【特性値・物性値】伝導伝熱に関して設計可能な要素

物理化学工学

NEONEEETです。

化学工場では伝熱計算は重要なプロセス計算の一つです。

マスバランスの次くらいに重要なのが熱バランスです。

この2つくらいでプロセスのかなりの範囲を抑えることができると思います。

その熱バランスの計算において、伝熱計算は重要なファクターになります。

その伝熱計算を議論するうえで重要なことは何でしょうか?

ズバリ「材質」です。

伝熱計算は伝導伝熱係数・厚み・温度差で決まる

伝導伝熱の計算では、フーリエの法則が適用されます。

これは伝熱係数・厚み・温度差で決まります。

伝熱係数が高いほど、厚みが小さいほど、温度差が大きいほど、熱が伝わりやすいという式です。

非常に単純な関係式です。

厚みを変えることは難しい

厚みが小さいほど、熱は伝わりやすいです。

家でも、壁が厚かったり、カーテンが厚かったりすれば、当然熱が伝わりにくいですね。

もちろん、音も伝わりにくいです。

音も熱も、固体内を伝搬するという意味で同じです。

化学工場の設備ではこの厚みは変化させることが難しいです。

厚みを増やすという事は、コストアップにつながります。

厚みを減らすという事は、耐圧力が低くなります。

ということで厚みを増やすことも減らすこともできないのが、通常です。

温度差は数パターンしか存在しない

温度差とは、AからBに熱が伝わる時の、AとBの温度差です。

温度差が大きい方が、熱が伝わりやすいです。感覚的に分かりますね。

この温度差を化学プロセス設計において変化させることは、通常は難しいです。

プロセス側の要求は、運転条件・反応条件で決まります。

これに対して、温度調整をする手段が限定されています。

水蒸気、水、冷水、ブラインなどでしょう。

使える冷媒は決まっていて、温度もほぼ固定されています。

厳密な温度調整をする場合は、特殊な冷媒を使いますが、そういうケースはあまりありません。

ほとんどすべての伝熱計算では、温度差は固定されていると考えた方が良いです。

伝熱係数は熱が伝わりやすい物と伝わりにくい物の2種類に大別

伝熱係数は、熱が伝わりやすい物質の方が値が高いという物です。

鉄・銅・アルミなどの金属が高いです。カーボンも熱が伝わりやすいです。

逆に熱が伝わりにくいものとしては、ガラス、樹脂などがあります。

感覚的に理解しやすいと思います。

2種類に分かれるとい理解さえしていれば、細かい情報はネットや本で調べればいいだけです。

化学工場で使う材質は色々ありますが、その元をたどれば上記のような数種類に絞り込まれます。

大学で勉強するまでもなく、ある程度の理科の興味があれば、日常生活で実感できる物ばかりです。

その知識さえあれば、業務に簡単に応用できます。

ところが、大学の教科書的な知識や、会社に入った後の勉強では、日常生活との結びつきをせずに、難しい話に入ってしまい付いていけなくなる人が多いです。

伝熱係数に関して言えば、無味乾燥な表があるだけです。

解説も無く、表を見て自分で解釈しないといけません。

そういう時間が無くなっている現在、学習者はその表があったことを何となく眺めるだけで、すぐに記憶から抜けていきます。

そうして何も学習しない、と。

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