рельсы (носительная лента) имеет доступную вместимость. Расширение включает в себя добавление пластинных кассет к определенным секциям. Однако это меняет гидравлическое сопротивление и тепловую нагрузку. Необходим перерасчет скоростей порта и падения давления для обеспечения того, чтобы существующие насосы оставались адекватными.
В: Почему расчет падения давления имеет решающее значение в многосекционных конструкциях?
Мониторинг температуры входа обнаруживает проблемы на раннем этапе Многосекционные блоки по своей сути включают в себя более длительные пути потока и множественные отклонения потока (потери поворота) в сетях соединителей. Неоценка ΔP приведет к снижению скоростей потока, неудаче достичь турбулентного потока (более низкое число Рейнольдса) и увеличению скоростей загрязнения.
В: Как обнаруживается перекрестное загрязнение между секциями?
Мониторинг температуры входа обнаруживает проблемы на раннем этапе Процессная утечка часто тонкая. Он обнаруживается через:
- Тепловые аномалии:Необъясняемые изменения температуры в охлаждающей среде или продукте.
- Испытание дифференциального давления:Во время технического обслуживания требуется независимое гидростатическое испытание каждой секции (в то время как соседние секции находятся под атмосферным давлением) для выявления сбоев уплотнения перегородной пластины.
