プレート熱交換器はなぜ効率的ですか ？

板熱交換器 PHE は、現代の産業用途において熱伝達のための最も効率的な選択肢です。多くの薄い段ボール金属板を積み重ねることによって、 PHEs は単位体積あたりの巨大な熱伝達表面を達成します — 通常 100 — 200 m2 / m3 、典型的なシェルとチューブユニットではわずか 20 — 50 m2 / m3 。各プレートの波形は、適度な流量でも乱流を誘導し、液体から液体への伝熱係数は 3，000 〜 7，000 W / m2 · K のオーダーをもたらします。

薄いプレートを搬送バーの間にクランプし、熱 / 冷のチャンネルを交互に形成します。

プレートとフレームの熱交換器は、波形プレートの間で流体を絞り込み、接触面積を倍増させます。単一の大きなシェルを備えたかさばるシェルとチューブバンドルと比較して、プレート設計は、同じ任務をわずかなスペースに適合します。多くのメーカーは、はるかに高い面積密度のおかげで、同等のシェル & チューブユニットと比較して、 PHE のフットプリントが 70 — 90% 小さいと報告しています。業界ガイドは、プレート交換器は通常、同等のチューブバンドルよりも材料が少なく、コストが安くなると指摘しています。

プレート対シェル & チューブ交換機の比較

熱交換器には多くの形態がありますが、最も一般的な工業用タイプはシェルとチューブ、プレートとフレーム、および様々なフィン付きチューブ （ またはプレートフィン ） 設計です。

要約すると、プレート熱交換器はシェル & チューブ交換器よりも最大 5 倍の効率が高く、エネルギー回収、 HVAC 、食品 / 医薬品、化学、および流体が比較的クリーンでスペースやコストが懸念される他の多くの産業に最適です。

産業用エネルギー監査の一般的なケーススタディでは、シェルとチューブからプレート交換器への切り替えにより、いくつかのプロセスで熱エネルギー消費量を 15 〜 30% 削減できることが示されています。

優れた熱効率

優れた熱効率のコンパクトプレート熱交換機形状や流れに由来します

主要な要因は ：

極端な表面積の密度：

積層板は円筒管よりもはるかに多くの熱交換領域を作成します。PHE の表面積密度は、体積 1 m3 あたり 100 〜 200 m2 に達し、シェルとチューブシステムの場合は 20 〜 50 m2 / m3 に過ぎない。熱交換器間の温度差が 10 °C 毎に、より多くの面積が利用可能である場合、より多くの熱伝達が生じるため、この大きな面積のブーストは直接性能を向上させます。

薄いプレート、短い伝導経路 ：

厚さは 0.4 〜 1.0mm である。金属 （ ステンレス鋼、チタン、ニッケル合金 ） は熱を素早く伝導し、薄さが伝導距離が小さいことを意味します。これにより、全体の熱伝達係数が高い。実用的には、プレート交換器ではしばしば数千 W / m2 · K の U 値を見ることができますが、同等のシェルサイド流体またはフィン付きコイルでは数百と比較します。

乱流のチャンネル：

各プレートにはシェブロンまたはヘリンボーン段ボールがエッチングまたはスタンプされています。流体が薄い波形のギャップを流れるにつれて、パターンは控えめな流量でも乱流を強制します。これにより境界層が破壊され、対流熱伝達を非常に高く保つ。波紋パターンは、滑らかなチャネルに比べて熱伝達係数を 2 倍以上高めることができます。

効率的な流れの経路：

ほとんどの PHE は、交互にホット / コールドチャネルを使用し、しばしば逆流 （ またはマルチパス逆流 ） 配置で流体を構成します。逆流とは、熱いストリームと冷たいストリームが反対方向に移動し、交換器に沿って最大限の温度差を可能にし、最小限の「ピンチ」 （ アプローチ ） 温度を可能にすることを意味します。理想的な逆流では、理論的にはコールドアウトレットはホットインレット温度に近づき、駆動力を最大化します。一部の設計では、極端な逆流構成で温度クロス （ 熱い出口が冷たい出口よりも冷たい ） を達成することさえあります。これは、シングルパスシェルチューブユニットでは事実上不可能です。

エンジニアリングベンチマークによると、マルチチューブバンドルは、同じ容積の 1 つの大きなチューブよりも約 12 倍効率的であり、 PHE はその効果をさらに増やす。

流量ダイナミクスと圧力低下

一方枕のプレート熱伝達を促進し圧力降下も上昇します流体はタイトで曲がりくねった経路を交渉します設計者は効率と油圧コストのバランスを取ります。

最適化されたプレート幾何学：

熱交換器メーカーは、段ボール角、深さ、プレート間隔を調整して性能を調整します。狭いチャネルと急峻な波形は乱流 （ および熱伝達 ） を増加させるが、圧力降落も増加させる。多くの近代的な PHE 設計は、許容可能なポンプパワーで非常に高い熱伝達のスイートスポットを打つためにプレート形状を最適化します。

