La scelta di uno scambiatore di calore inizia dal processo
UNscambiatore di calore industriale a fascio tubieropuò sembrare un apparecchio relativamente semplice: un guscio cilindrico, un fascio di tubi e alcune connessioni.
Ma il design vero e proprio è molto più complicato.
Uno scambiatore di calore dimensionato correttamente per un processo potrebbe funzionare male in un altro. Un'area di trasferimento del calore-insufficiente può provocare temperature di uscita inadeguate, mentre un'area eccessiva aumenta i costi delle apparecchiature. Una velocità del flusso errata può causare incrostazioni, erosione o un'eccessiva caduta di pressione.
Per le applicazioni industriali l’obiettivo non è semplicemente trovare uno scambiatore di calore con un certo numero di tubi.
L’obiettivo è trovare il giusto equilibrio tra:
Prestazioni di trasferimento di calore + Caduta di pressione + Resistenza alle incrostazioni + Affidabilità meccanica + Costo del ciclo di vita
Questa guida spiega i fattori chiave che gli ingegneri e i team di acquisto dovrebbero considerare quando scelgono uno scambiatore di calore a fascio tubiero industriale.
Che cos'è uno scambiatore di calore industriale a fascio tubiero?
Uno scambiatore di calore a fascio tubiero trasferisce il calore tra due fluidi senza consentire loro di mescolarsi direttamente.
Un fluido scorre attraverso i tubi, mentre l'altro scorre attorno ai tubi all'interno del guscio.
Il calore passa attraverso la parete del tubo dal fluido più caldo al fluido più freddo.
A seconda del processo, lo scambiatore può essere utilizzato per:
- Riscaldamento da liquido-a-liquido
- Raffreddamento da liquido-a-liquido
- Raffreddamento del gas
- Condensazione
- Riscaldamento a vapore
- Preriscaldamento del fluido di processo
- Raffreddamento dell'olio
- Recupero del calore residuo
Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono ampiamente utilizzati in:
- Raffinerie di petrolio
- Impianti petrolchimici
- Impianti chimici
- Generazione di energia
- Lavorazione degli alimenti
- Produzione farmaceutica
- Utilità industriali
- HVAC e raffreddamento di processo
La loro popolarità deriva dalla loro flessibilità, resistenza meccanica e capacità di gestire temperature e pressioni relativamente elevate.
Inizia con il servizio termico
Il primo parametro da stabilire è il rendimento termico richiesto.
In termini semplici, il rendimento termico indica quanta energia termica deve essere trasferita.
Per un fluido mono-fase, un calcolo di base può essere espresso come:
Q=m × Cp × ΔT
Dove:
Q= servizio di riscaldamento
m= portata di massa
Cp= capacità termica specifica
ΔT= cambiamento di temperatura
Ad esempio, se un processo richiede un notevole aumento della temperatura a una portata elevata, lo scambiatore richiederà una capacità di trasferimento del calore- notevolmente maggiore.
Il calcolo diventa più complicato quando sono coinvolti il cambiamento di fase, la condensazione o l'evaporazione.
Questo è il motivo per cui è necessario fornire al produttore dati di processo accurati prima del dimensionamento finale dell'apparecchiatura.
Determinare l'area di scambio termico richiesta
Una volta noto il carico termico, gli ingegneri possono stimare l'area di trasferimento termico-richiesta.
Una relazione semplificata è:
Q=U × A × ΔTlm
Dove:
Q= servizio di riscaldamento
U=coefficiente di trasferimento termico-complessivo
A= area di-trasferimento di calore
ΔTlm= log della differenza di temperatura media
Il coefficiente di trasferimento termico-complessivo dipende da molte variabili, tra cui:
- Proprietà dei fluidi
- Velocità del flusso
- Materiale del tubo
- Diametro del tubo
- Incrostazione
- Viscosità del fluido
- Disposizione dei flussi
Questo è il motivo per cui specificare semplicemente uno scambiatore di calore in base alla capacità o alle dimensioni fisiche può essere fuorviante.
Due scambiatori con lo stesso diametro del mantello possono avere prestazioni termiche molto diverse.
Controcorrente o flusso parallelo?
La disposizione del flusso ha un impatto notevole sulle prestazioni-del trasferimento di calore.
Controcorrente
In uno scambiatore di calore in controcorrente i due fluidi si muovono in direzioni opposte.
Questa disposizione generalmente fornisce una forza motrice della temperatura effettiva più elevata e può ottenere prestazioni termiche migliori.
