Het concept en de werking van een shell-and-tube-warmtewisselaar zijn vrij eenvoudig en zijn gebaseerd op de stroming en het thermische contact van twee vloeistoffen. De naam van een shell-and-tube-warmtewisselaar dient als verklaring voor het proces, namelijk het uitwisselen van temperatuur tussen twee vloeistoffen. In een warmtewisselaar zal een verwarmde of hete vloeistof rond een koude vloeistof stromen en warmte overbrengen in de richting van de stroming van de koude vloeistof.
In elke situatie waarin twee stukken materiaal contact maken, zal er een uitwisseling of overdracht van warmte plaatsvinden via een geleidend oppervlak. Het proces van een shell-and-tube-warmtewisselaar biedt ruimte voor twee vloeistoffen om warmte uit te wisselen of over te dragen via geleidende metalen.
Bij het shell-and-tube-warmtewisselaarproces stroomt de ene vloeistof door de buizen terwijl de andere vloeistof door de schaal stroomt. In het onderstaande diagram, dat een rechte buisomhulsel en een buizenwarmtewisselaar toont, bevindt de schaalinlaat voor de binnenkomende mantelvloeistof zich bovenaan en de inlaat voor de buisvloeistof rechtsonder.
Een shell-and-tube-warmtewisselaar heeft twee compartimenten of secties: de shell-zijde en de buiszijde. Bij het werken met een shell en tube warmtewisselaar is het belangrijk om te beslissen aan welke kant de hete vloeistof binnenkomt en aan welke kant de koude vloeistof binnenkomt; deze beslissing wordt vloeistofallocatie genoemd.
Wanneer er een drukverschil is tussen de vloeistoffen, komt het fluïdum met lagere druk binnen via de schaalinlaat, aangezien de buizen zijn ontworpen om hoge druk aan te kunnen.
Shell-kant
Bij het bepalen van de vloeistofstroom voor de schaalzijde is het belangrijk om te weten dat de fabricage van de schaal duurder is dan de buizen, en dat deze moeilijker schoon te maken is. De schaalzijde is voorzien van schotten die de vloeistofstroom over de buizenbundels leiden.
Viskeuze vloeistoffen en vloeistoffen met een hoog debiet worden via de schaalzijde verwerkt, waar sprake is van verhoogde turbulentie en een verhoogde overdrachtscoëfficiënt die leidt tot een betere warmteoverdracht. Grote temperatuurveranderingen worden normaal gesproken aan de schaalzijde uitgevoerd.
Buiszijde
Een noodzaak aan de buiszijde is het creëren van turbulente stroming; dit wordt bereikt door turbulatoren in de buizen te installeren via de gaten in de buizenplaat. Net als de turbulentie in de schaal vergroot de turbulentie in de buizen het warmteoverdrachtsvermogen. Een secundaire functie van de turbulatoren is om de binnenkant van de buizen schoon en onbevuild te houden. Buizen hebben minder turbulentie en drukval en zorgen voor een gestroomlijnde stroming.
Passeert
Shell-en-buiswarmtewisselaars kunnen één, twee, vier, zes of acht passages hebben, die worden geschreven als 1-1, 1-2, 1-4, enzovoort. Het eerste getal is het aantal schelpen. Het tweede getal is het aantal passen. Het aantal passages is het aantal keren dat de vloeistof door de vloeistof in de schaal gaat. Bij een warmtewisselaar met één doorgang gaat de vloeistof één keer door de schaal. Naarmate het aantal passages toeneemt, neemt de warmteoverdrachtscoëfficiënt toe.
Een werkende shell-and-tube-warmtewisselaar
Zoals te zien is in de afbeelding, komt koude vloeistof binnen via de buis- of schaalinlaat en wordt verwarmd door geleidende verwarming in de buizen; het wordt vervolgens verwerkt afgesloten. De onderstaande afbeelding is een shell-and-tube-warmtewisselaar met twee doorgangen.
Turbulente stroming in een shell-and-tube-warmtewisselaar verhoogt de warmteoverdrachtssnelheid en voorkomt vervuiling in de buizen en shell-wanden. De constante turbulente stroming heeft een zelfreinigend effect dat zorgt voor continue en optimale prestaties. Schotten die de stroming in de schaal sturen, creëren de turbulentie, terwijl in de buizen geïnstalleerde turbulatoren de turbulentie veroorzaken.
Het warmtewisselingsproces wordt vergemakkelijkt door thermisch contact tussen de twee vloeistoffen in de schaal en de buizen. Eén van de vloeistoffen blijft koeler, terwijl de andere warmer of heet blijft.