JP5403863B2 - プレート式熱交換器の強度決定方法とプレート式熱交換器の製作方法並びに工業プロセスエンジニアリングプラントの製作方法 - Google Patents
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Description
鑞付けアルミニウム製プレート式熱交換器製造業協会標準規格2000年第2版(THE STANDARDS OF THE BRAZED ALUMINIUM PLATE-FIN HEAT EXCHANGER MANUFACTURES' ASSOCIATION (ALPEMA), Second EditionM 2000)
・仕切壁(仕切板)の寸法、特に厚さ
・熱伝達フィン形材(フィン)の寸法、特に高さ、分割リブ数及び/又は材料厚さ
・熱伝達フィン形材のフィンタイプ、即ち、直線形フィン、穿孔付きフィン、鋸歯状フィン、ヘリングボーン又は波形フィン等(非特許文献1の第8頁に記載の直線形フィン(Plain fins)、穿孔付きフィン(Perforated fins)、鋸歯状フィン(Serrated fins)、ヘリングボーン又は波形フィン(Herringbone or wavy fins))
・空間通路の数、寸法及び配置構造
・モジュールの数及び配置構造(モジュールとは、熱交換器の一部、例えば熱交換器ブロックを意味し、このブロックは、例えば鑞付けによって一体的に予め製作され、また複数の別のモジュールと共にプレート式熱交換器として一体化される。)
1.1.層状型材及び温度分布
仕切板1に対して平行な流れ方向に沿った水温及び熱伝達率をシミュレーションによって決定することはプロセス技術の分野では知られている。即ち、個々の熱交換通路14について、仕切板に対して平行な水流の2次元シミュレーションを行うことによって温度分布を決定することは知られている。この場合、係る目的で公知のソフトウェアMUSEとMULE(アスペン テクノロジー インコーポレイテッド社製)を組み合わせて用ることができる(これに代えてプレート式熱交換器用の他の算出手段を適用してもよい)。この温度分布と熱伝達率に基づいて後述のモデル(図5)を参考にしてプレート式熱交換器のアルミニウム構造の温度分布を決定する。
応力分布は、以上に述べたようにして予め決定された温度分布に基づいて算出される。
2.1.プレート式熱交換器の形状の設計
プリプロセッサプログラム(MENTAT)を用いて構造データから後で使用されるシミュレーションソフトウェア(MARC)に対応したプレート式熱交換器の構造図面を作成する。MARC及びMENTATは、共にマクニール・シュベンドラー社(MacNeal-Schwendler Corp./MSC)のソフトウェア製品である。本発明の範疇でシミュレーションを行うために、これに代えて他の有限要素法によるシステムを利用してもよい。
熱交換通路は、互いに交差する2つの部分にそれぞれ分割される。分割部は面11、12の延在方向に一致する。
ヘッダ6と6aが熱交換通路に接続される。通常、これらのヘッダは半円筒状に成形されるものである。
前述の各ステップにおいて、モデルの各部分には本方法による形状特性、機械的特性及び温度特性が書き込まれる(前記参照)。特に熱伝達フィン形材は、その実際の形状寸法でモデル化されるのではなく、前述ように金属(アルミニウム)ブロックに置き換えられた形でモデル化される。
これらの条件には、
・全ての流体案内通路の表面に沿った圧力、
・ヘッダ領域内の圧力、
・上記全ての流体案内通路の流体温度及び熱伝達率、及び
・応力境界条件
が含まれる。
先ず、温度境界条件とシミュレーションシナリオに基づいて金属温度分布が決定される。
これらの方法を用いて、次に簡易モデルに基づきプレート式熱交換器内部の応力分布をシミュレーションできる。この応力を評価するための基準となる比較応力は予め適切に規定されている。従って、ここでプレート式熱交換器全体の応力分布だけでなく、各部断面の応力分布も比較応力と比較することができる。また、例えばヘッダのようなプレート式熱交換器の別の構成部品を熱応力の時間分布及び空間分布のシミュレーションに組み込むことができる。
2 :熱伝達フィン形材(フィン)
3 :分配用フィン形材
4 :エッジバー
5 :カバー板
6 :ヘッダ
7 :配管
8 :コアブロック
9 :出入口
10 :想定熱伝達面
11 :想定熱伝達面
12 :想定熱伝達面
13 :想定熱伝達面
14 :熱交換通路部分
Claims (13)
- 3次元数値シミュレーションを用いてプレート式熱交換器の動作中における内部熱応力を算出し、
算出された熱応力に基づいてプレート式熱交換器の強度を決定する決定方法において、
金属製の仕切板(1)と熱伝達フィン形材(2)とを備えたプレート式熱交換器の動作中における内部熱応力を算出するに際して、熱伝達フィン形材(2)の一部が仕切板(1)に接触した層状型材を適用して熱応力の3次元数値シミュレーションにより熱伝達フィン形材(2)及び仕切板(1)の空間温度分布を決定し、この際に、熱伝達フィン形材(2)の表面が仕切板(1)に熱伝導接触した状態で熱伝達フィン形材(2)を一対の仕切板(1)の間の空間の一部を均一に満たす金属ブロックとしてモデル化し、
