เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อทำงานอย่างไร? หลักการออกแบบ โครงสร้าง และการใช้งาน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อคืออะไร?

ในบรรดาอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนที่หลากหลายซึ่งใช้ในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อเป็นโซลูชันที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการแปรรูปสารเคมีและการผลิตแอลกอฮอล์ ความนิยมที่ยั่งยืนของมันมีต้นกำเนิดมาจากดีไซน์ที่แข็งแกร่งแต่ปรับเปลี่ยนได้ ซึ่งรองรับแรงดันสูง อุณหภูมิสุดขั้ว และของไหลในกระบวนการที่กัดกร่อนได้ดีเยี่ยม — ทั้งหมดนี้ยังคงผลิต ทำความสะอาด และบำรุงรักษาได้ค่อนข้างง่าย

ส่วนประกอบหลักและโครงสร้าง

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อประกอบด้วยส่วนประกอบหลักห้าส่วน โดยแต่ละส่วนมีหน้าที่เฉพาะภายในกระบวนการถ่ายเทความร้อน:

หลักการทำงาน: ด้านท่อเทียบกับด้านเปลือก

ตรรกะการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อหมุนรอบเส้นทางการไหลที่แตกต่างกันสองเส้นทางที่แยกออกจากกันทางกายภาพด้วยผนังท่อ:

• ด้านท่อ (ทางเดินท่อ):ของไหลในกระบวนการหนึ่งจะเข้าทางข้อต่อหัวที่ปลายด้านหนึ่ง ไหลผ่านช่องภายในของท่อถ่ายเทความร้อน และออกจากทางข้อต่อหัวอีกด้านหนึ่ง เส้นทางการไหลนี้เรียกว่า ทางเดินท่อ และมีข้อได้เปรียบในการทำความสะอาดภายในได้ง่ายขึ้นและการรองรับแรงดันที่สูงขึ้น
• ด้านเปลือก (ทางเดินเปลือก):ของไหลในกระบวนการที่สองจะเข้าทางหัวฉีดบนตัวเปลือก ไหลข้ามพื้นผิวด้านนอกของชุดท่อ — นำทางและเปลี่ยนทิศทางซ้ำๆ โดยแผ่นกั้น — และออกจากหัวฉีดเปลือกอีกอัน เส้นทางการไหลนี้เรียกว่า ทางเดินเปลือก และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับไอควบแน่น ของไหลที่มีอัตราการไหลสูง และการใช้งานที่ต้องการการระบายความร้อนสู่สิ่งแวดล้อม

การจัดเรียงแบบไหลสวนทาง (counter-current) หรือการไหลขวาง (cross-flow) ระหว่างสองกระแสจะเพิ่มค่าความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยแบบลอการิทึม (LMTD) ให้สูงสุด ซึ่งควบคุมประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนและพื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่ต้องการโดยตรง

แนวทางการออกแบบ: การเลือกช่องทางการไหลที่ถูกต้อง

หนึ่งในการตัดสินใจออกแบบที่สำคัญที่สุดคือการกำหนดว่าของไหลใดควรไหลผ่านด้านท่อและของไหลใดควรไหลผ่านด้านเปลือก วิศวกรปฏิบัติตามหลักการเลือกที่ได้รับการยอมรับเจ็ดประการเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และการบำรุงรักษา:

หลักการที่ 1 — ความสามารถในการทำความสะอาด

ของไหลที่ ไม่สะอาดหรือมีแนวโน้มที่จะเกิดการอุดตันและสะสมตะกรันควรถูกส่งผ่านด้านท่อ ช่องตรงของท่อช่วยให้สามารถทำความสะอาดด้วยแปรง ที่ขูด หรือเครื่องฉีดน้ำแรงดันสูงได้ — การดำเนินการที่ยากกว่ามากที่จะทำในด้านเปลือกเนื่องจากรูปทรงที่ซับซ้อนของแผ่นกั้นและชุดท่อ

หลักการที่ 2 — การจัดการการกัดกร่อน

ของไหลที่ กัดกร่อน

ควรไหลผ่านด้านท่อเสมอ กลยุทธ์การป้องกันนี้จำกัดการกัดกร่อนไว้ที่ท่อและส่วนประกอบช่อง ซึ่งสามารถอัปเกรดเป็นโลหะผสมที่ทนต่อการกัดกร่อนได้โดยเฉพาะ ในขณะที่ตัวเปลือกยังคงผลิตจากเหล็กคาร์บอนมาตรฐานได้ — หลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพพร้อมกันของทั้งชุดท่อและโครงสร้างรับแรงดัน

