La loro robustezza e la capacità di gestire alte pressioni e temperature li rendono indispensabili per trasferire calore tra due fluidi. Tra le numerose decisioni di progettazione che gli ingegneri affrontano, la scelta tra un foglio di tubo fisso e una configurazione della testa galleggiante è una delle più consequenziali. Questa decisione colpisce non solo il costo iniziale e l'affidabilità del calore, ma anche i limiti di tempo di manutenzione.

Progettazione di fogli di tubo fissi

In uno scambiatore di calore a tubo fisso, entrambi i fogli di tubo sono saldati direttamente alla shell. I tubi sono laminati o saldati in questi fogli, creando un unico, montaggio rigido. Il guscio, il fascio di tubi e le lenzuola del tubo sono tutti fissati in relazione l'uno all'altro. Questo disegno è la costruzione più semplice e conveniente tra scambiatori di tubi e di conchiglia.

Dettagli di costruzione

I diametri tipici delle conchiglie vanno da pochi centimetri a oltre 60 pollici (1524 mm). Le lunghezze del tubo sono generalmente limitate dalla necessità di evitare un'eccessiva espansione termica differenziale. I layout standard del tubo includono i modelli triangolari, quadrati e quadrati ruotati. Il design del foglio del tubo fisso spesso incorpora un giunto di espansione (fasce) nella conchiglia quando si prevede un'espansione termica significativa tra il fascio del tubo e il fascio del tubo.

Vantaggi

  • Il costo iniziale più basso:[] I componenti più bassi e la fabbricazione più semplice riducono le spese di capitale.
  • Trattamenti di perdite ridotti:[ Con solo due giunti a guarnizione (al canale e al cofano), il rischio di perdite esterne è minimo. Il design della testa galleggiante ha quattro o più giunzioni guarnite.
  • Compatto e rigido:[] L'assenza di una gonna a testa galleggiante o guarnizioni interne permette un diametro più piccolo della shell e una lunghezza complessiva più breve, risparmiando spazio in pacchetti montati a pattino.
  • Semplificare la rimozione del fascio del tubo:[ In alcuni disegni, l'intero fascio può essere tirato dall'estremità del canale se viene fornita una copertura rimovibile, anche se questa non è una caratteristica primaria.
  • Contegno tubo più alto:[ Poiché non è necessario spazio aggiuntivo per una testa galleggiante, più tubi possono essere posizionati in un dato diametro della shell rispetto a un disegno testa galleggiante con lo stesso ID shell.

Svantaggi

  • Limiti di espansione termici:[ Senza un giunto di espansione, il design non può tollerare grandi differenze di temperatura tra lato shell e lato tubo. Anche con un giunto di espansione, ci sono limiti pratici sull'espansione.
  • Pulitura esterna del tubo difficolto:[ Il fascio del tubo è fissato all'interno della shell; le superfici esterne possono essere pulite solo con metodi chimici (ad esempio, pulizia dell'acido) o forando i singoli tubi. La pulizia meccanica come la sabbiatura è limitata perché il fascio non può essere rimosso facilmente.
  • Nessun accesso per l'ispezione o la sostituzione:[ Se un tubo perde, l'intero fascio potrebbe essere necessario sostituire o il tubo di fuga collegato, riducendo l'area di trasferimento di calore permanentemente.
  • Non adatto per temperature e alta pressione simultaneamente:[ L'effetto combinato può superare le sollecitazioni consentite anche con giunti di espansione.

