熱伝達の向上

熱伝達の強化は、熱交換器の効率を高めるプロセスです。これは、特定のデバイスの熱伝達力を高めるか、デバイスによって生成される圧力損失を減らすことで実現できます。この効果には、強力な二次流れの生成や境界層乱流の増加など、さまざまな手法を適用できます。

熱伝達を高めるための初期の試みでは、平坦な（または滑らかな）表面が使用されました。この表面には、平坦な表面と比較して単位面積あたりの値を高めることができる特別な表面形状が必要です。平坦な表面に対する強化された熱伝達表面の比率は、強化比「」 と呼ばれます。したがって、${\displaystyle {hA}}$${\displaystyle {hA}}$${\displaystyle E_{h}}$

${\displaystyle E_{h}={hA \over (hA)_{p}}}$

2流体向流熱交換器の熱伝達率は次のように表される。

${\displaystyle {Q=UA\Delta T_{m}}}$

強化の利点をよりわかりやすく示すために、チューブの全長「L」を次の式で乗算して割ります。

${\displaystyle {Q={UA \over L}L\Delta T_{m}}}$

はチューブの長さあたりの全体的な熱抵抗です。これは次のように表されます。 ${\displaystyle {L \over UA}}$

${\displaystyle {L \over UA}={L \over \eta _{1}h_{1}A_{1}}+{Lt_{w} \over k_{w}A_{m}}+{L \over \eta _{2}h_{2}A_{2}}}$

下付き文字 1 と 2 は、2 つの異なる流体を表します。表面効率は、拡張表面を使用して表されます。考慮すべき点の 1 つは、後者の式は単純であるため、汚れに対する抵抗がまったく含まれていないことです。これは重要です。熱交換器の性能を向上させるには、項を増やす必要があります。熱抵抗の低減を実現するために、強化された表面形状を使用して、平坦な表面に対する項の 1 つまたは両方を増やし、単位チューブ長さあたりの熱抵抗 を減らすことができます。この削減された項は、次の 3 つの目的のいずれかを達成するために使用できます。 ${\displaystyle {\eta}}$${\displaystyle {UA \over L}}$${\displaystyle {hA \over L}}$${\displaystyle {L \over UA}}$

1. サイズの縮小。熱交換率を 一定に保ちながら、熱交換器の長さを短縮し、より小型の熱交換器を実現できます。 ${\displaystyle {Q}}$

2. 増加しました ${\displaystyle {UA}}$。

• 削減: 両方 と長さを一定に維持することで削減でき、熱力学的プロセス効率が向上し、運用コストが削減されます。${\displaystyle {\Delta t_{m}}}$${\displaystyle {Q}}$${\displaystyle {\Delta t_{m}}}$
• 熱交換の増加: 長さを増加して一定に保つと、固定流体の入口温度が上昇します。${\displaystyle {UA \over L}}$${\displaystyle {Q}}$

3.一定の熱負荷に対するポンプ出力の低減。これにより、平面よりも低い動作速度と、通常は望ましくない前面面積の増加が必要になります。

設計の目的に応じて、3つの異なる性能改善のいずれかを強化された表面に使用することができ、前述の3つの性能改善のいずれかを使用することで、目的を達成することは完全に可能です。^[1]

熱伝達を強化するためのオプションはいくつかあります。対流の表面積を増やすか、対流係数を増やすことで、強化を実現できます。たとえば、表面粗さを増やして乱流を強化することができます。これは、機械加工やコイルスプリングワイヤなどの他の種類の挿入によって実現できます。挿入物は、表面と接触する部分にらせん状の粗さを与えます。対流係数は、360 度にわたって周期的にねじれたねじれテープの挿入によっても増加します。接線方向の挿入物は、管壁付近の流れの速度を最適化し、より大きな熱伝達面積を提供します。一方、面積と対流係数の増加は、スパイラルフィンまたはリブ挿入物を適用することで実現できます。ファンまたはポンプの電力制約を満たすには、圧力降下などの他の側面を考慮する必要があります。 ${\displaystyle {h}}$

