ちょっと、そこ！私は熱交換器のサプライヤーチームの一員であり、今日は熱交換器の必要な熱伝達エリアを把握する方法についておしゃべりしたいと思います。それはあなたのニーズに合った熱交換器を得るための重要なステップですので、飛び込みましょう！
熱伝達の基本を理解する
熱伝達エリアの計算を開始する前に、熱伝達の基本原則を理解する必要があります。熱が動くことの3つの主な方法があります：伝導、対流、および放射。ほとんどの熱交換器では、伝導と対流が重要なプレーヤーです。
伝導とは、熱が固体材料を通って移動するときです。金属棒が一方の端で熱くなり、ロッド全体を徐々に加熱することを考えてください。熱交換器では、熱がチューブまたはプレートの壁を通って移動します。
対流とは、流体（液体またはガスのいずれか）の動きによる熱の移動です。熱交換器では、熱伝達面の異なる側に熱と冷たい液体が流れ、熱は高温液から冷たい液に表面を通って移動します。
熱伝達方程式
熱伝達領域の計算の心は、熱伝達方程式、つまりq = u×a×Δtmです。これを分解しましょう：
- Q：これは、1時間あたりのワット（W）または英国の熱ユニット（BTU/HR）で測定される熱伝達速度です。これは、熱液から冷水に移動する必要がある熱量を表しています。質量流量、比熱容量、および流体の温度変化を使用してQを計算できます。 qの式はq = m×cp×Δtです。ここで、mは質量流量、Cpは比熱容量、Δtは温度変化です。
- で：これは、w/（m²・k）またはbtu/（hr・ft²・°f）で測定された全体的な熱伝達係数です。熱伝達面の両側の熱伝達に対する抵抗と、表面自体の抵抗を考慮しています。 uの値は、流体の種類、流量、熱交換器のジオメトリ、熱伝達面の材料など、多くの要因に依存します。
- a：これは、平方メートル（m²）または平方フィート（ft²）で測定しようとしている熱伝達領域です。
- ΔTM：これは、対数平均温度差（LMTD）です。これは、熱交換器の長さにわたる高温液と冷水の平均温度差の尺度です。 ΔTMのフォーミュラは少し複雑ですが、高温および冷水の入口と出口の温度に基づいています。
段階的な計算
方程式がわかったので、必要な熱伝達領域を計算するための手順を通過しましょう。
ステップ1：熱伝達率（Q）を決定する
まず、どのくらいの熱を伝達する必要があるかを把握する必要があります。これは、特定のアプリケーションに依存します。たとえば、熱交換器を使用してプロセスのために水を加熱する場合、水の質量流量、初期温度と最終温度、およびその比熱容量を知る必要があります。
10 kg/sの水流があり、20°Cから80°Cから80°Cに加熱するとしましょう。水の比熱容量は約4.18 kJ/（kg・k）です。式q = m×cp×Δtを使用すると、qを次のように計算できます。
Q = 10 kg/s×4.18 kJ/（kg・k）×（80°C -20°C）= 10×4.18×60 = 2508 kJ/s = 2508000 w
ステップ2：全体的な熱伝達係数（U）を推定する
Uの値は、熱交換器の種類と関係する液体によって大きく異なる場合があります。エンジニアリングハンドブックまたはオンラインリソースでUの典型的な値を見つけることができます。たとえば、両側に水を含むシェルアンドチューブ熱交換器の場合、Uは約1000〜3000 w/（m²・k）である可能性があります。
私たちが使用していると仮定しましょう工業用シェルおよびチューブ熱交換器、そして私たちの経験と流体特性に基づいて、uは2000年（m²・k）であると推定しています。
ステップ3：ログ平均温度差（ΔTM）を計算する
ΔTMを計算するには、高温および冷水の入口と出口の温度を知る必要があります。高温液が120°Cで入り、90°Cで去り、冷たい液が20°Cで入り、80°Cで去るとしましょう。
ΔTMの式は次のとおりです。
Δtm=（Δt1-Δt2） / ln（Δt1 /Δt2）
ここで、ΔT1は熱交換器の一端の温度差、ΔT2はもう一方の端の温度差です。
ΔT1= 120°C -80°C = 40°C
ΔT2= 90°C -20°C = 70°C
Δtm=（40°C -70°C） / LN（40°C / 70°C）≈53.6°C
ステップ4：熱伝達エリアを計算する（a）
q、u、およびΔtmができたので、熱伝達方程式q = u×a×Δtmを使用して：
a = q /（u×Δtm）
a = 2508000 w /（2000 w /（m²・k）×53.6 k）≈23.4m²
計算に影響する要因
計算の精度に影響を与える可能性のあるいくつかの要因があることに注意することが重要です。
- 流体特性：流体の比熱容量、密度、粘度、熱伝導率は、温度と圧力とともに変化する可能性があります。これらの変化は、熱伝達速度と全体的な熱伝達係数に影響を与える可能性があります。
- フローレジーム：流体の流れ領域（層流または乱流）も、熱伝達に大きな影響を与える可能性があります。乱流は一般に、層流よりも高い熱伝達係数をもたらします。
- ファウリング：時間の経過とともに、堆積物は熱伝達面に蓄積する可能性があり、これにより、熱伝達に対する抵抗が増加し、全体的な熱伝達係数が減少する可能性があります。これはファウリングとして知られており、熱交換器を設計する際に考慮する必要があります。
さまざまな種類の熱交換器
さまざまな種類の熱交換器が利用可能で、それぞれに独自の利点と短所があります。いくつかの一般的なタイプには以下が含まれます。
- シェルアンドチューブの熱交換器：これらは、最も広く使用されているタイプの熱交換器です。それらは、シェル（大きな円筒形の容器）とチューブの束で構成されています。高温および冷たい液体は、それぞれチューブとシェルを通過します。工業用シェルおよびチューブ熱交換器多くの産業用アプリケーションにとって素晴らしいオプションです。
- Uチューブシェルおよびチューブ熱交換器：これらは、チューブがU字型に曲がっているシェルアンドチューブ熱交換器のバリエーションです。この設計により、チューブに過度のストレスを引き起こすことなく、熱膨張と収縮が可能になります。チェックアウトUチューブシェルとチューブ熱交換器詳細については。
- 低圧給水ヒーター：これらは、ボイラーに入る前に給水を加熱するために発電所で使用されます。彼らは通常、低圧で動作し、蒸気を加熱媒体として使用します。低圧給水ヒーターこのアプリケーションの特殊なタイプの熱交換器です。
結論
熱交換器の必要な熱伝達領域を計算することは、複雑だが必須のプロセスです。熱伝達の基本原則を理解し、熱伝達方程式を使用し、計算に影響を与える可能性のあるさまざまな要因を考慮して、ニーズに合った適切な熱交換器を選択できるようにすることができます。
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参照
- Incropera、FP、Dewitt、DP、Bergman、TL、＆Lavine、AS（2017）。熱と物質移動の基礎。ワイリー。
- Green、DW、＆Perry、RH（2007）。ペリーの化学エンジニアハンドブック。マグロウヒル。