Shell and tube warmtewisselaar: opbouw, toepassingen en bescherming

Wat is een shell and tube warmtewisselaar?

Een shell and tube warmtewisselaar is een warmtewisselaar waarin een bundel buizen (tubes) in een drukvaste mantel (shell) is gemonteerd. Het medium in de buizen en het medium in de mantel komen niet met elkaar in contact; de buiswand scheidt ze en geleidt de warmte. In het Nederlands heet het type ook pijpenbundelwarmtewisselaar of mantelbuiswarmtewisselaar; aan boord spreekt men vaak kortweg van een shell tube koeler.

Het type bestaat al meer dan een eeuw en is daarom tot in detail gestandaardiseerd. Het kan gebouwd worden voor vrijwel elke combinatie van druk, temperatuur en materiaal, van een kleine oliekoeler op een scheepsmotor tot een condensor van tientallen meters in een energiecentrale. Welke andere typen warmtewisselaars er zijn en hoe ze zich tot elkaar verhouden, lees je in het vergelijkende artikel.

Hoe is een shell and tube warmtewisselaar opgebouwd?

Een shell and tube warmtewisselaar bestaat uit vijf hoofdonderdelen, die elk een eigen rol en eigen kwetsbaarheid hebben:

• Mantel (shell): het drukvaste, meestal stalen huis waar het mantelmedium doorheen stroomt. Met in- en uitlaataansluitingen, vaak met flenzen.
• Pijpenbundel (tube bundle): tientallen tot duizenden buizen, recht of U-vormig, van koper, messing, cupronikkel, roestvast staal, titanium of staal. Hier vindt de warmteoverdracht plaats.
• Pijpenplaat (tube sheet): de dikke plaat waarin de buizen zijn gewalst of gelast. Ze scheidt de buiszijde van de mantelzijde en is de plek waar lekkages het vaakst ontstaan.
• Waterkasten (headers): de kappen aan de uiteinden die het buismedium verdelen over de buizen en terugleiden bij meerdere passages. Vaak van gietijzer, staal of brons, met deksels voor inspectie.
• Keerschotten (baffles): platen in de mantel die het mantelmedium dwars over de bundel sturen, de snelheid verhogen en de buizen ondersteunen tegen trillingen.

Het buismedium kan in één keer door de wisselaar stromen (één pass) of meerdere keren heen en terug (twee, vier of meer passes), afhankelijk van hoe de waterkasten zijn verdeeld. Meer passes betekent een hogere snelheid in de buizen en een betere warmteoverdracht, maar ook meer drukverlies. Een U-buisbundel kan vrij uitzetten en is uit te bouwen; een rechte bundel met vaste pijpenplaten is eenvoudiger te reinigen.

Welke media stromen door de buizen en door de mantel?

De vuistregel is: het meest vervuilende, corrosieve of hoogst gedrukte medium gaat door de buizen. De buiszijde is namelijk het makkelijkst te reinigen, te inspecteren en te beschermen, en buizen zijn goedkoper in een hoogwaardig materiaal uit te voeren dan een hele mantel. Koelwater, zeewater en rivierwater stromen daarom bijna altijd door de buizen. Het mantelmedium is dan de olie, het gesloten koelwater, de stoom of het procesmedium dat gekoeld of verwarmd moet worden.

Enkele veelvoorkomende combinaties:

• Zeewater in de buizen, smeerolie of motorkoelwater in de mantel (scheepvaart, zie ook het koelwatersysteem van een schip).
• Koelwater in de buizen, stoom of koudemiddel in de mantel (condensors).
• Proceswater of chemicaliën in de buizen, stoom of thermische olie in de mantel (verwarmers in de procesindustrie).

Waar slaan corrosie en vervuiling toe?

