Theplášťový a rúrkový výmenník teplazostáva najpoužívanejším zariadením na prenos tepla v spracovateľskom priemysle. Jeho dominancia nie je náhodná-dizajn je robustný, princípy fungovania sú dobre pochopené a rozsah dostupných konfigurácií pokrýva takmer každú kombináciu tlaku, teploty a typu tekutiny. V strede každého plášťa a rúrkového výmenníka je zväzok rúrok: zostava rúrok, rúrok, usmerňovačov a spojovacích tyčí, ktoré definujú tepelný a mechanický výkon jednotky.
Zväzok rúrok ako systém
Zväzok rúrok nie je len súborom rúrok. Je toinžinierska montážso vzájomne závislými komponentmi. Rúrkovnica podopiera rúrky a poskytuje tesniaci povrch. Usmerňovače usmerňujú bočný tok plášťa{{2} a podporujú rúrky proti vibráciám. Spojovacie tyče a rozpery držia zostavu usmerňovača pohromade. Samotné rúry musia odolávať vnútornému tlaku, vonkajšiemu tlaku, tepelnej rozťažnosti, korózii a erózii-často súčasne.
Každý komponent musí byť špecifikovaný s ohľadom na ostatné. Zmena priemeru rúrky ovplyvňuje hrúbku rúrkového plechu a rozstup usmerňovačov. Zmena materiálu ovplyvňuje konštrukciu spoja medzi rúrkou-k-rúrkovému plechu. Zmena počtu prechodov ovplyvňuje rozloženie prietoku a pokles tlaku. Výber zväzku rúr vyžaduje zobrazenie na-úrovni systému.
Princípy tepelného dizajnu
Tepelný výkon zväzku rúrok je určený celkovým koeficientom prestupu tepla, teplovýmennou plochou a logaritmickým rozdielom strednej teploty. Celkový koeficient je prevrátená hodnota súčtu tepelných odporov na-strane rúry, stene rúry a-strane plášťa.
Koeficient prestupu tepla-strany rúrky je primárne funkciou priemeru rúrky, rýchlosti tekutiny a vlastností tekutiny. Pre turbulentné prúdenie poskytuje Dittus-Boelterova rovnica primeraný odhad:
Nu=0.023 × Re^0,8 × Pr^n
kde Nu je Nusseltovo číslo, Re je Reynoldsovo číslo, Pr je Prandtlovo číslo a n je 0,4 pre ohrev a 0,3 pre chladenie.
Koeficient prestupu tepla na -strane plášťa je zložitejší. Prúdenie v plášti je kombináciou priečneho prúdenia cez rúrky a pozdĺžneho prúdenia medzi priehradkami. Rozstup usmerňovačov určuje rýchlosť a stupeň turbulencie. Prietok cez zväzok rúrok nie je rovnomerný; okolo okien usmerňovačov sú oblasti s vysokou rýchlosťou a v samotnom zväzku rúrok sú oblasti s nižšou rýchlosťou.
Počet rúrok-počet rúrok, ktoré je možné umiestniť do daného priemeru plášťa-, je funkciou priemeru rúrok, rozstupu rúr a usporiadania rúr (trojuholníkový, štvorcový alebo otočený štvorec). Pre daný priemer plášťa poskytuje trojuholníkové usporiadanie najvyšší počet rúrok, zatiaľ čo štvorcové usporiadanie poskytuje lepší prístup na čistenie.
Úvahy o mechanickom dizajne
Mechanická konštrukcia zväzku rúrok zahŕňa hrúbku rúrky, hrúbku rúrkového plechu, hrúbku usmerňovača a rozstup a spojenie medzi rúrkou a --rúrkovým plechom. Každý z nich musí byť dimenzovaný tak, aby odolal prevádzkovým podmienkam.
Hrúbka rúrky je určená vnútorným tlakom, vonkajším tlakom (ak sú rúrky vystavené kolapsu) a prídavkom na koróziu. Pre daný tlak a priemer je požadovaná hrúbka nepriamo úmerná prípustnému namáhaniu. Materiály s vyššou{2}}pevnosťou umožňujú tenšie rúrky, čo zlepšuje prenos tepla, ale znižuje povolenú koróziu.
