How Do Bayonet-Style PTFE Heat Exchangers Differ from Conventional Fixed Tubesheet Designs?

ほとんどのシェルアンドチューブ交換器には、両端にチューブが取り付けられています。バヨネット交換器はこれを逆転させます。チューブは一端のみで固定され、もう一端は密閉された外側シース内で自由にスライドします。このシンプルな設計により、熱ストレスとメンテナンスへのアクセスという 2 つの長年の懸案事項が克服されます。-バヨネット配置は、材料の高い熱膨張係数 (CTE) が固定チューブシートのソリューションを困難にする PTFE 熱交換器を含む、要求の厳しい表面仕上げや化学プロセス用途にとって魅力的な代替手段です。

銃剣の構造 (説明付き)
バヨネット式 PTFE 熱交換器の名前は、ある部品が別の部品に挿入されて 1 点で固定される、バヨネット式の電球またはパイプのカップリングの外観に由来しています。{0}}バヨネットチューブは、熱交換器の用語で遠端がシールされた 2 つの同心のチューブ、内側チューブと外側チューブで構成されています。アセンブリはシェル内に（またはタンクに直接）配置され、入口/出口端、通常はチューブシートまたはフランジでのみ固定されます。-ロッドの他端は熱によって自由に伸縮します。

バヨネット構成では、流体ルートは通常次のように構成されます。

使用流体 (蒸気、熱水、または冷却剤) は内管を通って供給され、密閉端まで流れます。

流体はシール端で向きを変え、内管と外管の間の環状領域に戻ります。

熱はチューブの外壁を通ってシェル側（またはタンク側）のプロセス流体に伝えられます。

次に、流体は環状空間を通って、入ってきたのと同じ端から出ます。

「入-および-」フロー チャネルは、吸気コネクタと流出コネクタの両方が熱交換器の同じ端にあることを示します。バヨネットチューブの自由端は、シール部分を除いて自由であり、軸方向に自由に移動できます。

従来の固定管板設計との主な違い
従来の固定管板 PTFE 熱交換器では、管板の両端が固定されており、一方の管板が入口端に、もう一方が出口端にあります。チューブ束はシェルの一体部分であり、シェル-側のノズルはシェルに溶接されています。機械的な動作やメンテナンスのしやすさはまったく異なります。

熱ひずみへの適応
さらに、PTFE の膨張は鋼の膨張の 10 ～ 20 倍です (120 ～ 150 × 10−6 / 度対 11 × 10−6 / 度)。固定管板設計では、長さ 2 m の PTFE 管を 20 度から 100 度に加熱すると、約 12 ～ 15 mm 膨張します。両端が固定されているため、この膨張によって圧縮力が発生し、PTFE チューブが座屈したり、チューブシートの接合部が損傷したりする可能性があります。これを回避するには、固定管板 PTFE 交換器は次のいずれかを行う必要があります。

フローティングヘッド (1 つのチューブシートを移動可能)、または

シェル内の伸縮継手。あるいは、

チューブの長さが非常に短い (熱交換器の容量が制限される)

これらのオプションのそれぞれにより、費用がかかり、複雑さが増し、漏洩箇所の可能性が高まります。

一方、バヨネット式 PTFE 熱交換器は本質的に熱膨張に対する耐性があります。 PTFE が膨張および収縮すると、バヨネット チューブの自由端がシェルまたは外側シース内で軸方向にスライドします。拡張ジョイント、フローティングヘッド、または独自の材料マッチングの必要がなくなります。バヨネット形式は、大きな温度変動や頻繁な熱サイクルを伴う用途に特に魅力的です。

バンドルのメンテナンス アクセスと削除可能性
バヨネット設計には、シェル側の配管を中断することなくチューブ束全体を熱交換器から取り外せるという大きな機械的利点があります。{0}}束は一端でシェルに入れられ、単一のフランジまたはチューブシートによって所定の位置に保持されます。クリーニング、検査、または交換のためにバンドルを取り外すには、次の手順を実行します。

