管状熱交換器の熱伝達速度を計算する方法は？

管状熱交換器の熱伝達速度を計算する方法は？

管状熱交換器のサプライヤーとして、これらの重要な機器の設計、操作、および最適化において正確な熱伝達率の計算が果たす重要な役割を理解しています。このブログ投稿では、管状熱交換器の熱伝達速度を計算するプロセスを案内し、熱交換ニーズについて情報に基づいた決定を下すために必要な知識とツールを提供します。

熱伝達の基本を理解する

計算に飛び込む前に、熱伝達の原則を基本的に理解することが重要です。熱伝達は、2つの物質間に温度差がある場合に発生し、伝導、対流、および放射という3つの主要なメカニズムを介して行われます。管状熱交換器では、熱伝達の主なモードは対流であり、これには、液体の動きを介した流体と固体表面の間の熱の伝達が含まれます。

熱流束とも呼ばれる熱伝達速度は、単位時間ごとに伝達される熱の量です。通常、1時間あたりのワット（W）または英国の熱単位（BTU/H）で測定されます。熱伝達速度は、2つの流体間の温度差、熱伝達に利用できる表面積、関与する材料の熱伝導率、流体の流量など、いくつかの要因の影響を受けます。

全体的な熱伝達係数（U）

全体的な熱伝達係数（U）は、熱交換器がある液から別の液に熱を伝達する能力の尺度です。熱伝達プロセスに対する伝導、対流、およびファウリングの複合効果を考慮しています。全体的な熱伝達係数は、摂氏あたり1平方メートルあたりワット単位（w/m²・°C）または華氏あたり1平方フィートあたり1時間あたり1時間あたりの英国の熱ユニット（BTU/H・Ft²・F）で表されます。

全体の熱伝達係数は、次の方程式を使用して計算できます。

1/u = 1/hi + rf、i +Δ/k + rf、o + 1/ho

どこ：

• こんにちは、内部熱伝達係数（w/m²・°CまたはBTU/H・ft²・f）です。
• RF、私は内部のファウリング抵抗です（m²・°C/wまたはft²・°f・h/btu）
• δはチューブ壁（mまたはft）の厚さです
• kはチューブ材料の熱伝導率です（w/m・°CまたはBTU/H・ft・°F）
• rf、oは外部のファウリング抵抗（m²・°C/wまたはft²・°f・h/btu）です。
• HOは外部熱伝達係数（w/m²・°CまたはBTU/H・ft²・f）です。

内側と外側の熱伝達係数は、熱交換器の流れ領域、流体特性、およびジオメトリに基づく経験的相関を使用して決定できます。ファウリング抵抗は、チューブ表面に堆積物が蓄積することを説明しており、これにより、時間の経過とともに熱伝達効率を低下させる可能性があります。チューブ材料の熱伝導率は、ステンレス鋼、炭素鋼、チタンなど、使用する材料の種類に依存します。

対数平均温度差（LMTD）

対数平均温度差（LMTD）は、熱交換器内の2つの流体間の平均温度差の尺度です。流体間の温度差が熱交換器の長さに沿って変化するという事実を考慮しています。 LMTDは、次の方程式を使用して計算されます。

lmtd =（Δt1-Δt2） / ln（Δt1 /Δt2）

どこ：

• ΔT1は、熱交換器の一端（°Cまたは°F）の高温液と冷水の温度差の差です
• ΔT2は、熱交換器のもう一方の端（°Cまたは°F）の高温液と冷水の温度差の差です

LMTDは、単純な算術平均よりも2つの流体間の平均温度差のより正確な表現を提供するため、熱伝達速度の計算で使用されます。

熱伝達速度の計算（Q）

全体的な熱伝達係数（U）と対数平均温度差（LMTD）が決定されると、次の方程式を使用して熱伝達速度（Q）を計算できます。

q = u×a×lmtd

どこ：

• Qは熱伝達速度（wまたはbtu/h）です
• Uは全体的な熱伝達係数（w/m²・°CまたはBTU/H・ft²・f）です。
• Aは、熱伝達に利用できる表面積です（m²またはft²）
• LMTDは、対数平均温度差（°Cまたは°F）です

