熱交換チューブの束の抵抗を減らすにはどうすればよいですか? 

熱交換チューブの束の抵抗を減らす方法: 直接的な答えとエンジニアリングの実践

熱交換チューブの束における水圧抵抗の低減は、3 つの基本的な方法によって達成されます。1 つはチューブ配置の形状を最適化する (ピッチを維持しながらコリドー配置から千鳥配置に切り替える)、熱交換領域を失わずに列のピッチを再計算することでチューブ間のスペースを増やす、そして滑らかな円筒面の代わりに空気力学的プロファイルを備えたフィン付きチューブを使用するというものです。産業用熱交換器の最新化を実践する当社では、これらの対策により、熱伝達率を維持または改善しながら、圧力損失を 30 ～ 45% 削減することができます。しかし、単純にパイプピッチを大きくすると熱伝達効率の低下につながることが多いため、成功の鍵となるのは、レイノルズ数の正確な計算と特殊な形状のフロータービュレーターの使用によって達成される、水力学と熱力学のバランスです。

多くの技術者は、ポンプ装置を交換するだけで高抵抗の問題を解決しようとする間違いを犯しており、これがエネルギー消費の指数関数的な増加につながります。本当の解決策は、熱交換器の内部アーキテクチャを変更することにあります。以下では、GOST 規格とロシアの冬季および高負荷の製油所での実際の操業経験に基づいて、具体的な技術ソリューションを分析します。

梁の形状: 千鳥配置がコリドー配置より効果的である理由

チューブ束の配置を選択することは、抵抗を軽減するための最初で最も重要なステップです。レイアウトには主に 2 つのタイプがあります。コリドー (パイプが流れに沿って厳密に次々に配置されている) と千鳥配置 (後続の各列のパイプが前の列に対してオフセットされている) です。直観的には、液体または気体は直線の「廊下」に沿って移動するため、廊下の設計により流れの障害が少なくなるように見えるかもしれません。しかし、実際にはその逆が当てはまります。コリドーの配置により、多くの場合、パイプの背後によどみゾーンが形成され、境界層の早期分離が促進されます。これにより、逆説的に、高流量でのシステム全体の抵抗が増加します。

市松模様の配置により、流れの方向が常に変化し、各パイプを四方から集中的に洗浄します。これにより、熱伝達係数（α）が高くなるだけでなく、流体特性も安定します。直径 800 mm のシェルアンドチューブ熱交換器の計算では、コリドー レイアウトから同じピッチの千鳥配置に変更することで、局所的な圧力損失を 18% 削減すると同時に、火力を 12% 増加させることができました。これは、流れエネルギーの主な消費者である大きな渦ゾーンが形成されることなく、千鳥ビーム内の流れの乱流がより均一に発生するために起こります。

しかし、ここには教科書では触れられていない重要なニュアンスがあります。市松模様は汚れに弱いです。冷却剤に浮遊粒子が含まれている場合、またはスケールが形成されやすい場合、千鳥配置のバンドル内の狭い斜めの通路は、廊下配置の直線的なチャネルよりも早く詰まる可能性があります。紙パルプ工場のお客様の 1 人は、この問題に遭遇しました。エネルギーを節約するために熱交換器を千鳥配置にアップグレードした後、6 か月の運転後に、パイプ間の到達しにくい領域の生物学的汚れにより抵抗が 2 倍になりました。したがって、環境が汚い場合は、対角ピッチを大きくして変更した千鳥レイアウトを使用するか、廊下レイアウトに戻してスパイラル パーティションを使用することをお勧めします。

新しい装置を設計するとき、または古い装置をアップグレードするときは、縦方向 (S1) と横方向 (S2) のステップの比率を考慮する必要があります。最大の熱伝達で抵抗を最小限に抑える最適な比率は、S1/S2 が 1 に近く、パイプ直径の 1.25 以上であると考えられます。この比が 1.25 を下回ると、抵抗係数 ζ が急激に上昇します。予備評価には Ergun の公式または熱交換器リファレンス ブック (B.S. Fokin 編集) のデータを使用しますが、媒体の特定の粘度条件に対して CFD モデリングを必ず実行してください。

