予備評価を行う際は、熱交換器全体に対して1つの係数を使用するのではなく、各熱ゾーンごとに個別の総括伝熱係数を使用してください。 一般的なシェル＆チューブのヒューリスティック（経験則）として、水対液体サービスおよび凝縮器では 850 W/(m²·°C)、液体対液体サービスでは 280 W/(m²·°C)、液体対気体サービスでは 60 W/(m²·°C)、気体対気体サービスでは 30 W/(m²·°C)、そしてリボイラーでは約 1,140 W/(m²·°C) が挙げられます。これらは予備計算のための初期値であり、測定されたパイロットプラントのデータや詳細な熱抵抗計算が利用可能な場合は、それらに置き換えるべきです。

マルチゾーン熱交換器では、顕熱による液体加熱、沸騰、凝縮、気体加熱といった各領域に対して、個別の（U）値を割り当てます。適切な値は、主に相、流動状態、汚れ（ファウリング）の状態、熱交換器の形状、および係数が管内面積と管外面積のどちらに基づいているかによって決まります。

マルチゾーン評価が必要な理由

ゾーンごとに熱抵抗が異なる

プロセス流体は、1つの熱交換器内で複数の伝熱領域を通過することがあります。例えば、顕熱による液体加熱が行われ、別の領域で沸騰し、その後過熱蒸気による加熱を受けるといったケースです。

これらの領域間では、支配的な熱抵抗が変化します。沸騰ゾーンは気体加熱ゾーンよりもはるかに高い伝熱係数を持つ可能性があるため、1つの平均的な（U）値を適用すると、各セクションで必要な面積を誤って見積もる可能性があります。

各ゾーンには独自の熱負荷がある

各ゾーンについて、関連する質量流量、比熱、および温度または相変化から熱負荷を計算します：

[ Q_z = U_z A_z \Delta T_{\mathrm{lm},z} ]

ここで、(Q_z)、(U_z)、(A_z)、および (\Delta T_{\mathrm{lm},z}) は、ゾーン (z) における熱負荷、総括伝熱係数、面積、および対数平均温度差です。

熱交換器全体の熱負荷は各ゾーンの熱負荷の合計ですが、面積はゾーンごとに評価する必要があります。

標準的な予備（U）値

水対液体サービス

水対液体サービスで一般的に使用されるヒューリスティックは以下の通りです：

[ U \approx 850\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

この値は、両方の流体が液体であり、少なくとも一方が水である場合の一般的な予備見積もりとして適しています。

水対水サービスの場合、より広範なパイロットプラントや設計の参考文献では約 800-1,500 W/(m²·°C) が使用され、一部の経験的な参考文献では 850-1,700 W/(m²·°C) が引用されています。選択する値は、流速、管寸法、汚れ係数、および面積の基準を反映させる必要があります。

凝縮器

一般的な凝縮器のヒューリスティックは以下の通りです：

[ U \approx 850\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

これは広範な出発点です。水対蒸気の凝縮では大幅に高い値を維持でき、補足的な設計範囲として約 1,420-4,250 W/(m²·°C)、または蒸気対水の加熱サービスでは 1,500-4,000 W/(m²·°C) が挙げられます。

この高い範囲をすべての凝縮器に自動的に適用すべきではありません。凝縮水の排出、不凝縮性ガス、蒸気側の抵抗、および汚れによって、実際の係数は大幅に低下する可能性があります。

液体対液体サービス

一般的な液体対液体交換の場合：

[ U \approx 280\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

これは予備作業のための保守的なヒューリスティックです。水対水システムは、水が良好な熱特性を持ち、多くの場合比較的高い流速で動作するため、より高い値を達成するのが一般的です。

有機溶剤サービスは、一般的に約 100-300 W/(m²·°C) のより広い範囲で表されます。軽油サービスは 100-400 W/(m²·°C) 付近になる可能性がありますが、重油サービスは 50-300 W/(m²·°C) 程度と低くなることがよくあります。

液体対気体サービス

液体対気体交換の場合：

[ U \approx 60\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

気体側の対流が支配的な抵抗となることが多いため、これらの係数は液体対液体サービスよりもはるかに低くなります。

水対気体システムの参考文献は約 17-280 W/(m²·°C) に及び、これは気体の速度、圧力、密度、形状、および気体が相変化を起こしているかどうかによる大きな変動を反映しています。

