化学プラント大全 
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熱交換器の能力が落ちてきた
汚れなのか、他の原因なのか分からない
そんな悩みを解決します。
・実測Uの求め方と、汚れ抵抗の逆算
・原因を切り分ける6ステップの診断フロー
・洗浄時期をデータで判断する方法
私の仕事は化学プラントの設計です。
現場で使える切り分けの順序を整理しました。
「最近この熱交換器の効きが悪い」という声は、どの工場でも上がります。しかし原因は汚れとは限りません。
計測がずれているだけかもしれない。流量が設計どおり流れていないかもしれない。不凝縮ガスが溜まっているかもしれない。内部で漏れているかもしれない。
洗浄してみたが回復しなかった、という徒労を避けるために、切り分けの順序を持っておくことが大切です。
・最初にやるのは実測 U を求めること。感覚ではなく数字で捉えます。
・診断は計測 → 流量 → 不凝縮ガス → 汚れ → バイパス → 内部漏れの順に切り分けます。
・安いものから、可逆なものから確認するのが原則です。
・汚れ抵抗を運転時間に対してプロットすれば、洗浄時期を根拠を持って決められます。
・洗浄の経済性は「性能低下による損失」と「洗浄費用＋停止損失」の比較で判断します。
まず実測 U を求める
「効きが悪い」を数字にします。運転データから実測の総括伝熱係数を逆算します。
手順
1. 両流体の入口・出口温度と流量を記録する
2. 熱収支から Q を計算する（両側で計算して一致を確認）
3. 温度から ΔTlm と F を計算し、ΔTm を求める
4. U実測 = Q /(A・ΔTm) を計算する
$$U_{実測}=\frac{Q}{AΔT_m} r_{汚れ}=\frac{1}{U_{実測}}−\frac{1}{U_{清浄}}$$
2番の「両側で計算して一致を確認」が診断の第一歩です。高温側から計算した Q と低温側から計算した Q が合わなければ、その時点で計測かバイパスに問題があります。
熱収支が合わないときに疑うこと
| ずれ方 | 疑うべきこと |
|---|---|
| 高温側の Q が大きい | 放熱（保温不良）。または低温側流量計の誤差 |
| 低温側の Q が大きい | 外部から熱が入っている。または高温側流量計の誤差 |
| 日によってばらつく | 計測の問題。温度計の位置、流量計の校正 |
| 常に一定の比率でずれる | 流量計の系統誤差、または熱損失 |
診断フロー ― 6ステップ
安いものから、可逆なものから確認していきます。
Step 1：計測は正しいか
・温度計の位置は適切か（配管の代表温度を測れているか、伝熱の影響を受けていないか）
・温度計・流量計の校正はいつか
・圧力計は生きているか
・DCSの表示と現場計器は一致しているか
意外に多いのがこれです。「能力低下」と思っていたら温度計のドリフトだった、というケースは珍しくありません。停止も費用も要らないので最初に確認します。
Step 2：流量は設計どおりか
・両流体の流量は設計値か。減っていないか
・ポンプの吐出圧は正常か（インペラ摩耗、キャビテーション）
・上流のストレーナが詰まっていないか
・弁の開度は適切か（絞りすぎていないか）
流量が落ちれば h が落ち、U が落ちます。熱交換器は正常なのに、上流のストレーナが詰まっていたというのもよくある話です。
Step 3：不凝縮ガスは溜まっていないか（凝縮器の場合）
凝縮器なら、ここが最も費用対効果の高い確認です。ベント弁を開けてみるだけで済みます。
数分で能力が回復するなら、不凝縮ガスが原因です。ベント経路の閉塞、ベント量の不足、あるいは外部からの空気漏れ込みを調べます。
不凝縮ガスが凝縮器を殺す理由【1％の混入で性能が半減する】
Step 4：汚れか
実測 U から汚れ抵抗を逆算し、それが妥当な大きさかを見ます。
| 汚れ抵抗の大きさ | 判断 |
|---|---|
| 設計汚れ係数と同程度 | 想定内。まだ洗浄不要かもしれない |
| 設計値の1.5〜2倍 | 洗浄を検討する段階 |
| 設計値の3倍以上 | 汚れ以外の原因も疑う。閉塞かもしれない |
汚れ抵抗が異常に大きい場合、「均一に汚れている」のではなく「一部のチューブが完全に閉塞している」可能性があります。閉塞したチューブは伝熱に寄与しないので、実効的な伝熱面積が減っているのと同じです。
Step 5：バイパス・ショートパスはないか
流体が伝熱面をきちんと通らずに近道している状態です。原因は主に構造の劣化です。
| 現象 | 原因 |
|---|---|
| チャンネル内のショートパス | 仕切板（パーティションプレート）のガスケット劣化。流体がパスを飛ばして出口へ |
| シェル側のバイパス | バッフルとシェルの隙間拡大、バッフルの腐食 |
| F型シェルのリーク | 縦仕切板のシール部劣化 |
仕切板ガスケットの劣化は、外からは見えないのに性能が大きく落ちる厄介な故障です。分解して初めて分かります。「洗浄したのに回復しない」ときの有力な候補です。
Step 6：内部漏れはないか
チューブの破孔や管板の拡管部の緩みにより、両流体が混ざっている状態です。
