thumb|300px|Wymiennik płaszczowo-rurowy Wymiennik płaszczowo-rurowy – rodzaj wymiennika ciepła, który składa się z cylindrycznego płaszcza i przebiegających w nim rurek (rur cienkościennych). Powierzchnią wymiany ciepła jest powierzchnia tychże rurek, w poprzek której zachodzi przepływ ciepła pomiędzy płynami wewnątrz i na zewnątrz rurek (wewnątrz płaszcza). Ze względu na swoją wszechstronność wymiennik ten jest najczęściej stosowanym typem w przemyśle.

Budowa Rurki thumb|Wiązka rurek giętych montowana w wymiennikach płaszczowo-rurowych thumb|400px|Rodzaje rozmieszczenia rurek – równoległe i przemienne Rurki (rury cienkościenne) są umieszczone w postaci wiązek wewnątrz płaszcza. Ich końce przymocowane są do płyty sitowej, która oddziela wnętrze płaszcza od wnętrza głowicy. Płyn wpływający do wymiennika przepływa przez króciec wlotowy do głowicy, gdzie następuje rozdział płynu na strumienie wpływające do poszczególnych rurek. Po przepłynięciu przez rurki płyn miesza się w głowicy wylotowej i króćcem wylotowym opuszcza wymiennik. W wymiennikach płaszczowo-rurowych ścianki rurek stanowią powierzchnię wymiany ciepła i to głównie parametry rurek decydują o wydajności procesu. Poprzez odpowiedni ich dobór projektant może wpływać na dynamikę procesu wymiany ciepła. Parametry projektowe:

Liczba i średnica rurek są parametrami ściśle ze sobą powiązanymi poprzez kryterium szybkości przepływu płynu w rurkach. Szybkość przepływu dla gazów powinna wynosić 8 – 30 m/s, a dla cieczy 2,5 – 3 m/s. Zbyt niska prędkość przepływu jest niekorzystna dla procesu przenikania ciepła i może prowadzić do szybkiego osadzania się zanieczyszczeń na powierzchni rurek. Optymalna prędkość przepływu jest kluczowa dla rozwinięcia przepływu burzliwego i uzyskania możliwie jak największych współczynników wymiany ciepła. Zbyt duża prędkość powoduje nadmierny spadek ciśnienia i może prowadzić do erozji. Dodatkowo oba parametry są powiązane z długością rurek, całkowitą powierzchnią wymiany ciepła. Poprzez dobór tych trzech parametrów możliwe jest uzyskanie powierzchni wymiany ciepła w różnych układach. Ze względów praktycznych te wskaźniki da się modyfikować w pewnych granicach. Ze względów ekonomicznych i logistycznych zwykle stosuje się standardowe zewnętrzne średnice rurek (¼, ⅜, ½, ⅝, ¾, 1 oraz 1½ cala). Rurki standardowe cechują się niższą ceną i wyższą dostępnością. W przemyśle rafineryjnym i chemicznym stosuje się zwykle rurki ¾ cala lub jednocalowe. Wynika to z konieczności regularnego czyszczenia (co w praktyce staje się niemożliwe dla rurek poniżej ¾ cala). Ponadto wymienniki spotykane w przemyśle często pracują pod bardzo wysokimi ciśnieniami. W takich wypadkach małe średnice rurek są korzystne, ponieważ grubość ścianki rośnie wraz ze wzrostem średnicy rurki. Również długości rurek stosowane w przemyśle są standardowe – 8, 10, 12, 16 i 20 stóp. Zwiększenie długości rurek powoduje zwiększenie powierzchni wymiany ciepła, nie wpływając jednocześnie na dynamikę przepływu płynu wewnątrz rurek. W praktyce jednak wskaźnik ten ma duży wpływ na pracę wymiennika. Dłuższe rurki oznaczają większy spadek ciśnienia i temperatury (oraz wynikające z tego naprężenia cieplne – wprost proporcjonalne do różnicy temperatury i długości rur), większą podatność na zginanie i wibracje (co może skutkować koniecznością zamontowania dodatkowych przegród), gorsze warunki inspekcji i czyszczenia, mniejszą dostępność na rynku, komplikacje przy transporcie lub w razie konieczności wymiany zniszczonej rurki. Długość rurek jest bezpośrednio połączona z długością płaszcza, z czego również wynikają ograniczenia (wielkość i geometria płaszcza zależą często od wielkości i kształtu dostępnej powierzchni). Ponadto dłuższy wymiennik wymaga większej ilości materiału, co podnosi jego cenę.

