プロセスパイロットプラントのスペース割り当てにおいて、シェル＆チューブ式熱交換器の設置面積はどのように計算しますか？

パイロットプラントの初期レイアウトでは、熱交換器の設置後の全長に最大設置幅を乗じ、さらに周囲に必要なアクセスおよび保全クリアランスを加えて、熱交換器の設置面積を計算します。熱交換器の外形寸法は、必要伝熱面積、伝熱管本数、シェル径、管長、鏡板、支持部、およびノズルから決定します。単純な水平配置では、機器のみの設置面積は、支持部を含むシェル外径に、端から端までの全長を乗じた値で概算できます。

設置面積は、管長だけでは決まりません。まず熱交換バンドルの熱的サイジングを行い、バンドル形状をシェル径に換算し、機器全体の外形寸法を確定したうえで、運転、点検、伝熱管バンドルの引き抜き、配管、および保全のための追加スペースを確保します。

必要伝熱面積から始める

熱設計面積を確定する

必要伝熱面積 (A required) は、プロセスの熱負荷と選定した総括伝熱係数から求めます。

[ A_{\text{required}} = \frac{Q}{U F \Delta T_{\text{lm}}} ]

ここで、(Q) は熱負荷、(U) は総括伝熱係数、(F) は温度差計算法における補正係数、(\Delta T_{\text{lm}}) は対数平均温度差です。

レイアウト検討では、伝熱管本数を計算する前に、指定された設計マージンを含めます。余分な伝熱面積は機器のサイズ、重量、コストを増加させる可能性があるため、マージンは一律に仮定するのではなく、プロジェクトの設計基準に基づいて設定してください。

伝熱管本数を計算する

1本の伝熱管の有効外側伝熱面積は、おおよそ次の式で表されます。

[ A_{\text{tube}} = \pi d_o L_{\text{active}} ]

したがって、

[ N_t = \frac{A_{\text{required}}} {\pi d_o L_{\text{active}}} ]

ここで、(d_o) は伝熱管外径、(L_{\text{active}}) は有効管長です。

計算結果は、実現可能な伝熱管本数に切り上げる必要があります。選定本数は、管側流路数、管板レイアウト、許容圧力損失、流速、およびメーカーの標準バンドル形状によっても決まります。

伝熱管本数をシェル径に換算する

管配列を選定する

管配列は、シェル径と熱交換器の保全性の両方に影響します。

三角形配列は、一般にコンパクトなバンドルと高い伝熱面積密度を実現します。
正方形配列は、伝熱管間の機械的清掃に適した、より良好なアクセス性を提供します。
管ピッチは、機械的要件、製作要件、振動、および清掃要件に応じて、一般に (1.25d_o) 付近で選定されます。

初期検討で一般的に用いられる伝熱管外径には、およそ (3/4) インチおよび 1 インチがあります。清掃時のアクセス性が重要な汚れやすい流体、または高粘度流体では、より大きな管径を選定する場合があります。

バンドル径を見積もる

伝熱管バンドル径 (D_b) は、伝熱管本数、伝熱管外径、管ピッチ、配列パターン、および管側流路数から決定されます。初期サイジングでは、標準的なバンドル本数相関式またはメーカーの表を使用できます。

ある相関式では、伝熱管本数を次の関数として表します。

[ C = \frac{D_b}{d_o} - 36 ]

例えば、1パスの場合の推定式は次のとおりです。

[ N_t = 1298 + 74.86C + 1.283C^2

0.0078C^3 - 0.0006C^4 ]

2パス、4パス、および6パスの配置には、それぞれ異なる係数を使用します。これらの相関式は初期見積もりには適していますが、最終的なシェル径は詳細な機械設計またはメーカー図面に基づいて決定してください。

シェルおよび製作上のクリアランスを考慮する

シェル内径は、伝熱管バンドル径より大きくする必要があります。さらに、シェル外径は、シェル壁厚、保温材、クラッド、外部取付品、および製作公差のため、より大きくなります。

初期レイアウトでは、次のように表せます。

[ D_{\text{shell,OD}} \approx D_b + 2(\text{バンドルとシェルのクリアランス})

2(\text{シェル壁厚}) ]

この式はレイアウト用の概算にすぎません。実際のシェル径では、バッフル、タイロッド、管板構造、パス分割板、差動膨張、および適用される機械設計規則を考慮する必要があります。

