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熱交換器の設計手順【ユーザーが決めること、メーカーが決めること】

熱交換器の設計手順【ユーザーが決めること、メーカーが決めること】

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困っている人
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メーカーに何を伝えればいいの?

どこまで自分で計算すべき?

そんな悩みを解決します。

この記事の内容

・ユーザーが決めること、メーカーが決めることの線引き

・プロセスデータシートに書くべき項目

・引き合いから発注までの流れと、提案評価のチェックリスト

私の仕事は化学プラントの設計です。
ユーザー側の責任範囲を明確にすることが、良い機器を手に入れる近道です。

熱交換器の設計は、ユーザー(化学メーカー)とメーカー(機器メーカー)の分業で進みます。この線引きを誤ると、必要な情報が伝わらず、現場で使えない機器が納入されることになります。

「詳しいことはメーカーに任せる」は正しい姿勢です。しかし任せてよいことユーザーしか知らないことがあります。

この記事の結論

・ユーザーは「何を実現したいか」と「現場の制約」を決めます。

・メーカーは「どう作るか」を決め、性能を保証します。

汚れ方・保全計画・据付スペース・用役の余力は、ユーザーしか知りません。ここを伝えないと失敗します。

・ユーザー側の計算は「規模の当たりをつけ、提案の妥当性を判断する」ためのものです。機器を確定させるためではありません。

役割分担の線引き

項目決めるのは理由
熱負荷 Q、入口温度、目標出口温度ユーザープロセス要求そのもの
流量、物性ユーザープロセス条件
設計圧力・設計温度ユーザープロセス安全の判断
許容圧力損失ユーザー系統の圧力収支から決まる
汚れ係数ユーザー主導運転実績を持つのはユーザー
材質ユーザー(またはメーカー提案)腐食環境を知るのはユーザー
据付スペース・引抜きスペースユーザー現場を知るのはユーザー
形式(多管式/プレート式など)協議ユーザーが希望、メーカーが検証
TEMA型式協議判断材料を渡してメーカーに選ばせてもよい
チューブ径・本数・パス数メーカー伝熱と圧損の最適化
バッフル間隔・切欠き率メーカー同上
管板厚さ、フランジ設計メーカー強度計算・法規対応
振動照査メーカー構造設計に属する
伝熱性能の保証メーカー責任範囲

ユーザーしか知らない情報が4つあります。汚れ方、保全計画、据付スペース、用役の余力。これらは図面にも仕様書のひな形にも書かれていないことが多く、意識して伝える必要があります。

プロセスデータシートに書くこと

必須項目

流体:名称、組成(多成分なら各成分)、相(液/気/気液混合)

流量:定格、最大、最小(減量運転の下限)

温度:入口、目標出口

圧力:運転圧力、設計圧力

物性:密度、比熱、熱伝導率、粘度(入口温度と出口温度の両方で)

相変化がある場合:潜熱、沸点範囲、凝縮曲線(温度-エンタルピー関係)

許容圧力損失:両側

汚れ係数:両側(根拠も添えると良い)

見落とされやすいが重要な項目

項目なぜ重要か
不凝縮ガスの種類と量微量でも凝縮性能を半減させる。「微量」では不十分で、数値が要る
固形分の有無・粒径・濃度形式選定を左右する。プレート式が使えるかどうかが決まる
汚れの種類スケールか、重合物か、生物汚れか。清掃方法が変わる
洗浄周期の想定汚れ係数の根拠になる
清掃方法化学洗浄か機械清掃か。TEMA型式が決まる
運転範囲(ターンダウン)最小負荷で流速が落ちすぎないか
季節変動冷却水温度の夏冬差、外気温度
起動・停止時の条件定常運転と違う条件が出る場合
据付スペースとくに管束引抜きスペースの有無
クレーン能力管束を吊れるか

