Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła
Płaszczowo -rurowy wymiennik ciepła to klasa konstrukcji wymienników ciepła . [1] [2] Jest to najczęściej spotykany typ wymiennika ciepła w rafineriach ropy naftowej i innych dużych procesach chemicznych i nadaje się do zastosowań o wyższym ciśnieniu. Jak sama nazwa wskazuje, ten typ wymiennika ciepła składa się z płaszcza (dużego zbiornika ciśnieniowego ) z wiązką rur w środku. Jeden płyn przepływa przez rurki, a inny płyn przepływa przez rurki (przez powłokę), aby przenosić ciepło między dwoma płynami. Zestaw rur nazywany jest wiązką rur i może składać się z kilku rodzajów rur: gładkich, żebrowanych wzdłużnie itp.
Teoria i zastosowanie
Przez wymiennik ciepła przepływają dwa płyny o różnych temperaturach początkowych. Jeden przepływa przez rury (strona rury), a drugi na zewnątrz rur, ale wewnątrz skorupy (strona skorupy). Ciepło jest przenoszone z jednego płynu do drugiego przez ścianki rury, albo od strony rury do strony płaszcza, albo odwrotnie. Płyny mogą być cieczami lub gazami po stronie płaszcza lub rury. Aby skutecznie przenosić ciepło, należy zastosować dużą powierzchnię wymiany ciepła, co prowadzi do zastosowania wielu rurek. W ten sposób można wykorzystać ciepło odpadowe. Jest to skuteczny sposób na oszczędzanie energii.
Wymienniki ciepła z tylko jedną fazą (ciekłą lub gazową) po każdej stronie można nazwać jednofazowymi lub jednofazowymi wymiennikami ciepła. Dwufazowe wymienniki ciepła mogą być używane do podgrzewania cieczy w celu zagotowania jej do stanu gazowego (pary), czasami nazywanych kotłami , lub do schładzania oparów i skraplania ich w ciecz (zwane skraplaczami ), przy czym zmiana fazy zwykle zachodzi na strona skorupy. Kotły w lokomotywach parowych to zazwyczaj duże płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła, zwykle o cylindrycznym kształcie. W dużych elektrowniach z turbinami parowymi do skraplania pary wylotowej stosuje się płaszczowo-rurowe skraplacze powierzchniowe wychodząc z turbiny do wody kondensacyjnej , która jest zawracana do obiegu w celu przekształcenia jej w parę w wytwornicy pary.
Są one również stosowane w agregatach chłodniczych chłodzonych cieczą do przenoszenia ciepła między czynnikiem chłodniczym a wodą zarówno w parowniku , jak i skraplaczu oraz w agregatach chłodniczych chłodzonych powietrzem tylko do parownika.
Projekt płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła
Może istnieć wiele odmian konstrukcji skorupy i rury. Zazwyczaj końce każdej rury są połączone z komorami (czasami nazywanymi skrzyniami wodnymi ) przez otwory w prześcieradłach . Rury mogą być proste lub wygięte w kształcie litery U, zwane U-rurki.
Większość płaszczowo-rurowych wymienników ciepła to konstrukcje 1-, 2- lub 4-przebiegowe po stronie rury. Odnosi się to do tego, ile razy płyn w rurkach przechodzi przez płyn w skorupie. W jednoprzebiegowym wymienniku ciepła płyn przepływa jednym końcem każdej rury i wypływa drugim.
Skraplacze powierzchniowe w elektrowniach to często jednoprzebiegowe wymienniki ciepła z rurami prostymi. Konstrukcje dwu- i czteroprzebiegowe są powszechne, ponieważ płyn może wchodzić i wychodzić po tej samej stronie. To znacznie upraszcza budowę.
Często występują przegrody kierujące przepływ przez stronę płaszcza, dzięki czemu płyn nie przechodzi na skróty przez stronę płaszcza, pozostawiając nieefektywne małe objętości przepływu. Są one na ogół przymocowane do wiązki rur, a nie do skorupy, aby wiązkę można było nadal zdejmować w celu konserwacji.
Przeciwprądowe wymienniki ciepła są najbardziej wydajne, ponieważ pozwalają na uzyskanie największej logarytmicznej średniej różnicy temperatur między gorącym i zimnym strumieniem. Jednak wiele firm nie stosuje dwubiegowych wymienników ciepła z U-rurką, ponieważ mogą one łatwo pęknąć, a ponadto są droższe w budowie. Często można użyć wielu wymienników ciepła do symulacji przepływu przeciwprądowego pojedynczego dużego wymiennika.
