Optymalizacja wzorów płyt do wymiany ciepła w zastosowaniach morskich

Wspierany przez 5000 m² warsztat produkcyjny w Nantong oraz ponad 100 inżynierów elektrycznych i mechanicznych, zespół SME świadczy usługi dla przemysłu offshore i morskiego od ponad 20 lat, zapewniając nadal wysokiej klasy i aktualne usługi w tej dziedzinie; realizujemy ponad 500 zleceń rocznie i dostarczamy wyposażenie do ponad 1000 statków rocznie. W tym wpisie omówimy optymalny wzór płyty do wymiennika ciepła płytowego, który stanowi rdzeń systemu morskiego, oraz wyjaśnimy, jak te optymalne wzory zapewniają wydajność cieplną i ekonomiczną dzięki lepszemu zrozumieniu kontroli tarcia cieczy i strumienia ciepła w naszych systemach chłodzenia, ogrzewania oraz odzysku ciepła odpadowego.

Kąt chevrona i jego kompromis między przenoszeniem ciepła a spadkiem ciśnienia

Najważniejszym parametrem geometrycznym w projektowaniu wymienników płytowych z żebrowaniem (PHE) jest kąt żebrowania (lub kąt rybkiego wzoru). Zawsze tak jest, że im większy kąt żebrowania (np. 60°–75°), tym większa turbulencja powstaje, co prowadzi do wyższego współczynnika przenikania ciepła, ale jednocześnie wiąże się to znacznym wzrostem spadku ciśnienia i mocy pompowania. Z drugiej strony mniejsze kąty (30°–45°) stwarzają mniejszy opór, lecz zapewniają niższą wydajność cieplną. Gdy w zastosowaniach morskich stosuje się ciecze lepkie, takie jak oleje smarowe, SME rzadko stosuje pojedynczą płytę. Dotychczasowe zastosowania SME obejmują m.in. konstrukcje hybrydowe z połączonymi płytami – np. płyty o dużym kącie przepływu wody i mniejszym kącie przepływu oleju lub podobne kombinacje płyt – umożliwiające osiągnięcie akceptowalnej wydajności cieplnej bez nadmiernego spadku ciśnienia. Taki projekt hybrydowy stanowi optymalne, zrównoważone rozwiązanie termiczno-hydrauliczne, co ma kluczowe znaczenie w projektach modernizacyjnych oraz nowych budów, w których uczestniczy SME.

Głębokość, skok i stosunek wysokości do szerokości falistości

Oprócz kąta wpływ na wydajność mają również głębokość falistości (h), skok falistości (P) oraz stosunek wysokości do szerokości falistości (2b/λ). Im głębsze są fale, tym większa jest powierzchnia wymiany ciepła oraz tym silniejsze jest oddzielenie przepływów, co umożliwia wzmocnienie wymiany ciepła w obszarach lokalnych dzięki wtórnemu mieszaniu. Jednocześnie jednak zwiększają one współczynnik tarcia, powodując wyższy spadek ciśnienia. Badania oparte na metodzie Taguchiego dla grzejników gazowych stosowanych w środowisku morskim wykazały optymalne zależności – np. przy średnicy falistości 6 mm, głębokości falistości 1 mm oraz nachyleniu falistości 45° uzyskano poprawę wskaźnika kompleksowej wydajności (TP) o 37,41% w porównaniu do konwencjonalnego projektu. Te oparte na danych techniki optymalizacyjne są wykorzystywane w firmie SME do określenia geometrii płytek dostosowanej do warunków eksploatacji konkretnego statku, aby nie rezygnować z korzyści wynikających z wydajności cieplnej z powodu nadmiernych kosztów pompowania.

Wzory asymetryczne i zmodyfikowane dla zmiennych zapotrzebowań przepływu

Przepływ po stronie gorącej W procesie przepływu po stronie gorącej w systemie morskim można wykorzystać fakt, że jego strumień masowy może znacznie różnić się od strumieni w innych systemach; na przykład natężenie przepływu przez wodę grzewczą może być wielokrotnie większe niż natężenie przepływu przez kran w pomieszczeniach mieszkalnych. Gdy takie rozwiązanie stosuje się symetrycznie we wszystkich kanałach przepływowych, skutkuje to ogólnym wzrostem spadku ciśnienia w obwodzie o wysokim przepływie, bez wpływu na wytrzymałość mechaniczną ani sprawność cieplną. Płyty kanałów przepływowych o niestandardowym kształcie – np. jedna z powiększoną powierzchnią przekroju w jednym kanale, zmniejszoną głębokością tłoczenia lub zmienionymi grzbietami w jednym z tych kanałów – zapewniają obniżone straty ciśnienia w tym większym kanale, w granicach dopuszczalnych pod względem mechanicznym, przy jednoczesnej dobrej zdolności wymiany ciepła. Ponadto najnowsze badania osiągnęły wyższą wydajność termo-hydrodynamiczną w płytach chevronowych (kąt >1° w płytach herringbone rozdzielonych), w których wpływ wzmocnienia turbulencji na opór przepływu jest dominujący. Tę bardzo zaawansowaną optymalizację oceniają inżynierowie firm SME dla statków działających w warunkach o znacznie różniących się scenariuszach eksploatacyjnych; proponowane rozwiązania o dodanej wartości umożliwią właścicielom statków obniżenie zużycia energii.

Wklęsłe i nowatorskie geometrie powierzchni

Badania przeprowadzone w ostatnich latach badały możliwość zastąpienia tradycyjnych wzorów rybi kostki płytami z wgłębieniami (punkty faliste) oraz okrągłymi płytami wypukłymi. Za pomocą numerycznej optymalizacji z zastosowaniem metody powierzchni odpowiedzi określono optymalne parametry (średnica punktu falistego około 5,2 mm, głębokość 0,9 mm oraz kąt nachylenia 42°), które zapewniają maksymalną wydajność (czynnik JF) o 11,92% wyższą niż w przypadku konwencjonalnych projektów z wzorem rybi kostki. W tej nowatorskiej konstrukcji geometria została zaprojektowana tak, aby stymulować turbulencję i warstwę graniczną cieplną, zachowując przy tym akceptowalny spadek ciśnienia. SME nadal z dużą uwagą śledzi takie nowe osiągnięcia i stosuje sprawdzone innowacje tam, gdzie są one istotne dla rozwiązań modernizacyjnych oraz nowych budów, wspierając klientów w utrzymaniu zgodności z najnowszymi standardami efektywności i emisji.

Podsumowanie: precyzyjne projektowanie płyt do zastosowań morskich

Optymalizacja wzorów płyt nie jest standardową procedurą operacyjną i wymaga szczegółowej analizy właściwości cieczy, przepływów, dopuszczalnych spadków ciśnienia oraz obciążenia termicznego. Grupa SME posiada certyfikaty ISO 9001/14001/45001 oraz ponad dwudziestoletnie doświadczenie w zakresie wymiany ciepła w aplikacjach morskich dla każdego projektu. Nasza lokalna sieć zapewnia szybką reakcję na stoczniach na całym świecie, w szczególności w Chinach kontynentalnych, co pozwala Twoim wymiennikom ciepła działać z maksymalną wydajnością. SME oferuje 12-miesięczną gwarancję oraz chęć działania nie tylko w celu spełnienia i przekroczenia Twoich oczekiwań – chęć oszczędzania jeszcze więcej energii dzięki wspieranej przez nas optymalizacji wzorów płyt, która przekłada się na mierzalne oszczędności energii. Skontaktuj się już dziś z naszymi ekspertami technicznymi, aby omówić konkretne wymagania grzewcze Twojego statku.