事例詳細/熱交換器
シェル&チューブ式熱交換器の流体解析事例をご紹介します。ANSYS Fluentを用いた詳細な熱流体解析により、熱交換器の性能評価と最適化を実現します。
シェル&チューブ式熱交換器解析
概要
熱交換器のうち、シェルチューブ式の熱交換器は、胴体（シェル）の内部に多数の伝熱管（チューブ）を配置し、伝熱面積を確保できるよう設計されています。シェル側の流体とチューブ側の流体は分離しており、これらの流体を混合させることなく熱の移動を行います。
シェルチューブ式熱交換器の特徴
- 構造が簡単であり、メンテナンス性に優れる
- 低圧から高圧までの広い使用条件に適用可能
- 過熱、冷却、蒸発などの多様な用途に対応
- 高い熱交換効率を実現
構造略図及び流れ方向略図
シェルチューブ式熱交換器の概略図を以下に示します。シェル側とチューブ側の流体の流れ方向を理解することが、効率的な熱交換器設計の基本となります。
シェル&チューブ式熱交換器の構造と流体の流れ（アニメーション）
解析例
ANSYS Fluentを用いた熱交換器内の流体挙動と温度分布の解析結果を示します。
チューブ周囲の流体の流れパターンが明確に可視化され、流れの偏りや滞留領域を特定することができます。
解析から分かること
温度が異なる流体が流れることになるため、部材ごとに温度差が生じます。そのため構造物に作用する熱応力も評価することが必要となります。
流体解析から得られる知見
- 温度分布から熱応力を評価し、構造の安全性を確認できます
- チューブの非定常振動力を解析し、共振による破壊リスクを予測できます
- 流れの偏りや滞留領域を特定し、設計改善に活用できます
- 熱交換効率の最適化に必要なデータを取得できます
このような現象についてもシミュレーションにより予めチェックすることが可能です。設計段階での問題発見により、コストと時間の大幅な削減を実現します。
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