HEAT EXCHANGER SHELL dan TUBE

Perpindahan Panas Shell and Tube


Aliran fluida simulasi untuk penukar gaya shell and tube; The inlet shell adalah di bagian belakang atas dan outlet di latar depan di bagian bawah
Sebuah penukar panas shell and tube adalah kelas penukar panas desain. Ini adalah jenis yang paling umum dari penukar panas di kilang minyak dan lainnya proses kimia besar, dan cocok untuk tinggi-tekanan aplikasi. Seperti namanya, jenis penukar panas terdiri dari shell (besar bejana tekanan ) dengan bundel tabung di dalamnya. Salah satu cairan mengalir melalui tabung, dan cairan lainnya mengalir di atas tabung (melalui shell) untuk mentransfer panas antara dua. Ini set tabung yang disebut bundel pipa, dan dapat terdiri oleh beberapa jenis tabung: polos, bersirip longitudinal, dll

Teori dan Aplikasi
Dua cairan, suhu yang mulai berbeda, mengalir melalui penukar panas. Satu mengalir melalui tabung (sisi tabung) dan aliran lain di luar tabung tapi di dalam shell (sisi shell). Panas dipindahkan dari satu fluida ke lain melalui dinding tabung, baik dari sisi tabung ke sisi shell atau sebaliknya.. Cairan dapat berupa cairan atau gas di kedua shell atau sisi tabung. Dalam rangka untuk mentransfer panas secara efisien, besar perpindahan panas daerah harus digunakan, yang mengarah ke penggunaan tabung banyak. Dengan cara ini, limbah panas dapat dimanfaatkan. Ini merupakan cara yang efisien untuk menghemat energi.
Penukar panas dengan hanya satu fase (cair atau gas) di setiap sisi bisa disebut satu-fase atau fase-tunggal penukar panas. Dua tahap penukar panas dapat digunakan untuk memanaskan cairan mendidih ke gas (uap), kadang-kadang disebut boiler , atau mendinginkan uap berkondensasi menjadi (disebut cairan kondensor ), dengan perubahan fasa biasanya terjadi pada shell samping. Boiler dalam mesin uap lokomotif biasanya besar, biasanya berbentuk cylindrically-shell-dan-tabung penukar panas. Dalam besar pembangkit listrik dengan uap-driven turbin , shell-dan-tabung kondensor permukaan digunakan untuk memadatkan pembuangan uap keluar turbin menjadi kondensat air yang didaur ulang kembali untuk diubah menjadi uap dalam generator uap.
Shell dan desain tabung penukar panas
Ada dapat banyak variasi pada desain shell dan tube. . Biasanya, ujung tabung masing-masing terhubung ke ventilasi (kadang-kadang disebut kotak air) melalui lubang di tubesheets. The tubes may be straight or bent in the shape of a U, called U-tubes. Tabung mungkin lurus atau bengkok dalam bentuk U, disebut U-tabung.

Dalam pembangkit listrik tenaga nuklir yang disebut reaktor air bertekanan , penukar panas besar yang disebut generator uap dua-tahap, penukar panas shell-dan-tabung yang biasanya memiliki U-tabung Mereka digunakan untuk mendidihkan air daur ulang dari kondensor permukaan menjadi uap untuk menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik. Sebagian besar shell-dan-tabung penukar panas yang baik 1, 2, atau 4 desain lulus pada sisi tabung. Hal ini mengacu pada jumlah kali cairan dalam tabung melewati cairan di shell. Dalam sebuah penukar panas single pass, cairan berjalan di salah satu ujung tabung masing-masing dan keluar yang lain.

Permukaan kondensor dalam pembangkit listrik sering 1-pass penukar panas tabung lurus (lihat kondensor Permukaan untuk diagram). . Dua dan empat desain lulus yang umum karena cairan tersebut dapat masuk dan keluar di sisi yang sama. Hal ini membuat konstruksi yang lebih sederhana.

