En seleccionar un intercanviador de calor de plaques, molts clients se centren principalment en el preu de compra. Tanmateix, la qualitat i el cost d'un intercanviador de calor de plaques estan determinats en gran mesura per diversos factors clau, com ara el material de la placa, el disseny estructural, l'àrea de transferència de calor i el servei de calor requerit.
Aquest article ofereix una visió pràctica dels càlculs de mida de l'intercanviador de calor de plaques i introdueix dos mètodes de disseny d'ús habitual: el mètode de la diferència de temperatura mitjana (LMTD) i el mètode del nombre d'unitats de transferència (NTU).
Tot i que cada aplicació té condicions de funcionament úniques, la informació següent ofereix un punt de partida útil per seleccionar l'intercanviador de calor de plaques adequat.
1. Intercanviador de calor de plaquesCàlculs de mida
Servei de calor
El deure de calor es refereix a la quantitat de calor que l'intercanviador de calor ha de transferir.
A partir de les condicions del procés, el cabal de fluid, les temperatures d'entrada i sortida i altres paràmetres de funcionament, es pot calcular el deure de calor necessari.
Zona de transferència de calor
L'àrea de transferència de calor és un dels paràmetres més importants a l'hora de determinar la mida d'un intercanviador de calor de plaques.
Es calcula en funció del deure de calor requerit, el cabal de fluid, les temperatures de funcionament i el rendiment de la transferència de calor.
Nombre de plaques
El nombre de plaques determina la superfície de transferència de calor disponible dins de l'intercanviador de calor.
En general, augmentar el nombre de plaques proporciona una àrea de transferència de calor més gran i millora el rendiment tèrmic.
Tanmateix, les plaques addicionals també augmenten el cost de l'equip i la caiguda de pressió.
El nombre necessari de plaques s'ha de determinar segons l'àrea de transferència de calor, les dimensions de la placa i les condicions de flux.
Model i especificacions
Després de determinar els paràmetres clau de disseny, es pot seleccionar un model adequat de la gamma de productes disponible.
La selecció ha de tenir en compte factors com ara:
- Material de la placa
- Classificació de pressió
- Resistència a la corrosió
- Temperatura de funcionament
- Requisits del procés
Caiguda de pressió
La caiguda de pressió es refereix a la pèrdua de pressió experimentada pel fluid mentre passa per l'intercanviador de calor.
Depèn de diversos factors, entre ells:
- Caudal
- Nombre de plaques
- Espaiat entre plaques
- Gruix de la placa
En seleccionar un intercanviador de calor de plaques, és important verificar que la caiguda de pressió calculada es manté dins dels límits permesos del sistema de procés.
Resum
El mètode de dimensionament exacte s'ha d'ajustar sempre segons les condicions de funcionament específiques de cada aplicació.
A més dels càlculs tèrmics, també s'han de tenir en compte els requisits d'instal·lació, l'accessibilitat del manteniment i els mètodes de neteja per garantir un funcionament fiable a-a llarg termini.
Entre els diferents mètodes de càlcul disponibles, elMètode de la diferència de temperatura mitjana (LMTD).i elMètode del nombre d'unitats de transferència (NTU).són els dos enfocaments més utilitzats per al disseny d'intercanviadors de calor de plaques.
Tots dos mètodes es basen en principis de transferència de calor i correlacions de caigudes de pressió.
2. Què és el mètode de la diferència de temperatura mitjana (LMTD)?
El mètode de la diferència de temperatura mitjana (LMTD) és un dels enfocaments més utilitzats per calcular la capacitat de transferència de calor d'un intercanviador de calor de plaques.
El seu principi bàsic suposa que l'intercanvi de calor es produeix en funció d'una diferència mitjana de temperatura entre els fluids calents i freds.
El procés de transferència de calor es divideix en una sèrie de petites seccions.
Dins de cada secció, les temperatures dels dos fluids estan representades perT₁, T₂, T₃, iT₄.
La calor transferida a cada secció es calcula individualment i la velocitat total de transferència de calor s'obté sumant els resultats.
En lloc d'utilitzar la diferència de temperatura real a cada secció, el mètode utilitza ellogaritme de diferència de temperatura mitjana.
L'equació LMTD és:
On:
- ΔT₁= Diferència de temperatura en un extrem de l'intercanviador de calor
- ΔT₂= Diferència de temperatura a l'altre extrem
- ΔTlm= Registra la diferència de temperatura mitjana
La velocitat total de transferència de calor es calcula com:
Q=U × A × ∆Tlm
On:
- Q= Velocitat de transferència de calor
- U= Coeficient global de transferència de calor
- A= Zona de transferència de calor efectiva
- ΔTlm= Registra la diferència de temperatura mitjana
En aplicacions pràctiques, les temperatures dels fluids canvien contínuament al llarg del camí del flux.
Per tant, els càlculs s'han de realitzar utilitzant les condicions de funcionament reals i els valors adequats per aUiAs'han de seleccionar per obtenir resultats precisos.
3. El mètode NTU per al disseny d'intercanviadors de calor de plaques
ElMètode del nombre d'unitats de transferència (NTU).és un altre enfocament molt utilitzat per estimar el rendiment tèrmic d'un intercanviador de calor de plaques.
A diferència del Mètode LMTD, el Mètode NTU es basa en el concepte deNombre d'unitats de transferència (NTU), un paràmetre adimensional que representa la capacitat de transferència de calor de l'intercanviador de calor.
La NTU depèn de factors com ara el cabal massiu, la capacitat de calor i el rendiment general de la transferència de calor.
Pas 1. Determineu les propietats dels fluids i del servei de calor
A partir de les condicions del procés, calculeu:
- Servei de calor requerit
- Caudal massiu
- Capacitat calorífica específica de cada fluid
Pas 2. Determineu la capacitat de transferència de calor
La capacitat de transferència de calor de l'intercanviador de calor es representa per:
- Coeficient global de transferència de calor (U)
- Zona efectiva de transferència de calor (A)
El coeficient global de transferència de calor descriu la velocitat de transferència de calor entre els dos fluids per unitat de diferència de temperatura.
Pas 3. Calcula el valor NTU
La NTU es calcula utilitzant:
On:
- Cminés la menor capacitat calorífica dels dos fluids.
Pas 4. Calcula l'efectivitat de l'intercanviador de calor
L'efectivitat de l'intercanviador de calor es pot estimar mitjançant:
ε=1 - exp(-NTU × (1 - Cr))
On:
- ε= Eficàcia de l'intercanviador de calor
- Cr= Relació de capacitat calorífica, definida com la relació entre la taxa de capacitat calorífica més petita i la taxa de capacitat calorífica més gran.
Pas 5. Calcula la velocitat de transferència de calor
Aleshores, la velocitat de transferència de calor es calcula com:
Q=ε × Cmin × (T1 - T2)
On:
- Q= Velocitat de transferència de calor
- T₁ – T₂= Diferència de temperatura entre els corrents d'entrada dels dos fluids.
Notes
El mètode NTU requereix un nombre més gran de paràmetres d'entrada que el mètode LMTD, i els càlculs són generalment més complexos.
Per aquest motiu, les dades operatives precises són essencials per garantir resultats de càlcul fiables.
Quan s'utilitza correctament, el mètode NTU proporciona una manera eficaç d'avaluar el rendiment tèrmic dels intercanviadors de calor de plaques, especialment quan es desconeixen les temperatures de sortida durant l'etapa de disseny.
