シェルアンドチューブ熱交換器

シェルアンドチューブ式熱交換器は、熱交換器設計の一種です。^[1]^[2]これは、石油精製所やその他の大規模な化学プロセスで最も一般的なタイプの熱交換器であり、高圧用途に適しています。その名前が示すように、このタイプの熱交換器は、内部にチューブの束が入ったシェル（大きな圧力容器）で構成されています。1つの流体がチューブを通過し、別の流体がチューブの上を（シェルを介して）流れ、2つの流体間で熱を伝達します。チューブのセットはチューブバンドルと呼ばれ、プレーンチューブ、縦方向フィン付きチューブなど、いくつかのタイプのチューブで構成される場合があります。

理論と応用

異なる開始温度の 2 つの流体が熱交換器を流れます。1 つはすべてのチューブを並行に流れ、もう 1 つはチューブの外側をシェルの内側を流れ、通常は逆流します。熱はチューブの壁を介して 1 つの流体から別の流体に伝達され、チューブ側からシェル側へ、またはその逆になります。クロスバッフルを使用すると、シェル流体をチューブに対して垂直に流して乱流を発生させ、熱伝達係数を高めることができます。流体は、シェル側またはチューブ側のどちらでも液体または気体です。 ^[3]

熱を効率よく伝えるためには、伝熱面積を大きくとる必要があり、そのためには多くの管が必要になります。こうすることで、廃熱を有効活用することができ、効率的な省エネにつながります。

両側に 1 つの相 (液体または気体)のみがある熱交換器は、単相熱交換器と呼ばれます。2 相熱交換器は、液体を加熱して沸騰させて気体 (蒸気) にするために使用することができ、ボイラーと呼ばれることもあります。また、蒸気を冷却して液体に凝縮するために使用することもでき (コンデンサーと呼ばれます)、相変化は通常、シェル側で発生します。蒸気機関車のボイラーは、通常、大型で円筒形のシェルアンドチューブ型熱交換器です。蒸気駆動タービンを備えた大規模な発電所では、シェルアンドチューブ型表面コンデンサーを使用して、タービンから出る排気蒸気を凝縮水に凝縮し、それが蒸気発生器で蒸気に変換するためにリサイクルされます。

これらは、液冷式チラーでは蒸発器と凝縮器の両方で冷媒と水の間で熱を伝達するために使用され、空冷式チラーでは蒸発器のみに使用されます。

シェルアンドチューブ熱交換器の設計

シェルアンドチューブ設計にはさまざまなバリエーションがあります。通常、各チューブの端はチューブシートの穴を通してプレナム(ウォーターボックスと呼ばれることもあります) に接続されます。チューブは真っ直ぐな場合もあれば、U 字型に曲がった U チューブと呼ばれる場合もあります。

加圧水型原子炉と呼ばれる原子力発電所では、蒸気発生器と呼ばれる大型の熱交換器は、通常 U 字管を備えた 2 相シェルアンドチューブ熱交換器です。これらは、表面凝縮器からリサイクルされた水を沸騰させて蒸気にし、タービンを駆動して電力を生成するために使用されます。ほとんどのシェルアンドチューブ熱交換器は、チューブ側で 1、2、または 4 パス設計になっています。これは、チューブ内の流体がシェル内の流体を通過する回数を指します。シングルパス熱交換器では、流体は各チューブの一方の端に入り、もう一方の端から出ます。

発電所の表面コンデンサーは、多くの場合、1 パス直管熱交換器です (図については表面コンデンサーを参照)。流体が同じ側から出入りできるため、2 パスおよび 4 パス設計が一般的です。これにより、構造がはるかに簡単になります。

多くの場合、流体がシェル側をショートカットして、無駄な低流量が残らないように、シェル側を通る流れを誘導するバッフルがあります。これらは通常、シェルではなくチューブバンドルに取り付けられており、バンドルはメンテナンスのために取り外し可能です。

向流熱交換器は、高温流と低温流の間の対数平均温度差を最大にできるため、最も効率的です。ただし、多くの企業では、U 字管付きの 2 パス熱交換器は壊れやすく、製造コストも高いため使用していません。多くの場合、複数の熱交換器を使用して、単一の大型熱交換器の向流をシミュレートできます。

