Trubkové výměníky tepla-a{1}}jsou široce používaná zařízení pro výměnu tepla v průmyslu a energetice. Jejich princip fungování je založen na přenosu tepla mezi dvěma tekutinami přes pevnou stěnu. Dosahují účinného přenosu tepla využitím proti-proudu nebo křížového{5}}proudu tekutin uvnitř trubek a tekutin na straně-skořepiny. Díky své robustní konstrukci, přizpůsobivosti a schopnosti zvládat složité provozní podmínky tato zařízení provádějí kritické úlohy výměny tepla v chladicích, chemických, HVAC a energetických systémech.
Základní struktura plášťového-a{1}}trubkového výměníku tepla zahrnuje plášť, svazek trubek, trubkovnici, přepážky a koncové uzávěry. Svazek trubek se skládá z několika rovnoběžných trubek, upevněných na obou koncích k trubkovnici, čímž tvoří uzavřený trubkový kanál. Plášť obklopuje svazek trubek a vytváří boční-prostor pláště, spojený na obou koncích s trubkovnicí a koncovými uzávěry a tvoří tak kompletní komoru pro průtok tekutiny. Když je zařízení v provozu, uvnitř trubic proudí jedna tekutina, která se nazývá tekutina na straně trubky; druhá tekutina proudí kolem svazku trubek na straně pláště, nazývaná-kapalina na straně pláště. Teplo se z vysokoteplotní kapaliny přenáší do kapaliny s nízkou teplotou stěnami trubice, čímž je dosaženo účelu ohřevu nebo chlazení.
Účinnost přenosu tepla závisí na stavu proudění tekutiny a rozdílu teplot. Pro zlepšení součinitele přestupu tepla jsou na straně pláště obvykle instalovány přepážky, které vedou tekutinu tak, aby proudila přes svazek trubek příčným nebo šikmým způsobem, což vytváří vícenásobné otáčky a více-průtokové proudění. Tento vzor proudění narušuje laminární hraniční vrstvu, zvyšuje turbulenci, čímž zvyšuje rychlost výměny tepla a činí rozložení teploty rovnoměrnější. Rozmístění a tvar přepážek je třeba optimalizovat na základě-rychlosti proudění na straně pláště, poklesu tlaku a požadavků na tlumení vibrací, aby se zabránilo únavovému poškození svazku trubek způsobenému vibracemi-vyvolanými tekutinou.
Během přenosu tepla mohou být tekutiny na straně trubky a na straně pláště uspořádány v konfiguracích proti-proudých,-proudých nebo křížových{2}}toků. Protiproudové uspořádání umožňuje dvěma kapalinám udržovat velký průměrný teplotní rozdíl během procesu výměny tepla, čímž je dosaženo vyšší teoretické účinnosti přenosu tepla; Souběžné uspořádání má za následek velký rozdíl teplot na vstupu a malý rozdíl teplot na výstupu, což vede k relativně nižší účinnosti přenosu tepla; Uspořádání s příčným-průtokem se často používá ve více-průchodových konstrukcích, aby se vyrovnalo využití teplotního rozdílu se strukturální kompaktností. V praktických konstrukcích se často používá kombinace více průchodů trubek a více průchodů pláštěm pro zvětšení plochy přenosu tepla v rámci omezeného objemu a pro splnění různých požadavků na vstupní a výstupní teplotu.
Tepelná vodivost materiálu stěny trubky přímo ovlivňuje rychlost přenosu tepla. Proto je nutné vybrat vhodné materiály trubek, jako je měď, nerezová ocel, uhlíková ocel nebo speciální slitiny, na základě chemických vlastností, teploty a tlaku média. Současně by měl být průtok tekutiny řízen v rozumném rozsahu. Příliš nízký průtok může snadno vést k zanášení a zhoršení přenosu tepla, zatímco příliš vysoký průtok zvyšuje odpor proudění a riziko eroze. Pro média náchylná k znečištění nebo s vysokou viskozitou mohou být v konstrukčním návrhu vyhrazeny čistící kanály nebo mohou být použity odnímatelné svazky trubek pro usnadnění odstranění znečištění a obnovení výkonu během údržby.
Během provozu plášťových-a{1}}trubkových výměníků tepla je třeba vzít v úvahu také účinky rozdílů tepelné roztažnosti. Pevné trubkovnice jsou vhodné do podmínek s malými teplotními rozdíly. Pokud je však teplotní rozdíl mezi stranou trubky a stranou pláště velký, obvykle se používají konstrukce s plovoucí hlavou nebo U-trubicemi, které umožňují některým svazkům trubek volně se roztahovat a smršťovat, čímž se zabrání poškození trubkovnice nebo trubek v důsledku tepelného namáhání.
Obecně je pracovním principem plášťového-a{1}}trubkového výměníku tepla přenos tepla mezi tekutinami uvnitř trubek a stranou pláště přes stěnu svazku trubek. Zlepšuje přenos tepla přiměřeným designem průtokového kanálu a strukturou přepážky a bere v úvahu tlakovou odolnost, odolnost proti korozi a kompenzaci tepelného namáhání při výběru materiálu a konstrukčního uspořádání, čímž dosahuje stabilní a efektivní výměny tepla a splňuje potřeby tepelného managementu v různých průmyslových a energetických oblastech.
