Introduzione agli scambiatori di calore Cryogenic Shell e Tube

Gli scambiatori di calore a guscio e a tubo sono i cavalletti di lavoro della gestione termica in settori che gestiscono fluidi criogenici. Questi dispositivi gestiscono i differenziali di temperatura estrema necessari per immagazzinare e trasferire liquidi come azoto liquido (LN2), ossigeno liquido (LO2) e argon liquido (LAr) senza cambiamenti di fase indesiderati o incidenti di sicurezza.

Comprensione dei liquidi criogenici

I liquidi criogenici sono sostanze che esistono in forma liquida a temperature inferiori a -150°C (-238°F). Esempi comuni includono azoto (-196°C), ossigeno (-183°C), e elio (-269°C). A queste basse temperature, le proprietà fisiche dei fluidi e dei materiali cambiano drasticamente. I fluidi criogenici hanno punti di ebollizione molto bassi, elevati rapporti di espansione su raffreddamento del vaporizzatore e possono causare il deterioramento dei fluidi nei trasferimenti di calore.

Principi di progettazione del nucleo per il servizio criogenico

La progettazione di un scambiatore di calore per liquidi criogenici richiede un bilanciamento delle prestazioni del trasferimento di calore con integrità strutturale e sicurezza.

Selezione dei materiali

I materiali utilizzati negli scambiatori di calore criogenici devono mantenere la tenacità e la duttilità alle temperature di servizio. I materiali indiretti], in particolare i gradi 304, 304L, 316, e 316L, sono le scelte più comuni a causa della loro eccellente resistenza a bassa temperatura e resistenza alla corrosione.

Espansione termica e contrazione

Quando uno scambiatore di calore criogenico viene raffreddato da temperatura ambiente a funzionamento, i componenti possono contrarsi fino allo 0,3% di lunghezza (circa 3 mm al metro). Questa contrazione differenziale tra tubi e conchiglie, che sono spesso realizzati in materiali diversi o operano a temperature diverse, induce uno stress significativo.

Efficienza del trasferimento di calore

I coefficienti di trasferimento di calore elevati sono essenziali per ridurre l'area superficiale e ridurre le dimensioni e i costi. In scambiatori criogenici, il coefficiente di trasferimento termico lato shell è spesso inferiore al tubo-side a causa della bassa conducibilità termica dei film di gas che possono formare.

Caratteristiche di sicurezza e contenimento della pressione

Gli scambiatori di calore criogenici possono essere sottoposti a pressioni elevate (spesso fino a 30 bar o più) per evitare la vaporizzazione. Il design deve rispettare i codici dei vasi di pressione (ASME, PED, ecc.) e includere valvole di scarico di pressione dimensionate per l'esposizione al fuoco e le prese bloccate.

Sfide di progettazione e soluzioni di ingegneria comuni

Anche con principi sonori, la progettazione di servizio criogenico presenta ostacoli che richiedono ingegneria creativa.

Brittleness materiale e bassa durata

In caso di temperature criogeniche, i metalli che sono normalmente duttili possono subire una transizione duttile-to-brittle. Ciò è particolarmente pericoloso in componenti soggetti a carichi ciclici o impatto. La soluzione è quella di selezionare materiali con basse temperature di transizione, verificati da Charpy V-notch test alla temperatura di servizio minima.

Stresse termiche e fatigue

I più grandi stress si verificano vicino a tubi-to-tubo e a ugelli di shell. [[LT:0] Soluzioni] includono l'utilizzo di elementi flessibili come il rumore della shell, la progettazione con i flussi di espansione.

Minimizzare le perdite di calore

I sistemi di isolamento dei rifiuti sono stati progettati per l'isolamento dei rifiuti.

