シェルとチューブの熱交換器: 実用的なエンジニアリング ガイド

シェルとチューブの熱交換器は、熱交換器の他のどのファミリーよりも、より多くの工業用圧力範囲にわたってより多くの熱をより効率的に移動します。彼らは製油所、化学反応器、蒸気動力発電所、船舶用エンジン、空調チラーステーション、どこでもプロセスが必要な場所、他の場所、高温と低温の流れが十分な圧力と高温にさらされているため、プレートタイプが故障する可能性があります。この本は、構造、操作、詳細、ブランド/モデル/部品番号、サイズ、他のタイプよりも優れている場所、および今後 20 年間それらをきれいに保つ方法を爆発させます。.

シェルとチューブの熱交換器の仕組み

シェルとチューブの熱交換器は 1つの流体の流れから - 液体、蒸気、または二相の - 熱を混合せずに別の流体に動かします 1つは平行なチューブの束 - チューブ側に入ります 2つ目の流体はシェル側と呼ばれる圧力容器内でそれらのチューブの外側の周りを流れます 熱はチューブの壁を通り 両方の流れに流れ込みます 経済学的な響きがどんなに素晴らしくても より単純な形状は 設計変数を少なくします。.

ほとんどのユニットは、ストリームが向流で流れるように設定されており、特定の表面サイズでの熱伝達を改善します。つまり、ほぼ可能な限り最高の熱伝達を実現します。ストリームが同じ方向に流れる同時流は、通常、より低い LMTD を供給し、ユニットが小さく、コールド エンドをホット エンドと同じ端に配置できない限り使用されません。.

横バッフルは、シェル側の流体をまっすぐに流れるのではなく、チューブを横切ってジグザグに前後に押し込みます。シェル側の水がチューブを横切る(比較的)高い乱流層は、乱流熱伝達を引き起こします。ほとんどの熱交換器には、1 つ、2 つ、または 4 つのチューブ パスがあります。つまり、チューブ側の流れがバンドルを 1、2、または 4 回覗いてから出発します。シングル パス直管モデルは、蒸気発電所で大きな表面積を支配します。 2 つまたは 4 つのパス配置により、熱交換器のホット エンドだけでなく、どちらかの/両端のイン/アウトレットが可能になり、パイプの走行が簡素化されます。.

シェルとチューブの熱交換器の主要コンポーネント

すべてのロスポット ヘヌロン ジェットは、フロント ヘッダー (チューブ側の入口)、チューブ バンドル (ハート)、シェル (容器)、リア ヘッダー (チューブ側の出口または再突入) の 4 つのピースに組み合わされ、4 つのピースの中でコスト、メンテナンス性、メンテナンス寿命が決定されます。.

チューブの選択肢は、「最終」三角形パック、またはチューブ側の中央にブラシ ランス アセンブリの余地を残す正方形のアレイになります。 TheHTFS、RJ Brogan による Harwell Laboratory の参考文献では、典型的なピッチ比が 1.25 倍 (または 1.33 倍) と、洗浄のための最小間隔が 6.35 mm のチューブの外径であると引用されています。.

TEMA 分類: の種類 シェルとチューブの熱交換器

製造プロセス機器命名委員会 (tema) は、すべての製造業者およびオペレーターが使用する標準指定を発行します。 tema 命名法の 3 つの文字: フロントヘッダー タイプ、シェル タイプ、リアヘッダー タイプ。 type。 「BEM」交換機は、前面が B タイプのボンネット、後面が E タイプのシングルパス シェル、M タイプの固定管板を備えています。 「AES」は、前面が A タイプのチャネル & カバー、後面が E タイプ シェル、S タイプのフローティングヘッドを備えています。文字コードを覚えると、教科書に手を伸ばさずにベンダーのデータシートを読むことができます。.

TEMAシェルの種類は何ですか?

リアヘッダーには 3 つのタイプがあることに注意してください。シェルに溶接された固定チューブシート (最も安価ですが、チューブ束は分解できません); U チューブ (任意のチューブの長さ、無限の熱膨張、ただし内部は機械的に洗浄できません);またはフローティング ヘッド (最も高価で分解可能なバンドルは熱膨張を伴います)。 Thermopedia の設計ガイドによると、固定チューブシート上のフローティング ヘッドのコスト増分は、特定の材料に対して 25 パーセント近くになります。.

tema は 3 つのサービス クラスについて説明します。信頼性と稼働時間が優先されるクラス R-原油と単純精製、資本と運用コストが優先されるクラス C-一般商業、プロセスの柔軟性が優先されるクラス B-化学プロセス条件。チューブバンドルの断面はクラスの影響を受けず、代わりにチューブの厚さ、腐食許容度、検査頻度が制限されます。.

