ちょっと、そこ！プレートシェル型熱交換器のサプライヤーとして、私はこれらの悪者の熱伝達係数を計算する方法についてよく質問されます。これは、特に熱交換器のパフォーマンスを最適化したい場合には重要な側面です。それでは、早速、ステップごとに詳しく見ていきましょう。
基本を理解する
まず、熱伝達係数とは何かを理解する必要があります。簡単に言えば、熱伝達係数は、材料またはシステムがどの程度熱を伝達できるかを示す尺度です。プレートシェル型熱交換器の場合、熱がプレートを通ってある流体から別の流体にいかに効率的に移動できるかがすべてです。
私たちが関心を持つ熱伝達係数には、主に 2 つのタイプがあります。それは、全体の熱伝達係数 (U) と、熱い流体と冷たい流体の個別の熱伝達係数 (h₁ と h₂) です。全体の熱伝達係数には、プレートを通る伝導やプレートの両側での対流など、システム内の熱伝達に対するすべての抵抗が考慮されます。
熱伝達率に影響を与える要因
計算を開始する前に、どのような要因が熱伝達係数に影響を与える可能性があるかを知ることが重要です。
流体の特性
熱交換器を流れる流体の特性は大きな役割を果たします。密度、粘度、比熱、熱伝導率などが重要です。たとえば、熱伝導率が高い流体は熱をより容易に伝達し、その結果、熱伝達係数が高くなります。
流量
流体が熱交換器を通過する速度も重要です。一般に、流量が高くなると流体の乱流が増加するため、熱伝達係数が高くなります。乱流は流体を混合し、新鮮な高温または低温の流体をプレートに接触させるのに役立ち、熱伝達を高めます。
プレートの形状
熱交換器のプレートの設計は、熱伝達係数に大きな影響を与える可能性があります。プレートの厚さ、表面積、プレート上の波形のパターンはすべて、流体の流れと熱の伝達方法に影響します。たとえば、表面積が大きいプレートは熱伝達のための面積を増やし、熱伝達係数を高めることができます。
個々の熱伝達係数の計算
まずは、熱い流体と冷たい流体の個々の熱伝達係数を計算する方法を見てみましょう。これを行うにはいくつかの方法がありますが、最も一般的なの 1 つは経験的な相関関係を使用することです。
Dittus - ボルター方程式
Dittus - Boelter 方程式はパイプ内の乱流に関するよく知られた相関関係であり、特定の条件下ではプレートシェル型熱交換器にも適用できます。方程式は次のように与えられます。
No = 0.023 Re⁰.⁸ Prⁿ
ここで、Nu はヌッセルト数、Re はレイノルズ数、Pr はプラントル数、n は流体が加熱されているか冷却されているかによって異なります。加熱の場合、n = 0.4、冷却の場合、n = 0.3。
ヌッセルト数は、次の方程式によって熱伝達係数 (h) に関連付けられます。
Nu = hL/k
ここで、L は特性長さ (プレートの場合、流路の水力直径である可能性があります)、k は流体の熱伝導率です。
ヌッセルト数を計算したら、熱伝達係数 (h) を解くことができます。
レイノルズ数
レイノルズ数 (Re) は、流れの状態 (層流または乱流) を決定するのに役立つ無次元数です。次のように計算されます。
Re = ρvL/m
ここで、ρ は流体の密度、v は流体の速度、L は特性長、μ は流体の動粘度です。
プラントル数
プラントル数 (Pr) は、流体の運動量拡散率と熱拡散率を関連付けるもう 1 つの無次元数です。次のように計算されます。
Pr = μCp/k
ここで、Cp は一定圧力における流体の比熱です。
全体の熱伝達係数の計算
熱い流体と冷たい流体の個々の熱伝達係数 (h₁ と h₂) が得られたら、全体の熱伝達係数 (U) を計算できます。全体の熱伝達係数には、プレート自体の抵抗だけでなく、プレートの両側の熱伝達に対する抵抗も考慮されます。
全体の熱伝達係数の式は次のとおりです。
1/U = 1/h₁ + δ/kₚ + 1/h₂
ここで、δはプレートの厚さ、kₚはプレート材料の熱伝導率です。
実際的な考慮事項
実際のアプリケーションで熱伝達係数を計算する場合、留意すべき点がいくつかあります。
汚れ
ファウリングとは、時間の経過とともに熱交換器のプレート上に堆積物が蓄積することです。これらの堆積物は熱伝達に対する追加の抵抗として機能し、熱伝達係数を低下させる可能性があります。汚損係数を含めて計算に汚損を考慮することが重要です。
プレート - フレームタイプ vs プレート - シェルタイプ
さまざまなタイプの熱交換器を検討している場合は、以下をチェックしてください。プレート-フレームタイプそしてプレート - シェルタイプオプション。熱伝達性能に関しては、それぞれのタイプに独自の長所と短所があります。
結論
プレートシェル型熱交換器の熱伝達係数の計算は複雑ですが重要なプロセスです。係数に影響を与える要因を理解し、正しい方程式と相関関係を使用することで、熱交換器のパフォーマンスを最適化できます。
高品質のプレートシェル型熱交換器をご購入の場合、または熱伝達計算に関する詳細情報が必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。お客様のアプリケーションに最適な選択ができるようお手伝いいたします。化学産業、発電、または効率的な熱伝達が必要なその他の分野のいずれであっても、当社のプレートシェル型熱交換器はお客様のニーズを満たすことができます。調達についての話し合いを開始し、最適な熱交換器ソリューションを提供するためにどのように協力できるかを知りたい場合は、お問い合わせください。
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。