コイル巻熱交換器の熱伝達率を計算するにはどうすればよいですか?
コイル巻熱交換器のサプライヤーとして、私は熱伝達率を正確に計算することの重要性を理解しています。この計算は、熱交換器の効率的な動作を確保し、さまざまな産業用途の特定の要件を満たすために非常に重要です。このブログ投稿では、コイル巻き熱交換器の熱伝達率を計算するプロセスについて説明します。
熱伝達の基本を理解する
計算に入る前に、熱伝達の基本を理解しておくことが重要です。熱伝達は、2 つの物質間に温度差があるときに発生します。コイル巻き熱交換器では、熱は一連のコイル状チューブを通って高温流体から低温流体に伝達されます。熱伝達率は、2 つの流体間の温度差、チューブの表面積、材料の熱伝導率、流体の流量など、いくつかの要因によって決まります。
熱伝達方程式
熱交換器内の熱伝達率 (Q) を計算するための基本方程式は、ニュートンの冷却の法則によって与えられます。
[Q = U \times A \times \Delta T_{lm}]
どこ：
- (Q) は熱伝達率 (ワットまたは BTU/時間) です。
- (U) は全体の熱伝達係数 (単位: (W/m^2K) または (BTU/h ft^2°F)) です。
- (A) は熱伝達表面積 ((m^2) または (ft^2) 単位) です。
- (\Delta T_{lm}) は、対数平均温度差 (LMTD) (単位は (K) または (°F)) です。
この方程式の各要素を分解し、コイル巻線熱交換器の各要素を計算する方法について説明します。
全体の熱伝達係数 (U) の計算
全体の熱伝達係数 (U) は、熱交換器内の熱伝達に対するすべての抵抗の複合効果を表します。チューブ側とシェル側の両方の対流熱伝達係数とチューブ壁の熱抵抗が考慮されます。 U の値は、実験的に決定することも、流体の特性と熱交換器の形状に基づく相関関係を使用して推定することもできます。
コイル巻き熱交換器の場合、全体の熱伝達係数は次の式を使用して計算できます。
[\frac{1}{U} = \frac{1}{h_i} + \frac{\ln(\frac{d_o}{d_i})}{2k} + \frac{1}{h_o}]
どこ：
- (h_i) はチューブ側の対流熱伝達係数です ((W/m^2K) または (BTU/h ft^2°F) 単位)。
- (h_o) はシェル側の対流熱伝達係数です ((W/m^2K) または (BTU/h ft^2°F) 単位)。
- (d_i) はチューブの内径です (単位は (m) または (ft))。
- (d_o) はチューブの外径です (単位は (m) または (ft) です。
- (k) はチューブ材料の熱伝導率です ((W/mK) または (BTU/h ft°F) 単位)。
対流熱伝達係数 (h_i) と (h_o) は、流れ状況 (層流または乱流) と流体の特性に基づく経験的相関関係を使用して計算できます。たとえば、Dittus - Boelter 方程式を使用して、管内の乱流の対流熱伝達係数を計算できます。
[h = 0.023 \times \frac{k}{d} \times Re^{0.8} \times Pr^{n}]
どこ：
- (Re) は、流れの状態を特徴付けるレイノルズ数です。
- (Pr) はプラントル数で、運動量拡散率と熱拡散率の比を表します。
- (n) は、流体が加熱されている ((n = 0.4)) か冷却されている ((n = 0.3)) かによって決まる定数です。
伝熱表面積の決定 (A)
コイル巻き熱交換器の伝熱表面積 (A) は、伝熱に利用できるチューブの総表面積です。これは、単一のチューブの外表面積に熱交換器内のチューブの数を掛けることで計算できます。
単一チューブの外表面積 ((A_t)) は次の式で与えられます。
[A_t = \pi \times d_o \times L]
どこ：
- (d_o) はチューブの外径です (単位は (m) または (ft) です。
- (L) はチューブの長さです (単位は (m) または (ft) です。
熱交換器の総伝熱表面積 (A) は次のようになります。
[A = N \times A_t]
ここで、(N) は熱交換器内のチューブの数です。
対数平均温度差の計算 ((\Delta T_{lm}))
対数平均温度差 (LMTD) 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が考慮されています。
LMTD を計算する式は、熱交換器内の流体の流れの配置 (平行流、向流、または直交流) によって異なります。コイル巻線熱交換器で最も一般的な配置である向流熱交換器の場合、LMTD は次の式で求められます。
[\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}]
どこ：
- (\Delta T_1) は、熱交換器の一端における熱い流体と冷たい流体の温度差です。
- (\Delta T_2) は、熱交換器の他端における熱い流体と冷たい流体の温度差です。
計算例
コイル巻き熱交換器の熱伝達率の計算を説明する例を考えてみましょう。次の仕様のコイル巻熱交換器があるとします。
- チューブの数 ((N)) = 100
- チューブの外径 ((d_o)) = 0.02 m
- チューブの内径 ((d_i)) = 0.018 m
- チューブの長さ ((L)) = 5 m
- 全体の熱伝達係数 ((U)) = 500 (W/m^2K)
- 高温流体の入口温度 ((T_{h1})) = 100°C
- 高温流体の出口温度 ((T_{h2})) = 60°C
- 冷たい流体の入口温度 ((T_{c1})) = 20°C
- 冷たい流体の出口温度 ((T_{c2})) = 50°C
まず、熱伝達表面積 (A) を計算します。
単一チューブの外表面積:
[A_t=\pi\times d_o\times L=\pi\times0.02\times5 = 0.314m^2]
総熱伝達表面積:
[A = N\times A_t=100\times0.314 = 31.4m^2]
次に、LMTD を計算します。
(\デルタ T_1=T_{h1}-T_{c2}=100 - 50 = 50K)
(\デルタ T_2=T_{h2}-T_{c1}=60 - 20 = 40K)
[\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}=\frac{50 - 40}{\ln(\frac{50}{40})}=44.8K]
最後に、熱伝達率 (Q) を計算します。
[Q = U\times A\times\Delta T_{lm}=500\times31.4\times44.8 = 703360W]
結論
コイル巻熱交換器の熱伝達率の計算は複雑なプロセスであり、熱伝達の原理と、関係する流体と材料の特性を十分に理解する必要があります。熱伝達率を正確に計算することで、熱交換器がアプリケーションの特定の要件を満たすように適切なサイズと設計になっているかを確認できます。
当社では、最高基準に基づいて設計、製造された高品質のコイル巻熱交換器を提供することに尽力しています。私たちの高効率コイル巻線熱交換器優れた熱伝達性能とエネルギー効率を実現します。もご用意しておりますスパイラルワインドチューブ熱交換器そして耐食スパイラル巻管熱交換器耐食性が懸念される用途に。
コイル巻線型熱交換器のご購入をご検討の場合や、製品について詳しく知りたい場合は、調達・交渉も承りますので、お気軽にお問い合わせください。お客様の熱伝達ニーズにお応えできることを楽しみにしております。
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。
- カーン、DQ (1950)。プロセス熱伝達。マグロウ - ヒル。