プレート式熱交換器

プレート式熱交換器は、金属プレートを使用して2 つの流体間で熱を伝達するタイプの熱交換器です。従来の熱交換器に比べて、流体がプレート上に広がっているため、流体がはるかに大きな表面積にさらされるという大きな利点があります。これにより熱伝達が促進され、温度変化の速度が大幅に上がります。プレート式熱交換器は現在では一般的であり、非常に小型のろう付けバージョンが何百万台ものコンビネーションボイラーの給湯セクションで使用されています。このような小さな物理的サイズで高い熱伝達効率を実現したことで、コンビネーションボイラーの家庭用給湯 (DHW) 流量が増加しました。小型のプレート式熱交換器は、家庭用の暖房および給湯に大きな影響を与えました。大型の商用バージョンではプレート間にガスケットが使用されていますが、小型バージョンではろう付けされる傾向があります。

熱交換器の概念は、パイプまたはその他の容器を使用して、ある流体と別の流体との間で熱を移動させることにより、その流体を加熱または冷却することです。ほとんどの場合、交換器は、ある流体を含むコイル状のパイプと、その流体が別の流体を含むチャンバーを通過する構造になっています。パイプの壁は通常、交換を容易にするために金属または熱伝導率の高い他の物質で作られていますが、大きなチャンバーの外側のケースは、熱が交換器から逃げないように プラスチック製または断熱材でコーティングされています。

世界初の商業的に実現可能なプレート式熱交換器 (PHE) は、リチャード・セリグマン博士によって 1923 年に発明され、間接的に流体を加熱および冷却する方法に革命をもたらしました。リチャード・セリグマン博士は、醸造所や植物油業界に溶接容器を供給する専門製造会社であるAPV を1910 年にアルミニウム プラント & ベッセル カンパニー リミテッドとして設立しました。また、同社は世界中で使用されている今日のコンピューター設計による薄い金属プレート式熱交換器の標準を確立しました。^[1]

プレート式熱交換器 (PHE) は、中圧流体と低圧流体の間で熱を伝達するのに適した特殊な設計です。溶接、半溶接、ろう付けされた熱交換器は、高圧流体間の熱交換や、よりコンパクトな製品が必要な場合に使用されます。チャンバーを通過するパイプの代わりに、通常は深さが薄く、波形の金属プレートによって最大表面で区切られた 2 つの交互のチャンバーがあります。プレートおよびフレーム熱交換器で使用されるプレートは、金属プレートを一体プレスして得られます。ステンレス鋼は、高温に耐える能力、強度、耐腐食性があるため、プレートによく使用される金属です。

プレートは、多くの場合、プレートの端の周囲のセクションに接着されたゴム製のシーリング ガスケットによって間隔が空けられています。プレートは、熱交換器のチャネルを流れる液体の流れ方向に対して直角にトラフを形成するようにプレスされます。これらのトラフは、プレート間のギャップが 1.3～1.5 mm のチャネルを形成する他のプレートと連結するように配置されます。プレートは、剛性フレーム内で圧縮され、熱い流体と冷たい流体が交互に流れる平行なフロー チャネルの配置を形成します。プレートは非常に大きな表面積を生成するため、可能な限り高速な転送が可能になります。各チャンバーを薄くすることで、液体の大部分の体積がプレートに接触し、これも交換を促進します。トラフは、液体内に乱流を発生させて維持し、交換器内の熱伝達を最大化します。低流量で高度な乱流を実現できるため、高い熱伝達係数を実現できます。

シェルアンドチューブ熱交換器と比較すると、プレート熱交換器の温度接近（冷気流と温気流の温度の最小差）は 1 °C 程度に抑えられるのに対し、シェルアンドチューブ熱交換器では 5 °C 以上の接近が必要です。プレートによって提供される熱伝達面積（熱が移動できる大きな面積）が大きいため、同じ量の熱交換に対してプレート熱交換器のサイズは小さくなります。プレート熱交換器では、スタックにプレートを追加したりスタックからプレートを削除したりすることで、熱伝達面積の増減が簡単です。

プレート式熱交換器は、外観はどれも同じように見えます。違いは内部にあり、プレート設計の詳細と使用されているシーリング技術にあります。したがって、プレート式熱交換器を評価する際には、供給される製品の詳細を調べるだけでなく、メーカーが実施する研究開発のレベル、試運転後のサービスとスペアパーツの入手可能性を分析することも非常に重要です。

熱交換器を評価する際に考慮すべき重要な点は、熱交換器内の波形の形状です。波形には、インターメーティング波形とシェブロン波形の 2 種類があります。一般に、一定の圧力損失の増加に対してシェブロン波形の方が熱伝達が向上し、インターメーティング波形よりも一般的に使用されています。^[2] 熱交換器の効率を高めるための変更方法は非常に多く、商用シミュレーターでサポートされるかどうかは極めて疑わしいです。さらに、一部の独自データは、熱伝達向上装置メーカーから決して公開されません。ただし、新興技術の事前測定がエンジニアによって行われないということではありません。以下に、熱交換器に対するさまざまな変更形式に関するコンテキスト情報を示します。従来の熱交換器の使用と比較してコスト効率の高い熱交換器を実現するという主な目的は、常に熱交換器の強化によって達成されなければなりません。汚れの容量、信頼性、安全性も、取り組むべき考慮事項です。

