Glava kanala ljuskastog i cijevnog izmjenjivača topline često se tretira kao sporedna komponenta-kućište na kraju ljuske koje usmjerava tekućinu u snop cijevi. Ovaj prikaz je nepotpun. TheGlava kanala izmjenjivača toplineodređuje kako tekućina ulazi i izlazi iz izmjenjivača. Njegova geometrija utječe na distribuciju protoka, pad tlaka i toplinsku izvedbu. Njegov materijal i debljina utječu na strukturni integritet i životni vijek. Kada glava kanala otkaže, izmjenjivač se zaustavlja. Ostatak dizajna je nebitan.
Ovaj članak ispituje glavu kanala iz perspektive dizajnerskih odluka koje imaju praktične posljedice. To nije sveobuhvatan pregled. Fokusira se na pitanja koja se obično pogrešno shvaćaju ili zanemaruju.
Raspodjela protoka
Prvi projektni zahtjev za glavu kanala je distribucija protoka. Tekućina koja ulazi u kanal mora biti ravnomjerno usmjerena na sve cijevi. Ako je raspodjela neravnomjerna, neke cijevi imaju veći protok od drugih. Cijevi s većim protokom imaju veće koeficijente prijenosa topline. Cijevi s manjim protokom imaju niže koeficijente. Ukupni prijenos topline određen je cijevima s najlošijim učinkom, a ne prosjekom.
Primarni uzroci loše distribucije su položaj ulazne mlaznice i prisutnost unutarnjih pregrada. Ako je ulazna mlaznica postavljena preblizu jednoj strani kanala, protok se možda neće ravnomjerno širiti. Ako kanal sadrži pregradu za više-prolazni raspored, pregrada može stvoriti neravnotežu tlaka između prolaza.
Standardna praksa projektiranja je postavljanje ulazne mlaznice u središte kanala i osiguravanje dovoljnog volumena kanala kako bi se omogućio razvoj protoka prije ulaska u cijevi. Volumen kanala trebao bi biti dovoljno velik da smanji brzinu i raspodijeli protok, ali ne toliko velik da nepotrebno povećava troškove.
Kod -aranžmana s više prolaza, pregrade moraju biti zabrtvljene kako bi se spriječilo curenje između prolaza. Propuštanje u pregradi smanjuje broj učinkovitih prolaza i smanjuje prijenos topline. Pregradna brtva može biti brtva ili zavareni spoj. Brtvu treba pregledati tijekom održavanja.
Pad tlaka
Glava kanala također utječe na pad tlaka. Tekućina koja prolazi kroz kanal doživljava gubitak tlaka od ulazne mlaznice do cijevne ploče. Gubitak je uzrokovan promjenom brzine, trenjem o stijenke kanala i turbulencijom na ulazu cijevi.
Pad tlaka u glavi kanala obično je mali u usporedbi s padom tlaka u cijevima. Obično iznosi 5% do 15% ukupnog pada tlaka-na strani cijevi. Međutim, u nekim primjenama-kao što su-niskotlačni sustavi ili sustavi s ograničenom visinom pumpe-pad tlaka glave kanala može biti značajan.
Pad tlaka može se smanjiti povećanjem promjera kanala ili usmjeravanjem unutarnje geometrije. Obje opcije povećavaju troškove. Dizajn bi trebao uravnotežiti pad tlaka i cijenu.
Na pad tlaka također utječe veličina mlaznice. Mala mlaznica povećava brzinu tekućine i pad tlaka. Velika mlaznica smanjuje brzinu i pad tlaka, ali povećava trošak i prostor. Veličina mlaznice određena je dopuštenim padom tlaka, brzinom tekućine i rasporedom cijevi.
Debljina i nazivni tlak
Glava kanala je posuda pod pritiskom. Njegova debljina mora biti primjerena unutarnjem tlaku i temperaturi. Projektni kodovi-ASME Odjeljak VIII, EN 13445 i GB 150-daju metode za izračunavanje debljine.
Izračun se temelji na unutarnjem promjeru, proračunskom tlaku i dopuštenom naprezanju materijala. Dopušteno naprezanje ovisi o temperaturi. Pri povišenim temperaturama dopušteno naprezanje je niže. Debljina mora biti dovoljna za maksimalnu temperaturu i maksimalni tlak koji se javljaju istovremeno.
Kodovi također zahtijevaju dodatak za koroziju. Dodatak se dodaje izračunatoj debljini kako bi se uračunao gubitak materijala tijekom radnog vijeka. Dopuštenje je obično 3 mm za umjerenu upotrebu i 6 mm za korozivnu upotrebu. Dodatak bi se trebao temeljiti na očekivanoj brzini korozije i potrebnom vijeku trajanja.
Ravne glave zahtijevaju veću debljinu nego tanjuraste glave. Ravna glava je podržana samo na rubovima; okrugla glava otporna je na pritisak djelovanjem membrane. Oblik glave odabire se na temelju pritiska, cijene i raspoloživog prostora. Pločasta glava može biti skuplja za izradu, ali koristi manje materijala. Odabir bi se trebao temeljiti na ukupnim troškovima, a ne samo na materijalnim troškovima.
