よくある間違いを避ける 熱交換器の適切なサイズ選定ガイド

熱負荷と流量を定義する

あらゆる正確な熱交換器サイジングプロジェクトでは、システムの熱負荷と流体流量を明確に定義する必要があります。熱負荷、つまり熱負荷とは、所望の結果を得るために2つの流体間で伝達される必要がある熱量を表します。熱負荷の計算が不正確であることは、サイジングエラーの主な原因です。

入口温度と出口温度を指定する

エンジニアはまず、高温流体回路と低温流体回路の両方の入口温度と出口温度を指定する必要があります。これらの値は、プロセスに必要な温度変化（ΔT）を定義します。あらゆる動作シナリオを考慮することが重要です。例えば、周囲温度はシステム温度に直接影響を及ぼします。季節による気温の変動は冷却流体の入口温度を変化させ、システム全体の性能に影響を与える可能性があります。

熱負荷（Q）の計算熱負荷は標準的な熱伝達方程式を用いて計算されます。この式は、温度変化をシステムの熱要件に直接結び付けます。

Q = mx Cp x ΔT

·Q: 熱負荷

·メートル: 質量流量

·CP: 流体の比熱

·ΔT: 温度変化（入口温度 - 出口温度）

必要な流量を決定する

高温流体と低温流体の両方において、正確な流量は同様に重要です。エンジニアは、超音波流量計、ベンチュリ流量計、磁気流量計などの高精度測定ツールを使用してこのデータを取得します。指定された流量は、熱交換器の効率と運用コストに直接影響します。

一般的に、流量が高いほど伝熱効率が向上し、プレートの洗浄効果によって汚れが減少します。しかし、圧力損失も増加するため、より多くのポンプ動力が必要になります。逆に、流量が低いとポンプコストは削減されますが、流体の分配が悪くなり、伝熱面に粒子が堆積することで汚れのリスクが高まります。最適なバランスを見つけることが、効率的で信頼性の高いシステムを実現する鍵となります。

プレート式熱交換器のサイズ決定における圧力損失の役割

圧力損失とは、流体が熱交換器を通過する際に生じる圧力の低下です。このパラメータは、プレート熱交換器サイズ設定は、熱性能と運用コストの両方に直接影響するため、重要です。効率とエネルギー消費のバランスをとるために、許容可能な圧力損失を定義する必要があります。

最大許容圧力降下を記入してください

エンジニアは、温水回路と冷水回路の両方において、最大許容圧力損失を指定する必要があります。この値はユニット内の流体速度を決定します。流体速度が高いほど乱流が大きくなり、熱伝達率は向上しますが、圧力損失も増加します。プレート式熱交換器のサイズを最適に設計することで、必要な熱伝達を可能な限り低い圧力損失で実現できます。許容限界は多くの場合、アプリケーションによって異なります。

ポンプコストへの影響を理解する

圧力降下が大きいほど、流体を循環させるためにより強力なポンプが必要になり、エネルギー消費量が増加します。これは長期的な運用コストの増加に直接つながります。小さな見落としでも、大きな経済的影響を与える可能性があります。例えば、システム圧力が2 PSI上昇すると、年間のエネルギー消費量が約1～2%増加する可能性があります。

プロのヒント:圧力降下の少ない最適化された設計に投資すると、初期コストは高くなる可能性がありますが、ユニットの寿命全体にわたって大幅な節約が実現します。

圧力損失を考慮した適切なプレート式熱交換器のサイズ設定は、優れた収益をもたらします。ケーススタディでは、最適化されたソリューションが以下の効果をもたらすことが示されています。

·最大 40% のエネルギーコスト削減。

·投資回収期間は最短 2 年。

·CO2排出量を大幅に削減。

このため、効率的で費用対効果の高いシステムを作成するには、圧力降下の慎重な指定が不可欠です。

プロセス流体の特性評価

温度や流量だけでなく、プロセス流体自体の物理的特性も正確な制御に不可欠です。熱交換器のサイズ流体によって熱や流れの伝達方法は異なるため、ユニットを正しく指定するには詳細な流体データを提供することが不可欠です。

主要な流体特性の詳細

エンジニアは、両方の流体の比熱、熱伝導率、密度を特定する必要があります。比熱は流体の熱エネルギーを蓄える能力を測る指標であり、熱伝導率は熱伝導率を示します。例えば、水は油よりも比熱と熱伝導率がはるかに高いため、熱伝達効率の高い媒体となります。流体の密度（ρ）も重要なパラメータであり、圧力損失の計算と必要なポンプ動力に直接影響します。

   

粘度と粒子を考慮する

粘度、つまり流体の流れ抵抗は、もう一つの重要な要素です。流体の粘度は通常、温度が上昇すると低下します。高粘度の流体は流れが遅くなるため、熱伝達効率が低下する可能性があり、性能を維持するためには特別なプレート設計が必要になります。

