ちょっと、そこ！衛生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流量についてよく質問されます。そこで、このブログを書いて、それをすべて説明したいと思いました。
まず、サニタリー熱交換器とは何かを理解しましょう。これは、食品、飲料、医薬品、乳製品など、衛生状態が非常に重要な業界で使用される重要な機器です。これらの熱交換器は、厳格な衛生基準を満たしながら、2 つの流体が混合することなく熱を伝達できるように設計されています。
さて、本題である流量に移ります。流量は基本的に、単位時間当たりに熱交換器内の特定の点を通過する流体の体積です。通常は、リットル/分 (LPM)、ガロン/分 (GPM)、または立方メートル/時 (m3/h) で測定されます。
衛生用熱交換器では、主に 2 つのタイプの流量を考慮する必要があります。それは、高温流体の流量と低温流体の流量です。これら 2 つの流量は、熱交換器がどのように機能するかに大きな役割を果たします。
流量に影響を与える要因
1. 熱伝達の要件
2 つの流体間で伝達したい熱量が重要な要素です。大量の熱を素早く伝達する必要がある場合は、通常、より高い流量が必要になります。たとえば、乳製品加工工場では、牛乳を低温殺菌するときに、牛乳を低温から特定の低温殺菌温度まで短時間で加熱する必要があります。これには、比較的高い流量の高温流体 (通常は熱水または蒸気) と、効率的な熱伝達を確保するための適切なミルクの流量が必要です。
2. 圧力損失
圧力降下は、流体が熱交換器を通過する際の圧力の低下です。一般に、流量が高くなると圧力降下も大きくなります。サニタリー熱交換器では、流量と許容圧力損失のバランスをとる必要があります。圧力降下が高すぎると、流体を圧送するためのエネルギー消費量の増加や、熱交換器のコンポーネントへの潜在的な損傷などの問題が発生する可能性があります。したがって、多くの場合、圧力降下を許容範囲内に保つ最適な流量を見つける必要があります。
3. 流体の粘度
流体の粘度も流量に影響します。粘度は、流体の流れに対する抵抗の尺度です。濃厚なシロップやクリームなどの高粘度の液体は、水などの低粘度の液体よりもゆっくりと流れます。衛生用熱交換器では、流体の粘度が高い場合、適切な熱伝達を確保するために流量を調整する必要がある場合があります。たとえば、高粘度の医薬品を扱う場合、過剰な圧力降下を避け、流体が熱を交換するのに十分な時間を確保するために流量を減らす必要がある場合があります。
流量の計算
衛生用熱交換器の流量の計算は少し難しい場合がありますが、熱力学と流体力学のいくつかの基本原理に基づいています。
熱交換器における熱伝達の基本方程式は (Q = m\times C_p\times\Delta T) です。ここで、(Q) は熱伝達率、(m) は流体の質量流量、(C_p) は流体の比熱容量、(\Delta T) は流体の入口と出口の温度差です。
質量流量の代わりに体積流量 ((V)) を使用することもできます。質量流量 ((m)) と体積流量 ((V)) の関係は、(m=\rho\times V) です。ここで、(\rho) は流体の密度です。
流量を計算するには、まずプロセスに必要な熱伝達率 ((Q)) を知る必要があります。これは、加熱または冷却する製品の量や望ましい温度変化などのプロセス要件に基づいて決定できます。
達成する必要がある熱伝達率 ((Q))、流体の比熱容量 ((C_p))、および温度差 ((\Delta T)) がわかっているとします。次に、熱伝達方程式を整理して質量流量 ((m)) を求めることができます: (m=\frac{Q}{C_p\times\Delta T})。また、体積流量 ((V)) が必要な場合は、(V = \frac{m}{\rho}) を使用できます。
サニタリー熱交換器の種類と流量特性
1. プレート式熱交換器
プレート熱交換器は衛生用途で非常に一般的です。これらは、熱い流体と冷たい流体が流れるチャネルを備えた一連の薄いプレートで構成されています。プレート熱交換器は比較的高い流量を処理でき、高い熱伝達効率を備えています。プレート熱交換器の流路は通常、乱流を促進するように設計されており、これにより熱伝達が向上します。ただし、プレート式熱交換器の圧力損失は、特に高流量の場合、比較的高くなる可能性があります。したがって、プレート熱交換器を使用する場合は、熱伝達と圧力損失のバランスをとるためにプレートの設計と流量を慎重に選択する必要があります。
2. シェルアンドチューブ熱交換器
シェルアンドチューブ熱交換器も人気のあるオプションです。シェル (大きな外側の容器) とその中にチューブの束が入っています。一方の流体はチューブを通って流れ、もう一方の流体はチューブの周りのシェルを通って流れます。シェルアンドチューブ熱交換器は幅広い流量に対応でき、流体の 1 つが高流量または高圧になる用途に適しています。たとえば、一部の大規模食品加工工場では、大量の製品を加熱するために高流量の熱水を処理するためにシェルアンドチューブ熱交換器が使用されています。
さまざまなタイプの熱交換器に興味がある場合は、こちらをご覧ください。無菌熱交換器、チタンシェルアンドチューブ熱交換器、 そしてチタンスパイラル巻シェルアンドチューブ熱交換器。
適切な流量の重要性
サニタリー熱交換器の流量を適切に設定することは、いくつかの理由から非常に重要です。
1. 効率
適切な流量により、熱交換器が最大効率で動作することが保証されます。流量が低すぎると、熱伝達が遅くなり、目的の温度変化を達成するまでに時間がかかる可能性があります。一方、流量が高すぎると、必ずしも熱伝達効率が向上するわけではなく、過剰な圧力降下やエネルギー消費の増加につながる可能性があります。
2. 製品の品質
食品や医薬品などの業界では、製品の品質は適切な熱処理に依存します。流量が正しくないと、加熱または冷却が不均一になり、製品の味、食感、安全性に影響を与える可能性があります。たとえば、ビール醸造プロセスでは、麦汁冷却中の熱交換器の流量が不適切であると、発酵が不安定になり、ビールの最終的な風味に影響を与える可能性があります。
3. 機器の寿命
適切な流量を維持すると、熱交換器の寿命を延ばすことができます。過剰な流量は熱交換器コンポーネントの浸食や腐食を引き起こす可能性があり、一方、流量が低いとファウリング（伝熱面への堆積物の蓄積）が発生する可能性があります。これらの問題は両方とも、熱交換器のパフォーマンスを低下させ、メンテナンスや交換の必要性を高める可能性があります。
サニタリー熱交換器のニーズについてはお問い合わせください
サニタリー熱交換器を検討中で、用途に適した流量を決定するのにサポートが必要な場合は、当社がお手伝いいたします。当社の専門家チームは、この分野で長年の経験があり、お客様の特定の要件に基づいてカスタマイズされたソリューションを提供できます。食品および飲料業界、製薬、または衛生的な熱伝達を必要とするその他の業界のいずれであっても、当社が対応します。お客様のプロジェクトについての会話を始めるために私たちにご連絡ください。お客様にとって最適な熱交換器ソリューションを一緒に見つけていきましょう。
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。
- RH ペリー & DW グリーン (1997)。ペリーの化学工学者ハンドブック。マグロウ - ヒル。