コイルスプリングインサートは、乱流や追加の熱伝達表面積なしで熱伝達を高めることができます。二次流れは、流体に2つの縦方向の渦を発生させます。これにより、（右チューブとは対照的に）チューブの周囲に非常に不均一な局所的な熱伝達係数が生じる可能性があります。チューブに沿ったさまざまな場所（）の局所的な熱伝達係数に依存します。熱流束の条件が一定であると仮定すると、平均流体温度は 次のように推定できます。 ${\displaystyle {h}}$${\displaystyle {x}}$${\displaystyle {T_{m}(x)}}$

${\displaystyle {T_{m}(x)=T_{m},_{i}+{q''_{s}P \over {\dot {m}}c_{p}}x}}$   ここで   = 定数。
${\displaystyle {q''_{s}}}$

流体が加熱されると、管壁近くの流体温度は最大になりますが、熱伝達係数は角度 ( ) に大きく依存するため、局所的な最高温度の計算は簡単ではありません。この目的のために、熱流束条件を一定に保つ場合、周辺平均ヌッセルト数の相関関係がない場合は、ほとんど役に立ちません。一方、壁温度が一定の場合の周辺平均ヌッセルト数の相関関係は非常に役立ちます。^[2]${\displaystyle {\phi}}$

二次フロー:

• 熱伝達率を高めます。
• 摩擦損失が増加します。
• 入口の長さを短くします。
• 直管の場合とは対照的に、層流と乱流の熱伝達率の差を減らします。

コイルピッチSは圧力降下と熱伝達率にほとんど影響を与えません。らせん管の場合、乱流発生の臨界レイノルズ数は、

${\displaystyle {Re_{D,c,h}=Re_{D,c}[1+12(D/C)^{0.5}]}}$

ここで、乱流状態および完全に発達した状態で は によって与えられます。${\displaystyle {Re_{D,c}}}$${\displaystyle {Re_{D,c}\approx 2300}}$

層流から乱流への移行の遅れは、きつく巻かれた螺旋状の管に関連する強い二次流れに大きく依存します。完全に発達した層流の摩擦係数は、 ${\displaystyle {C/D\geq 3}}$

${\displaystyle {f={64 \over Re_{D}}}}$  ここで  、Cはらせんコイルの外径です。
${\displaystyle {Re_{D}(D/C)^{0.5}\leq 30}}$

そして

${\displaystyle {f={27 \over Re_{D}^{0.725}}(D/C)^{0.1375}}}$   のために   ${\displaystyle {30\leq Re_{D}(D/C)^{0.5}\leq 300}}$

そして

${\displaystyle {f={7.2 \over Re_{D}^{0.5}}(D/C)^{0.25}}}$   どこ   ${\displaystyle {300\leq Re_{D}(D/C)^{0.5}}}$

の場合、ShahとJoshiによって提供された推奨事項が利用可能です。^[2]熱伝達係数は、ニュートンの冷却法則の式で使用できます。${\displaystyle {C/D\leq 3}}$

${\displaystyle {q''_{s}=h(T_{s}-T_{m})}}$ 

相関関係から評価できる。

${\displaystyle {Nu_{D}=\left[\left(3.66+{4.343 \over a}\right)^{3}+1.158\left({Re_{D}(D/C)^{0.5} \over b}\right)^{3 \over 2}\right]^{1 \over 3}\left({\mu \over \mu _{s}}\right)^{0.14}}}$

どこで       そして   ${\displaystyle {a=\left(1+{927(C/D) \over Re_{D}^{2}Pr}\right)}}$${\displaystyle {b=1+{0.477 \over Pr}}}$

乱流状態における摩擦係数の相関関係は、限られたデータに基づいています。二次流による熱伝達の増加は、乱流状態では重要ではなく、10% 未満です。さらに、二次流によるらせんコイル管の使用によって生じる増加は、通常、流れが層流状態にある場合にのみ使用されます。この状態では、入口の長さは直管と比較して 20% ～ 50% 短くなります。乱流の場合、流れはらせんコイル管の最初の半回転で完全に発達します。このため、多くの工学計算では入口領域を無視できます。液体またはガスが直管内で加熱されると、中心線付近を通過する流体は、はるかに短い時間で管から出ていき、壁付近を通過する流体よりも常に低温になります。^[3]${\displaystyle {C/D\geq 20}}$