odstęp pomiędzy rurkami (zwykle wyrażany jako stosunek odległości pomiędzy środkami dwóch sąsiadujących rurek do zewnętrznej średnicy rurki) wpływa na dynamikę przepływu płynu wewnątrz płaszcza. Ma to kluczowe znaczenie dla całego procesu, ponieważ przepływ burzliwy jest cięższy do zrealizowania po stronie płaszcza, niż po stronie rurek. Duża odległość między rurkami zmniejsza burzliwość przepływu, co spowalnia cały proces. Ułatwia jednak inspekcję i czyszczenie przestrzeni międzyrurkowej. Typowa wartość to 1,25 – 1,5. TEMA rekomenduje odstęp co najmniej 6 mm oraz dodatkowo 6 mm ze względu na konieczność czyszczenia. Jeżeli połączenia rurek z płytą sitową są spawane każda rurka wymaga dodatkowo 6 mm na spaw.

grubość ścianki. Wynika bezpośrednio z ciśnienia płynu oraz rodzaju zastosowanego materiału. Grubość ścianki pozytywnie wpływa na własności mechaniczne rurki (zwiększając jej wytrzymałość) oraz negatywnie na intensywność procesu przenikania ciepła w poprzek ścianki. Grubość ścianki podaje się w skali BWG (Birmingham Wire Gauge – skala Birmingham zwyczajowo stosowana dla grubości przewodów). Powszechnie stosowanymi grubościami są 12 BWG (2,77 mm), 14 BWG (2,11 mm) oraz 16 BWG (1,65 mm).

materiał. Rodzaj zastosowanego materiału zależy zwykle od płynów, ich właściwości chemicznych oraz parametrów pracy wymiennika. Ponieważ własności te są z góry określone, możliwość zmiany tego parametru jest bardzo ograniczona. Określając rodzaj materiału, projektanci odwołują się zwykle do odpowiednich specyfikacji. Przykładem specyfikacji określających odpowiednie materiały są np. amerykańska ASTM A213/SA 213 (Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic Alloy-Steel Boiler, Superheater, and Heat-Exchanger Tubes – Standardowa specyfikacja rur bezszwowych ze stali stopowych ferrytycznej lub austenitycznej do boilerów, przegrzewaczy i wymienników ciepła) lub europejska EN 10216-5:2004 (Seamless steel tubes for pressure purposes – rurki ze stali nierdzewnej do pracy w podwyższonym ciśnieniu).

rozmieszczenie rurek. Typ rozmieszczenia zwykle określa się, podając wartość kątów pomiędzy kierunkiem przepływu płynu na zewnątrz rurek a linią łączącą rurki. Typy rozmieszczenia 90° i 45° cechują się mniejszą intensywnością przenikania ciepła (w porównaniu z typami 30° i 60°). Inspekcja i czyszczenie w ich przypadku jest jednak łatwiejsze.

liczba biegów (przepływowość). Większa liczba biegów zwiększa powierzchnię wymiany ciepła, nie wypływając na dynamikę przepływu płynów wewnątrz rurek (efekt identyczny z wydłużeniem rur). Dodanie biegów utrudnia jednak realizację przepływu burzliwego po stronie płaszcza i komplikuje mechanikę wymiennika, przez co staje się on trudniejszy do wykonania. Przeważnie stosuje się wymienniki jedno- lub dwubiegowe (niekiedy czterobiegowe). Wymienniki z rurkami giętymi są z założenia przynajmniej dwubiegowe. Rurki takie mogą wydłużać się pod wpływem ciepła, w trakcie pracy nie powodując naprężeń. Ich wadą jest ograniczona możliwość czyszczenia.

Płaszcz thumb|450px|Oznaczenie TEMA Cylindryczny płaszcz znajdujący się na zewnątrz rur tworzy komorę, przez którą przepływa jeden z płynów biorących udział w wymianie ciepła. Od wewnętrznej strony wymiennika komora ta ograniczona jest płytami sitowymi (oddzielającymi wnętrze płaszcza od głowic) oraz ściankami rur (stanowiącymi powierzchnię wymiany ciepła). Wewnątrz płaszcza znajdują się przegrody zwiększające burzliwość płynu oraz podtrzymujące wiązki rurek. Ważnym czynnikiem wpływającym na intensywność wymiany ciepła jest rozmieszczenie króćców. Zwykle znajdują się one po przeciwnych stronach płaszcza, zwiększając odległość, którą musi przebyć płyn, aby opuścić wymiennik. Aby ograniczyć straty ciepła stosunek powierzchni płaszcza do powierzchni rurek powinien być możliwie najmniejszy. Niekiedy (w zależności od zakresu temperatur) możliwa jest zewnętrzna izolacja cieplna. Utrudnia ona jednak inspekcję i może prowadzić do powstawania trudnej do wykrycia korozji podizolacyjnej. Parametry projektowe:

