Czym są wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe?

Wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe są szeroko stosowane w inżynierii i stanowią jeden z dwóch najczęściej używanych typów wymienników ciepła; drugim popularnym typem jest wymiennik ciepła płytowy.

Wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe wyróżniają się prostą konstrukcją, solidnością oraz stosunkowo niskimi kosztami zakupu i eksploatacji. Charakteryzują się również wysoką efektywnością wymiany ciepła, choć wymagają więcej miejsca niż wymienniki płytowe o podobnej wydajności termicznej.

Wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe

Podoba Ci się ten artykuł? Koniecznie sprawdź nasz Wprowadzenie do wymienników ciepła - kurs wideo oraz Podstawy wymienników ciepła płytowych - kurs wideo. Każdy kurs zawiera quiz, podręcznik, a po ukończeniu kursu otrzymasz certyfikat. Miłej nauki!

Komponenty wymiennika ciepła płaszczowo-rurowego

Wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy składa się z zestawu rur umieszczonych w cylindrycznym zbiorniku zwanym ‘płaszczem’. Wszystkie rury wewnątrz płaszcza tworzą ‘wiązki rur’. Każda rura przechodzi przez szereg przegrod i płyt rurowych (znanych również jako ‘stosy rur’). Jedna z płyt rurowych jest zamocowana, a druga ruchoma, co pozwala na rozszerzanie termiczne podczas pracy wymiennika.

Komponenty wymiennika ciepła płaszczowo-rurowego

Medium przepływające wewnątrz rur jest określane jako ‘medium po stronie rur’, a medium przepływające na zewnątrz rur jako ‘medium po stronie płaszcza’. Każde medium ma jedno wejście i jedno wyjście.

Medium po stronie rur jest zazwyczaj wybierane dla cieczy o wysokim ciśnieniu, ponieważ każda rura może działać jako mały zbiornik ciśnieniowy; jest również bardziej ekonomiczne produkować rury o wysokiej odporności na ciśnienie niż płaszcz o takich samych właściwościach.

Przykład: Wymienniki ciepła

Wymiennik ciepła płaszczowy wykorzystuje wodę do chłodzenia oleju. Olej jest medium po stronie płaszcza, podczas gdy woda jest medium po stronie rur. Olej wchodzi przez górny lewy wlot i przepływa przez wymiennik, aż dotrze do dolnego prawego wylotu. Woda przepływa przez rury od prawego wlotu do lewego wylotu.

Wymiennik ciepła z jednym przejściem

Jak działają wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe?

Poniższe wideo jest fragmentem naszego kursu online o wymiennikach ciepła.

Wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy jest podzielony na dwa główne systemy, zwane stroną płaszcza i stroną rur. Każdy system ma przypisane jedno medium przepływające. W naszym przykładzie założymy, że po stronie płaszcza znajduje się gorący olej mineralny, który musi zostać schłodzony, podczas gdy po stronie rur znajduje się woda chłodząca.

Woda chłodząca wchodzi do wymiennika ciepła i przepływa przez rury. Olej mineralny wchodzi do wymiennika ciepła i przepływa w płaszczu otaczającym rury. Oba płyny nie mieszają się, ponieważ ściana rur temu zapobiega. Ponieważ płyny nie mieszają się bezpośrednio, dochodzi do pośredniego chłodzenia (nie bezpośredniego).

Przepływ turbulentny zwiększa wydajność wymiany ciepła w wymienniku i zmniejsza prawdopodobieństwo gromadzenia się rozpuszczonych ciał stałych na ścianach rur i płaszcza (przepływ turbulentny ma efekt samooczyszczania).

Przepływ turbulentny wewnątrz rur jest tworzony przez wstawienie wkładek rurowych (znanych również jako ‘turbulatory’) do każdej z rur. Przepływ turbulentny wewnątrz płaszcza jest tworzony przez przegrody, które kierują wodę przez rury wielokrotnie podczas przepływu przez wymiennik.

Wkładki rurowe (czarna linia w środku rury)

Ciepło jest wymieniane między dwoma płynami, ponieważ są one w kontakcie termicznym ze sobą. Olej opuszcza wymiennik ciepła chłodniejszy, a woda cieplejsza.

