多管式熱交換器

多管式熱交換器の構造

壳体、伝熱管束、管板、邪魔板（バッフル）、管箱などの部品で構成されます。壳体は円筒形が多く、内部に管束が装備されており、管束の両端は管板に固定されています。熱交換を行う冷温二流体のうち、一方は管内を流れ、これを管側流体と呼びます。もう一方は管外を流れ、これを殻側流体と呼びます。管外流体の熱伝達率を向上させるため、通常、壳体内には複数の邪魔板が取り付けられています。邪魔板は殻側流体の速度を高め、流体を規定の経路で管束を複数回横断させ、流体の乱流度を高めます。

伝熱管は管板上に正三角形配列または正方形配列で配置することができます。正三角形配列はよりコンパクトで、管外流体の乱流度が高く、熱伝達率が大きくなります。正方形配列は…（原文未完）。

流体が管束を一回通過することを一管程と呼び、壳体を一回通過することを一殻程と呼びます。図示されたものは最も単純な単殻程・単管程熱交換器で、略して1-1型熱交換器と呼ばれます。管内流体の速度を高めるため、両端の管箱内に仕切り板を設置し、全ての管を均等に複数のグループに分けることができます。これにより、流体は一度に一部の管だけを通過し、管束内を複数回往復することになり、これを多管程と呼びます。同様に、管外流速を高めるため、壳体内に縦型の邪魔板を設置し、流体を複数回壳体空間を通過させることもでき、これを多殻程と呼びます。多管程と多殻程は組み合わせて適用することも可能です。

多管式熱交換器の種類

管内外の流体の温度が異なるため、熱交換器の壳体と管束の温度も異なります。両者の温度差が非常に大きい場合、熱交換器内に大きな熱応力が発生し、管の曲がり、破断、または管板からの引き抜きを引き起こす可能性があります。そのため、管束と壳体の温度差が50℃を超える場合には、適切な補償措置を講じて熱応力を除去または低減する必要があります。採用する補償措置に応じて、多管式熱交換器は以下の主要な種類に分類されます。

①固定管板式熱交換器
管束両端の管板が壳体と一体に結合されているもので、構造は簡単ですが、冷熱流体の温度差が大きくなく、かつ殻側の機械洗浄を必要としない熱交換操作にのみ適します。温度差がやや大きく殻側圧力がそれほど高くない場合は、壳体に弾性補償リングを取り付けて熱応力を低減することができます。

②浮き頭式熱交換器
管束の一端の管板が自由に浮動できる構造で、熱応力を完全に除去します。また、管束全体を壳体から引き出すことができるため、機械洗浄や点検・修理が容易です。浮き頭式熱交換器は応用範囲が広いですが、構造が比較的複雑で、製造コストが高くなります。

③U字管式熱交換器
各伝熱管はU字形に曲げられ、両端が同じ管板の上下二つの領域にそれぞれ固定され、管箱内の仕切り板によって入口と出口の二室に分けられます。この形式の熱交換器は熱応力を完全に除去し、構造は浮き頭式よりも簡単ですが、管側の洗浄が容易ではありません。