ほとんどのエンジニアにとって、熱交換器バッフルは後付けです。チューブは熱伝達のために選択され、シェルは圧力封じ込めに適したサイズに設定され、バッフルは標準パターンに指定されています。このアプローチは多くのアプリケーションで機能しますが、改善の機会を逃してしまいます。この記事では、バッフル設計に注意を払うことで性能が大幅に向上し、コストが削減され、動作寿命が延長された現場実践のいくつかの事例をレビューします。
ケース 1: 過圧クーラー-
メキシコ湾岸地域の化学プラントには、軽質炭化水素の流れで動作する直径 600 mm のシェルアンドチューブ冷却器がありました。クーラーは 8 年間使用されており、適切に機能していましたが、圧力損失が増大し、工場ではポンプの交換またはバイパスの設置を検討していました。
オリジナルの設計では、25% カット、200 mm 間隔の単一セグメント バッフルが使用されていました。バッフルは標準の TEMA 配置に指定されています。動作データを確認したところ、シェル-側の圧力損失が設計値の 35 kPa から 85 kPa に増加していることがわかりました。この増加はファウリングによるものと考えられますが、ファウリング率は予想よりも高かったです。
解決策は、バッフルの間隔やバッフルのカットを変更することではなく、バッフルの構成を変更することでした。シングルセグメントバッフルはダブルセグメントバッフルに置き換えられました。熱伝達を大幅に低下させることなく、圧力損失は 40 kPa まで減少しました。このプラントは新しいポンプのコストを節約し、設置のためのダウンタイムを回避しました。
教訓: 圧力降下が過度に大きい場合は、ポンプを交換する前にバッフルのタイプの変更を検討してください。
ケース 2: 振動バンドル
発電所には、シェル直径 900 mm の給水ヒーターがありました。真空管の故障が発生し始めたとき、ユニットは 3 年間使用されていました。破損はチューブとチューブシートの接合部とチューブがバッフルに接触する箇所で発生しました。--故障の原因は流れ-による振動でした。
この設計では、バッフル カットが 25%、単一のセグメント バッフル、および間隔が 300 mm でした。計算されたチューブの固有振動数は 45 Hz でした。シェル-側の流れからの励起周波数は、流速に応じて 30 ～ 50 Hz と推定されました。振動は共鳴状態にありました。
解決策は、バッフルの間隔を 200 mm に減らすことでした。これにより、固有振動数が励起範囲外の 70 Hz に増加しました。チューブを交換し、バッフルを修正し、ユニットを稼働状態に戻しました。改造にかかる費用は、チューブの故障が続いた場合の費用のほんの一部でした。発電所は、振動により3年間で20万ドル以上のメンテナンス費用と生産損失が発生したと推定した。
教訓: 周波数比は無視できる詳細ではありません。固有振動数が励振周波数に近い場合、振動や故障が発生します。
ケース 3: 熱伝達の不足
食品加工工場には、粘性のある食品を冷却するために直径 500 mm のシェルアンドチューブ熱交換器が使用されていました。ユニットは標準バッフルを使用して設計されていましたが、必要な出口温度に達していませんでした。メーカーは、より大きな熱交換器を追加して表面積を増やすことを提案していましたが、工場はより低コストのソリューションを探していました。-
設計をレビューしたところ、バッフル間隔は 250 mm であり、高粘度流体に最適な値よりも大きいことがわかりました。-流れパターンはバッフル窓を通る縦方向の流れが支配的でした。チューブ上のクロスフローは低く、熱伝達係数は設計値を下回っていました。
バッフルは、間隔を 150 mm に減らすことで修正されました。直交流速度が増加し、熱伝達係数が増加し、ユニットは必要な出口温度を達成しました。この変更は計画的なメンテナンス停止中に完了し、費用は新しい交換器のコストの 10% 未満でした。
教訓: 粘性流体の場合、標準的なバッフル間隔は大きすぎることがよくあります。間隔が小さいとクロスフローが増加し、熱伝達が向上します。-
バッフル性能の仕組み