流体中の浮遊物質や微粒子の存在も、熱交換器の設計を左右します。流路の形状が流体の内容物に対して狭すぎる場合、目詰まりが大きなリスクとなります。

デザインノート:標準的なプレート式フレーム熱交換器は、非常に小さな粒子（0.0625インチ未満）を含む流体に適しています。より大きな固形物や繊維を含む流体の場合は、目詰まりを防ぎ、信頼性の高い運転を確保するために、ワイドギャッププレート設計が必要です。

長期的なパフォーマンスを確保するための汚れ対策計画

時間が経つにつれて、不要な物質が蓄積され、熱交換器の表面ファウリングと呼ばれるプロセスで発生します。この堆積物は熱性能を低下させ、非効率の主な原因となります。エンジニアは、ファウリング係数をサイズ計算に組み込むことで、この避けられない事態に備える必要があります。

ファウリング要因とは何ですか?

ファウリング係数とは、ファウリング堆積物層によって付加される熱抵抗を表す値です。この堆積物は断熱バリアとして機能し、ユニット全体の熱伝達率を低下させます。その結果、熱性能は着実に低下し、同じ性能を発揮するためにより多くのエネルギーが必要になります。

一般的な汚れの種類は次のとおりです。

・スケーリング：炭酸カルシウムのような鉱物沈殿物が液体から沈殿します。

·粒子状汚染：浮遊物質は表面に沈殿します。

・腐食：錆やその他の腐食副産物が絶縁層を形成します。

·生物学的汚染:藻類、バクテリア、その他の微生物がバイオフィルムを形成します。

ファウリング係数は単なる推測ではありません。これは、プラントデータから算出された抵抗値であり、伝熱面における物質の蓄積の影響を定量化したものです。

現実的なファウリングマージンを指定する

エンジニアは、ファウリング係数を用いて、熱交換器の設計に計算上の余分な表面積を追加します。この「ファウリングマージン」により、清浄時にはユニットが十分な大きさになり、堆積物が蓄積しても性能要件を満たすことができます。目標は、適切な洗浄間隔を確保することです。

適切なマージンは流体の品質に大きく依存します。TEMA（管状熱交換器製造者協会）は、様々な流体の標準値を定めています。例えば、未処理水には蒸留水よりもはるかに高いファウリング係数が必要です。

現実的なファウリングマージンを設定することは、非常に重要なバランス調整です。マージンが小さすぎると、頻繁な清掃とダウンタイムにつながります。一方、マージンが大きすぎると、不必要に高価で過大なユニットが必要になります。

適切な材料とプレート設計を選択する

   

適切な材料とプレート形状の選択は、サイジングプロセスにおける最終かつ重要なステップです。これらの選択により、ユニットは腐食から保護され、特定の用途に合わせて熱流体性能が最適化されます。

流体化学に適した材料の選定

エンジニアは、腐食を防ぎ長寿命を確保するために、プロセス流体と化学的に適合する材料を選択する必要があります。海水や特定の酸などの腐食性の高い流体に対しては、チタン合金やニッケル合金などの材料が優れた耐食性を発揮します。食品・飲料用途では、衛生特性と耐久性に優れたステンレス鋼グレード304および316が業界標準となっています。

ガスケット材料の選択も同様に重要であり、動作温度に応じて異なります。

適切なプレート構成を選択する

プレートの設計は、熱交換器の効率と圧力損失を直接制御します。プレートには、乱流を発生させて熱伝達を向上させるV字型のパターンが採用されています。これらのパターンは、プレートの「シータ角」によって定義されます。

高シータ設計は熱性能を最大化しますが、より多くのポンプ動力を必要とします。低シータ設計は圧力損失を低減しますが、熱効率はいくらか低下します。バイオエタノールや製紙産業など、繊維や粗粒子を含む流体の場合、ワイドギャッププレート設計は不可欠です。幅広のチャネルにより詰まりを防ぎ、信頼性の高い中断のない動作を保証します。

プレート式熱交換器の適切なサイズ設定には、包括的なデータセットが必要です。エンジニアは、温度、流量、圧力制限、流体特性、ファウリング要因、および材料を定義する必要があります。

設計パラメータを誤って提供することはよくあるミスです。設計者が不正確な情報を受け取ると、設置されたユニットは最適なパフォーマンスを発揮しません。

このガイドは、プレート熱交換器の適切なサイズ設定のフレームワークを提供し、システム効率の向上と長期的なコスト削減を実現します。

よくある質問

熱交換器のサイズが大きすぎるとどうなりますか?

ユニットが大きすぎると、不要な表面積に資本が浪費されてしまいます。また、制御上の問題や熱不安定性を引き起こし、システムの非効率な運用とエネルギーコストの上昇につながる可能性があります。

熱交換器はどのくらいの頻度で清掃する必要がありますか?

洗浄頻度は、流体の品質と規定のファウリング係数によって異なります。水質が悪いシステムや粒子レベルが高いシステムでは、熱性能を維持するために、より頻繁なメンテナンスが必要です。