Schimbător de căldură cu coajă și tub

Un schimbător de căldură de tip coajă sau tub sau un schimbător de căldură cu tuburi și calandrie ( schimbător de căldură în limba engleză cu coajă și tub ) este un tip de schimbător de căldură . Acest tip de schimbător de căldură constă dintr-o carcasă (sau carcasă, un vas de presiune mare) care cuprinde un pachet de tuburi. Un fluid se deplasează prin tuburi, în timp ce altul curge peste tuburi și prin carcasă, astfel încât să transfere căldura între cele două fluide. Pachetul de tuburi poate fi alcătuit din mai multe tipuri de tuburi: simple, cu aripioare , longitudinale  etc.

Această clasă de schimbătoare este potrivită în special pentru aplicații de înaltă presiune și este cea mai frecventă în rafinăriile de petrol și alte procese chimice mari.

Teorie și aplicație

Două fluide, cu temperaturi de pornire diferite, trec prin schimbătorul de căldură. Una circulă prin tuburi (partea tubului) și cealaltă în afara tuburilor, dar în interiorul carcasei (partea carcasei). Căldura este transferată de la un fluid la altul prin pereții tubului, de la tub la coajă sau invers. Lichidele pot fi lichide sau gaze , pe partea corpului sau a tubului. Pentru a transfera eficient căldura, este necesar să se utilizeze o suprafață mare de transfer de căldură , ceea ce duce la utilizarea multor tuburi. În acest fel, căldura uzată poate fi refolosită. Este un mod eficient de a economisi energie.

Schimbătoarele de căldură monofazate (lichide sau gaz) de pe fiecare parte pot fi denumite schimbătoare de căldură monofazate. Schimbătoarele de căldură cu două faze pot fi utilizate pentru a încălzi un lichid pentru a-l fierbe într-un gaz (vapori), uneori numit cazan , sau pentru a răci un vapor pentru a-l condensa într-un lichid (numit condensator ), schimbarea fazei durează loc.producând în general latura corpului. Cazanele cu locomotive cu aburi sunt de obicei schimbătoare de căldură mari, cilindrice, cu coajă și tuburi. În centralele electrice mari echipate cu turbine cu abur , condensatoarele de suprafață și tuburi sunt utilizate pentru condensarea aburului de evacuare, lăsând turbina în apă condensată, care este reciclată pentru a fi transformată în abur în generatorul de abur.

Proiectarea schimbătorului de căldură cu coajă și tub

Poate exista o mulțime de variații în proiectarea carcasei și a tubului. De obicei, capetele fiecărui tub sunt conectate la camera de distribuire (numite uneori cutii de apă ) prin găuri în foi de tuburi ( tubesheets ). Tuburile pot fi drepte sau curbate în formă de U, numite tuburi U.

Schimbător de căldură cu tub U.PNG

În centralele nucleare, numite reactoare cu apă sub presiune , schimbătoarele de căldură mari, numite generatoare de abur , sunt schimbătoare de căldură cu două faze, care prezintă de obicei tuburi U. Sunt utilizate pentru a fierbe gazul. Apa reciclată dintr-un abur de suprafață condensator pentru a opera o turbină pentru a produce energie. Majoritatea schimbătoarelor de căldură de tip coajă și tub sunt proiectate în 1, 2 sau 4 treceri pe partea tubului. Aceasta se referă la numărul de ori în care fluidul din tuburi trece prin fluidul din carcasă. Într-un schimbător de căldură cu o singură trecere, fluidul trece printr-un capăt al fiecărui tub și pe celălalt.

Schimbător de căldură cu tub drept 1 pas.PNG

Condensatoarele de suprafață din centralele electrice sunt adesea schimbătoare de căldură cu tub drept într-o singură trecere (a se vedea condensatorul de suprafață pentru diagramă). Modelele cu două și patru treceri sunt obișnuite, deoarece fluidul poate intra și ieși din aceeași parte. Acest lucru face ca construcția să fie mult mai simplă.

Schimbător de căldură cu tub drept în 2 treceri.PNG

Există adesea deflectoare care direcționează fluxul prin partea laterală a corpului, astfel încât fluidul să nu fie scurtat prin partea laterală a corpului, lăsând astfel mici volume de flux ineficiente. Acestea sunt de obicei atașate la pachetul de tuburi mai degrabă decât la corp, astfel încât pachetul să poată fi îndepărtat întotdeauna pentru întreținere.

