折流棒と折流板式熱交換器

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折流棒式熱交換器は、20世紀80年代に開発が成功して以来、石油化学業界で広く利用されており、中国石油化工集団の洛陽研究院は80年代後半にすでに標準図集を作成している。実際に使用されている台数は数万台に上ると確実だ。

折流棒の欠点は：1、加工が困難； 2、誘導振動を引き起こし、熱交換器の損傷を招く。折り返し棒によって流体が管群を横切ることで伝熱が促進される一方、流体の誘導振動も引き起こされる。この誘導振動が熱交換器に与える損傷は主に以下の通りである：1）管同士が衝突する。管の振動振幅が大きくなり、管同士が頻繁に衝突するようになると、管壁が摩耗して薄くなり、最終的には破壊される； 2）管と折流棒の壁が振動によって絶えず衝突し、その結果管が破損する； 3）振動する管と管板の接続部には大きな応力がかかり、長期にわたるとその応力によって拡張溶接部や溶接箇所が損傷し、接合部から漏れが発生する； 4）管子は振動によって繰り返し曲がることで応力疲労を起こし、長時間にわたる連続した振動によって管子が破断する； 5）振動によって生じる応力の脈動は、管材内の微細な欠陥を拡大させ、最終的にはき裂が発生する。 折流板付き管式熱交換器において、誘導振動の振幅を低減する措置としては、1）横切る管群の流速を下げることがある； 2）伝熱要素の固有振動数を高めるため、例えば管壁の厚さを増したり、管のスパンを縮小したりする。 明らかに、これら二つの措置は矛盾している。なぜなら、管のスパンを短くするためには折流棒の数を増やす必要があり、折流棒の数が増えると横切る管群の流速が上昇するからである。このとき、流速を下げるためには熱交換器の筒体の直径を大きくするしかなく、これにより熱交換器の体積が増加するだけでなく、流速の低下によって熱交換係数も低下してしまう。 3、流動デッドゾーンと漏れ流れが存在し、実際の熱伝達効果は理論値を大幅に下回る； 流動デッドゾーンの存在と漏れ流れは、折り返し棒式熱交換器におけるもう一つの大きな問題である。ケーシング間の隙間からの漏れ流れと折り返し棒の隙間からの漏れ流れは、縦方向の流れであり、主流の横方向の流れとは一致しないため、熱交換に寄与する度合いは非常に低い。さらに、折り返し棒と筒体の間には流動のデッドゾーンが存在し、流速が低い場合、熱交換に寄与する有効な伝熱面積が25％～30％減少する。これらはすべて、管殻式熱交換器の伝熱係数が低くなる原因です。さらに、ケーシング側の流速が低いことやデッドゾーンの存在は、スケールの堆積、結晶化、および腐食を引き起こす。さらに、誘導振動を防ぐためにケーシング側の流速も制御される。 4、ケーシング側の流動抵抗が大きい　流体が繰り返し横方向に管群を通過し、絶えず流れの方向が変わるため、ケーシング側の流動抵抗が大きくなる。折り返し棒式熱交換器を設計する際、ケーシング側の抵抗はしばしば機器選定を制約する主要因となり、さらにケーシング側のポンプ動力も増加させる。 5、スケールが付きやすい 6、折り返し棒式熱交換器を冷却オイルコイラーとして使用する場合、レイノルズ数Reが低くなる。

折流棒式熱交換器は、前世紀にアメリカのフィリップス・オイル社が、折流板式熱交換器の振動による損傷問題を回避するために開発・導入したものです。国内の中国石化学工業も1980年代初頭にそれに応じて開発と産業利用を行い、同時に折り返し棒式凝縮器の開発と産業利用も進めた。産業試験が成功した後すぐに普及が図られ、1990年代初頭には一連の標準図が作成された。 4号棟で言及されている折り返し棒と折り返し板式熱交換器の比較については、逆に理解することが基本的に正しい。