De kanaalkop van een shell-and-tube-warmtewisselaar wordt vaak behandeld als een klein onderdeel-een omhulsel aan het uiteinde van de shell dat vloeistof in de buizenbundel leidt. Deze visie is onvolledig. DeKanaalkop warmtewisselaarbepaalt hoe vloeistof de wisselaar binnenkomt en verlaat. De geometrie ervan beïnvloedt de stroomverdeling, de drukval en de thermische prestaties. Het materiaal en de dikte ervan beïnvloeden de structurele integriteit en levensduur. Wanneer een kanaalkop uitvalt, stopt de wisselaar. De rest van het ontwerp doet er niet toe.
Dit artikel onderzoekt de kanaalkop vanuit het perspectief van ontwerpbeslissingen die praktische gevolgen hebben. Het is geen alomvattende recensie. Het richt zich op kwesties die vaak verkeerd worden begrepen of over het hoofd worden gezien.
Stroomdistributie
De eerste ontwerpvereiste voor een kanaalkop is de stroomverdeling. Vloeistof die het kanaal binnenkomt, moet gelijkmatig naar alle buizen worden geleid. Als de verdeling ongelijkmatig is, transporteren sommige buizen meer stroom dan andere. De buizen met een hogere stroming hebben hogere warmteoverdrachtscoëfficiënten. De buizen met een lager debiet hebben lagere coëfficiënten. De totale warmteoverdracht wordt bepaald door de slechtst presterende buizen, niet door het gemiddelde.
De belangrijkste oorzaken van een slechte verdeling zijn de locatie van het inlaatmondstuk en de aanwezigheid van interne scheidingswanden. Als het inlaatmondstuk te dicht bij één kant van het kanaal wordt geplaatst, kan de stroom zich niet gelijkmatig verspreiden. Als het kanaal een scheidingswand bevat voor een opstelling met meerdere- passages, kan de scheidingswand een drukonbalans tussen passages veroorzaken.
De standaard ontwerppraktijk is om het inlaatmondstuk in het midden van het kanaal te plaatsen en voldoende kanaalvolume te bieden om de stroming de kans te geven zich te ontwikkelen voordat deze de buizen binnengaat. Het kanaalvolume moet groot genoeg zijn om de snelheid te verlagen en de stroom te verdelen, maar niet zo groot dat de kosten onnodig stijgen.
Bij opstellingen met meerdere- passages moeten de scheidingswanden worden afgedicht om lekkage tussen de passages te voorkomen. Een lek in de scheidingswand vermindert het aantal effectieve doorgangen en vermindert de warmteoverdracht. De scheidingswandafdichting kan een pakking of een lasverbinding zijn. Tijdens onderhoud moet de afdichting worden geïnspecteerd.
Drukdaling
De kanaalkop heeft ook invloed op de drukval. Vloeistof die door het kanaal stroomt, ondervindt een drukverlies van het inlaatmondstuk naar de buisplaat. Het verlies wordt veroorzaakt door de snelheidsverandering, de wrijving tegen de kanaalwanden en de turbulentie bij de buisingang.
De drukval in de kanaalkop is doorgaans klein vergeleken met de drukval in de buizen. Normaal gesproken bedraagt dit 5% tot 15% van de totale drukval aan de buis-zijde. Bij sommige toepassingen-zoals lage-druksystemen of systemen met een beperkte opvoerhoogte- kan de drukval in de kanaalkop echter aanzienlijk zijn.
De drukval kan worden verminderd door de kanaaldiameter te vergroten of door de interne geometrie te stroomlijnen. Beide opties brengen kosten met zich mee. Het ontwerp moet de drukval in evenwicht brengen met de kosten.
De drukval wordt ook beïnvloed door de spuitmondgrootte. Een klein mondstuk verhoogt de vloeistofsnelheid en de drukval. Een groot mondstuk vermindert de snelheid en de drukval, maar verhoogt de kosten en de ruimte. De spuitmondgrootte wordt bepaald door de toegestane drukval, de vloeistofsnelheid en de leidingindeling.
Dikte en drukwaarde
De kanaalkop is een drukvat. De dikte ervan moet geschikt zijn voor de interne druk en de temperatuur. De ontwerpcodes-ASME Sectie VIII, EN 13445 en GB 150 bieden methoden voor het berekenen van de dikte.
De berekening is gebaseerd op de binnendiameter, de ontwerpdruk en de toelaatbare spanning van het materiaal. De toelaatbare spanning is afhankelijk van de temperatuur. Bij hogere temperaturen is de toelaatbare spanning lager. De dikte moet voldoende zijn voor de maximale temperatuur en de maximale druk die tegelijkertijd optreden.
De codes vereisen ook een corrosietoeslag. De toeslag wordt opgeteld bij de berekende dikte om rekening te houden met materiaalverlies tijdens de levensduur. De marge bedraagt normaal gesproken 3 mm voor middelmatig gebruik en 6 mm voor corrosief gebruik. De toeslag moet gebaseerd zijn op de verwachte corrosiesnelheid en de vereiste levensduur.
Platte koppen vereisen een grotere dikte dan schotelvormige koppen. Een platte kop wordt alleen aan de randen ondersteund; een gebogen kop weerstaat de druk door membraanwerking. De vorm van het hoofd wordt geselecteerd op basis van de druk, de kosten en de beschikbare ruimte. Een schotelkop is misschien duurder om te vervaardigen, maar gebruikt minder materiaal. De selectie moet gebaseerd zijn op de totale kosten, niet alleen op de materiaalkosten.
Materiaalkeuze
Het materiaal van de kanaalkop moet compatibel zijn met de vloeistof, de temperatuur en de druk. Het meest voorkomende materiaal is koolstofstaal. Het is kosteneffectief-en heeft voldoende kracht voor de meeste toepassingen. De beperking is corrosieweerstand. Koolstofstaal is niet geschikt voor corrosieve vloeistoffen.
Roestvast staal wordt gebruikt wanneer corrosiebestendigheid vereist is. De meest voorkomende kwaliteiten zijn 304L en 316L.. 316L biedt een betere weerstand tegen chlorideputjes. De thermische uitzettingscoëfficiënt van roestvrij staal is hoger dan die van koolstofstaal. Bij het ontwerp van de leidingen en de steunen moet rekening worden gehouden met de uitzetting.
Gelegeerd staal wordt gebruikt voor hoge- temperaturen. De fabricage vereist voorverwarmen en een warmtebehandeling na- het lassen. De kosten zijn hoger dan die van koolstofstaal.
Beklede materialen worden gebruikt als de vloeistof corrosief is en de druk hoog is. Het koolstofstaal zorgt voor sterkte; de bekleding zorgt voor corrosieweerstand. De bekleding is doorgaans 3 tot 5 mm dik en wordt aangebracht door middel van lassen of explosieverlijming. Beklede materialen zijn goedkoper dan vaste legeringsmaterialen.
Kanaalafdekking en pakkingverbindingen
De kanaalafdekking is met bouten aan het kanaal bevestigd. De pakking tussen deksel en kanaal zorgt voor de afdichting. De pakking moet de afdichting op de bedrijfsdruk en -temperatuur houden. Het pakkingmateriaal moet compatibel zijn met de vloeistof.
De meest voorkomende typen pakkingen zijn spiraalgewonden pakkingen, ringverbindingspakkingen en plaatpakkingen. Spiraalgewonden pakkingen worden gebruikt voor hoge druk en temperatuur. Ringverbindingspakkingen worden gebruikt voor zeer hoge druk. Plaatpakkingen worden gebruikt voor lage druk en temperatuur.
De bouten moeten voldoende voorspanning bieden om de pakking samen te drukken. De voorspanning moet worden berekend op basis van de pakkingspanning en de drukbelasting. De bouten moeten worden geselecteerd op basis van de toelaatbare spanning en de vermoeiingslevensduur.
Het meest voorkomende defect bij pakkingverbindingen is verlies van voorspanning. De voorspanning kan verloren gaan als gevolg van ontspanning van de bouten, thermische uitzetting van het kanaal of corrosie van de bouten. Het verlies aan voorspanning veroorzaakt lekkage. Tijdens onderhoud moeten de bouten worden gecontroleerd en opnieuw worden aangedraaid.
Inspectie en testen
De kanaalkop moet worden geïnspecteerd tijdens de fabricage en tijdens onderhoudsstops. De inspectie moet maatcontroles, materiaalverificatie en niet-destructief onderzoek omvatten.
Dimensionale controles verifiëren de dikte, de vlakheid van het pakkingoppervlak en de locatie van het mondstuk. Materiaalverificatie bevestigt de chemische samenstelling en mechanische eigenschappen. Bij niet-destructief onderzoek wordt de kanaalkop onderzocht op scheuren en defecten.
De hydrostatische test is vereist door de codes. De proefdruk bedraagt 1,5 maal de ontwerpdruk. De test moet worden uitgevoerd na fabricage en na installatie. Tijdens de test moeten de pakkingverbindingen op lekkage worden gecontroleerd.
Tijdens-service moet de inspectie het reinigen van het binnenoppervlak, de inspectie van de pakkingoppervlakken en het meten van de resterende dikte omvatten. De diktemetingen zijn nodig om te verifiëren dat de corrosietoeslag niet is verbruikt.
Veelvoorkomende problemen
De meest voorkomende problemen met kanaalkoppen houden verband met stroomverdeling, pakkinglekkage en corrosie.
Slechte stromingsverdeling vermindert de warmteoverdracht en kan thermische spanning in de buizen veroorzaken. Lekkage van de pakking wordt veroorzaakt door verlies van voorspanning of degradatie van de pakking. Corrosie wordt veroorzaakt door de vloeistof of door galvanische werking tussen ongelijksoortige materialen.
Deze problemen kunnen worden voorkomen door een goed ontwerp, materiaalkeuze en onderhoud. Het ontwerp moet een stroomanalyse omvatten om de distributie te verifiëren. De pakkingen moeten worden geselecteerd op basis van de gebruiksomstandigheden. De corrosietoeslag moet voldoende zijn voor de verwachte levensduur.
De kanaalkop is een drukvat en een stroomverdeler. Het ontwerp ervan beïnvloedt de prestaties, de betrouwbaarheid en de kosten van de wisselaar. De ontwerpbeslissingen moeten gebaseerd zijn op de gebruiksomstandigheden, de codevereisten en de verwachte levensduur. Een goed-ontworpen kanaalkop gaat net zo lang mee als de wisselaar. Een slecht ontworpen kanaalkop zal problemen veroorzaken. Het verschil zit hem in de aandacht voor detail.