Nejrozšířenější výměník tepla: Trubkový výměník tepla

Úvod

Výměníky tepla jsou základní součástí mnoha průmyslových a komerčních procesů, které umožňují přenos tepla z jednoho média do druhého bez přímého kontaktu. Mezi mnoha dostupnými typy – včetně deskových, žebrovaných trubkových, spirálových a dvoutrubkových výměníků tepla – vyniká plášťový a trubkový výměník tepla (STHE) jako celosvětově nejpoužívanější. Jeho všestrannost, odolnost a účinnost z něj činí základní kámen tepelného managementu v odvětvích, jako je výroba energie, ropa a plyn, HVAC, chemické zpracování a další.

Co je plášťový a trubkový výměník tepla?

Trubkový výměník tepla se skládá ze série trubek uzavřených ve válcovém plášti. Jedna tekutina protéká trubkami, zatímco jiná tekutina protéká trubicemi (uvnitř pláště) za účelem výměny tepla. Tento nepřímý kontakt zajišťuje přenos tepla bez mísení tekutin.

Základní struktura:
Trubky: Obvykle jsou uspořádány ve svazcích a mohou být rovné nebo ve tvaru U.

Plášť: Válcová nádoba obklopující zkumavky, obsahující druhou tekutinu.

Trubkové listy: Desky, které drží zkumavky na místě a izolují tekutiny.

Přepážky: Vedení kapaliny na straně pláště ke zvýšení turbulence a přenosu tepla.

Hlavy nebo koncové uzávěry: Nasměrujte kapalinu do trubek a ven z nich.

Pracovní princip

Primárním pracovním principem trubkového výměníku tepla je přenos tepla mezi dvěma kapalinami při různých teplotách konvekcí. Teplo proudí z teplejší do chladnější tekutiny přes stěnu trubky.

Existují tři hlavní konfigurace toku:

Paralelní tok – Obě tekutiny se pohybují stejným směrem.

Protiproud – kapaliny se pohybují v opačných směrech pro vyšší účinnost.

Crossflow – Tekutiny proudí navzájem kolmo.

Varianty designu

Aby vyhovovaly různým aplikacím, jsou plášťové a trubkové výměníky tepla navrženy v různých konfiguracích:

Jednoprůchodový nebo víceprůchodový (kapalina provádí jeden nebo více průchodů trubicemi)

Pevná trubka – jednoduchá a hospodárná; omezena na nízkou tepelnou roztažnost.

Plovoucí hlava nebo U-trubka – přizpůsobuje se tepelné roztažnosti; snadnější čištění a údržba.

Normy TEMA – Asociace výrobců trubkových výměníků (TEMA) standardizuje STHE do tříd (R, C, B) pro rafinérské, komerční a chemické použití.

Proč je nejrozšířenější?

1. Všestrannost
Plášťové a trubkové výměníky zvládnou široký rozsah teplot (až 1000°C) a tlaků (až 500 barů). Jsou přizpůsobitelné pro mnoho procesních požadavků, kapalin a instalačních prostředí.

2. Trvanlivost a spolehlivost
Tyto výměníky jsou vyrobeny z robustních materiálů, jako je nerezová ocel, titan nebo Inconel, a jsou vhodné do korozního a vysoce namáhaného prostředí. Mají dlouhou životnost při správné údržbě.

3. Škálovatelnost
Jsou k dispozici v široké škále velikostí — od malých jednotek pro laboratoře až po masivní průmyslové instalace.

4. Snadná údržba
Modely jako U-trubice nebo konstrukce s plovoucí hlavou umožňují čištění a výměnu trubek bez demontáže celého systému.

5. Tepelná účinnost
S vhodnou konstrukcí (např. přepážky, více průchodů) mohou STHE dosáhnout velmi účinného přenosu tepla, zejména v protiproudých uspořádáních.

Běžné aplikace

1. Ropný a plynárenský průmysl
Chladicí maziva a hydraulické kapaliny

Rekuperace tepla ze spalin

Kondenzace páry a par

2. Výroba energie
Ohřívače napájecí vody

Parní kondenzátory v tepelných elektrárnách

3. Chemické zpracování
Regulace teploty reaktorů

Ohřev a chlazení produktu

4. HVAC a chlazení
Systémy chlazené vody

Kondenzátory a výparníky

5. Námořní a letecký průmysl
Systémy chlazení motoru

Rekuperace odpadního tepla

Stavební materiály
Výběr materiálu je kritický a závisí na teplotě, tlaku a odolnosti proti korozi:

Uhlíková ocel – Běžná pro nízkonákladové aplikace.

Nerezová ocel – vysoká odolnost proti korozi.

Slitiny mědi – Vynikající tepelná vodivost.

Titan – Používá se pro mořskou vodu nebo vysoce korozivní kapaliny.

Slitiny niklu (Inconel, Hastelloy) – Pro extrémní prostředí.