Sering ada baffle mengarahkan aliran melalui sisi shell sehingga cairan tidak mengambil jalan pintas melalui sisi shell meninggalkan volume efektif aliran rendah.
Counter penukar panas saat ini yang paling efisien karena mereka mengijinkan tertinggi log berarti perbedaan suhu antara aliran panas dan dingin. Namun banyak perusahaan tidak menggunakan penukar panas lulus tunggal karena mereka dapat mudah pecah selain menjadi lebih mahal untuk membangun. Seringkali beberapa exchangers panas dapat digunakan untuk mensimulasikan arus counter penukar tunggal yang besar.
Pemilihan material tabung
dapat mentransfer panas dengan baik, material tabung yang baik harus memiliki konduktivitas termal . Karena panas dipindahkan dari panas ke sisi dingin melalui tabung, ada suhu perbedaan melalui lebar tabung . Karena kecenderungan material tabung untuk memperluas termal berbeda pada berbagai suhu, tegangan termal terjadi selama operasi. Ini merupakan tambahan untuk setiap stres dari tinggi tekanan dari cairan sendiri. Bahan tabung juga harus kompatibel dengan kedua shell dan cairan tabung samping untuk jangka waktu yang lama di bawah kondisi operasi ( suhu , tekanan, pH , dll) untuk meminimalkan kerusakan seperti korosi . Semua persyaratan ini panggilan untuk pemilihan hati-hati yang kuat, termal-konduktif, tahan korosi, tabung bahan berkualitas tinggi, biasanya logam , termasuk paduan tembaga , stainless steel , baja karbon , non-ferrous paduan tembaga, Inconel , nikel , Pelindung dan titanium Pilihan yang buruk dari bahan tabung bisa mengakibatkan kebocoran melalui tabung antara sisi shell dan tube menyebabkan kontaminasi silang cairan dan kemungkinan hilangnya tekanan.

Penukar panas kontak langsung melibatkan perpindahan panas antara aliran panas dan dingin dari dua fase dalam tidak adanya tembok yang memisahkan [8] Dengan demikian penukar panas tersebut dapat diklasifikasikan sebagai.:

Gas – cair
Bercampur cair – cair
Padat-cair atau padat – gas

Penukar panas kontak yang paling langsung jatuh di bawah kategori Gas-Cair, dimana panas ditransfer antara gas dan cairan dalam bentuk tetes, film atau semprotan. [2]

Jenis seperti penukar panas yang digunakan terutama di AC, humidifikasi, pendinginan air dan tanaman kondensasi. [9]
Fase [10] Mengemudi fase terus-menerus memaksa Perubahan fase Contoh
Gas – Gas Gravitasi Tidak Cair Semprot kolom, kolom dikemas
Ya menara pendingin, evaporator tetesan jatuh
Paksa pendingin Spray Tidak / quenchers
Aliran cairan Ya Semprot kondensor / penguapan, kondensor jet
Cair Gravitasi Tidak kolom gelembung, kolom baki berlubang
Kolom Bubble kondensor Ya
Paksa Tidak spargers Gas
Aliran gas evaporator kontak langsung Ya, pembakaran terendam

HVAC udara gulungan
Salah satu kegunaan terluas penukar panas untuk pengkondisian udara bangunan dan kendaraan. Kelas ini penukar panas biasanya disebut kumparan udara, atau hanya kumparan karena sering serpentin tabung internal mereka. Cair-ke-udara, atau udara-ke-cair HVAC gulungan biasanya pengaturan crossflow dimodifikasi. Dalam kendaraan, kumparan panas sering disebut core pemanas.

Di sisi cair dari penukar panas, cairan umum adalah air, larutan air-glikol, uap, atau refrigeran. Untuk koil pemanas, air panas dan uap adalah yang paling umum, dan ini cairan dipanaskan disediakan oleh boiler, misalnya. Untuk kumparan pendingin, air dingin dan refrigeran yang paling umum. Air dingin dipasok dari chiller yang berpotensi terletak sangat jauh, tapi refrigeran harus datang dari unit kondensasi di dekatnya. Ketika refrigeran yang digunakan, kumparan pendingin evaporator dalam siklus refrigerasi kompresi uap. Kumparan HVAC yang menggunakan ekspansi ini langsung dari refrigeran yang biasa disebut gulungan DX.

