熱流体システムの設計: シンプルと複雑の両方

熱流体システム内の熱流の管理は、プロセス流体の正確な温度制御を提供し、関連する機器を保護するために重要です。

加熱ヒーターを備えたシステムでは、不適切な流れによりヒーター内の加熱コイルが損傷したり、熱流体が急速に劣化したりする可能性があります。 システムの損傷を防ぐために、動作中にヒーターを通る一定の流れを維持するように設計する必要があります。 これらの設計の一部を添付の図に示します。

プロセス流体は、化合物、液体アスファルト、液体ポリマー、ワックス、廃スラッジ、食用油、原油、LNG など、製造プロセスで熱を必要とするあらゆる種類の流体です。

プロセス加熱では、プロセス流体を直接加熱することも、加熱ヒーターや電気ヒーターを使用して間接的に加熱することもできます。 間接加熱では、油、合成油、水グリコールなどの熱流体 (熱媒体とも呼ばれます) を使用します。 熱流体はヒーターによって加熱され、加熱コイル、熱交換器、またはジャケット付き容器を循環してプロセス流体を加熱します。 間接的な方法は閉ループ システムであり、ヒーターから出た熱流体が戻り、ループ内を継続的に循環することを意味します。

適切な流れと熱伝達を実現するために加熱システムを設計する際には、考慮すべき要素がいくつかあります。 「ユーザー」と呼ばれるプロセス流体を含む容器に関して、考慮すべき要素のいくつかを以下に示します。

まず、何人のユーザーが熱を必要とするでしょうか? 複数のユーザーに熱を提供できる単一のヒーターを使用できます。 ヒーターは、システム設計に基づいて、すべてのユーザーにわたる熱損失と流量を考慮してサイズを決定する必要があります。

次に、ユーザーは同時に実行しますか? ユーザーが同時に実行している場合はヒーターを大きくする必要がありますが、一度に 1 ユーザーのみを実行している場合は、最大の負荷を必要とするユーザーに合わせてヒーターのサイズを調整できます。

また、ユーザーは同じ熱流体温度を必要としますか? システムは、全員が同じ熱流体温度または複数の温度を同時に必要とするユーザーに対応できるように設計できます。

冷却する必要があるプロセスはありますか? プロセス流体によっては、加熱後に冷却する必要がある場合があります。 これは、時間をかけて自然に実行することも、追加の交換器を使用してより迅速に実行することもできます。

プロセスはどのくらいの時間枠で実行する必要がありますか? 一定の熱源を必要とするユーザーもいれば、比較的短期間のみ熱を必要とするユーザーもいます。 また、一部のユーザーはすぐにヒートアップする必要があるかもしれません。 ヒーターが大きいほど、加熱が早くなります。

熱流体ループは、一連のバルブ (通常は調節バルブ)、温度要素、圧力センサーを使用して制御され、流れを制御し、正確な温度を維持します。 通常、バルブは自動化されており、ヒーター制御と連携して動作して、各ユーザーにとって適切な温度が確実に達成されるようにします。 ユーザーが希望の温度に達すると、バイパス配管とバルブを使用してヒーターに適切な流れが流れるようにしながら、ユーザーの温度も維持します。

1 台のヒーターを使用して複数のユーザーを加熱する場合、ユーザーは直列または並列になります。 直列接続の場合、単一のポンプを使用してすべてのユーザーとヒーター全体の流れを維持します。 gpm (ガロン/分) で測定される流量は、すべてのユーザーとヒーターで同じ gpm です。 並行して、単一のポンプまたは複数のポンプを使用して、各ユーザー ラインに流れを分配します。 ヒーター内の流れを維持するために、追加の循環ポンプが使用される場合があります。 並列設計の利点は、熱流体が各ユーザーに同じ温度でアプローチすることです。直列設計と比較すると、各ユーザー全体で熱損失があり、下流ユーザーのアプローチ温度が低くなります。 並列システムと直列システムを組み合わせて使用​​できます。

単線システム

単線熱流体システムは最も基本的なタイプのシステムですが、それでも非常に多用途です。 通常、システム全体に熱伝達流体を移動させるために 1 つの循環ポンプが使用されます。 このタイプのシステムには、単一のユーザーまたは複数のユーザーが存在できます。 1 人のユーザーが 1 つの加熱ゾーン (図 1) または複数の加熱ゾーン (図 2) を持つことができます。 複数のゾーンを使用すると、タンク全体を加熱することなく、異なる量の製品を加熱できます。

単一行の複数のユーザー

単一回路で複数のユーザーを加熱する場合、共通の循環ポンプを使用して並列 (図 3) または直列 (図 4) にすることができます。 ユニットが並列に配置されている場合、熱流体は均一な温度でユーザーに近づきます。 この場合、循環ポンプは少なくとも全ユーザーの合計の流量を有します。 ユーザーが直列にいる場合、接近する熱流体の温度は、前のすべてのユーザーが吸収した熱に基づいて変化します。 これにより、ポンプの流量が低くなり、差圧が高くなります。

図5

複数行

マルチライン システム (図 5) は、単一のヒーターと複数のユーザーがあり、各ユーザー グループに個別の熱流体ループを持たせたい場合に使用されます。 ループ (別名回路) には、複数のユーザーを直列または並列に含めることができます。 単一の循環ポンプを使用してヒーター内の熱流体を加熱することができ、サイド/テイクオフ ポンプを使用して熱流体を各独立したループに循環させます。 熱流体の必要な温度が流体の最大許容バルク温度よりもかなり低い場合、ラインは流体を戻り部の下流に引き込むことができます。 これには、ヒーターから出る熱流体の温度がより高く、冷たい戻り流体と混合した後にユーザーの希望の温度に達する必要があります。 これにより、ヒーター循環ポンプの小型化が可能になります。 必要な温度が最大許容バルク温度に近すぎる場合は、ループをリターンの上流に引っ張る必要があります。 これには、ヒーターの循環速度が各ループの合計以上である必要があります。 この例としては、独立したスケジュールで加熱する異なるサイズのタンクがあり、同じ温度で異なる流量の熱流体を必要とする場合が挙げられます。

図6

温かいオイルループ

温油ループ (図 6) は、ユーザーがさまざまな温度の流体で加熱する必要がある場合に使用されます。 メインの加熱ループは最も高温になります。 あまり熱くないループには独自の循環ポンプがあり、温度設定値を維持するためにより高温の流体を混合します。 この例としては、タンク内の大量のプロセス流体を熱流体で急速に加熱し、プロセスラインの設定温度を維持する必要がある場合が挙げられます。 プロセスラインは、同じ温度の断熱オイルジャケットにより設定温度に維持されます。 これにより、電熱トレースで見られるようなパイプ内の流体の過熱の可能性を排除して、ラインの温度損失を軽減できます。

温度制御ループ

図7

温度制御ループ (図 7) は、プロセスを冷却する必要がある点を除いて、温油ループに非常に似ています。 熱流体ループは温度制御ループを加熱するために使用され、熱交換器はループを冷却するために使用されます。 この例としては、混合および/または反応のためにジャケット付き容器内でプロセスを加熱し、その後プロセスを冷却して温度に敏感な容器に移すことが挙げられます。

熱流体システムの設計は、非常に単純な場合もあれば、非常に複雑な場合もあります。 優れた設計は効率的で、耐久性があり、安全で、コスト効率が高くなります。 Astec の専門家は、アプリケーションに最適なシステムの決定、設計と構築、サポートとサービスの提供をお手伝いします。

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