Análise comparativa de trocadores de calor de placas e trocadores de calor casco-tubo

Análise comparativa dos trocadores de calor de placas e dos trocadores de calor de tubos e conchas

1Projeto estrutural e mecanismos de transferência de calor

1.1 Intercambiadores de calor de chapa

Um trocador de calor de placa consiste em uma pilha de placas metálicas onduladas, com juntas que selam as lacunas entre as placas adjacentes para formar canais de fluxo separados.Dois fluidos de trabalho fluem contracorrente ou em corrente cruzada através de canais alternados, trocando calor através das placas metálicas.

Mecanismo de transferência de calor:

• O calor do fluido quente é primeiro transferido para a placa por convecção, e depois conduzido através da placa de alta condutividade térmica (por exemplo, aço inoxidável, com uma condutividade térmica de 45 W/ (((m·K)),e finalmente convecto para o fluido frio.

• A superfície da chapa corrugada induz turbulência em números de Reynolds baixos (Re = 50?? 200), aumentando significativamente a eficiência de transferência de calor.Esta turbulência também aumenta a queda de pressão devido à maior resistência do fluido.

1.2 Intercambiadores de calor de concha e tubo

Um trocador de calor de tubulação é constituído por uma casca cilíndrica, um conjunto de tubos (fixos ou flutuantes através de folhas de tubos) e cabeçotes.enquanto o outro flui ao redor dos tubos dentro da concha (lado da concha)As configurações comuns incluem folhas de tubos fixos, cabeças flutuantes e desenhos de tubos U.

Mecanismo de transferência de calor:

• O calor do fluido quente (do lado do tubo ou da casca) é convecto para a parede do tubo, conduzido através do tubo (por exemplo, tubos de cobre com uma condutividade térmica de 375 W/(m·K)),e então convecto para o fluido frio no lado oposto.

• Os defletores são instalados na casca para redirecionar o fluido do lado da casca, estendendo os caminhos de fluxo e aumentando a turbulência, melhorando assim a eficiência da transferência de calor.

2Características de desempenho

3Vantagens, desvantagens e aplicações

3.1 Intercambiadores de calor de chapa

Vantagens:

• Alta eficiência: O fluxo turbulento a baixos números de Reynolds e a operação contracorrente produzem um fator de correção de diferença de temperatura média logarítmica (LMTD) de ~ 0.95, com diferenças de temperatura final tão baixas como < 1 °C (contra ~ 5 °C para projetos de concha e tubo).

• Design compacto: 2×5 vezes maior área de transferência de calor por unidade de volume; ocupa 1/5×1/8 do espaço das unidades de tubulação para capacidade equivalente.

• Flexibilidade: Fácil de dimensionar adicionando/removendo placas; adaptável às alterações de processo (por exemplo, reconfiguração de vias de fluxo).

• Eficiência dos custos: Leve (espessura da chapa: 0,4 mm/0,8 mm contra 2,0 mm/2,5 mm/2,0 mm/2,5 mm para tubos), 40%/60% mais barato do que as unidades de tubos e carcaças do mesmo material e da mesma área; produzível em massa por estampagem.

• Baixa perda de calor: A superfície exposta mínima reduz a dissipação de calor, eliminando a necessidade de isolamento.

Desvantagens:

• Tolerância limitada à pressão e à temperatura (inadequada para > 3 MPa ou temperaturas extremas).

• As juntas são propensas à degradação em ambientes corrosivos ou de alta temperatura.

• Uma queda de pressão maior pode exigir bombas mais fortes.

Aplicações:

Ideal para cenários de baixa a média pressão, 中小换热面积 (por exemplo, HVAC, processamento de alimentos, sistemas domésticos de água quente e indústrias que exigem limpeza frequente, como produtos farmacêuticos).

3.2 Intercambiadores de calor de concha e tubo

Vantagens:

• Resistência à alta pressão/temperatura: Adequado para condições adversas (até 30 MPa, 400°C), tornando-o ideal para processos industriais de alta pressão.

• Robustez: Concha cilíndrica e feixes de tubos rígidos resistem a altas pulsações e grandes caudais; compatíveis com fluidos de alta viscosidade ou carregados de partículas (com design de deflector adequado).

• Duração de vida: A construção inteiramente de aço inoxidável (ou tubos de cobre) oferece durabilidade (até 20 anos) em ambientes corrosivos.

Desvantagens:

• Eficiência de transferência de calor mais baixa: os fatores de correção LMTD são frequentemente < 0,9 devido aos padrões de fluxo cruzado; maior pegada e maior peso.

• Inflexibilidade: difíceis de modificar a área de transferência de calor após a instalação; maior custo inicial para capacidade equivalente.

Aplicações:

Preferido para processos industriais de alta pressão/alta temperatura (por exemplo, petroquímica, geração de energia, mineração) e troca de calor em larga escala (por exemplo, aquecimento centralizado,sistemas de refrigeração pesados).

Resumo

Os trocadores de calor de placa se destacam em eficiência, compacidade e flexibilidade para aplicações de baixa a média pressão, enquanto os trocadores de calor de concha e tubo dominam em alta pressão, alta temperatura,e cenários industriais em larga escalaA selecção depende das condições de funcionamento, das necessidades de manutenção e dos requisitos de escalabilidade.