Hrúbka rúrkovnice je určená tlakom na -strane plášťa a{1}}strany rúrky, geometriou rúrkovnice a vzorom otvorov rúrky. Rúrkovnica musí byť dostatočne hrubá, aby sa zabránilo úniku v spoji rúrky-k{4}}rúrkovke a aby odolal ohybu pod tlakom. Pri vysokotlakových aplikáciách- môže mať rúrkovnica hrúbku niekoľko palcov, čo zodpovedá zvýšeniu hmotnosti a nákladov.
Rozstup usmerňovačov ovplyvňuje tak tepelný výkon, ako aj mechanickú integritu. Menší rozstup usmerňovačov zvyšuje bočnú rýchlosť{1}}plášťa a koeficient prestupu tepla, ale tiež zvyšuje pokles tlaku a riziko vibrácií rúrky. Rozstup usmerňovačov je zvyčajne 20 % až 100 % priemeru plášťa, pričom optimálny je v závislosti od konkrétneho dizajnu.
Vibrácie trubice predstavujú značné riziko pri vysoko{0}}postrannom prúdení-škrupiny. Vibrácie-vyvolané prúdením môžu spôsobiť opotrebovanie rúrok o usmerňovače, čo vedie k zlyhaniu rúr. Riziko vibrácií sa hodnotí pomocou vlastnej frekvencie rúrok a budiacich síl z prúdenia. Ak je vlastná frekvencia v rozsahu budiacej frekvencie, je potrebné upraviť konštrukciu-buď zmenšením nepodporovaného rozpätia alebo zmenou priemeru alebo materiálu rúrky.
Výber materiálu
Výber materiálov pre zväzok rúr ovplyvňuje tepelný výkon, odolnosť proti korózii a náklady. Výber musí byť založený na prevádzkových podmienkach, vlastnostiach kvapaliny a očakávanej životnosti.
Materiály rúr sú najdôležitejším výberom. Najbežnejšie sú tieto:
- Uhlíková oceľ je štandardným materiálom pre väčšinu aplikácií. Je nákladovo-efektívny a má primeranú pevnosť pre mierne teploty a tlaky. Jeho odolnosť proti korózii je obmedzená a nie je vhodný pre korozívne kvapaliny alebo chladenie morskou vodou.
- Nehrdzavejúca oceľ (triedy 304L, 316L a duplex) poskytuje výrazne lepšiu odolnosť proti korózii ako uhlíková oceľ. 304L je vhodná pre väčšinu chemických služieb. 316L poskytuje lepšiu odolnosť voči chloridovým jamkám. Duplexné triedy ponúkajú vyššiu pevnosť a lepšiu odolnosť proti korózii pod napätím. Cenová prirážka oproti uhlíkovej oceli je zvyčajne 2 až 4-násobná.
- Zliatiny medi-niklu (90/10 a 70/30) sa používajú v aplikáciách chladenia morskou vodou. Poskytujú vynikajúcu odolnosť proti korózii v morskej vode a majú dobrú tepelnú vodivosť. Náklady sú vyššie ako nehrdzavejúca oceľ.
- Titán sa používa v najkorozívnejších aplikáciách vrátane morskej vody a kvapalín obsahujúcich-chloridy pri zvýšených teplotách. Titán poskytuje v týchto prostrediach prakticky úplnú odolnosť voči jamkovej a štrbinovej korózii. Cena je výrazne vyššia-zvyčajne 5 až 8-krát vyššia ako cena nehrdzavejúcej ocele.
Materiály rúrkových plátov sa zvyčajne vyberajú tak, aby zodpovedali rúrkam alebo aby boli kompatibilné s materiálom plášťa. Rúrkovnica musí byť dostatočne hrubá, aby podopierala rúrky a poskytovala tesnenie na spoji rúrky-k-rúrkovému plechu.
Materiály usmerňovačov sú zvyčajne uhlíková oceľ pre väčšinu aplikácií. V korozívnej prevádzke môžu byť usmerňovače špecifikované z rovnakého materiálu ako rúrky alebo z uhlíkovej ocele s povlakom.
Spoje-k{1}}rúrkovému plechu
Spoj medzi rúrkami a rúrkovnicou je rozhodujúci pre integritu výmenníka tepla. Spoj musí zabraňovať presakovaniu medzi kvapalinami na-strane rúrky a na strane plášťa-a musí odolať prevádzkovému tlaku a teplote.
