ちょっと、そこ！シェルアンドチューブ熱交換器のサプライヤーとして、私はこれらの気の利いた機器に関してかなりの問題を経験してきました。シェルアンドチューブ熱交換器は、2 つの流体間の熱伝達において非常に効率的であるため、化学処理から発電まで、さまざまな業界で広く使用されています。しかし、他の機械と同様に、故障の影響を受けないわけではありません。このブログでは、シェルアンドチューブ熱交換器で発生する可能性のある一般的な故障のいくつかについて説明します。
1.汚れ
汚れはシェルアンドチューブ熱交換器で最も一般的な問題の 1 つです。これは、チューブまたはシェルの表面に不要な物質が蓄積したときに発生します。これらの物質には、汚れ、堆積物、腐食生成物から、藻類や細菌などの生物学的増殖物まで、あらゆるものが含まれます。
汚れが発生すると、2 つの流体の間に余分な断熱層が形成されます。これは、熱がこの追加の層を通過する必要があるため、熱伝達の効率が低下することを意味します。その結果、熱交換器は同じレベルの熱伝達を達成するためにさらに努力する必要があり、エネルギー消費量の増加と運用コストの増加につながる可能性があります。
汚れに対処する方法はいくつかあります。 1 つのオプションは、化学洗浄剤を使用して堆積物を除去することです。ただし、これには費用がかかる可能性があり、エクスチェンジャを一定期間オフラインにする必要がある場合があります。もう 1 つの方法は、ブラッシングや高圧ウォーター ジェットなどの機械的洗浄方法を使用することです。これは場合によってはより効果的ですが、限界もあります。
まず汚れを防ぐためには、交換器に入る流体がきれいであることを確認することが重要です。これには、固形物や汚染物質を除去するためのフィルターや前処理システムの使用が含まれる場合があります。堆積物が付着しにくくするために、チューブまたはシェルに防汚コーティングを使用することも検討できます。
2. チューブの漏れ
チューブの漏れは、シェルアンドチューブ熱交換器で発生する可能性のあるもう 1 つの大きな問題です。チューブから漏れが発生する理由はいくつかあります。一般的な原因の 1 つは腐食です。時間の経過とともに、チューブは腐食性の液体にさらされる可能性があり、金属が侵食されて穴や亀裂が生じる可能性があります。
チューブの漏れのもう 1 つの原因は、機械的損傷である可能性があります。これは、設置、メンテナンス、または通常の操作中に発生する可能性があります。たとえば、チューブが適切にサポートされていない場合、チューブが振動したり、チューブ同士やチューブシートと擦れ合ったりして、磨耗や損傷が発生し、最終的には漏れが発生する可能性があります。
チューブの漏れを検出するのは難しい場合があります。場合によっては、流体の入口と出口の間の温度差の減少など、交換器の性能の低下に気づくことがあります。また、液体の色や組成の変化など、液体が混合している兆候が見られる場合もあります。
チューブの漏れが検出されたら、迅速に措置を講じることが重要です。漏れの程度によっては、穴をふさぐか、損傷したチューブを交換することでチューブを修理できる場合があります。ただし、漏れが広範囲に及ぶ場合は、交換器全体の交換が必要になる場合があります。
3. シェル側の圧力降下の問題
シェルアンドチューブ熱交換器のシェル側での圧力損失は、考慮すべき重要な要素です。圧力損失が高すぎると、さまざまな問題が発生する可能性があります。
問題の 1 つは、シェル側の流体の流量が減少する可能性があることです。これは、流体が熱交換器内で費やす時間が短くなり、熱伝達の効率が低下する可能性があることを意味します。また、流体を循環させるために使用されるポンプやその他の機器に余分な負担がかかる可能性があり、エネルギー消費とメンテナンスコストが増加する可能性があります。
シェル側の圧力降下が高すぎる理由はいくつか考えられます。可能性の 1 つは、破片の蓄積や流路の詰まりなど、シェル内に障害物があることです。別の理由としては、交換器の設計が特定の用途に最適化されていないことが考えられます。たとえば、シェルの直径が小さすぎる場合、またはバッフルの間隔が近すぎる場合、流体の流れがより乱流になり、制限された状態になり、圧力降下が増加する可能性があります。
シェル側の圧力降下の問題に対処するには、シェルを洗浄して障害物を取り除く必要がある場合があります。シェルの直径を大きくしたり、バッフルの間隔を調整したりするなど、熱交換器の設計を変更することも検討できます。
4. 熱応力
熱応力は、チューブとシェルの間に大きな温度差がある場合に発生する可能性のある問題です。熱交換器が加熱または冷却されると、チューブとシェルは異なる速度で膨張または収縮します。これにより熱交換器内に内部応力が発生し、変形、亀裂、さらには故障につながる可能性があります。
熱応力は、頻繁な温度変化や大きな温度変動がある用途では特に問題となる可能性があります。たとえば、発電所では、熱交換器が急速な起動と停止のサイクルにさらされる可能性があり、これにより重大な熱ストレスが発生する可能性があります。
熱応力のリスクを軽減するには、適切な材料と寸法で熱交換器を設計することが重要です。たとえば、チューブとシェルに同様の熱膨張係数を持つ材料を使用すると、膨張と収縮の差を最小限に抑えることができます。伸縮ジョイントや柔軟な接続を使用して、ある程度の動きを許容し、ストレスを軽減することもできます。
5. 不十分な熱伝達
シェルアンドチューブ熱交換器では、必要なレベルの熱伝達を達成できない場合があります。これは、不適切なサイジング、不十分な流体分配、全体的な熱伝達係数の低さなど、さまざまな要因が原因である可能性があります。
熱交換器のサイズが用途に対して小さすぎると、必要な量の熱を伝達するのに十分な表面積が不足します。これは、流体が望ましい温度に達せず、プロセスが本来の効率で機能しない可能性があることを意味します。
流体の分布が不十分であると、熱伝達にも影響を与える可能性があります。流体がチューブまたはシェル全体に均一に分配されていない場合、熱交換器の一部の領域が他の領域よりも多くの流体を受け取る可能性があり、その結果、熱伝達が不均一になり、効率が低下する可能性があります。
全体の熱伝達係数は、交換器がどの程度熱を伝達できるかを示す尺度です。それは、流体の特性、チューブの材質、熱交換器の設計など、多くの要因によって決まります。熱伝達係数が低い場合、交換器の熱伝達効率があまり高くないことを意味します。
熱伝達を改善するには、交換器のサイズを変更して十分な表面積を確保する必要がある場合があります。バッフルやフローディストリビューターを使用するなど、流体の分配を改善するための措置を講じることもできます。さらに、チューブに熱伝導率の高い材料を使用するか、熱交換器の設計を改善して熱伝達率を高めることを検討できます。
結論
ご覧のとおり、シェルアンドチューブ熱交換器で発生する可能性のある一般的な故障がいくつかあります。でも心配しないでください。適切な設計、設置、メンテナンスを行うことで、これらの問題のリスクを最小限に抑え、交換器が効率的かつ確実に動作するようにすることができます。
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参考文献
- Incropera、FP、DeWitt、DP、Bergman、TL、および Lavine、AS (2007)。熱と物質移動の基礎。ワイリー。
- DW グリーン、RH ペリー (2007)。ペリーの化学工学者ハンドブック。マグロウヒル。