Cosa sono gli scambiatori di calore a fascio tubiero?
Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono ampiamente utilizzati nel settore dell'ingegneria e rappresentano uno dei due tipi più comuni di scambiatori di calore; l'altro tipo comune è lo scambiatore di calore a piastre.
Gli scambiatori di calore a fascio tubiero si distinguono per il loro design semplice, struttura robusta e costi di acquisto e manutenzione relativamente contenuti. Offrono un elevato tasso di trasferimento di calore sebbene richiedano più spazio rispetto a uno scambiatore di calore a piastre di capacità termica simile.
Scambiatori di Calore a Fascio Tubiero
Ti sta piacendo questo articolo? Allora assicurati di dare un'occhiata al nostro Corso Video di Introduzione agli Scambiatori di Calore e al Corso Video sui Fondamenti degli Scambiatori di Calore a Piastre. Ogni corso include un quiz, un manuale e riceverai un certificato al termine del corso. Buon divertimento!
Componenti dello Scambiatore di Calore a Fascio Tubiero
Uno scambiatore di calore a fascio tubiero è costituito da una serie di tubi alloggiati all'interno di un contenitore cilindrico noto come 'guscio'. Tutti i tubi all'interno del guscio sono collettivamente definiti 'fascio di tubi' o 'nido di tubi'. Ogni tubo attraversa una serie di deflettori e piastre tubiere (note anche come 'pacchi tubieri'). Una delle piastre tubiere è fissa e una è libera di muoversi, consentendo l'espansione termica quando lo scambiatore di calore viene riscaldato.
Componenti dello Scambiatore di Calore a Fascio Tubiero
Il fluido che scorre all'interno dei tubi è noto come fluido 'lato tubo'. Il fluido che scorre all'esterno dei tubi è noto come fluido 'lato guscio'. Ogni fluido ha un ingresso e uno scarico.
Il fluido lato tubo è solitamente selezionato per il fluido ad alta pressione poiché ogni tubo può agire come un piccolo recipiente a pressione; è anche più conveniente produrre tubi con una valutazione di alta pressione rispetto a un guscio con una valutazione di alta pressione.
Esempio: Scambiatori di Calore
Uno scambiatore di calore a guscio utilizza l'acqua per raffreddare l'olio. L'olio è il fluido lato guscio mentre l'acqua è il fluido lato tubo. L'olio entra attraverso l'ingresso in alto a sinistra e scorre attraverso lo scambiatore di calore fino a raggiungere lo scarico in basso a destra. L'acqua scorre attraverso i tubi dall'ingresso a destra allo scarico a sinistra.
Scambiatore di Calore a Passaggio Singolo
Come funzionano gli scambiatori di calore a fascio tubiero?
Il video qui sotto è un estratto dal nostro Corso Video Online sugli Scambiatori di Calore.
Lo scambiatore di calore a fascio tubiero è diviso in due sistemi principali, denominati lato guscio e lato tubo. Ogni sistema ha un fluido associato. Nel nostro esempio, supponiamo che il lato guscio contenga olio minerale caldo che deve essere raffreddato, mentre il lato tubo contiene acqua di raffreddamento.
L'acqua di raffreddamento entra nello scambiatore di calore e scorre attraverso i tubi. L'olio minerale entra nello scambiatore di calore e scorre nel guscio che circonda i tubi. I due fluidi non si mescolano poiché la parete dei tubi lo impedisce. Poiché i fluidi non si mescolano direttamente, si verifica un raffreddamento indiretto (non un raffreddamento diretto).
Il flusso turbolento aumenta il tasso di trasferimento di calore dello scambiatore di calore e riduce anche la probabilità che solidi disciolti si accumulino sulle pareti dei tubi e del guscio (il flusso turbolento ha un effetto autopulente).
Il flusso turbolento all'interno dei tubi è creato inserendo inserti per tubi (noti anche come 'turbulatori') in ciascuno dei tubi. Il flusso turbolento all'interno del guscio è creato dai deflettori, che sono utilizzati per dirigere l'acqua attraverso i tubi più volte mentre viaggia attraverso lo scambiatore di calore.
.png)
Inserti per Tubi (linea nera al centro del tubo)
Il calore viene scambiato tra i due fluidi perché sono in contatto termico tra loro. L'olio lascia lo scambiatore di calore più freddo e l'acqua lascia lo scambiatore di calore più calda.