「最大」と「最小」の両方を書くことが大切です。定格だけ伝えると、減量運転で流速が落ちて汚れる機器ができあがります。

汚れ係数(ファウリング)の考え方【過大に取ると、かえって汚れる】 汚れ係数(ファウリング)の考え方【過大に取ると、かえって汚れる】

ユーザー側がやっておくべき計算

メーカーに任せるとしても、引き合いの前に自分で押さえておくべきことがあります。

1. 熱収支 ── Q と、もう片方の流体の必要流量

2. 用役の余力確認 ── その冷却水量・蒸気量が供給できるか

3. 概算面積 ── U の概算値から規模を掴む

4. 温度クロスの照査 ── P と R から F を確認。1シェルで成立するか

5. 許容圧力損失 ── 系統の圧力収支から算出

6. 据付スペースの確認 ── 概算サイズが現場に入るか

この6つは電卓と概算表でできます。4番目(温度クロス)を引き合い前に確認しておくと、「なぜ3台になるのか」という提案が来ても驚きません

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引き合いから発注までの流れ

段階ユーザーがやることメーカーがやること
1. 概念検討熱収支、概算面積、形式の目星、スペース確認
2. 引き合いデータシート発行、制約条件の明示
3. 提案質疑への回答熱設計、形式提案、概略図、見積
4. 技術評価提案の妥当性を判断、比較検討説明、代替案の提示
5. 発注仕様確定、法規対応の確認詳細設計
6. 製作・検査立会検査、書類確認製作、試験
7. 据付・試運転性能確認立会、保証対応

4番目の技術評価が、ユーザー側の腕の見せどころ

ここで妥当性を判断できるかどうかで、機器の良し悪しが決まります。

提案を評価するチェックリスト

伝熱

・U はいくつか。概算表のレンジに収まっているか。面積基準(外面/内面)は何か

・汚れ係数はいくつで取られているか。自社の実績と整合するか

・F はいくつか。0.8 を下回っていないか

・過剰設計になっていないか(余裕率が大きすぎると流速が落ちる)

圧力損失と流速

・許容値に収まっているか。逆に余裕がありすぎないか

・チューブ側流速は 1 m/s を下回っていないか

・材質に対して流速が高すぎないか(エロージョン)

・シェル側の振動照査は行われているか

構造・保全

・TEMA型式の3文字目は何か。その選択理由は何か

・シェルとチューブの金属温度差はいくらか(固定管板の場合)

・管束引抜きに必要な長さと重量。現場のクレーンで対応できるか

・想定している清掃方法と、機器構造が整合しているか

運転範囲

・最小負荷時の流速と性能

・夏場(冷却水温度上昇時)の性能

・汚れが設計値まで進んだときの性能

最後の3つ、つまり「定格点以外での性能」を必ず聞いてください。定格点だけで評価すると、実運転で困ることになります。

法規と規格

熱交換器は圧力容器として法規の対象になります。どの法規が適用されるかは、圧力・容量・流体で決まります。

法規・規格対象
労働安全衛生法(第一種/第二種圧力容器)蒸気その他の気体を扱う圧力容器
高圧ガス保安法高圧ガスを扱う設備
電気事業法発電設備に付属するもの
JIS B 8265 / B 8267圧力容器の構造規格
ASME Sec.VIII海外案件、または国内でも指定される場合
TEMA多管式熱交換器の機械設計標準(R/C/B クラス)

TEMA には R(過酷なプロセス用)、C(一般商業用)、B(化学プロセス用)のクラスがあり、要求される板厚や公差が変わります。化学プラントでは B または R が使われます。

どの法規・規格を適用するかはユーザーが指定します。メーカーは指定された規格に従って設計します。

まとめ

・ユーザーは「何を実現したいか」と「現場の制約」を、メーカーは「どう作るか」を決めます。

・汚れ方・保全計画・据付スペース・用役の余力は、ユーザーしか知りません。意識して伝えてください。

・データシートには最大・最小の両方を書きます。定格だけでは減量運転で困ります。

・引き合い前に6つの計算(熱収支、用役、概算面積、温度クロス、許容圧損、スペース)をしておきます。

・提案評価では、定格点だけでなく「最小負荷・夏場・汚れ進行時」の性能を必ず確認します。

・適用する法規・規格はユーザーが指定します。

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参考文献

  • 吉田邦夫・吉田英生 監修『熱交換器ハンドブック』省エネルギーセンター、2005年、I編2「設計手順」2.2 設計の手順(設計要求の確認、必要伝熱面積の概算)、IV編「設備保全」 Amazonで見る
  • 尾花英朗『熱交換器設計ハンドブック(増訂版)』工学図書、1974年(1994年 2版6刷)、第4部「熱交換器の基本設計」 Amazonで見る