革新的な熱交換器技術が実証済みの設計を強化

年老いた犬に新しい芸を教えることはできないと言われますが、犬をアップグレードできる場合もあります。 ツイストチューブ、エキスパンドメタルバッフル、グラフェンコーティングされた表面などのイノベーションにより、熱交換器と凝縮器の性能が向上しているため、いくつかのアップグレードを検討する価値があります。

シェルアンドチューブ熱交換器は、この記事を読んでいる誰よりも古くから存在しています。 熱交換器には多くの利点があります。 凝縮、沸騰、または単相用途に使用できます。 幅広い圧力と温度で使用できます。 腐食やその他の設計要件を満たすために、さまざまな材料で構築できます。 メンテナンスは非常にシンプルで簡単です。 さまざまな身体的向きに対応できます。

ただし、設計にはいくつかの制限があります。 従来のシェルアンドチューブ熱交換器は、シェル側にバッフルを備えており、サポートを提供し、チューブを横切る回り道を通る流れを導きます。 欠点は、バッフル付近に低流量領域またはデッドゾーンが生じ、そこで汚れが発生したり、腐食が放置されたり、熱伝達が低下したりする可能性があることです。 バッフルによって引き起こされる方向の変化もエネルギーを消費し、シェル側の圧力が大幅に低下する可能性があります。 また、古典的な設計では、流れによって引き起こされるチューブの振動が発生しやすく、最終的には故障につながる可能性があります。

これらの問題を念頭に置くと、エンジニアがシェルアンドチューブ設計を強化するための研究を継続し、その結果、熱交換器の性能を向上させ、汚れの問題に対処し、スペースを節約し、コストを削減し、効率を向上させる新しい技術が誕生したことは驚くべきことではありません。 この取り組みを主導しているグループの 1 つが Heat Transfer Research Inc. (HTRI) です。

テキサス州ナバソタに拠点を置く HTRI は、さまざまなタイプの熱交換器と伝熱面をテストする研究およびソフトウェア開発会社です。 そのスタッフは、機器に関するアプリケーション指向の研究を実施し、これらの独自のデータを使用して、熱交換器と加熱ヒーターの熱設計と解析のための方法とソフトウェアを開発します。 その研究には、物理​​的テスト、数値流体力学、流れの可視化が含まれます。

HTRIの技術プログラム担当シニアバイスプレジデントであるジョー・シュローダー氏は、「HTRIは、プレートアンドシェルやヘリカルバッフル熱交換器など、新たに商品化されたタイプの熱交換器を研究しており、今後も研究し続けている」と述べた。

Schroeder 氏が言及したヘリカル バッフル熱交換器では、象限形状のプレート バッフルが管軸に対してある角度で連続配置され、ヘリカル フロー パターンを作り出します。 らせん状の流れの設計により、熱効率が向上し、熱伝達が強化され、圧力損失が減少し、汚れが軽減され、振動の懸念が大幅に軽減されます。 ヘリカル スタイルのメーカーの 1 つである CB&I は、この設計は世界中で 1,800 台以上の HELIXCHANGER 熱交換器が稼働していることで十分に証明されていると述べています。

シュローダー氏は、ヘリカルバッフル設計に加えて、エキスパンドメタルバッフルも業界に革命をもたらしていると指摘しました。 イタリアに拠点を置く Brembana & Rolle のグループ会社 EMbaffle BV が特許を取得したこの設計は、スリットを入れて拡張した板材で作られたエキスパンド メタル バッフル グリッドを特徴としています (図 1)。 エキスパンドメタルバッフルはオープンフロー構造を形成し、シェル側で縦方向の流れを可能にし、熱交換器内の圧力損失を低減します。

1. アイデアを拡張する。 エキスパンドメタルは多くの発電所用途で使用されていますが、熱交換器のダイヤモンド型の空隙にチューブを通すのはごく最近の開発です。 提供: EMbaffle BV

シェル側の流体はチューブに沿って流れ、バッフルの各交差部分で流れの面積が狭まり、局所的な乱流が発生し、チューブの周囲の境界層が破壊されながら速度が増加します。 グリッド形状は、縦方向のバルクフローパターンに加えて局所的なクロスフロー成分を誘発し、熱交換器の熱伝達特性を向上させます。