ジオメトリに関する実際的な推奨事項:

• きれいな媒体 (水、蒸気、空気) の場合:S = 1.25 ～ 1.5 d_nar のピッチの千鳥配置を厳密に使用してください。これにより、熱伝達と圧力損失のバランスが良くなります。
• 粘性媒体 (オイル、燃料油) の場合:廊下の配置は許可されますが、よどみ領域を防ぐために45度の角度でカットされたセグメントパーティションと組み合わせてのみ許可されます。
• 研磨媒体の場合:装置の寸法を大きくしても、パイプのピッチを 2.0 d_nar に増やします。細く束ねられたパイプの浸食は、金属の節約を取り戻すより早く事故につながります。

処置: 現在の熱交換器のデータシートを確認してください。それが廊下の位置を示しており、環境がきれいな場合は、次回の修理時に管板を千鳥状のものに交換することを計画してください。ポンプのエネルギー節約により、8 ～ 14 か月で元が取れます。

パーティション設計: 隠れた損失の主な原因

シェルアンドチューブ熱交換器では、総水圧抵抗の最大 60% がパイプ自体ではなく、チューブ間の空間の隔壁によって生じます。従来のセグメントバッフルは、本体直径の 20 ～ 25% の流れを遮断し、各バイパスで強力な局所的な渦を生成します。流れは急激に90度方向を変えられ、隔壁と本体の間の狭い隙間を通過し、再び膨張します。これらのプロセスには、摩擦と渦の形成による膨大なエネルギー損失が伴います。

この問題に対する最新の解決策は、スパイラル バッフル (ロッド バッフルまたはスパイラル バッフル) の導入です。セグメントプレートとは異なり、スパイラルバッフルは管束全体に沿った螺旋経路に沿って流れを導きます。これにより、ハウジングの隅にある急な流れの曲がりやデッドスポットが排除されます。その結果、速度プロファイルは均一になり、同じ冷媒流量で圧力損失が 30 ～ 50% 減少します。さらに、スパイラルフローは、従来のユニットでパイプ故障の一般的な原因であるパイプの振動を防ぎます。

石油水素化処理装置の比較試験を実施しました。セグメント化されたバッフルを備えた古い熱交換器では、金属の部分的な汚染と経年劣化により、設計の 0.4 MPa と比較して、圧力損失が 0.8 MPa でした。内部エレメントを同じメーカーのスパイラル隔壁に交換したところ、その差は 0.35 MPa に低下し、停滞ゾーンがなくなったことにより熱伝達効率が 15% 向上しました。スパイラルバッフルの取り付けには高精度の製造が必要であることに注意することが重要です。位置がずれているとスパイラルの流れが妨げられ、新たな抵抗ゾーンが生じるからです。

もう 1 つの効果的な方法は、中実のパーティションの代わりに穴の開いたパーティションを使用することです。隔壁の穴により、流れの一部が通過することができ、装置の断面全体の圧力が均一になり、窓の開口部での速度が低下します。ただし、ここで注意が必要です。穿孔面積が大きすぎると、パイプ壁での主流の速度が低下し、熱伝達が悪化します。最適な穿孔の程度は、隔壁面積の 10 ～ 15% です。このパラメータはタスクごとに個別に計算する必要があります。ここには普遍的な解決策はありません。

隔壁と熱交換器本体との隙間にも注意が必要です。 GOST R 53683-2009 によれば、流体が管束を通過して流れる（バイパス流）のを防ぐために、この隙間はできる限り小さくする必要があります。ただし、実際には、製造公差や熱膨張により、このギャップが大きすぎて効率が低下したり、小さすぎて詰まりや歪みが発生したりすることがよくあります。パーティションが本体と接触する部分には、セルフシールテープまたは特別な拡張リングを使用することをお勧めします。

