Moneytizerによる広告を掲載しています。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。$$q=h(T_{w}-T_{bulk})・・・(1)$$q:熱流束[W/m2]、h:境膜伝熱係数[W/(m2・K)]Tw:壁面温度[K]、Tbulk:流体のバルク温度[K]ニュートンの冷却法則は(1)式で表されます。式の形は伝導伝熱を表わすフーリエの法則と似ていますが、大きく異なる点は比例定数です。フーリエの法則の比例定数である熱伝導度は物質固有の値であるのに対して、ニュートンの冷却法則の比例定数である境膜伝熱係数は流体の流れの状態により変化します。したがって、境膜伝熱係数は算出するのが難しい比例定数となります。プラントでよく見かける流体の流れはある程度パターンがあり、そのような系では境膜伝熱係数を算出するための実験式や半経験式があることが多いです。加えて、対流伝熱は工業的にも主要な伝熱形態となりますので計算する機会も多いでしょう。実務でよく計算する境膜伝熱係数の計算式や算出方法をまとめました。解説:チューブ内流れの伝熱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。続きを見るシェル側境膜伝熱係数バッフルがある場合とない場合で使用する式が違います。熱交換器【シェル側境膜伝熱係数】を解説:各計算式を比較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。U・伝熱面積A・温度差ΔTそれぞれの改善手法を徹底解説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。続きを見る熱流体解析ソフト(CFD)での取り扱い熱流体解析ソフト(CFD)は近年かなり便利になっており、様々な値を出力することができます。Fluentでは対流伝熱計算をした際には、壁熱伝達率[W/(m2・K)]というパラメータを出力することができます。うまく利用すれば境膜伝熱係数を簡単に出力できる一方で、メッシュの切り方や設定を間違えると境膜伝熱係数とは異なる値が出力されてしまいます。ここでは壁熱伝達率の扱いについて解説します。(ソフトのバージョンによって壁熱伝達率の定義や計算方法が異なる可能性があることをご容赦願います。通常のニュートンの粘性法則の定義です。上図に壁面近傍の温度境界層を示します。境膜伝熱係数は壁面温度と流体のバルク温度の差で定義され、(1)式のように表されます。一方で、熱流体解析ソフト(Fluent)で出力できる壁熱伝達率の定義は(1)式とは異なります。壁熱伝達率は壁面温度と壁面第一層のメッシュにおける温度の差で定義され(2)式のように表されます。$$q=h(T_{w}-T_{f1})・・・(2)$$Fluentではメッシュのセル中心で値を計算しますから、壁面から第一層メッシュのセル中心までの温度差が取られます。したがって、第一層のメッシュを細かくし過ぎると粘性底層の温度を拾ってしまい、壁熱伝達率の値は(1)式で定義される境膜伝熱係数とは異なる値となります。これを回避する手段として、乱流域(バルク領域)にセル中心がくるようメッシュを切ることが挙げられます。上図のようにメッシュを配置すれば境膜伝熱係数とほとんど同じ値となる壁熱伝達率が得られるでしょう。このようなメッシュの切り方は、乱流場の解析で壁関数を使用する場合の一般的な手法であり、特別なことをしているわけではありません。最近はコンピュータの計算スペック向上に伴い、壁関数を使用せず壁面近傍のメッシュを細かく切るタイプの乱流モデルを使うことも増えています。そのような場合には上記の理由から、壁熱伝達率が境膜伝熱係数と全く異なる値が得られてしまうため気をつける必要があります。CFDをうまく使用することで、境膜伝熱係数を算出する実験式が適用できないような複雑な流れであっても、形状を再現して解析すれば境膜伝熱係数を得ることができ、装置設計の指針となります。コメントをキャンセルメールアドレスが公開されることはありません。※サイト次回のコメントで使用するためブラウザーに自分の名前、メールアドレス、サイトを保存する。date*日本語が含まれない投稿は無視されますのでご注意ください。Chemical)式とは活量係数を算出するモデルの1つです。活量係数モデルの中では比較的新しく、1975年に提案されています。U・伝熱面積A・温度差ΔTそれぞれの改善手法を徹底解説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。化学プラントの装置設計をするうえで、正しい物性を使用して計算することは非常に重要です。プラントの主要な装置である蒸留塔や熱交換器の設計には、特に気液平衡データの精度が重要になってきます。本記事では気液平衡データの熱力学的健全性を確認するテストについて紹介します。【NRTL式】を解説:汎用的で使用頻度の高い活量係数モデルNRTL式とは活量係数を算出する手法の1つであり、Wilsonの式と同様に3成分以上の多成分系に適用できる式です。Wilsonの式とは違い2液相分離する系にも適用できるため汎用性の高い手法です。物質を混合したときに生じるエンタルピー変化を混合熱、もしくは混合エンタルピーといいます。混合する物質によってはプロセスの温度が大きく変化しうるため、気を付けなければならない要素の1つです。粒子を含む流体中にフィルター等の障害物を設置すると、流体は障害物を避けて流れますが、粒子は障害物を避けきれずに衝突し捕集されます。このような慣性力を利用した捕集機構を慣性捕集機構といいます。(CSTR)】の基礎式・実務でのポイントを解説プロフィールこのブログを運営しているルートです。化学メーカーで働くケミカルエンジニアです。