Schimbătoarele de căldură împotriva curentului sunt cele mai eficiente, deoarece permit diferența medie de temperatură ( log media diferenței de temperatură  (în) ) cu atât mai mare dintre fluxurile calde și reci. Cu toate acestea, multe companii nu folosesc schimbătoare de căldură în două treceri cu tub U, deoarece se pot sparge ușor și sunt mai scumpe de construit. Adesea, mai multe schimbătoare de căldură pot fi utilizate pentru a simula fluxul de contracurent al unui singur schimbător de căldură mare.

Selectarea materialului tubului

Pentru a putea transfera bine căldura, materialul tubului trebuie să aibă o conductivitate termică bună . Deoarece căldura este transferată dintr-o parte fierbinte într-o parte rece prin tuburi, există o diferență de temperatură pe lățimea tuburilor. Datorită tendinței materialului tubului de a se extinde termic diferit la diferite temperaturi, apar tensiuni termice  (en) în timpul funcționării. Acest lucru se adaugă la orice stres cauzat de presiunile ridicate ale fluidelor. Materialul tubului trebuie, de asemenea, să fie compatibil cu fluidele laterale ale corpului și ale tubului pentru perioade lungi de timp în condiții de funcționare (temperaturi - Temperatură de funcționare  (en) -, presiuni, pH etc.) pentru a minimiza deteriorarea, cum ar fi coroziunea . Toate aceste cerințe necesită o selecție atentă a materialelor pentru țevi de înaltă calitate, de obicei pe bază de metal , cu conductivitate termică ridicată, rezistente la coroziune, inclusiv aluminiu , cupru, aliaj , oțel inoxidabil , oțel carbon , aliaj neferos. De cupru, inconel , nichel , Hastelloy și titan . De fluoropolimeri precum alcan perfluoralcoxi (PFA) și etilenă-propilenă fluorurat (FEP) , sunt de asemenea folosite pentru producerea materialului țevii datorită rezistenței lor ridicate la temperaturi extreme. O alegere proastă a materialului tubului poate provoca o scurgere  (în) printr-un tub între corpul și părțile laterale ale tubului, rezultând o contaminare încrucișată a fluidelor și, eventual, o pierdere de presiune.

Aplicații și utilizări

Designul simplu al unui schimbător de căldură cu tub și coajă îl face o soluție ideală de răcire pentru o mare varietate de aplicații. Una dintre cele mai frecvente aplicații este răcirea fluidului hidraulic și a uleiului în motoare, transmisii și pachete hidraulice . Cu alegerea corectă a materialelor, ele pot fi utilizate și pentru răcirea sau încălzirea altor fluide, cum ar fi apa din piscină sau încărcarea aerului. Unul dintre marile avantaje ale utilizării unui schimbător de căldură de tip coajă și tub este că acestea sunt adesea ușor de întreținut, mai ales la modelele în care este disponibil un pachet de tuburi plutitoare (unde plăcile de tuburi nu sunt sudate la carcasa exterioară).

Standarde de proiectare și construcție

Vezi și tu

Referințe

  1. Sadik Kakaç și Hongtan Liu, Schimbătoare de căldură: selecție, evaluare și proiectare termică , CRC Press ,2002, A 2 -a  ed. ( ISBN  0-8493-0902-6 ).
  2. Perry, Robert H. și Green, Don W., Perry's Chemical Engineers 'Handbook , McGraw-Hill,1984, Ed. A 6- a  . ( ISBN  0-07-049479-7 ).
  3. „  Schimbătoare de carcase și tuburi  ” (accesat la 8 mai 2009 )
  4. „  Proprietăți PFA  ” la http://www.fluorotherm.com/ , Fluorotherm Polymers, Inc. (accesat la 4 noiembrie 2014 )
  5. „  Aplicații și utilizări  ” (accesat la 25 ianuarie 2016 )
  6. Tehnologie și produse ale conductei burdufului schimbătorului de căldură , (recuperat în martie 2012)

Linkuri externe.