Wat zijn mantel- en buiswarmtewisselaars?

Mantel- en buiswarmtewisselaars zijn veelvoorkomende apparaten in de technische sector en behoren tot de twee meest gebruikte typen warmtewisselaars; het andere veelvoorkomende type is de plaatwarmtewisselaar.

Mantel- en buiswarmtewisselaars hebben een eenvoudig ontwerp, robuuste eigenschappen en relatief lage aanschaf- en onderhoudskosten. Ze bieden ook een zeer hoge warmteoverdrachtsnelheid, hoewel ze meer ruimte innemen dan een plaatwarmtewisselaar met vergelijkbare thermische capaciteit.

Mantel- en Buiswarmtewisselaars

Geniet je van dit artikel? Bekijk dan zeker onze Introductie tot Warmtewisselaars Videocursus en Plaatwarmtewisselaar Grondbeginselen Videocursus. Elke cursus bevat een quiz, handboek, en je ontvangt een certificaat na voltooiing van de cursus. Veel plezier!

Onderdelen van de Mantel- en Buiswarmtewisselaar

Een mantel- en buiswarmtewisselaar bestaat uit een reeks buizen die zijn ondergebracht in een cilindrische container die bekend staat als een ‘mantel’. Alle buizen binnen de mantel worden gezamenlijk een ‘buizenbundel’ of 'buizennest' genoemd. Elke buis passeert een reeks schotten en buizenplaten (ook wel ‘buizenstapels’ genoemd). Een van de buizenplaten is vast en een is vrij om te bewegen, dit maakt thermische uitzetting mogelijk wanneer de warmtewisselaar wordt verwarmd.

Onderdelen van de Mantel- en Buiswarmtewisselaar

Het stromende medium binnen de buizen staat bekend als het ‘buiskant’ medium. Het stromende medium buiten de buizen staat bekend als het ‘mantelkant’ medium. Elk medium heeft één inlaat en één afvoer.

Het buiskant medium wordt meestal gekozen voor de hoge druk vloeistof, omdat elke buis kan fungeren als een kleine drukvat; het is ook kosteneffectiever om buizen met hoge druk te produceren dan een mantel met hoge druk.

Voorbeeld: Warmtewisselaars

Een mantelwarmtewisselaar gebruikt water om olie te koelen. Olie is het mantelkant medium terwijl water het buiskant medium is. De olie komt binnen via de bovenste linker inlaat en stroomt door de warmtewisselaar totdat het de onderste rechter afvoer bereikt. Water stroomt door de buizen van de rechter inlaat naar de linker afvoer.

Enkelvoudige Doorstroom Warmtewisselaar

Hoe werken mantel- en buiswarmtewisselaars?

De onderstaande video is een fragment uit onze Warmtewisselaars Online Videocursus.

De mantel- en buiswarmtewisselaar is opgesplitst in twee hoofdsystemen, aangeduid als de mantelkant en buiskant. Elk systeem heeft één bijbehorend stromend medium. In ons voorbeeld gaan we ervan uit dat de mantelkant hete minerale olie bevat die moet worden gekoeld, terwijl de buiskant koelwater bevat.

Het koelwater komt de warmtewisselaar binnen en stroomt door de buizen. De minerale olie komt de warmtewisselaar binnen en stroomt in de mantel rondom de buizen. De twee vloeistoffen mengen niet omdat de wand van de buizen dit voorkomt. Omdat de vloeistoffen niet direct mengen, vindt er indirecte koeling plaats (geen directe koeling).

Turbulente stroming verhoogt de warmteoverdrachtsnelheid van de warmtewisselaar en vermindert ook de kans op opgeloste vaste stoffen die zich ophopen op de buis- en mantelwanden (turbulente stroming heeft een zelfreinigend effect).

Turbulente stroming binnen de buizen wordt gecreëerd door buizinserts (ook wel 'turbulators' genoemd) in elke buis te plaatsen. Turbulente stroming binnen de mantel wordt gecreëerd door schotten, die worden gebruikt om het water meerdere keren over de buizen te leiden terwijl het door de warmtewisselaar stroomt.

Buizinserts (zwarte lijn in midden van buis)

Warmte wordt uitgewisseld tussen de twee vloeistoffen omdat ze in thermisch contact met elkaar staan. De olie verlaat de warmtewisselaar koeler en het water verlaat de warmtewisselaar warmer.

