Een shell-and-tube warmtewisselaar draagt warmte over tussen twee vloeistoffen of gassen via een bundel buizen die in een cilindrische mantel is geplaatst. De ene stroom stroomt door de buizen, de andere stroomt om de buizen heen. Dit principe maakt het apparaat geschikt voor een breed scala aan industriële toepassingen, van petrochemische processen tot energiecentrales. In dit artikel beantwoorden we de meest gestelde vragen over dit type warmtewisselaar.
Hoe wordt warmte overgedragen in een shell-and-tube warmtewisselaar?
Warmteoverdracht in een shell-and-tube warmtewisselaar vindt plaats door geleiding en convectie. De ene stroom stroomt door de buizen (tube side), de andere stroomt door de mantelruimte (shell side) om de buizen heen. Doordat de twee stromen gescheiden blijven maar wel in contact staan via het buisoppervlak, wisselen ze warmte uit zonder te mengen.
De efficiëntie van dit proces hangt af van meerdere factoren: het temperatuurverschil tussen de twee stromen, de stroomsnelheid, het materiaal van de buizen en het oppervlak dat beschikbaar is voor warmteoverdracht. Hoe groter het buisoppervlak en hoe hoger het temperatuurverschil, hoe meer warmte er per tijdseenheid wordt overgedragen. Schotten in de mantelruimte (baffles) zorgen ervoor dat de stroom om de buizen heen wordt geleid, wat de contacttijd en turbulentie vergroot en daarmee de warmteoverdracht verbetert.
Uit welke onderdelen bestaat een shell-and-tube warmtewisselaar?
Een shell-and-tube warmtewisselaar bestaat uit een cilindrische mantel (shell), een buizenbundel (tube bundle), twee buisplaten (tubesheets), schotten (baffles) en twee afsluitdeksels (heads of channels). Samen vormen deze onderdelen een gesloten systeem waarin twee stromen warmte kunnen uitwisselen zonder contact met elkaar.
- Shell: de buitenste cilindrische mantel waardoor de ene processtroom stroomt
- Tube bundle: de bundel buizen waardoor de andere stroom stroomt
- Tubesheets: de platen aan beide uiteinden die de buizen op hun plaats houden en de twee stromen scheiden
- Baffles: schotten in de mantelruimte die de stroom omleiden en turbulentie bevorderen
- Channels en heads: de afsluitdeksels aan de buiszijde die de in- en uitstroom van de buizenstroom regelen
- Nozzles: de aansluitingen voor in- en uitlaat van beide stromen
De materiaalkeuze voor elk onderdeel is afhankelijk van de procesvereisten, zoals druk, temperatuur en de chemische eigenschappen van de media die door het apparaat stromen.
Welke vloeistoffen of gassen kunnen door een shell-and-tube warmtewisselaar stromen?
Door een shell-and-tube warmtewisselaar kunnen vrijwel alle vloeistoffen en gassen stromen, mits het apparaat is ontworpen voor de specifieke druk, temperatuur en chemische eigenschappen van het medium. Denk aan water, stoom, olie, koelmiddelen, zuren, logen en diverse processtromen uit de petrochemische industrie.
De materiaalkeuze van de buizen en de mantel bepaalt welke media veilig kunnen worden verwerkt. Voor agressieve chemicaliën worden buizen van roestvrij staal, titanium of speciale legeringen toegepast. Voor standaard koelwatertoepassingen volstaat koolstofstaal. Gassen kunnen eveneens worden verwerkt, al vereist dit vaak een aangepast ontwerp vanwege de lagere warmteoverdrachtscoëfficiënt van gassen ten opzichte van vloeistoffen.
Wat is het verschil tussen een U-tube en een fixed tubesheet warmtewisselaar?
Het belangrijkste verschil is hoe de buizenbundel is bevestigd en of deze verwijderbaar is. Bij een U-tube warmtewisselaar zijn de buizen in een U-vorm gebogen en aan één tubesheet bevestigd, waardoor de bundel eenvoudig te verwijderen is voor reiniging. Bij een fixed tubesheet warmtewisselaar zijn beide tubesheets vast aan de mantel gelast, wat een compacter en goedkoper ontwerp oplevert maar reiniging van de buitenzijde van de buizen bemoeilijkt.