バッフル システムの性能は、流れのパターン、速度分布、圧力損失の 3 つの要素によって決まります。それぞれはバッフルの設計の影響を受けます。
- 流れのパターン。バッフルの設計により、流れが主に横流れであるか縦方向の流れであるかが決まります。-クロスフローは境界層を破壊するため、熱伝達にさらに効果的です。-縦方向の流れは熱伝達にはあまり効果的ではありませんが、バッフル コンパートメント間で流体を輸送するためには必要です。
- 速度分布。バッフルの設計により、流れが管束全体にわたって均一であるか、または特定の領域に集中しているかが決まります。不均一な分布により熱伝達が低下し、局所的な汚れのリスクが増加します。
- 圧力損失。バッフルの設計により、熱交換器を通る圧力降下が決まります。圧力降下は、バッフル窓を通過する速度と横流速度の関数です。-。この関係は直線的ではありません。速度が 2 倍になると、圧力損失は約 4 倍に増加します。
バッフルカット
バッフルカットは、バッフル設計において最も重要な変数です。それは横の流れと縦の流れのバランスを決定します。-カットを小さくすると、クロスフローと熱伝達が増加しますが、圧力降下とチューブの振動のリスクも増加します。-カットを大きくするとクロスフローと圧力損失が減少しますが、熱伝達も減少します。
ほとんどの用途に最適なカットはバッフル領域の 20% ～ 25% です。これにより、熱伝達と圧力損失のバランスが保たれます。圧力降下の制限が高い用途では、より大きなカットが必要になる場合があります。熱伝達が優先される用途では、より小さなカットが使用される場合があります。
カットの方向も考慮事項です。ほとんどのデザインでは、カットは水平で、窓はシェルの上部または下部にあります。これは垂直操作の標準的な配置です。水平操作では、シェルの下部に液体が溜まるのを防ぐために、カットは通常垂直になります。
バッフル間隔
バッフルの間隔によって、クロスフローの速度とチューブの非支持スパンが決まります。{0}}間隔は通常、シェル直径の 20% ～ 100% です。最適な間隔は、熱伝達要件、圧力降下の制限、およびチューブの振動リスクによって異なります。
- 熱伝達。熱伝達率は、間隔が狭くなるにつれて増加します。所定のシェル直径について、係数は間隔の逆数の平方根にほぼ比例します。この関係は、実際の間隔の範囲に当てはまります。
- 圧力損失。圧力降下は、間隔の逆数にほぼ比例します。間隔が小さくなると、圧力損失が増加します。この関係は直線的ではありません。間隔を 20% 減らすと、圧力損失が 30% ～ 40% 増加する可能性があります。
- チューブの振動。間隔が狭くなるにつれて、振動のリスクは減少します。間隔が小さくなると、サポートされていないスパンが減少し、固有振動数が増加します。振動のリスクは、流れのパターンやチューブのレイアウトによっても影響されます。
間隔は、これら 3 つの要素のバランスを考慮して選択する必要があります。熱伝達が支配的な用途では、通常、間隔は範囲の下限になります。{1}圧力損失-が制限された用途では、これはハイエンドになります。振動のリスクが高い用途の場合、チューブの間隔を振動の許容範囲内に維持できる程度に小さくする必要があります。
管のピッチと管のレイアウト
チューブのピッチ-隣接するチューブ間の距離-は、流量分布と圧力降下に影響します。ピッチが大きくなると、シェル側の流れにより多くのスペースが提供され、圧力損失が減少し、より高い流速が可能になります。ピッチが小さくなると、特定のシェル直径に対するチューブの数が増加し、伝熱面積が増加しますが、流れが制限されます。
チューブ レイアウト-束内のチューブの配置-は、流れの分布と振動特性に影響します。 3 つの標準レイアウトは次のとおりです。
- 三角形 (30 度)。このレイアウトは、特定のシェル直径に対して最大のチューブ数を提供します。これは、熱伝達面積の最大化が優先されるアプリケーションで最も一般的なレイアウトです。流量分布が良好で、圧力損失も適度です。
