Οεναλλάκτης θερμότητας κελύφους και σωλήναπαραμένει ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός μεταφοράς θερμότητας στις βιομηχανίες επεξεργασίας. Η κυριαρχία του δεν είναι τυχαία-ο σχεδιασμός είναι στιβαρός, οι αρχές λειτουργίας είναι καλά κατανοητές και το εύρος των διαθέσιμων διαμορφώσεων καλύπτει σχεδόν κάθε συνδυασμό πίεσης, θερμοκρασίας και τύπου υγρού. Στο κέντρο κάθε εναλλάκτη κελύφους και σωλήνων βρίσκεται η δέσμη σωλήνων: η συναρμολόγηση σωλήνων, φύλλων σωλήνων, διαφραγμάτων και ράβδων σύνδεσης που καθορίζει τη θερμική και μηχανική απόδοση της μονάδας.
Το Tube Bundle ως σύστημα
Η δέσμη σωλήνων δεν είναι απλώς μια συλλογή σωλήνων. Είναι έναμηχανική συναρμολόγησημε αλληλοεξαρτώμενα στοιχεία. Το φύλλο σωλήνα υποστηρίζει τους σωλήνες και παρέχει μια επιφάνεια στεγανοποίησης. Τα διαφράγματα κατευθύνουν την-πλευρική ροή του κελύφους και υποστηρίζουν τους σωλήνες έναντι κραδασμών. Οι ράβδοι σύνδεσης και οι αποστάτες συγκρατούν το συγκρότημα διαφράγματος μαζί. Οι ίδιοι οι σωλήνες πρέπει να αντέχουν την εσωτερική πίεση, την εξωτερική πίεση, τη θερμική διαστολή, τη διάβρωση και τη διάβρωση-συχνά ταυτόχρονα.
Κάθε στοιχείο πρέπει να προσδιορίζεται λαμβάνοντας υπόψη τα άλλα. Μια αλλαγή στη διάμετρο του σωλήνα επηρεάζει το πάχος του φύλλου του σωλήνα και την απόσταση του διαφράγματος. Μια αλλαγή στο υλικό επηρεάζει τη σχεδίαση του συνδέσμου-σε-σωλήνα φύλλου. Μια αλλαγή στον αριθμό των διελεύσεων επηρεάζει την κατανομή της ροής και την πτώση πίεσης. Η επιλογή μιας δέσμης σωλήνων απαιτεί μια-επίπεδη προβολή συστήματος.
Αρχές Θερμικού Σχεδιασμού
Η θερμική απόδοση μιας δέσμης σωλήνων καθορίζεται από τον συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, το εμβαδόν επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας και τη μέση διαφορά θερμοκρασίας ημερολογίου. Ο συνολικός συντελεστής είναι το αντίστροφο του αθροίσματος των θερμικών αντιστάσεων στην πλευρά του σωλήνα-, του τοιχώματος του σωλήνα και του κελύφους-.
Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας του σωλήνα-είναι κατά κύριο λόγο συνάρτηση της διαμέτρου του σωλήνα, της ταχύτητας του ρευστού και των ιδιοτήτων του ρευστού. Για τυρβώδη ροή, η εξίσωση Dittus-Boelter παρέχει μια λογική εκτίμηση:
Nu=0.023 × Re^0,8 × Pr^n
όπου Nu είναι ο αριθμός Nusselt, Re είναι ο αριθμός Reynolds, Pr είναι ο αριθμός Prandtl και n είναι 0,4 για θέρμανση και 0,3 για ψύξη.
Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας του κελύφους-πλευρά είναι πιο περίπλοκος. Η ροή στο κέλυφος είναι ένας συνδυασμός εγκάρσιας ροής πάνω από τους σωλήνες και διαμήκους ροής μεταξύ των διαφραγμάτων. Η απόσταση του διαφράγματος καθορίζει την ταχύτητα και τον βαθμό αναταράξεων. Η ροή κατά μήκος της δέσμης σωλήνων δεν είναι ομοιόμορφη. υπάρχουν περιοχές υψηλής ταχύτητας γύρω από τα παράθυρα του διαφράγματος και χαμηλότερης ταχύτητας στην ίδια τη δέσμη σωλήνων.
Ο αριθμός σωλήνων-ο αριθμός των σωλήνων που μπορούν να χωρέσουν σε μια δεδομένη διάμετρο κελύφους-είναι συνάρτηση της διαμέτρου του σωλήνα, του βήματος του σωλήνα και της διάταξης του σωλήνα (τριγωνικό, τετράγωνο ή περιστρεφόμενο τετράγωνο). Για μια δεδομένη διάμετρο κελύφους, μια τριγωνική διάταξη παρέχει τον υψηλότερο αριθμό σωλήνων, ενώ μια τετράγωνη διάταξη παρέχει καλύτερη πρόσβαση για καθαρισμό.
