やあ、皆さん！シェルチューブ熱交換器のサプライヤーとして、私はさまざまな要因がこれらの不良品のパフォーマンスにどのように影響を与えるかを直接見てきました。見落とされがちな重要な要素の 1 つは流体の粘度です。このブログでは、流体の粘度とは何か、それがシェルチューブ熱交換器の性能にどのような影響を与えるか、そしてそれがなぜ重要なのかについて詳しく説明します。
そもそも流体の粘度とは何ですか?
流体の粘度は、基本的に、流体の濃さまたは粘着性の尺度です。蜂蜜は粘度が高くて流れが遅いため、水は粘度が低く、薄くて流れやすいと考えてください。専門用語で言えば、粘度は流体の流れに対する抵抗です。これは流体の分子間の内部摩擦によって引き起こされます。
粘度には主に動粘度と動粘度の 2 種類があります。パスカル秒 (Pa・s) で測定される動粘度は、加えられた力の下で流れる流体の内部抵抗の尺度です。動粘度は平方メートル/秒 (m²/s) で測定され、流体の密度に対する動粘度の比です。
粘度が熱伝達に与える影響
ここで、流体の粘度がシェルチューブ熱交換器の性能にどのような影響を与えるかについて説明します。熱交換器の主な仕事は、ある流体から別の流体に熱を伝達することです。この熱伝達は伝導と対流によって起こります。
伝導
伝導とは、固体または静止した流体を介した熱の伝達です。シェルチューブ熱交換器では、チューブが熱伝導の主要な導管となります。高粘度の流体がチューブ内を流れると、チューブ壁の近くに厚い境界層が形成されることがあります。この境界層は絶縁体として機能し、流体からチューブ壁への熱伝導率を低減します。その結果、全体の熱伝達率が低下し、熱交換器の効率が低下します。
一方、粘度が低い流体は流れやすくなり、より薄い境界層を形成します。これにより、流体から管壁への熱伝導が向上し、熱伝達係数が増加し、熱交換器の効率が向上します。
対流
対流は、流体の動きによる熱の伝達です。シェルチューブ熱交換器では、チューブ側とシェル側の両方の流体が動きます。高粘度の流体は動きにくくなり、対流による熱伝達が減少します。高粘度の流体の流れは層流になる可能性が高く、流体は層間でほとんど混合せずに平行な層を移動します。層流は乱流に比べて熱伝達係数が低くなります。
低粘度の流体でよく見られる乱流により、流体が激しく混合され、熱い流体と冷たい流体の接触が増加し、対流による熱伝達が促進されます。したがって、熱交換器内に高粘度の流体がある場合、望ましいレベルの熱伝達を達成することがより困難になります。
圧力損失
流体の粘度の影響を受けるもう 1 つの重要な側面は、熱交換器全体の圧力降下です。圧力降下は、流体が熱交換器を流れるときに発生する圧力の低下です。高粘度の流体は、熱交換器のチューブとシェルを流れるためにより多くのエネルギーを必要とします。これは、低粘度流体に比べて高粘度流体の圧力損失が大きいことを意味します。
圧力降下が大きいと、流体の流れを維持するためにより強力なポンプが必要になるため、問題になる可能性があります。これにより、熱交換器システムの運用コストが増加します。さらに、圧力降下が高すぎると、熱交換器にチューブの振動やチューブの破損などの機械的問題が発生する可能性があります。
設計と選択への影響
シェルチューブ熱交換器のサプライヤーとして、私は特定の用途に適した熱交換器の設計と選択において粘度が重要な役割を果たすことを知っています。
設計上の考慮事項
高粘度流体用の熱交換器を設計する場合、いくつかの要素を考慮する必要があります。圧力損失を減らすためにチューブの直径を大きくする必要がある場合があります。大きなチューブは流体が流れるためのより多くのスペースを提供し、高粘度によって引き起こされる抵抗を軽減します。
チューブのレイアウトとチューブのパス数も考慮する必要があります。よりオープンシェル側の構成など、異なるチューブのレイアウトは、高粘度の流体の流れを改善するのに役立ちます。さらに、チューブの通過回数を増やすと熱伝達表面積が増加し、高粘度による熱伝達係数の低下を補うことができます。
適切な熱交換器の選択
シェルチューブ熱交換器を購入する場合は、使用する流体の粘度に最適なものを選択する必要があります。低粘度流体用の標準品シェルチューブ熱交換器うまくいくかもしれません。ただし、高粘度の液体の場合は、縦型シェルチューブ熱交換器。垂直設計は、圧力降下を軽減し、高粘度流体の流れを改善するのに役立ちます。
腐食も懸念される場合は、ステンレス鋼のチューブおよびシェル熱交換器素晴らしい選択肢になるかもしれません。ステンレス鋼は耐腐食性があり、幅広い粘度の液体に対応できます。
実際の例
流体の粘度がシェルチューブ熱交換器に及ぼす影響を説明するために、実際の例をいくつか見てみましょう。
食品加工産業
食品加工業界では、フルーツピューレ、シロップ、乳製品など、粘度の高い液体が多くあります。これらの製品を低温殺菌または冷却するためにシェルチューブ熱交換器を使用する場合、粘度が高いために問題が発生する可能性があります。濃厚な流体はチューブ内を均一に流れない可能性があり、熱伝達が不均一になり、ホットスポットが発生する可能性があります。これは食品の品質に影響を与える可能性があります。
これらの問題を解決するために、食品加工工場では多くの場合、より大きなチューブ直径とよりオープンな流路を備えた特別に設計された熱交換器が使用されます。また、粘度を下げて熱伝達効率を向上させるために、熱交換器に入る前に高粘度の流体を予熱または希釈することもあります。
石油およびガス産業
石油およびガス産業では、特に低温では原油の粘度が比較的高くなります。原油の輸送または処理の際、石油を加熱または冷却するためにシェルチューブ熱交換器が使用されます。原油の粘度が高いと、圧力が大幅に低下し、熱伝達効率が低下する可能性があります。
これに対処するために、製油所は管表面を強化した熱交換器を使用したり、粘度を下げるために油に化学添加剤を添加したりすることがあります。これらの対策により、熱交換器の性能が向上し、運用コストが削減されます。
結論
結論として、流体の粘度はシェルチューブ熱交換器の性能に大きな影響を与えます。高粘度の流体は熱伝達係数を低下させ、圧力損失を増加させ、熱交換器の効率を低下させる可能性があります。シェルチューブ熱交換器のサプライヤーとして、私は用途に適した熱交換器を設計および選択する際に流体の粘度を考慮することの重要性を理解しています。
食品加工、石油・ガス、またはその他の業界で高粘度の流体を扱う場合でも、適切な熱交換器を選択することが重要です。流体の特定の粘度に対応できる信頼性の高いシェルチューブ熱交換器をお探しの場合は、遠慮なくご相談ください。当社は、お客様の熱伝達ニーズに最適なソリューションを見つけるために協力いたします。
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。
- Kakac, S.、Liu, H. (2002)。熱交換器: 選択、評価、熱設計。 CRCプレス。