Prevenire il cambiamento di fase indesiderato

In caso di accumulo e trasferimento criogenico, l'obiettivo è spesso quello di mantenere il liquido come un liquido saturato o subcooled ed evitare il lampeggiamento al vapore. Gli scambiatori di calore devono fornire una sufficiente temperatura di subcooling o di controllo preciso La soluzione è quella di progettare per un

Considerazioni avanzate di progettazione per prestazioni avanzate

Oltre alle basi, diversi aspetti tecnici avanzati possono ottimizzare i scambiatori di conchiglie e tubi per il dovere criogenico.

Progettazione di layout e baffle

La disposizione dei tubi all'interno della shell influisce in modo significativo sulla distribuzione del flusso e sul trasferimento di calore Le bilance triangolari arrotolate [[[FLT: 1]] offrono il più alto trasferimento di calore per volume di unità e sono preferite per i servizi criogenici puliti.

Sistemi di isolamento e rivestimento sottovuoto

Per prestazioni ottimali, lo scambiatore di calore più tubazioni associate può essere posizionato all'interno di un giacca di vapore che viene evacuato al di sotto di 1×10−4 mbar. Questo elimina la convezione e riduce la conduzione di condutture e radiazioni. La giacca stessa può essere fatta di acciaio al carbonio per la resistenza, ma deve essere separata dallo scambiatore da standoffs per evitare la condensazione.

Stabilità del flusso e considerazioni di due fasi

Il sistema di controllo del flusso di gas è basato su un sistema di controllo di controllo.

Migliori Pratiche per l'Operazione e la Manutenzione

Anche il miglior design dello scambiatore di calore richiede un corretto funzionamento e manutenzione per raggiungere una lunga durata. Le seguenti pratiche sono critiche per gli scambiatori di tubi e conchiglie criogeniche.

  • Controlled Cooldown:[] Seguire sempre una procedura di raffreddamento prescritta. Introdurre fluido freddo gradualmente ad una velocità che mantiene la tensione termica inferiore ai limiti (tipicamente 0,01% al minuto).
  • Controllo di umidità e umidità:[ Prima di raffreddare, purificare il sistema con azoto secco o elio per rimuovere l'umidità e l'aria. L'umidità si blocca a temperature criogeniche e può bloccare i tubi o i guarnizioni di danno.
  • Ispezione regolare:[] Ispezionare i dispositivi di riduzione della pressione ogni anno. Eseguire test idrostatici o pneumatici per esigenze di codice a intervalli di manutenzione.
  • Vacuum Integrity:[] Per scambiatori a vuoto, monitorare continuamente il livello di vuoto. Un aumento della pressione indica una perdita o un'estrazione.
  • Detezione del prodotto:[] Utilizzare i test di perdita di elio per i sigillamenti sottovuoto e pressione.
  • Recordkeeping:[] Documentare tutti i dati di temperatura, pressione e vibrazione.
  • Parti di ricambio:[] Tenere i fasci di tubi di ricambio e le guarnizioni critiche a portata di mano.

L'implementazione di queste migliori pratiche, gli operatori possono estendere significativamente la durata di servizio degli scambiatori di calore criogenici e ridurre al minimo i tempi di fermo non previsti.

Conclusioni

Progettare conchiglie e scambiatori di calore per liquidi criogenici è una disciplina complessa ma ben compresa. Selezionando materiali con una adeguata resistenza a bassa temperatura, la contabilità per l'espansione termica, ottimizzando le superfici di trasferimento termico, e incorporando robuste caratteristiche di sicurezza, gli ingegneri possono creare scambiatori che svolgono in modo affidabile per decenni. L'aggiunta di tecniche avanzate come isolamento sotto vuoto, stabilizzazione del flusso bifase e progettazione meccanica accurata migliora ulteriormente l'efficienza e la sicurezza.

Per ulteriori informazioni, consultare ASME BPVC Sezione VIII Divisione 1, ]Engineering Toolbox for cryogenic fluid properties[, e ]]standard per i vasi criogenici]] da organismi nazionali di standard.