Optimizarea modelelor de plăci pentru transferul termic marin

Sprijinit de un atelier de producție de 5.000 m² din Nantong și de peste 100 de ingineri electrici și mecanici, grupul SME activează în domeniul ingineriei offshore și marine de mai bine de 20 de ani și continuă să ofere servicii de înaltă calitate și actualizate în acest domeniu; realizăm peste 500 de proiecte anual și livrăm echipamente pentru peste 1.000 de nave anual. Acest blog va analiza modelul optim de plăci pentru schimbătorul de căldură cu plăci, care constituie inima sistemului marin, și va explica modul în care aceste modele optime asigură eficiența termică și economică prin înțelegerea mai bună a controlului frecării fluidelor și a fluxului termic în sistemele noastre de răcire, încălzire și recuperare a căldurii reziduale.

Unghiul de tip Chevron și compromisul său între transferul de căldură și căderea de presiune

Cel mai important parametru geometric în proiectarea schimbătorului de căldură cu plăci (PHE) este unghiul în zigzag (sau unghiul în formă de os de pescăruș). În mod obișnuit, cu cât unghiul în zigzag este mai mare (de exemplu, între 60° și 75°), cu atât se generează mai multă turbulență, iar coeficientul de transfer termic crește, dar și căderea de presiune și puterea necesară pomparei cresc semnificativ. Pe de altă parte, unghiurile mai mici (30°–45°) opun o rezistență mai redusă, dar oferă o performanță termică inferioară. Când fluide vâscoase, cum ar fi uleiul de ungere, sunt utilizate în aplicații maritime, SME nu folosește în mod obișnuit o singură placă. Până în prezent, domeniile de aplicare ale SME pot include utilizarea unor designuri hibride de plăci, cu unghiuri mari pentru fluxul de apă și unghiuri mai mici pentru fluxul de ulei sau combinații similare de plăci, astfel încât să se obțină o performanță termică acceptabilă fără pierderi excesive de presiune. Acest design hibrid reprezintă o soluție optimă globală din punct de vedere termic și hidraulic, ceea ce este esențial în proiectele de modernizare și construcție nouă la care SME este implicat.

Adâncimea, pasul și raportul de aspect al ondulațiilor

În plus față de unghi, adâncimea ondulațiilor (h), pasul (P) și raportul de aspect (2b/λ) au un efect direct asupra performanței. Cu cât ondulațiile sunt mai adânci, cu atât suprafața de transfer termic este mai mare și cu atât mai mult provoacă separarea fluxurilor, astfel încât cantitatea de căldură transferată în zona locală poate fi sporită prin amestecul secundar. Totuși, acestea măresc și factorul de frecare, determinând o cădere de presiune mai mare. Studiile bazate pe metoda Taguchi pentru încălzitoarele marine de gaze au stabilit o relație optimă, de exemplu cazul diametrului ondulațiilor de 6 mm, adâncimii ondulațiilor de 1 mm și înclinației ondulațiilor de 45°, care a demonstrat o îmbunătățire de 37,41% a indicelui de performanță integrală (TP) comparativ cu proiectarea convențională. Aceste tehnici de optimizare bazate pe date sunt utilizate de SME pentru a specifica geometria plăcilor în funcție de condițiile de funcționare specifice navei, astfel încât să nu se renunțe la beneficiile privind performanța termică din cauza costurilor excesive de pompare.

Modele asimetrice și modificate pentru cerințe variabile de debit

Fluxul din partea caldă. În procesul de flux din partea caldă a sistemului marin se poate profita de faptul că debitul masic al acestuia poate fi semnificativ diferit față de cel al altor sisteme; de exemplu, debitul prin apa de încălzire poate ajunge la multipli ai debitului prin robinetul de apă potabilă din spațiile de cazare. Atunci când această diferență este realizată în mod simetric, pe toate canalele de flux, rezultatul este o creștere generalizată a căderii de presiune în circuitul cu debit ridicat, fără modificări ale rezistenței mecanice sau ale eficienței termice. Plăcile cu canale de flux neuniforme – una cu suprafață transversală mărită printr-un canal care are adâncime de presare redusă sau creste variabile în acel canal – vor avea pierderi de presiune reduse în acest canal mai larg, până la limita permisă mecanic, și vor oferi o bună capacitate de transfer termic. Mai mult, studiile recente au atins performanțe termo-hidraulice superioare în plăcile cu profil în zigzag (raportul de unghi >1 în plăcile cu profil în „os de pescăruș” separat), unde efectul de intensificare a turbulenței asupra rezistenței la curgere este preponderent. Această optimizare foarte avansată este evaluată de inginerii SME pentru nave cu scenarii operaționale extrem de diferite, iar soluțiile valorificate propuse vor permite armatorilor să reducă consumul de energie.

Geometrii de suprafață cu adâncituri și noutăți

Studiile din ultimii ani au investigat posibilitatea înlocuirii modelelor tradiționale în formă de pește cu plăci cu adâncituri (puncte ondulate) și plăci convexe circulare. Folosind optimizarea numerică cu metoda suprafeței de răspuns, s-au identificat parametrii optimași (diametrul punctelor ondulate de aproximativ 5,2 mm, adâncimea de 0,9 mm și unghiul de înclinare de 42°) pentru a obține o performanță maximă (factorul JF) cu 11,92% mai mare decât cea a designurilor convenționale în formă de pește. În acest design nou, geometriile sunt concepute pentru a stimula turbulența și stratul limită termic, păstrând în același timp o cădere de presiune acceptabilă. SME continuă să acorde o atenție deosebită acestor noi dezvoltări și aplică inovațiile dovedite acolo unde sunt relevante, atât pentru soluțiile de modernizare, cât și pentru cele noi, ajutând clienții să rămână conformi celor mai recente standarde privind eficiența și emisiile.

Concluzie: Proiectare precisă a plăcilor pentru eficiență marină

Optimizarea modelelor de plăci nu este o procedură operațională standard și necesită un studiu detaliat al proprietăților fluidelor, al debitelor, al căderilor de presiune admise și al sarcinii termice. SME Group este certificată conform ISO 9001/14001/45001 și pune la dispoziție peste două decenii de experiență în domeniul transferului de căldură marin pentru fiecare proiect. Rețeaua noastră locală asigură o reacție rapidă în șantierele navale din întreaga lume, în special în China continentală, permițând schimbătoarelor de căldură să funcționeze la performanța maximă. SME vă oferă garanția de 12 luni și dorința de a face mai mult decât doar să îndeplinească și să depășească așteptările dumneavoastră – dorința de a vă economisi chiar și mai multă energie, datorită sprijinului acordat optimizării modelelor de plăci pentru economii măsurabile de energie. Contactați astăzi experții noștri tehnici pentru a discuta cerințele specifice de încălzire ale navei dumneavoastră.