シェルアンドチューブ熱交換器の設計で考慮すべき要素

熱交換装置には多くの種類があり、特定の熱伝達条件ごとに、最適化選択を通じて最も適切な装置モデルを得ることができます。 このモデルの装置を他の条件で使用すると、熱伝達効果が大きく変わる可能性があります。 したがって、特定の動作条件に合わせて熱交換器のタイプを選択することは、重要かつ複雑な作業です。 シェルアンドチューブ熱交換器の設計では、次の要素を考慮する価値があります。
1. 流速の選択
流量は熱交換器の設計において重要な変数です。流量が増加すると熱伝達係数が増加しますが、それに応じて圧力降下と消費電力も増加します。ポンプ流体を使用する場合は、圧力降下を調節弁ではなく熱交換器で可能な限り消費するように考慮する必要があります。これにより、流量の増加によって熱伝達効率が向上します。
流量を高くすると、2 つの利点があります。1 つ目は、全体の熱伝達係数が上昇し、熱伝達面積が減少することです。2 つ目は、パイプの表面に汚れが発生する可能性が低くなることです。ただし、それに応じて抵抗と消費電力も増加するため、最終的に適切な流量を決定するには経済的な比較が必要です。
さらに、流速を選択する際には、構造上の要件も考慮する必要があります。機器の深刻な摩耗を避けるために、計算された流量は最大許容実験流量を超えてはなりません。
2. 圧力降下を許容する選択
圧力損失を大きくすると流量が増加し、伝熱効率が向上し、伝熱面積が減少する可能性があります。ただし、圧力損失が大きいとポンプの運転コストも増加します。適切な圧力損失値は、機器のサイズを繰り返し調整し、熱交換器の年間総コストに基づいて計算を最適化することで決定する必要があります。
ほとんどのデバイスでは、片側の熱抵抗が反対側の熱抵抗よりも大幅に高いことがわかり、この側の熱抵抗が制御熱抵抗になります。シェル側の熱抵抗は、バッフルプレートの数を増やすか、シェルの直径を小さくしてシェル側の流体の流速を上げ、熱伝達熱抵抗を下げることで制御できます。ただし、バッフルプレートの間隔を狭めることには限界があり、通常はシェル直径の 1/5 または 50 mm 未満にすることはできません。チューブ側の熱抵抗が制御側である場合、流体の流速を上げるにはチューブの成熟度を上げる必要があります。
粘性材料を扱う場合、流体が層流であれば、材料はシェル側を通って輸送されます。シェル側の流体の流れが乱流になる傾向があるため、より高い熱伝達率を達成でき、圧力損失の制御も改善されます。
3. シェルアンドチューブプロセスにおける流体の測定
主に流体の動作圧力と温度、利用可能な圧力降下、構造と腐食特性、および必要な機器材料の選択に基づいて、流体に適した経路が考慮されます。選択する際には、次の要素を考慮することができます。
配管プロセスに適した流体には、水、水蒸気、または腐食性の高い流体、有毒な流体、構造化しやすい流体、高温または高圧の動作流体などがあります。
シェルプロセスに適した流体は、塔頂留出物の凝縮、炭化水素の凝縮と再沸騰、配管継手における圧力降下によって制御される流体、高粘度の流体などです。
上記の状況が解消された後、媒体が通る経路の選択は、熱伝達係数の向上と圧力降下を最大限に活用することに重点を置く必要があります。シェル側の媒体の流れは乱流になりやすいため (Re が 100 以上)、一般的には、粘度が高い流体や流量が低い流体、つまりレイノルズ数の低い流体をシェル側から通すのが有利です。
逆に、チューブ側で流体が乱流に達する可能性がある場合は、チューブ側に配置する方が合理的です。圧力損失の観点から考えると、シェルパスのレイノルズ数は低い方が一般的に合理的です。
4. 最終熱交換温度の決定
熱交換の最終温度は、一般的にプロセスのニーズによって決定されます。熱交換の最終温度を選択できる場合、その値は熱交換器の経済合理性に大きな影響を与えます。高温流体の出口温度が低温流体の出口温度と等しい場合、熱利用効率は最も高くなりますが、有効熱伝達温度差は最も小さく、熱伝達面積は最大になります。
さらに、物流出口の温度を決定する際に、高温流体出口の温度が低温流体出口の温度よりも低くなる温度クロスオーバーが発生することは望ましくありません。
5. 設備構造の選択
特定のプロセス条件では、固定チューブシート形式やフローティングヘッド形式を選択するなど、機器の形状を決定することが最初のステップです。以下の表 1-7 を参照してください。
熱交換器の設計プロセスにおいて、熱伝達を強化する全体的な目標は、与えられた熱伝達容量の下で熱交換器のサイズを縮小すること、既存の熱交換器の性能を向上させること、流れる作動流体の温度差を減らすこと、またはポンプの電力を減らすこと、と要約できます。
熱伝達プロセスとは、2つの流体がハードデバイスの壁を介して熱を交換するプロセスを指します。流体の熱伝達モードに応じて、基本的に非相変化と相変化の2種類に分けられます。相変化プロセスを伴わない熱伝達技術の強化に関する研究では、一般的に熱抵抗側の制御に基づく対応する対策が採用されています。
チューブの内面または外面を拡張する場合、チューブ内に異物を挿入する場合、バンドルのサポートコンポーネントの形状を変更する場合、混和しない低沸点添加剤を追加するなどの方法で熱伝達効率を高めます。