管殻式熱交換器の設計方法と選定タイプ

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管殻式熱交換器の設計方法と選定タイプ　管殻式熱交換器は、伝統的な標準的な熱交換装置です。製造が容易で、使用できる材料の範囲が広く、適応性に優れ、処理量が多く、洗浄が簡単で、信頼性が高く、高温や高圧にも耐えられるなど、多くの利点があります。多くの産業分野で広く使用されており、特に石油、化学、熱エネルギー、動力などの産業分野で使われる熱交換器においては、管殻式熱交換器が主流となっている。管殻式熱交換器は広範囲に応用されているため、設計・製造・据付・使用を容易にするため、関連機関では管殻式熱交換器のシリーズ規格が定められている。例：（1）BIU 800—2.5—245—6/19-41はエンドキャップ付きチューブボックスで、公称直径は800mm、管側およびケーシング側の圧力は共に2.5MPa、公称熱交換面積は245平方メートル。高級な冷間引き抜き熱交換管を使用し、外径は19mm、管長は6m、4管程、単ケーシング式のU字管型熱交換器である。（2）BIU 600—1.6—90—6/25-2 II型エンドキャップ管箱で、公称直径は600mm、管側およびケーシング側の圧力は共に1.6MPa、公称熱交換面積は90平方メートル。通常グレードの冷間引き抜き熱交換管を使用し、外径は25mm、管長は6mで、2管路、単ケーシングのU字型管式熱交換器である。 圧力の単位換算関係：a、1kgf/cm2=98066.5Pa　b、1MPa=10^6Pa　c、1bar=0.1MPa=10^6dyn/cm2　d、1atm=760mmHg=101325Pa
管殻式熱交換器の設計と選定
熱交換器の設計とは、計算を通じて経済的かつ合理的な伝熱面積やその他の寸法を決定し、生産において求められる伝熱性能を実現することである。1、設計の基本原則（1）流体流路の選定 とは、管側とケーシング側のどちらをどの流体が流れるかを決めることであり、この問題はさまざまな要因によって制約される。ここでは固定管板式熱交換器を例に、いくつかの選定原則を紹介する：a、不純物が多くスケールが付きやすい流体は管側を流れる方がよく、管側の清掃が比較的容易になるからである。b、腐食性のある流体は管側を流れるようにするとよく、これにより管とケーシングが同時に腐食するのを防げる。また、管側の方が点検や交換が容易である。c、圧力の高い流体も管側を流れるようにするとよく、これによりケーシングが圧力を受けるのを防ぎ、ケーシング用の金属材料の消費量を節約できる。d、冷却される流体はケーシング通路を流れることが望ましく、ケーシングの外部への放熱作用を活用して冷却効果を高めることができる。e、飽和蒸気はシェルサイドを流れるのが望ましく、これにより凝縮液を迅速に排出でき、整然として清潔であり、通常は洗浄の必要がない。f、毒性があり汚染しやすい流体は、漏れ量を減らすために管内側を流れるようにするべきである。g、流量が少ないか粘度が高い流体はケーシング側を流れるのが適している。折り返し板があるケーシング側を流体が流れる際、流速や流れ方向が絶えず変化するため、低Re（Re>100）で既に乱流となり、伝熱係数が向上する。h、二つの流体の温度差が大きい場合は、対流熱伝達係数が大きい流体をケーシング側に流す方がよい。これにより、壁面温度がαが大きい流体に近づき、管壁とケーシング壁の温度差が小さくなり、温度差に起因する応力も低減される。 上記の原則は絶対的なものではなく、具体的な流体においては、上記の原則が互いに矛盾する場合がある。したがって、流体の流路を選定する際には、具体的な状況に応じて主要な矛盾を把握し、それに基づいて決定しなければならない。（2）流体フリンジの選定は、熱伝達係数、流動抵抗、および熱交換器の構造などに関わってくる。流速：流速が上がると対流熱伝達係数が増加し、スケールの生成が減少して、総熱伝達係数が大きくなる。しかし同時に流動抵抗が増大し、動力消費が増える；高い流速を選ぶことで管の本数を減らすが、一定の熱交換面積ではより長い管を使用するか段数を増やさなければならず、管が長すぎると清掃が困難になる。また、単段式から多段式に変えると平均的な熱伝達温度差が低下する。したがって、さまざまな観点からバランスを考慮し、適切な流速を選定する必要がある。表1–3には一般的な流速範囲が示されており、流速を選定する際は層の下で流れることがないように注意すること。表1 管殻式熱交換器の一般的な流速範囲
一般流体　スケールが発生しやすい流体　気体
流速 m/s　管側　0.5～3.0　＞1.0　5.0～30
　外側　0.2～1.5　＞0.5　3.1～15

表2 管殻式熱交換器における異なる粘度を持つ液体の一般的な流速
液体の粘度 mPa・s　＞1500　1500～500　500～100　100～35　35～1