Najpoužívanejší výmenník tepla: plášťový a rúrkový výmenník tepla

Úvod

Výmenníky tepla sú základnými komponentmi v mnohých priemyselných a komerčných procesoch, ktoré umožňujú prenos tepla z jedného média do druhého bez priameho kontaktu. Spomedzi mnohých dostupných typov – vrátane doskových, rebrovaných rúrkových, špirálových a dvojrúrkových výmenníkov tepla – vyniká plášťový a rúrkový výmenník tepla (STHE) ako celosvetovo najpoužívanejší. Jeho všestrannosť, odolnosť a účinnosť z neho robí základný kameň tepelného manažmentu v sektoroch, ako je výroba energie, ropa a plyn, HVAC, chemické spracovanie a ďalšie.

Čo je plášťový a rúrkový výmenník tepla?

Plášťový a rúrkový výmenník tepla pozostáva zo série rúrok uzavretých vo valcovom plášti. Jedna tekutina prúdi cez rúrky, zatiaľ čo iná tekutina prúdi cez rúrky (v rámci plášťa) na výmenu tepla. Tento nepriamy kontakt zabezpečuje prenos tepla bez miešania tekutín.

Základná štruktúra:
Rúry: Zvyčajne sú usporiadané vo zväzkoch a môžu byť rovné alebo v tvare U.

Plášť: Valcová nádoba obklopujúca skúmavky, ktorá obsahuje druhú tekutinu.

Hadičky: Doštičky, ktoré držia hadičky na mieste a izolujú tekutiny.

Usmerňovače: Vedenie kvapaliny na strane plášťa na zvýšenie turbulencie a prenosu tepla.

Hlavy alebo koncovky: Nasmerujte kvapalinu do trubíc a von z nich.

Pracovný princíp

Primárnym pracovným princípom plášťového a rúrkového výmenníka tepla je konvekčný prenos tepla medzi dvoma kvapalinami pri rôznych teplotách. Teplo prúdi z teplejšej do chladnejšej tekutiny cez stenu rúrky.

Existujú tri hlavné konfigurácie toku:

Paralelný tok – obe tekutiny sa pohybujú rovnakým smerom.

Protiprúd – Kvapaliny sa pohybujú v opačných smeroch pre vyššiu účinnosť.

Crossflow – Tekutiny prúdia navzájom kolmo.

Dizajnové varianty

Aby vyhovovali rôznym aplikáciám, plášťové a rúrkové výmenníky tepla sú navrhnuté v rôznych konfiguráciách:

Jednopriechodový alebo viacpriechodový (kvapalina vykoná jeden alebo viac prechodov cez skúmavky)

Pevná rúrka – jednoduchá a hospodárna; obmedzená na nízku tepelnú rozťažnosť.

Plávajúca hlava alebo U-rúrka – Prispôsobuje sa tepelnej rozťažnosti; jednoduchšie čistenie a údržba.

Normy TEMA – Združenie výrobcov rúrových výmenníkov (TEMA) štandardizuje STHE do tried (R, C, B) pre rafinérske, komerčné a chemické použitie.

Prečo je najpoužívanejší?

1. Všestrannosť
Plášťové a rúrkové výmenníky zvládnu široký rozsah teplôt (do 1000°C) a tlakov (do 500 barov). Sú prispôsobiteľné mnohým procesným požiadavkám, kvapalinám a inštalačným prostrediam.

2. Trvanlivosť a spoľahlivosť
Tieto výmenníky sú vyrobené z robustných materiálov, ako je nehrdzavejúca oceľ, titán alebo Inconel, a sú vhodné do korozívneho a vysoko namáhaného prostredia. Majú dlhú životnosť pri správnej údržbe.

3. Škálovateľnosť
Sú dostupné v širokej škále veľkostí – od malých jednotiek pre laboratóriá až po masívne priemyselné inštalácie.

4. Jednoduchá údržba
Modely ako U-trubice alebo konštrukcie s plávajúcou hlavou umožňujú čistenie a výmenu trubice bez demontáže celého systému.

5. Tepelná účinnosť
S vhodnou konštrukciou (napr. usmerňovače, viacnásobné priechody) môžu STHE dosiahnuť veľmi efektívny prenos tepla, najmä v protiprúdových usporiadaniach.

Bežné aplikácie

1. Ropný a plynárenský priemysel
Chladiace mazivá a hydraulické kvapaliny

Rekuperácia tepla zo spalín

Kondenzácia pár a pár

2. Výroba energie
Ohrievače napájacej vody

Parné kondenzátory v tepelných elektrárňach

3. Chemické spracovanie
Regulácia teploty reaktorov

Ohrev a chladenie produktu

4. HVAC a chladenie
Systémy chladenej vody

Kondenzátory a výparníky

5. Námorný a vzdušný priestor
Systémy chladenia motora

Rekuperácia odpadového tepla

Stavebné materiály
Výber materiálu je kritický a závisí od teploty, tlaku a odolnosti proti korózii:

Uhlíková oceľ – Bežná pre nízkonákladové aplikácie.

Nerezová oceľ – vysoká odolnosť proti korózii.

Zliatiny medi – vynikajúca tepelná vodivosť.

Titán – Používa sa na morskú vodu alebo vysoko korozívne kvapaliny.

Zliatiny niklu (Inconel, Hastelloy) – Pre extrémne prostredia.