Kabuk ve Borulu Isı Eşanjörü Nedir?

Bir kabuk ve borulu ısı değiştirici , birbirine karışmalarına izin vermeden iki akışkan arasında termal enerjiyi aktarmak için tasarlanmış bir endüstriyel basınçlı kap sınıfıdır. Petrol rafinerilerinde, büyük kimyasal proseslerde ve enerji üretim tesislerinde kullanılan en yaygın ısı değiştirici türüdür, çünkü sağlam tasarımı ve aşırı basınç ve sıcaklıkları idare etme yeteneği vardır.

Temel tasarım, adından da anlaşılacağı gibi tam olarak şöyledir: büyük bir dış basınçlı kap ( kabuk ), bir demet küçük boruyu ( borular ) içerir. Bir akışkan boruların içinden akarken, ikinci akışkan kabuk içindeki boruların dışından akar ve ısıyı termal olarak iletken boru duvarları aracılığıyla aktarır.

Bir kabuk ve borulu ısı değiştirici oldukça özelleştirilebilir, ancak tüm tasarımlar dört kritik mekanik bileşene dayanır:

• Boru Demeti: Temel ısı transfer yüzeyi. Borular genellikle yüksek iletkenliğe sahip, korozyona dayanıklı metallerden (titanyum, bakır alaşımları veya paslanmaz çelik gibi) yapılır.

• Kabuk: İkinci akışkanı içeren dış silindir. Sistemin iç basıncına dayanacak şekilde tasarlanmıştır ve çevreye termal kaybı önlemek için genellikle yalıtılmıştır.

• Boru Levhaları: Boruları kabul etmek için delinmiş kalın metal plakalar. Borular, kabuk tarafı akışkanını boru tarafı akışkanından ayıran sızdırmaz bir conta oluşturmak için bu levhalara genişletilir veya kaynaklanır.

• Baffle'lar: Kabuk içine monte edilmiş iç plakalar. İki hayati amaca hizmet ederler: uzun boruları titreşimi önlemek için desteklemek ve kabuk tarafı akışkanını boru demeti boyunca zikzak bir desende akmaya zorlamak, bu da türbülans oluşturur ve ısı transferini en üst düzeye çıkarır.

Bir kabuk ve borulu ısı değiştiricinin boyutlandırılması ve verimliliği, temel ısı transfer denklemi ile yönetilir:

Akışkanların her ikisinin de değiştirici boyunca akarken sıcaklıkları değiştiği için, aralarındaki sıcaklık farkı sabit değildir. Mühendisler, ısı transferi için gerçek ortalama itici gücü hesaplamak üzere Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD) kullanırlar.

Akışkan sıcaklıklarının ısı değiştiricinin fiziksel boyutunu nasıl belirlediğini anlamak için aşağıdaki simülatörü kullanın. LMTD'yi ve gerekli yüzey alanını ( $A$) hesaplamak için sıcak ve soğuk akışlarınızın giriş ve çıkış sıcaklıklarını hedef ısı yükünüzle birlikte ayarlayın.

Yukarıdaki widget tek bir geçiş varsayarken, endüstriyel kabuk ve borulu ısı değiştiriciler nadiren bu kadar basittir. Akışkanın değiştiricinin uzunluğu boyunca kaç kez geçtiğine göre sınıflandırılırlar.

• 1-1 Değiştirici (Tek Geçiş): Akışkan boruların bir ucundan girer ve diğerinden çıkar. Kabuk akışkanı da aynısını yapar.

• 1-2 Değiştirici (İki Geçişli Boru): Boru akışkanı girer, boruların yarısı boyunca ilerler, bir U-bend'e (veya geri dönüş başlığına) çarpar ve boruların diğer yarısı boyunca geri döner. Bu, akışkan hızını ikiye katlar ve ısı transfer katsayısını ( $U$) artırır, ancak daha fazla pompa gücü gerektirir.

• Çoklu Geçiş (örneğin, 2-4 Değiştirici): Daha küçük bir fiziksel alanda türbülansı ve termal verimliliği en üst düzeye çıkarmak için büyük endüstriyel görevler için kullanılır.

Ekipman belirtilirken, kabuk ve borulu tasarıma birincil alternatif bir Plakalı Isı Değiştiricidir (PHE).

TEMA, Boru Değiştirici Üreticileri Derneği anlamına gelir. Kabuk ve borulu ısı değiştiricilerin mekanik tasarımını, toleranslarını ve adlandırmasını (örneğin, BEM, AEL, NEN türleri) belirleyen küresel standarttır.

Kirlenme, ısı transfer yüzeylerinde kir, tortu veya biyolojik büyümenin birikmesidir. Bir kabuk ve borulu değiştiricinin kabuk tarafının mekanik olarak temizlenmesi çok zor olduğundan, mühendisler her zaman "en kirli" veya en aşındırıcı akışkanı boruların içinden geçirirler, bu da yüksek basınçlı su jetleriyle temizlenebilir.

Baffle'lar katı diskler değildir; genellikle %20 ila %30 "kesik" (yarım ay gibi) vardır. Bu, kabuk tarafı akışkanını boru demeti boyunca dikey olarak yukarı ve aşağı akmaya zorlar, durgun "ölü bölgeleri" en aza indirir ve optimum ısı transferi için gereken türbülanslı karışımı en üst düzeye çıkarır.