È spesso preferito per le applicazioni industriali in cui è importante massimizzare il recupero del calore.
Flusso parallelo
Entrambi i fluidi si muovono nella stessa direzione.
Questa configurazione può essere utile per alcune applicazioni, ma generalmente fornisce una forza motrice a temperatura media inferiore rispetto al controflusso.
Per molte applicazioni industriali a fascio tubiero, gli ingegneri mirano a realizzare una soluzione che fornisca un efficace trasferimento di calore in controcorrente.
Come si sceglie il lato del tubo e il lato del guscio?
Questa è una delle decisioni di progettazione più importanti.
Il fluido posizionato sul lato del tubo non deve essere selezionato in modo casuale.
Gli ingegneri possono prendere in considerazione:
Fluidi corrosivi
È possibile inserire un fluido corrosivo all'interno dei tubi perché i tubi possono essere fabbricati con una lega resistente alla corrosione-mantenendo relativamente bassa la quantità di materiale costoso.
Fluidi ad alta-pressione
I fluidi ad alta-pressione vengono spesso presi in considerazione per il lato del tubo perché tubi di-diametro più piccolo possono essere meccanicamente più facili da progettare per l'alta pressione rispetto a un guscio di grandi dimensioni.
Fluidi incrostanti
Un fluido che potrebbe sporcarsi può essere posizionato sul lato del tubo se è necessaria una pulizia meccanica più semplice.
Fluidi viscosi
I fluidi altamente viscosi possono trarre vantaggio da una configurazione che migliora il trasferimento di calore mantenendo la caduta di pressione entro limiti accettabili.
La decisione finale dipende dal processo effettivo.
Il diametro e la lunghezza del tubo sono importanti
La geometria del tubo influisce direttamente sul trasferimento di calore e sulla caduta di pressione.
I diametri esterni comuni dei tubi includono approssimativamente:
- 12,7 mm
- 15,9 mm
- 19,05 mm
- 25,4 mm
Il diametro appropriato dipende da:
- Portata
- Viscosità del fluido
- Tendenza al fouling
- Metodo di pulizia
- Caduta di pressione
- Area di trasferimento del calore-richiesta
Tubi più lunghi possono fornire una maggiore-area di trasferimento del calore senza aumentare il diametro del guscio, ma potrebbero richiedere più spazio di installazione e aumentare la caduta di pressione.
Tubi più corti possono semplificare la manutenzione e l'installazione ma potrebbero richiedere un guscio più grande o passaggi multipli.
Non esiste una dimensione del tubo universalmente "migliore".
I passaggi del tubo influiscono sulle prestazioni
Uno scambiatore di calore a fascio tubiero può utilizzare:
- 1 passaggio del tubo
- 2 passaggi in metropolitana
- 4 passaggi del tubo
- 6 passaggi in metropolitana
- Accordi più complessi
Aumentando il numero di passaggi del tubo generalmente aumenta la velocità del fluido, che può migliorare il trasferimento di calore.
Tuttavia, una velocità più elevata aumenta anche la caduta di pressione.
Pertanto, la scelta del pass-per la metropolitana è un equilibrio tra:
Trasferimento di calore e caduta di pressione
Ad esempio, raddoppiando il numero di passaggi del tubo è possibile migliorare le prestazioni-di trasferimento del calore, ma l'aumento della caduta di pressione-associato potrebbe essere inaccettabile per un sistema-limitato dalla pompa.
Questo è il motivo per cui la progettazione termica e la progettazione idraulica devono essere eseguite insieme.
Le incrostazioni sono uno dei maggiori problemi degli scambiatori di calore industriali
Un nuovo scambiatore di calore può funzionare molto bene se pulito.
La situazione può cambiare significativamente dopo mesi di funzionamento.
Le incrostazioni possono derivare da:
- Solidi sospesi
- Scala
- Prodotti di corrosione
- Depositi di petrolio
- Materiali organici
- Cristallizzazione
- Polimerizzazione
Le incrostazioni creano un'ulteriore resistenza termica, riducendo le prestazioni di trasferimento del calore-.
Può anche aumentare la caduta di pressione.
Un buon design industriale considera quindi non solo le prestazioni pulite, ma anche le prestazioni sporche.
Scegli il materiale giusto per il tubo
La selezione del materiale dovrebbe essere basata sulle condizioni del processo.
I materiali comuni includono:
Acciaio al carbonio
Adatto per molti servizi industriali generali in cui la corrosione è gestibile.