Parallelle, Tegenstroom en Kruisstroom

Parallelle, Tegenstroom en Kruisstroom

Warmtewisselaars zijn verkrijgbaar in vele vormen en maten. Om de classificatie van warmtewisselaars te vergemakkelijken, worden ze vaak in groepen verdeeld op basis van ontwerp- en operationele kenmerken. Een van die kenmerken is het stroomtype.

Er zijn drie hoofdtypen stroming, namelijk parallel, tegenstroom en kruisstroom. Vanwege ontwerpoverwegingen en de toepassingen van warmtewisselaars, is het zeldzaam dat een warmtewisselaar slechts een van deze stroomtypen is, meestal zijn ze een combinatie van verschillende stroomtypen, bijvoorbeeld tegenstroom-kruisstroom.

Parallelle Stroom

Parallelle stroom treedt op wanneer zowel de mantelkant als de buiskant media de warmtewisselaar binnenkomen vanaf dezelfde kant van de warmtewisselaar en naar de tegenovergestelde kant van de warmtewisselaar stromen. De temperatuurverandering (delta T/ΔT) over de twee media is gelijk voor beide, d.w.z. ze nemen beide toe of af met een bepaalde hoeveelheid. Merk op dat de uitgangstemperatuur voor beide media de neiging heeft om te convergeren en het niet mogelijk is om onder dit punt te koelen, zelfs als de koudere vloeistofinlaattemperatuur lager is dan de convergentietemperatuur (de convergentietemperatuur op de grafiek hieronder is ongeveer 80°C).

Parallelle Stroom Warmtewisselaar

Tegenstroom

Tegenstroom (ook bekend als contra-stroom) warmtewisselaars hebben twee stromende media die in een tegenovergestelde richting (180° uit elkaar) stromen. Elk stromend medium komt de warmtewisselaar binnen aan tegenovergestelde uiteinden en wordt aan tegenovergestelde uiteinden afgevoerd. Omdat het koelere medium de tegenstroom warmtewisselaar verlaat aan het uiteinde waar het hete medium de warmtewisselaar binnenkomt, zal het koelere medium de inlaattemperatuur van het hete medium benaderen; dit maakt de potentiële delta T veel groter dan die van een parallelle stroom warmtewisselaar. Tegenstroom warmtewisselaars zijn het meest efficiënte type warmtewisselaar.

Tegenstroom Warmtewisselaar

Kruisstroom

Kruisstroom warmtewisselaars hebben één medium dat loodrecht (op 90°) over het andere stroomt. Kruisstroom warmtewisselaars worden meestal gevonden in toepassingen waar een van de vloeistoffen van toestand verandert (2-fase stroming). Bijvoorbeeld een condensor van een stoomsysteem, waarin de stoom die de turbine verlaat de condensor mantelkant binnenkomt, en het koele water dat door de buizen stroomt de warmte van de stoom absorbeert, waardoor het in water condenseert. Grote hoeveelheden damp kunnen worden gecondenseerd met dit type warmtewisselaarstroming.

Kruisstroom Warmtewisselaar

Enkelvoudige en Meervoudige Doorstroom

Een economische en efficiënte manier om de efficiëntie van een warmtewisselaar te verhogen, is door de stromende media meerdere keren met elkaar in contact te brengen. Elke keer dat één medium over het andere stroomt, wordt warmte uitgewisseld.

Wanneer één stromend medium slechts één keer over het andere stroomt, wordt dit een ‘enkelvoudige doorstroom’ warmtewisselaar genoemd.

Enkelvoudige Doorstroom Warmtewisselaar Ontwerp

Wanneer één stromend medium meer dan één keer over het andere stroomt, wordt dit een ‘meervoudige doorstroom’ warmtewisselaar genoemd.

Meervoudige Doorstroom Warmtewisselaar Ontwerp

Meervoudige Doorstroom In De Buizen

Gewoonlijk keert de meervoudige doorstroom warmtewisselaar de stroming in de buizen om door gebruik te maken van een of meer sets "U" bochten in de buizen. De "U" bochten maken het mogelijk dat de vloeistof heen en weer stroomt over de lengte van de warmtewisselaar. Dit type warmtewisselaar staat bekend als een U-buis mantel- en buiswarmtewisselaar.

U-Vorm Warmtewisselaar

Het is ook mogelijk om de stroming door de buizen om te keren door de onderste of bovenste zijde van de buizenbundel voor één doorstroom te gebruiken, en de tegenovergestelde zijde voor de volgende doorstroom. Zo komt elke helft van een buizenbundel overeen met één doorstroom.