チューブ材質の選択

熱をうまく伝達するには、チューブの材質に優れた熱伝導性が必要です。熱はチューブを通じて高温側から低温側へ伝達されるため、チューブの幅全体に温度差があります。チューブの材質は温度によって熱膨張が異なる傾向があるため、動作中に熱応力が発生します。これは、流体自体の高圧による応力に加えて発生します。また、チューブの材質は、腐食などの劣化を最小限に抑えるために、動作条件 (温度、圧力、pHなど)下で長期間にわたってシェルアンドチューブ側の流体と互換性がある必要があります。これらすべての要件を満たすには、強度があり、熱伝導性と耐腐食性に優れた高品質のチューブ材質、通常はアルミニウム、銅合金、ステンレス鋼、炭素鋼、非鉄銅合金、インコネル、ニッケル、ハステロイ、チタンなどの金属を慎重に選択する必要があります。^[4]パーフルオロアルコキシアルカン（PFA）やフッ素化エチレンプロピレン（FEP）などのフッ素ポリマーも、極端な温度に対する耐性が高いため、チューブ材料の製造に使用されます。^[5]チューブ材料の選択を誤ると、シェルとチューブの間のチューブから漏れが発生し、流体の相互汚染を引き起こし、圧力が低下する可能性があります。

用途と用途

シェルアンドチューブ熱交換器はシンプルな設計のため、さまざまな用途に理想的な冷却ソリューションです。最も一般的な用途の1つは、エンジン、トランスミッション、油圧パワーパックの油圧流体とオイルの冷却です。適切な材料を選択すれば、プールの水やチャージエアなど、他の媒体の冷却や加熱にも使用できます。 ^[6]シェルアンドチューブ技術には、プレート式熱交換器に比べて多くの利点があります。

シェルアンドチューブ式熱交換器を使用する大きな利点の1つは、特にフローティングチューブバンドルが利用できるモデルの場合、メンテナンスが容易なことです。^[7]（チューブプレートが外殻に溶接されていない）。
ハウジングの円筒形設計は圧力に対して非常に耐性があり、あらゆる範囲の圧力アプリケーションを可能にします。

過圧保護

シェルアンドチューブ式熱交換器では、チューブが破裂して高圧（HP）流体が流入し、熱交換器の低圧（LP）側に過圧がかかる可能性があります。^[8]交換器の通常の構成では、高圧流体はチューブ内に、LP水、冷却媒体または加熱媒体はシェル側にあります。チューブが破裂するとシェルの完全性が損なわれ、可燃性ガスまたは液体が放出され、人へのリスクと経済的損失が生じる可能性があります。交換器のシェルは、破裂ディスクまたは安全弁によって過圧から保護する必要があります。保護装置の開放時間は、交換器の保護にとって非常に重要であることがわかっています。^[9]このような装置は交換器のシェルに直接取り付けられ、安全システムに排出されます。

チューブ

概要

シェルアンドチューブ式熱交換器は、主に効率的な熱伝達のために使用される熱工学の不可欠なコンポーネントです。これらの交換器内のチューブの設計と配置は、その動作と有効性の基本です。 ^[10]シェルアンドチューブ式熱交換器のチューブの正確な設計と仕様は、熱工学の複雑さを強調しています。材料の選択からチューブの配置と流体の流れまで、各設計の側面は、交換器の性能に重要な役割を果たし、この分野で求められる複雑さと精度を示しています。^[10]

仕様と規格

これらの熱交換器のチューブは、凝縮器チューブとも呼ばれ、一般的な水チューブとは異なります。これらは、外径などの特定の寸法を規定するバーミンガムワイヤゲージ（BWG）規格に準拠しています。たとえば、BWGによると、1インチのチューブは、正確に1インチの外径を持ちます。^[11]詳細な仕様は、専門の参考文献で入手できます。

材料

チューブは様々な材料から作られており、それぞれ熱伝導率、強度、耐食性などの特定のシステム要件に基づいて選択されます。^[10]

チューブ配置

チューブの配置は設計上非常に重要な要素です。チューブはチューブシートに開けられた穴に配置されますが、穴の間隔（チューブピッチ）は構造の完全性と効率性の両方にとって重要な要素です。^[10]チューブは通常、正方形または三角形のパターンに配置され、具体的なレイアウトはエンジニアリング参考文献に詳しく記載されています。

チューブ数

チューブ数とは、チューブシートを弱めることなく、特定の直径のシェル内に収まるチューブの最大数を指します。^{[10]この側面は、熱交換器の}構造的完全性と効率を確保するために重要です。さまざまなシェルサイズのチューブ数に関する情報は、専門文献に記載されています。

