Cel mai utilizat schimbător de căldură: schimbător de căldură cu carcasă și tub

Introducere

Schimbatoare de caldura sunt componente esențiale în multe procese industriale și comerciale, permițând transferului căldurii de la un mediu la altul fără contact direct. Dintre numeroasele tipuri disponibile — inclusiv schimbătoare de căldură cu plăci, tuburi cu aripioare, spirale și cu două conducte — schimbătorul de căldură cu tub și înveliș (STHE) se remarcă ca fiind cel mai utilizat la nivel global. Versatilitatea, durabilitatea și eficiența sa îl fac piatra de temelie a managementului termic în sectoare precum generarea de energie, petrol și gaze, HVAC, procesare chimică și multe altele.

Ce este un schimbător de căldură cu carcasă și tub?

Un schimbător de căldură cu carcasă și tuburi este format dintr-o serie de tuburi închise într-o carcasă cilindrice. Un fluid curge prin tuburi, în timp ce un alt fluid curge peste tuburi (în interiorul carcasei) pentru a schimba căldură. Acest contact indirect asigură transferul termic fără amestecarea fluidelor.

Structura de baza:
Tuburi: aranjate de obicei în mănunchiuri și pot fi drepte sau în formă de U.

Înveliș: un vas cilindric care înconjoară tuburile, care conține al doilea fluid.

Plăci tubulare: plăci care țin tuburile în poziție și izolează fluidele.

Deflectoare: Ghidați fluidul din partea carcasei pentru a crește turbulența și transferul de căldură.

Capete sau capace: Dirijați fluidul în și din tuburi.

Principiul de lucru

Principiul principal de funcționare al unui schimbător de căldură cu carcasă și tub este transferul de căldură pe bază de convecție între două fluide la temperaturi diferite. Căldura curge de la fluidul mai fierbinte la cel mai rece prin peretele tubului.

Există trei configurații principale de flux:

Flux paralel – Ambele fluide se deplasează în aceeași direcție.

Contracurent – ​​Fluidele se deplasează în direcții opuse pentru o eficiență mai mare.

Flux încrucișat – Fluidele curg perpendicular unul pe celălalt.

Variante de proiectare

Pentru a se potrivi diferitelor aplicații, schimbătoarele de căldură cu manșă și tuburi sunt proiectate în diferite configurații:

One-pass sau Multi-pass (fluidul face una sau mai multe treceri prin tuburi)

Tablă de tub fix – Simplă și economică; limitat la dilatare termică scăzută.

Cap plutitor sau tub în U – Se potrivește expansiunii termice; curatare si intretinere mai usoara.

Standarde TEMA – Asociația producătorilor de schimbătoare tubulare (TEMA) standardizează STHE-urile în clase (R, C, B) pentru rafinărie, uz comercial și chimic.

De ce este cel mai utilizat?

1. Versatilitate
Schimbatoarele cu manta si tuburi pot suporta o gama larga de temperaturi (pana la 1000°C) si presiuni (pana la 500 bar). Sunt personalizabile pentru multe cerințe de proces, fluide și medii de instalare.

2. Durabilitate și fiabilitate
Construite cu materiale robuste, cum ar fi oțel inoxidabil, titan sau Inconel, aceste schimbătoare sunt potrivite pentru medii corozive și cu stres ridicat. Au o durată de viață lungă cu întreținere adecvată.

3. Scalabilitate
Sunt disponibile într-o gamă largă de dimensiuni - de la unități mici pentru laboratoare până la instalații industriale masive.

4. Ușurință de întreținere
Modelele precum modelele cu tub în U sau cu cap plutitor permit curățarea și înlocuirea tubului fără a demonta întregul sistem.

5. Eficienta termica
Cu un design adecvat (de exemplu, deflectoare, treceri multiple), STHE-urile pot realiza un transfer de căldură foarte eficient, în special în aranjamente în contracurent.

Aplicații comune

1. Industria petrolului și gazelor
Lubrifianți de răcire și fluide hidraulice

Recuperarea căldurii din gazele de ardere

Condensarea aburului și a vaporilor

2. Generare de energie
Încălzitoarele de apă de alimentare

Condensatoare de abur în centrale termice

3. Prelucrare chimică
Controlul temperaturii reactoarelor

Încălzirea și răcirea produsului

4. HVAC și Refrigerare
Sisteme de apă răcită

Condensatoare si evaporatoare

5. Marină și aerospațială
Sisteme de racire a motorului

Recuperarea căldurii reziduale

Materiale de Construcție
Alegerea materialului este critică și depinde de temperatură, presiune și rezistență la coroziune:

Oțel carbon – Obișnuit pentru aplicații cu costuri reduse.

Oțel inoxidabil – rezistență ridicată la coroziune.

Aliaje de cupru – Conductivitate termică excelentă.

Titan – Folosit pentru apa de mare sau fluide foarte corozive.

Aliaje de nichel (Inconel, Hastelloy) – Pentru medii extreme.