機器全体の長さを決定する

有効管長を含める

有効管長は、伝熱に寄与する部分の長さです。初期検討では標準的な熱交換器用伝熱管長を使用できますが、パイロットプラントでは、利用可能な床面積、輸送、アクセス、およびモジュール構造に基づく制約が設定されることがあります。

シェル長は、必ずしも管長と同じではありません。管板、チャネルヘッド、カバー、伸縮継手、バッフル間隔、およびノズルの突出部によって、端から端までの寸法が増加する可能性があります。

ヘッドおよび端部クリアランスを加える

実用的な初期見積もり式は次のとおりです。

[ L_{\text{overall}} = L_{\text{active}}

L_{\text{front head}}
L_{\text{rear head}}
L_{\text{nozzle and cover projections}} ]

簡単な概算しかない場合は、ヘッド分の余裕を、有効管長に加える端部クリアランスとして表すことができます。実際のレイアウトでは、一般的な余裕寸法に頼るのではなく、初期機器図面に記載された熱交換器の全体寸法を使用してください。

配置方向も重要です。水平熱交換器は通常、長い長方形の平面設置面積を必要としますが、垂直熱交換器は床面積を小さくできる一方で、より大きな垂直方向のクリアランスと保全ゾーンが必要になる場合があります。

機器のみの設置面積を計算する

設置後の最大寸法を使用する

水平熱交換器の場合、基本的な機器外形寸法は次のように見積もることができます。

[ A_{\text{equipment}} = L_{\text{overall}} \times W_{\text{installed}} ]

ここで、(W_{\text{installed}}) は最大水平幅であり、裸のシェル径とは必ずしも一致しません。

初期近似は次のとおりです。

[ W_{\text{installed}} = D_{\text{shell,OD}}

2(\text{支持部またはサドルの突出寸法}) ]

シェル径、サドル幅、チャネルヘッド幅、フランジ突出寸法、またはその他の恒久的な外部構造のうち、最も大きい寸法を含めます。

レイアウトおよび保全ゾーンを追加する

床面に確保するスペースは、鋼製機器の外形寸法より大きくする必要があります。

[ A_{\text{allocated}} = (L_{\text{overall}} + 2C_L) (W_{\text{installed}} + 2C_W) ]

ここで、(C_L) および (C_W) は、アクセス、点検、バルブ、保温、配管、および保全のためのプロジェクト固有のクリアランスです。

これらのクリアランスは、普遍的な定数ではありません。プラントレイアウト基準、機器サプライヤー、保全方法、および必要な伝熱管バンドル引き抜き経路に基づいて定義してください。

実用的な初期計算

サイジングの前提例

初期設計によって、次の結果が得られたとします。

有効管長: (8) ft
伝熱管バンドル径: (18) in
シェル外径: (20) in
ヘッドおよび突出部を加えた熱交換器全長: (10) ft
シェル外側への支持部突出寸法: 合計 (4) in
レイアウトクリアランス: 各端部 (2) ft、各側面 (2) ft

設置幅は、およそ次のようになります。

[ W_{\text{installed}} = 20\text{ in} + 4\text{ in} = 24\text{ in} = 2\text{ ft} ]

したがって、機器のみの設置面積は次のとおりです。

[ A_{\text{equipment}} = 10\text{ ft} \times 2\text{ ft} = 20\text{ ft}^2 ]

初期の床面積割り当ては、次のようになります。

[ A_{\text{allocated}} = (10 + 2 + 2)(2 + 2 + 2) = 14 \times 6 = 84\text{ ft}^2 ]

(20\text{ ft}^2) の値は、機器そのものの物理的外形面積を表します。(84\text{ ft}^2) の値は、記載されたアクセスゾーンを備えた水平ユニットに対する、より現実的な計画上の余裕面積です。

設置面積を変化させる構造を考慮する

支持部および外部突出部を含める

サドル、脚、ベースフレーム、保温材、吊り金具、チャネルカバー、フランジ、およびノズルが、実際の平面寸法を決定する場合があります。レイアウトに使用する幅および長さは、恒久的な突出部のうち最大のものを基準にしてください。