หลักการที่ 3 — การทำงานที่แรงดันสูงของไหลที่ทำงานที่ แรงดันสูง

ควรถูกกำหนดให้เป็นด้านท่อ ท่อขนาดเล็กสามารถทนต่อแรงดันภายในสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเปลือกขนาดใหญ่ ซึ่งช่วยลดความหนาผนังและน้ำหนักอุปกรณ์โดยรวมได้อย่างมาก หลักการนี้เป็นผลโดยตรงจากสมการความเค้นตามแนวเส้นรอบวง (hoop stress equation) ซึ่งความเค้นจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับเส้นผ่านศูนย์กลางของภาชนะ

หลักการที่ 4 — ไอควบแน่นไอน้ำอิ่มตัวและไอควบแน่นที่สะอาดอื่นๆ

จัดการได้ดีที่สุดในด้านเปลือก ไอน้ำอิ่มตัวมีความสะอาดโดยธรรมชาติและไม่ทำให้พื้นผิวถ่ายเทความร้อนเกิดการอุดตัน นอกจากนี้ สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนด้านเปลือกสำหรับไอควบแน่นนั้นไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วการไหลเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องมีชุดแผ่นกั้นที่ซับซ้อน ปริมาตรเปลือกที่ใหญ่ยังช่วยให้การระบายคอนเดนเสทมีประสิทธิภาพภายใต้แรงโน้มถ่วง

หลักการที่ 5 — การระบายความร้อนของไหลที่ ต้องการการระบายความร้อนหรือการกระจายความร้อน

ได้รับประโยชน์จากการวางไว้ในด้านเปลือก ซึ่งพื้นผิวด้านนอกที่ใหญ่กว่าของตัวเปลือกจะแผ่ความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมโดยธรรมชาติ ช่วยเสริมกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนหลัก

หลักการที่ 6 — การลดความเค้นจากความร้อนเมื่อ ความแตกต่างของอุณหนาระหว่างของไหลทั้งสองมีมาก

และเครื่องแลกเปลี่ยนใช้โครงสร้างที่แข็ง (แผ่นท่อแบบตายตัว) ของไหลที่มีสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนสูงกว่าควรถูกนำผ่านด้านเปลือก การจัดเรียงนี้จะลดความแตกต่างของอุณหภูมิที่ผนังท่อและลดความเค้นจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่แตกต่างกัน ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของข้อต่อท่อกับแผ่นท่อได้

หลักการที่ 7 — ของไหลหนืดสูง อัตราการไหลต่ำของไหลที่มีลักษณะเฉพาะคือ อัตราการไหลเชิงปริมาตรต่ำและมีความหนืดสูง

ควรถูกส่งผ่านด้านเปลือกเป็นที่นิยม ช่องทางการไหลด้านเปลือกมีพื้นที่หน้าตัดที่ใหญ่กว่า ซึ่งส่งผลให้ความเร็วของไหลต่ำลงและแรงดันตกน้อยลง สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับน้ำมันหนืด โพลิเมอร์ และสารละลายเข้มข้นในกระบวนการ ซึ่งหากไม่เป็นเช่นนั้น ต้นทุนการปั๊มจะสูงเกินไป

การเลือกวัสดุเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อสามารถผลิตจากวัสดุหลากหลายเพื่อให้เหมาะกับสภาพแวดล้อมกระบวนการที่แตกต่างกัน เหล็กคาร์บอนเป็นโซลูชันที่ประหยัดสำหรับการใช้งานที่ไม่กัดกร่อนและอุณหภูมิปานกลาง ทองแดงและโลหะผสมทองแดงให้การนำความร้อนที่ดีเยี่ยมและความต้านทานต่อการเกิดตะไคร่น้ำตามธรรมชาติ ทำให้เหมาะสำหรับน้ำสะอาดและการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ สแตนเลส

เกรด (304, 316, ดูเพล็กซ์) ให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่เหนือกว่าสำหรับสภาพแวดล้อมทางเคมีที่รุนแรง กระบวนการที่มีความบริสุทธิ์สูง และการใช้งานที่อุณหภูมิสูงในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เภสัชกรรม และการกลั่นแอลกอฮอล์

ความสำคัญทางอุตสาหกรรม