U-tube warmtewisselaar
De U-tube uitvoering is geschikt wanneer de buizenbundel regelmatig mechanisch gereinigd moet worden of wanneer grote thermische uitzetting wordt verwacht. Doordat de buizen vrij kunnen uitzetten, zijn er geen extra voorzieningen nodig voor thermische spanning. Een nadeel is dat de binnenzijde van de U-bochten moeilijker mechanisch te reinigen is.
Fixed tubesheet warmtewisselaar
De fixed tubesheet uitvoering is eenvoudiger van constructie en daardoor vaak kostenefficiënter. Dit type is geschikt wanneer de shell-side stroom schoon is en mechanische reiniging van de buitenzijde van de buizen niet nodig is. Bij grote temperatuurverschillen tussen de twee stromen kan een expansiebalg in de mantel nodig zijn om thermische spanning op te vangen.
Wanneer is een shell-and-tube warmtewisselaar de juiste keuze?
Een shell-and-tube warmtewisselaar is de juiste keuze wanneer je te maken hebt met hoge drukken, hoge temperaturen of agressieve media die een robuuste en betrouwbare constructie vereisen. Dit type warmtewisselaar is ook geschikt voor grote capaciteiten en situaties waarin reinigbaarheid of inspectie van de buizenbundel belangrijk is.
In de petrochemische industrie en bij energiecentrales is dit het meest toegepaste type, juist omdat het bestand is tegen zware procesomstandigheden. Vergeleken met een plaatwarmtewisselaar biedt de shell-and-tube uitvoering meer flexibiliteit in materiaalkeuze en is het beter bestand tegen vervuiling. Wanneer compactheid en lage drukval prioriteit hebben, kan een plaattype een betere keuze zijn. Voor de meeste zware industriële toepassingen geldt echter dat de shell-and-tube warmtewisselaar de meest betrouwbare en duurzame oplossing is.
Welke normen en certificeringen gelden voor shell-and-tube warmtewisselaars?
Shell-and-tube warmtewisselaars die onder druk staan, moeten in Europa voldoen aan de Pressure Equipment Directive (PED, 2014/68/EU). Daarnaast worden ze vaak ontworpen en geproduceerd volgens de TEMA-norm (Tubular Exchanger Manufacturers Association), die de mechanische standaarden voor dit type apparatuur vastlegt. Voor specifieke toepassingen kunnen ook ASME, EN 13445 of andere internationale normen van toepassing zijn.
De PED schrijft voor dat drukapparatuur boven een bepaalde druk- en volumegrens wordt beoordeeld door een aangemelde instantie (Notified Body) en voorzien van een CE-markering. De TEMA-norm onderscheidt drie klassen: R (zware industrie), C (commerciële toepassingen) en B (algemene industrie). Welke klasse van toepassing is, hangt af van de procesomstandigheden en de eisen van de opdrachtgever. Naast de apparaatnormen gelden er ook lascertificeringen voor de producent, zoals EN ISO 3834, die de kwaliteit van het lasproces borgen.
Hoe wij helpen bij de fabricage van shell-and-tube warmtewisselaars
Via onze dochteronderneming MCL Apparatenbouw fabriceren wij shell-and-tube warmtewisselaars en andere static equipment op maat, in diverse materiaalkwaliteiten, conform klantspecificatie en levertijd. We denken mee vanaf de engineeringfase tot en met de levering en on-site installatie, zodat jij als inkoper volledig wordt ontzorgd.
Wat wij bieden:
- Fabricage conform PED, TEMA, ASME en EN 13445
- Productie met of zonder keur, afhankelijk van jouw projectvereisten
- Snelle reparatieservice bij storingen aan bestaande apparatuur
- Maatwerk in roestvrij staal, koolstofstaal, titanium en speciale legeringen
- Volledige begeleiding van engineering tot oplevering
Wil je weten wat wij voor jouw project kunnen betekenen? Neem contact op met Kivit Group en bespreek jouw specificaties direct met onze specialisten.