伝熱管バンドルの引き抜きスペースを確保する

取り外し可能なバンドルでは、熱交換器の一端の外側に、直線的な引き抜き経路が必要になる場合があります。この経路は、熱交換器ヘッドのクリアランスよりはるかに長くなることがあり、他の機器や恒久配管によって妨げられないようにする必要があります。

この保全ゾーンは、熱交換器の鋼製外形面積には含まれませんが、パイロットプラントの機能的なスペース割り当ての一部です。

配管およびオペレーターのアクセスを考慮する

ノズルの向きと配管配置によっては、容器自体より大きな設置面積が必要になることがあります。遮断バルブ、計装機器、ドレン、ベント、保温、およびオペレーターのアクセス経路のためのスペースを確保してください。

トレードオフを理解する

短い熱交換器では、より大きな径が必要になる場合がある

熱負荷を一定に保ったまま管長を短くすると、必要な伝熱管本数が増加します。

[ N_t \propto \frac{1}{L_{\text{active}}} ]

その結果、バンドルおよびシェルの径が大きくなる可能性があります。流速と伝熱性能を維持するために、追加の管側流路やバッフルを使用する場合もありますが、これらの変更によって圧力損失、重量、およびコストが増加する可能性があります。

コンパクト化によって清掃性が低下する場合がある

三角形配列は、より小さなシェル径と高い面積密度を実現することが多くあります。しかし、シェル側の伝熱管表面に外部から機械的清掃を行う必要がある場合には、適していません。

正方形配列は熱交換器径を大きくする可能性がありますが、より実用的な保全アクセス性を提供します。

熱的サイズだけでは必要なスペースすべてを決定できない

シェル径が小さいからといって、設置規模が小さいとは限りません。ヘッド、ノズル、支持部、電気または計装へのアクセス、配管、保温、およびバンドルの引き抜きによって、必要面積の大部分が決まることがあります。

初期相関式には限界がある

伝熱管本数の相関式は初期見積もりに役立ちますが、メーカーの外形図や機械設計の代替にはなりません。最終レイアウトは、認証済み寸法、取り外し部品の移動経路、支持荷重、および適用される圧力容器・熱交換器規格に基づいて作成してください。

目的に応じた適切な選択

熱的サイジングによって熱交換器の外形寸法を確定し、その後、機械的要件および保全要件によって、実際にパイロットプラントに割り当てるスペースを決定します。

主な目的がプロセスレイアウトの初期検討である場合: 設置後の全長に最大設置幅を乗じ、その後、アクセスおよび配管のための保守的なクリアランスを加えます。
主な目的が機器調達である場合: 必要伝熱面積、管径、管長、配列、流路数、および許容圧力損失を指定し、メーカーの外形図および保全寸法を入手します。
主な目的がコンパクトなパイロットプラントである場合: 管長を短くするとシェル径、圧力損失、重量、およびコストが増加する可能性があるため、短い管長や追加の流路を慎重に検討します。
主な目的が保全性である場合: 伝熱管バンドルの完全な引き抜き経路を確保し、予定する清掃方法に適合した管配列を選定します。
主な目的が最終施設設計である場合: 裸のシェル寸法ではなく、熱交換器の最大恒久寸法、ノズル方向、支持構造、保温、配管、および保全外形寸法を使用します。

信頼性の高い設置面積の見積もりには、熱的サイジング、機械的な外形寸法、および熱交換器を安全に運転・保全するために必要なクリアランスを組み合わせる必要があります。

概要表:

計画ステップ	計算または含める項目	重要性
熱的サイジング	熱負荷、総括伝熱係数、LMTD、設計マージン、および必要伝熱面積	熱交換器のサイズを決定する
伝熱管バンドル	伝熱管本数、径、長さ、ピッチ、配列、および流路数	バンドル径とシェルサイズを決定する
機器外形寸法	シェル外径、ヘッド、支持部、ノズル、フランジ、保温、および突出部	設置後の長さと幅を定義する
機器設置面積	設置後の全長 x 最大設置幅	機器そのものの物理的面積を表す
割り当て床面積	機器外形寸法にアクセス、配管、運転、および点検のクリアランスを加えたもの	安全な運転とレイアウト計画を支える
保全ゾーン	伝熱管バンドルの引き抜き経路と障害物のないサービススペース	点検および保全アクセスを確保する

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