伝熱

同一物質内、あるいは密接した物体間に温度差がある場合、物質の移動を伴わない熱エネルギーのみの移動現象が発生します。この現象を伝導伝熱といい、伝導伝熱における伝熱量の関係をフーリエの法則といいます。

温度の異なる物体表面と流体との間には対流伝熱が生じます。このときの伝熱量と温度差の関係式をニュートンの冷却法則といいます。

ある絶対温度Tの黒体から放射されるエネルギーEbが温度Tの4乗に比例することを表わした法則をステファン・ボルツマンの法則といいます。輻射伝熱計算において最も基本的な法則の1つです。全放射エネルギーは温度の4乗に比例することから、温度依存性が極端に大きいです。

交換熱量を求めるにあたって使用される伝熱係数のことを総括伝熱係数Uといいます。総括伝熱係数の導出は化学工学系の学部の試験等で出ることもありますし、実務でもよく使う式なので覚えておいて損はありません。

交換熱量の計算にあたって温度差を求める必要がありますが、入口と出口で温度が異なる場合はどの区間で温度差を取るべきか判断が難しいです。そこで高温流体、低温流体の入口、出口の温度からその装置の温度差を代表的に計算した値を交換熱量の計算に使用します。この温度差のことを対数平均温度差ΔTlmといいます。

化学メーカーの設計担当者が実務で伝熱計算をするときのポイントや気をつけていることを5つ紹介します。増産するときは既設プラントにどのくらいの能力余裕があるか確認する必要がありますし、トラブル時は原因究明のために計算します。

一般に対流伝熱の伝熱係数を境膜伝熱係数hといいます。対流伝熱はニュートンの冷却法則で表されます。

この記事では配管や熱交換器の伝熱管内を流れる流体の境膜伝熱係数についてまとめています。配管内の流動は他の流れに比べると単純で、種々の相関式が発表されています。

この記事では熱交換器のシェル側を流れる流体の境膜伝熱係数についてまとめています。配管内の流動と比べるとやや複雑な流れになりますが、種々のパラメータで補正をかけることでうまく相関できる式がいくつか発表されています。

撹拌槽内の流動は撹拌翼のフローパターンによって変化するため、槽壁の境膜伝熱係数もそれに応じて変化します。先人達は境膜伝熱係数を比較的簡単な相関式で求められるよう研究してきました。以下ではその相関式について紹介します。

温度の異なる流体を流し、熱交換させる装置のことを熱交換器といいます。
化学プラントではそれぞれの工程や装置ごとに様々な温度で運転しているため、所定の温度まで加熱、あるいは冷却する装置が必須です。

プラント機器の中でも熱交換器は流体の温度変化により溶解度が変化することや伝熱管が細いことから汚れが付着しやすい機器です。伝熱面表面に汚れが付着することで伝熱性能が悪化しますが、その度合いを汚れ係数で表現します。

この記事では撹拌槽の伝熱能力についての考え方や計算方法、どのようにすれば伝熱性能を改善させることができるのか、について解説しています。