熱伝達に利用できる表面積は、チューブの数、チューブの直径、チューブの長さなど、熱交換器のジオメトリに基づいて計算できます。

例の計算

管状熱交換器の熱伝達速度を計算する例を考えてみましょう。次の仕様で熱交換器があるとします。

• チューブ材料：炭素鋼熱交換器炭素鋼熱交換器
• チューブの直径：25 mm
• チューブの長さ：3 m
• チューブの数：100
• 内部熱伝達係数（HI）：1000 w/m²・°C
• 外部熱伝達係数（HO）：800 w/m²・°C
• 内部ファウリング抵抗（RF、I）：0.0002m²・°C/w
• 外のファウリング抵抗（RF、O）：0.0003m²・°C/w
• チューブ壁の厚さ（δ）：2 mm
• チューブ材料の熱伝導率（k）：50 w/m・°C
• 高温流体入口温度：100°C
• 高温流体出口温度：60°C
• 冷水入口温度：20°C
• 冷水出口温度：50°C

まず、熱伝達係数全体（U）を計算する必要があります。

1/u = 1/hi + rf、i +Δ/k + rf、o + 1/ho
1/u = 1/1000 + 0.0002 + 0.002/50 + 0.0003 + 1/800
1/u = 0.001 + 0.0002 + 0.00004 + 0.0003 + 0.00125
1/u = 0.00279
U = 358.42 w/m²・°C

次に、対数平均温度差（LMTD）を計算する必要があります。

ΔT1= 100-50 = 50°C
ΔT2= 60-20 = 40°C
lmtd =（Δt1-Δt2） / ln（Δt1 /Δt2）
lmtd =（50-40） / ln（50/40）
LMTD = 10 / 0.223
LMTD = 44.84°C

最後に、熱伝達速度（Q）を計算できます。

熱伝達に利用できる表面積（a）は、次のように計算できます。

a =π×d×l×n
A =π×0.025×3×100
A =23.56m²

q = u×a×lmtd
Q = 358.42×23.56×44.84
Q = 376,732.6 w

したがって、管状熱交換器の熱伝達速度は約376,733 Wまたは1,285,368 BTU/hです。

正確な計算の重要性

熱伝達速度の正確な計算は、管状熱交換器の適切な設計と動作に不可欠です。熱交換器のサイズが正しく、効率的に動作するようにすることにより、エネルギー消費を最小限に抑え、運用コストを削減し、機器のサービス寿命を延長することができます。

さらに、正確な計算は、特定のアプリケーションに適したタイプの熱交換器を選択するのに役立ちます。たとえば、熱伝達率が高く、スペースが限られている場合は、スパイラルチューブ熱交換器、コンパクトなデザインと高い表面積と容積の比率があります。一方、蒸気を凝縮する必要がある場合は、コンデンサー、この目的のために特別に設計されています。

熱交換のニーズについては、お問い合わせください

管状熱交換器の大手サプライヤーとして、アプリケーションに適した熱交換器を選択し、ピーク効率で動作することを確認するための専門知識と経験があります。当社のエンジニアチームは、詳細な計算を実行して熱伝達率とその他の重要なパラメーターを決定することができ、特定の要件を満たすカスタマイズされたソリューションを提供できます。

私たちの管状の熱交換器についてもっと知りたい場合、または熱交換のニーズについて話し合いたい場合は、今すぐお問い合わせください。あなたの目標を達成するためにあなたと協力することを楽しみにしています。

参照

• Incropera、FP、＆Dewitt、DP（2002）。熱と物質移動の基礎。ジョン・ワイリー＆サンズ。
• Shah、RK、＆Sekulic、DP（2003）。熱交換器設計の基礎。ジョン・ワイリー＆サンズ。
• 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。