チューブ側への出入口パイプが外れています。

バンドルのフランジボルトを取り外します。

束はシェルから軸方向に引き出されます。

シェルは所定の位置にあり、シェル側の配管（ノズル、ガスケット、コネクタを含む）はすべて無傷です。{0}

固定管板設計では、管束の取り外しがはるかに複雑になります。シェルの両端を開く必要があり、場合によってはシェル側のノズルを外すか、ラインから熱交換器全体を取り外す必要があります。これは、忙しいプロセスの場所にある大規模な交換装置にとっては大規模なプロジェクトになる可能性があります。

定期的な清掃が必要なサービス（汚れがつきやすい表面仕上げ槽など）では、バヨネット交換器でバンドルを簡単に取り外せることが決定的な利点となります。{0}銃剣の束を引き出し、洗浄し、元に戻すのにかかる時間はわずか数時間です。固定チューブシートのバンドルでは、丸 1 日以上のダウンタイムが発生する可能性があります。

パフォーマンスに関する熱の問題
バヨネット設計には熱性能とのトレードオフがあります。-環状流路 (内側のチューブを流れ、環を通って戻る流体) により、二重パイプ効果が得られます。-全体的な熱伝達係数が同等の向流固定管板設計よりも若干低い理由は 2 つあります。

実効温度差の減少 - 流れパターンは純粋な逆流ではなく、逆流と平行流が混合したものであり、対数平均温度差 (LMTD) が減少します。

環状側の速度が遅い - 全体の流量が同じ場合、環状ギャップの速度が単一のチューブよりも遅くなる可能性があり、これが膜係数に影響します。

ただし、この減少は多くの場合小さく (10-20%)、より長いチューブを使用し (熱膨張が制限要因ではないため)、より大きなシェル側速度で動作する可能性によって相殺されることがよくあります。多くの表面仕上げ用途では、保守性の利点が、効率性のわずかな欠点を大幅に上回ります。

材料と構造
バヨネット交換器は、応力下で脆くなったりクリープしたり、これらの材料がかなりの熱膨張を示すため、グラファイトや PTFE の構造によく使用されます。銃剣のデザインは、素材の性質に反するものではなく、素材の性質に合わせて機能します。

PTFE バヨネット交換器では、通常、内側チューブと外側チューブは PTFE または PFA (パーフルオロアルコキシ) から製造されます。シールされた端部は、2 つのチューブを溶接または熱融着することによって作成されます。自由端は開いており、内側のチューブはチューブシートまたはフェルールを通過します。アウターチューブは PTFE ガスケットまたは O- リングによってチューブシートに対してシールされており、軸方向のスライドを可能にし、漏れを防ぎます。

振動を避けるためにバヨネットチューブの自由端を保持する必要があることに注意してください。長いバヨネットチューブ (例: . 3-5 m) では、軸方向の動きを妨げずにアウターチューブをガイドするためにシェルの内側で中間サポートリングまたはバッフルが利用されます。このサポートがないと、流れによる振動によってフレッチング摩耗や早期故障が発生する可能性があります。{4}}