束の長さに沿って各エキスパンドメタルバッフルで境界層が繰り返し破壊されるため、圧力損失は効果的に熱伝達の改善に変換されます (図 2)。 同社によれば、EMバッフル設計におけるシェル側の圧力低下に対する伝達熱の比率は、従来のバッフル配置を利用した熱交換器で経験される比率よりも大幅に高いという。

2. オープンなサポート体制。 エキスパンドメタルのバッフルグリッドは、チューブに沿って形成される流体境界層を繰り返し破壊します。 提供: EMbaffle BV

縦方向の流れは、従来の熱交換器では問題となる可能性がある流れ誘発振動を本質的に受けにくいわけではありません。 エキスパンドメタル設計では、チューブは適切な数のエキスパンドメタルグリッドで完全に支持され、隣接するグリッド間のスペースはわずか 100 ミリメートル (4 インチ未満) まで管理され、チューブのあらゆる振動モードを排除します。 さらに、セグメントバッフル熱交換器に見られるデッドゾーンはエキスパンドメタル設計 (図 3) には存在しないため、汚れの懸念が軽減され、洗浄間の機器の稼働時間を長くすることができます。

3. 特典のセット。 熱伝達の向上、汚れ率の低減、流れによる振動のなさ、シェル側の圧力損失の低減などが、エキスパンド メタル バッフル設計を検討する価値がある理由の一部です。 提供: EMbaffle BV

同社は、同社の技術を電力業界に応用して成功した事例として、スペインで設備を提供した集中太陽光発電プロジェクトを挙げている。 このプラントの熱エネルギー貯蔵システム用の石油/溶融塩熱交換器には、EMバッフル設計が採用されています。 従来の 6 台の熱交換器ではなく 3 台のエキスパンド メタル バッフル熱交換器が設置され、プロジェクトに必要な配管、バルブ、断熱材、ヒート トレースが削減されました。 このソリューションにより、支持構造や基礎にかかる負荷も軽減され、システムに必要な熱伝達流体と溶融塩の量も削減されました。

シェルアンドチューブ熱交換器の興味深い「ひねり」は、ツイストチューブ設計です。 ヒューストンに本拠を置く Koch Heat Transfer Co. は、同社のツイストチューブバンドル技術はエキスパンドメタル設計と同じ利点を多く提供すると述べています。

名前が示すように、ツイストチューブがこのデザインの斬新な特徴です。 チューブは独自のプロセスで形成され、らせんが重なり合った楕円形の断面が得られ、らせん状のチューブ側流路が形成されます。 この成形プロセスにより、均一なチューブ壁の厚さが維持され、材料の機械的完全性が維持されると言われています。 ただし、チューブの端は丸いので、従来のチューブとチューブシートの接合が可能です。

コッホの設計ではバッフルがまったく必要ありません。 らせん状のチューブは、一度に 1 列ずつ、三角形のピッチで束に組み立てられます。各チューブは、束の長さに沿ったすべての面でねじれを揃えるために回転されます (図 4)。 このようにして、各チューブは隣接するチューブによってしっかりと繰り返し支持され、チューブの振動を排除するのに役立ちます。 完成したバンドルは、チューブが動かないように周囲をしっかりとストラップで固定され、強くて丈夫なモジュールが完成します。 チューブ間にギャップを揃えたツイスト構造により、シェル側にきれいな洗浄レーンが形成され、高圧水による洗浄が効果的な洗浄方法となります。

4. 新しいひねり。 新しいツイストチューブ設計の利点は、バッフルが不要なためチューブの振動がなくなり、高圧洗浄が容易になることです。 提供: Koch Heat Transfer Co.

同社によれば、このツイストチューブ設計は、次の 3 つの理由により、他のタイプの管状熱交換器よりも高い熱伝達率を実現します。シェル側の複雑な渦流が乱流を誘発します。 ねじれたチューブにより、チューブ側に強力な乱流が発生します。 また、均一な流量分布によりバンドルの有効長が延長され、従来のシェルアンドチューブ熱交換器よりも大きな表面積が得られます。 いくつかの推定によると、ツイストチューブ設計の熱伝達係数は、同様の圧力低下を伴う従来のシェルアンドチューブ熱交換器よりも 40% 高くなります。

