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私はフィンチューブ熱交換器のサプライヤーとして、これらの重要な機器に日々取り組んできました。正しい選択をしたい購入者であっても、システムの最適化を目指すユーザーであっても、フィンチューブ熱交換器の性能を測定することは非常に重要です。このブログでは、パフォーマンスを測定するための実践的な方法をいくつか紹介します。
基本を理解する
測定方法に入る前に、フィンチューブ熱交換器とは何かを簡単に説明しましょう。それらは 2 つの流体 (通常は液体と気体) の間で熱を伝達するように設計されています。チューブのフィンにより、熱伝達に利用できる表面積が増加し、これらの熱交換器はフィンのない熱交換器よりも効率的になります。
などのさまざまな熱交換器を提供しています。シェルアンドチューブ型熱交換器、Uチューブ熱交換器、 そしてアルミフィン熱交換器。各タイプには独自の特徴がありますが、パフォーマンス測定の原則はほとんど同じです。
熱伝達率の測定
熱伝達率は、フィンチューブ熱交換器の最も重要な性能指標の 1 つです。これは、単位時間あたりに一方の流体からもう一方の流体にどれだけの熱が移動するかを示します。
直接法
熱伝達率を測定する方法の 1 つは直接法です。熱い流体と冷たい流体の両方の質量流量と温度変化を測定する必要があります。熱伝達率 (Q) は次の式を使用して計算できます。
[Q = m_hc_{p,h}(T_{h,in}-T_{h,out})=m_cc_{p,c}(T_{c,out}-T_{c,in})]
ここで、(m_h) と (m_c) はそれぞれ高温流体と低温流体の質量流量、(c_{p,h}) と (c_{p,c}) は高温流体と低温流体の比熱容量、(T_{h,in}) と (T_{h,out}) は高温流体の入口温度と出口温度、(T_{c,in}) と (T_{c,out}) は入口温度と出口温度です。冷たい流体の出口温度。
質量流量を測定するには、流量計を使用できます。温度測定には、熱電対または測温抵抗体 (RTD) が一般的に使用されます。正確な測定値を取得するには、温度センサーを熱交換器の入口と出口の近くの正しい位置に配置してください。
間接法
間接的な方法では、流体の 1 つの温度を維持するために使用されるヒーターまたはクーラーへの電力入力を測定します。たとえば、電気ヒーターを使用して高温の流体を加熱している場合、ヒーターへの電力入力 ((P)) を測定できます。十分に断熱されたシステムでは、熱伝達率 (Q) は入力電力 (P) にほぼ等しくなります。
有効性とNTU法
効率 ((\ε)) は、フィンチューブ熱交換器の性能を評価するためのもう 1 つの重要なパラメータです。これは、実際の熱伝達率 ((Q)) と最大可能熱伝達率 ((Q_{max})) の比として定義されます。
[\epsilon=\frac{Q}{Q_{max}}]
可能な最大の熱伝達率は、流体の 1 つが可能な最大の温度変化を受けるときに発生します。
転送ユニット数 (NTU) は効率に関係します。 NTU は次のように定義されます。
[NTU=\frac{UA}{C_{min}}]
ここで、(U) は全体の熱伝達係数、(A) は熱伝達面積、(C_{min}) は 2 つの流体の最小熱容量率 ((C = mc_p)) です。
さまざまなタイプの熱交換器の効率と NTU の間には相関関係があります。流体の入口温度と出口温度を測定することで、有効性を計算し、適切な相関関係を使用して NTU 値を見つけることができます。これにより、熱交換器がその最大可能性と比較してどの程度優れたパフォーマンスを発揮しているかを知ることができます。
圧力損失
圧力損失は、フィンチューブ熱交換器の性能を測定する際の重要な考慮事項です。圧力降下が高いということは、熱交換器を通して流体を送り出すためにより多くのエネルギーが必要になることを意味し、運転コストが増加する可能性があります。
圧力損失の測定
圧力計を使用して、熱交換器全体の圧力損失を測定できます。各流体の流れの入口に 1 つの圧力計を配置し、出口にもう 1 つの圧力計を配置します。圧力測定値の差から、圧力降下 ((\Delta P)) が求められます。
チューブ側流体の圧力損失は、チューブの直径、チューブの長さ、流体の速度、フィンの有無などの要因によって影響されます。シェル側では、圧力損失はシェルの直径、バッフルの間隔、および流体の流れのパターンによって影響されます。
パフォーマンスへの影響
適度な圧力降下は許容されますが、圧力降下が高すぎる場合は、チューブ内やフィンの汚れ、熱交換器の設計が間違っているなどの問題を示している可能性があります。一方、圧力降下が非常に低いということは、効率的な熱伝達を促進するのに十分な流体の流れがない可能性があるため、熱伝達率も低いことを意味する可能性があります。
汚れ係数
ファウリングとは、熱交換器の伝熱面に望ましくない堆積物が蓄積することです。熱伝達性能が大幅に低下し、圧力損失が増加する可能性があります。
汚れ係数の測定
汚れ係数 ((R_f)) は、きれいな熱交換器 ((U_{clean})) の全体熱伝達係数 ((U)) と汚れた熱交換器 ((U_{汚れ})) の全体熱伝達係数 ((U)) を比較することで推定できます。
[\frac{1}{U_{汚れた}}=\frac{1}{U_{きれいな}}+R_f]
全体の熱伝達係数を測定するには、熱伝達率の公式 (Q = UA\Delta T_{lm}) を使用できます。ここで、(\Delta T_{lm}) は対数平均温度差です。きれいな熱交換器と汚れた熱交換器の両方の (Q)、(A)、および (\Delta T_{lm}) を測定することで、汚れ係数を計算できます。
汚れの防止
熱交換器の清掃などの定期的なメンテナンスは汚れを軽減するのに役立ちます。流体に適切な濾過システムを使用すると、汚れの原因となる粒子の侵入を防ぐこともできます。
効率と費用対効果
技術的な性能パラメータに加えて、フィンチューブ熱交換器の効率と費用対効果を考慮することも重要です。
エネルギー効率
エネルギー効率は、熱伝達率と消費電力に関係します。エネルギー効率の高い熱交換器は、より少ないエネルギー入力でより多くの熱を伝達します。エネルギー効率は、熱伝達率をポンプとヒーターへの入力電力で割ることで計算できます。
費用対効果
費用対効果には、熱交換器の初期コスト、運用コスト (エネルギー消費およびメンテナンスコストを含む)、および予想される耐用年数が考慮されます。熱交換器を選択するときは、コストパフォーマンスを最大限に高めるために、これらの要素のバランスを取る必要があります。
結論
フィンチューブ熱交換器の性能測定は多面的なプロセスです。熱伝達率、効率、圧力損失、ファウリングファクター、エネルギー効率、コスト効率などのパラメータを確認することで、熱交換器のパフォーマンスを包括的に理解できます。
フィンチューブ熱交換器の市場に参入している場合、または性能測定に関する詳細情報が必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。私たちは、お客様がアプリケーションに適した選択をできるようお手伝いいたします。私たちのことに興味があるかどうかシェルアンドチューブ型熱交換器、Uチューブ熱交換器、 またはアルミフィン熱交換器、詳細な製品情報と技術サポートをご提供いたします。特定の要件についての話し合いを開始するには、お問い合わせください。
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。
- シャー、RK、およびセクリッチ、DP (2003)。熱交換器設計の基礎。ジョン・ワイリー＆サンズ。
