シェルとチューブ熱交換器の熱移転面積を計算する方法

熱伝達面積が重要な理由

適切な伝熱面積の計算は、シェル＆チューブ熱交換器設計において最も重要なステップです。サイズが小さすぎる熱交換器は熱負荷を満たせず、サイズが大きすぎる熱交換器は資本を浪費し、チューブ側の流速が低下してファウリングを引き起こす可能性があります。このガイドでは、実例を交えて完全な計算方法を説明します。

1. 基本方程式

すべての熱交換器のサイジングはここから始まります。

Q = U × A × LMTD

• Q = 熱負荷または熱量 (W または BTU/hr)
• U = 全体熱伝達係数 (W/m²・K)
• 必要な面積は、チューブバンドルによって物理的に提供されます。 = 熱伝達面積 (m² または ft²)
• LMTD = 対数平均温度差 (°C または °F)

面積を求めるために再編成:

A = Q / (U × LMTD)

2. ステップ 1: 熱負荷 (Q) の決定

プロセス流体のエネルギーバランスから Q を計算します。

Q = m × c_{対数平均温度差は、熱交換器の長さに沿った温度変化を考慮します。向流構成の場合:} × ΔT

チューブあたりの面積 = π × 0.01905 × 3.0 = p は比熱 (J/kg・K)、ΔT は流体温度変化です。例:_{対数平均温度差は、熱交換器の長さに沿った温度変化を考慮します。向流構成の場合:}p出口 (ΔT₂)Q = 10 × 4,180 × (80 - 40) =

1,672 kW3. ステップ 2: LMTD の計算_{対数平均温度差は、熱交換器の長さに沿った温度変化を考慮します。向流構成の場合:}LMTD = (ΔT₁ - ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)

ここで、ΔT₁ および ΔT₂ は各熱交換器端での温度差です。端

高温側

低温側

ΔT

入口 (ΔT₁)

サービス流体ペア

U (W/m²・K)

水 / 水

プロセス水 / 冷却水

ファウリングと運転の変動に対応するために 10～15% の設計マージンを追加します。

A

design

= 19.4 × 1.15 = 22.3 m²

6. ステップ 5: チューブ形状への変換

必要な面積は、チューブバンドルによって物理的に提供されます。_{A = n × π × d}o × L

ここで、n はチューブの数、d

o

はチューブの外径、L は有効チューブ長です。外径 19.05 mm、有効長 3,000 mm のチューブを使用:

チューブあたりの面積 = π × 0.01905 × 3.0 = 0.1795 m²必要なチューブ数 = 22.3 / 0.1795 = 125 本要因影響ガイドライン

ファウリング

時間の経過とともに U を低下させる

TEMA ファウリング抵抗を含め、10～25% の安全マージンを追加流れの配置
向流は LMTD を最大化する可能な場合は向流を使用し、多段の場合は F 係数を適用

チューブレイアウト

n = A / (π × d

1. o × L)
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