Di sisi udara koil HVAC perbedaan yang signifikan antara yang digunakan untuk pemanasan, dan orang-orang untuk pendinginan. Karena psychrometrics, udara yang didinginkan sering memiliki kelembaban kondensasi dari itu, kecuali dengan aliran udara yang sangat kering. Pemanas udara beberapa peningkatan bahwa kapasitas aliran udara untuk menahan air. Jadi koil pemanasan tidak perlu mempertimbangkan kondensasi uap air di udara samping mereka, tetapi kumparan pendingin harus cukup dirancang dan dipilih untuk menangani laten khusus mereka (kelembaban) serta (pendingin) yang masuk akal beban. Air yang dihapus disebut kondensat.

Bagi banyak iklim, air atau uap HVAC gulungan dapat terkena kondisi beku. Karena air memperluas atas titik beku, ini agak mahal dan sulit untuk mengganti berdinding tipis penukar panas dapat dengan mudah rusak atau hancur dengan hanya satu membeku. Dengan demikian, membekukan perlindungan kumparan adalah perhatian utama dari desainer HVAC, installer, dan operator.

Pengenalan lekukan ditempatkan dalam sirip pertukaran panas dikontrol kondensasi, yang memungkinkan molekul air untuk tetap di udara didinginkan. Penemuan ini memungkinkan untuk pendinginan tanpa icing mekanisme pendingin [11].

Penukar panas dalam tungku pembakaran langsung, yang khas pada rumah tinggal banyak, tidak “gulungan”. Mereka adalah, sebaliknya, penukar panas gas-ke-udara yang biasanya terbuat dari logam lembaran baja dicap. Produk pembakaran lulus pada salah satu sisi dari penukar panas, dan udara untuk AC di sisi lain. Sebuah penukar panas retak karena itu situasi berbahaya yang membutuhkan perhatian segera karena produk-produk pembakaran maka kemungkinan untuk memasuki gedung.

Sebuah penukar panas spiral (SHE), bisa merujuk ke konfigurasi (melingkar) tabung heliks, lebih umum, istilah merujuk kepada sepasang permukaan datar yang bergelung untuk membentuk dua saluran dalam pengaturan counter-flow. Masing-masing dari dua saluran memiliki satu jalur melengkung panjang. Sepasang port fluida yang terhubung tangensial pada lengan luar spiral, dan port aksial yang umum, tapi opsional [12].

Keuntungan utama dari DIA adalah penggunaan yang sangat efisien ruang. Atribut ini sering dimanfaatkan dan sebagian dialokasikan untuk mendapatkan perbaikan lain dalam kinerja, menurut pengorbanan terkenal dalam desain penukar panas. (Sebuah tradeoff penting adalah biaya modal vs biaya operasi.) Sebuah kompak DIA dapat digunakan untuk memiliki footprint yang lebih kecil dan dengan demikian menurunkan semua-sekitar biaya modal, atau lebih dari ukuran DIA dapat digunakan untuk memiliki penurunan tekanan kurang, kurang memompa energi , efisiensi termal lebih tinggi, dan biaya energi yang lebih rendah.

Konstruksi
Jarak antara lembaran dalam saluran spiral dipelihara dengan menggunakan spacer stud yang dilas sebelum bergulir. Setelah paket spiral utama telah digulung, atas alternatif dan tepi bawah dilas dan setiap akhir ditutup oleh penutup datar atau kerucut gasketed melesat ke tubuh. Hal ini memastikan tidak ada pencampuran dua cairan akan terjadi. Jika kebocoran terjadi, maka akan dari penutup pinggiran ke atmosfer, atau ke bagian yang berisi fluida yang sama [13].

membersihkan Diri
Shes sering digunakan dalam pemanasan cairan yang mengandung padatan dan dengan demikian memiliki kecenderungan untuk mengotori bagian dalam penukar panas. Penurunan tekanan rendah memberikan DIA kemampuannya untuk menangani fouling lebih mudah. SHE menggunakan “membersihkan diri” mekanisme, dimana permukaan mengotori menyebabkan peningkatan lokal di kecepatan fluida, sehingga meningkatkan drag (atau gesekan cairan) pada permukaan mengotori, sehingga membantu untuk mengusir penyumbatan dan menjaga penukar panas bersih. “Dinding internal yang membentuk permukaan perpindahan panas sering agak tebal, yang membuat DIA sangat kuat, dan mampu bertahan lama di lingkungan menuntut.” Mereka juga mudah dibersihkan, membuka keluar seperti oven mana setiap membangun dari foulant dapat dihilangkan dengan mencuci tekanan.