設計の基本: 熱伝達、LMTD、および 10/13 ルール

シェルアンドチューブ熱交換器の熱サイジングは、次の 1 つの式に還元されます: Q = UA LMTD。 Q は熱負荷 (ワット単位) です。 U は一般的な熱伝達係数 (W/m2/degK) です。 A は熱伝達面 (m2) です。 LMTD は 平均温度差をログに記録します 度 K で表します。A を長さごとのチューブ断面で割ったものを単純に推測すると、チューブの数とシェルのサイズを決定できます。.

ツール2と3 (U設計、速度設計) は、過去数十年にわたって実証されたオペレーターの経験に基づいてU値を作成しました。 「エンジニアリングページ」によると 全体の熱伝達係数表, 、水対水シェルおよびチューブ交換器は 800 ～ 1,500 W/m k で動作します。蒸気対水アプリケーションは 1,500 ～ 4,000 W/m k に増加します。蒸気対軽油は 300 ～ 900 W/m K に低下します。有機対有機条件は 100 ～ 300 W/m k まで低くなります。最終的な U 数値の最終値は、HTRI Xchanger Suite または Aspen EDR 商用ソフトウェア経由で利用できる Bell-Delaware シェルサイド法から取得したものではなく、これらを設計範囲として使用してください。.

シェルとチューブの熱交換器の10/13 ルールは何ですか?

なお、10/13 は基本的には圧力設計規則であり、速度設計規則ではない。 10/13 は、10/13 は基本的には圧力設計規則である SPE の石油技術ジャーナル: 熱交換器の低圧側が高圧側の設計圧力の少なくとも10 分の13(約77 パーセント)の定格である場合、低圧側は背圧に対して圧力リリーフバルブを必要としない。その導出は、設計の130 パーセントが許容試験圧力であると述べているASMEのハイドロテスト規則から来ている。もし低圧側がハイドロテストに来れば、圧力は低圧側の定格を超えるチューブの破裂を吹くことは決してできない。私たちは、過度に慎重な PRV 要件を防ぐために、「設計」速度ラベルを回避しています。.

管速度は、運動エネルギー密度 rho-v-2 乗 (v) という別の ASME ルールによって制御されます。あたり サーモペディア デザインガイド, 、シェル側ノズル速度は9,000 kg/msを超えて上昇するべきではなく、チューブ側速度は10,000 kg/msを超えて上昇するべきではありません。水道では、これは1.0から3.0 m/sの範囲に相当します。 1 m/s未満では、汚染と汚れが加速します。 3 m/sを超えると、流れによるチューブの振動と同様に、摩耗と浸食腐食が発生します。.

汚染は汚れ係数として機械設計の計算に入り、プット U 値に追加の熱抵抗を加えます。 Eng-Tips の汚れ係数ポスターの抜粋によると、「85 パーセント クリーン」向けに設計すると表面積が 17.6 パーセント増加することが示されています。これを使用すると、ほとんどの機器が 85 パーセントの通常の清浄度、つまり「クリーン」向けに設計されている理由を理解できます。.

材料の選択と圧力-温度制限

チューブ材料の選択には多くの仕様ねじ込みが埋め込まれています。 Wikipedia チューブメタル参照リストによると、典型的なリストには炭素鋼、ステンレス鋼 (304、316L、デュプレックス 2205)、銅合金、過腐食性海水条件用の銅ニッケル、高温耐食性動作用のインコネルとハステロイ、化学腐食用のフルオロポリマー チューブ (PFA、FEP) が含まれます。.

標準規制は、UHXの機械設計を管理します.米国では、これらはASME B&PVCode, Section VIII Division 1, Part UHX, 一方、ヨーロッパではEN 13445-3 です.両方とも、動作温度と圧力に基づいてシェルの厚さ、チューブシートの厚さ、フランジ指定子の定格、および検査間隔を規制します.シェル側の圧力が約100 barを超える場合、ThermopediaはCタイプのフロントヘッダーが正常であると指摘します; 150 barを超える場合は、Dタイプの現在のASME BPVC 2025 バージョンに注目し、すべての材料トレーサビリティ証明書に同じ設計コード番号と日付が記載されていることを確認することが賢明です。.

シェルとチューブの熱交換器が使用される場所

シェルとチューブの熱交換器は、高圧、汚れた流体、または大きな義務を必要とするあらゆる用途で勝利します。 による熱交換器市場分析によると モルドール インテリジェンス, 、シェルおよびチューブユニットは、2025 年の熱交換器総収益の 35.4 パーセントを占めましたが、依然として売上高で単一最大の熱交換器ファミリーです。.

