熱交換器の設計アイデアと関連知識

1. 熱交換器の設計では、ユーザーは次の設計条件（プロセスパラメータ）を提供する必要があります。

① チューブ、シェルプログラム作動圧力（クラス上の機器かどうかを判断する条件の1つとして、提供する必要があります）

② チューブ、シェルプログラム動作温度（入口/出口）

③ 金属壁温度（プロセスによって計算される（ユーザーが提供））

④材料名と特徴

⑤腐食余裕度

⑥プログラム数

⑦ 伝熱エリア

8 熱交換器のチューブの仕様、配置（三角形または四角形）

⑨ 折り板または支持板の数

⑩断熱材と厚さ（銘板シート突出高さを決定するため）

（11）ペイント。

Ⅰ. ユーザーに特別な要件がある場合、ユーザーはブランド、色を提供する

Ⅱ. ユーザーに特別な要件はなく、デザイナー自身が選択した

2. いくつかの重要な設計条件

① 作動圧力：機器が分類されるかどうかを判断する条件の一つとして、提供されなければなりません。

② 材料特性：ユーザーが材料名を提供しない場合は、材料の毒性の程度を提供しなければなりません。

媒体の毒性は、機器の非破壊監視、熱処理、上位クラスの機器の鍛造レベルに関係するだけでなく、機器の区分にも関係します。

a、GB150 10.8.2.1（f）の図面は、容器が毒性100％RTの極めて危険なまたは高度に危険な媒体を保持することを示しています。

b、10.4.1.3図面は、毒性が極めて危険または高度に危険な媒体を収容する容器は、溶接後に熱処理する必要があることを示しています（オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手は熱処理する必要はありません）。

c. 鍛造品 極めて危険な鍛造品または高度に危険な鍛造品に中程度の毒性のものを使用する場合は、クラスIIIまたはIVの要件を満たす必要があります。

③ 配管仕様：

一般的に使用される炭素鋼φ19×2、φ25×2.5、φ32×3、φ38×5

ステンレス φ19×2、φ25×2、φ32×2.5、φ38×2.5

熱交換器チューブの配置: 三角形、角三角形、正方形、角四角形。

★ 熱交換器チューブ間の機械洗浄が必要な場合は、正方形配置にしてください。

1. 設計圧力、設計温度、溶接継手係数

2.直径：DN<400シリンダー、鋼管を使用します。

DN ≥ 400 シリンダー、圧延鋼板を使用。

16インチ鋼管-------ユーザーと相談して鋼板を圧延して使用します。

3. レイアウト図：

伝熱面積に応じて伝熱管の仕様、レイアウト図を描き、伝熱管の本数を決定します。

ユーザーは配管図を提供するだけでなく、配管が配管制限円内に収まっているかどうかも確認する必要があります。

★配管の原理：

（１）配管制限円内には配管がいっぱいになるようにする。

②多行程管の数は、行程数の均一化を図ることとする。

③ 熱交換器のチューブは対称に配置する必要があります。

4. 材質

チューブプレート自体が凸肩部を有し、シリンダー（またはヘッド）と接続される場合は、鍛造加工が適しています。このような構造のチューブプレートは、一般的に高圧、可燃性、爆発性、毒性など、極めて危険な用途に使用されるため、チューブプレートに対する要求が高く、チューブプレートの厚さも厚くなります。凸肩部によるスラグや層間剥離の発生を防ぎ、凸肩部の繊維応力状態を改善し、加工量を削減して材料を節約するため、凸肩部とチューブプレートを一体化した鍛造加工でチューブプレートを直接製造します。

5. 熱交換器とチューブプレートの接続

シェル＆チューブ式熱交換器の設計において、チューブとプレートの接続部は構造上、より重要な部分です。処理負荷だけでなく、機器の運転中における各接続において、媒体の漏れがなく、媒体圧力に耐えられることを保証する必要があります。

チューブとチューブプレートの接続は、主に次の3つの方法があります：a拡張、b溶接、c拡張溶接

シェルとチューブ間の媒体漏れの拡大は、特に材料の溶接性が悪い場合（炭素鋼熱交換器チューブなど）や製造工場の作業負荷が大きすぎる場合には、状況に悪影響を及ぼしません。

溶接時の管端の膨張により塑性変形が生じ、残留応力が生じますが、温度上昇とともに残留応力が徐々に消失し、管端のシールと接着の役割が軽減されるため、構造の膨張は圧力と温度の制限によって決まります。一般に、設計圧力は ≤ 4Mpa、設計温度は ≤ 300 度に適用され、動作中に激しい振動や過度の温度変化、顕著な応力腐食は発生しません。

溶接接続は、製造が簡単で、効率が高く、接続が信頼できるという利点があります。溶接により、管と管板の接合強度が向上し、パイプ穴加工の手間が省け、加工時間の短縮、メンテナンスの容易さなどの利点があるため、優先的に採用すべきです。

また、媒体の毒性が非常に高い場合、媒体と大気が混合すると爆発しやすく、媒体が放射性であったり、配管内外の材料が混ざり合って悪影響を及ぼす可能性があるため、接合部の密閉性を確保するために、溶接法が用いられることも少なくありません。溶接法には多くの利点がありますが、「隙間腐食」や溶接接合部の応力腐食を完全に回避できないため、薄肉管と厚肉管の間で信頼性の高い溶接を得ることが困難です。

溶接法は伸縮継手よりも高温で使用できますが、高温の繰り返し応力を受けると、溶接部は疲労亀裂が発生しやすくなり、管と管の隙間が腐食性媒体にさらされると、継手の損傷が加速されます。そのため、溶接継手と伸縮継手を同時に使用することがあります。これにより、継手の耐疲労性が向上するだけでなく、隙間腐食の発生も抑制され、溶接のみを使用する場合よりも耐用年数が大幅に長くなります。

どのような場合に溶接や伸縮継手の施工が適切か、またその方法については統一された基準はありません。通常、温度はそれほど高くないが圧力が非常に高い場合、または媒体が漏れやすい場合は、強度の高い伸縮継手とシーリング溶接を使用します（シーリング溶接とは、単に漏れを防止するための溶接の施工方法を指し、強度を保証するものではありません）。

圧力と温度が非常に高い場合、強度溶接とペースト拡張が使用されます（強度溶接は、溶接部が密接している場合でも、接合部が大きな引張強度を持つことを保証するもので、通常は溶接部の強度が、溶接時に軸方向荷重を受けるパイプの強度と等しいことを指します）。拡張の役割は主に、隙間腐食を排除し、溶接部の疲労耐性を向上させることです。具体的な構造寸法は規格（GB/T151）で規定されていますが、ここでは詳細には触れません。

パイプ穴の表面粗さの要件:

a、熱交換器チューブとチューブプレートを溶接接続する場合、チューブ表面粗さRa値は35uM以下です。

b、単一の熱交換器チューブとチューブプレートの拡張接続では、拡張接続部のチューブ穴表面粗さRa値が12.5uM以下であり、チューブ穴表面に縦方向または螺旋状の傷などの欠陥があっても、拡張の密閉性に影響を与えてはなりません。