Scambiatore di calore a fascio tubiero

Conchiglia e scambiatore di calore a tubi sono costituiti da una serie di tubi in acciaio inossidabile. Una serie di questi tubi contiene il fluido che deve essere riscaldato o raffreddato. Il secondo fluido scorre sopra i tubi che vengono riscaldati o raffreddati, in modo da fornire il calore o assorbire il calore necessario. Un insieme di tubi è chiamato fascio tubiero e può essere composto da diversi tipi di tubi: lisci, alettati longitudinalmente, ecc. Tubi a fascio tubiero scambiatore di caloresono tipicamente utilizzati per applicazioni ad alta pressione (con pressioni superiori a 30 bar e temperature superiori a 260°C). Questo perché gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono robusti grazie alla loro forma.

Ci sono diverse caratteristiche di progettazione termica che devono essere prese in considerazione quando si progettano i tubi dello scambiatore di calore a fascio tubiero. Queste includono:

Diametro del tubo: L'utilizzo di un tubo di diametro ridotto rende lo scambiatore di calore economico e compatto. Tuttavia, è più probabile che il scambiatore di calore e le dimensioni ridotte rendono difficile la pulizia meccanica delle incrostazioni. Per ovviare ai problemi di incrostazione e pulizia, è possibile utilizzare tubi di diametro maggiore. Pertanto, per determinare il diametro del tubo, occorre considerare lo spazio disponibile, il costo e la natura delle incrostazioni dei fluidi.

Spessore del tubo: Lo spessore della parete dei tubi viene solitamente determinato per garantire la sicurezza:

C'è spazio sufficiente per corrosione

La vibrazione indotta dal flusso ha una resistenza

Resistenza assiale

Capacità di immagazzinare facilmente i costi delle parti di ricambio
A volte lo spessore della parete è determinato dal differenziale di pressione massimo attraverso la parete.

Lunghezza del tubo: gli scambiatori di calore sono solitamente più economici quando hanno un diametro del mantello minore e una lunghezza del tubo maggiore. In genere, quindi, si cerca di realizzare uno scambiatore di calore il più lungo possibile, pur non superando le capacità produttive. Tuttavia, ci sono molte limitazioni, tra cui lo spazio disponibile nel sito in cui verrà utilizzato e la necessità di garantire la disponibilità di tubi di lunghezza doppia rispetto a quella richiesta (in modo che i tubi possano essere estratti e sostituiti). Inoltre, va ricordato che i tubi lunghi e sottili sono difficili da estrarre e sostituire.

Passo dei tubi: quando si progettano i tubi, è pratico assicurarsi che il passo dei tubi (cioè la distanza centro-centro dei tubi adiacenti) non sia inferiore a 1,25 volte il diametro esterno dei tubi. Un passo dei tubi maggiore comporta un diametro complessivo del mantello più grande e quindi uno scambiatore di calore più costoso.

Corrugazione dei tubi: questo tipo di tubi, utilizzato principalmente per le camere d'aria, aumenta la turbolenza dei fluidi e l'effetto è molto importante per il trasferimento di calore, garantendo migliori prestazioni.

Disposizione dei tubi: si riferisce al modo in cui i tubi sono posizionati all'interno del guscio. Esistono quattro tipi principali di disposizione dei tubi: triangolare (30°), triangolare ruotata (60°), quadrata (90°) e quadrata ruotata (45°). Gli schemi triangolari sono utilizzati per ottenere un maggiore trasferimento di calore, in quanto costringono il fluido a scorrere in modo più turbolento attorno alla tubazione. Gli schemi quadrati sono utilizzati nei casi in cui si verificano incrostazioni elevate e la pulizia è più regolare.

Design dei deflettori: i deflettori sono utilizzati negli scambiatori di calore a fascio tubiero per dirigere il fluido attraverso il fascio tubiero. Corrono perpendicolarmente al mantello e trattengono il fascio, evitando che i tubi si affloscino per una lunga lunghezza. Possono anche impedire ai tubi di vibrare. Il tipo di deflettore più comune è quello a segmenti. I setti semicircolari sono orientati a 180 gradi rispetto ai setti adiacenti e costringono il fluido a scorrere verso l'alto e verso il basso tra il fascio di tubi. La spaziatura dei deflettori è di grande interesse termodinamico nella progettazione degli scambiatori di calore a fascio tubiero. I deflettori devono essere distanziati tenendo conto della conversione delle perdite di carico e del trasferimento di calore. Per l'ottimizzazione termoeconomica, si suggerisce che i deflettori non siano distanziati più di 20% del diametro interno del mantello. Una distanza troppo ravvicinata tra i deflettori provoca una maggiore perdita di carico a causa del reindirizzamento del flusso. Di conseguenza, se i deflettori sono troppo distanziati, è possibile che si verifichino punti di raffreddamento negli angoli tra i deflettori. È inoltre importante assicurarsi che i deflettori siano sufficientemente vicini per evitare che i tubi si affloscino. L'altro tipo principale di deflettore è il deflettore a disco e a ciambella, che consiste in due deflettori concentrici: il deflettore esterno più largo ha l'aspetto di una ciambella, mentre il deflettore interno ha la forma di un disco. Questo tipo di deflettore costringe il fluido a passare intorno a ciascun lato del disco e poi attraverso il deflettore a ciambella, generando un diverso tipo di flusso del fluido.

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