Flusso Parallelo, Contro e Incrociato
Flusso Parallelo, Contro e Incrociato
Gli scambiatori di calore sono disponibili in molte forme e dimensioni. Per facilitare la classificazione degli scambiatori di calore, vengono spesso suddivisi in gruppi basati su design e caratteristiche operative. Una di queste caratteristiche è il tipo di flusso.
Ci sono tre tipi principali di flusso, questi sono parallelo, contro e incrociato. A causa delle considerazioni di design e delle applicazioni degli scambiatori di calore, è raro che uno scambiatore di calore sia solo uno di questi tipi di flusso, di solito sono una combinazione di diversi tipi di flusso, ad esempio flusso incrociato contro.
Flusso Parallelo
Il flusso parallelo si verifica quando sia il fluido lato guscio che il fluido lato tubo entrano nello scambiatore di calore dallo stesso lato dello scambiatore di calore e fluiscono verso l'estremità opposta dello scambiatore di calore. La variazione di temperatura (delta T/ΔT) tra i due fluidi è uguale per entrambi, cioè entrambi aumentano o diminuiscono di una certa quantità. Si noti che la temperatura di uscita per entrambi i fluidi tende a convergere e non è possibile raffreddare al di sotto di questo punto anche se la temperatura di ingresso del fluido più freddo è inferiore alla temperatura di convergenza (la temperatura di convergenza nel grafico sottostante è di circa 80°C).
Scambiatore di Calore a Flusso Parallelo
Flusso Contro
Il flusso contro (noto anche come controflusso) negli scambiatori di calore ha due fluidi che scorrono in direzione opposta (180° l'uno dall'altro). Ogni fluido entra nello scambiatore di calore alle estremità opposte e viene scaricato alle estremità opposte. Poiché il fluido più freddo esce dallo scambiatore di calore a controflusso all'estremità in cui il fluido caldo entra nello scambiatore di calore, il fluido più freddo si avvicinerà alla temperatura di ingresso del fluido caldo; questo rende il delta T potenziale molto maggiore rispetto a quello di uno scambiatore di calore a flusso parallelo. Gli scambiatori di calore a controflusso sono il tipo di scambiatore di calore più efficiente.
Scambiatore di Calore a Flusso Contro
Flusso Incrociato
Il flusso incrociato negli scambiatori di calore ha un fluido che scorre perpendicolarmente (a 90°) rispetto all'altro. Gli scambiatori di calore a flusso incrociato si trovano solitamente in applicazioni in cui uno dei fluidi cambia stato (flusso a 2 fasi). Ad esempio, un condensatore di un sistema a vapore, in cui il vapore che esce dalla turbina entra nel lato guscio del condensatore e l'acqua fredda che scorre nei tubi assorbe il calore dal vapore, condensandolo in acqua. Grandi volumi di vapore possono essere condensati utilizzando questo tipo di flusso dello scambiatore di calore.
Scambiatore di Calore a Flusso Incrociato
Passaggio Singolo e Multiplo
Un modo economico ed efficiente per aumentare l'efficienza di uno scambiatore di calore è portare i fluidi in contatto tra loro più volte. Ogni volta che un fluido passa sopra l'altro, il calore viene scambiato.
Quando un fluido passa sopra l'altro solo una volta, si parla di scambiatore di calore a 'passaggio singolo'.
Design di Scambiatore di Calore a Passaggio Singolo
Quando un fluido passa sopra l'altro più di una volta, si parla di scambiatore di calore a 'passaggio multiplo'.
Design di Scambiatore di Calore a Passaggio Multiplo
Passaggio Multiplo nei Tubi
Comunemente, lo scambiatore di calore a passaggio multiplo inverte il flusso nei tubi utilizzando uno o più set di curve a "U" nei tubi. Le curve a "U" consentono al fluido di scorrere avanti e indietro lungo la lunghezza dello scambiatore di calore. Questo tipo di scambiatore di calore è noto come scambiatore di calore a fascio tubiero a U.
Scambiatore di Calore a Forma di U
È anche possibile invertire il flusso attraverso i tubi utilizzando il lato inferiore o superiore del fascio di tubi per un passaggio e il lato opposto per il passaggio successivo. Pertanto, ogni metà di un fascio di tubi equivale a un passaggio.
Passaggio Multiplo nel Guscio
Un secondo metodo per ottenere passaggi multipli è inserire deflettori sul lato guscio dello scambiatore di calore. Questi dirigono il fluido lato guscio avanti e indietro attraverso i tubi per ottenere l'effetto di passaggio multiplo.
