チューブ熱交換器のサイジングは、さまざまな産業用途に最適なパフォーマンスを確保するための重要なステップです。チューブ熱交換器のサプライヤーとして、私はこれらの必須の機器のサイズを正しくサイズする方法についてよく混乱する多くのクライアントを扱いました。このブログでは、プロセスを簡単な手順に分解し、あなたがそれを正しくするのに役立ついくつかのヒントを共有します。
基本を理解する
サイジングプロセスに飛び込む前に、チューブの熱交換器が何であるかをすばやく見てみましょう。基本的に、それは2つの流体の間に熱を伝達するデバイスです。1つはチューブの内側とチューブの外側の外側のシェルに流れるものです。チューブ熱交換器にはさまざまな種類があります。シェルおよびチューブタイプの熱交換器、浸漬ヘビチューブタイプの熱交換器、 そしてダブルチューブプレート熱交換器。各タイプには独自の利点があり、特定のアプリケーションに適しています。
ステップ1：熱伝達速度を決定します
最初に把握する必要があるのは、どのくらいの熱を転送する必要があるかです。これは熱伝達速度として知られており、通常は1時間あたりワット（W）または英国の熱単位（BTU/HR）で測定されます。これを計算するには、関係する2つの流体の流量、比熱、および温度変化を知る必要があります。
熱伝達率（Q）の式は次のとおりです。
q = m * cp *Δt
どこ：
- mは流体の質量流量（kg/sまたはlb/hr）です
- CPは、流体の比熱容量です（J/kg・KまたはBTU/LB・°F）
- ΔTは流体の温度変化（Kまたは°F）です
たとえば、10 kg/sの流量で20°Cから80°Cに水が加熱されているプロセスがあるとしましょう。水の比熱容量は約4.18 kJ/kg・kです。式を使用して、熱伝達速度を計算できます。
Q = 10 kg/s * 4.18 kj/kg・k *（80°C -20°C）
Q = 10 kg/s * 4.18 kj/kg・k * 60 k
Q = 2508 kj/sまたは2508000 w
ステップ2：対数平均温度差（LMTD）を計算する
LMTDは、熱交換器の長さにわたる2つの液体間の平均温度差の尺度です。これは、熱交換器のサイズを決定する上で重要な要素です。
LMTDの式は次のとおりです。
lmtd =（Δt1-Δt2） / ln（Δt1 /Δt2）
どこ：
- ΔT1は、熱交換器の一端の高温液と冷水の温度差です
- ΔT2は、熱交換器の反対側の高温液と冷水の温度差です
高温の液が100°Cで熱交換器に入り、60°Cで葉を去り、冷たい液が20°Cで入り、80°Cで去ると仮定しましょう。
ΔT1= 100°C -20°C = 80°C
ΔT2= 60°C -80°C = -20°C（絶対値を取得するため、ΔT2= 20°C）
LMTD =（80°C -20°C） / LN（80°C / 20°C）
LMTD = 60°C / LN（4）
LMTD≈43.28°C
ステップ3：全体的な熱伝達係数（U）を決定する
全体的な熱伝達係数（U）は、熱交換器が熱を伝達する能力を表します。流体の種類、チューブとシェルの材料、流れ条件など、いくつかの要因に依存します。
uの値は、文献、実験データ、または相関を使用して取得できます。たとえば、両側に水を含むシェルアンドチューブ熱交換器の場合、U値は800〜1500 w/m²の範囲です。
ステップ4：熱伝達エリアを計算する（a）
熱伝達速度（Q）、LMTD、および全体の熱伝達係数（U）を取得したら、次の式を使用して必要な熱伝達面積（a）を計算できます。
a = q /（u * lmtd）
以前の例からの値を使用してください。
a = 2508000 w /（1000 w /m²・k * 43.28 k）
≈57.95m²
ステップ5：チューブの寸法と構成を選択します
必要な熱伝達エリアがわかったので、適切なチューブの寸法と構成を選択する必要があります。これには、チューブの直径、長さ、およびチューブの数が含まれます。
単一のチューブの熱伝達領域は、式を使用して計算できます。
stop =π * d * l
どこ：
- Dはチューブの外径です
- Lはチューブの長さです
外径が25 mm（0.025 m）、長さ3 mのチューブを選択したとします。単一のチューブの熱伝達エリアは次のとおりです。
atube = p * 0.025 m * 3 m
atube≈0.236m²
必要なチューブの数を見つけるには、総熱伝達エリアを単一のチューブの熱伝達エリアで分割します。
チューブの数= a / atube
チューブの数=57.95m² /0.236m²
チューブの数≈246
ステップ6：他の要因を考慮してください
上記の計算に加えて、チューブ熱交換器のサイジングをするときに考慮する必要がある他の要因があります。
- 圧力降下：熱交換器全体の圧力が容認できる制限内にあることを確認する必要があります。高圧降下は、ポンピングコストの増加とシステム効率の低下につながる可能性があります。
- ファウリング：時間の経過とともに、堆積物はチューブ表面に蓄積し、熱伝達効率を低下させることができます。計算にファウリングファクターを使用して、ファウリングを説明する必要があります。
- 材料の互換性：チューブとシェルの材料は、腐食やその他の化学反応を防ぐために使用される流体と互換性がなければなりません。
結論
チューブ熱交換器のサイジングは、さまざまな要因を慎重に検討する必要がある複雑なプロセスです。このブログで概説されている手順に従って、アプリケーションに適したサイズの熱交換器を選択できるようにします。
チューブの熱交換器のサイズをどのようにサイズするか、またはお客様のニーズに合ったタイプを選択するのに役立つ必要がある場合は、手を差し伸べることをためらわないでください。チューブ熱交換器のサプライヤーとして、私はあなたが最善の決定を下すのを支援する専門知識と経験を持っています。お客様の要件について話し合い、調達プロセスを開始してください。
参照
- Incropera、FP、Dewitt、DP、Bergman、TL、＆Lavine、AS（2007）。熱と物質移動の基礎。ジョン・ワイリー＆サンズ。
- Shah、RK、＆Sekulic、DP（2003）。熱交換器設計の基礎。ジョン・ワイリー＆サンズ。