Applicazioni tipiche

I sistemi di raffreddamento a tubi fissi sono ampiamente utilizzati nei servizi puliti, dove i condensatori a parete del tubo sono leggeri e a bordo della shell sono bassi. Le applicazioni comuni includono condensatori di superficie del vapore nelle centrali elettriche, i radiatori dell'olio]] su compressori e motori, i dissipatori di calore moderato

Design testa galleggiante

Lo scambiatore a testa galleggiante presenta un foglio di tubo fisso (il lato della testa stazionaria) e un secondo foglio di tubo che è libero di muoversi assialmente all'interno della shell. Il foglio di tubo mobile, chiamato la testa galleggiante, è racchiuso da un coperchio a testa galleggiante e fissato alla parte stazionaria del fascio. Questo disegno permette al fascio del tubo di espandersi e contrarsi indipendentemente dalla shell, eliminando lo stress termico.

Dettagli di costruzione

In un disegno a trazione, l'intero fascio del tubo può essere rimosso dalla testa stazionaria dopo aver rimosso il coperchio della testa galleggiante. Il fascio si dispiega, fornendo pieno accesso per l'ispezione, la pulizia e la sostituzione del tubo. La gonna della testa galleggiante è relativamente grande, che richiede un diametro più grande della shell rispetto ad un disegno della testa di imballaggio.

Vantaggi

  • Ottimo alloggio di espansione termica:[ Il fascio del tubo e la shell possono avere grandi differenze di temperatura senza sviluppare lo stress, rendendolo adatto per servizi differenziali ad alta temperatura o ad alta pressione.
  • Pacchetto tubo rimovibile:[] Il fascio può essere ritirato per una pulizia meccanica accurata degli esterni del tubo (ad esempio, idroblasting, sabbiatura) e per l'ispezione di singoli tubi.
  • Tube sostituto possibile:[] I singoli tubi possono essere sostituiti man mano che falliscono, prolungando la vita dello scambiatore.
  • L'intervallo di temperatura e pressione:[[] Gli scambiatori di testa galleggianti possono gestire temperature fino a 900°F (482°C) e pressioni superiori a 6.000 psi (414 bar) a seconda delle dimensioni e dei materiali.
  • Adattabile ad alti servizi di fouling:[] La facilità di pulizia lo rende ideale per processi con pesanti fouling a testa di guscio, come il petrolio grezzo, l'asfalto o soluzioni polimeriche.

Svantaggi

  • Costo iniziale più alto:[] Componenti aggiuntivi (copertina testa galleggiante, guarnizioni, anello di morsetto) e dimensioni più grandi aumentano il costo del capitale del 10-30% rispetto ad un'unità di lamiera fissa del tubo comparabile.
  • Più potenziali punti di perdita:[] Il giunto testa galleggiante, la guarnizione di copertura e l'imballaggio (se presente) aggiungono posizioni extra per perdite interne o esterne.
  • Diametro con guscio di larger:[ Per lo stesso numero di tubi, uno scambiatore a testa galleggiante ha bisogno di un diametro della shell di circa 2-4 pollici (50–100 mm) più grande per ospitare la clearance della testa, aumentando il peso e l'impronta.
  • La costruzione più complessa:[] Le tolleranze sono più strette, e la fabbricazione richiede saldatura e montaggio qualificati, portando a tempi di piombo più lunghi.
  • Maintenance complessitÃ:[] Rimuovere la testa galleggiante e tirare il fascio richiede l'attrezzatura di sollevamento e la clearance della shell, spesso aumentando i tempi di fermo.

Applicazioni tipiche

I sistemi di controllo di controllo sono generalmente utilizzati in , i dispositivi di controllo e di controllo [FLT: 1]], i dispositivi di alimentazione/scambio di corrente , i condensatori di flusso nelle colonne di distillazione,

Fattori chiave per la selezione di progettazione

Espansione termica e stress

Il fattore più critico che distingue i due progetti è il modo in cui si occupano di espansione termica differenziale. In uno scambiatore di fogli di tubo fisso, la shell e i tubi sperimentano diverse temperature metalliche (a seconda del processo e della disposizione del flusso). Se la differenza di temperatura supera circa 50°C (90°F) senza un giunto di espansione, gli stress assiali possono raggiungere i livelli di resa, causando la distorsione del tubo, o la perdita di giunto.