交換業者の市場は、もちろん拡大している。 と述べている GMI Insights シェルアンドチューブ熱交換器 2025 年の世界規模は 69 億ドルで、2035 年まで年間平均成長率 8.3 パーセントという安定した成長率で成長しています。脱炭素化主導の改修における水素処理 * では、インコネルや二相ステンレス鋼などの高温合金が標準になります * は、最も急速に成長しているサブマーケットです。.

シェルとチューブ、プレート、ダブルパイプ: いつどちらを選択するか

交換器の 3 つのファミリーには共通のアプリケーションがあり、他のファミリーでは決して衝突しません。適切に選択できるかどうかは、圧力、汚れ特性、寸法、アクセスしやすさの問題によって決まります。.

したがって、選択原理は簡単です。義務が何であれ、高圧の汚れた、熱い、または大きなシェルとチューブを選択してください。汚染物質がきれいな、低圧になる傾向があるとき、または各キロワットに最小のプレゼントが必要なときにプレートを選択します。流体がガスケットに損傷を与える可能性がある小さな(数kW)義務のためにパイプの二重を選択します。通常、プラントの交換体のほとんどは混合物になります。.

メンテナンス、クリーニング、チューブバンドルの交換

クリーニング スケジュールはカレンダーによって左右されるのではなく、効率曲線によって左右されます。 Eng-Tips の寄稿者の 1 人がブランターで述べたように、 汚れ要因のスレッド:「これらの間隔は、汚れの原因によって変わります。洗浄はカレンダー主導ではなく、パフォーマンス主導です。」アプローチ温度、シェル側の圧力降下、チューブ側の圧力降下に従ってください。アプローチがクリーンな状態に比べて約 5 °C以上増加する場合、または圧力降下が 25 パーセント以上増加する場合、前回の停止はどれくらい前でしたが、プラントは今、クリーンな状態を必要としています。.

シェル側交換管の外径を掃除するのは大規模な作業です - 束を取り除く必要があります。管を掃除する必要があると思われる場合は、そのために束を引っ張る必要があります。したがって、後で束を引っ張れるようにしたい場合は、固定管シートを使用できないため、最初からバックヘッダーを U チューブまたはフローティングヘッドにする必要があります。.

束を取除かれるように設計されている交換器で管の束を引っ張ることは非常に制御された操作です ー それは解体作業ではありません その管板は貝のフランジに対して圧縮されて座ります; 差動熱サイクル、ガスケットの圧縮および場合によってはスケールセメント、凍結する油圧を使用します チューブバンドルプーラー, 、固定フランジ、植物はシェルフランジをプルフレームにタグ付けし、フレームはフランジに固定され、油圧ラムはそれに反応し、ドローバーは浮遊チューブシートを取り囲み、それによってシェル軸に沿って束を引っ張る、直接その軸上で、コッキングすることなく、またはチューブシートシールの面をパンチまたは損傷する; 同じ方法で彼らはkjemdedでそれをすることを学んだ。.

定期点検を必要とする故障モードは、十分に特徴づけられています。 A サイエンスダイレクト 典型的な熱交換器の故障の調査は、一般的なメカニズムとして疲労、クリープ、腐食、酸化および水素の攻撃を特定します。根本原因は、汚れ、スケーリング、塩の堆積、溶接欠陥、および設計範囲外の動作です。流れによって引き起こされる管の振動は設計者の間違いです。 - 罰金は指定されており、維持されません。.

業界の見通し

3 つのベクトルがシェルアンドチューブ熱交換器の仕様を2026 年以降に変革しています まず、水素と脱炭素処理により合金の需要が増加しています 水素熱交換器だけでも2025 年には約28 億米ドルと評価されましたが、業界アナリストの洞察によると、2034 年までに約59 億米ドルに増加し、年間8.7 パーセントの複合成長率で成長します。水素、電子燃料、または炭素回収プラント用の新しいユニットを準備する仕様者は、インコネル625、デュプレックス2205、およびスーパーデュプレックスチューブを早期に検討する必要があります。炭素鋼が最善の答えであることはほとんどありません。.

第二に、AI支援による熱設計が標準になりつつあります。 HTRI Xchanger SuiteとAspen EDRは、引き続き主要な商用アプリケーションであり、仕様では、ネイティブ形式で提供されるサプライヤーの計算がますます必要になります。検証のためにバックアップ手計算が依然として期待されていますが、スライド ルールのサイジング日は終了しています。.

第三に、規格環境が変化している。 tema標準化団体は、現在、最も頻繁に引用されるハードコピー規格として第10 版(2019 年)を維持しており、第11 版はtema Supportを通じてオンライン購読として入手可能である。 ASME BPVC 2025 は、最新の圧力容器規格版である。 2026 年のプロジェクトの仕様書を作成する際には、年式スタンプ付き版を指定し、同じ版への材料証明書のトレーサビリティについてサプライヤーに確認する。.

よくある質問frequently Asked Questions