プレート熱交換器を設計する方法

板熱交換器は、薄い段ボール金属板を積み重ねたコンパクトなユニットです。これらのプレートは、熱い流体と冷たい流体が流れるために交互にチャネルを作成します。流体は （ ガスケットまたは溶接シールのおかげで ） 分離され、通常は逆電流モードで流れ、長さに沿った温度差を最大化します。1 つの流体が各プレートの片側を流れ、もう 1 つの流体が反対側を流れると、熱は金属を通って伝導されます。この波形板設計は乱流を誘導し、非常に高い熱伝達係数をもたらします。プレート熱交換器シェルとチューブ熱交換器よりも効率的に熱を伝達します

ガスケットプレート熱交換器ボルト付きプレートとエラストマーガスケット （ 上記のように ） を使用して密閉チャネルを形成します。これらのプレートを通る熱流体と冷流体の逆流は熱伝達を最大化します。

各プレートは表面積が大きく薄壁があり、熱の流れが速いのです。ガスケット付きプレート熱交換器では、プレート間のゴムガスケットが流体を交互のチャネルに導く。(For溶接された設計、プレートはガスケットの代わりに溶接またはろう付けによって密閉されます。 ）いずれの場合も、熱い流体はプレート材料に熱を伝達し、プレートは反対側の冷たい流体に熱を伝達します。冷たい流れと熱い流れは反対方向 （ 逆流 ） に流れるため、温度差はユニット全体で高く保たれ、非常に効率的な熱伝達が得られます。

プレート熱交換器設計の重要なステップ

特定の用途向けにプレート熱交換器を設計する際、エンジニアはいくつかの重要なステップに従います。

適切な交換器のタイプを選択します。 まず、要件を特定します。流体の種類、温度、流量、圧力、スペース、メンテナンスニーズです。例えば、穏やかな条件とメンテナンスが容易な場合、ガスケット付きプレート交換器が一般的です。非常に高圧または攻撃的な媒体では、 HT—Bloc やプリント回路交換器、または TP 設計 （ プレートとシェルを組み合わせた機能 ） のような溶接タイプが必要になる場合があります。ワイドギャップ溶接タイプのような特殊な形状は、それぞれ非常に粘性 / 固体負荷の流体や極端な条件のために選択されます。

熱負荷と必要な面積を計算します。 次に、熱負荷の決定Q （ 通常はプロセスデータまたは所望の温度変化から ） 、必要な熱伝達面積を計算します。基本的な熱伝達方程式を用いて Q = U × A × Δ T_lm 面積を計算しますA. 必要だここですU 全体的な熱伝達係数 （ 流体特性とプレート特性から推定 ） であり、Δ T_lm 流体間の対数平均温度差です高いU より大きいプレート面積はより大きな熱負荷をもたらします実際には、プレートの数は、プレートの総面積が満たされるように選択されます。 A = Q / （ U × Δ T_lm ）.

圧力降下の推定。 流体がプレートを流れると、摩擦損失が発生します。設計者は、既知の流量、プレート間隔、段波パターンを用いて、両側面の圧力降下を計算します。摩擦係数とチャネル長が流体流量式に入力され、結果として得られる圧力降下がシステムで許容されるようにします。落下が大きすぎると、プレートを追加したり （ 面積を増やす ） 、プレートの形状を変更したりすることができます （ 例 ：窒息を減らすために広いギャップ設計のより大きな通路 ） 。

材料やコンポーネントを選択します。 材料の選択は化学的適合性と温度に依存する。一般的なプレート材料はステンレス鋼です （ 例。316 L ） 一般用途、腐食性流体用チタンまたはニッケル合金、超高温用特殊合金。ガスケット （ 使用する場合 ） は、流体 （ NBR 、 EPDM 、 Viton など ） に適合する必要があります。そして温度。溶接式交換器 （ HT—Bloc 、 TP 、ワイドギャップ ） では、ガスケットがないため、非常に高い圧力および温度定格が可能になります。

可能であれば設計を見直し、テストします。 予備設計後、熱伝達と油圧を検証するために交換器をシミュレートまたはプロトタイプすることです。1 つのガイドが指摘するように、「シミュレーションまたは実験試験を使用して設計を検証し、... 所望の熱伝達速度と圧力降下を保証する」。必要に応じてプレート数、構成、または動作パラメータを調整して目標を達成します。

これらのステップ （ 選択、熱サイジング、圧力降落チェック、材料選択、検証 ） は、堅牢な設計を保証します。その過程で、既知の製品ファミリーを参照することは役立ちます。HT—Bloc 溶接板交換器 高圧サービスのために完全に溶接されたプレートパックを使用します。広ギャップ溶接交換器 スラリーによる汚れを防ぐためにチャネルを拡大しますプリント回路交換器 極端な条件では拡散結合マイクロチャネルを使用します

設計式： 熱義務および LMTD

熱交換器設計におけるコア式は熱バランスです。

Q = ∑ _h × c_ {p， h} × （T_ {h， in} — T_ {h， out}）

= ∑ _ c × c_ {p， c} × （T_ {c， out} — T_ {c， in}）

または

購読者がh、 c 熱い流体と冷たい流体を指します熱い流体によって失われた熱は、冷たい流体によって得られた熱に等しい。

もう一つの重要な関係は熱伝達方程式です。

Q = U × A × Δ T_lm

ここです U （ 全体的な熱伝達係数 ） は、プレート交換器の熱伝導率を表します （ 流体対流、プレート材料、および汚れに依存します ） 。A.プレートの総表面積であり、Δ T_lm 熱い流れと冷たい流れの対数平均温度差ですLMTD 式は、温度差が交換器に沿って変化するという事実を説明します。単純に言えば、最初に計算します。 Δ T_lm = （Δ T1 — Δ T2） / ln （Δ T1 / Δ T2）,どこでΔ T1 andΔ T2 両端の温度差です

WithQ既知と推定U必要な面積はA = Q / （ U × Δ T_lm ） .デザイナーはしばしば反復します ： 推定するプレートパターンや材料を仮定しますU（ 液体 — 液体 PHEs の場合、数千 W / m2 · K まで ） 、計算しますA. プレート面積の合計が満たされるようにプレート数を選択しますA. .より複雑なサイジングには NTU—effectivity 法も使用できますが、U × A × Δ T _ lm アプローチは共通の出発点です

プリント回路熱交換器は、マイクロチャネルプレート （ 上図 ） に依存しています。各プレートは、狭いチャネル （ 青と赤の流れ ） をエッチングし、コンパクトなボリュームで巨大な表面積を作成します。全体的な熱伝達は次の通りですQ = U × A × Δ T_lm 非常に大きなA./ volume と highU 優れたパフォーマンスを発揮します

産業用途と設計の考慮事項

プレート交換器は多くの産業で使用されます。各アプリケーションには独自の要求があります。

化学処理：

化学プラントはしばしば腐食性または有毒な流体を扱う。ここでの設計は特殊合金製の溶接 PHE （ 漏れガスケットなし ） を好む。例えば、 HT—Bloc 完全溶接式交換器は、プレート効率とシェルとチューブの強度を組み合わせ、過酷な化学ループでのサービスを可能にします。フローチャネルは、懸濁触媒や固体からの汚れを防ぐために、超狭いチャネルよりもわずかに大きくする必要があります。ヘステロイやチタンのような材料が一般的です。洗浄の容易さは重要です。多くのプロセスでは、インプレイスクリーニング （ CIP ） が可能です。したがって、メンテナンスに開放可能な設計 （ ボルト付きフレーム ） を使用できます。

