Varmeveksler – Pladevarmeveksler

GPHE:
Rækken af pakningsforsynede pladevarmevekslere (GPHE – Gasket Plate Heat Exchancers) har kapaciteter fra meget få kW og op til mange MW. GPHE vekslere er egnet til mange forskellige væsker, og især, hvor man har et medium der fouler / tilsmudser, og man defor ønsker at kunne åbne veksleren.
Vi har også forskellige pladematerialer, alt efter den væske der kommer i berøring med pladerne – det kan være AISI304, AISI316, Titan, eller hasteloy C, etc.

BPHE:
Rækken af fuldloddede pladevarmevekslere (BPHE – brazed plate heat exchangers) har kapaciteter fra 7,5 to 400 kW med brug af materialer til temperaturer fra -160 to +200 °C og med 30 bars tryk. Den fuldloddede pladevarmeveksler serie er blevet udviklet for applikationer indenfor køleindustrien. Hver enkelt fuldloddede pladevarmeveksler gennemgår en vakuum og trykprøvning på begge siderog er udstyret med et innovativt auto tjek, et såkaldt L/C system, der undgår forurening imellem de 2 medier. Man kan fået et bredt udvalg af forskellig tilslutningsstudse, der kan tilpasses den enkelte OEM`s ønsker

Download katalog

Varmoverførselsteori
Naturens love, vil altid tillade den drivende energi i et system, at flyde, indtil ligevægt er nået.
Varme forlader det varmere element eller den varmeste væske, så længe der er en temperaturforskel, og overføres til det kolde medium.
En pladevarmeveksler (varmeveksler) følger dette princip, i bestræbelserne på at nå udligning.
Med en pladevarmeveksler, trænger varmen ind i overfladen, som
adskiller det varme medium fra det kolde, meget let. Det er derfor muligt
at opvarme eller afkøle væsker eller gasser som
har minimale energiniveauer. Teorien om varmeoverførsel fra et medie til
et andet, eller fra en væske til en anden, er bestemt af flere grundlæggende regler.
• Varme overføres altid fra et varmt medium til et koldt medium.
• Der skal altid være en temperaturforskel mellem medierne.
• Varmen der tabes af det varme medium, er lig med mængden af varme optaget af
det kolde medium, bortset fra tab til omgivelserne.
Varmevekslere
En pladevarmeveksler (varmeveksler) er et udstyr, som kontinuerligt overfører varme fra et medium til et andet.
Der er to hovedtyper af varmevekslere.
• Direkte varmeveksler, hvor begge medierne er i direkte kontakt med hinanden. Det er forudsat, at medierne ikke er blandet sammen.
Et eksempel på denne type varmeveksler er et køletårn, hvor vandet afkøles ved direkte kontakt med luft.
• Indirekte varmeveksler, hvor begge medierne adskilles af en væg gennem
hvilken varme overføres.
Varmoverførselsteori
Varme kan overføres på tre måder.
• Stråling – Energi overføres af elektromagnetisk stråling. Et eksempel er opvarmning af jorden ved solen.
• Ledning – Energi overføres mellem faste stoffer eller stationære væsker ved bevægelsen af atomer eller molekyler.
• Konvektion – Energien overføres ved at blande en del af et medium med en anden del.
a) Naturlig konvektion, hvor mediernes bevægelse helt afhænger
efter tæthedsforskel, og temperaturforskelle udjævnes.
b) Tvungen konvektion, hvor mediernes bevægelse helt eller delvist afhænger af en ekstern indflydelse. Et eksempel herpå er en pumpe der forårsager bevægelse i en væske.
Varmeveksler typer
I dette skrift, diskuteres kun varmevekslere med indirekte varme, dvs. dem
hvor medierne ikke blandes, men hvor varmen overføres gennem varmeoverføringsflader.
Temperaturtab via stråling, kan ignoreres, for varmevekslere i denne artikel.
Indirekte varmevekslere er tilgængelige i flere hovedtyper (plade, shell & tube, spiral etc.)
I de fleste tilfælde er plade typen den mest effektive varmeveksler. Generelt tilbyder denne bedste løsning på termiske opgaver, med det bredeste tryk- og temperaturområde, inden for det nuværende udstyrs begrænsning.
De mest bemærkelsesværdige fordele ved en pladevarmeveksler er:
• Optager meget mindre plads end en traditionel shell & tube varmeveksler.
• Tyndt materiale til varmeoverførselsoverfladen – dette giver optimal varmeoverførsel, da varmen kun skal trænge igennem et tyndt materiale.
• Høj turbulens i mediet – Dette giver en højere konvektion, som resulterer i effektiv varmeoverførsel mellem Medierne. Konsekvensen heraf, er en højere varmeoverførsels-koefficient per areal enhed, er ikke kun et mindre krav til overfladeareal, men også en mere effektiv drift.
Den høje turbulens giver også en selvrensende effekt. Derfor er fouling af varmeover-føringsflader, sammenlignet med den traditionelle shell & tube varmeveksler, betydeligt
reduceret. Det betyder, at en pladevarmeveksler kan forblive i drift langt længere tid, før den eventuelt skal renses = langt længere til imellem rengøringsintervallerne.
• Fleksibilitet – pladevarmeveksleren består af en ramme indeholdende flere varmeover-føringsplader. Den kan nemt udvides, for at øge kapaciteten.
Desuden er den let at åbne for rengøring. (Dette gælder kun for pakningsforsynede pladevarmevekslere, og ikke for svejsede eller loddede varmevekslere.)
• Variabel termisk længde – de fleste af vores pladevarmevekslere, bliver fremstillet med to forskellige trykke mønstre.
Når pladen har et smalt mønster, er trykfaldet højere og varmeveksleren er mere effektiv. Denne type varmeveksler har en lang termisk kanal.
Når pladen har et bredt mønster, er trykfaldet mindre og varmeoverførselskoefficienten er tilsvarende noget mindre. Denne type varme veksler har en kort termisk kanal.
Når to plader med forskelligt presningsmønstre placeres ved siden af hinanden, bliver resultatet et kompromis med mellemlange kanaler samt mellem trykfald og effektivitet.