マルチパスとカウンターフロー：

限られたスペースで高効率を維持するために、 PHE はしばしばマルチパスフローを使用します。流体は出口する前に複数のプレートをジグザグして、小さなパッケージ内の長い流路を効果的にシミュレートします。逆流またはクロス逆流レイアウトは、温度勾配をさらに高めます。

圧力降下の管理 ：

メーカーは積極的に圧力低下を制御する。ワイドギャッププレートの設計大きなノズルは粘性または粒子流の圧力損失を低減します。コンパクトな PHE でも、圧力降落はしばしば同様のシェルとチューブユニットに匹敵しますが、伝達熱ははるかに高いため、全体的なエネルギー効率 （ ポンプワットあたりの熱 ） はプレートに有利です。

高い熱伝達係数と合理的な圧力降下の組み合わせにより、 PHE はしばしばより小型でエネルギー効率の高いシステム設計を可能にします。

コンパクト性と省スペース性

プレート熱交換器の最も顕著な利点の 1 つは、そのコンパクト性です。高い面積密度により、 PHE はシェルとチューブユニットよりもはるかに少ない体積と重量で同じ熱負荷を提供します。典型的なデータポイント ：

フットプリントの削減 ：

業界情報源では、チューブに比べてプレートユニットのフットプリントが 70 — 90% 少ないとされています。これは、ラックスペースと配管ランニングがプレミアムであるプラントでは重要です。

低い材料使用：

コンパクトな交換器は、鋼材と部品の使用を少なくします。しばしばコストを削減する。容積が少なく、加熱または冷却用の流体タンクが小さくなり、システム制御が向上します。

産業用熱交換器の設計では、このサイズ利点は過大評価できません。化学処理プラントや発電所では、数十台の交換器がパイプラックスペースを共有する可能性があります。プレートを使用すると、同じエリア内の交換器の数を 2 倍または 3 倍にすることができます。多くの近代的なスキッドや OEM システムは、主に省スペース性を理由にプレート交換器を指定しています。

SHPHE による特殊なプレート熱交換器設計

プレート熱交換器のコア利点は、困難な産業条件に合わせたいくつかの特殊設計の進化によってさらに強化されます。

ガスケット付きプレート熱交換器（GPHE）

これらは、エラストマーガスケットで密封された段ボール板を特徴とするプレート熱交換器の最も一般的な形態です。分離する必要がある流体や、頻繁な分解や洗浄を必要とするシステムに最適です。

アプリケーション ： HVAC 、地区暖房 / 冷却、食品および飲料、医薬品、およびクリーン化学プロセス。

長所 ： 簡単なメンテナンス、再構成可能なプレートパック、迅速なガスケット交換。

ガスケットの設計により、点検と洗浄が容易で、衛生基準や柔軟な操作を必要とするアプリケーションに最適なソリューションです。

溶接プレート熱交換器

溶接プレート熱交換器は、高圧や攻撃的な媒体を処理するために、ガスケットの代わりにレーザーまたは TIG 溶接シームを使用します。いくつかのサブタイプがあります ：

-ブロックタイプ溶接交換器s

内部流路と外部フレームを備えたブロックに溶接されたプレートを特徴とする。ガスケット付きタイプに比べて高い圧力と温度に耐え、ガス処理、精製、化学産業にしばしば採用されています。

利点 ： ガスケットフリー動作、コンパクト性、ストレス下での高い完全性。

洗浄 ： 一部のモデルは化学洗浄のための開け可能なカバーやチャネルがあります。

-広ギャッププレート交換器s

繊維状または粒子状の流体を処理するように設計されたこれらの交換器は、プレート間の間隔と特殊な形状の流動チャネルを備えています。パルプ、排水、または標準プレートを詰めるスラリー状の流体に最適です。

使用例 ： 砂糖精製、製紙所、産業排水処理。

主な特徴 ： フロージオメトリは閉塞を防止し、スループットを向上させます。

印刷回路熱交換器 （PCHE)

プリント回路熱交換器は、金属板に流路を化学的にエッチングし、拡散接合することによって製造されています。これらは非常に高圧 （ 最大 600 bar ） と非常に高温 （ 最大 800 ° C ） で動作できます。

アプリケーション： 水素生産、 LNG 、超臨界 CO2 サイクル、小型原子炉。

利点 ： 優れた強度、非常に高い面積密度、およびコンパクトな設計。

PCHEs は、コンパクト熱交換器技術の最先端を表し、プレートスタイルの熱効率を極端なデューティアプリケーションにもたらします。

要約 ： プレート熱交換器がより効率的な理由は ？

プレート熱交換器は、複数の産業において最も効率的で汎用性の高い熱ソリューションの 1 つとして際立っています。優れた熱伝達性能、コンパクトな設計、低い運用コストにより、効率と省スペース化が重要な場所で最適な選択肢となります。

地区エネルギーや HVAC から石油精製や高度な水素プロセスまで、 PHEs はより膨大で効率の低い代替手段に取って代わられ続けています。広ギャッププレート、溶接ブロック、プリント回路設計などのイノベーションにより、プレート交換器のアプリケーションの範囲は拡大し続けています。

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