熱交換器の種類:空冷式、プレート式、シェルアンドチューブ式

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熱交換器は、2つの流体を混ぜずに、一方から他方へ熱を移す機械です。この一文は、トラックのラジエーターも、冷蔵庫の凝縮器も、発電所の蒸気発生器も含んでおり、技術の要点は2つの流体をどのように接触させるかにあります。発電や産業では、3つの系統が主に使われています。第2の流体が大気である空冷式熱交換器、2つの液体が薄いプレス加工プレートを挟んで接するプレート式熱交換器、そして一方の流体がチューブ束の内側を、もう一方が外側を流れるシェルアンドチューブ式熱交換器です。

本ガイドでは、それぞれの種類、得意な用途、そしてエンジン冷却システムが3種類をどのように使うかを説明します。

空冷式熱交換器:フィンチューブコイルとファン

熱が最終的に大気へ逃げなければならない場合、空気が第2の流体となりますが、空気は熱伝導が悪く、熱容量も小さい流体です。空冷式熱交換器は表面積でこれを補います。フィンチューブコイルが薄いアルミフィンの大きな面積を空気流の中に置き、ファンがそこへ空気を通します。ラジエーター、ドライクーラー、空冷凝縮器、ガスタービン吸気コイルは、いずれもこの系統に属します。

長所は独立性(水も、第2の回路も、ポンプも不要)と堅牢性です。限界は、決してそれ以下に冷やせない外気温、コイル前面に必要なスペース、そしてファンの騒音で、騒音はファンの選定と回転数で設計的に制御します。これはあらゆるエンジン冷却システムの最終段であり、TECSの製品ラインです。

プレート式熱交換器:省スペースの液体対液体

プレート式熱交換器は、波形のステンレス鋼プレートを積み重ねたもので、ガスケット式またはろう付け式があり、2つの液体が交互の流路を流れます。波形が流れを乱流にし、プレートも薄いため、熱伝達率が高く、ユニットはコンパクトです。同じ負荷であれば、プレート式はシェルアンドチューブ式よりはるかに小さくなります。ガスケット式は開放して増設でき、ろう付け式は密閉型で、より安価です。

中程度の圧力と温度で、2つの液体が熱交換を行うあらゆる場面で使われます。たとえば、原水回路とエンジン冷却液の分離、コージェネレーションエンジンから暖房ネットワークへの熱回収、冷却液による潤滑油の冷却です。弱点は、狭い流路での汚れ、ガスケットによる温度や薬品の制約、そして狭い流路による圧力損失です。

シェルアンドチューブ式:重負荷向けの標準

円筒形のシェルの中にチューブ束があり、一方の流体がチューブの中を、もう一方がバッフルに導かれてその周りを流れます。最も古い設計であり、圧力が高い、温度が極端、流体が汚れている、または片側がガスや凝縮する蒸気である場合の標準であり続けています。オイルクーラー、燃料クーラー、水冷式のチャージエアクーラー、蒸気凝縮器、製油所の熱交換器は、シェルアンドチューブ式です。

同じ負荷でプレート式より大きく重くなりますが、汚れに強く、機械的に清掃でき、どの圧力でも圧力容器規格に従って製作でき、チューブ束を交換できます。TECSは、冷却パッケージが必要とする場合に、シェルアンドチューブ式のオイルクーラーと燃料クーラーをラジエーターと併せて供給しています。

エンジン冷却システムは3種類をどう使うか

大型エンジンは、シリンダー、給気、潤滑油、そして場合によっては燃料から熱を放出します。エンジンパッケージの内部では、オイルと給気は通常、シェルアンドチューブ式またはプレート式の熱交換器で冷却液により冷却されます。冷却液はすべての熱を最終の空冷段、すなわちリモートラジエーターまたはドライクーラーへ運び、そこで熱が大気へ渡されます。コージェネレーションプラントでは、エンジン冷却液と暖房ネットワークの間にプレート式熱交換器が入り、ネットワークが熱を受け入れられないときは非常用クーラーが引き継ぎます。

TECSは空冷段を設計し、それに付随するプレート式およびシェルアンドチューブ式のユニットを選定して、回路全体がエンジンメーカーの流量、温度、圧力損失を満たすようにします。エンジンのデータシートまたはプロセスの数値をお送りいただければ、提案書にパッケージ内のすべての熱交換器を記載します。

要点

空冷式:フィンチューブとファンによる液体から空気への熱交換。ラジエーター、ドライクーラー、吸気コイル
プレート式:プレス加工プレートを挟んだ液体間の熱交換。コンパクトで効率的、中程度の圧力向け
シェルアンドチューブ式:シェルの中のチューブ。高圧、汚れた流体、ガスや蒸気向け
エンジンパッケージは3種類すべてを使い、最後は空冷段で終わります
TECSは空冷段を製造し、あわせてオイル用、燃料用、プレート式の熱交換器を供給します
パッケージ内のすべての熱交換器は、エンジンメーカーの制約に合わせて選定されます

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冷却パッケージの設計をご依頼いただくには

エンジンのメーカーと型式および冷却データシート、またはプロセスの熱負荷
冷却対象の熱源:ジャケット水、給気、オイル、燃料
各側の流体とその温度
現場の外気条件、標高、設置条件
許容圧力損失と利用可能なポンプ
空冷段のスペースと騒音規制値

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よくあるご質問

最も効率の良い熱交換器はどれですか?

液体対液体では、プレート式熱交換器が単位体積あたり最も多くの熱を伝えます。熱が最終的に大気へ出なければならない場合は、空冷式ユニットしかなく、その効率は表面積とファン動力の問題です。適切な種類は流体によって決まるもので、順位で決まるものではありません。

これらの用語では、ラジエーターとは何ですか?

エンジンの冷却液用の空冷式熱交換器で、ファン付きのフィンチューブコイルです。スキッド上に搭載するエンジン搭載型と、エンジンから離して設置する電動ファン付きのリモート型があります。

プレート式熱交換器は空気で冷却できますか?

できません。プレート式は2つの液体のためのものです。空気には、フィンチューブコイルの大きな表面積が必要です。エンジンシステムでは、プレート式が一方の液体で他方の液体を冷却し、空冷ユニットがその液体を大気で冷却します。

なぜオイルクーラーはシェルアンドチューブ式が多いのですか?

オイルは粘度が高く、異物を含むことがあります。チューブ側はどちらにも耐え、清掃もできます。圧力もプレートのガスケットが好む値より高く、シェルアンドチューブ式は特別な対策なしに圧力規格どおりに製作できます。

TECSは3種類すべてを製造していますか?

TECSは空冷式熱交換器(リモートラジエーター、V型ユニット、吸気コイル、ヒーティングモジュール)を設計・製造し、同じ冷却パッケージに属するプレート式およびシェルアンドチューブ式のオイル、燃料、熱回収用熱交換器を供給しています。