熱伝達流体

流体熱力学では、熱伝達流体は、プロセスの一方側での冷却、熱エネルギーの輸送と貯蔵、プロセスのもう一方側での加熱の媒介として機能して熱伝達に関与する気体または液体です。熱伝達流体は、通常、閉回路および連続サイクルで、加熱または冷却を必要とする無数のアプリケーションおよび産業プロセスで使用されます。たとえば、冷却水はエンジンを冷却し、水暖房システムで水を加熱すると、室内の ラジエーターが加熱されます。

水は、その経済性、高い熱容量、および輸送特性のよさから、最も一般的な熱伝達流体です。しかし、システム圧力によっては、0 °C 以下では凍結し、高温では沸騰するため、使用可能な温度範囲が制限されます。不凍添加剤を使用すれば、凍結の問題をある程度緩和できます。しかし、他の多くの熱伝達流体が開発され、さまざまな用途に使用されています。高温の場合、油、合成炭化水素、またはシリコンベースの流体は、蒸気圧が低くなります。溶融塩および溶融金属は、有機流体が分解し始める 300 ～ 400 °C を超える温度で熱を伝達および蓄えるために使用できます。水蒸気、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素などのガスは、液体が適さない熱伝達流体として使用されてきました。ガスの場合、低いポンプ出力でより高い流量を実現するために、通常は圧力を高くする必要があります。

過熱を防ぐために、流体がシステムまたはデバイスの内部を流れ、特定のデバイスまたはシステムの外部に熱を伝達します。

一般的に、冷媒は沸点が高く、熱容量も大きいです。沸点が高いと、熱伝達液体が高温で蒸発するのを防ぎます。熱容量が大きいと、少量の冷媒で大量の熱を非常に効率的に伝達できます。

使用する熱伝達液体は、沸点が低いものであってはならないことを確実にしなければなりません。これは、沸点が低いと、高温の物質と熱を交換するために使用したときに、低温で液体が蒸発してしまうためです。これにより、液体が使用される機械自体に液体の蒸気が発生します。

また、熱伝達流体は高い熱容量を持つ必要があります。熱容量は、流体が温度を変えずに保持できる熱量を示します。液体の場合、温度が沸点に達して最終的に蒸発するまでに液体が保持できる熱量も示します。

流体の熱容量が低い場合、比較的少量の熱を交換するために大量の流体が必要になります。これにより、熱伝達流体の使用コストが増加し、プロセスの効率が低下します。

液体熱伝達流体の場合、少量の使用で気化が起こり、それが使用される装置にとって危険な場合があります。装置は液体用に設計されていますが、気化により流路に蒸気が含まれます。また、同じ圧力では、ガスは液体よりも大きな体積を占めます。蒸気が発生すると、それが流れるパイプ/チャネルの壁にかかる圧力が高まります。これにより、流路が破裂する可能性があります。

熱伝達流体には独特の熱特性と化学特性があり、それによってさまざまな産業用途への適合性が決まります。主な特性は次のとおりです。

• 熱安定性: これは、温度変化による物理的特性の不可逆的な変化に対する流体の耐性を指します。熱安定性の高い流体は劣化経路が少なく、耐用年数が長くなり、メンテナンスが少なくなります。流体の熱安定性の判定は、多くの場合、熱応力下で形成される劣化生成物を評価するASTM D6743などのテストに基づいています。^[1]

• 粘度：流体の粘度は、その流動特性とポンプコストに影響します。粘度の低い流体は、ポンプで送ったりシステム内で循環させたりするのが簡単です。^[2]

• 熱容量：流体の熱容量は、流体がどれだけの熱エネルギーを輸送および貯蔵できるかを示し、熱伝達プロセスの効率に影響を与えます。^[2]

• 熱伝導率と熱拡散率：これらの特性は流体を介して熱が伝達される速度に影響し、システムが温度変化にどれだけ速く反応できるかに影響します。^[2]

• 腐食の可能性：熱伝達流体とシステム材料の適合性は、腐食を最小限に抑え、機器の寿命を延ばすために非常に重要です。^[2]

• 凝固点と沸点：流体は、熱伝達プロセス中に所望の相を維持し、動作温度範囲内での相変化に関連する問題を回避するために、高い沸点と低い凝固点を持つ必要があります。^[2]

熱伝達流体は、製造工程における正確な温度制御を可能にするため、さまざまな産業用途に不可欠なものです。食品業界では、肉やスナックの加工に不可欠です。化学プロセスでは、バッチリアクターや連続操作に熱伝達流体が使用されることがよくあります。プラスチック、ゴム、複合材の分野では、成形や押し出しプロセスで熱伝達流体を使用しています。また、石油化学合成や蒸留、石油やガスの精製、プレスやラミネート加工における材料の変換にも熱伝達流体は不可欠です。^[3]

太陽光発電所では、効率的なエネルギー生成と蓄熱のために、リニアフレネルやパラボリックトラフシステムなどの集光器で熱伝達流体が使用されています。溶融塩と合成熱伝達流体は、さまざまな温度範囲で機能する能力に基づいて使用され、発電と太陽電池用のポリシリコンの製造に貢献しています。これらの流体は、太陽光および電子用途の高純度シリコンを作成するために不可欠な、ポリシリコン製造の精製および冷却ステップに役立ちます。^[4]適切な熱伝達流体を選択するために、通常、技術経済分析が行われます。^[5]低コストまたは費用対効果の高い熱油の選択に関しては、取得または購入コストだけでなく、運用コストと交換コストも考慮することが重要です。^[5]最初は高価だったオイルでも、熱安定性が高く、交換頻度が減れば、長期的には費用対効果が高くなる可能性があります。^[5]

熱伝達流体の選択は、システムの効率と寿命にとって重要です。一般的に使用される流体は次のとおりです。

• 水：熱容量と熱伝導率が高いため、最も広く使用されています。^[1]
• モノエチレングリコール：寒冷な気候での使用のために凝固点を下げるために水と混合して使用されることが多い。^[2]
• プロピレングリコール：毒性が懸念される食品製造業やその他の産業で好まれます。^[3]
• シリコーンオイル：高温での安定性と電気絶縁性のために使用されます。^[4]
• 合成および芳香族熱伝達流体：太陽光発電や工業用熱プロセスなどの高温用途に使用されます。^[5]
• 溶融塩：蓄熱能力と非常に高い温度で動作できる能力があるため、太陽エネルギーシステムで利用される。^[6]
• 植物油：生分解性があり再生可能であるため、太陽エネルギーシステムで利用されています。^{[6] [7] [8]}

• 冷却剤
• ナノ流体 § スマート冷却ナノ流体
• 熱伝達油（油冷却、油ヒーター）

• Singh, Jasbir (1985)。プロセスおよびエネルギーアプリケーション向け熱伝達流体およびシステム。ニューヨーク: Marcel Dekker。ISBN 0-8247-7191-5。