スパイラル熱交換器 – metoree本番管理

スパイラル熱交換器とは

スパイラル熱交換器とは、名前の通りスパイラル形状を利用した熱交換器です。

流体が渦巻流になるのが特徴です。また、化学工学的な観点から見ると軸側流路は断面積が広いことから圧力損失が低く、狭い流路間隔を形成できることから流体同士を近づけた熱交換ができます。

スパイラル形の流路は、多管式熱交換器での円管流路に比べて乱流が生じやすいです。そのため、高い熱伝導性が得られます。流路は板幅などを柔軟に変化させることが可能で、条件に合った設計が行いやすいです。

熱交換器は高温流体と低温流体を接触させて熱交換させる機器で、廃熱を利用するなど主に省エネの分野で用いられます。また、流体同士が直接触れてはいけない場合にも熱交換器を経由して、間接的に熱交換させることが可能です。

温度条件が厳しい場合、多管式熱交換器は直列に複数基の熱交換器を接続しますが、スパイラル熱交換器は1基で賄えたりするケースもあります。また、熱交換器の汚れが少ないことから、洗浄を減らしたいときにも有用です。

スパイラル熱交換器の伝熱部分は、2枚の金属板をスパイラル状に巻き付けた流路になっています。2か所から送られた流体がスパイラル内を通ることで、金属板表面を介して熱交換が行われます。このとき、流路で乱流が発生していることが起因して、より効率的な熱交換を実施することが可能です。

2枚の金属板を巻き付ける構造であることから、流路断面積を小さく保つことができます。それにより熱交換器内の流速を上げることが可能で、スケールを剥離するような自浄作用がは働きます。反対に流路幅を少し広めに調整することで、固形分を含む流体でも対応するようになります。

スパイラル熱交換器の構造は接触させる流体の種類によって1型〜3型の3つに分けられます。また、塔頂が直接接続できるようになっている塔頂コンデンサー式も存在します。

1型は2つの流体を流す管を隣同士に渦形状で配置した構造です。逆向きに各流体を流します。単一流路である管の構造上、沈殿物が堆積しても洗い流されやすいです。

沈殿物が堆積すると管内が詰まるため、詰まった箇所での流速が増加します。流速が増加した流体が堆積物を流す仕組みです。形状がどこを取っても同じ断面であることも、固体が堆積しにくい理由の1つです。上記の理由から1型は汚れが残りにくくなっています。

2型は中央に半径が大きな軸方向の菅が存在し、その周囲に渦形状の管が配置された構造です。軸方向の管には気体を流し、渦形状の管には液体を流すことで熱交換を実施します。

軸方向の管は半径が大きい管を使用しているため、気体の通過距離を短くすることが可能です。圧力の損失が小さい特徴を持ちます。管同士の距離を近く配置できるため、熱交換効率を高くすることが可能です。

1型のスパイラル面を地面に対して、垂直に設置した構造です。

流体の流れ方向は、管に対して自然な流れ方向である層流と不規則な方向に流体が流れる乱流の2種類があります。流体内の流れが層流か乱流なのかは、レイノルズ数と呼ばれる指数で知ることができます。レイノルズ数とは、流体速度や流体の粘性などで定まる指数です。

流体の流れが乱流になると、熱伝導性は上がります。一方で、層流は熱伝導性は小さいものの圧力損失が小さく済む特徴を持ちます。熱交換機ではこの層流と乱流を菅内で制御することが重要です。

スパイラル熱交換器が持つ渦形状の管は、乱流を発生しやすくなる形状です。そのため、流れの観点でも多管式熱交換器等と比較して熱伝導性に優れています。

参考文献
https://www.kurose.co.jp/sh_merit.htm
https://www.hisaka.co.jp/phe/workbook/first_period04.html
http://www.morimatsu.jp/construction/pressure/hex.html