Acciaio inossidabile 304
Fornisce una migliore resistenza alla corrosione per un'ampia gamma di applicazioni.
Acciaio inossidabile 316L
Spesso selezionato per ambienti corrosivi più impegnativi.
Acciaio inossidabile duplex
Può fornire elevata robustezza e migliore resistenza a determinati meccanismi di corrosione.
Leghe a base di-nichel
Utilizzato per applicazioni altamente corrosive o ad alta-temperatura in cui gli acciai inossidabili convenzionali potrebbero non fornire una resistenza sufficiente.
La selezione del materiale dovrebbe considerare:
- Temperatura
- Pressione
- Concentrazione di cloruro
- pH
- Composizione fluida
- Meccanismo di corrosione
- Vita utile prevista
La scelta del materiale più economico può ridurre i costi iniziali delle apparecchiature ma aumentare le spese del ciclo di vita.
Non ignorare la caduta di pressione
Uno scambiatore di calore può avere eccellenti prestazioni di trasferimento di calore-e tuttavia avere una progettazione scadente se la caduta di pressione è troppo elevata.
Una caduta di pressione eccessiva può aumentare:
- Consumo energetico della pompa
- Carico del compressore
- Costi operativi
La caduta di pressione ammissibile dovrebbe quindi essere stabilita prima di finalizzare la progettazione dello scambiatore.
Il design deve bilanciare:
Maggiore velocità → Migliore trasferimento di calore
contro:
Velocità maggiore → Caduta di pressione maggiore
Questo è uno dei compromessi fondamentali-nella progettazione degli scambiatori di calore.
Considerare la pulizia e la manutenzione prima dell'acquisto
Gli scambiatori di calore alla fine necessitano di pulizia.
A seconda del processo, i metodi di pulizia possono includere:
- Pulizia meccanica del tubo
- Pulizia chimica
- Pulizia con acqua ad alta-pressione
- Sistemi di pulizia on-line
Se il processo presenta elevate incrostazioni, un fascio tubiero rimovibile o una configurazione meccanica adeguata possono fornire vantaggi significativi in termini di manutenzione.
Prima di ordinare chiedere:
- È possibile rimuovere il fascio tubiero?
- C'è abbastanza spazio per l'estrazione del fascio?
- I tubi possono essere puliti meccanicamente?
- Le guarnizioni di ricambio sono facilmente reperibili?
- I singoli tubi possono essere riparati o tappati?
La pianificazione della manutenzione dovrebbe far parte del progetto originale.
Piastra tubiera fissa, tubo a U-o testa flottante?
Anche la configurazione dello scambiatore di calore è importante.
Piastra tubiera fissa
Vantaggi:
Costruzione relativamente semplice
Costo iniziale inferiore
Design compatto
Limitazione:
La dilatazione termica tra mantello e tubi deve essere attentamente considerata.
Scambiatore di calore con tubo a U-
I tubi sono piegati a forma di U.
Vantaggi:
Gestisce efficacemente l'espansione termica
Adatto per determinati servizi ad alta-temperatura
Non è necessario alcun giunto di dilatazione separato
Limitazione:
La pulizia meccanica dell'interno della curva a U-può essere più difficile.
Testa galleggiante
Il design della testa-mobile consente una maggiore flessibilità per l'espansione termica e la manutenzione.
I vantaggi includono:
Buona capacità di dilatazione termica
Rimozione del pacchetto più semplice
Migliore idoneità per alcuni servizi impegnativi
Il compromesso-è rappresentato da una maggiore complessità meccanica e, in genere, da un costo iniziale più elevato.
Progettazione per le condizioni operative effettive
Uno scambiatore di calore dovrebbe essere progettato attorno a entrambicondizioni operative normaliEcondizioni di progettazione.
I parametri importanti includono:
- Pressione di esercizio
- Pressione di progetto
- Temperatura operativa
- Temperatura di progetto
- Portata
- Composizione fluida
- Densità
- Viscosità
- Calore specifico
- Conduttività termica
Se le condizioni del processo possono variare in modo significativo, lo scambiatore dovrebbe essere valutato anche in diversi scenari operativi.
Un sistema che funziona bene in una determinata condizione potrebbe non funzionare altrettanto bene durante l'avvio, l'arresto, lo spegnimento o il funzionamento stagionale.
Quali standard dovrebbero essere considerati?