Θέματα Μηχανολογικού Σχεδιασμού
Ο μηχανικός σχεδιασμός μιας δέσμης σωλήνων περιλαμβάνει το πάχος του σωλήνα, το πάχος του φύλλου σωλήνα, το πάχος και την απόσταση του διαφράγματος και την ένωση-σε-σωλήνα φύλλου. Κάθε ένα από αυτά πρέπει να έχει μέγεθος ώστε να αντέχει στις συνθήκες λειτουργίας.
Το πάχος του σωλήνα καθορίζεται από την εσωτερική πίεση, την εξωτερική πίεση (εάν οι σωλήνες υπόκεινται σε κατάρρευση) και το περιθώριο διάβρωσης. Για δεδομένη πίεση και διάμετρο, το απαιτούμενο πάχος είναι αντιστρόφως ανάλογο με την επιτρεπόμενη τάση. Υλικά υψηλότερης- αντοχής επιτρέπουν λεπτότερους σωλήνες, γεγονός που βελτιώνει τη μεταφορά θερμότητας αλλά μειώνει το επίδομα διάβρωσης.
Το πάχος του φύλλου σωλήνα καθορίζεται από την πίεση στην-πλευρά και την πλευρά του σωλήνα-, τη γεωμετρία του φύλλου σωλήνα και το σχέδιο της οπής του σωλήνα. Το φύλλο σωλήνα πρέπει να είναι αρκετά παχύ ώστε να αποτρέπεται η διαρροή στον σύνδεσμο του σωλήνα-σε-του φύλλου σωλήνα και να αντέχει στην κάμψη υπό πίεση. Για εφαρμογές υψηλής-πίεσης, το φύλλο σωλήνα μπορεί να έχει πάχος αρκετών ιντσών, με αντίστοιχη αύξηση βάρους και κόστους.
Η απόσταση του διαφράγματος επηρεάζει τόσο τη θερμική απόδοση όσο και τη μηχανική ακεραιότητα. Η στενότερη απόσταση των διαφραγμάτων αυξάνει την ταχύτητα του κελύφους-και τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, αλλά αυξάνει επίσης την πτώση πίεσης και τον κίνδυνο δόνησης του σωλήνα. Η απόσταση των διαφραγμάτων είναι συνήθως 20% έως 100% της διαμέτρου του κελύφους, με τη βέλτιστη να εξαρτάται από το συγκεκριμένο σχέδιο.
Η δόνηση του σωλήνα είναι ένας σημαντικός κίνδυνος στην πλευρική ροή του κελύφους υψηλής ταχύτητας{-. Η δόνηση που προκαλείται από τη ροή-μπορεί να προκαλέσει φθορά των σωλήνων στα διαφράγματα, οδηγώντας σε αστοχία του σωλήνα. Ο κίνδυνος κραδασμών εκτιμάται χρησιμοποιώντας τη φυσική συχνότητα των σωλήνων και τις δυνάμεις διέγερσης από τη ροή. Εάν η φυσική συχνότητα βρίσκεται εντός του εύρους της συχνότητας διέγερσης, ο σχεδιασμός πρέπει να τροποποιηθεί-είτε μειώνοντας το μη υποστηριζόμενο άνοιγμα είτε αλλάζοντας τη διάμετρο ή το υλικό του σωλήνα.
Επιλογή Υλικού
Η επιλογή των υλικών για τη δέσμη σωλήνων επηρεάζει τη θερμική απόδοση, την αντοχή στη διάβρωση και το κόστος. Η επιλογή πρέπει να βασίζεται στις συνθήκες λειτουργίας, τις ιδιότητες του υγρού και την αναμενόμενη διάρκεια ζωής.
Τα υλικά σωλήνων είναι η πιο κρίσιμη επιλογή. Τα παρακάτω είναι τα πιο συνηθισμένα:
- Ο ανθρακούχο χάλυβας είναι το τυπικό υλικό για τις περισσότερες εφαρμογές. Είναι-οικονομικό και έχει επαρκή αντοχή για μέτριες θερμοκρασίες και πιέσεις. Η αντοχή του στη διάβρωση είναι περιορισμένη και δεν είναι κατάλληλο για διαβρωτικά υγρά ή ψύξη με θαλασσινό νερό.
