Per il layout preliminare dell'impianto pilota, calcolare l'ingombro dello scambiatore come lunghezza totale installata moltiplicata per la larghezza massima installata, quindi aggiungere gli spazi di accesso e manutenzione richiesti attorno ad esso. L'involucro dello scambiatore viene sviluppato a partire dall'area di scambio termico richiesta, dal numero di tubi, dal diametro del mantello, dalla lunghezza dei tubi, dalle testate, dai supporti e dai bocchelli. In una semplice disposizione orizzontale, l'ingombro della sola attrezzatura è approssimativamente il diametro esterno del mantello, inclusi i supporti, moltiplicato per la lunghezza complessiva da estremità a estremità.
L'ingombro non è determinato solo dalla lunghezza dei tubi. Dimensionare prima il fascio termico, convertire la geometria del fascio in un diametro del mantello, stabilire l'involucro completo dell'attrezzatura e quindi riservare spazio aggiuntivo per il funzionamento, l'ispezione, la rimozione del fascio tubiero, le tubazioni e la manutenzione.
Iniziare con l'area di scambio termico richiesta
Stabilire l'area di progetto termico
L'area di scambio termico richiesta (A required) deriva dal carico di processo e dal coefficiente di scambio termico globale selezionato:
[ A_{\text{required}} = \frac{Q}{U F \Delta T_{\text{lm}}} ]
dove (Q) è il carico termico, (U) è il coefficiente di scambio termico globale, (F) è un eventuale fattore di correzione per il metodo della differenza di temperatura e (\Delta T_{\text{lm}}) è la differenza di temperatura media logaritmica.
Per il lavoro di layout, includere il margine di progetto specificato prima di calcolare il numero di tubi. Il margine dovrebbe basarsi sulla base di progetto del progetto piuttosto che essere assunto indiscriminatamente, poiché un'area in eccesso può aumentare le dimensioni, il peso e il costo dell'attrezzatura.
Calcolare il numero di tubi
L'area di scambio termico esterna effettiva di un tubo è approssimativamente:
[ A_{\text{tube}} = \pi d_o L_{\text{active}} ]
Pertanto:
[ N_t = \frac{A_{\text{required}}} {\pi d_o L_{\text{active}}} ]
dove (d_o) è il diametro esterno del tubo e (L_{\text{active}}) è la lunghezza effettiva del tubo.
Il risultato deve essere arrotondato per eccesso a un numero di tubi fattibile. Il conteggio selezionato dipende anche dal numero di passaggi dei tubi, dal layout della piastra tubiera, dalla caduta di pressione ammissibile, dalla velocità del flusso e dalla geometria standard del fascio del produttore.
Convertire il numero di tubi in diametro del mantello
Selezionare la disposizione dei tubi
Il layout dei tubi influisce sia sul diametro del mantello che sulla manutenibilità dello scambiatore.
- Il passo triangolare fornisce generalmente un fascio compatto e un'elevata densità di superficie.
- Il passo quadrato fornisce un migliore accesso per la pulizia meccanica tra i tubi.
- Il passo dei tubi viene solitamente selezionato vicino a (1.25d_o), soggetto a requisiti meccanici, di fabbricazione, di vibrazione e di pulizia.
I diametri esterni dei tubi preliminari comuni includono circa (3/4) di pollice e 1 pollice. Tubi più grandi possono essere selezionati per servizi sporchi o altamente viscosi dove l'accesso per la pulizia è importante.
Stimare il diametro del fascio
Il diametro del fascio tubiero (D_b) è determinato dal numero di tubi, dal diametro esterno del tubo, dal passo dei tubi, dal modello di layout e dal numero di passaggi dei tubi. Per il dimensionamento preliminare, si possono utilizzare correlazioni standard del conteggio del fascio o tabelle del produttore.
Una correlazione esprime il conteggio dei tubi come funzione di:
[ C = \frac{D_b}{d_o} - 36 ]
Ad esempio, la stima a un passaggio è:
[ N_t = 1298 + 74.86C + 1.283C^2
- 0.0078C^3 - 0.0006C^4 ]
Coefficienti separati vengono utilizzati per disposizioni a due, quattro e sei passaggi. Queste correlazioni sono adatte per stime preliminari, ma il diametro finale del mantello dovrebbe provenire da una progettazione meccanica dettagliata o da un disegno del fornitore.
Considerare le tolleranze del mantello e di costruzione
Il diametro interno del mantello deve superare il diametro del fascio tubiero. Il diametro esterno del mantello è quindi ancora maggiore a causa dello spessore della parete del mantello, dell'isolamento, del rivestimento, degli attacchi esterni e delle tolleranze di fabbricazione.
Per un layout preliminare:
[ D_{\text{shell,OD}} \approx D_b + 2(\text{bundle-to-shell clearance})
- 2(\text{shell wall thickness}) ]
Questa espressione è solo un'approssimazione di layout. Il diametro effettivo del mantello deve tenere conto di diaframmi, tiranti, costruzione della piastra tubiera, piastre di partizione dei passaggi, espansione differenziale e regole di progettazione meccanica applicabili.