パーティションの種類の比較:

処置: 熱交換器が設計圧力損失より 20% 高い圧力で動作している場合は、急いでパイプを清掃しないでください。まず、パーティションの状態とバイパス フローの存在を確認します。多くの場合、問題はシールを取り付けるか、パーティションの種類を交換することで解決されます。

パイプの表面状態と堆積物が油圧に及ぼす影響

たとえ完璧に設計されたパイプ束であっても、パイプの表面が汚れていればその効果は失われます。パイプの内外面の粗さは、油圧摩擦係数に直接影響します。新品鋼管の絶対相当粗さは約0.2mmですが、使用中に腐食や析出物により1～2mmに増加する場合があります。乱流が発達したゾーンの粗さが増加すると、抵抗が直線的に増加します。

最も厄介な敵は機械的な汚れではなく、生物学的な汚れと塩の結晶化です。 1 mm ほどの薄いスケールの層では、水圧抵抗が 15 ～ 20% 増加し、熱伝達が 30% 減少します。これは二重打撃です。ポンプが磨耗して、送り出される液体の量が減り、プロセス温度が規制の範囲外になります。火力発電所での実務では、水処理の質が悪かったために水回路の抵抗が増大し、循環ポンプがキャビテーションモードに陥り、3か月以内に羽根車が破壊されるという事態に遭遇しました。

この現象に対処するには、定期的な化学洗浄だけでは十分ではありません。連続クーラント調製システムを導入し、付着防止コーティングを施したパイプを使用する必要があります。最新のポリマー コーティング (フッ素樹脂やエポキシ樹脂などをベースにしたもの) は、金属を腐食から保護するだけでなく、摩擦係数が非常に低くなります。このようなコーティングの滑らかさは何年も維持されるため、新しい機器のレベルで油圧特性を維持することができます。ただし、コーティングを施すとパイプの内径が小さくなり、これが最初から設計に含まれていない場合、それ自体が抵抗を増加させる可能性があることに留意することが重要です。

ここでは、パイプの材質を正しく選択することが重要です。たとえば、企業の専門家無錫開神LLC石油・ガスおよびエネルギー産業向けのハイテク熱交換装置の製造を専門とする同社は、特殊合金製のパイプへの移行により状況が根本的に変わる可能性があることに注意してください。同社のポートフォリオには、C46400 海洋黄銅、銅ニッケル、チタンのソリューションが含まれており、海水や化学薬品などの過酷な環境において耐腐食性や汚れに対する優れた耐性を示します。 ASME および PED 認定の 316 ステンレス鋼または N06625 ニッケル合金波形管束を使用すると、数十年間にわたって低い表面粗さを維持するだけでなく、ユニットの全体的な熱効率も向上します。このような材料は、海水淡水化プラントや石油化学製品で使用され、従来の炭素鋼がすぐに劣化してしまう場合に水圧パラメータの安定性をもたらします。

もう一つの特徴はパイプの形状です。丸いパイプから楕円形または涙滴型 (プロファイル) への移行により、抗力が大幅に軽減されます。このようなパイプは、その背後に小さなカルマン渦列を形成します。空気熱交換器 (空気冷却器) では、断続フィン付きのフィン付きチューブや波形テープを使用することで境界層を制御し、必要な瞬間に境界層を解放し、流れの剥離を防ぐことができます。これは波形ピッチの正確な計算を必要とする複雑な技術ですが、空気力学を最大 25% 向上させます。

ビームの入力セクションと出力セクションを忘れないでください。ビームの入口と出口での流れが急激に膨張または収縮すると、局所的に大きな抵抗が生じます。アニュラスの入口にガイドベーンまたはコーンディストリビュータを設置すると、流れをバンドルにスムーズに導入し、速度線図を平準化し、ハウジングのコーナー領域の再循環ゾーンを回避するのに役立ちます。この単純な設計の改善は修理では見落とされがちですが、油圧全体にとっては重要です。