- Ο ανοξείδωτος χάλυβας (βαθμοί 304L, 316L και διπλής όψης) παρέχει σημαντικά καλύτερη αντίσταση στη διάβρωση από τον ανθρακούχο χάλυβα. 304Το L είναι κατάλληλο για τις περισσότερες χημικές υπηρεσίες. 316Το L παρέχει καλύτερη αντίσταση στην εκσκαφή χλωρίου. Οι ποιότητες διπλής όψης προσφέρουν υψηλότερη αντοχή και καλύτερη αντοχή στη διάβρωση των καταπονήσεων. Το ασφάλιστρο κόστους έναντι του ανθρακούχου χάλυβα είναι συνήθως 2 έως 4 φορές.
- Τα κράματα χαλκού-νικελίου (90/10 και 70/30) χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ψύξης θαλασσινού νερού. Παρέχουν εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση στο θαλασσινό νερό και έχουν καλή θερμική αγωγιμότητα. Το κόστος είναι υψηλότερο από τον ανοξείδωτο χάλυβα.
- Το τιτάνιο χρησιμοποιείται στις πιο διαβρωτικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένου του θαλασσινού νερού και των υγρών που περιέχουν χλώριο- σε υψηλές θερμοκρασίες. Το τιτάνιο παρέχει ουσιαστικά πλήρη αντίσταση στη διάβρωση με κοιλότητες και ρωγμές σε αυτά τα περιβάλλοντα. Το κόστος είναι σημαντικά υψηλότερο-συνήθως 5 έως 8 φορές από αυτό του ανοξείδωτου χάλυβα.
Τα υλικά φύλλου σωλήνων επιλέγονται συνήθως για να ταιριάζουν με τους σωλήνες ή να είναι συμβατά με το υλικό του κελύφους. Το φύλλο σωλήνα πρέπει να είναι αρκετά παχύ ώστε να υποστηρίζει τους σωλήνες και να παρέχει σφράγιση στην ένωση-σε-σωλήνα φύλλου.
Τα υλικά διαφράγματος είναι συνήθως ανθρακούχο χάλυβα για τις περισσότερες εφαρμογές. Σε διαβρωτικό σέρβις, τα διαφράγματα μπορεί να προσδιορίζονται από το ίδιο υλικό με τους σωλήνες ή από επικαλυμμένο ανθρακούχο χάλυβα.
Αρθρώσεις σωλήνα-σε-Σωλήνες φύλλου
Ο σύνδεσμος μεταξύ των σωλήνων και του φύλλου σωλήνα είναι κρίσιμος για την ακεραιότητα του εναλλάκτη θερμότητας. Η άρθρωση πρέπει να αποτρέπει τη διαρροή μεταξύ των υγρών της πλευράς του σωλήνα-και του κελύφους-και πρέπει να αντέχει την πίεση και τη θερμοκρασία λειτουργίας.
Οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι αρθρώσεων είναι:
- Οι ελασματοποιημένοι σύνδεσμοι σχηματίζονται με την επέκταση των σωλήνων στις οπές του φύλλου σωλήνα. Ο σωλήνας επεκτείνεται χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο κυλίνδρου που παραμορφώνει τον σωλήνα στην οπή του φύλλου σωλήνα. Οι αρμοί έλασης είναι κατάλληλοι για μέτριες πιέσεις και θερμοκρασίες και είναι ο πιο κοινός τύπος αρμών σε εναλλάκτες κελύφους και σωλήνων.
- Οι συγκολλημένοι σύνδεσμοι σχηματίζονται με συγκόλληση του σωλήνα στο φύλλο σωλήνα. Η συγκόλληση παρέχει στεγανή στεγανοποίηση-διαρροής και είναι κατάλληλη για υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες. Οι συγκολλημένες αρθρώσεις είναι πιο ακριβές από τις αρθρώσεις έλασης, αλλά παρέχουν καλύτερη αξιοπιστία σε σοβαρές εργασίες.
Σε ορισμένες εφαρμογές, χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός έλασης και συγκόλλησης-ο σωλήνας τυλίγεται και στη συνέχεια συγκολλάται-στην επιφάνεια του φύλλου του σωλήνα. Αυτό παρέχει τη μηχανική αντοχή του αρμού σε έλαση και τη στεγανότητα-διαρροής του συγκολλημένου αρμού.
Επιθεώρηση και Ποιοτικός Έλεγχος
Η κατασκευή μιας δέσμης σωλήνων απαιτεί αυστηρή επιθεώρηση και ποιοτικό έλεγχο. Συνήθως πραγματοποιούνται οι ακόλουθες επιθεωρήσεις:
- Η επιθεώρηση σωλήνων περιλαμβάνει ελέγχους διαστάσεων, μετρήσεις πάχους τοιχώματος και επιθεώρηση φινιρίσματος επιφάνειας. Κάθε σωλήνας θα πρέπει να ελέγχεται για ελαττώματα που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την απόδοση ή τη διάρκεια ζωής του.
