เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ

บทนำ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เป็นองค์ประกอบสำคัญในกระบวนการทางอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ ช่วยให้ความร้อนสามารถถ่ายเทจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่งได้โดยไม่ต้องสัมผัสโดยตรง ในบรรดาหลายประเภทที่มีอยู่ — รวมถึงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น ท่อแบบครีบ เกลียว และแบบท่อคู่ — เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อ (STHE) มีความโดดเด่นในการใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลก ความอเนกประสงค์ ความทนทาน และประสิทธิภาพทำให้เป็นรากฐานสำคัญของการจัดการระบายความร้อนในภาคส่วนต่างๆ เช่น การผลิตไฟฟ้า น้ำมันและก๊าซ HVAC กระบวนการทางเคมี และอื่นๆ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อคืออะไร?

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อประกอบด้วยชุดของท่อที่อยู่ภายในเปลือกทรงกระบอก ของเหลวชนิดหนึ่งไหลผ่านท่อ ในขณะที่ของเหลวอีกชนิดหนึ่งไหลผ่านท่อ (ภายในเปลือก) เพื่อแลกเปลี่ยนความร้อน การสัมผัสทางอ้อมนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการถ่ายเทความร้อนโดยไม่ต้องผสมของไหล

โครงสร้างพื้นฐาน:
ท่อ: โดยทั่วไปจะจัดเรียงเป็นกลุ่มและอาจมีลักษณะตรงหรือเป็นรูปตัวยู

เปลือก: ภาชนะทรงกระบอกที่ล้อมรอบท่อซึ่งบรรจุของเหลวที่สอง

แผ่นท่อ: แผ่นที่ยึดท่อไว้ในตำแหน่งและแยกของเหลว

แผ่นกั้น: นำทางของเหลวด้านเปลือกเพื่อเพิ่มความปั่นป่วนและการถ่ายเทความร้อน

หัวหรือฝาปิด: จ่ายของเหลวเข้าและออกจากท่อโดยตรง

หลักการทำงาน

หลักการทำงานหลักของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อคือการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนระหว่างของเหลวสองชนิดที่อุณหภูมิต่างกัน ความร้อนไหลจากที่ร้อนกว่าไปยังของเหลวที่เย็นกว่าผ่านผนังท่อ

มีการกำหนดค่าโฟลว์หลักสามแบบ:

การไหลแบบขนาน - ของไหลทั้งสองเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน

การไหลสวนทาง – ของไหลเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อประสิทธิภาพที่สูงขึ้น

Crossflow - ของไหลไหลตั้งฉากกัน

การออกแบบที่หลากหลาย

เพื่อให้เหมาะกับการใช้งานที่หลากหลาย ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อได้รับการออกแบบให้มีรูปแบบที่แตกต่างกัน:

One-pass หรือ Multi-pass (ของเหลวทำให้หนึ่งหรือหลายครั้งผ่านท่อ)

แผ่นท่อคงที่ – เรียบง่ายและประหยัด จำกัดการขยายตัวทางความร้อนต่ำ

หัวลอยหรือท่อรูปตัว U – รองรับการขยายตัวทางความร้อน ทำความสะอาดและบำรุงรักษาได้ง่ายขึ้น

มาตรฐาน TEMA – สมาคมผู้ผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนท่อ (TEMA) กำหนดมาตรฐาน STHE ให้เป็นคลาส (R, C, B) สำหรับการกลั่นน้ำมัน เชิงพาณิชย์ และการใช้สารเคมี

เหตุใดจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด?

1. ความคล่องตัว
เครื่องแลกเปลี่ยนเปลือกและท่อสามารถรองรับอุณหภูมิที่หลากหลาย (สูงถึง 1,000°C) และแรงดัน (สูงถึง 500 บาร์) สามารถปรับแต่งได้ตามความต้องการของกระบวนการ ของเหลว และสภาพแวดล้อมการติดตั้งมากมาย

2. ความทนทานและความน่าเชื่อถือ
ตัวแลกเปลี่ยนเหล่านี้สร้างขึ้นด้วยวัสดุที่ทนทาน เช่น สแตนเลส ไทเทเนียม หรืออินโคเนล จึงเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและมีความเครียดสูง มีอายุการใช้งานยาวนานพร้อมการบำรุงรักษาที่เหมาะสม

3. ความสามารถในการขยายขนาด
มีจำหน่ายในหลากหลายขนาด ตั้งแต่หน่วยขนาดเล็กสำหรับห้องปฏิบัติการไปจนถึงโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

4. ความง่ายในการบำรุงรักษา
รุ่นต่างๆ เช่น การออกแบบท่อรูปตัว U หรือหัวแบบลอยทำให้สามารถทำความสะอาดและเปลี่ยนท่อได้โดยไม่ต้องรื้อทั้งระบบ

5. ประสิทธิภาพเชิงความร้อน
ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม (เช่น แผ่นกั้น การผ่านหลายรอบ) STHE สามารถถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการจัดการการไหลทวน

การใช้งานทั่วไป

1. อุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ
สารหล่อลื่นหล่อเย็นและน้ำมันไฮดรอลิก

การนำความร้อนกลับคืนจากก๊าซไอเสีย

การควบแน่นของไอน้ำและไอระเหย

2. การผลิตไฟฟ้า
เครื่องทำน้ำอุ่นป้อน

คอนเดนเซอร์ไอน้ำในโรงไฟฟ้าพลังความร้อน

3. การแปรรูปทางเคมี
การควบคุมอุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์

การทำความร้อนและความเย็นของผลิตภัณฑ์

4. HVAC และเครื่องทำความเย็น
ระบบน้ำเย็น

คอนเดนเซอร์และเครื่องระเหย

5. ทางทะเลและอวกาศ
ระบบระบายความร้อนของเครื่องยนต์

การนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่

วัสดุก่อสร้าง
การเลือกใช้วัสดุเป็นสิ่งสำคัญและขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และความต้านทานการกัดกร่อน:

เหล็กกล้าคาร์บอน – ทั่วไปสำหรับการใช้งานที่มีต้นทุนต่ำ

สแตนเลส – ทนต่อการกัดกร่อนสูง

โลหะผสมทองแดง – นำความร้อนได้ดีเยี่ยม

ไทเทเนียม – ใช้สำหรับน้ำทะเลหรือของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง

โลหะผสมนิกเกิล (อินโคเนล, ฮาสเตลลอย) – สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง