プリント回路熱交換器のサイジング ： 包括的なガイド

プリント回路熱交換器の用途

• 石油 · ガス： 液化天然ガスプラントや再ガス化ユニットでは、 PCHEs は前冷却メタンサイクル、エンドフラッシュガス回収、沸騰ガス処理、蒸発器業務に役立ちます。低温性能 （ — 196 °C まで ） と高圧能力により、 PCHEs は燃料ガスヒーターや浮体式再ガス化装置の熱回収に最適です。

• 水素燃料および処理： 急速な水素給油ステーションは、充填率を最大化するために高圧 H2 の急速な予冷に依存します。PCHEs （ 特に専用の 3 D エッチングチャネル ） は、水素を 700 バールから貯蔵条件まで予冷するために使用され、ポンプ電力と待ち時間を短縮します。より広く、水素液化と処理は、 PCHEs の高圧耐性を活用できます。
• 化学 石油化学プラント： PCHEs は、高圧炭化水素処理、精製、石油化学業務において実証されています。ガス露点制御、原子炉段間冷却、酸性ガス冷却、厳格な清浄性を要求するプロセスにおける凝縮などの業務を担当します。液体の在庫が少なく、熱効率が高いため、クリーンで重要なサービスに最適です。（ 例えば、ニッケル合金 PCHEs は、過酷な流体や高温に耐えるため、化学処理に広く採用されています。
• 発電： 高度な電力サイクルでは、 PCHE は回復器や発電機に使用されます。超臨界 CO2 サイクルでは、全ての流が 200 〜 300 bar 以上の温度で、 PCHEs は約 600 °C の温度滑りと大きな圧力差に耐えることができる。原子力発電 （ 蒸気発電機の交換 ） やガスタービン燃料ガス暖房にも使用されています。その超高圧定格 （ 一部の設計では ～ 1250 bar まで ） は、新規なサイクルに魅力的です。

• 再生可能エネルギーストレージ： 集中型太陽光発電、長期蓄熱 （ 溶融塩など ） 、高いサイクル効率とコンパクトな熱交換が不可欠です

PCHE サイジングの重要な考慮事項

• 熱義務 （ 熱伝達要件 ） ： まず、必要な熱デューティを計算します。 Q プロセスデータ （ 質量流量、比熱、熱と冷たい流体の温度変化 ） から。また、対数平均温度差または必要な出口温度を決定します。熱負荷と LMTD は関係によって必要な総熱伝達面積を設定します。
  
  どこで U 全体的な熱伝達係数です
• 流体の流量および速度： 各流体 （ ホットサイドとコールドサイド ） の質量流量を考慮すると、速度を計算する初期チャネル寸法を選択します。例えば、各チャネルが断面積を持つ場合 流体速度 .流速が流量レジームを決定する （ レイノルズ数 ） 熱伝達と圧力低下。PCHE マイクロチャネルの液圧直径は典型的には 0.4 〜 4 mm のオーダーであるため、流速や流体によって層流から乱流流までの範囲があります。
• チャネルのジオメトリと構成 ： チャネルの形状、幅を決定します （） と、長さ。PCHE メーカーはしばしばチャネルパターン （ ストレート、ジグザグ、波状、 3 D など ） のカタログを提供します。プレートと段ボールプロファイル。狭いチャネルは表面積を増加させる （ 熱伝達を増加させる ） だけでなく、圧力降落も増加させる。選択したジオメトリは、必要な熱伝達を提供しながら圧力降落限界を満たす必要があります。化学エッチングは非常に柔軟であるため、 PCHEs は単純なフィンプレートでは不可能な複雑な蛇形またはディストリビュータパターンを実装できます。製品のパラメータは、最初の選択を導くかもしれません。例えば、 SHPHE は典型的なチャネルギャップを 0.4 ～ 4 mm 、プレート厚さを 0.5 ～ 2 mm としています。
• 熱伝達係数の計算： 相関を用いて対流熱伝達係数を推定する h 両側とも多くの PCHE 設計 （ 数ミリメートルの半円形チャネル ） について、 Nu と摩擦係数の相関は文献または CFD データから入手できます。例えば、ある研究では、 2 mm の半円形チャネルについて ：

