熱交換器 — CAE用語解説
熱交換器
化学プラントの設計で「シェルアンドチューブ」とか「プレート式」とか出てくるんですけど、そもそも熱交換器の基本ってどうなってるんですか？
定義
熱交換器の定義を教えてもらえますか？
ざっくり言うと、温度の異なる2つの流体の間で壁を介して熱をやり取りする機器だよ。流体の流れ方で「対向流」「並行流」「直交流」に分かれる。対向流は温度差を最大限に使えるから効率がいいんだ。
対向流が効率いいなら、全部対向流にすればいいのでは？
理想はそうだけど、実際は配管レイアウトや圧力損失の制約があるから直交流やシェルアンドチューブ（混合流型）が使われることが多いんだ。例えば自動車のラジエーターは直交流型で、コンパクトさを優先してる。設計はLMTD法で必要な伝熱面積を求めるところから始まるよ。
流体解析における役割
CFDで熱交換器をシミュレーションするとき、全部のフィンや管をモデル化するんですか？
フルモデルだとメッシュが膨大になるから、実務では「多孔質体モデル」や「有効度-NTU法」で簡略化することが多い。つまり細かいフィンを解く代わりに、等価的な圧力損失と伝熱性能をマクロモデルとして与えるんだ。
なるほど、全部メッシュを切らなくてもいいんですね。じゃあそのマクロモデルのパラメータはどう決めるんですか？
メーカーのカタログ値か、フィン1ピッチ分だけCFDで解いて圧力損失と熱伝達係数を抽出する方法が一般的だね。プラント全体のシステム解析と、コア部分の詳細CFDを使い分けるのが現場のコツだよ。
関連用語
熱交換器の設計で合わせて知っておくべき用語を教えてください。
設計の流れに沿って4つ挙げるよ。
LMTD法で概算してからCFDで詳細を詰める、って流れがイメージできました。
その段階的アプローチが一番確実だよ。まずは手計算でオーダーを押さえるところから始めてみよう。
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