熱交換器の設計アイデアと関連知識

1. 熱交換器の設計において、ユーザーは以下の設計条件（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、シェルプログラムの動作圧力（機器がクラスに適合するかどうかを決定する条件の1つとして、提供されなければならない）

②チューブ、シェルプログラム動作温度（入口／出口）

③ 金属壁の温度（プロセスによって計算される（ユーザー提供））

④材料名と特性

⑤腐食マージン

⑥プログラムの数

⑦ 熱伝達領域

⑧ 熱交換器チューブの仕様、配置（三角形または正方形）

⑨ 折りたたみプレートまたはサポートプレートの数

⑩ 断熱材の種類と厚さ（銘板シートの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望がある場合は、ブランド、色などを指定してください。

Ⅱ．ユーザーに特別な要望はなく、デザイナー自身が選定した。

2. いくつかの重要な設計条件

① 動作圧力：機器が分類されるかどうかを決定する条件の1つとして、提供されなければならない。

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する必要があります。

媒体の毒性は、機器の非破壊検査、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するため、

a、GB150 10.8.2.1 (f) の図面は、極めて危険な、または非常に危険な毒性 100% RT の媒体を収容する容器を示しています。

b、10.4.1.3の図面は、毒性に関して極めて危険な媒体または非常に危険な媒体を収容する容器は、溶接後熱処理を行う必要があることを示している（オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手は熱処理を行わないことができる）。

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

③ パイプの仕様：

一般的に使用される炭素鋼 φ19×2、φ25×2.5、φ32×3、φ38×5

ステンレス鋼 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、角正方形。

★ 熱交換器チューブ間の機械的洗浄が必要な場合は、正方形の配置を使用する必要があります。

1. 設計圧力、設計温度、溶接継手係数

2. 直径：DN < 400 の円筒形の場合、鋼管を使用します。

DN ≥ 400の円筒形、圧延鋼板を使用。

16インチ鋼管------圧延鋼板の使用についてユーザーと協議する。

3. レイアウト図：

伝熱面積に応じて、伝熱管の仕様に基づいて配置図を作成し、伝熱管の本数を決定します。

ユーザーが配管図を提供する場合、配管が配管限界円内に収まっているかどうかも確認します。

★配管敷設の原理：

（１）配管限界円内にはパイプが満たされている必要がある。

② 多段式パイプの数は、ストローク数を均等にするように努めるべきである。

③ 熱交換器のチューブは左右対称に配置する必要があります。

4. 材料

管板自体に凸状の肩部があり、シリンダー（またはヘッド）に接続されている場合は、鍛造を使用する必要があります。このような構造の管板は、一般的に高圧、可燃性、爆発性、毒性などの極めて危険な状況で使用されるため、管板に対する要求が高く、管板も厚くなります。凸状の肩部からのスラグや剥離の発生を防ぎ、凸状の肩部の繊維応力状態を改善し、加工量を減らし、材料を節約するために、凸状の肩部と管板は一体鍛造によって直接鍛造され、管板が製造されます。

5. 熱交換器と管板の接続

管板接続部は、シェルアンドチューブ式熱交換器の設計において、構造上非常に重要な部分です。単に処理負荷を軽減するだけでなく、機器の運転中に各接続部が漏れなく、かつ媒体の圧力容量に耐えられることを保証しなければなりません。

管と管板の接続方法は主に以下の3つです。a) 拡管；b) 溶接；c) 拡管溶接

シェルアンドチューブ間の媒体漏れに対する拡張は、特に材料の溶接性が低い場合（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さない。

溶接時の管端部の膨張による塑性変形により残留応力が発生し、温度上昇に伴い残留応力が徐々に消失するため、管端部のシールおよび接着機能が低下します。したがって、膨張構造は圧力と温度によって制限され、一般的に設計圧力≤4Mpa、設計温度≤300度、運転中に激しい振動、過度の温度変化、および顕著な応力腐食がない状態に適用されます。

溶接接続は、製造が容易で、効率が高く、接続が確実であるという利点があります。溶接によって管と管板の強度を高めることができ、また、管穴加工の要件を軽減し、加工時間を短縮し、メンテナンスを容易にするなどの利点があるため、優先的に使用すべきです。

さらに、媒体の毒性が非常に高い場合、媒体と雰囲気が混ざると爆発しやすく、媒体が放射性である場合、またはパイプの内外の材料が混ざると悪影響が生じるため、接合部が確実に密閉されるように、溶接方法もよく使用されます。溶接方法には多くの利点がありますが、「隙間腐食」や溶接部の応力腐食を完全に回避することはできず、薄いパイプ壁と厚いパイプ板の間では信頼性の高い溶接を得ることが困難です。

溶接方法は膨張よりも高温で行うことができますが、高温の繰り返し応力下では、溶接部は疲労亀裂が発生しやすく、管と管穴の隙間が腐食性媒体にさらされると、接合部の損傷が加速されます。そのため、溶接と膨張継手を併用する方法があります。これにより、接合部の疲労耐性が向上するだけでなく、隙間腐食の発生傾向も低減されるため、溶接のみを使用した場合よりも耐用年数が大幅に長くなります。

溶接継手や伸縮継手の適用に適した状況や方法については、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ものの圧力が非常に高い場合や、媒体が非常に漏れやすい場合には、強度伸縮継手とシール溶接が使用されます（シール溶接とは、単に漏れを防ぎ溶接を行うことを指し、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膨張を使用します（強度溶接とは、溶接部が密着していても、接合部に大きな引張強度を持たせることであり、通常は溶接時に軸方向荷重がかかったパイプの強度と溶接部の強度が等しいことを指します）。膨張の役割は主に隙間腐食を防止し、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）で規定されているため、ここでは詳細には触れません。

配管穴の表面粗さに関する要件：

a、熱交換器のチューブとチューブプレートの溶接接続時、チューブ表面粗さRa値は35μM以下である。

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、チューブ穴表面粗さRa値は12.5μMを超えない拡張接続であり、チューブ穴表面は、縦方向またはらせん状の傷などの欠陥によって拡張の気密性に影響を与えてはならない。