• エリアとチャンネル数： 一回 U 推定され、解決 必要な総熱伝達面積ですPCHE では、面積はすべてのチャネル壁の合計から得られます。各チャネルプレートが 幅の並列チャンネル 長さと そして、ある プレートの総面積は約 （ どこに 非対称性がある場合 ） 。これからは、必要なものを解くことができます。 and 実用的なプレート寸法を与えられた例えば、 0.5 m2 の有効面積が必要で、各チャネルが 0.01 m2 を占める場合は、約 50 枚のチャネルプレートを積み重ねなければなりません。
• 圧力降落の推定値： 各側の圧力降落を計算します。特定のチャンネルに対して、 Darcy の法則は .ここです チャンネル内の平均速度であり 上記の相関関係から摩擦係数ですチャネルが小さいため、圧力低下が大きくなる場合があります。 許容範囲内にとどまるドロップが大きすぎる場合は、チャネルサイズを増やしたり、チャネル長を短縮したり （ 平行なチャネル / プレートを追加したり ） 、異なる流路ジオメトリを選択することができます。
• 材料および機械的制約 ： 圧力および腐食要件に基づいてプレート材料と厚さを選択します。A.工業用 PCHEプレートの厚さは、完全な設計圧力に耐えなければなりません。例えば、 SHPHE は、最大 1000 bar の圧力に対して 0.5 ～ 2 mm のプレート厚さを指定しています。SS 316 L 、インコネル 625 、チタン、ヘステロイなどの材料は、高温や腐食性流体に耐性があります。非常に高圧では、チャネルのサイズや面積を減らすために厚いプレートや高強度合金が必要になるため、このトレードオフを繰り返す必要があります。
• 反復と最適化： 上記の要因は相互依存しているため、サイジングは通常反復的です。通常、チャネルギャップやカウントを調整し、再計算します。 U and 熱負荷と油圧制約の両方が満たされるまで計算ツールやメーカーのソフトウェアはしばしばこれを助ける。重要な場合 （ 例えば sCO2 サイクル ） では、詳細なシミュレーションを使用してジオメトリを最終化することができます。

1. 要件を定義する： ホット / コールド入口 / 出口温度、質量流量、許容圧力降落、および必要なデューティを収集します .

2. 予備的にチャネル寸法を選択します： チャネル幅 （ 例 ： 1 〜 3 mm ） と板の段ボール形を選択します。

3. 計算速度およびレイノルズ数： , .

4. 熱伝達係数の推定 ： ヌッセル相関 （ Nu vs. Re ） を使用して and 両側で

5. 計算全体 : コンビイン , そして、壁伝導。

6. 必要な面積の計算 ： .

7. チャンネル数 / 長さを決定する： 面積式を使って見つける and プレートの大きさにマッチします

8. チェック圧力低下： 計算 両側で

9. ジオメトリを調整する ： If 高すぎるか U 低すぎると、チャンネル幅、プレート数、または流路を変更します （ 曲げを追加し、パターンを変更します ） 。

10. 機械的に検証する ： 壁厚と材料が設計圧力と温度に関する ASME / PED コードを満たしていることを確認します。

このプロセスを通じて、製造制約を尊重することが重要です。例えば、化学エッチングは非常に複雑なチャネル （ 蛇形、マルチパス回路 ） を作成できますが、過度に薄い壁 （ 0.2 mm 未満 ） はエッチングと接合には実用できません。SHPHE のガイドラインでは、ほとんどの PCHE に対して 0.5 〜 2 mm の範囲のプレート厚さを提案しています。

シェル · アンド · チューブなどの交換器との比較

最後のメモで