Manutenzione e pulizia

Per i servizi con la pulizia di fogli pesanti, come olio grezzo, polimeri o acqua di raffreddamento con solidi sospesi elevati, è essenziale la pulizia meccanica delle superfici esterne del tubo. I scambiatori di lamiera di tubo fissi possono essere puliti solo con metodi chimici o perforando i tubi, che non possono ripristinare completamente il trasferimento di calore.

Analisi dei costi

Tuttavia, l'analisi dei costi del ciclo di vita deve tener conto della frequenza di manutenzione, dei costi di arresto e della produzione persa. Nei servizi altamente fouling, la capacità di pulire rapidamente può compensare l'investimento iniziale più elevato entro pochi anni. Inoltre, se i guasti del tubo si verificano frequentemente, il costo dei tubi di spinazione in un'unità di foglio fisso (riduzione della capacità) contro la sostituzione dei tubi in un'unità di gestione dei costi fissi.

Considerazioni di perdite e sicurezza

Le perdite di scambiatore di calore rappresentano rischi per la sicurezza e l'ambiente. I progetti di fogli di tubi fissi hanno solo due giunti gassati esterni, la copertura del canale e il cofano, rendendoli intrinsecamente meno inclini a perdite esterne. I progetti di testa galleggiante hanno guarnizioni aggiuntive al coperchio della testa galleggiante e all'anello di morsetto, che sono interni alla shell.

Test di ispezione e non distruttiva

I controlli periodici dei tubi sono richiesti da codici (ad esempio API 510, ASME B31.3). In unità di lamiera fissa, l'ispezione interna dei tubi bores è semplice tramite il lato del canale, ma l'ispezione esterna dei tubi (ad esempio, per la pitting o l'erosione sul lato della shell) è impossibile senza tagliare la shell.

Guida alla decisione per la selezione di progetti

Le seguenti linee guida aiutano gli ingegneri a soddisfare le condizioni di processo del progetto:

  • Choose foglio di tubo fisso quando:[ [
      ] [
    • ]] La differenza di temperatura tra la parte di guscio e tubo è inferiore a 50°C (90°F) O un giunto di espansione è accettabile.
    • Sia lato shell che lato tubo sono puliti o hanno basso potenziale di fallo.
    • La manutenzione è minima e richiede tempi di recupero elevati senza frequenti pulizie.
    • Il costo è il fattore di sovraccarico, e il servizio non è critico (ad esempio, acqua pulita / raffreddamento ad acqua).
    • Lo spazio è limitato (ad esempio, unità montate a sci).
    • La tenuta del leak è fondamentale; meno giunti della guarnizione riducono il rischio di perdite esterne.
  • Choose testa galleggiante quando:[
      [
    • ] Esiste una grande differenza di temperatura (ad esempio, >100°C o 180°F) o il ciclismo termico è frequente.
    • La pulizia della superficie è pesante e meccanica.
    • È necessaria un'elevata disponibilità; la rimozione rapida del fascio per l'ispezione o la riparazione riduce i tempi di inattività.
    • La pressione è alta (sopra 500 psi) dove lo stress termico sarebbe problematico.
    • La sostituzione del tubo è prevista per la vita dell'unità.
    • Il fluido di processo non è pericoloso o il rischio di perdita interna può essere gestito.

In caso di confine, considerare uno scambiatore di calore [] (TEMA tipo BEU) come alternativa. I fasci U-tube possono espandersi liberamente come una testa galleggiante, ma hanno un foglio di tubo fisso al canale, semplificando la guarnizione. Tuttavia, i fasci U-tube non possono essere ripuliti meccanicamente all'interno delle curve, rendendoli inadatti per una severa selezione di tubi.

Conclusioni

La scelta tra un foglio di tubo fisso e un guscio di testa galleggiante e scambiatore di calore tubo è un equilibrio di costi di capitale, condizioni operative e strategia di manutenzione.