Self-Pembersihan filter Air yang digunakan untuk menjaga sistem bersih dan berjalan tanpa perlu untuk mematikan atau mengganti kartrid dan tas.
Pengaturan Arus
Bersamaan dan lawan arus.

Ada tiga jenis utama mengalir dalam suatu penukar panas spiral:

Counter-arus Arus: Cairan mengalir dalam arah berlawanan. Ini digunakan untuk aplikasi pendingin cair-cair, kondensasi dan gas. Unit biasanya dipasang vertikal ketika kondensasi uap dan dipasang horizontal ketika menangani konsentrasi padatan tinggi.
Arus spiral / Cross Flow: Satu fluida dalam aliran spiral dan yang lainnya di aliran silang. Spiral bagian aliran dilas pada setiap sisi untuk jenis penukar panas spiral. Jenis aliran cocok untuk menangani gas kepadatan rendah yang melewati aliran silang, menghindari kehilangan tekanan. Hal ini dapat digunakan untuk cair-cair aplikasi jika satu cair memiliki kecepatan aliran jauh lebih besar dari yang lain.
Uap didistribusikan aliran / Spiral: Desain ini adalah kondensor, dan biasanya dipasang secara vertikal. Hal ini dirancang untuk memenuhi sub-pendinginan dari kedua kondensat dan non-condensables. Pendingin bergerak dalam spiral dan daun melalui atas. Gas panas yang masuk meninggalkan sebagai kondensat melalui outlet bawah.

Aplikasi

SHE baik untuk aplikasi seperti pasteurisasi, pemanasan digester, pemulihan panas, pra-pemanasan (lihat: recuperator), dan pendinginan efluen. Untuk pengobatan lumpur, shes umumnya lebih kecil daripada jenis lain penukar panas
Pemilihan
Karena banyak variabel yang terlibat, memilih penukar panas yang optimal adalah menantang. Perhitungan tangan yang mungkin, tetapi banyak iterasi yang biasanya diperlukan. Dengan demikian, penukar panas yang paling sering dipilih melalui program komputer, baik oleh desainer sistem, yang biasanya insinyur, atau oleh vendor peralatan.

Dalam rangka untuk memilih penukar panas yang tepat, perancang sistem (atau vendor peralatan) terlebih dahulu akan mempertimbangkan keterbatasan desain untuk setiap jenis penukar panas. Meskipun biaya sering kriteria pertama dievaluasi, ada beberapa kriteria seleksi penting lainnya yang meliputi:

Tinggi / Rendah Tekanan batas
Kinerja Termal
Suhu berkisar
Produk Campur (cair / cair, partikulat atau tinggi padat cair)
Tekanan Turun di exchanger
Kapasitas aliran fluida
Cleanability, pemeliharaan dan perbaikan
Bahan yang diperlukan untuk konstruksi
Kemampuan dan kemudahan ekspansi masa depan

Memilih penukar panas yang tepat (HX) membutuhkan beberapa pengetahuan tentang jenis penukar panas yang berbeda, serta lingkungan di mana unit harus beroperasi. Biasanya dalam industri manufaktur, jenis berbeda beberapa penukar panas yang digunakan untuk hanya proses satu atau sistem untuk mendapatkan produk akhir. Misalnya, HX ketel untuk pemanasan, pipa ganda HX untuk cairan ‘pembawa’ dan piring dan bingkai HX untuk pendinginan akhir. Dengan pengetahuan yang cukup jenis penukar panas dan persyaratan operasi, pilihan yang tepat dapat dibuat untuk mengoptimalkan proses. [14]
Monitoring dan pemeliharaan

Pemantauan Online penukar panas komersial dilakukan dengan melacak koefisien perpindahan panas keseluruhan. Koefisien perpindahan panas keseluruhan cenderung menurun dari waktu ke waktu karena fouling.