1 つ目は定期洗浄です。定期洗浄 (オンサイト洗浄) は、時間の経過とともに熱交換器の効率を低下させるすべての廃棄物と汚れを洗い流す最も効率的な方法です。この方法では、PHE (プレート熱交換器) の両側から水を排出し、その後システム内の流体から分離する必要があります。両側から、水が完全に透明になるまで洗い流します。最良の結果を得るには、通常の操作とは逆方向に洗い流しを行う必要があります。それが終わったら、円形ポンプと溶液タンクを使用して洗浄剤を流し、その際に洗浄剤が PHE (プレート熱交換器) のガスケットとプレートに適合していることを確認します。最後に、排出ストリームが透明になるまで、システムを再び水で洗い流します。

PHE を改善するには、熱伝達量と圧力損失という 2 つの重要な要素を考慮する必要があります。つまり、熱伝達量を増やし、圧力損失を減らす必要があります。プレート式熱交換器では、波形プレートが存在するため、摩擦損失が高く、流れに大きな抵抗があります。したがって、プレート式熱交換器を設計するには、両方の要素を考慮する必要があります。

さまざまなレイノルズ数範囲に対して、プレート熱交換器の相関関係とシェブロン角度が多数存在します。プレート形状は、プレート熱交換器の熱伝達と圧力降下における最も重要な要素の 1 つですが、このような特徴は正確に規定されていません。波形プレート熱交換器では、プレート間の経路が狭いため、圧力容量が大きく、流れは経路に沿って乱流になります。そのため、他のタイプの熱交換器よりも多くのポンプ電力が必要です。したがって、より高い熱伝達とより少ない圧力降下が目標となります。プレート熱交換器の形状は、圧力降下の影響を受ける産業用途にとって非常に重要です。^{[引用が必要]}

プレート熱交換器の設計計算には、流量分布と圧力降下および熱伝達が含まれます。前者はマニホールド内の流れ分布の問題です。^[3]プレート熱交換器のレイアウト構成は通常、流体を分割および結合するための2つのマニホールドヘッダーを備えたマニホールドシステムに簡略化できます。マニホールド配置に示すように、ヘッダー内の流れ方向に応じて、UタイプとZタイプの配置に分類できます。 BassiounyとMartinは、以前の設計理論を開発しました。^{[4] [5]}近年、Wang ^{[6] [7]}は、既存の主要なモデルをすべて統合し、最も完成度の高い理論と設計ツールを開発しました。

プレート式熱交換器を通過する高温流体と低温流体間の熱伝達率の合計は、次のように表すことができます。Q = UA∆Tmここで、Uは全体の熱伝達係数、Aはプレートの総面積、∆Tmは平均温度差の対数です。Uは高温流体と低温流体の熱伝達係数に依存します。^[2]

これらの洗浄により、熱交換器を停止したり操作を中断したりすることなく、汚れやスケールの付着を防ぐことができます。熱交換器の性能低下やチューブ延長部の耐用年数低下を回避するために、OnC (オンライン洗浄) を単独のアプローチとして、または化学処理と組み合わせて使用​​することができます。再循環ボール型システムやブラシとバスケットのシステムは、OnC 技術の一部です。OfC (オフライン洗浄) は、熱交換器の性能を効果的に向上させ、運用コストを削減するもう 1 つの効果的な洗浄方法です。ピギングとも呼ばれるこの方法は、各チューブに挿入された弾丸のような形状の装置を使用し、高圧でチューブを押し下げます。化学洗浄、ハイドロブラスト、ハイドロランスは、OfC 以外の広く使用されている方法です。これらの両方の技術を頻繁に使用すると、汚れやスケールが徐々に落ちて熱交換器の効率に悪影響を与え始めるまで、熱交換器を最適な効率に回復します。

熱交換器には、運転と保守のコストが必要です。しかし、コストを最小限に抑える方法はいくつかあります。まず、熱交換器の汚れ形成を減らして全体の熱伝達係数を低下させることで、コストを最小限に抑えることができます。分析によると、汚れ形成の影響により、40億ドルを超える莫大な運用損失が発生します。汚れの総コストには、資本コスト、エネルギーコスト、保守コスト、利益損失コストが含まれます。化学的な汚れ防止剤は、汚れを制御する方法の1つです。たとえば、アクリル酸/ヒドロキシプロピルアクリレート（AA / HPA）およびアクリル酸/スルホン酸（AA / SA）コポリマーは、リン酸カルシウムの堆積によって汚れを抑制できます。次に、熱交換器を垂直に設置することでも汚れの堆積を減らすことができます。重力によって熱交換器内の熱伝達面から粒子が引き離されるためです。次に、流体として過熱蒸気ではなく飽和蒸気を使用すると、運転コストを最小限に抑えることができます。過熱蒸気は絶縁体として機能し、熱伝導率が低いため、熱交換器などの熱用途には適していません。

• プレートフィン熱交換器
• 熱伝達
• LMTD

• Sadik Kakac および Hongtan Liu (2002 年 3 月)。熱交換器: 選択、評価、熱設計(第 2 版)。CRC Press。ISBN 978-0-8493-0902-1。
• T. Kuppan (2000 年 2 月)。熱交換器設計ハンドブック(第 1 版)。CRC Press。ISBN 978-0-8247-9787-4。
• JM Coulson および JF Richardson (1999)。Coulson & Richardson の化学工学第 1 巻(第 6 版)。Butterworth Heinemann。ISBN 978-0-7506-4444-0。

ウィキメディア・コモンズには、プレート式およびフレーム式熱交換器に関連するメディアがあります。

• プレート式熱交換器に関する公開論文一覧
• ブラジルのサンパウロ大学のJMPinto と JAWGut によるプレート熱交換器構成の最適選択のためのスクリーニング方法。
• 典型的なプレート熱交換器 (PHE) の最適設計の探求 (Athanasios G. Kanaris、Aikaterini A. Mouza、Spiros V. Paras、アリストテレス大学テッサロニキ)。