Beregningsmetode:
For at løse et termisk problem skal vi kende flere parametre. Yderligere data kan derefter bestemmes. De seks vigtigste parametre er som følger:
• Den mængde varme, der skal overføres (varmekapacitet).
• Indløbs- og udløbstemperaturer på primære og sekundær side.
• Det maksimale tilladte trykfald på de primær og sekundær side.
• Den maksimale driftstemperatur.
• Det maksimale driftstryk.
• Masseflow (flow rate) på primær og sekundær side.
Hvis flowet, specifik varme og temperaturforskellen (delta T) på den ene side er kendt, kan varmekapaciteten beregnes.
Se også side nedenfor.
Temperaturprogram
Dette betyder indløbs- og udløbstemperaturer i begge medier i varmeveksleren.
T1 = Indløbstemperatur – varm side
T2 = Udløbsstemperatur – varm side
T3 = Indløbstemperatur – kold side
T4 = Udløbstemperatur – kold side
Temperaturprogrammet vises i diagrammet herunder.
Varmelast
Ser man bort fra varmetab til atmosfæren, som er ubetydelig, er
varme tabt (varmekapacitet) på den ene side af pladevarmeveksleren, lig med
varme tilført den anden side.
Varmebelastningen (P) udtrykkes i kW eller kbtu / h.
Logaritmisk middelværdi
temperaturforskel
Logaritmisk gennemsnitlig temperaturforskel
(LMTD) er den effektive drivkraft i en varmeveksler.
Se diagram til venstre.
Termisk længde
Termisk længde (Θ) er forholdet mellem temperaturforskellen δt på
den ene side og LMTD.
Θ = δt / LMTD
Termisk længde beskriver hvor svært en opgave er, set ud fra et termisk perspektiv.
Massefylde
Tæthed (p) er massen pr. Enhedsvolumen
og udtrykkes i kg / m3 eller lb / ft3.

Køling
Til nogle opgaver, køling for eksempel, er temperaturprogrammet meget stramt med tæt tilgang til de forskellige temperaturer. Dette giver, hvad vi kalder høje theta (high Theta) opgaver, der kræver høje theta vekslere. Høj theta opgaver er opgaver, der har Θ> 1 og
er kendetegnet ved:
• Lang plade, længere tid til væsken at blive afkølet
• Lav pressedybde, der giver mindre væske pr. plade, som skal afkøles
Pladevarmevekslere er overlegne sammenlignet med shell & tube varmevekslere, når det kommer til theta værdier. Shell & tube varmevekslere, kan gå op til en maksimal værdi af theta ~ 1, mens pladevarmevekslere går op til theta værdier på 10 og mere. For at en shell & tube skal klatre over theta-værdien på 1 eller mere, skal flere shel & tube sættes i serie.
Strømningshastighed (flow rate):
Dette kan udtrykkes på to forskellige måder, enten efter vægt eller volumen.
Enhederne for strømning efter vægt er i lb / h eller kg / h.
Enhederne for strømning efter volumen er i m3 / h eller gpm.
At konvertere enheder for volumen til enheder af vægt, er det nødvendigt at gange volumenstrømmen med massefylden.
Den maksimale strømningshastighed bestemmer normalt hvilken type varmeveksler der er den rette til et bestemt formål. Vores pladevarmevekslere kan bruges til meget høje strømningshastigheder
Trykfald
Trykfald (Δp) er i direkte relation til pladevarmevekslerens størrelse. Hvis det er muligt at øge det tilladte trykfald, og i øvrigt accepterer højere pumpeomkostninger, så bliver varmeveksleren mindre og billigere. Som vejledning vil tryktab mellem 20 og
100 kPa accepteres som normalt for vand / vand opgaver.
Specifik varme
Specifik varme (cp) er mængden af
energi der kræves for at hæve 1 kg af et stof med en grad celcius.
Den specifikke varmekapacitet ved 20 ° C er 4,18 kJ×kg-1×°C-1 vand
Viskositet
Viskositet er et mål for den hvor let en væske strømmer. Jo lavere viskositeten er, jo lettere strømmer den.
Viskositet udtrykkes i centiPoise (cP) eller centiStoke (cSt).
Samlet varmeoverførselskoefficient
Samlet varmeoverførselskoefficient (k) er
et mål for modstandsdygtigheden mod varme
flow, der består af modstandene forårsaget af pladematerialet, mængden af
fouling, hvilken væske og typen af varmeveksler brugt.
Samlet varmeoverførselskoefficient er
udtrykt som W / m2 ° C eller Btu / ft2, h, ° F

