シェル熱交換器にステンレス鋼ベローズが使用される場合
ベローズ管熱交換器は、直管熱交換器をベースにしたアップグレード版です。波の山と谷の設計は、耐久性や安全性など管状熱交換器の利点を継承すると同時に、熱伝達能力の低さやスケーリングのしやすさなどの欠点を克服しています。原理は、総熱伝達係数を向上させて必要な熱伝達面積を減らすことで、同じ熱伝達効果で材料を節約し、重量を減らすことができます。
ベローズ本体は冷間プレス加工されているため 明るいパイプ ビレットの場合、ベローズ本体は成形後に強化できると一般に考えられています。外圧安定性実験によると、外圧下での波形熱交換管の不安定性は、まず直管部で発生し、外圧が上昇し続ける場合にのみ波形管が不安定になります。これは、波形部の安定性が直管部よりも優れており、波形部の臨界圧力が直管部よりも高いことを示しています。
実験により、座屈変形の波紋は波の谷で発生し、特に局所的には単一の波の谷で発生し、一般的には同時に 2 つ以上の谷が不安定になることはなく、波の山の安定性が谷より優れていることを示していますが、時にはその逆も発生する可能性があります。冷間プレス マーク プロセスでは、谷と直線部の壁厚はどちらも一定で、冷間プレス後のチューブは実際には短くなります。
ベローズ内の波の山と谷の存在により、下の図に示すように、チューブ内の放射状の熱交換対流の効果が増加します。
放射状対流は総熱伝達係数に大きな影響を与え、これが二重管プレートベローズ熱交換器の低価格と軽量化の根本的な理由です。 チューブ ベローズと直管の管体表面は同じ長さでは大きいですが、この変化は係数値の変化の寄与よりはるかに小さいです。直管（軽量管）の流速は管壁に近づくと大幅に低下することがはっきりとわかります。
ベローズ付きシェル熱交換器は、直管熱交換器と比較して、流体の速度と方向を一定に変化させて乱流を形成し、壁と熱を交換するため、熱伝達に影響を与える境界効果がなくなります。総熱伝達率は2〜3倍に増加し、実際の操作では5倍に達することさえあり、重量が軽いため、ベローズ熱交換器の価格が直管熱交換器よりも低くなります。計算と実際の経験によると、厚さ1mmのベローズの総熱伝達率は、厚さ0.5mmのベローズよりも10%低くなります。数百のベローズ熱交換器の運転データによると、壁の厚さ（ほとんどすべて0.5mm）が、10〜14年間大きな修理や損傷なしに運転できる主な理由です。
また、ベローズ熱交換器は、ウォーターハンマーの衝撃に有効に抵抗することができます。 ダブルチューブプレート熱交換器のシェルは伸縮継手で接続されています。 ウォーターハンマーの衝撃を受けると、伸縮継手がずれてしまいます。 これはベローズとストレートチューブ熱交換器の両方に発生し、シェルの変形によりチューブがねじれる可能性があります。 これは、ベローズの膨張マージンが大きいため、変形時の歪みの弾性マージンが大きく、つまり、この場合の不安定性に抵抗する能力が強いためです。 しかし、いずれの場合も、設置の過程でウォーターハンマーの発生を回避するために、アングルバルブ、遅延スイッチなどの対策を講じることができます。
ステンレス製ベローズシェル熱交換器の利点
- 高い熱伝達効率
ベローズの特殊な山谷設計により、管の内外が連続的に変形して流体が流れ、強い乱流が形成されます。流量が非常に少ない場合でも、流体は管の内外で強い乱れを形成し、熱交換管の熱伝達率が大幅に向上します。熱伝達率は従来の管式熱交換器の2～3倍です。
- スケーリングとブロッキングなし
ベローズの内外の媒体は常に激しい乱流状態にあるため、媒体内の固体粒子にスケールが付着しにくくなります。一方、媒体の温度差の影響を受けて軸方向に膨張変形が生じ、曲率が頻繁に変化して汚れや熱交換管に大きな引っ張り力が生じ、スケールが付着しても自動的に剥がれるため、熱交換器は常に持続的で優れた熱伝達性能を維持できます。
- 自動補正
ベローズの特殊な構造と形状により、伸縮継手を追加することなく、加熱時の熱応力を効果的に低減できるため、製品の構造が簡素化され、製品の信頼性が向上します。
- 長寿命
軸方向の拡張能力が向上し、温度差応力を効果的に低減し、大きな温度差と圧力変化に適応できるため、管口破裂による漏れが発生しません。バッフルプレートとベローズの接続により、熱交換器の耐用年数が延長されます。
