เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ Shell & Tube คืออะไร?

กเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อเป็นภาชนะรับความดันทางอุตสาหกรรมประเภทหนึ่งที่ออกแบบมาเพื่อถ่ายโอนพลังงานความร้อนระหว่างของไหลสองชนิดโดยไม่ปล่อยให้พวกมันผสมกัน เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภททั่วไปที่ใช้ในโรงกลั่นน้ำมัน กระบวนการทางเคมีขนาดใหญ่ และโรงงานผลิตไฟฟ้า เนื่องจากมีการออกแบบที่แข็งแกร่งและความสามารถในการรับมือกับแรงกดดันและอุณหภูมิที่รุนแรง

การออกแบบพื้นฐานตรงตามชื่อทุกประการ: ถังรับแรงดันด้านนอกขนาดใหญ่ (theเปลือก) ประกอบด้วยมัดท่อขนาดเล็ก (theหลอด). ของไหลชนิดหนึ่งไหลผ่านด้านในของท่อ ในขณะที่ของไหลตัวที่สองไหลผ่านด้านนอกของท่อภายในเปลือก โดยถ่ายเทความร้อนผ่านผนังของท่อนำความร้อน

1. กายวิภาคของผู้แลกเปลี่ยน

ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อสามารถปรับแต่งได้สูง แต่การออกแบบทั้งหมดอาศัยส่วนประกอบทางกลที่สำคัญสี่ประการ:

• มัดหลอด:พื้นผิวการถ่ายเทความร้อนแกนกลาง ท่อมักจะทำจากโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูงและทนทานต่อการกัดกร่อน (เช่น ไทเทเนียม โลหะผสมทองแดง หรือสแตนเลส)

• เชลล์:กระบอกด้านนอกที่บรรจุของไหลตัวที่สอง ได้รับการออกแบบให้ทนทานต่อแรงดันภายในของระบบ และมักเป็นฉนวนเพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อนสู่สิ่งแวดล้อม

• แผ่นท่อ:แผ่นโลหะหนาเจาะรูเพื่อรับท่อ ท่อถูกขยายหรือเชื่อมเข้ากับแผ่นเหล่านี้เพื่อสร้างซีลป้องกันการรั่วที่แยกของเหลวด้านเปลือกออกจากของเหลวด้านท่อ

• แผ่นกั้น:แผ่นภายในที่ติดตั้งอยู่ภายในเปลือก มีจุดประสงค์สำคัญสองประการ: การรองรับท่อยาวเพื่อป้องกันการสั่นสะเทือน และการบังคับให้ของเหลวด้านเปลือกไหลในรูปแบบซิกแซกข้ามมัดท่อ ซึ่งสร้างความปั่นป่วนและเพิ่มการถ่ายเทความร้อนได้สูงสุด

2. อุณหพลศาสตร์: การถ่ายเทความร้อน & LMTD

ขนาดและประสิทธิภาพของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่ออยู่ภายใต้สมการการถ่ายเทความร้อนพื้นฐาน:

ทำความเข้าใจกับ LMTD

เนื่องจากอุณหภูมิของของเหลวทั้งสองเปลี่ยนแปลงขณะไหลผ่านตัวแลกเปลี่ยน ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวทั้งสองจึงไม่คงที่ วิศวกรใช้บันทึกความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย (LMTD)เพื่อคำนวณแรงผลักดันเฉลี่ยที่แท้จริงสำหรับการถ่ายเทความร้อน

เครื่องคิดเลข LMTD และพื้นผิวแบบโต้ตอบ

หากต้องการทำความเข้าใจว่าอุณหภูมิของของเหลวกำหนดขนาดทางกายภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างไร ให้ใช้เครื่องจำลองด้านล่าง ปรับอุณหภูมิทางเข้าและทางออกของกระแสน้ำร้อนและน้ำเย็นของคุณ พร้อมกับภาระความร้อนเป้าหมาย เพื่อคำนวณ LMTD และพื้นที่ผิวที่ต้องการ ($เอ$).

3. การกำหนดค่าโฟลว์: ทำไมต้อง "มัลติพาส"

แม้ว่าวิดเจ็ตด้านบนจะถือว่าผ่านครั้งเดียว แต่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อในอุตสาหกรรมนั้นแทบจะไม่ง่ายขนาดนั้น แบ่งตามจำนวนครั้งที่ของไหลไหลผ่านความยาวของตัวแลกเปลี่ยน

• ผู้แลกเปลี่ยน 1-1 (ผ่านครั้งเดียว):ของเหลวจะไหลเข้าปลายด้านหนึ่งของท่อและไหลออกอีกด้านหนึ่ง ของเหลวจากเปลือกก็ทำเช่นเดียวกัน

• ตัวแลกเปลี่ยน 1-2 (ท่อสองทาง):ของเหลวในท่อจะเข้ามา เคลื่อนที่ลงไปครึ่งหนึ่งของท่อ ชนโค้งรูปตัวยู (หรือส่วนหัวกลับ) และเดินทางกลับลงไปอีกครึ่งหนึ่งของท่อ สิ่งนี้จะเพิ่มความเร็วของของไหลเป็นสองเท่าและเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ($U$) แม้ว่าจะต้องใช้กำลังสูบมากขึ้นก็ตาม

• มัลติพาส (เช่น ผู้แลกเปลี่ยน 2-4 คน):ใช้สำหรับงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่เพื่อเพิ่มความปั่นป่วนและประสิทธิภาพเชิงความร้อนให้สูงสุดภายในพื้นที่ทางกายภาพที่เล็กลง

4. Shell & Tube กับ Plate Heat Exchangers

เมื่อระบุอุปกรณ์ ทางเลือกหลักสำหรับการออกแบบเปลือกและท่อคือ Plate Heat Exchanger (PHE)

5. คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

TEMA คืออะไร?

TEMA ย่อมาจากสมาคมผู้ผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนท่อ. เป็นมาตรฐานสากลที่กำหนดการออกแบบทางกล ความคลาดเคลื่อน และระบบการตั้งชื่อ (เช่น ประเภท BEM, AEL, NEN) ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อ

"การเปรอะเปื้อน" ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนคืออะไร?

ความเปรอะเปื้อนคือการสะสมของสิ่งสกปรก ตะกรัน หรือการเติบโตทางชีวภาพบนพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน เนื่องจากด้านเปลือกของตัวแลกเปลี่ยนเปลือกและท่อทำความสะอาดกลไกได้ยากมาก วิศวกรมักจะกำหนดเส้นทางของของเหลวที่ "สกปรกที่สุด" หรือมีฤทธิ์กัดกร่อนมากที่สุดผ่านทางข้างในของท่อซึ่งสามารถทำความสะอาดได้ด้วยหอกน้ำแรงดันสูง

ทำไมแผ่นกั้นจึงถูกตัดเป็นมุม?

แผ่นกั้นไม่ใช่แผ่นแข็ง โดยปกติแล้วจะมี "รอยตัด" 20% ถึง 30% (เช่น พระจันทร์ครึ่งเสี้ยว) สิ่งนี้จะบังคับให้ของไหลด้านเปลือกไหลในแนวตั้งขึ้นและลงในมัดท่อ ช่วยลด "จุดตาย" ที่นิ่ง และเพิ่มการผสมปั่นป่วนสูงสุดที่จำเป็นสำหรับการถ่ายเทความร้อนที่เหมาะสมที่สุด