Przepływ równoległy, przeciwprądowy i krzyżowy

Przepływ równoległy, przeciwprądowy i krzyżowy

Wymienniki ciepła są dostępne w wielu kształtach i rozmiarach. Aby ułatwić klasyfikację wymienników, często dzieli się je na grupy w oparciu o konstrukcję i charakterystyki eksploatacyjne. Jedną z takich cech jest rodzaj przepływu.

Istnieją trzy główne rodzaje przepływu: przepływ równoległy, przeciwprądowy i krzyżowy. Ze względu na konstrukcję i zastosowania wymienników, rzadko zdarza się, aby wymiennik był tylko jednym z tych rodzajów przepływu; zazwyczaj są one kombinacją kilku rodzajów, np. przepływ przeciwprądowo-krzyżowy.

Przepływ równoległy

Przepływ równoległy występuje, gdy zarówno medium po stronie płaszcza, jak i medium po stronie rur wchodzą do wymiennika z tego samego końca i przepływają do przeciwnego końca. Zmiana temperatury (delta T/ΔT) w obu mediach jest równa, tj. oba zwiększają się lub zmniejszają o określoną ilość. Zauważ, że temperatura wyjściowa dla obu mediów ma tendencję do zbieżności i nie jest możliwe schłodzenie poniżej tego punktu, nawet jeśli temperatura wlotowa chłodniejszego płynu jest niższa niż temperatura zbieżności (temperatura zbieżności na poniższym wykresie wynosi około 80°C).

Wymiennik ciepła z przepływem równoległym

Przepływ przeciwprądowy

Przepływ przeciwprądowy (znany również jako przepływ kontrprądowy) w wymiennikach ciepła występuje, gdy dwa media przepływają w przeciwnych kierunkach (180° względem siebie). Każde medium wchodzi do wymiennika na przeciwnych końcach i jest odprowadzane na przeciwnych końcach. Ponieważ chłodniejsze medium opuszcza wymiennik na końcu, gdzie gorące medium wchodzi, chłodniejsze medium zbliża się do temperatury wlotowej gorącego medium; to sprawia, że potencjalna delta T jest znacznie większa niż w przypadku przepływu równoległego. Wymienniki ciepła z przepływem przeciwprądowym są najwydajniejszym typem wymienników.

Wymiennik ciepła z przepływem przeciwprądowym

Przepływ krzyżowy

Przepływ krzyżowy w wymiennikach ciepła występuje, gdy jedno medium przepływa prostopadle (pod kątem 90°) do drugiego. Wymienniki z przepływem krzyżowym są zazwyczaj stosowane w aplikacjach, gdzie jedno z płynów zmienia stan (przepływ dwufazowy). Na przykład, w kondensatorze systemu parowego, gdzie para wychodząca z turbiny wchodzi do kondensatora po stronie płaszcza, a chłodna woda przepływająca w rurach absorbuje ciepło z pary, kondensując ją w wodę. Duże ilości pary mogą być skondensowane przy użyciu tego typu przepływu w wymienniku.

Wymiennik ciepła z przepływem krzyżowym

Pojedyncze i wielokrotne przejścia

Ekonomiczny i efektywny sposób zwiększenia wydajności wymiennika polega na wielokrotnym kontakcie przepływających mediów ze sobą. Za każdym razem, gdy jedno medium przepływa nad drugim, następuje wymiana ciepła.

Kiedy jedno medium przepływające przechodzi nad drugim tylko raz, jest to określane jako ‘pojedyncze przejście’ w wymienniku.

Projekt wymiennika ciepła z pojedynczym przejściem

Kiedy jedno medium przepływające przechodzi nad drugim więcej niż raz, jest to określane jako ‘wielokrotne przejście’ w wymienniku.

Projekt wymiennika ciepła z wielokrotnym przejściem

Wielokrotne przejścia w rurach

Zazwyczaj wymiennik z wielokrotnym przejściem odwraca przepływ w rurach za pomocą jednego lub więcej zestawów "U" zagięć w rurach. "U" zagięcia pozwalają płynowi przepływać tam i z powrotem przez długość wymiennika. Ten typ wymiennika jest znany jako wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy z rurami U.

Wymiennik ciepła w kształcie U

Możliwe jest również odwrócenie przepływu przez rury, używając dolnej lub górnej strony wiązki rur do jednego przejścia, a przeciwnej strony do następnego przejścia. W ten sposób każda połowa wiązki rur odpowiada jednemu przejściu.