処置: 熱交換器パイプの内面の内視鏡検査を実行します。堆積物や腐食が見つかった場合は、パイプをコーティングされたモデルや最新の合金に交換する場合と比較して、化学洗浄の経済的メリットを計算してください。長期的には、交換した方が良い場合が多いです。

最適化のための計算方法とソフトウェア

「目で見て」直観的に部品を交換することは、現代のエンジニアリングでは受け入れられません。抵抗を減らすには、厳密な計算に基づいて行う必要があります。シェルアンドチューブ設計の Bell-Delaware 法などの古典的な手法は、依然として業界標準です。これらにより、ギャップ、バイパス流、フィンの不均一性からの漏れの影響を考慮することが可能になります。ただし、これらの方法は平均値を提供するため、複雑な形状では 15 ～ 20% の誤差が生じる可能性があります。

正確な最適化のために、数値流体力学 (CFD) 手法の使用を強くお勧めします。 ANSYS Fluent や COMSOL Multiphysics などのソフトウェア パッケージを使用すると、チューブ バンドル内の流れを 3D で視覚化できます。渦が形成されるゾーン、速度がゼロに低下するゾーン、主なエネルギー損失が発生するゾーンを正確に確認できます。このデータに基づいて、金属加工を開始する前に、パーティションの形状、パイプのピッチ、フィンのプロファイルを仮想的に「試し」、最適なソリューションを見つけることができます。

石油化学プラントのあるプロジェクトでは、CFD モデリングを使用して熱交換器への流れ入口を最適化しました。標準的な計算では許容可能なパラメータが示されていましたが、モデルでは本体上部に強力な渦が発生し、有効な流れ断面積の 10% が「食い尽くされた」ことが明らかになりました。注入口の形状を変更し、ガイド板を1枚追加することで渦を解消しました。実際のテストでは、抵抗が 8% 減少することが確認されました。これは小さなことのように思えますが、流量 2000 m3/時間の設備の場合、1 時間あたり 40 kW の電力を節約することになります。

計算を行う際には、液体のレオロジー特性を考慮することも重要です。非ニュートン液体 (ポリマー、懸濁液) の場合、標準抵抗公式は適用できません。ここでは、さまざまなせん断速度での実験的な粘度データを使用する必要があります。流れ状態（層流または乱流）の決定に誤りがあると、ポンプ出力の致命的な計算ミスにつながる可能性があります。特定の温度と流量条件のレイノルズ数を常に確認してください。

出典:連邦技術規制計量庁 (ロスタンダール)。計算を行う場合は、GOST R 53683 および VTI (全ロシア熱工学研究所) の最新バージョンの方法に従ってください。

アクション: 高価な CFD ソフトウェアにアクセスできない場合は、大手熱交換器メーカーの専用オンライン計算機を使用するか、エンジニアリング会社に監査を依頼してください。 10 年前の機器のデータシートだけに頼らないでください。

よくある質問

熱交換器ハウジングの直径を大きくするだけで抵抗を減らすことはできますか?

理論的には、同じ数のパイプで本体の直径を大きくすると、パイプ間スペースの流れ面積が増加し、流速が低下するため、抵抗が減少します。ただし、このソリューションには重大な制限があります。まず、これにはデバイス全体またはそのケーシングを交換する必要があり、費用と時間がかかります。第二に、流速の減少により流れの状態が乱流から層流または過渡的な状態に変化する可能性があり、これにより熱伝達が急激に悪化します。熱交換器は「油圧的に軽量」になりますが、熱効率は悪くなります。この方法は、他の方法が使い果たされたような極端な場合にのみお勧めし、必ず熱バランスを再計算してください。

抵抗の増加を防ぐためにパイプをどのくらいの頻度で掃除する必要がありますか?