Determinare la lunghezza complessiva dell'attrezzatura
Includere la lunghezza attiva dei tubi
La lunghezza attiva dei tubi è la porzione che contribuisce allo scambio termico. Le lunghezze standard dei tubi dello scambiatore possono essere utilizzate inizialmente, ma gli impianti pilota spesso impongono limiti basati sullo spazio disponibile a pavimento, sul trasporto, sull'accesso e sulla costruzione modulare.
La lunghezza del mantello non è necessariamente identica alla lunghezza dei tubi. Piastre tubiere, testate a canale, coperchi, giunti di espansione, spaziatura dei diaframmi e sporgenze dei bocchelli possono tutti aumentare la dimensione da estremità a estremità.
Aggiungere testate e giochi terminali
Un'espressione preliminare pratica è:
[ L_{\text{overall}} = L_{\text{active}}
- L_{\text{front head}}
- L_{\text{rear head}}
- L_{\text{nozzle and cover projections}} ]
Se è disponibile solo una stima semplice, le tolleranze delle testate possono essere rappresentate come giochi terminali aggiunti alla lunghezza attiva dei tubi. Per un layout effettivo, utilizzare la dimensione complessiva dello scambiatore da un disegno preliminare dell'attrezzatura invece di fare affidamento su una tolleranza generica.
L'orientamento è importante. Uno scambiatore orizzontale di solito ha un ingombro rettangolare lungo, mentre uno scambiatore verticale può occupare un'area a pavimento più piccola ma richiedere più spazio verticale e una zona di manutenzione più ampia.
Calcolare l'ingombro della sola attrezzatura
Utilizzare le dimensioni massime installate
Per uno scambiatore orizzontale, l'involucro di base dell'attrezzatura può essere stimato come:
[ A_{\text{equipment}} = L_{\text{overall}} \times W_{\text{installed}} ]
dove (W_{\text{installed}}) è la larghezza orizzontale massima, non necessariamente il diametro del mantello nudo.
Una prima approssimazione è:
[ W_{\text{installed}} = D_{\text{shell,OD}}
- 2(\text{support or saddle projection}) ]
Includere il maggiore tra il diametro del mantello, la larghezza della sella, la larghezza della testata del canale, la sporgenza della flangia o altre caratteristiche esterne permanenti.
Aggiungere zone di layout e manutenzione
Lo spazio riservato sul pavimento dovrebbe essere più grande dell'involucro dell'attrezzatura in acciaio:
[ A_{\text{allocated}} = (L_{\text{overall}} + 2C_L) (W_{\text{installed}} + 2C_W) ]
dove (C_L) e (C_W) sono i giochi specifici del progetto per accesso, ispezione, valvole, isolamento, tubazioni e manutenzione.
Questi giochi non sono costanti universali. Dovrebbero essere definiti dallo standard di layout dell'impianto, dal fornitore dell'attrezzatura, dal metodo di manutenzione e dal percorso di estrazione del fascio tubiero richiesto.
Un calcolo preliminare pratico
Esempio di base di dimensionamento
Supponiamo che una progettazione preliminare produca:
- Lunghezza attiva dei tubi: (8) ft
- Diametro del fascio tubiero: (18) in
- Diametro esterno del mantello: (20) in
- Lunghezza complessiva dello scambiatore dopo l'aggiunta di testate e sporgenze: (10) ft
- Sporgenza del supporto oltre il mantello: (4) in totali
- Gioco di layout: (2) ft a ciascuna estremità e (2) ft su ciascun lato
La larghezza installata è approssimativamente:
[ W_{\text{installed}} = 20\text{ in} + 4\text{ in} = 24\text{ in} = 2\text{ ft} ]
L'ingombro della sola attrezzatura è quindi:
[ A_{\text{equipment}} = 10\text{ ft} \times 2\text{ ft} = 20\text{ ft}^2 ]
L'area a pavimento allocata preliminare diventa:
[ A_{\text{allocated}} = (10 + 2 + 2)(2 + 2 + 2) = 14 \times 6 = 84\text{ ft}^2 ]
Il valore di (20\text{ ft}^2) descrive l'involucro fisico dell'attrezzatura. Il valore di (84\text{ ft}^2) è una tolleranza di pianificazione più realistica per un'unità orizzontale con le zone di accesso dichiarate.
Considerare le caratteristiche che modificano l'ingombro
Includere supporti e sporgenze esterne
Selle, gambe, telai di base, isolamento, golfari di sollevamento, coperchi dei canali, flange e bocchelli possono controllare le dimensioni effettive in pianta. La sporgenza permanente più grande dovrebbe governare la larghezza e la lunghezza utilizzate per il layout.
Riservare lo spazio per la rimozione del fascio tubiero
Un fascio rimovibile può richiedere un percorso di estrazione rettilineo oltre un'estremità dello scambiatore. Tale percorso può essere molto più lungo del gioco della testata dello scambiatore e potrebbe dover rimanere libero da altre attrezzature o tubazioni permanenti.