HVAC （ 暖房 / 換気 / AC ） ：

HVAC システムは、通常、中程度の圧力で水とグリコールループを加熱または冷却します。ここ、ガスケット付きプレート交換器 低コストでメンテナンスが容易なため非常に一般的ですエネルギー回収やチラー / コンデンサの業務に優れています。設計の重点は、限られたスペースで効率を最大化することです。流体は比較的清浄であるため、狭い板 （ 高段波 ） を最大限に熱伝達するために使用できます。ガスケットは、容量の変更が必要な場合は、洗浄やプレートの追加のための簡単な分解を可能にします。代表的な材料はステンレス鋼 （ 316 L ） と標準ガスケットエラストマーです。HVAC の圧力定格は控えめです （ しばしば < 20 bar ） 、標準的なガスケット付きユニットで十分です。

発電 ：

発電所 （ 化石または原子力 ） は、高温、高圧のストリーム （ 蒸気、超臨界流体 ） を有します。プリント回路熱交換器は、最初に原子力および LNG 用に開発され、現在は電力サイクルで使用されています。PCHEマイクロチャネルプレートを固体ブロックに拡散接着して優れた強度と小型で高効率の通路を提供します通常の PHEs をはるかに上回る ～ 1000bar および 900 ° C まで動作できます。より極端な電力アプリケーションでは （ 例 ：ボイラー給水加熱 ） 、 TP タイプなどの溶接プレート交換器は、コンパクト性と堅牢性を兼ね備えています。これらはメンテナンス用の開け可能なシェルを持ち、サイクルで許容可能な圧力降下を可能にします。すべての場合、清潔さ （ 漏れなし ） が重要ですので、完全溶接または拡散接合設計を選択します。

食べ物と飲料 ：

食品産業は、衛生的で清掃しやすい交換器を必要としています。ガスケット付き PHEs は、牛乳の低温殺菌、醸造中の wort 、ジュースの加熱 / 冷却に広く使用されています。プレートはしばしばステンレス鋼 （ 時には 316 L ） で FDA 承認のガスケットが付いています。多くのユニットはオープンフレーム上に構築されているため、プレートを洗浄したり交換したりできます。微粒子を含む製品の場合 （ 例 ：果肉の果物ジュース、サトウキビジュース ）ワイドギャッププレート交換器 使用されます固体部品を目詰めずに耐える流路を拡大しました。ワイドギャップ設計はまだ溶接され、圧力定格されていますが、そのチャネル形状は「デッドゾーン」や閉塞を防ぎます。目標は、厳密な温度制御を満たしながら （ 製品のせん断を避けるため ） 穏やかな取り扱いです。多くの場合、 CIP システムが統合されており、プレートの段ボールがより穏やかになる可能性があります。

ワイドギャップ溶接プレート熱交換器 （ 上記の青いユニットのように ） は粘性または粒子を含んだ流体を処理します。大チャネルは目詰まりを防止し、段ボールプレート設計は高い熱効率を維持します。

これらの例以外にも、石油化学から製薬までほぼすべての産業でプレート交換器を使用しています。化学プラントは応力耐食性と圧力定格、 HVAC はコンパクト性とサービス性、発電所は熱性能と圧力、食品 / 飲料は衛生性と耐汚れ性に焦点を当てています。アプリケーションの要求を理解することで、設計者は適切なプレート形状、シール方法、材料、および全体構成を選択します。

結論

プレート熱交換器の設計には、熱伝達原理と特定のプロセスニーズを明確に理解する必要があります。プレート交換器は、熱と冷の流体を交互にプレート上で逆流して動作し、非常に効率的な熱交換を達成します。その後、体系的な手順に従ってください。タイプ （ ガスケット、溶接、プリント回路など ） を選択します。熱負荷と必要な面積を計算し、圧力降下が許容可能なことを確認し、互換性のある材料を選択し、設計を検証します。

例えば、 HT—Bloc 溶接プレート交換器はプレート効率と高圧靭性を組み合わせ、 Wide—Gap プレート交換器は固体を含む食品や鉱業用途に優れ、 PCHEs はコンパクトな発電所ソリューションを提供します。これらの設計原則と適切な製品タイプや材料をブレンドすることで、各プレート熱交換器が意図したサービスを確実に実行できます。

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