Hver parameter i ligningen kan påvirke valget af varmeveksler.
Valg af materialer påvirker normalt ikke effektiviteten, kun styrke og korrosionsegenskaber af varmeveksleren.
I en pladevarmeveksler har vi fordelene ved små temperaturforskelle og pladetykkelser på
mellem 0,3 og 0,6 mm. Høje alfa værdier er produkter med meget høj turbulens, og fouling faktoren er normalt meget lille. Dette giver en k-værdi som under gunstige omstændigheder kan være i størrelsesordenen 1.400 btu / ft2 h ° F.
Med traditionelle shel & tube (rørvarmevekslere), vil k-værdien være under
440 btu / ft2 h ° F.
Vigtige faktorer for at minimere varmeveksler omkostninger er:
1. Trykfald
Desto større tilladt trykfald, desto mindre varmeveksler.
2. LMTD
Jo større temperaturforskellen er mellem medierne, jo mindre vil
varmeveksleren være.
Byggematerialer
Høj kvalitets AISI 316 rustfrit stålplader bruges i de fleste af vore pladevarmevekslere til vand / vand applikationer. Når kloridindholdet som vist i tabellerne på side 9 gør at der ikke kræves AISI 316, kan det billigere rustfrit stålmateriale AISI 304 nogle gange anvendes. Flere andre pladematerialer er også tilgængelige for forskellige applikationer. Til vores loddede pladevarmevekslere bruges altid AISI 316. Til saltvand og brakvand bør der kun anvendes titan.
Tryk og temperatur begrænsninger
Den maksimalt tilladte temperatur og tryk påvirker omkostningerne for varmeveksleren. Hovedregelen er, at jo lavere den maksimale temperatur og maksimumtrykket er, jo billigere vil varmeveksleren blive.
Fouling og fouling faktorer
Fouling tillægget kan udtrykkes, enten som en designmargin (M), dvs. en
yderligere procentdel af varmeoverførselsarealet, eller som en fouling faktor (Rf) udtrykt i enhederne m² ° C / W eller ft2 ° F / btu.
Rf vil være meget lavere for en pladevarmeveksler end for en rørveksler.
De to vigtigste grunde til dette er.
1. Høje k-værdier betyder mindre fouling faktorer.
Design af pladevarmevekslere giver meget højere turbulens, og
derved højere termisk effektivitet end en rørveksler. En typisk k-værdi
(vand / vand) til en pladevarmeveksler er 1050-1300 btu / ft2 h ° F, mens en typisk rørveksler giver kun 350-440 btu / ft2 h ° F. En typisk Rf-værdi
der bruges til rørveksler er 5,68 ft2 h ° F / btu. Med k-værdier 350-
440 btu / ft2 h ° F giver dette en margen på 20-25%. (M = kc x Rf
). For at opnå M = 20-25% i pladevarmeveksleren med
1050-1300 btu / ft2 h ° F, skal Rf-værdien kun være 1,87 x 10-4 ft2 h ° F / btu.
2. Forskel i hvordan margin er tilføjet.
I en rørvarmeveksler er margin ofte tilføjet ved at øge
rørlængden, så det samme flow holdes gennem hvert rør. I en pladevarmeveksler er marginen tilføjet ved at tilføje parallelle kanaler, dvs. sænkning af flowet pr. kanal, der resulterer i lavere turbulens / effektivitet, og dermed øger risikoen for fouling. En for høj fouling faktor kan resultere i øget tilsmudsning!
Til en pladevarmeveksler i et vand / vand opgave, er en margen på 0-15%, afhængig af vandkvaliteten, normalt nok.

Fig. 1

Fig. 2

Exploded view GPHE