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プレート式熱交換器とシェル＆チューブ式熱交換器の比較分析

2025-07-08

1. 構造設計と熱伝達メカニズム

1.1 プレート式熱交換器

プレート式熱交換器は、波形の金属プレートのスタックで構成されており、隣接するプレート間の隙間をガスケットで密閉して、別々の流路を形成します。2つの作動流体が交互のチャネルを対向流またはクロスフローで流れ、金属プレートを介して熱を交換します。

熱伝達メカニズム:

高温流体からの熱は、まず対流によってプレートに伝達され、次に高熱伝導率のプレート（例：ステンレス鋼、熱伝導率45 W/(m·K)）を介して伝導され、最後に低温流体に対流によって伝達されます。
波形プレート表面は、低いレイノルズ数（Re = 50～200）で乱流を誘発し、熱伝達効率を大幅に向上させます。ただし、この乱流は、流体抵抗が大きくなるため、圧力損失も増加させます。

1.2 シェル＆チューブ式熱交換器

シェル＆チューブ式熱交換器は、円筒形のシェル、チューブバンドル（チューブシートを介して固定またはフローティング）、およびヘッダーで構成されています。1つの流体がチューブ内（チューブ側）を流れ、もう1つの流体がシェル内（シェル側）のチューブの周りを流れ、チューブ壁を介して熱が交換されます。一般的な構成には、固定チューブシート、フローティングヘッド、U字管設計などがあります。

熱伝達メカニズム:

高温流体（チューブ側またはシェル側）からの熱は、チューブ壁に対流によって伝達され、チューブ（例：熱伝導率375 W/(m·K)の銅管）を介して伝導され、次に反対側の低温流体に対流によって伝達されます。
バッフルはシェル内に設置され、シェル側の流体を方向転換させ、流路を延長し、乱流を強化することで、熱伝達効率を向上させます。

2. 性能特性

パラメータ	プレート式熱交換器	シェル＆チューブ式熱交換器
熱伝達係数	3,000～8,000 W/(m²·K)。シェル＆チューブ設計よりも3～5倍高い。主な要因：高いプレート熱伝導率、波形による乱流、および純粋な対向流。	1,000～3,000 W/(m²·K)。チューブ壁の熱抵抗とシェル側のデッドゾーンによって制限されます。
圧力損失	30～60 kPa（乱流と180°チャネルターンにより高くなります）。	10～30 kPa（よりスムーズなチューブ側フローと最適化されたバッフル設計により低くなります）。
耐圧性	最大3 MPa（ガスケットのシールとボルト締めによる圧縮によって制限されます）。	最大30 MPa（円筒シェル設計による高強度）。
清掃とメンテナンス	クランプボルトを緩めることで簡単に分解でき、チャネル全体を清掃できます。	完全に清掃することは困難です。高圧洗浄または化学処理に依存します。シェル側のマンホールは、部分的な修理を容易にします。

3. 利点、欠点、および用途

3.1 プレート式熱交換器

利点:

高効率: 低レイノルズ数での乱流と対向流運転により、対数平均温度差（LMTD）補正係数は約0.95となり、最終温度差は<1℃（シェル＆チューブ設計の場合は約5℃）。
コンパクト設計: 単位体積あたりの熱伝達面積が2～5倍高く、同等の容量のシェル＆チューブユニットの1/5～1/8のスペースを占めます。
柔軟性: プレートの追加/削除によるスケーリングが容易。プロセス変更（例：流路の再構成）に適応可能。
費用対効果: 軽量（プレートの厚さ：0.4～0.8 mm vs. チューブの場合は2.0～2.5 mm）、同じ材料と面積のシェル＆チューブユニットよりも40～60％低いコスト。スタンピングによる大量生産が可能。
低熱損失: 露出面積が最小限に抑えられ、熱放散が減少し、断熱の必要がなくなります。

欠点:

圧力と温度の許容範囲が限られています（3 MPaを超える場合や極端な温度には不向き）。
ガスケットは腐食性または高温環境で劣化しやすい。
圧力損失が高いと、より強力なポンプが必要になる場合があります。

用途:

低～中圧、中小熱交換面積の場景（例：HVAC、食品加工、家庭用温水システム、製薬など頻繁な清掃が必要な業界）。

3.2 シェル＆チューブ式熱交換器

利点:

高圧/高温耐性: 過酷な条件（最大30 MPa、400℃）に適しており、高圧産業プロセスに最適です。
堅牢性: 円筒シェルと剛性チューブバンドルは、高脈動と大流量に耐えます。高粘度または粒子状流体にも対応（適切なバッフル設計）。
長寿命: オールステンレス鋼構造（または銅管）は、腐食環境での耐久性を提供します（最大20年）。

欠点:

低い熱伝達効率：クロスフローパターンにより、LMTD補正係数は多くの場合<0.9です。より大きな設置面積と重量。
非柔軟性：設置後の熱伝達面積の変更は困難。同等の容量の場合、初期コストが高くなります。

用途:

高圧/高温の産業プロセス（例：石油化学、発電、鉱業）および大規模熱交換（例：集中暖房、大型冷却システム）に最適です。

概要

プレート式熱交換器は、低～中圧用途において効率性、コンパクト性、柔軟性に優れており、シェル＆チューブ式熱交換器は、高圧、高温、大規模な産業シナリオで優位性を発揮します。選択は、運転条件、メンテナンスの必要性、およびスケーラビリティの要件によって異なります。

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