Corrosie en vervuiling concentreren zich op vier plekken: de binnenzijde van de buizen, de pijpenplaat, de waterkasten en de inlaatzone van de bundel. De binnenzijde van de buizen is permanent in contact met het koelwater, met zijn zouten, zuurstof, slib en organismen. Daar zetten kalk en biofilm zich af en daar begint putcorrosie, vooral waar de stroming stilstaat of juist te hard gaat.

De pijpenplaat en de waterkasten zijn vaak van een ander metaal dan de buizen: staal of gietijzer tegen koper of messing. In geleidend water vormen die een galvanisch element, waarbij het minst edele metaal versneld oplost. Rond de buiseinden, in de rolverbinding, ontstaat daardoor aantasting die uiteindelijk tot lekkage leidt. Hoe dat werkt lees je bij galvanische corrosie.

Bij de inlaat van de buizen is de stroming turbulent en soms te snel, wat de beschermende oxidelaag van koperlegeringen wegslijt (erosiecorrosie). Aan de mantelzijde is de belasting meestal milder, maar bij stoom, zure condensaten of chemicaliën kunnen ook de buitenzijde van de buizen, de baffles en de mantelwand corroderen. Een laag vervuiling of corrosieproducten op de buiswand geleidt bovendien slecht, zodat het rendement terugloopt lang voordat er een lek is.

Hoe coat je een shell and tube warmtewisselaar van binnen en van buiten?

Een shell and tube warmtewisselaar wordt gecoat op de plekken waar het medium het metaal aantast: de binnenzijde van de buizen, de pijpenplaten, de waterkasten en de deksels, en waar nodig de buitenzijde van de bundel en de binnenzijde van de mantel. Novocoatings beschermt zowel de binnenzijde (pijpenbundels) als de buitenzijde (mantels). De coating moet drie dingen tegelijk doen: het metaal volledig afsluiten, de warmteoverdracht nauwelijks hinderen en het oppervlak glad houden.

Een phenol-epoxy inbrandcoating doet dat door in dunne lagen opgebouwd en in de oven uitgehard te worden. Het resultaat is een homogene, glasachtige laag die chemisch resistent is, elektrisch isoleert (en daarmee het galvanische circuit tussen buizen en pijpenplaat onderbreekt) en warmte blijft geleiden. De eindlaag is hydrofoob: vervuiling hecht minder en de buizen laten zich makkelijker reinigen. Dat verlengt de levensduur en verlaagt de onderhoudsfrequentie.

Twee voorwaarden zijn bepalend voor het resultaat. Ten eerste de voorbehandeling: de binnenzijde van honderden buizen is met stralen niet te bereiken, een chemisch vloeistofproces wel. Ten tweede de staat van de bundel: buizen die al te ver aangetast zijn worden eerst vervangen (re-tuben) en de wisselaar wordt na het coaten afgeperst. Voor onderdelen die geen warmte hoeven over te dragen, zoals waterkasten en deksels, zijn ook poedercoaten, rilsaneren en natlakken mogelijk.

Wat betekent dit voor jouw shell and tube warmtewisselaar?

Een shell and tube warmtewisselaar is constructief vrijwel onverslijtbaar; wat hem afkeurt is bijna altijd corrosie en vervuiling aan de koelwaterzijde. Wie de buizen, de pijpenplaat en de waterkasten op tijd beschermt, houdt de wisselaar decennia in bedrijf en voorkomt het grootste risico van dit type: koelwater dat door een lek in de olie of het proces komt.

Novocoatings coat al 25 jaar shell and tube warmtewisselaars en condensors met Novotherm phenol-epoxy inbrandcoatings, aan de binnen- en buitenzijde, na een chemische voorbehandeling in een eigen wasstraat. Voor gebruikte wisselaars bestaat het refit programma: reinigen, ontlakken, inspecteren, waar nodig re-tuben, coaten en druktesten. Wat dat voor jouw installatie inhoudt lees je op de pagina warmtewisselaars en condensors; meer achtergrond vind je op de themapagina warmtewisselaars.