Gli scambiatori di calore industriali a fascio tubiero potrebbero dover essere conformi a specifici standard di progettazione e fabbricazione a seconda del progetto.
Gli standard comunemente citati possono includere:
- ASME Sezione VIII
- TEMA
- Standard API per i servizi di raffineria applicabili
- Requisiti PED
- standard GB
- Specifiche specifiche del cliente-
Il codice applicabile dipende dall'ubicazione del progetto, dalla classificazione della pressione, dall'applicazione e dai requisiti del proprietario.
Dovrebbe essere confermato prima che inizi la progettazione dettagliata.
Come scegliere un produttore di scambiatori di calore industriali a fascio tubiero
Un buon produttore dovrebbe fornire più di un semplice assemblaggio di guscio e tubi.
Quando si valutano i fornitori, verificare la loro capacità di fornire:
Ingegneria termica
Calcoli del-servizio termico
Calcoli dell'area-di{1}}trasferimento del calore
Calcoli della caduta di pressione-
Analisi delle prestazioni termiche
Industria meccanica
Progettazione della conchiglia
Design della lamiera-tubo
Progettazione degli ugelli
Analisi della dilatazione termica
Selezione dei materiali
Produzione
Saldatura o espansione di tubo-a-piastra tubiera
Fabbricazione di precisione
Controllo della saldatura
Trattamento superficiale
Controllo dimensionale
Controllo di qualità
Certificati dei materiali
NDT
Test idrostatico
Test di tenuta
Documentazione di ispezione
Supporto al progetto
Guida all'installazione
Assistenza alla messa in servizio
Documentazione tecnica
Assistenza post-vendita
Per progetti complessi, un fornitore con capacità ingegneristiche ed EPC può fornire valore aggiuntivo coordinando lo scambiatore di calore con altre apparecchiature di processo.
Scambiatore di calore industriale a fascio tubiero di Chunlei Chemical Machinery
Chunlei Chemical Machinery fornisce soluzioni di scambiatori di calore industriali personalizzate per l'industria chimica, petrolchimica, di raffineria e di processo.
Invece di selezionare le apparecchiature da un catalogo fisso, possiamo progettare scambiatori di calore a fascio tubiero in base alle effettive condizioni operative del processo del cliente.
A seconda delle esigenze del progetto, l'attrezzatura può essere personalizzata secondo:
- Dovere di calore
- Portata
- Temperatura operativa
- Pressione di esercizio
- Materiale del tubo
- Materiale del guscio
- Diametro del tubo
- Lunghezza del tubo
- Numero di passaggi del tubo
- Condizioni di incrostazione
- Requisiti di pulizia
- Norme di progettazione applicabili
Le nostre capacità vanno oltre la produzione di apparecchiature.
Per progetti di processo più ampi, Chunlei Chemical Machinery può anche fornire:
Ingegneria → Produzione → Supporto all'installazione → Messa in servizio → Servizi EPC
Ciò consente di valutare lo scambiatore di calore come parte del sistema di processo completo piuttosto che come un'apparecchiatura isolata.
Quali informazioni dovresti fornire per un preventivo per uno scambiatore di calore?
Se desideri un preventivo accurato, fornisci quante più informazioni possibili tra le seguenti.
Lato caldo
Nome del fluido
Portata
Temperatura di ingresso
Temperatura di uscita
Pressione di esercizio
Pressione di progetto
Lato freddo
Nome del fluido
Portata
Temperatura di ingresso
Temperatura di uscita
Pressione di esercizio
Pressione di progetto
Requisiti dell'attrezzatura
Dovere di calore
Caduta di pressione ammissibile
Requisiti materiali
Caratteristiche del fouling
Metodo di pulizia
Norme applicabili
Quanto più complete sono le informazioni sul processo, tanto più accuratamente il costruttore potrà dimensionare lo scambiatore.
Lista di controllo per l'acquisto di scambiatori di calore a fascio tubiero industriali
Prima di effettuare un ordine, confermare:
- Servizio termico richiesto
- Portata lato caldo-
- Portata lato freddo-
- Temperature di ingresso e uscita
- Pressioni di esercizio e di progetto
- Caduta di pressione ammissibile
- Proprietà dei fluidi
- Tendenza al fouling
- Materiale del tubo
- Materiale del guscio
- Diametro e lunghezza del tubo
- Numero di passaggi del tubo
- Metodo di pulizia
- Codice di progettazione applicabile
- Requisiti di ispezione
- Programma di consegna
- Requisiti di installazione
Questa lista di controllo può prevenire molti malintesi comuni durante l'approvvigionamento delle apparecchiature.
