Najrašireniji izmjenjivač topline: školjkasti i cijevni izmjenjivač topline

Uvod

Izmjenjivači topline bitne su komponente u mnogim industrijskim i komercijalnim procesima, omogućujući prijenos topline s jednog medija na drugi bez izravnog kontakta. Među mnogim dostupnim vrstama — uključujući pločaste, rebraste cijevi, spiralne i dvocijevne izmjenjivače topline — školjkasti i cijevni izmjenjivač topline (STHE) ističe se kao najrašireniji na globalnoj razini. Njegova svestranost, izdržljivost i učinkovitost čine ga temeljem upravljanja toplinom u sektorima kao što su proizvodnja električne energije, nafta i plin, HVAC, kemijska obrada itd.

Što je školjkasto-cijevni izmjenjivač topline?

Školjkasti i cijevni izmjenjivač topline sastoji se od niza cijevi zatvorenih unutar cilindričnog omotača. Jedna tekućina teče kroz cijevi, dok druga tekućina teče preko cijevi (unutar školjke) radi izmjene topline. Ovaj neizravni kontakt osigurava toplinski prijenos bez miješanja tekućine.

Osnovna struktura:
Cjevčice: obično raspoređene u snopove i mogu biti ravne ili u obliku slova U.

Školjka: Cilindrična posuda koja okružuje cijevi i sadrži drugu tekućinu.

Ploče za cijevi: ploče koje drže cijevi na mjestu i izoliraju tekućine.

Pregrade: Usmjerite tekućinu na strani školjke kako biste povećali turbulenciju i prijenos topline.

Glave ili završne kapice: usmjerite tekućinu u i iz cijevi.

Princip rada

Primarni princip rada ljuskasto-cijevnih izmjenjivača topline je konvekcijski prijenos topline između dvije tekućine na različitim temperaturama. Toplina teče od toplijeg prema hladnijem fluidu preko stijenke cijevi.

Postoje tri glavne konfiguracije protoka:

Paralelni tok – obje tekućine se kreću u istom smjeru.

Protutok – tekućine se kreću u suprotnim smjerovima za veću učinkovitost.

Unakrsni tok – tekućine teku okomito jedna na drugu.

Varijante dizajna

Kako bi odgovarali različitim primjenama, ljuskasti i cijevni izmjenjivači topline dizajnirani su u različitim konfiguracijama:

Jednoprolazni ili višeprolazni (tekućina čini jedan ili više prolaza kroz cijevi)

Fiksna cijevna ploča – jednostavno i ekonomično; ograničeno na nisko toplinsko širenje.

Plutajuća glava ili U-cijev – prilagođava se toplinskom širenju; lakše čišćenje i održavanje.

TEMA standardi – Udruga proizvođača cjevastih izmjenjivača (TEMA) standardizira STHE u klase (R, C, B) za rafinerijsku, komercijalnu i kemijsku uporabu.

Zašto se najčešće koristi?

1. Svestranost
Cijevni izmjenjivači mogu podnijeti širok raspon temperatura (do 1000°C) i tlakova (do 500 bara). Prilagodljivi su za mnoge procesne zahtjeve, tekućine i instalacijska okruženja.

2. Trajnost i pouzdanost
Izrađeni od robusnih materijala kao što su nehrđajući čelik, titan ili Inconel, ovi izmjenjivači prikladni su za korozivna okruženja s visokim stresom. Imaju dug radni vijek uz pravilno održavanje.

3. Skalabilnost
Dostupni su u širokom rasponu veličina — od malih jedinica za laboratorije do masivnih industrijskih instalacija.

4. Jednostavnost održavanja
Modeli poput dizajna U-cijevi ili plutajuće glave omogućuju čišćenje i zamjenu cijevi bez rastavljanja cijelog sustava.

5. Toplinska učinkovitost
S odgovarajućim dizajnom (npr. pregrade, višestruki prolazi), STHE mogu postići vrlo učinkovit prijenos topline, posebno u protustrujnim aranžmanima.

Uobičajene aplikacije

1. Industrija nafte i plina
Rashladna maziva i hidraulične tekućine

Povrat topline iz dimnih plinova

Kondenzacija pare i pare

2. Proizvodnja električne energije
Grijači napojne vode

Kondenzatori pare u termoelektranama

3. Kemijska obrada
Kontrola temperature reaktora

Grijanje i hlađenje proizvoda

4. HVAC i hlađenje
Sustavi rashlađene vode

Kondenzatori i isparivači

5. Pomorstvo i zrakoplovstvo
Sustavi hlađenja motora

Oporaba otpadne topline

Materijali konstrukcije
Izbor materijala je kritičan i ovisi o temperaturi, tlaku i otpornosti na koroziju:

Ugljični čelik – uobičajeno za jeftine primjene.

Nehrđajući čelik – visoka otpornost na koroziju.

Bakrene legure – izvrsna toplinska vodljivost.

Titan – koristi se za morsku vodu ili visoko korozivne tekućine.

Legure nikla (Inconel, Hastelloy) – Za ekstremna okruženja.