De meest gebruikte warmtewisselaar: Shell and Tube-warmtewisselaar

Introductie

Warmtewisselaars zijn essentiële componenten in veel industriële en commerciële processen, waardoor warmte zonder direct contact van het ene medium naar het andere kan worden overgedragen. Van de vele beschikbare typen – waaronder platenwarmtewisselaars, lamellenbuiswarmtewisselaars, spiraalwarmtewisselaars en dubbelpijpswarmtewisselaars – valt de shell-and-tube-warmtewisselaar (STHE) op als de wereldwijd meest gebruikte. Dankzij de veelzijdigheid, duurzaamheid en efficiëntie is het de hoeksteen van thermisch beheer in sectoren als energieopwekking, olie en gas, HVAC, chemische verwerking en meer.

Wat is een shell-and-tube-warmtewisselaar?

Een Shell and Tube-warmtewisselaar bestaat uit een reeks buizen die zijn omsloten door een cilindrische schaal. Eén vloeistof stroomt door de buizen, terwijl een andere vloeistof over de buizen (binnen de schaal) stroomt om warmte uit te wisselen. Dit indirecte contact zorgt voor thermische overdracht zonder vloeistofvermenging.

Basisstructuur:
Buizen: Meestal gerangschikt in bundels en kunnen recht of U-vormig zijn.

Omhulsel: een cilindrisch vat dat de buizen omringt en de tweede vloeistof bevat.

Buisplaten: platen die de buizen op hun plaats houden en vloeistoffen isoleren.

Schotten: geleid de vloeistof aan de schaalzijde om turbulentie en warmteoverdracht te vergroten.

Koppen of eindkappen: Direct vloeistof in en uit de buizen.

Werkingsprincipe

Het primaire werkingsprincipe van een shell-and-tube-warmtewisselaar is op convectie gebaseerde warmteoverdracht tussen twee vloeistoffen bij verschillende temperaturen. Warmte stroomt van de hetere naar de koelere vloeistof over de buiswand.

Er zijn drie hoofdstroomconfiguraties:

Parallelle stroom – Beide vloeistoffen bewegen in dezelfde richting.

Tegenstroom – Vloeistoffen bewegen in tegengestelde richtingen voor een hogere efficiëntie.

Crossflow – Vloeistoffen stromen loodrecht op elkaar.

Ontwerpvarianten

Om aan verschillende toepassingen te voldoen, zijn shell-and-tube-warmtewisselaars ontworpen in verschillende configuraties:

One-pass of Multi-pass (vloeistof maakt één of meerdere passages door de buizen)

Vaste buisplaat – Eenvoudig en economisch; beperkt tot lage thermische uitzetting.

Zwevende kop of U-buis – Geschikt voor thermische uitzetting; eenvoudiger reiniging en onderhoud.

TEMA-normen – De Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) standaardiseert STHE’s in klassen (R, C, B) voor raffinaderijen, commercieel en chemisch gebruik.

Waarom wordt het het meest gebruikt?

1. Veelzijdigheid
Shell-en-buiswisselaars kunnen een breed temperatuurbereik (tot 1000°C) en druk (tot 500 bar) aan. Ze zijn aanpasbaar aan vele procesvereisten, vloeistoffen en installatieomgevingen.

2. Duurzaamheid en betrouwbaarheid
Deze wisselaars zijn gebouwd met robuuste materialen zoals roestvrij staal, titanium of Inconel en zijn geschikt voor corrosieve en stressvolle omgevingen. Bij goed onderhoud hebben ze een lange levensduur.

3. Schaalbaarheid
Ze zijn verkrijgbaar in een groot aantal maten: van kleine eenheden voor laboratoria tot enorme industriële installaties.

4. Onderhoudsgemak
Modellen zoals U-buis- of zwevende kop-ontwerpen maken reiniging en vervanging van de buis mogelijk zonder het hele systeem te demonteren.

5. Thermische efficiëntie
Met een passend ontwerp (bijvoorbeeld schotten, meerdere doorgangen) kunnen STHE's een zeer efficiënte warmteoverdracht bereiken, vooral in tegenstroomopstellingen.

Veel voorkomende toepassingen

1. Olie- en gasindustrie
Koelsmeermiddelen en hydraulische vloeistoffen

Warmteterugwinning uit rookgassen

Condensatie van stoom en dampen

2. Energieopwekking
Voedingswaterverwarmers

Stoomcondensors in thermische energiecentrales

3. Chemische verwerking
Temperatuurbeheersing van reactoren

Productverwarming en -koeling

4. HVAC en koeling
Gekoelde watersystemen

Condensors en verdampers

5. Zeevaart en ruimtevaart
Motorkoelsystemen

Terugwinning van afvalwarmte

Materialen van constructie
Materiaalkeuze is van cruciaal belang en hangt af van temperatuur, druk en corrosieweerstand:

Koolstofstaal – Gebruikelijk voor goedkope toepassingen.

Roestvrij staal – Hoge corrosieweerstand.

Koperlegeringen – Uitstekende thermische geleidbaarheid.

Titanium – Gebruikt voor zeewater of zeer corrosieve vloeistoffen.

Nikkellegeringen (Inconel, Hastelloy) – Voor extreme omgevingen.