流体から熱伝達フィン形材(2)を通じて熱伝導により該熱伝達フィン形材(2)へ、そして熱伝達フィン形材(2)から隣接の仕切板(1)へと伝わる第1の熱入力を含めて、熱伝達フィン形材(2)及び隣接の仕切板(1)に前記流体から伝えられる平均化された全熱入力を決定し、
第1の熱入力に対応する熱量を前記金属ブロック内の第1の面(11、12)に前記シミュレーションにおいて適用し、更に前記層状型材を実際の構造に適合させるべく複数の補正係数を適用することで、プレート式熱交換器の内部熱応力を算出することを特徴とするプレート式熱交換器の強度決定方法。 - 前記シミュレーションにより停止時及び動作時の熱応力を算出することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 金属製の仕切板(1)と熱伝達フィン形材(2)とを備えたプレート式熱交換器を製作するに際し、
プレート式熱交換器の1つ又は複数の機械的パラメータを請求項1又は2に記載の方法によって決定された強度により規定し、
この規定された1つ又は複数の機械的パラメータを有するプレート式熱交換器を製作することを特徴とするプレート式熱交換器の製作方法。 - 少なくとも1つのプレート式熱交換器が組み込まれる工業プロセスエンジニアリングプラントを製作するに際し、
プレート式熱交換器を製作しておき、
該熱交換器の強度を請求項1又は2に記載の方法によって決定し、
この強度の決定結果に基づいて、前記工業プロセスエンジニアリングプラント内での前記プレート式熱交換器の使用の可否、及び/又は前記プラントの構成及び/又は動作方法の変更の可否を決定することを特徴とする工業プロセスエンジニアリングプラントの製作方法。 - 少なくとも1つのプレート式熱交換器が組み込まれる工業プロセスエンジニアリングプラントを製作するに際し、
第1ステップで従来方式のプレート式熱交換器を設計し、
第2ステップで該熱交換器の強度を請求項1又は2に記載の方法によって決定し、
第3ステップでこの決定された強度が前記工業プロセスエンジニアリングプラントの要求に対応するか否かをチェックし、
第4ステップでは、第3ステップのチェック結果が肯定的であった場合には前記プレート式熱交換器を第1ステップによる設計に従って製作すると共に該熱交換器を前記工業プロセスエンジニアリングプラントに組み込み、前記第3ステップのチェック結果が否定的であった場合には前記第2ステップ、第3ステップ及び第4ステップを繰り返えすことを特徴とする工業プロセスエンジニアリングプラントの製作方法。 - 前記プレート式熱交換器を製作する工程が、
仕切板(1)の表面に鑞材を塗布する工程、
仕切板(1)と予め成形された熱伝達フィン形材(2)を交互に積層する工程、及び熱伝達フィン形材(2)を仕切板(1)に鑞付けする工程、
を含むことを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の方法。 - 金属製の仕切板(1)と熱伝達フィン形材(2)とを備えたプレート式熱交換器の動作中における内部熱応力を算出するに際して、
熱応力の3次元数値シミュレーションにより、流体温度を決定して該流体の流れ方向に沿った流体とプレート式熱交換器との間の熱伝達率を決定するステップを更に実行することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。 - 流体から熱伝達フィン形材(2)の両側に隣接する各仕切板(1)へ伝達される全熱入力を仕切板毎に第1の熱入力と第2の熱入力に分配し、別ステップで第2の熱入力に対応する熱量を前記金属ブロックと仕切板との間の接触面の第2の面(12、13)に導入することを更に含む請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 流体とプレート式熱交換器との間の熱伝達に関する熱伝達率に、熱入力を補正する熱伝達補正係数を乗算することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第1の面及び第2の面の面積に面積補正係数を乗算することを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 金属ブロックの熱伝導率に、該金属ブロックを均一構造とみなすための熱伝導補正係数を乗算することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
- 金属ブロックの熱容量又は密度に容量補正係数を乗算することを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記層状型材に関して決定された空間温度分布と、前記金属ブロック及び仕切板(1)の弾性率とに基づいて、熱伝達フィン形材及び仕切板の空間応力分布を算出する追加ステップを更に含む請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
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