流体の流れ

シェル・アンド・チューブ式熱交換器では、熱伝達のために2つの異なる流体の流れがあります。チューブ流体はチューブ内を循環し、シェル流体はバッフルによって誘導されてチューブの周囲を流れます。シェル流体の動き（左右または上下）とチューブを通過する回数は、熱伝達効率を最大化するために不可欠なセグメントバッフルによって制御されます。^[10]これらの側面は、専用の参考文献で詳しく説明されています。

設計および建設基準

管状熱交換器製造業者協会（TEMA）の規格、第 10 版、2019 年
EN 13445-3「非燃焼圧力容器 - パート3：設計」、セクション13（2012）
ASME ボイラーおよび圧力容器規格、セクション VIII、ディビジョン 1、パート UHX

参照

参考文献

^ Sadik Kakaç & Hongtan Liu (2002)。熱交換器：選択、評価、熱設計（第2版）。CRC Press。ISBN 0-8493-0902-6。
^ ペリー、ロバート H. & グリーン、ドン W. (1984)。ペリーの化学技術者ハンドブック(第 6 版)。マグロウヒル。ISBN 0-07-049479-7。
^ Geankoplis, Christie John; Hersel, A. Allen; Lepek, Daniel H. (2018).輸送プロセスと分離プロセスの原則(第 5 版). Pearson Education, Inc. ISBN 978-0-13-418102-8。
^ 「シェルアンドチューブ式熱交換器」。2009年5月8日閲覧。
^ 「PFA 特性」(PDF) . www.fluorotherm.com/ . Fluorotherm Polymers, Inc . 2014 年11 月 4 日閲覧。
^ 「アプリケーションと用途」。2016年1月25日閲覧。
^ 熱交換器シェルベローズ、Wayback Machineで 2018-10-05 にアーカイブ、配管技術と製品、(2012 年 3 月取得)
^ エネルギー研究所 (2015)。チューブ破損の影響に耐えるシェルアンドチューブ熱交換器の安全な設計と操作に関するガイドライン。ロンドン：エネルギー研究所。
^ 化学技術者協会 (2018年3月21日)。「高圧差圧緩和のための熱交換器のスクリーニング」化学技術者協会。 2021年1月24日閲覧。
^ abcdef Janna, William S. 「流体熱システムの設計」第4版。ISBN 9781285859651。
^ Kern, DQ「プロセス熱伝達」、McGraw-Hill Book Co.、1950 年、843 ページ。

外部リンク

シェルアンドチューブ熱交換器の構造詳細
シェル＆チューブ熱交換器設計の基礎
工業用熱伝達の基礎
液体-液体熱交換器の指定
無料の書籍 - シェル＆チューブ熱交換器の熱設計
シェルサイド用シェルアンドチューブ熱交換器計算機 2022-11-30 にWayback Machineでアーカイブ
セルフクリーニング熱交換器

[1] Sadik Kakaç & Hongtan Liu (2002)。熱交換器：選択、評価、熱設計（第2版）。CRC Press。ISBN 0-8493-0902-6。

[2] ペリー、ロバート H. & グリーン、ドン W. (1984)。ペリーの化学技術者ハンドブック(第 6 版)。マグロウヒル。ISBN 0-07-049479-7。

[3] Geankoplis, Christie John; Hersel, A. Allen; Lepek, Daniel H. (2018).輸送プロセスと分離プロセスの原則(第 5 版). Pearson Education, Inc. ISBN 978-0-13-418102-8。

[4] 「シェルアンドチューブ式熱交換器」。2009年5月8日閲覧。

[5] 「PFA 特性」(PDF) . www.fluorotherm.com/ . Fluorotherm Polymers, Inc . 2014 年11 月 4 日閲覧。

[6] 「アプリケーションと用途」。2016年1月25日閲覧。

[7] 熱交換器シェルベローズ、Wayback Machineで 2018-10-05 にアーカイブ、配管技術と製品、(2012 年 3 月取得)

[8] エネルギー研究所 (2015)。チューブ破損の影響に耐えるシェルアンドチューブ熱交換器の安全な設計と操作に関するガイドライン。ロンドン：エネルギー研究所。

[9] 化学技術者協会 (2018年3月21日)。「高圧差圧緩和のための熱交換器のスクリーニング」化学技術者協会。 2021年1月24日閲覧。

[dfts-10] Janna, William S. 「流体熱システムの設計」第4版。ISBN 9781285859651。

[11] Kern, DQ「プロセス熱伝達」、McGraw-Hill Book Co.、1950 年、843 ページ。