汚染の速度は冷却剤の品質と温度条件に依存するため、普遍的なスケジュールはありません。適切な水処理が行われている循環給水システムの場合、1 ～ 2 年ごとに予防洗浄が必要です。燃料油または石油環境の場合 - 6 か月に 1 回。予定外のクリーニングの基準は、圧力損失が初期 (正味) 値の 15 ～ 20% 増加することです。このパラメータをリアルタイムで監視するには、熱交換器の入口と出口に圧力計を取り付けることが必須です。抵抗が大幅に増加した場合、プラントの計画停止を待つことは不可能です。これはポンプが故障する危険性があります。

パイプ内のタービュレーターは抵抗を減らすのに効果的ですか?

ここでパラドックスが生じます。タービュライザー（インサート、ワイヤースパイラル）が取り付けられています内側熱伝達を強化するためのパイプ。熱伝達係数が大幅に向上するため、デバイスの寸法を縮小できます。しかし、彼らは増加するパイプ内の水圧抵抗は 2 ～ 3 倍になる場合があります。したがって、あなたの目標が正確であれば、減らす抵抗がある場合、タービュレーターはあなたには適していません。既存の熱交換器の容量を増やす必要があり、システムにポンプの予備圧力がある場合に使用されます。システム全体の抵抗を軽減するには、パイプの内面ではなく、パイプ間スペースの幾何学形状と隔壁の形状に取り組む方が良いでしょう。

長期的に抵抗を最小限に抑えるにはどのパイプ材料が最適ですか?

初期粗さの点では、銅と真鍮は鋼よりも有利です。ただし、攻撃的な環境ではすぐに腐食し、粗さが増加します。ステンレス鋼 (GOST または AISI 321 によるグレード 12Х18Н10Т) は最適な妥協案です。非常に滑らかで耐腐食性があります。しかし、長期的に抵抗を最小限に抑えるための最良の解決策は、内部ポリマーコーティングを施したパイプ、またはチタン製（海水用）のパイプです。チタンは実際には汚れや腐食の影響を受けず、数十年にわたって低い抵抗を維持しますが、初期コストは鋼よりも 3 ～ 4 倍高くなります。そのため、Wuxi Kaisheng LLC などの大手メーカーは、最も過酷な動作条件下でチタン製シェルアンドチューブ熱交換器やニッケル合金製品に依存し、ライフサイクル全体を通じて機器の安定した動作を顧客に提供しています。

結論と行動戦略

熱交換チューブの束の抵抗を減らすことは 1 回限りの作業ではなく、プロセスの形状、水力学、物理学の分析を必要とする複雑なエンジニアリング プロセスです。私たちが発見したように、最大の可能性は、パーティションの最適化（スパイラルパーティションへの切り替え）、適切なパイプレイアウトの選択（廊下の代わりにチェッカーボード）、および表面の清浄度の監視に隠されています。これらの要因を無視すると、過剰なエネルギー消費、ポンプの早期摩耗、プロセスの不安定化につながります。

ポンプをより強力なものに交換することだけで問題を解決しようとしないでください。これは行き止まりです。まず、熱交換機器の現在の構成を監査します。実際のパラメータと設計パラメータを比較し、パーティションを検査して汚染の程度を評価します。バッフルシールの取り付けや次回バンドル交換時のパイプ間隔の調整などの小さな変更でも、経済的に大きな影響を与える可能性があります。

高抵抗の問題に直面し、最適な解決策の選択がわからない場合は、専門家に問い合わせてください。正しく選択された熱交換器または適切に最新化された既存の装置は、エネルギーを節約し、生産の信頼性を高めることでコストを回収します。会社名無錫開勝電力石油化学設備有限公司は、個別のソリューションや CFD モデリングの開発から、さまざまな合金で作られた高圧熱交換器、空気冷却器、廃熱ボイラーなどの認定機器 (ASME、PED) の供給まで、あらゆる範囲のサービスを提供する準備ができています。

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