最も広く使用されている熱交換器: シェルアンドチューブ熱交換器

はじめに

熱交換器 多くの工業および商業プロセスに不可欠なコンポーネントであり、直接接触することなく熱をある媒体から別の媒体に伝達できます。プレート熱交換器、フィン付きチューブ熱交換器、スパイラル熱交換器、二重管熱交換器など、さまざまなタイプの熱交換器が用意されていますが、中でもシェルアンドチューブ熱交換器 (STHE) は世界で最も広く使用されています。その多用途性、耐久性、効率性により、発電、石油とガス、HVAC、化学処理などの分野における熱管理の基礎となっています。

シェルアンドチューブ熱交換器とは何ですか?

シェルアンドチューブ熱交換器は、円筒形のシェル内に封入された一連のチューブで構成されています。 1 つの流体がチューブを通って流れ、別の流体がチューブ上 (シェル内) を流れて熱を交換します。この間接的な接触により、流体が混合することなく熱伝達が保証されます。

基本構造:
チューブ: 通常は束になって配置され、真っ直ぐまたは U 字型にすることができます。

シェル: チューブを取り囲む円筒形の容器で、第 2 の流体が入っています。

チューブシート: チューブを所定の位置に保持し、流体を隔離するプレート。

バッフル: シェル側の流体をガイドして乱流と熱伝達を高めます。

ヘッドまたはエンドキャップ: 流体をチューブに出入りさせます。

動作原理

シェルアンドチューブ熱交換器の主な動作原理は、異なる温度の 2 つの流体間の対流ベースの熱伝達です。熱は、管壁を通って高温の流体から低温の流体へと流れます。

主なフロー構成は 3 つあります。

平行流 – 両方の流体が同じ方向に移動します。

逆流 – 流体は反対方向に移動し、効率が向上します。

クロスフロー – 流体は互いに垂直に流れます。

デザインのバリエーション

さまざまな用途に合わせて、シェルアンドチューブ熱交換器はさまざまな構成で設計されています。

ワンパスまたはマルチパス (流体はチューブ内を 1 回または複数回通過します)

固定管シート – シンプルで経済的。低熱膨張に限定されます。

フローティング ヘッドまたは U チューブ – 熱膨張に対応します。掃除やメンテナンスが簡単になります。

TEMA 規格 – 管状熱交換器製造業者協会 (TEMA) は、STHE を製油所、商業、および化学用途向けにクラス (R、C、B) に標準化しています。

なぜ最も広く使用されているのでしょうか?

1. 多用途性
シェルアンドチューブ交換器は、幅広い温度 (最大 1000°C) と圧力 (最大 500 bar) に対応できます。これらは、多くのプロセス要件、流体、設置環境に合わせてカスタマイズ可能です。

2. 耐久性と信頼性
これらの熱交換器は、ステンレス鋼、チタン、インコネルなどの堅牢な材料で構築されており、腐食性や高応力の環境に適しています。適切なメンテナンスを行えば、長い耐用年数が得られます。

3. スケーラビリティ
研究室用の小型ユニットから大規模な産業設備まで、幅広いサイズで入手できます。

4. メンテナンスの容易さ
U チューブやフローティング ヘッド設計などのモデルでは、システム全体を分解せずに洗浄やチューブの交換が可能です。

5. 熱効率
適切な設計 (バッフル、複数のパスなど) を使用すると、STHE は、特に向流配置で非常に効率的な熱伝達を実現できます。

一般的なアプリケーション

1. 石油・ガス産業
冷却潤滑剤および作動油

排ガスからの熱回収

蒸気と蒸気の凝縮

2. 発電
給水加熱器

火力発電所の蒸気復水器

3. 化学処理
反応器の温度管理

製品の加熱と冷却

4. HVAC と冷凍
冷水システム

凝縮器と蒸発器

5. 海洋および航空宇宙
エンジン冷却システム

廃熱回収

構造材料
材料の選択は重要であり、温度、圧力、耐食性に依存します。

炭素鋼 – 低コストの用途に一般的です。

ステンレス鋼 – 高い耐食性。

銅合金 – 優れた熱伝導率。

チタン – 海水または腐食性の高い流体に使用されます。

ニッケル合金 (インコネル、ハステロイ) – 極限環境向け。