Scambiatore di Calore a Passaggio Multiplo
Vantaggi e Svantaggi degli Scambiatori di Calore a Fascio Tubiero
Vantaggi
- Economici rispetto agli scambiatori di calore a piastre.
- Design relativamente semplice e facile da mantenere.
- Adatti a pressioni e temperature più elevate rispetto agli scambiatori di calore a piastre.
- La caduta di pressione (delta P/ΔP) è inferiore a quella di uno scambiatore di calore a piastre.
- Facili da trovare e isolare i tubi che perdono.
- I tubi possono essere 'a doppia parete' per ridurre la probabilità che il fluido lato guscio perda nel fluido lato tubo (o viceversa).
- Facili da installare anodi sacrificali.
- Non si sporcano facilmente come gli scambiatori di calore a piastre.
Svantaggi
- Meno efficienti degli scambiatori di calore a piastre.
- Richiedono più spazio per aprire e rimuovere i tubi.
- La capacità di raffreddamento non può essere aumentata, ma quella di uno scambiatore di calore a piastre può esserlo.
Parti dello Scambiatore di Calore a Fascio Tubiero
Piastra di Partizione
La piastra di partizione separa le metà inferiore e superiore dello scambiatore di calore. La partizione devia il fluido che scorre attraverso i tubi. Ingresso / Scarico Ingresso o scarico del fluido che scorre attraverso i tubi o il guscio dello scambiatore di calore.
Alloggiamento/Guscio
L'alloggiamento/guscio è utilizzato per contenere il fluido che scorre e ospitare le parti interne. Serve anche come pezzo strutturale robusto su cui possono essere attaccati altri pezzi. Piastra di Copertura La piastra di copertura è utilizzata per sigillare un'estremità del guscio e prevenire perdite.
Guarnizione
Una guarnizione è posta tra due superfici metalliche. La guarnizione è solitamente costruita in carta o gomma e viene 'compressa' tra i metalli per creare una tenuta. La tenuta previene le perdite.
La forma della guarnizione previene anche le perdite attorno alla piastra di partizione.
Piastra Tubiera Fissa
La piastra tubiera si trova all'interno del guscio e supporta le estremità dei tubi. Il peso dei tubi è ulteriormente supportato dai deflettori (a seconda del design).
Deflettori
I deflettori sono utilizzati per cambiare la direzione del flusso del fluido. Cambiare la direzione assicura una distribuzione uniforme del calore in tutto lo scambiatore di calore. L'efficienza diminuisce quando il flusso attraverso lo scambiatore di calore non è distribuito uniformemente.
Bullone
Dadi e bulloni sono utilizzati per fissare le parti dello scambiatore di calore. I bulloni scelti dovrebbero avere caratteristiche di resistenza alla trazione e alla corrosione adeguate. I bulloni sono la parte 'maschile' di un assemblaggio di dado e bullone.
Dado
Dadi e bulloni sono utilizzati per fissare le parti dello scambiatore di calore. I dadi scelti dovrebbero avere caratteristiche di resistenza alla trazione e alla corrosione adeguate.
I dadi sono la parte 'femminile' di un assemblaggio di dado e bullone.
Barre di Collegamento
Le barre di collegamento sono utilizzate come guide per i deflettori per garantire che non si verifichi movimento rotazionale o assiale dei deflettori.
Tubi
Uno dei fluidi scorre direttamente attraverso i tubi mentre l'altro scorre turbolentemente all'esterno. Il calore viene scambiato tra i due fluidi grazie alla prossimità (il calore viene scambiato tramite conduzione alle pareti dei tubi e poi ulteriormente al fluido esterno).
Guscio
I tubi, i deflettori e le barre di collegamento sono tutti alloggiati all'interno del guscio (alloggiamento). È la struttura a guscio e tubo che dà il nome a questo tipo di scambiatore di calore.
Corsi di Ingegneria Online Correlati
Fondamenti degli Scambiatori di Calore a Piastre
Introduzione agli Scambiatori di Calore
Come Funzionano gli Scambiatori di Calore a Piastre
Risorse Aggiuntive
http://www.mcraeeng.com/how-shell-and-tube-heat-exchangers-work/page-2/blog.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger
https://www.explainthatstuff.com/how-heat-exchangers-work.html