Meervoudige Doorstroom In De Mantel

Een tweede methode om meerdere doorstromen te bereiken is door schotten in de mantelkant van de warmtewisselaar te plaatsen. Deze leiden de mantelkant vloeistof heen en weer over de buizen om het meervoudige doorstroom effect te bereiken.

Meervoudige Doorstroom Warmtewisselaar

Voordelen en Nadelen van Mantel- en Buiswarmtewisselaars

Voordelen

• Goedkoop vergeleken met plaatwarmtewisselaars.
• Relatief eenvoudig ontwerp en gemakkelijk te onderhouden.
• Geschikt voor hogere drukken en temperaturen vergeleken met plaatwarmtewisselaars.
• Drukval (delta P/ΔP) is minder dan bij een plaatwarmtewisselaar.
• Gemakkelijk lekkende buizen te vinden en te isoleren.
• Buizen kunnen 'dubbelwandig' zijn om de kans te verkleinen dat de mantelkant vloeistof in de buiskant vloeistof lekt (of omgekeerd).
• Gemakkelijk opofferingsanodes te installeren.
• Vervuilen niet zo snel als plaatwarmtewisselaars.

Nadelen

• Minder efficiënt dan plaatwarmtewisselaars.
• Vereisen meer ruimte om te openen en buizen te verwijderen.
• Koelcapaciteit kan niet worden verhoogd, maar die van een plaatwarmtewisselaar wel.

Onderdelen van de Mantel- en Buiswarmtewisselaar

Scheidingsplaat

De scheidingsplaat scheidt de onderste en bovenste helften van de warmtewisselaar. De scheiding leidt het stromende medium door de buizen. Inlaat / Afvoer Inlaat of afvoer van het vloeibare medium dat door de buizen of mantel van de warmtewisselaar stroomt.

Behuizing/Mantel

De behuizing/mantel wordt gebruikt om het stromende medium te bevatten en interne onderdelen te huisvesten. Het dient ook als een sterk structureel stuk waaraan andere onderdelen kunnen worden bevestigd. Afdekplaat De afdekplaat wordt gebruikt om één uiteinde van de mantel af te sluiten en lekkage te voorkomen.

Pakking

Een pakking wordt geplaatst tussen twee metalen oppervlakken. De pakking is meestal gemaakt van papier of rubber en wordt ‘geknepen’ tussen de metalen om een afdichting te creëren. De afdichting voorkomt lekkage.

De vorm van de pakking voorkomt ook lekkage rond de scheidingsplaat.

Stationaire Buizenplaat

De buizenplaat zit binnen de mantel en ondersteunt de uiteinden van de buizen. Het gewicht van de buizen wordt vervolgens verder ondersteund door de schotten (afhankelijk van het ontwerp).

Schotten

Schotten worden gebruikt om de richting van de stroming van het vloeibare medium te veranderen. Het veranderen van de richting zorgt voor een gelijkmatige warmteverdeling door de warmtewisselaar. De efficiëntie neemt af wanneer de stroming door de warmtewisselaar niet gelijkmatig is verdeeld.

Bout

Moeren en bouten worden gebruikt voor het bevestigen van onderdelen van de warmtewisselaar. Gekozen bouten moeten geschikte treksterkte en corrosiebestendigheidseigenschappen hebben. Bouten zijn het ‘mannelijke’ deel van een moer-en-bout assemblage.

Moer

Moeren en bouten worden gebruikt voor het bevestigen van onderdelen van de warmtewisselaar. Gekozen moeren moeten geschikte treksterkte en corrosiebestendigheidseigenschappen hebben.

Moeren zijn het ‘vrouwelijke’ deel van een moer-en-bout assemblage.

Trekstangen

Trekstangen worden gebruikt als geleiders voor de schotten om ervoor te zorgen dat er geen rotatie of axiale beweging van de schotten optreedt.

Buizen

Een van de vloeibare media stroomt direct door de buizen terwijl de andere turbulent aan de buitenkant stroomt. Warmte wordt uitgewisseld tussen de twee media door nabijheid (warmte wordt uitgewisseld via geleiding naar de buiswanden en vervolgens verder naar het buitenmedium).

Mantel

De buizen, schotten en trekstangen zijn allemaal gehuisvest binnen de mantel (behuizing). Het is de mantel- en buisconstructie die dit type warmtewisselaar zijn naam geeft.

Gerelateerde Online Technische Cursussen

Plaatwarmtewisselaar Grondbeginselen

Introductie tot Warmtewisselaars

Hoe Plaatwarmtewisselaars Werken

Aanvullende Bronnen

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