Questa zona di manutenzione fa parte dell'allocazione dello spazio funzionale dell'impianto pilota, anche se non fa parte dell'ingombro in acciaio dello scambiatore.
Considerare le tubazioni e l'accesso dell'operatore
L'orientamento dei bocchelli e la disposizione delle tubazioni possono creare un ingombro maggiore rispetto al recipiente stesso. Lasciare spazio per valvole di isolamento, strumenti, scarichi, sfiati, isolamento e un percorso di accesso per l'operatore.
Comprendere i compromessi
Gli scambiatori più corti possono richiedere diametri maggiori
Se la lunghezza dei tubi viene ridotta mentre il carico rimane costante, sono necessari più tubi:
[ N_t \propto \frac{1}{L_{\text{active}}} ]
Il fascio e il mantello risultanti possono diventare di diametro maggiore. Possono essere utilizzati anche passaggi dei tubi o diaframmi aggiuntivi per mantenere la velocità e le prestazioni di scambio termico, ma queste modifiche possono aumentare la caduta di pressione, il peso e il costo.
La compattezza può ridurre la pulibilità
Un passo triangolare produce spesso un diametro del mantello più piccolo e una maggiore densità di area. Tuttavia, è meno adatto quando le superfici dei tubi lato mantello richiedono una pulizia meccanica esterna.
Il passo quadrato può aumentare il diametro dello scambiatore ma fornire un accesso di manutenzione più pratico.
La dimensione termica non determina tutte le esigenze di spazio
Un diametro del mantello piccolo non garantisce un'installazione piccola. Testate, bocchelli, supporti, accesso elettrico o di strumentazione, tubazioni, isolamento e rimozione del fascio possono dominare l'area allocata.
Le correlazioni preliminari hanno dei limiti
Le correlazioni del conteggio dei tubi forniscono utili stime iniziali, ma non sostituiscono un disegno di massima del fornitore o una progettazione meccanica. Il layout finale dovrebbe basarsi su dimensioni certificate, percorsi dei componenti rimovibili, carichi sui supporti e standard applicabili per recipienti a pressione e scambiatori.
Fare la scelta giusta per il proprio obiettivo
Utilizzare il dimensionamento termico per stabilire l'involucro dello scambiatore, quindi utilizzare i requisiti meccanici e di manutenzione per stabilire l'allocazione effettiva dell'impianto pilota.
- Se il focus principale è il layout di processo preliminare: Moltiplicare la lunghezza totale installata per la larghezza massima installata, quindi aggiungere giochi conservativi per l'accesso e le tubazioni.
- Se il focus principale è l'approvvigionamento dell'attrezzatura: Specificare l'area richiesta, il diametro dei tubi, la lunghezza dei tubi, il layout, la disposizione dei passaggi e le cadute di pressione ammissibili, quindi ottenere le dimensioni di massima e di manutenzione del fornitore.
- Se il focus principale è un impianto pilota compatto: Valutare attentamente lunghezze dei tubi più corte e passaggi aggiuntivi perché la lunghezza ridotta può aumentare il diametro del mantello, la caduta di pressione, il peso e il costo.
- Se il focus principale è la manutenibilità: Riservare il percorso completo di estrazione del fascio tubiero e selezionare un layout dei tubi compatibile con il metodo di pulizia previsto.
- Se il focus principale è la progettazione finale dell'impianto: Utilizzare le dimensioni permanenti massime dello scambiatore, l'orientamento dei bocchelli, la geometria dei supporti, l'isolamento, le tubazioni e l'involucro di manutenzione piuttosto che le dimensioni del mantello nudo.
Una stima affidabile dell'ingombro combina il dimensionamento termico, le dimensioni dell'involucro meccanico e il gioco richiesto per far funzionare e mantenere lo scambiatore in sicurezza.
Tabella riassuntiva:
| Fase di pianificazione | Cosa calcolare o includere | Perché è importante |
|---|---|---|
| Dimensionamento termico | Carico termico, coefficiente di scambio termico globale, LMTD, margine di progetto e area richiesta | Stabilisce le dimensioni dello scambiatore |
| Fascio tubiero | Conteggio tubi, diametro, lunghezza, passo, disposizione e passaggi | Determina il diametro del fascio e la dimensione del mantello |
| Involucro dell'attrezzatura | OD mantello, testate, supporti, bocchelli, flange, isolamento e sporgenze | Definisce la lunghezza e la larghezza installate |
| Ingombro dell'attrezzatura | Lunghezza totale installata x larghezza massima installata | Rappresenta l'area fisica dell'attrezzatura |
| Area a pavimento allocata | Involucro dell'attrezzatura più giochi per accesso, tubazioni, funzionamento e ispezione | Supporta il funzionamento sicuro e la pianificazione del layout |
| Zona di manutenzione | Percorso di estrazione del fascio tubiero e spazio di servizio libero | Garantisce l'accesso per ispezione e manutenzione |
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