ツイストチューブ設計は、電力業界でタービン蒸気凝縮、ボイラー給水加熱、潤滑油冷却などの用途に使用されています。

電力業界にとって状況を一変させる可能性のある熱伝達の改善の 1 つは、凝縮器の物理的設計とはほとんど関係がなく、むしろ熱交換器内で蒸気が凝縮する方法に関係しています。 水蒸気は一般に 2 つの方法で凝縮します。濡れた表面に膜を形成することも、濡れていない表面に水滴を形成することもできます。 水膜が形成され、凝縮器管の表面を覆うと、熱伝達が妨げられ、効率が低下します。 したがって、膜の形成ではなく液滴の形成を促進することが、凝縮器の効率を向上させる 1 つの方法です。

最近、マサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究チームは、化学的安定性と低い熱抵抗を実現しながら、滴下凝縮を促進する極薄拡張性化学蒸着グラフェン コーティングの有効性をテストすることに成功しました。 このアイデアはまったく新しいものではありません。 これまで液滴形成を促進するためにポリマーコーティングが使用されてきましたが、これらのコーティングは急速に劣化する傾向がありました。 劣化を補うために厚くすると、熱伝達の向上は打ち消されてしまいます。

グラフェンは人類が知る限り最も薄い材料であり、厚さは原子 1 個分しかありませんが、信じられないほどの強度もあります (鋼鉄の約 200 倍の強度)。 非常に柔軟性があり、熱と電気の優れた伝導体でもありますが、安価ではありません。 グラフェンの価格は 1 平方インチあたり約 60 ドルで、現時点では凝縮器チューブのコーティング費用を正当化するには高すぎます。

しかし、MIT チームは、グラフェン コーティングが膜状凝縮と比較して熱伝達を 4 倍高めることができることを実証し (図 5)、いくつかの推定では発電所全体の効率が 2% ～ 3% 向上する可能性があります。 その分だけ効率が改善されれば、平均的な石炭火力発電所では年間 100 万ドル以上の燃料節約につながります。 また、工場の排出量を削減し、クリーンパワープランの要件を満たすのにも役立ちます。

5. 効率的な凝縮。 コーティングされていない銅コンデンサー チューブ (左上) が、グラフェンでコーティングされた同様のチューブ (右上) の隣に示されています。 100℃の水蒸気にさらされると、コーティングされていないチューブは非効率的な水膜を生成しますが（左下）、コーティングされたチューブはより望ましい滴状の凝縮を示します（右下）。 提供: MIT

したがって、グラフェンの価格が下落すると（生産能力の増加と生産コストの低下により、今後数年以内に起こる可能性があります）、グラフェンでコーティングされたコンデンサーチューブには、アップグレードを求める市場が現れる可能性があります。 そして研究者たちはまだ終わっていません。 彼らは、動作条件を最適化することで、グラフェンでコーティングされたチューブを通して記録された熱伝達が、コーティングされていないチューブよりも5〜7倍良くなる可能性があると期待し続けています。

発電所では水が常に懸念されるため、一部の施設では空冷熱交換器ソリューションに注目しています (補足記事を参照)。 HTRI には独自の空冷熱交換器研究プログラムがあり、低圧凝縮ユニット (LPCU) を使用して、一部の空冷凝縮器で使用されている楕円管のテストを実施しました。

変わりゆく風景: 空冷コンデンサー

空冷コンデンサー (ACC) は、発電業界ではかなり一般的になりました。 中国だけでも 130 GW 以上の空冷石炭火力発電設備が稼働しており、同国の設備容量は 2020 年までに 2 倍になるとの試算もあります。

過去には、SPX Cooling Technologies と GEA Heat Exchangers の 2 社が ACC 市場を独占してきました。 最近、両者とも大きな変革を経験した。 11 月 30 日、ACC 製品ラインを含む GEA の旧パワー冷却ソリューション部門は、所有権変更に伴うブランド変更の一環として、ENEXIO に社名変更しました。 ちょうど 2 週間後、SPX は乾式冷却事業をインドのコルカタに拠点を置く Paharpur Cooling Towers Ltd. に売却することに合意したと発表しました。

予想通り、2016 年半ばまでにこの取引が成立した場合、パハールプールが買収する製品の 1 つは SPX の ModuleAir ACC になります (図 6)。 この設計は、以前の ACC モデルに比べて大幅に改善されたと考えられています。 モジュラー スタイルの建設コストは、標準の A フレーム スタイルに比べて最大 25% 削減されると言われています。 その理由は、熱交換器バンドル、ダクト、および構造コンポーネントがすべて工場で組み立てられているため、現場での溶接の必要性が少なく、より迅速な設置が可能になるためです。

