Najszerzej stosowany wymiennik ciepła: wymiennik płaszczowo-rurowy

Wprowadzenie

Wymienniki ciepła są niezbędnymi komponentami w wielu procesach przemysłowych i komercyjnych, umożliwiającymi przenoszenie ciepła z jednego ośrodka do drugiego bez bezpośredniego kontaktu. Wśród wielu dostępnych typów — w tym wymienników płytowych, rurowych, żebrowanych, spiralnych i dwururowych — wymienniki płaszczowo-rurowe (STHE) wyróżniają się jako najczęściej stosowane na świecie. Jego wszechstronność, trwałość i wydajność sprawiają, że jest to kamień węgielny zarządzania ciepłem w sektorach takich jak wytwarzanie energii, ropa i gaz, HVAC, przetwórstwo chemiczne i nie tylko.

What is a Shell and Tube Heat Exchanger?

Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła składa się z szeregu rur zamkniętych w cylindrycznym płaszczu. Jeden płyn przepływa przez rurki, podczas gdy inny płyn przepływa przez rurki (w płaszczu), aby wymieniać ciepło. Ten pośredni kontakt zapewnia transfer ciepła bez mieszania cieczy.

Podstawowa struktura:
Rury: Zwykle ułożone w wiązki i mogą być proste lub w kształcie litery U.

Powłoka: Cylindryczne naczynie otaczające rurki, zawierające drugi płyn.

Arkusze rurek: Płyty utrzymujące rurki w odpowiednim położeniu i izolujące płyny.

Przegrody: Prowadź płyn po stronie powłoki, aby zwiększyć turbulencje i wymianę ciepła.

Głowice lub zaślepki: Kieruj płyn do i z rurek.

Zasada działania

Podstawową zasadą działania płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła jest przenoszenie ciepła na zasadzie konwekcji pomiędzy dwoma płynami o różnych temperaturach. Ciepło przepływa od cieplejszego do chłodniejszego płynu przez ściankę rury.

Istnieją trzy główne konfiguracje przepływu:

Przepływ równoległy – oba płyny poruszają się w tym samym kierunku.

Przepływ przeciwny – płyny poruszają się w przeciwnych kierunkach, co zapewnia wyższą wydajność.

Przepływ krzyżowy – płyny przepływają prostopadle do siebie.

Warianty projektu

Aby dopasować się do różnych zastosowań, wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe projektuje się w różnych konfiguracjach:

Jednoprzebiegowe lub wieloprzebiegowe (płyn wykonuje jedno lub wielokrotne przejścia przez rurki)

Stały arkusz rurowy – prosty i ekonomiczny; ogranicza się do niskiej rozszerzalności cieplnej.

Pływająca głowica lub rurka w kształcie U – kompensuje rozszerzalność cieplną; łatwiejsze czyszczenie i konserwacja.

Normy TEMA – Stowarzyszenie Producentów Wymienników Rurowych (TEMA) standaryzuje STHE w klasach (R, C, B) do zastosowań rafineryjnych, komercyjnych i chemicznych.

Dlaczego jest najczęściej używany?

1. Wszechstronność
Wymienniki płaszczowo-rurowe wytrzymują szeroki zakres temperatur (do 1000°C) i ciśnień (do 500 barów). Można je dostosować do wielu wymagań procesowych, płynów i środowisk instalacyjnych.

2. Trwałość i niezawodność
Zbudowane z wytrzymałych materiałów, takich jak stal nierdzewna, tytan lub Inconel, wymienniki te nadają się do środowisk korozyjnych i narażonych na duże obciążenia. They have a long operational life with proper maintenance.

3. Skalowalność
Są dostępne w szerokiej gamie rozmiarów — od małych jednostek dla laboratoriów po masywne instalacje przemysłowe.

4. Łatwość konserwacji
Modele takie jak U-rurka lub głowica pływająca umożliwiają czyszczenie i wymianę rurki bez demontażu całego systemu.

5. Wydajność cieplna
Przy odpowiedniej konstrukcji (np. przegrody, wiele przejść) STH mogą osiągnąć bardzo efektywne przekazywanie ciepła, szczególnie w układach z przepływem przeciwprądowym.

Typowe zastosowania

1. Przemysł naftowy i gazowy
Smary chłodzące i płyny hydrauliczne

Odzysk ciepła ze spalin

Kondensacja pary i oparów

2. Wytwarzanie energii
Podgrzewacze wody zasilającej

Kondensatory pary w elektrowniach cieplnych

3. Przetwarzanie chemiczne
Kontrola temperatury reaktorów

Ogrzewanie i chłodzenie produktu

4. HVAC i chłodnictwo
Systemy wody lodowej

Skraplacze i parowniki

5. Morskie i lotnicze
Układy chłodzenia silnika

Odzysk ciepła odpadowego

Materiały konstrukcyjne
Wybór materiału ma kluczowe znaczenie i zależy od temperatury, ciśnienia i odporności na korozję:

Stal węglowa – typowa dla tanich zastosowań.

Stal nierdzewna – wysoka odporność na korozję.

Stopy miedzi – doskonała przewodność cieplna.

Tytan – stosowany do wody morskiej lub płynów silnie korozyjnych.

Stopy niklu (Inconel, Hastelloy) – do środowisk ekstremalnych.