U = Q / AΔTlm

Secara berkala menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan dari tingkat aliran dan temperatur penukar, pemilik penukar panas dapat memperkirakan kapan membersihkan penukar panas akan menarik secara ekonomis.

Integritas pemeriksaan piring dan penukar panas tabung dapat diuji di situ oleh konduktivitas atau metode gas helium. Metode ini mengkonfirmasi integritas dari piring atau tabung untuk mencegah kontaminasi silang dan kondisi gasket.

Pemantauan integritas mekanik tabung penukar panas dapat dilakukan melalui metode tak rusak seperti pengujian arus eddy.

fouling
Sebuah penukar panas dalam stasiun tenaga uap terkontaminasi dengan macrofouling.

Fouling terjadi ketika deposit kotoran pada permukaan pertukaran panas. Endapan kotoran ini dapat disebabkan oleh:

Rendah dinding geser stres
Rendah kecepatan fluida
Tinggi kecepatan fluida
Reaksi presipitasi yang solid produk
Pengendapan kotoran terlarut karena suhu dinding tinggi

Tingkat pengotoran panas penukar ditentukan oleh deposisi tingkat partikel lebih re-entrainment/suppression. Model ini awalnya diusulkan pada tahun 1959 oleh Kern dan Seaton.

Minyak mentah Exchanger fouling. Dalam penyulingan minyak mentah komersial, minyak mentah dipanaskan dari 70F ke 650F sebelum memasuki kolom distilasi. Serangkaian penukar panas shell and tube biasanya digunakan untuk pertukaran panas antara minyak mentah dan aliran minyak lainnya, untuk mendapatkan minyak mentah ke 500F sebelum pemanasan dalam tungku. Fouling terjadi di sisi mentah ini exchanger karena asphaltene terpecahkannya. Sifat kelarutan asphaltene minyak mentah berhasil dimodelkan oleh Wiehe dan Kennedy. [15] presipitasi asphaltenes larut dalam kereta api panaskan minyak mentah telah berhasil dimodelkan sebagai reaksi orde pertama dengan Ebert dan Panchal [16] yang diperluas pada kerja Kern dan Seaton.

Pendingin Air fouling. Sistem air pendingin rentan terhadap pengotoran. Air pendingin biasanya memiliki kandungan padatan terlarut total yang tinggi dan padatan tersuspensi koloid. Curah hujan lokal terjadi padatan terlarut pada permukaan pertukaran panas karena suhu dinding lebih tinggi dari suhu cairan massal. Kecepatan fluida yang rendah memungkinkan padatan tersuspensi untuk menetap pada permukaan pertukaran panas. Air pendingin biasanya di sisi tabung penukar shell and tube karena mudah dibersihkan. Untuk mencegah pengotoran, desainer biasanya memastikan bahwa kecepatan air pendingin lebih besar dari 3 ft / s dan suhu cairan bulk dipertahankan kurang dari 140F. Pendekatan lain untuk mengontrol mengontrol pengotoran menggabungkan “buta” aplikasi biosida dan anti-bahan kimia dengan skala pengujian laboratorium periodik.
Pemeliharaan

Plate heat exchangers perlu dibongkar dan dibersihkan secara berkala. Tubular heat exchangers dapat dibersihkan dengan metode seperti membersihkan asam, sandblasting, tekanan tinggi air jet, membersihkan peluru, atau batang bor.

Dalam skala besar sistem pendingin air untuk penukar panas, pengolahan air seperti pemurnian, penambahan bahan kimia, dan pengujian, digunakan untuk meminimalkan fouling peralatan pertukaran panas. Pengolahan air lainnya juga digunakan dalam sistem uap untuk pembangkit listrik, dll untuk meminimalkan fouling dan korosi dari pertukaran panas dan peralatan lainnya.

Berbagai perusahaan telah mulai menggunakan teknologi air ditanggung osilasi untuk mencegah biofouling. Tanpa menggunakan bahan kimia, jenis teknologi telah membantu dalam memberikan penurunan tekanan rendah di penukar panas.

About these ads

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: