Skal-och-rörvärmeväxlare är mycket använda värmeväxlare inom industri och energi. Deras arbetsprincip bygger på värmeöverföringen mellan två vätskor genom en solid vägg. De uppnår effektiv värmeöverföring genom att använda motströms-eller tvärflödet- av vätskorna inuti rören och vätskorna på skalsidan. På grund av sin robusta struktur, anpassningsförmåga och förmåga att hantera komplexa driftsförhållanden, åtar sig dessa enheter kritiska värmeväxlingsuppgifter i kyl-, kemikalie-, HVAC- och kraftsystem.
Kärnstrukturen i en skal-och-rörvärmeväxlare inkluderar skalet, tubbunten, tubplåten, bafflarna och ändlocken. Rörbunten består av flera parallella rör, fästa i båda ändar på rörplåten och bildar på så sätt en sluten rörkanal. Skalet omger rörknippet för att bilda skalets-sidoutrymme, anslutet i båda ändarna till tubplåten och ändlocken, vilket utgör en komplett vätskeflödeskammare. När utrustningen är i drift flödar en vätska inuti rören, kallad tub-sidovätska; den andra vätskan strömmar runt rörknippet på skalsidan, kallad skal-sidevätska. Värme överförs från vätskan med hög-temperatur till vätskan med låg-temperatur genom rörväggarna, vilket uppnår syftet att värma eller kyla.
Värmeöverföringens effektivitet beror på vätskeflödets tillstånd och temperaturskillnaden. För att förbättra värmeöverföringskoefficienten är bafflar vanligtvis installerade på skalsidan för att styra vätskan att strömma tvärs över rörknippet på ett tvärgående eller snett sätt, vilket skapar flera varv och fler-passflöden. Detta flödesmönster stör det laminära gränsskiktet, ökar turbulensen, vilket ökar värmeväxlingshastigheten och gör temperaturfördelningen mer enhetlig. Avståndet och formen på bafflarna måste optimeras baserat på skalets-sidoflödeshastighet, tryckfall och vibrationsdämpningskrav för att undvika utmattningsskador på rörknippet orsakade av vätske--inducerad vibration.
Under värmeöverföring kan vätskorna på rörsidan och skalsidan ordnas i motströms-,-medströms- eller tvärflödeskonfigurationer-. Motströmsarrangemang tillåter de två vätskorna att upprätthålla en stor medeltemperaturskillnad under hela värmeväxlingsprocessen, vilket på så sätt uppnår en högre teoretisk värmeöverföringseffektivitet; med-arrangemang resulterar i en stor temperaturskillnad vid inloppet och en liten temperaturskillnad vid utloppet, vilket leder till relativt lägre värmeöverföringseffektivitet; tvärflödesarrangemang används ofta i strukturer med flera-passage för att balansera temperaturskillnadsutnyttjande med strukturell kompakthet. I praktiska konstruktioner används ofta en kombination av flera rörpassager och flera skalpassager för att öka värmeöverföringsytan inom en begränsad volym och uppfylla olika inlopps- och utloppstemperaturkrav.
Den termiska ledningsförmågan hos rörväggsmaterialet påverkar direkt värmeöverföringshastigheten. Därför måste lämpliga rörmaterial, såsom koppar, rostfritt stål, kolstål eller speciallegeringar, väljas baserat på mediets kemiska egenskaper, temperatur och tryck. Samtidigt bör vätskeflödet kontrolleras inom ett rimligt område. För lågt flöde kan lätt leda till nedsmutsning och försämring av värmeöverföringen, medan för hög flödeshastighet ökar flödesmotståndet och risken för erosion. För media utsatta för nedsmutsning eller med hög viskositet kan rengöringskanaler reserveras i den strukturella designen, eller så kan löstagbara rörbuntar användas för att underlätta borttagning av nedsmutsning och återställa prestanda under underhåll.
Effekterna av termiska expansionsskillnader måste också beaktas under driften av skal-och-rörvärmeväxlare. Fasta rörplåtsstrukturer är lämpliga för förhållanden med små temperaturskillnader. Men när temperaturskillnaden mellan rörsidan och skalsidan är stor, används vanligtvis flytande huvud- eller U--rördesigner, vilket gör att vissa rörbuntar kan expandera och dra ihop sig fritt, vilket undviker skador på rörplåten eller rören på grund av termisk stress.
I allmänhet är arbetsprincipen för en skal-och-rörvärmeväxlare att överföra värme mellan vätskorna inuti rören och skalsidan genom rörbuntens vägg. Den förbättrar värmeöverföringen med rimlig flödeskanaldesign och baffelstruktur, och tar hänsyn till tryckmotstånd, korrosionsbeständighet och termisk spänningskompensation i materialval och strukturellt arrangemang, och uppnår därigenom stabil och effektiv värmeväxling och möter de termiska ledningsbehoven för olika industri- och energiområden.