Dva najbežnejšie typy kĺbov sú:
- Valcované spoje sa vytvárajú rozširovaním rúrok do otvorov rúrok. Rúrka sa rozťahuje pomocou valčekového nástroja, ktorý deformuje rúrku proti otvoru rúrkovnice. Valcované spoje sú vhodné pre mierne tlaky a teploty a sú najbežnejším typom spojov v plášťových a rúrkových výmenníkoch.
- Zvarové spoje vznikajú privarením rúrky k rúrkovnici. Zvar poskytuje tesné-tesnosť a je vhodný pre vysoké tlaky a teploty. Zvarové spoje sú drahšie ako valcované spoje, ale poskytujú lepšiu spoľahlivosť v náročných prevádzkových podmienkach.
V niektorých aplikáciách sa používa kombinácia valcovania a zvárania-rúrka sa zroluje a potom sa zvarí-na čelnej strane rúrkového plechu. To zaisťuje mechanickú pevnosť valcovaného spoja a tesnosť-tesnosti zváraného spoja.
Inšpekcia a kontrola kvality
Výroba zväzku rúr vyžaduje prísnu kontrolu a kontrolu kvality. Zvyčajne sa vykonávajú tieto kontroly:
- Kontrola rúr zahŕňa kontrolu rozmerov, meranie hrúbky steny a kontrolu povrchovej úpravy. Každá trubica by sa mala skontrolovať na chyby, ktoré by mohli ovplyvniť jej výkon alebo životnosť.
- Kontrola rúrok zahŕňa overenie priemeru otvoru a rozstupu, kontrolu rovinnosti a kontrolu povrchovej úpravy. Vzor otvorov by mal zodpovedať dizajnu, aby sa zabezpečilo správne uchytenie trubice.
- Kontrola zvárania zahŕňa vizuálnu kontrolu zvarov a v prípade kritických aplikácií aj ne-deštruktívne testovanie (prenikanie kvapalinou alebo rádiografia). Kvalita zvaru musí spĺňať príslušné požiadavky normy.
- Na dokončenom zväzku sa vykonáva hydrostatické testovanie, aby sa overila integrita spojov rúr -k- plechu rúrok. Skúšobný tlak je zvyčajne 1,5-násobok projektovaného tlaku.
Retubing vs
Keď zväzok rúrok dosiahne koniec svojej životnosti, operátor má dve možnosti: preinštalovať existujúci výmenník alebo vymeniť celú jednotku. Rozhodnutie závisí od stavu plášťa a nákladov na nový zväzok v pomere k nákladom na nový výmenník.
- Pretrubovanie je vhodné, keď je plášť v dobrom stave a náklady na nový zväzok sú nižšie ako 60 % nákladov na nový výmenník. Preinštalovanie zvyčajne trvá 20 % až 40 % času potrebného na inštaláciu nového výmenníka.
- Výmena je vhodná, keď je plášť skorodovaný alebo poškodený, alebo keď sa náklady na nový zväzok blížia k nákladom na nový výmenník. Výmena poskytuje príležitosť vylepšiť dizajn výmenníka podľa súčasných noriem a zlepšiť tepelný výkon.
Záver
Rúrkový zväzok je určujúcim komponentom plášťa a rúrkového výmenníka tepla. Jeho konštrukcia určuje tepelný výkon, mechanickú integritu a životnosť jednotky. Výber priemeru rúrok, rozstupu rúrok, konfigurácie usmerňovačov a materiálov si vyžaduje zobrazenie na úrovni systému{2}}, ktoré zohľadňuje podmienky procesu, mechanické zaťaženie a požiadavky na údržbu.
Zákazková výroba zväzkov rúrok je vhodná, keď štandardné konštrukcie nespĺňajú požiadavky procesu. Dodatočné náklady sú opodstatnené, keď zlepšujú prenos tepla, predlžujú životnosť alebo znižujú údržbu. Rozhodnutie by malo byť založené na analýze nákladov životného cyklu, ktorá zohľadňuje počiatočné náklady, prevádzkové náklady a očakávanú životnosť.
Špecifikácie vyvinuté pre zväzok rúrok by mali jasne definovať materiál rúrky, hrúbku rúrky, rozstup rúrok, usporiadanie usmerňovačov, typ spoja-k{1}}rúrkovému plechu a požiadavky na kontrolu. Špecifikácia by mala odkazovať na príslušné kódy a normy a mala by vyžadovať dôkaz o kontrole kvality pre všetky kritické materiály a zvary.