熱収支が合わない、片方の流体の組成や導電率が変化する、圧力の高いほうの流量が説明できないほど多い、といった兆候が出ます。
内部漏れは性能問題ではなく安全・品質問題です。冷却水にプロセス液が混入すれば環境問題に、逆なら製品汚染になります。疑いがあれば速やかに停止して確認してください。
このツールで確かめる
実測 U と汚れ抵抗の逆算は、運転データを入れれば自動でできます。まず熱収支の不一致を見るという診断の第一歩も、このツールが最初に判定します。経過データを入れれば、汚れの進み方と洗浄時期の目安まで出ます。
汚れ抵抗の逆算とトレンド判定
運転データから実測の総括伝熱係数を逆算し、いまの汚れ抵抗を出します。経過データを入れると、汚れの進み方（漸近型・直線型・加速型）と洗浄時期の目安も分かります。
–
機器
いまの運転データ
経過データ（任意）
汚れ抵抗の推移
初期に急で後半ゆるむのが漸近型。直線のまま増えるなら流速不足を疑う。途中から速まるのは閉塞のサイン。
| 経過日数 | U 実測 | 汚れ抵抗 r | 設計比 |
|---|
まず熱収支の不一致を見てください。高温側と低温側で計算した Q が合わないなら、汚れの前に計測か流量、あるいはバイパスを疑う段階です。5％を超えたら要確認です。
清浄時 Uc は、洗浄直後に実測した値を使うのが最も確かです。設計値しかない場合は、設計 U に設計汚れ係数を足し戻して求めます。
外挿はあくまで直近の傾きによる目安です。加速型が出ている場合、外挿より早く悪化します。
既定値は設計点に近い状態です。低温側の流量を 75 → 60 t/h に変えてみてください。熱収支が20％ずれ、汚れを論じる前に計測・流量・バイパスを疑うべき状態だと判定されます。
汚れの進行を記録する
汚れ抵抗を定期的に計算し、洗浄からの経過時間に対してプロットします。これが最も価値のあるデータです。
典型的な2つのパターン
| パターン | 形 | 意味 | 対応 |
|---|---|---|---|
| 漸近型 | 初期に急増し、やがて頭打ち | 付着と剥離が釣り合う。流速が確保されている | 洗浄周期を長く取れる |
| 直線型 | 一定の速度で増え続ける | 剥離が起きていない。流速不足の可能性 | 洗浄周期を決める必要。流速改善も検討 |
| 加速型 | 途中から増加が速まる | 閉塞が始まっている可能性 | 早めに開放点検 |
加速型が出たら要注意です。汚れが汚れを呼ぶ状態に入っており、放置すると急激に悪化します。
洗浄時期をどう決めるか
経済的には、次の2つを比較します。
洗浄しない損失：能力低下による生産量の減少、または用役（蒸気・冷却水）の余分な消費
洗浄する費用：洗浄作業費＋停止に伴う生産損失
性能低下が緩やかなうちは洗浄しないほうが得ですが、ある時点で逆転します。汚れの進行カーブがあれば、この逆転点を予測できます。
実務では定修に合わせるのが一般的ですが、定修まで持たないと分かった時点で計画を見直せることが、データを取る価値です。
洗浄方法の選択
| 方法 | 対象 | 注意点 |
|---|---|---|
| 化学洗浄（CIP） | スケール、油分、生物汚れ | 薬液の適合性、材質への影響、廃液処理 |
| 機械清掃（ブラシ・スクレーパ） | 硬い付着物、チューブ内 | 直管でないとできない（U字管は不可） |
| 高圧水洗浄 | 広範囲 | 開放が必要。管束引抜きスペースが要る |
| オンライン洗浄（スポンジボール等） | 冷却水系のチューブ内 | 設備が必要。運転を止めずに済む |
清掃方法は機器を選んだ時点で決まっています。U字管を選んでしまえば、チューブ内の機械清掃という選択肢は永久にありません。だから設計段階で清掃方法を想定しておくことが重要なのです。
TEMA型式の読み方【BEM・AES・BKUが意味するもの】
記録しておくべきこと
・運転データ（両流体の流量・入口出口温度）── できれば日次
・そこから計算した U実測 と汚れ抵抗
・洗浄の実施日と方法、洗浄直後の U（＝その機器の実質的な清浄時 U）
・開放点検時の所見（どこがどう汚れていたか、写真）
・チューブの閉塞・栓止め本数
洗浄直後の U は貴重なデータです。設計値の Uc より低ければ、その差は洗浄で落としきれない恒久的な汚れか、あるいは設計時の想定が甘かったことを意味します。次の設計に活かせます。
まとめ
・まず実測 U を求めて数字にします。熱収支を両側で計算し、一致を確認するところから始めます。
・診断は 計測 → 流量 → 不凝縮ガス → 汚れ → バイパス → 内部漏れ の順。安いものから確認します。
・凝縮器なら「ベント弁を開けてみる」が最も費用対効果の高い確認です。
・汚れ抵抗が設計値の3倍以上なら、均一な汚れではなく閉塞を疑います。
・「洗浄したのに回復しない」なら、仕切板ガスケットの劣化によるショートパスが有力候補です。
・汚れ抵抗を経時プロットすれば、洗浄時期を根拠を持って決められます。加速型が出たら早めに開放点検を。
・内部漏れは性能問題ではなく安全・品質問題です。疑いがあれば速やかに停止します。
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