ちょっと、そこ！シェルアンドチューブ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装置の有効性を計算する方法についてよく質問されます。そこで、このブログ記事では、それを分かりやすく解説していきたいと思います。
まず、熱交換器の効率が実際に何を意味するかについて話しましょう。簡単に言えば、熱交換器が熱をある流体から別の流体にどの程度うまく伝達するかを示す尺度です。効率が高いほど、より多くの熱が伝達され、熱交換器の効率が高くなります。
シェルアンドチューブ熱交換器の有効性を計算するには、いくつかの重要な概念を理解する必要があります。まずは熱容量率から見ていきましょう。流体の熱容量率 (C) は、その質量流量 (m) と比熱容量 (c) の積です。したがって、C = m * cです。この値は、温度の単位変化ごとに流体がどれだけの熱を吸収または放出できるかを示します。
熱交換器には、高温の流体と低温の流体という 2 つの流体があります。熱い流体の熱容量率を $C_h$ 、冷たい流体の熱容量率を $C_c$ と表します。これら 2 つの熱容量率のうち小さい方は最小熱容量率として知られ、$C_{min}$ と表されます。
熱交換器内で可能な最大の熱伝達 ($Q_{max}$) は、冷たい流体が熱い流体の入口温度まで加熱されるときに発生します (熱伝達の点で最も効率的なタイプである向流熱交換器内)。 $Q_{max}$ の式は、$Q_{max}=C_{min}*(T_{h,in}-T_{c,in})$ です。ここで、$T_{h,in}$ は高温流体の入口温度、$T_{c,in}$ は低温流体の入口温度です。
ここで、熱交換器内の実際の熱伝達 ($Q_{actual}$) はさまざまな方法で計算できます。一般的な方法の 1 つは、熱容量率と、熱い流体または冷たい流体の温度変化を使用することです。たとえば、高温流体を使用する場合、$Q_{actual}=C_h*(T_{h,in}-T_{h,out})$、ここで $T_{h,out}$ は高温流体の出口温度です。同様に、低温流体 $Q_{actual}=C_c*(T_{c,out}-T_{c,in})$ を使用すると、$T_{c,out}$ は低温流体の出口温度です。
熱交換器の効率 ($\epsilon$) は、可能な最大熱伝達に対する実際の熱伝達の比率として定義されます。したがって、$\epsilon=\frac{Q_{actual}}{Q_{max}}$ となります。
これをより明確にするために例を見てみましょう。次のデータを持つシェルアンドチューブ熱交換器があるとします。
高温流体の質量流量($m_h$)は2kg/s、比熱容量($c_h$)は2000J/(kg・K)です。冷たい流体の質量流量($m_c$)は3kg/s、比熱容量($c_c$)は1000J/(kg・K)です。熱い流体の入口温度($T_{h,in}$)は100℃、冷たい流体の入口温度($T_{c,in}$)は20℃です。高温流体の出口温度($T_{h,out}$)は60℃です。
まず、熱容量率を計算します。
$C_h=m_h * c_h=2\ kg/s * 2000\ J/(kg・K)=4000\ W/K$
$C_c=m_c * c_c=3\ kg/s * 1000\ J/(kg・K)=3000\ W/K$
$C_c < C_h$ なので、$C_{min}=C_c = 3000\ W/K$
可能な最大熱伝達は $Q_{max}=C_{min} です(T_{h,in}-T_{c,in})=3000\ W/K(100 - 20)K = 240000\ W$
高温流体を使用した実際の熱伝達は $Q_{actual}=C_h*(T_{h,in}-T_{h,out})=4000\ W/K*(100 - 60)K=160000\ W$
熱交換器の効率は $\epsilon=\frac{Q_{actual}}{Q_{max}}=\frac{160000}{240000}\およそ 0.67$ または 67% です。
さて、シェルアンドチューブ熱交換器の効率に影響を与える可能性のある要因がいくつかあります。最も重要な要素の 1 つは、フローの配置です。前に述べたように、向流熱交換器は、熱交換器の長さ全体にわたって 2 つの流体間の温度差をより大きくできるため、一般に並流熱交換器よりも効率的です。
もう一つの要因は、チューブの数とチューブの配置です。一般に、チューブの数が増えると熱伝達の表面積が増えることになり、効率が向上します。チューブのピッチ (隣接するチューブの中心間の距離) も影響します。チューブのピッチを小さくすると表面積が増加しますが、圧力損失も増加する可能性があります。
チューブの汚れによっても、熱交換器の効率が大幅に低下する可能性があります。時間が経つと、チューブの内側と外側に堆積物が蓄積し、断熱層として機能し、熱伝達率が低下します。熱交換器を最高の効率で動作させるには、定期的なメンテナンスと清掃が不可欠です。
当社では、以下を含む幅広いシェルアンドチューブ熱交換器を提供しています。シェル＆プレート熱交換器、屋根裏熱交換器、 そして地中熱ヒートポンプ用同軸熱交換器。これらの熱交換器は、高効率と信頼性を確保するために最新の技術を使用して設計されています。
シェルアンドチューブ熱交換器の市場に参入している場合、効率を計算することは、用途に適した熱交換器を選択するための重要なステップです。効率に影響を与える要因とその計算方法を理解することで、情報に基づいた決定を下し、熱交換器を最大限に活用することができます。
当社の製品にご興味がございましたら、お気軽に購入交渉をご依頼ください。当社は、お客様のニーズに最適な熱交換器ソリューションを見つけるお手伝いをさせていただきます。
参考文献
- Incropera、FP、DeWitt、DP、Bergman、TL、および Lavine、AS (2007)。熱と物質移動の基礎。ジョン・ワイリー＆サンズ。
- ホルマン、JP (2002)。熱伝達。マグロウ - ヒル。