Średnica płaszcza. Jest związana z liczbą i rozmieszczeniem rurek. Jeżeli średnica nie przekracza 24 cali (610 mm), zwykle stosuje się standardowe średnice dla rur handlowych. Jeżeli średnica jest większa niż 24 cale, konieczna jest specjalna konstrukcja płaszcza, co zwiększa koszta i czas wykonania. W zależności od rodzaju stosowanego połączenia (np. spawanego) zwiększa też podatność na korozję. Maksymalna średnica płaszcza zwykle uzależniona jest od konstrukcji wymiennika. Dla wymienników z wyjmowaną wiązką rurek średnica maksymalna wynika z konieczności wyjmowania wiązki rurek (dostępności odpowiedniego dźwigu, miejsca itd.) i wynosi zwykle 55 – 59 cali (1400 – 1500 mm). Dla wymienników o wiązkach rurek zintegrowanych z płaszczem czynnikiem ograniczającym są zwykle możliwości producenta oraz ograniczenia wynikające z konieczności transportu. Dla tego typu wymienników średnica maksymalna może wynosić do 2500 mm.

długość płaszcza. Jest ściśle związana z długością rurek. Dodatkowym czynnikiem ograniczającym długość płaszcza może być dostępność miejsca, jakie może być przeznaczone dla wymiennika. W obliczeniach projektowych stosuje się parametr zwany smukłością wymienna. Jest to stosunek długości płaszcza do jego średnicy. Podobnie jak w przypadku średnicy płaszcza maksymalna długość rurek jest związana z rodzajem konstrukcji. Dla wymienników z wyjmowanymi wiązkami rurek maksymalna długość wynosi do 6 m, natomiast dla wymienników z wiązkami zintegrowanymi do 12 m.

grubość ścianki. Grubość ścianki zależna jest od ciśnienia roboczego oraz średnicy płaszcza – im większa średnica płaszcza, tym większa grubość ścianki. Dla standardowych średnic (do 24 cali) stosuje się standardowe grubości rur handlowych. Powyżej tej wielkości grubość zależy od wykonania. Dodatkowo na grubość ścianki wpływają inne elementy np. obecność króćców zamontowanych na płaszczu (które osłabiają konstrukcję), naprężenia zginające (wynikające z zainstalowanych podpór), obecność niekorzystnych czynników zewnętrznych (takich jak korozyjna atmosfera, obciążenie śniegiem, silne deszcze) czy konieczność zainstalowania zaczepów koniecznych do transportu wymiennika.

Typ płaszcza w klasyfikacji TEMA. Normy TEMA obejmują siedem typów płaszcza: typ E (jednobiegowy). Jest to najbardziej podstawowy typ płaszcza opisany w normach TEMA. Bardzo dobrze nadaje się tam, gdzie warunki procesowe nie wymagają stosowania bardziej złożonych konstrukcji (np. z kompensacją naprężeń cieplnych). Dodatkową jego zaletą jest możliwość wykorzystywania tego typu płaszcza w przypadku parowania lub skraplania się płynów; typ F (dwubiegowy z przegrodą wzdłużną). Umożliwia on lepszą wymianę ciepła oraz kompensację naprężeń cieplnych (w przypadku rurek giętych). Jego wadą są straty ciepła wynikające z przenikania ciepła przez przegrodę oraz nieszczelności samej przegrody. Konstrukcja ta, ze względu na większą złożoność, jest droższa; typ G (o przepływie rozdzielonym) oraz typ H (o przepływie podwójnie rozdzielonym). Nadają się do wymienników instalowanych w poziomie. Ich zaletą jest mniejsze ryzyko wibracji oraz niski spadek ciśnienia. Ich wadą jest przenikanie ciepła wzdłuż przegrody, ograniczona możliwość instalacji wyciąganej wiązki rurek oraz nierównomierny profil temperatury. Typ H (w porównaniu z typem G) charakteryzuje się lepszym rozdziałem strumienia oraz mniejszym spadkiem ciśnienia. Wymaga jednak większej liczby króćców; typ J (o przepływie rozbieżnym). Cechuje się bardzo małym spadkiem ciśnienia oraz małymi prędkościami płynu przy przepływie przez króćce. Wymaga jednak instalacji większej liczby króćców. Jego wadą jest również nierównomierny profil temperatury; typ K (reboiler). Płaszcz posiada dużą komorę umożliwiającą dobrą cyrkulację przy małych prędkościach. Poprawia to jakość pary (zmniejszając zawartość wody w parze). Zwiększa jednak ryzyko wytrącania się zanieczyszczeń;