Odabir materijala
Materijal glave kanala mora biti kompatibilan s tekućinom, temperaturom i tlakom. Najčešći materijal je ugljični čelik. Troškovno je-učinkovit i ima odgovarajuću snagu za većinu primjena. Ograničenje je otpornost na koroziju. Ugljični čelik nije prikladan za korozivne tekućine.
Nehrđajući čelik se koristi kada je potrebna otpornost na koroziju. Najčešći stupnjevi su 304L i 316L. 316L koji pružaju bolju otpornost na točku klorida. Koeficijent toplinskog širenja nehrđajućeg čelika veći je od ugljičnog čelika. Proširenje se mora uzeti u obzir pri projektiranju cjevovoda i nosača.
Legirani čelici koriste se-za rad na visokim temperaturama. Izrada zahtijeva predgrijavanje i toplinsku obradu nakon-zavarivanja. Trošak je veći od ugljičnog čelika.
Obloženi materijali se koriste kada je tekućina korozivna i visok tlak. Ugljični čelik daje čvrstoću; obloga pruža otpornost na koroziju. Obloga je obično debljine 3 do 5 mm i nanosi se zavarivanjem ili spajanjem eksplozijom. Obloženi materijali su jeftiniji od materijala od čvrstih legura.
Poklopac kanala i brtveni spojevi
Poklopac kanala je pričvršćen za kanal. Brtva između poklopca i kanala osigurava brtvljenje. Brtva mora održavati nepropusnost na radnom tlaku i temperaturi. Materijal brtve mora biti kompatibilan s tekućinom.
Najčešći tipovi brtvila su spiralno namotane brtve, brtve prstenastog spoja i limene brtve. Spiralne brtve se koriste za visoki tlak i temperaturu. Prstenaste spojne brtve koriste se za vrlo visoke tlakove. Pločaste brtve koriste se za niske tlakove i temperature.
Vijci moraju osigurati odgovarajuće predopterećenje za sabijanje brtve. Predopterećenje treba izračunati na temelju naprezanja brtve i tlačnog opterećenja. Vijčane spojeve treba odabrati na temelju dopuštenog naprezanja i vijeka trajanja od zamora.
Najčešći kvar u brtvenim spojevima je gubitak predopterećenja. Predopterećenje se može izgubiti zbog opuštanja vijaka, toplinskog širenja kanala ili korozije vijaka. Gubitak predopterećenja uzrokuje curenje. Vijke treba provjeriti i ponovno zategnuti tijekom održavanja.
Inspekcija i testiranje
Glavu kanala treba pregledati tijekom proizvodnje i tijekom održavanja. Inspekcija bi trebala uključivati dimenzionalne provjere, provjeru materijala i ne-destruktivno ispitivanje.
Provjerama dimenzija provjerava se debljina, ravnost površine brtve i položaj mlaznice. Provjera materijala potvrđuje kemijski sastav i mehanička svojstva. Ne-destruktivno ispitivanje ispituje glavu kanala na pukotine i nedostatke.
Hidrostatičko ispitivanje zahtijeva se kodeksima. Ispitni tlak je 1,5 puta veći od proračunskog tlaka. Ispitivanje treba provesti nakon izrade i nakon ugradnje. Tijekom ispitivanja potrebno je provjeriti nepropusnost zabrtvljenih spojeva.
-Inspekcija tijekom rada trebala bi uključivati čišćenje unutarnje površine, inspekciju površina brtve i mjerenje preostale debljine. Mjerenja debljine su potrebna kako bi se potvrdilo da dodatak za koroziju nije potrošen.
Uobičajeni problemi
Najčešći problemi s glavama kanala povezani su s distribucijom protoka, curenjem brtve i korozijom.
Nepravilna raspodjela protoka smanjuje prijenos topline i može uzrokovati toplinski stres u cijevima. Propuštanje brtve uzrokovano je gubitkom predopterećenja ili degradacijom brtve. Korozija je uzrokovana tekućinom ili galvanskim djelovanjem između različitih materijala.
Ovi se problemi mogu spriječiti pravilnim dizajnom, odabirom materijala i održavanjem. Projekt bi trebao uključivati analizu protoka za provjeru distribucije. Brtve treba odabrati prema uvjetima rada. Dodatak za koroziju trebao bi biti primjeren očekivanom vijeku trajanja.
Glava kanala je tlačna posuda i razdjelnik protoka. Njegov dizajn utječe na performanse, pouzdanost i cijenu izmjenjivača. Odluke o dizajnu trebale bi se temeljiti na uvjetima rada, zahtjevima koda i očekivanom vijeku trajanja. Dobro-projektirana glava kanala izdržat će vijek trajanja izmjenjivača. Loše dizajnirana glava kanala uzrokovat će probleme. Razlika je u posvećenosti detaljima.