Considerazioni finali
Selezionando unscambiatore di calore industriale a fascio tubieronon è semplicemente una questione di scegliere l'area di trasferimento termico-più grande o la quotazione più bassa.
Il miglior design deve bilanciare:
Prestazioni termiche + Prestazioni idrauliche + Compatibilità dei materiali + Manutenibilità + Costo del ciclo di vita
Uno scambiatore di calore che fornisce un eccellente trasferimento di calore ma provoca un'eccessiva caduta di pressione non è un progetto ottimizzato.
Uno scambiatore a basso-costo che richiede una pulizia frequente può diventare costoso da gestire.
Inoltre, uno scambiatore ad alte-prestazioni fabbricato con un materiale inadatto può creare seri problemi di affidabilità.
L'approccio giusto è quello di iniziare con i dati di processo, calcolare il carico termico richiesto, valutare le prestazioni termiche e idrauliche, selezionare materiali e configurazioni appropriati, quindi scegliere un produttore in grado di fornire l'apparecchiatura secondo gli standard ingegneristici e di qualità richiesti.
Per l'industria chimica, petrolchimica, delle raffinerie e di altri processi, lo scambiatore di calore giusto non dovrebbe solo soddisfare i requisiti operativi odierni.
Dovrebbe continuare a funzionare in modo affidabile come parte dell'impianto per gli anni a venire.
Domande frequenti
D: A cosa serve uno scambiatore di calore industriale a fascio tubiero?
R: Viene utilizzato per trasferire il calore tra due fluidi senza miscelazione diretta. Le applicazioni comuni includono il riscaldamento e il raffreddamento dei processi, il raffreddamento dell'olio, il riscaldamento del vapore, la condensazione, il preriscaldamento dell'alimentazione e il recupero del calore di scarto.
D: Come posso determinare la dimensione richiesta dello scambiatore di calore?
R: Le dimensioni dipendono principalmente dal carico termico, dalle portate dei fluidi, dalle temperature di ingresso e uscita, dal coefficiente di trasferimento termico-, dalla caduta di pressione consentita e dalle condizioni di incrostazione. È necessario completare un calcolo termico e idraulico prima del dimensionamento finale.
D: Qual è il design migliore: piastra tubiera fissa, tubo a U-o testa- flottante?
R: Non esiste una risposta universale. I design con piastre tubiere fisse sono relativamente semplici ed economici, i design con tubi a U-gestiscono bene l'espansione termica e i design con testa flottante-forniscono una maggiore flessibilità per l'espansione termica e la manutenzione. Le condizioni del processo dovrebbero determinare la configurazione.
D: Quale materiale deve essere utilizzato per i tubi?
R: L'acciaio al carbonio, l'acciaio inossidabile 304, 316L, l'acciaio inossidabile duplex e le leghe di nichel possono essere tutti adatti a seconda del processo. La selezione del materiale dovrebbe basarsi sulla temperatura, sulla pressione, sulla composizione del fluido, sul contenuto di cloruro e sul rischio di corrosione.
D: Come posso ridurre le incrostazioni dello scambiatore di calore?
R: Una velocità adeguata del fluido, materiali appropriati, una geometria idonea del tubo, una buona distribuzione del flusso, un'adeguata tolleranza alle incrostazioni e un'appropriata strategia di pulizia possono aiutare a controllare le incrostazioni.
D: Chunlei Chemical Machinery può personalizzare gli scambiatori di calore a fascio tubiero?
R: Sì. Chunlei Chemical Machinery può personalizzare gli scambiatori di calore a fascio tubiero in base al carico termico, alla portata, alla temperatura, alla pressione, al materiale, alla configurazione dei tubi, alle condizioni di incrostazione e agli standard di progettazione applicabili.
D: Chunlei Chemical Machinery può supportare progetti di processo completi?
R: Sì. Oltre alla produzione di apparecchiature, Chunlei Chemical Machinery può fornire supporto tecnico, assistenza all'installazione, supporto alla messa in servizio e servizi di progetto EPC per progetti chimici e petrolchimici idonei.
Hai bisogno di uno scambiatore di calore a fascio tubiero industriale?
Chunlei Chemical Machinery fornisce scambiatori di calore a fascio tubiero personalizzati per applicazioni chimiche, petrolchimiche, di raffineria e di processi industriali.