Wielokrotne przejścia w płaszczu

Drugą metodą osiągnięcia wielokrotnych przejść jest wstawienie przegród po stronie płaszcza wymiennika. Przegrody te kierują płyn po stronie płaszcza tam i z powrotem przez rury, aby osiągnąć efekt wielokrotnego przejścia.

Wymiennik ciepła z wielokrotnym przejściem

Zalety i wady wymienników ciepła płaszczowo-rurowych

Zalety

• Tańsze w porównaniu do wymienników płytowych.
• Stosunkowo prosta konstrukcja i łatwe w utrzymaniu.
• Odpowiednie do wyższych ciśnień i temperatur w porównaniu do wymienników płytowych.
• Spadek ciśnienia (delta P/ΔP) jest mniejszy niż w wymienniku płytowym.
• Łatwe do zlokalizowania i izolowania przeciekających rur.
• Rury mogą być ‘podwójnie ścienne’, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo wycieku płynu po stronie płaszcza do płynu po stronie rur (lub odwrotnie).
• Łatwe do zainstalowania anody ofiarne.
• Nie zanieczyszczają się tak łatwo jak wymienniki płytowe.

Wady

• Mniej wydajne niż wymienniki płytowe.
• Wymagają więcej miejsca do otwarcia i usunięcia rur.
• Nie można zwiększyć pojemności chłodzenia, ale w wymienniku płytowym można.

Części wymiennika ciepła płaszczowo-rurowego

Płyta przegrody

Płyta przegrody oddziela dolną i górną połowę wymiennika. Przegroda kieruje przepływające medium przez rury. Wlot / Wylot Wlot lub wylot medium przepływającego przez rury lub płaszcz wymiennika.

Obudowa/Płaszcz

Obudowa/płaszcz służy do zawierania przepływającego medium i umieszczania wewnętrznych części. Służy również jako mocna konstrukcja, do której można przymocować inne elementy. Płyta pokrywy Płyta pokrywy służy do uszczelnienia jednego końca płaszcza i zapobiegania wyciekom.

Uszczelka

Uszczelka jest umieszczona pomiędzy dwoma metalowymi powierzchniami. Uszczelka jest zazwyczaj wykonana z papieru lub gumy i jest ‘ściśnięta’ pomiędzy metalami, aby stworzyć uszczelnienie. Uszczelnienie zapobiega wyciekom.

Kształt uszczelki również zapobiega wyciekom wokół płyty przegrody.

Płyta rurowa stacjonarna

Płyta rurowa znajduje się wewnątrz płaszcza i wspiera końce rur. Ciężar rur jest następnie dodatkowo wspierany przez przegrody (w zależności od konstrukcji).

Przegrody

Przegrody są używane do zmiany kierunku przepływu medium. Zmiana kierunku zapewnia równomierne rozprowadzenie ciepła w całym wymienniku. Wydajność spada, gdy przepływ przez wymiennik nie jest równomiernie rozłożony.

Śruba

Śruby i nakrętki są używane do mocowania części wymiennika. Wybrane śruby powinny mieć odpowiednią wytrzymałość na rozciąganie i odporność na korozję. Śruby są ‘męską’ częścią zestawu śrub i nakrętek.

Nakrętka

Śruby i nakrętki są używane do mocowania części wymiennika. Wybrane nakrętki powinny mieć odpowiednią wytrzymałość na rozciąganie i odporność na korozję.

Nakrętki są ‘żeńską’ częścią zestawu śrub i nakrętek.

Pręty wiążące

Pręty wiążące są używane jako prowadnice dla przegród, aby zapewnić brak ruchu obrotowego lub osiowego przegród.

Rury

Jedno z mediów przepływa bezpośrednio przez rury, podczas gdy drugie przepływa turbulentnie na zewnątrz. Ciepło jest wymieniane między dwoma mediami ze względu na bliskość (ciepło jest wymieniane przez przewodzenie do ścianek rur, a następnie dalej do medium zewnętrznego).

Płaszcz

Rury, przegrody i pręty wiążące są umieszczone wewnątrz płaszcza (obudowy). To konstrukcja płaszczowo-rurowa nadaje temu typowi wymiennika jego nazwę.

Dodatkowe zasoby

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