- 正方形（90度）。このレイアウトにより、チューブの機械的洗浄が可能になります。これは、シェル側の流体が汚れている場合やチューブを洗浄する必要がある用途で使用されます。{3}}同じシェル直径の場合、チューブの数は三角形よりも少なくなります。
- 回転した正方形 (45 度)。このレイアウトは、三角形レイアウトのチューブ数の多さと正方形レイアウトの洗浄アクセスとの間の妥協点を提供します。何らかの清掃アクセスが必要なアプリケーションで使用されます。
バッフル-と-チューブのクリアランス
バッフル穴とチューブ間のクリアランスはバイパス流量やチューブの振動特性に影響を与えます。標準設計の場合、クリアランスは通常 0.5 ～ 1.5 mm です。クリアランスが小さいとバイパス流が減少し、熱伝達が向上しますが、組み立て中にチューブが損傷するリスクが増加する可能性があります。クリアランスが大きいと、アセンブリが損傷するリスクが減りますが、バイパス流量が増加し、熱伝達が減少します。
クリアランスはチューブ材質、チューブ径、組立方法により規定します。ステンレス鋼管の場合、より高い熱膨張係数を考慮して、クリアランスが炭素鋼管よりも大きくなる場合があります。
設計方法論
次の方法論を使用して、特定の用途向けのバッフル設計を開発できます。
ステップ 1: プロセス要件を確立します。
熱負荷、流体特性、許容圧力降下、およびチューブの振動限界を決定します。これらは、設計が満たさなければならない制約です。
ステップ 2: バッフルのタイプを選択します。
プロセス要件とスペースの制約に基づいてバッフル構成を選択します。シングルセグメントバッフルがデフォルトです。圧力降下が過度に大きい場合は、ダブルセグメントバッフルまたはディスク-および-バッフルが使用されます。
ステップ 3: バッフルの間隔を決定します。
望ましい熱伝達係数を達成し、チューブを許容振動制限内に維持するために必要な間隔を計算します。
ステップ 4: バッフルカットを決定します。
横流れと縦流れの間で望ましいバランスを達成するために必要なカットを計算します。{0}}カットは通常、バッフル領域の 20% ～ 25% です。
ステップ 5: 設計を検証します。
熱伝達係数、圧力損失、振動リスクを計算します。結果はプロセス要件内にある必要があります。
ステップ6: 材料を指定します。
流体の特性と使用温度に基づいてバッフルの材質を選択します。バッフルの材質はチューブの材質やシェルの材質と適合する必要があります。
設置とメンテナンス
バッフルの取り付けとメンテナンスは通常は簡単ですが、いくつかの重要な考慮事項があります。
- インストール。バッフルは正しい向きで取り付ける必要があります。カットは入口ノズルと出口ノズルに合わせて行う必要があります。チューブの穴はチューブの位置に合わせてください。位置がずれていると、組み立て中または操作中にチューブが損傷する可能性があります。
- 検査。バッフルはメンテナンス停止中に検査する必要があります。検査には、腐食、浸食、変形のチェックが含まれる必要があります。チューブとバッフル穴の間の隙間をチェックして、摩耗によって隙間が広がっていないか確認する必要があります。
- クリーニング。汚れがある場合はバッフルを掃除する必要があります。洗浄方法は付着物の種類によって異なります。有機堆積物には化学洗浄が一般的です。無機堆積物には機械的洗浄が一般的です。
結論
バッフル システムはシェルアンドチューブ熱交換器の重要なコンポーネントです。その設計により、流れパターン、熱伝達係数、圧力損失、およびチューブの振動特性が決まります。設計では、熱伝達、圧力損失、機械的サポートの競合する要件のバランスを取る必要があります。
バッフルのタイプ、間隔、カットの選択は、プロセス条件、流れ特性、機械的要件の体系的な評価に基づいて行う必要があります。解析には、熱伝達計算、圧力損失計算、振動解析を含める必要があります。設計は適切な方法を使用して検証する必要があります。
バッフル システムが適切に設計され設置されている場合、熱交換器の設計寿命全体にわたって信頼性の高い熱伝達が保証されます。設計が適切でないと、不十分な性能、過度の圧力降下、チューブの振動、または早期故障が発生する可能性があります。