ちょっと、そこ！非取り外し式スパイラルプレート熱交換器のサプライヤーとして、私はこれらの気の利いたデバイスの熱伝達能力の計算式についてよく質問されます。そこで、少し時間をかけて分かりやすく解説していきたいと思います。
まず、非着脱式スパイラルプレート熱交換器とは何かについて少し説明しましょう。これは、中心コアの周りに巻かれた 2 枚の長い金属板によって 2 つの螺旋チャネルが形成されるタイプの熱交換器です。これらのチャネルにより、2 つの異なる流体が反対方向に流れることができ、一方の流体からもう一方の流体への熱の伝達が促進されます。
さて、本題ですが、熱伝達能力の計算式は何ですか？
熱交換器の熱伝達容量 (Q) を計算するための基本式は次のとおりです。
Q = U * A * ΔTm
この式の各部分を分解してみましょう。
1. U - 全体の熱伝達係数
全体の熱伝達係数 (U) は、2 つの流体間で熱を伝達する熱交換器の能力を表します。プレート材料の熱伝導率、プレートの厚さ、プレートの両側の対流熱伝達係数などの要素が考慮されます。
U の値を正確に決定するのは非常に難しい場合があります。これは、関係する流体の種類、流量、流体の物理的特性 (粘度、密度、比熱など) などのさまざまな要因によって決まります。実際には、U は実験的に決定されるか、経験的な相関関係に基づいて推定されることがよくあります。
たとえば、温流体と冷流体の両方として水を使用しており、流れが乱流である場合、U 値は 1000 ～ 3000 W/(m²·K) の範囲になる可能性があります。ただし、流体の 1 つが粘性オイルの場合、U 値ははるかに低くなり、おそらく 100 ～ 500 W/(m²・K) の範囲になります。
2. A - 伝熱エリア
伝熱面積 (A) は、流体と接触するプレートの総表面積です。取り外し不可能なスパイラル プレート熱交換器では、伝熱面積の計算が単純なシェルアンドチューブ熱交換器よりも少し複雑になる可能性があります。
スパイラルプレート熱交換器の伝熱面積の式は次のとおりです。
A = 2 * π * r * L * N
どこ：
- r は螺旋プレートの平均半径です。
- Lはプレートの長さです
- Nは螺旋の巻き数です
平均半径 (r) は、らせんの内側と外側の半径の平均として計算されます。プレートの長さ (L) は、コイル状に巻かれる前の金属プレートの実際の長さです。そして、巻き数 (N) は、プレートが中心コアの周りに巻き付けられる回数です。
3. ΔTm - 対数平均温度差
対数平均温度差 (ΔTm) は、熱交換器の長さにわたる高温流体と低温流体間の平均温度差の尺度です。 2 つの流体が熱交換器を通過する際にそれらの温度差が変化するという事実が考慮されています。
ΔTm の式は次のとおりです。
ΔTm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
どこ：
- ΔT1 は、熱交換器の一端における高温流体と低温流体の温度差です。
- ΔT2 は、熱交換器の他端における高温流体と低温流体の温度差です。
熱い流体が 80°C で熱交換器に入り、40°C で出ていくのに対し、冷たい流体は 20°C で入り、60°C で出ていくとします。それから：
- ΔT1 = 80 - 20 = 60℃
- ΔT2 = 40 - 60 = -20°C (絶対値をとるため、ΔT2 = 20°C)
ΔTm = (60 - 20) / ln(60 / 20) ≈ 36.4℃
基本的な公式を理解したので、取り外し不可能なスパイラル プレート熱交換器の熱伝達能力に影響を与える可能性のある要因のいくつかについて説明しましょう。
熱伝達能力に影響を与える要因
流体の特性
前述したように、粘度、密度、比熱などの流体の物理的特性は、熱伝達能力に大きな影響を与える可能性があります。粘性流体は対流熱伝達係数が低い傾向にあり、熱伝達効率が低いことを意味します。比熱の高い流体は、単位質量あたりにより多くの熱を吸収または放出できるため、熱伝達能力が向上します。
流量
熱い流体と冷たい流体の流量も重要な役割を果たします。一般に、流量が高くなると対流熱伝達係数が高くなり、全体の熱伝達容量が増加します。ただし、流量の増加には限界があります。ある点を超えると流量が増加すると圧力降下が大きくなり、熱交換器を通して流体を送り出すのに必要なエネルギー消費が増加する可能性があります。
板材と板厚
プレート材料の熱伝導率は、プレートが一方の流体から別の流体に熱を伝導する能力に影響します。熱交換器にはステンレス鋼や銅などの熱伝導率の高い材料がよく使用されます。プレートの厚さも重要です。プレートが厚いと熱抵抗が高くなり、全体の熱伝達能力が低下する可能性があります。
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参考文献
- インクロペラ、FP、デウィット、DP (2002)。熱と物質移動の基礎。ジョン・ワイリー＆サンズ。
- Kakac, S.、Liu, H. (2002)。熱交換器: 選択、評価、熱設計。 CRCプレス。