Plášťové a trubkové výměníky tepla patří mezi nejrozšířenější zařízení. Používají se k výměně tepla a termochemickým procesům mezi různými kapalinami, párami a plyny – a to jak beze změny, tak se změnou jejich skupenství.
Plášťové a trubkové výměníky tepla se objevil na počátku dvacátého století v souvislosti s potřebami tepelných elektráren na výměníky tepla s velkou plochou, jako jsou kondenzátory a ohřívače vody pracující při relativně vysokém tlaku. Plášťové a trubkové výměníky tepla používané jako kondenzátory, ohřívače a výparníky. V současné době je jejich konstrukce mnohem pokročilejší v důsledku speciálního vývoje zohledňujícího provozní zkušenosti. Ve stejných letech začalo široké průmyslové využití. plášťové a trubkové výměníky tepla v ropném průmyslu. Těžký provoz vyžadoval hromadné ohřívače a chladiče, výparníky a kondenzátory pro různé frakce ropy a souvisejících organických kapalin. Výměníky tepla často musely pracovat s kontaminovanými kapalinami při vysokých teplotách a tlacích, a proto musely být navrženy tak, aby se daly snadno opravovat a čistit.
V průběhu let plášťové a trubkové výměníky tepla se staly nejpoužívanějším typem zařízení. To je způsobeno především spolehlivostí konstrukce, velkým rozsahem konstrukčních možností pro různé provozní podmínky, zejména:
- jednofázové toky, var a kondenzace na horké a studené straně výměníku tepla s vertikálním nebo horizontálním provedením
- rozsah tlaku od vakua po vysoké hodnoty
- Široce se měnící tlakové ztráty na obou stranách díky široké škále možností
- splňující požadavky na tepelné namáhání bez výrazného zvýšení ceny zařízení
- velikosti od malých po extrémně velké (5000 m 2 )
- Možnost použití různých materiálů podle nákladů, koroze, teplotních a tlakových požadavků
- použití vyvinutých teplosměnných ploch uvnitř i vně potrubí, různých zesilovačů atp.
- možnost vyjmutí potrubního svazku pro čištění a opravu
Nicméně, taková široká škála podmínek aplikace plášťové a trubkové výměníky tepla a jejich konstrukce by v žádném případě neměla bránit hledání jiných, alternativních řešení, jako je použití deskových, spirálových nebo kompaktních výměníků tepla v případech, kdy jsou jejich vlastnosti přijatelné a jejich použití může vést k ekonomicky výhodnějším řešením.
Plášťové a trubkové výměníky tepla sestávají ze svazků trubek namontovaných v trubkovnicích, pouzdrech, krytech, komorách, trubkách a podpěrách. Potrubní a mezitrubkové prostory v těchto zařízeních jsou oddělené a každý z nich lze rozdělit přepážkami na několik průchodů. Klasické schéma trubkový výměník tepla zobrazeno na obrázku:
Teplosměnná plocha zařízení se může pohybovat od několika set centimetrů čtverečních do několika tisíc metrů čtverečních. Tak, k parní turbíny o výkonu 150 MW se skládají ze 17 tisíc trubek s celkovou teplosměnnou plochou cca 9000 m2.
Schémata trubkových zařízení nejběžnějších typů jsou uvedena na obrázku:
Pouzdro (pouzdro) trubkový výměník tepla je trubka svařená z jednoho nebo více ocelových plechů. Pouzdra se liší především způsobem připojení k trubkovnici a krytům. Tloušťka stěny pláště je dána tlakem pracovního média a průměrem pláště, ale bere se minimálně 4 mm. K válcovým okrajům pláště jsou přivařeny příruby pro spojení s kryty nebo spodky. Podpěry zařízení jsou připevněny k vnějšímu povrchu pouzdra.
Trubkový plášťové a trubkové výměníky tepla vyrobené z přímých nebo zakřivených trubek (ve tvaru U nebo W) o průměru 12 až 57 mm. Přednost se dává ocelovým bezešvým trubkám.
В plášťové a trubkové výměníky tepla Průtoková plocha mezitrubkového prostoru je 2-3x větší než průtočná plocha uvnitř trubek. Proto při stejných průtokových rychlostech chladiva se stejným fázovým stavem jsou koeficienty přestupu tepla na povrchu mezitrubkového prostoru nízké, což snižuje celkový koeficient přestupu tepla v zařízení. Montáž příček v mezitrubkovém prostoru trubkový výměník tepla pomáhá zvýšit rychlost chladicí kapaliny a zvýšit účinnost přenosu tepla.