6. 時は金なり。 ModuleAir の工場で組み立てられたコンポーネントにより、現場での溶接要件が軽減され、北アイルランドにあるリサハリ バイオマス火力発電所の建設プロセスが迅速化されました。 提供: SPX 冷却テクノロジー

ModuleAir ACC は標準 ACC と同じ動作原理で動作しますが、統合された蒸気ヘッダーと凝縮水マニホールドにより現場での管板溶接が不要になります。 その A フレーム バンドルも従来のバンドルよりもはるかに短く、長さは 11 メートルではなく、わずか 2 メートルです。 その結果、高さが低くなり設置面積が小さくなるだけでなく、熱伝達も改善されます。 熱交換器内の蒸気速度と蒸気側圧力が低下し、プラントの年間平均生産量が向上します。

「空冷熱交換器の性能、特にファンの停止動作、空気の再循環、風の影響に関しては、学ぶべきことがまだたくさんあります」とシュローダー氏は述べた。

LPCU に加えて、HTRI には、高温ファウリング装置、液液熱交換器試験装置、多目的沸騰装置、多目的凝縮装置、および多目的可視化装置 (MVU) を含む 9 つの運転研究装置があります。 MVU を使用すると、プロセス熱交換器装置内の空気/水の二相流の定性的および定量的な流れの視覚化が可能になります。 ユニットのテストセクションは透明なシェルアンドチューブ交換器であり、さまざまなバンドルレイアウト、バッフルタイプ、カット、間隔を使用して簡単に再構成できます。

長年の研究開発を通じて洗練されたもう 1 つの設計は、シェルアンドプレート熱交換器です。 テキサス州プラノに拠点を置く Tranter Inc. は、同社の溶接プレート式熱交換器 (PHE) を使用すると、シェルアンドチューブ式熱交換器よりも狭いスペースと低コストで、高いプロセス条件下で高い熱伝達率を実現できると主張しています。

PHE の主な特徴は伝熱要素、つまりプレート コアです。これは、ポートホール周囲の溶接によってカセットに溶接された円形または楕円形のシェブロン型プレートで構成されています。 次に、カセットを一緒に配置し、周囲を互いに溶接して、熱膨張に対する耐性が高いアコーディオン状のコアを作成します (図 7)。

7. 熱伝達の向上。 プレートの波形パターンは、低速でも溶接プレート熱交換器 (PHE) 内の乱流を促進します。 提供：トランター株式会社

プレートパックは円筒形のシェルに挿入されます。 シェルとプレートパックの間に配置された分流器は、シェル側のチャネルを通る流れを方向付けるのに役立ちます。 エンドプレート、ノズル、上部カバーと底部カバーがシェルに溶接されて、完全性の高い圧力容器が形成されます。 トランター氏は、交換するガスケットがなく、応力を分散する最適な形状を備えているため、この設計では故障率が極めて低いと述べています。 流動条件下で振動するチューブがないため、溶接部、バッフル、サポートに生じる応力が少なくなります。

PHE 設計と従来のシェルアンドチューブ熱交換器の最も驚くべき違いの 1 つは、同等の負荷に必要なコンポーネントのサイズです。 ある水-水熱伝達アプリケーションでは、重量が 1 トン未満で床面積がわずか 8 フィート 2 の PHE を置き換えるには、重さ 7 トン、設置面積 100 フィート 2 のシェルアンドチューブ熱交換器が必要でした (図8)。 その結果、材料と支持構造のコストが削減されます。

8. コンパクトで効率的。 従来のシェルアンドチューブ熱交換器と比較して、PHE の占有床面積は 10 分の 1 以下です。 提供：トランター株式会社

標準の PHE は、最大 1,450 psig の圧力および –50F ～ 1,650F の温度に対応するように設計されています (拡張範囲ユニットも利用可能です)。 この設計は、熱交換器のプレート側またはシェル側のいずれかでの相変化に対応できます。 電力業界の一般的なアプリケーションには、閉ループ冷却交換器、潤滑油クーラー、グランド蒸気凝縮器、低圧給水加熱器、ブローダウン熱回収交換器、凝縮器、蒸発器などがあります。 ■

—アーロン・ラーソンはPOWERの準編集者です。

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