熱交換器

熱交換器

 

工業において一般的に使用されている伝熱分野の考え方の一つに
熱交換器における熱交換があります。

 

熱交換器とは、一般的には内管と外管と呼ばれる二つの管から構成され、
内管と外管に温度の異なる流体を流し、熱のやり取り(熱の交換)をすることで、
内管に流す流体の温度を目的の温度まで下げる、もしくは上げる装置のことです。

 

このページでは熱交換器の仕組みについて解説していきます。

 

 

二重管型熱交換器(簡易モデル)

一般的な熱交換器は内管と外管から構成され、この構成の熱交換器のことを
二重管型熱交換器と呼びます。

 

上述の通り、内管と外管に温度の異なる流体を流し、熱のやり取りをすることで、
内管に流す流体の温度を目的の温度まで下げる、もしくは上げます。

 

装置の概要は以下の通りです。

 

 

 

静状態、つまり流体の移動が完全に止まった際の熱収支(比熱と温度の関係)
熱量Q=mc儺 (m:質量、c:比熱、儺:温度変化)で表されます。

 

これに対して、熱交換器では動状態、つまり流体の流れがある状態での
熱収支であるため使用する量に質量流量W [kg/s] を使用します。

 

単純に内管中流体と外管中流体間で熱のやりとりを行うため、
以下のように熱収支式を立てられます。

 

 

しかし、熱交換器では流体の温度分布が管の場所により異なるため、
実際はこの温度分布を考慮した対数平均温度差や内管-外管間の接触面積A、総括伝熱係数U
を考慮した下記の式により熱流量Qが表されます。

 

 

 

 

ここで対数平均温度差を算出する際は、儺1と儺2の取り方が、
向流と平流で異なるため注意しましょう。

 

熱交換器の設計においては、必要な熱流量や温度差、流体の質量流量が指定してあり、
その条件における接触面積を決めるケースがあり、その場合は既知のQ、U、儺から
接触面積Aを逆算していきます。

 

実際の工業現場における熱交換器(工事中)

 


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