- Η επιθεώρηση φύλλου σωλήνα περιλαμβάνει επαλήθευση διαμέτρου οπών και διαστήματος, ελέγχους επιπεδότητας και επιθεώρηση φινιρίσματος επιφάνειας. Το σχέδιο οπής πρέπει να ταιριάζει με το σχέδιο για να διασφαλιστεί η σωστή εφαρμογή του σωλήνα.
- Η επιθεώρηση συγκόλλησης περιλαμβάνει οπτική επιθεώρηση των συγκολλήσεων και, για κρίσιμες εφαρμογές, μη-μη καταστροφική δοκιμή (διεισδυτικό υγρού ή ακτινογραφία). Η ποιότητα συγκόλλησης πρέπει να πληροί τις ισχύουσες απαιτήσεις κώδικα.
- Πραγματοποιείται υδροστατική δοκιμή στην ολοκληρωμένη δέσμη για να επαληθευτεί η ακεραιότητα των αρμών-σε-σωλήνα φύλλου σωλήνα. Η πίεση δοκιμής είναι συνήθως 1,5 φορές η πίεση σχεδιασμού.
Επανασωλήνωση έναντι αντικατάστασης
Όταν μια δέσμη σωλήνων φτάσει στο τέλος της διάρκειας ζωής της, ο χειριστής έχει δύο επιλογές: επανασωλήνωση του υπάρχοντος εναλλάκτη ή αντικατάσταση ολόκληρης της μονάδας. Η απόφαση εξαρτάται από την κατάσταση του κελύφους και το κόστος της νέας δέσμης σε σχέση με το κόστος ενός νέου εναλλάκτη.
- Η επανασωλήνωση είναι κατάλληλη όταν το κέλυφος είναι σε καλή κατάσταση και το κόστος μιας νέας δέσμης είναι μικρότερο από το 60% του κόστους ενός νέου εναλλάκτη. Η επανασωλήνωση απαιτεί συνήθως 20% έως 40% του χρόνου που απαιτείται για μια εγκατάσταση νέου εναλλάκτη.
- Η αντικατάσταση είναι κατάλληλη όταν το κέλυφος είναι διαβρωμένο ή κατεστραμμένο ή όταν το κόστος μιας νέας δέσμης είναι κοντά στο κόστος ενός νέου εναλλάκτη. Η αντικατάσταση παρέχει την ευκαιρία να αναβαθμιστεί ο σχεδιασμός του εναλλάκτη στα τρέχοντα πρότυπα και να βελτιωθεί η θερμική απόδοση.
Σύναψη
Η δέσμη σωλήνων είναι το καθοριστικό συστατικό του εναλλάκτη θερμότητας του κελύφους και του σωλήνα. Ο σχεδιασμός του καθορίζει τη θερμική απόδοση, τη μηχανική ακεραιότητα και τη διάρκεια ζωής της μονάδας. Η επιλογή της διαμέτρου του σωλήνα, της απόστασης των σωλήνων, της διαμόρφωσης διαφράγματος και των υλικών απαιτεί μια προβολή επιπέδου συστημάτων-που λαμβάνει υπόψη τις συνθήκες διεργασίας, τα μηχανικά φορτία και τις απαιτήσεις συντήρησης.
Η προσαρμοσμένη κατασκευή δεσμίδων σωλήνων είναι κατάλληλη όταν τα τυπικά σχέδια δεν πληρούν τις απαιτήσεις της διαδικασίας. Το πρόσθετο κόστος δικαιολογείται όταν βελτιώνει τη μεταφορά θερμότητας, παρατείνει τη διάρκεια ζωής ή μειώνει τη συντήρηση. Η απόφαση θα πρέπει να βασίζεται σε μια ανάλυση κόστους κύκλου ζωής που να λαμβάνει υπόψη το αρχικό κόστος, το λειτουργικό κόστος και την αναμενόμενη διάρκεια ζωής.
Οι προδιαγραφές που αναπτύχθηκαν για μια δέσμη σωλήνων θα πρέπει να ορίζουν με σαφήνεια το υλικό του σωλήνα, το πάχος του σωλήνα, το βήμα του σωλήνα, τη διάταξη του διαφράγματος, τον τύπο ένωσης-προς-σωλήνα φύλλου και τις απαιτήσεις επιθεώρησης. Η προδιαγραφή θα πρέπει να αναφέρεται στους ισχύοντες κώδικες και πρότυπα και θα πρέπει να απαιτεί αποδεικτικά στοιχεία ποιοτικού ελέγχου για όλα τα κρίσιμα υλικά και συγκολλήσεις.