Wybór materiału rurki
Aby dobrze przenosić ciepło, materiał rury powinien mieć dobrą przewodność cieplną. Ponieważ ciepło jest przenoszone z gorącej do zimnej strony przez rury, istnieje różnica temperatur na całej szerokości rur. Ze względu na tendencję materiału rury do rozszerzania się termicznego w różnych temperaturach, podczas pracy występują naprężenia termiczne . Jest to dodatek do wszelkich naprężeń wynikających z wysokiego ciśnienia z samych płynów. Materiał rury powinien również być kompatybilny zarówno z płynami znajdującymi się po stronie płaszcza, jak i rury przez długi czas w warunkach roboczych (temperatura , ciśnienie, pH itp.), aby zminimalizować pogorszenie, takie jak korozja. Wszystkie te wymagania wymagają starannego doboru mocnych, przewodzących ciepło, odpornych na korozję, wysokiej jakości materiałów rurowych, zazwyczaj metali, w tym aluminium , stopów miedzi , stali nierdzewnej , stali węglowej , stopów miedzi nieżelaznej, Inconelu , niklu , hastelloyu i tytanu . [3] Fluoropolimery , takie jak perfluoroalkoksyalkan (PFA) i fluorowany etylenopropylen(FEP) są również wykorzystywane do produkcji materiału rurowego ze względu na ich wysoką odporność na ekstremalne temperatury. [4] Zły dobór materiału rury może spowodować wyciek przez rurkę między płaszczem a bokami rury, powodując zanieczyszczenie krzyżowe płynu i prawdopodobnie utratę ciśnienia.
Aplikacje i zastosowania
Prosta konstrukcja płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła sprawia, że jest to idealne rozwiązanie chłodzące do wielu różnych zastosowań. Jednym z najczęstszych zastosowań jest chłodzenie płynu hydraulicznego i oleju w silnikach, przekładniach i agregatach hydraulicznych . Przy odpowiednim doborze materiałów mogą być również wykorzystywane do chłodzenia lub ogrzewania innych mediów, takich jak woda basenowa lub powietrze doładowujące. [5] Technologia płaszczowo-rurowa ma wiele zalet w porównaniu z płytami
- Jedną z największych zalet stosowania płaszczowo-rurowych wymienników ciepła jest to, że są one często łatwe w serwisowaniu, szczególnie w przypadku modeli, w których dostępna jest pływająca wiązka rur. [6] (gdzie płyty sitowe nie są przyspawane do powłoki zewnętrznej).
- Cylindryczna konstrukcja obudowy jest wyjątkowo odporna na ciśnienie i umożliwia wszystkie zakresy zastosowań ciśnieniowych
Zabezpieczenie nadciśnieniowe
W płaszczowo-rurowych wymiennikach ciepła istnieje ryzyko pęknięcia rury i przedostania się płynu pod wysokim ciśnieniem (HP) i powstania nadciśnienia po stronie niskiego ciśnienia (LP) wymiennika ciepła. [7] Zwykła konfiguracja wymienników polega na tym, że płyn HP znajduje się w rurach, a woda LP, media chłodzące lub grzewcze po stronie płaszcza. Istnieje ryzyko, że pęknięcie rurki mogłoby zagrozić integralności skorupy i uwolnić łatwopalny gaz lub ciecz, z ryzykiem dla ludzi i stratami finansowymi. Płaszcz wymiennika musi być chroniony przed nadciśnieniem za pomocą płytek bezpieczeństwa lub zaworów nadmiarowych. Stwierdzono, że czas otwarcia urządzeń zabezpieczających jest krytyczny dla ochrony wymiennika. [8]Urządzenia takie montowane są bezpośrednio na płaszczu wymiennika i odprowadzane są do układu odciążającego.
Normy projektowe i konstrukcyjne
- Normy Stowarzyszenia Producentów Wymienników Rurowych (TEMA) , wydanie 10, 2019 r.
- EN 13445-3 „Zbiorniki ciśnieniowe bez ognia – Część 3: Projektowanie”, sekcja 13 (2012)
- Kodeks ASME dotyczący kotłów i zbiorników ciśnieniowych , sekcja VIII, dział 1, część UHX
wg Wikipedii oraz
- Sadik Kakaç & Hongtan Liu (2002). Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design (2nd ed.). CRC Press. ISBN 0-8493-0902-6.
- Perry, Robert H. & Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
- "Shell and Tube Exchangers". Retrieved 2009-05-08.
- "PFA Properties" (PDF). www.fluorotherm.com/. Fluorotherm Polymers, Inc. Retrieved 4 November 2014.
- "Applications and Uses". Retrieved 2016-01-25.
- Heat Exchanger Shell Bellows Piping Technology and Products, (retrieved March 2012)
- The Energy Institute (2015). Guidelines for the safe design and operation of shell and tube heat exchangers to withstand the impact of tube failure. London: The Energy Institute.
- The Institution of Chemical Engineers (21 March 2018). "Screening Heat Exchangers for High Pressure Differential Relief". The Institution of Chemical Engineers. Retrieved 24 January 2021.