Potrubní desky (rošty) se používají k upevnění svazku trubek v nich pomocí nálevkovitých, olemovaných, svařovacích, těsnících nebo ucpávkových upevnění. Trubkovnice jsou přivařeny k plášti (obr. a, c), sevřeny šrouby mezi příruby pláště a víkem (obr. b, d) nebo přišroubovány pouze k přírubě volné komory (obr. e, F). Materiál desky je obvykle ocelový plech o tloušťce minimálně 20 mm.
Plášťové a trubkové výměníky tepla mohou být tuhé (obr. a, j), netuhé (obr. d, e, f, h, i) a polotuhé (obr. b, c, g) konstrukce, jednoprůchodové a víceprůchodové, přímý proud, protiproud a příčný proud, horizontální, šikmý a vertikální.
Obrázek a) ukazuje jednosměrku výměník tepla s rovnými trubkami tuhé konstrukce. Plášť a trubky jsou spojeny trubkovnicemi, a proto neexistuje možnost kompenzace tepelné roztažnosti. Taková zařízení jsou konstrukčně jednoduchá, ale lze je použít pouze při relativně malých rozdílech teplot mezi tělesem a svazkem trubek (do 50 o C). Mají nízké koeficienty prostupu tepla v důsledku nízké rychlosti chladiva v mezitrubkovém prostoru.
В plášťové a trubkové výměníky tepla průtoková plocha mezitrubkového prostoru je 2-3x větší než průtoková plocha trubek. Proto při stejných průtokových rychlostech chladicích kapalin, které mají stejný stav agregace, jsou koeficienty přenosu tepla na povrchu mezitrubkového prostoru nízké, což snižuje koeficient přenosu tepla v zařízení. Instalace přepážek v mezitrubkovém prostoru pomáhá zvýšit rychlost chladicí kapaliny a zvýšit součinitel prostupu tepla. Obrázek 1,b ukazuje výměník tepla s příčnými přepážkami v prstencovém prostoru a polotuhou membránovou kompenzací tepelných protažení v důsledku určité volnosti pohybu horní trubkovnice.
V pára-kapalina Tepelné výměníky Pára obvykle prochází v mezitrubkovém prostoru a kapalina trubkami. Rozdíl teplot mezi stěnou pouzdra a potrubím je obvykle značný. Pro vyrovnání rozdílu v tepelném prodloužení mezi pláštěm a trubkami jsou instalovány čočkové (obr. c), ucpávkové (obr. h, i) nebo vlnovcové kompenzátory (obr. g).
Pro eliminaci pnutí v kovu způsobených tepelným protažením, jednokomorový Tepelné výměníky s ohýbanými trubkami ve tvaru U a W. Jsou vhodné pro vysoké tlaky chladiva, protože výroba vodních komor a upevňování trubek do trubkovnice ve vysokotlakých zařízeních jsou složité a nákladné operace. Zařízení s ohýbanými trubkami se však nemohou rozšířit kvůli obtížnosti výroby trubek s různými poloměry ohybu, obtížnosti výměny trubek a nepohodlnosti čištění ohnutých trubek.
Kompenzační zařízení jsou obtížně vyrobitelná (membrána, vlnovec, s ohnutými trubkami) nebo nejsou dostatečně spolehlivá v provozu (čočka, ucpávka). Pokročilejší design výměníku tepla s pevným upevněním jedné trubkovnice a volným pohybem druhé desky spolu s vnitřním krytem potrubního systému (obr. e). určité zvýšení nákladů na zařízení v důsledku zvětšení průměru těla a výroby přídavného dna je odůvodněno jednoduchostí a spolehlivostí provozu. Tato zařízení se nazývají Tepelné výměníky “plovoucí hlava” Tepelné výměníky s příčným proudem (obr. j) se vyznačují zvýšeným součinitelem prostupu tepla na vnějším povrchu v důsledku toho, že se chladivo pohybuje po svazku trubek. Při příčném proudění se teplotní rozdíl mezi chladicími kapalinami snižuje, při dostatečném počtu potrubních úseků je však rozdíl oproti protiproudu malý. V některých provedeních např Tepelné výměníky Při proudění plynu v mezitrubkovém prostoru a kapaliny v potrubí se pro zvýšení součinitele prostupu tepla používají trubky s příčnými žebry.
