Penukar panas shell-dan-tabung adalah perangkat pertukaran panas yang banyak digunakan di bidang industri dan energi. Prinsip kerjanya didasarkan pada perpindahan panas antara dua fluida melalui dinding padat. Mereka mencapai perpindahan panas yang efisien dengan memanfaatkan aliran-arus balik atau-silang dari fluida di dalam tabung dan fluida-sisi cangkang. Karena strukturnya yang kuat, kemampuan beradaptasi, dan kemampuannya menangani kondisi pengoperasian yang kompleks, perangkat ini melakukan tugas pertukaran panas yang penting dalam sistem pendingin, kimia, HVAC, dan tenaga.
Struktur inti penukar panas cangkang-dan-tabung mencakup cangkang, bundel tabung, lembaran tabung, penyekat, dan penutup ujung. Bundel tabung terdiri dari beberapa tabung paralel, dipasang pada kedua ujungnya pada lembaran tabung, sehingga membentuk saluran tabung tertutup. Cangkang mengelilingi bundel tabung untuk membentuk ruang sisi -cangkang, yang kedua ujungnya terhubung ke lembaran tabung dan penutup ujung, membentuk ruang aliran fluida yang lengkap. Saat peralatan beroperasi, satu fluida mengalir di dalam tabung, yang disebut fluida-sisi tabung; fluida lain mengalir di sekitar bundel tabung di sisi cangkang, yang disebut fluida sisi-kulit. Panas ditransfer dari fluida bersuhu tinggi ke fluida bersuhu rendah melalui dinding tabung, sehingga mencapai tujuan pemanasan atau pendinginan.
Efisiensi perpindahan panas tergantung pada keadaan aliran fluida dan perbedaan suhu. Untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas, penyekat biasanya dipasang di sisi cangkang untuk memandu fluida mengalir melintasi bundel tabung secara melintang atau miring, sehingga menghasilkan banyak putaran dan aliran multi-lintasan. Pola aliran ini mengganggu lapisan batas laminar, meningkatkan turbulensi, sehingga meningkatkan laju pertukaran panas dan membuat distribusi suhu lebih seragam. Jarak dan bentuk penyekat perlu dioptimalkan berdasarkan kecepatan aliran sisi cangkang, penurunan tekanan, dan persyaratan peredam getaran untuk menghindari kerusakan kelelahan pada bundel tabung yang disebabkan oleh getaran yang disebabkan oleh cairan.
Selama perpindahan panas, fluida di sisi tabung dan sisi cangkang dapat diatur dalam konfigurasi aliran-berlawanan,-arus, atau aliran silang. Pengaturan arus balik memungkinkan kedua fluida mempertahankan perbedaan suhu rata-rata yang besar selama proses pertukaran panas, sehingga mencapai efisiensi perpindahan panas teoretis yang lebih tinggi; pengaturan arus bersama menghasilkan perbedaan suhu yang besar di saluran masuk dan perbedaan suhu yang kecil di saluran keluar, sehingga menghasilkan efisiensi perpindahan panas yang relatif lebih rendah; pengaturan aliran-silang sering digunakan dalam struktur multi-lintasan untuk menyeimbangkan pemanfaatan perbedaan suhu dengan kekompakan struktur. Dalam desain praktis, kombinasi beberapa lintasan tabung dan beberapa lintasan cangkang sering digunakan untuk meningkatkan area perpindahan panas dalam volume terbatas dan memenuhi persyaratan suhu masuk dan keluar yang berbeda.
Konduktivitas termal bahan dinding tabung secara langsung mempengaruhi laju perpindahan panas. Oleh karena itu, bahan tabung yang sesuai, seperti tembaga, baja tahan karat, baja karbon, atau paduan khusus, harus dipilih berdasarkan sifat kimia, suhu, dan tekanan medium. Secara bersamaan, laju aliran fluida harus dikontrol dalam kisaran yang wajar. Laju aliran yang terlalu rendah dapat dengan mudah menyebabkan pengotoran dan penurunan perpindahan panas, sedangkan laju aliran yang terlalu tinggi akan meningkatkan hambatan aliran dan risiko erosi. Untuk media yang rentan terhadap pengotoran atau dengan viskositas tinggi, saluran pembersih dapat disediakan dalam desain struktural, atau bundel tabung yang dapat dilepas dapat digunakan untuk memfasilitasi penghapusan pengotoran dan pemulihan kinerja selama pemeliharaan.
Dampak perbedaan ekspansi termal juga harus dipertimbangkan selama pengoperasian penukar panas shell-dan-tabung. Struktur lembaran tabung tetap cocok untuk kondisi dengan perbedaan suhu yang kecil. Namun, ketika perbedaan suhu antara sisi tabung dan sisi cangkang besar, desain kepala mengambang atau tabung U-biasanya digunakan, sehingga beberapa bundel tabung dapat mengembang dan berkontraksi dengan bebas, menghindari kerusakan pada lembaran tabung atau tabung karena tekanan termal.
Secara umum, prinsip kerja penukar panas cangkang-dan-tabung adalah mentransfer panas antara fluida di dalam tabung dan sisi cangkang melalui dinding bundel tabung. Ini meningkatkan perpindahan panas dengan desain saluran aliran yang masuk akal dan struktur penyekat, dan memperhitungkan ketahanan tekanan, ketahanan korosi dan kompensasi tegangan termal dalam pemilihan material dan pengaturan struktural, sehingga mencapai pertukaran panas yang stabil dan efisien serta memenuhi kebutuhan manajemen termal berbagai bidang industri dan energi.