比較表: バヨネットと固定チューブシート PTFE エクスチェンジャーの特徴 バヨネット スタイル PTFE エクスチェンジャー 固定チューブシート PTFE エクスチェンジャー チューブ固定 一端は固定、もう一端は自由に移動両端がチューブシートに取り付け
固有の熱膨張調節 – フリーエンドスライド。拡張ジョイントは不要 フローティングヘッド、拡張ジョイント、または非常に短いチューブが必要
バンドルの取り外し可能 シェルの配管を中断することなく、一端からバンドルを簡単に引き抜くことができる 両端の分解が困難である 多くの場合、ラインからの熱交換器の取り外しが必要になる
シェル内のノズルはバンドルの取り外し中も取り付けたままにすることができます交換器は取り外すか移動する必要があります
チューブ側接続入口と出口が同じ端にある入口と出口が反対側の端にある（一般的に）
同心円管経由の流入および流出流路（ダブルパイプ効果）ストレートスルー（1 パス）またはリターンボンネット付きマルチパス-
熱効率 わずかに低下 (LMTD 補正係数 0.85 ～ 0.95) 高い (実際の逆流が発生する可能性があります)
平均最大値チューブの長さ取り扱いおよび振動による熱応力の制限熱膨張による制限（伸縮継手のない PTFE の場合は通常 1.5 ～ 2.5 m）
汚れ耐性良好、バンドルは洗浄のために取り外し可能普通 – 洗浄には稼働中に余分な時間がかかる
小型ユニットの価格。中程度の - 単一チューブシート、伸縮継手なし 下部 - 短いチューブの組み立てが容易
大型/長尺ユニットのコストが低い – 高価な伸縮継手の必要がない 高い – フローティング ヘッドまたは伸縮継手がコストを増加させる
バヨネット型 PTFE 熱交換器の実用化
化学処理および表面仕上げでは、バヨネット設計が多くの特殊なケースで好まれます。

厳しい熱サイクル - 毎日、熱交換器の加熱および冷却サイクルを複数回行うバッチ手順。自由にスライドするバヨネット チューブにより、ストレスを蓄積することなくこのサイクリングが可能になります。-

汚損サービス - 伝熱面にスケール、スラッジ、または有機コーティングを残す浴。機械的または化学的洗浄のために定期的にバンドルを引き出すことができることが重要です。

PTFE を必要とする攻撃的な酸環境 - PTFE は化学的に不活性であり、攻撃的な酸 (塩酸、硫酸、フッ化水素酸など) 用に指定されています。バヨネット設計により、シールの数とチューブ側の潜在的な漏れスポットが減少します。

限られたアクセススペース - 熱交換器をピット内、壁際、または両端にアクセスできない場所に設置する必要がある場合。バヨネット交換器は片端のみで保守されます。

レトロフィット設置 - 熱疲労の問題を抱えた既存の固定管板交換器の交換 これらの故障の根本原因はバヨネット設計によって取り除かれます。

対照的に、固定管板システムは依然として以下の点で競合しています。

熱膨張が問題にならない場合は、小型で短い熱交換器 (チューブ長 < 1.5 m)。

熱サイクルを必要としないアプリケーション。非常に純粋な液体。

LMTD を最大化するために純粋な逆流が必要な場合 (例: 近い温度アプローチによる熱回収)。

予算に制約があり、初期費用の最小化が主な要因となるプロジェクト。

インストールと操作に関する考慮事項
バヨネット式 PTFE 熱交換器を指定する際には、考慮すべき実際的な側面が数多くあります。

自由端のサポート バヨネット チューブの自由端はサポートする必要がありますが、しっかりと固定する必要はありません。金属-と-PTFEの接触は、PTFE摩耗スリーブまたは低摩擦リングによって防止されます。-

シール設計 - 外管を管板に挿入するためのスライド シールは、漏れなく軸方向に移動できるようにする必要があります。一般的なのは、PTFE リップ シールまたはスプリング エナジャイザーを備えた O- リングです。

流量分布 - 過度の圧力低下を避けるために、環状ギャップが十分に大きいことを確認してください。ギャップは、チューブの直径と流速に応じて、通常 2 ～ 5 mm です。

チューブの振動 - 渦-による振動を避けるために、バッフルまたはサポート プレートを 0.5 ～ 1.0 メートルの間隔で配置する必要があります。サポートは軸方向のスライドを可能にするものとします。

銃剣交換器は 1 つの砲弾に多数取り付けることができることにも注意してください。マルチ-バヨネット設計では、多数のバヨネット チューブを並べて使用し、すべて同じチューブシートに固定します。この配置により、熱伝達のための広い領域が得られ、一方の端からのみメンテナンスのためのアクセスが可能になります。

結論