シェル＆チューブ熱交換器とは何ですか?

あシェルアンドチューブ熱交換器は、2 つの流体を混合することなく熱エネルギーを伝達するように設計された工業用圧力容器の一種です。これは、堅牢な設計と極端な圧力や温度への対応能力により、石油精製所、大規模な化学プロセス、発電施設で使用される最も一般的なタイプの熱交換器です。

基本的な設計は、その名前が示すとおり、大きな外側の圧力容器 (シェル) には小さなパイプの束 (チューブ）。一方の流体はチューブの内側を流れ、第 2 の流体はシェル内のチューブの外側を流れ、熱伝導性のチューブ壁を通して熱を伝達します。

1. エクスチェンジャーの構造

シェルアンドチューブ熱交換器は高度にカスタマイズ可能ですが、すべての設計は次の 4 つの重要な機械コンポーネントに依存しています。

• チューブバンドル:コアの熱伝達面。チューブは通常、導電性が高く、耐食性の高い金属 (チタン、銅合金、ステンレス鋼など) で作られています。

• シェル:2 番目の流体が入っている外側のシリンダー。システムの内圧に耐えるように設計されており、多くの場合、環境への熱損失を防ぐために断熱されています。

• チューブシート:チューブを受け入れるための穴が開けられた厚い金属板。チューブはこれらのシートに拡張または溶接されて、シェル側の流体とチューブ側の流体を分離する漏れ防止シールが形成されます。

• バッフル:シェルの内側に取​​り付けられた内部プレート。それらは 2 つの重要な目的を果たします。1 つは長いチューブを支えて振動を防ぐこと、もう 1 つはシェル側の流体を強制的にチューブ束全体にジグザグに流すことで、乱流を生み出し、熱伝達を最大化することです。

2. 熱力学: 熱伝達と LMTD

シェルアンドチューブ熱交換器のサイズと効率は、次の基本的な熱伝達方程式によって決まります。

LMTDを理解する

両方の流体の温度は熱交換器を通過する際に変化するため、それらの温度差は一定ではありません。エンジニアが使用するのは、対数平均温度差 (LMTD)熱伝達の真の平均駆動力を計算します。

インタラクティブな LMTD および表面積計算機

流体の温度が熱交換器の物理的なサイズをどのように決定するかを理解するには、以下のシミュレーターを使用してください。目標の熱負荷に合わせて、高温および低温ストリームの入口温度と出口温度を調整して、LMTD と必要な表面積を計算します ($A$）。

3. フロー構成: なぜ「マルチパス」なのか?

上記のウィジェットはシングルパスを想定していますが、産業用シェルアンドチューブ熱交換器がそれほど単純であることはほとんどありません。それらは、流体が熱交換器の長さを通過する回数によって分類されます。

• 1-1 エクスチェンジャー (シングルパス):流体はチューブの一方の端から入り、もう一方の端から出ます。貝殻液も同様です。

• 1-2 熱交換器 (2 パス管):チューブの流体は入って、チューブの半分を通って、U ベンド (またはリターン ヘッダー) に到達し、チューブの残りの半分を通って戻ります。これにより流体速度が 2 倍になり、熱伝達係数が増加します ($U$）、ただし、より多くのポンピングパワーが必要です。

• マルチパス (例: 2 ～ 4 の交換器):より小さな物理的設置面積内で乱流と熱効率を最大化するために、大規模な産業業務に使用されます。

4. シェル＆チューブ熱交換器とプレート熱交換器

機器を指定する場合、シェル＆チューブ設計に代わる主な選択肢はプレート熱交換器 (PHE) です。

5. よくある質問（FAQ）

TEMAとは何ですか？

TEMA は管状熱交換器工業会。これは、シェルアンドチューブ熱交換器の機械設計、公差、および命名法 (BEM、AEL、NEN タイプなど) を規定する世界標準です。

熱交換器の「汚れ」とは何ですか？

ファウリングとは、伝熱面上の汚れ、スケール、または生物学的増殖の蓄積です。シェルアンドチューブ交換器のシェル側は機械的に洗浄するのが非常に難しいため、エンジニアは常に「最も汚れた」または最も腐食性の高い流体をこの部分に通します。内部チューブの汚れは高圧水ランスで洗浄できます。

バッフルが斜めにカットされているのはなぜですか?

バッフルは固体ディスクではありません。通常、20% ～ 30% の「カット」(半月のような) があります。これにより、シェル側の流体がチューブ束全体を垂直に上下に流れ、停滞した「デッドゾーン」が最小限に抑えられ、最適な熱伝達に必要な乱流混合が最大化されます。