気体対気体サービス

気体対気体サービスの場合：

[ U \approx 30\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

より広い実用的な範囲は約 10-50 W/(m²·°C) です。低い値は低速または混合が不十分な気体流を代表し、高い値にはより強力な対流と有利な機器形状が必要です。

リボイラー

予備的なリボイラー計算の場合：

[ U \approx 1{,}140\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

リボイラーの性能は、許容熱流束に対しても確認する必要があります。引用されている最大熱流束の限界は約 31.5 kW/m² ですが、適用される限界は流体の特性、圧力、沸騰領域、表面状態、および機器の設計に依存します。

粘性液体の蒸気加熱

蒸気対重油の加熱では、総括伝熱係数は約 60-450 W/(m²·°C) の範囲になる可能性があります。

この広い範囲は、油の粘度、温度、流動パターン、および汚れの強い影響を反映しています。粘性液体側の抵抗が支配的になる可能性があるため、蒸気側の係数が高いからといって、全体の（U）値が高いとは限りません。

ゾーン別に値を適用する方法

顕熱による液体加熱ゾーン

相変化を伴わずに液体を加熱する場合、両側が液体であれば液体対液体用の値を選択してください。予備値として 280 W/(m²·°C) 付近が一般的な選択肢ですが、水対水サービスであれば、動作条件が許せば 800-1,500 W/(m²·°C) の範囲の値が正当化される場合があります。

沸騰またはリボイリングゾーン

沸騰領域では、顕熱加熱用の係数ではなく、リボイラーまたは沸騰サービスの見積もりを使用してください。リボイラーには 1,140 W/(m²·°C) 付近の初期値を使用できますが、熱流束と沸騰領域の確認が必要です。

凝縮ゾーン

蒸気の凝縮では、サービスがクリーンな蒸気対水の凝縮と具体的に同等でない限り、凝縮器のヒューリスティックである 850 W/(m²·°C) から開始してください。蒸気凝縮の参考文献では 1,420-4,250 W/(m²·°C) の範囲の値が支持される場合がありますが、パイロット機器には低い値や実測値の方が適切な場合があります。

気体加熱または気体冷却ゾーン

気体領域では、液体対気体サービスには約 60 W/(m²·°C)、気体対気体サービスには 30 W/(m²·°C) を使用してください。気体側の膜伝熱係数は比較的低いため、これらのゾーンでは不釣り合いに大きな面積が必要になることがよくあります。

（U）の決定方法

実験による決定

特定のパイロット熱交換器にとって最も信頼できる係数は、実際の運転条件下で得られます。両方の流体の流量と入口・出口温度を測定し、熱負荷を計算し、ゾーン別の対数平均温度差（LMTD）を決定して、以下を解きます：

[ U = \frac{Q}{A\Delta T_{\mathrm{lm}}} ]

実験的に決定された値は、試験された流体特性、流量、熱交換器の形状、汚れの状態、および運転構成に固有のものです。これを別のゾーンや運転条件に無批判に適用してはなりません。

熱抵抗計算

総括伝熱係数は、2つの流体膜抵抗、管壁の伝導、および汚れ抵抗を組み合わせたものです。管外面積に基づいた代表的な式は以下の通りです：

[ \frac{1}{U_o}

\frac{1}{h_o} + \frac{1}{h_{od}} + \frac{d_o\ln(d_o/d_i)}{2k_w} + \frac{d_o}{d_i}\frac{1}{h_{id}} + \frac{d_o}{d_i}\frac{1}{h_i} ]

正確な形式は選択した面積基準と抵抗の定義に依存しますが、支配的な原則は 熱抵抗は直列に加算される ということです。

この方法により、支配的な抵抗が可視化されます。例えば、気体側の膜伝熱係数が低い場合や、高粘度の液体膜がある場合、反対側の係数が大きくても、それが全体の抵抗を支配する可能性があります。

経験的な推定

経験的な表は、予備的なサイズ決定、トレーニング演習、およびパイロットプラントの測定値との比較には適切です。熱交換器が沸騰限界近くで動作する場合、著しい汚れがある場合、または複数の相変化領域を含む場合は、詳細な設計の代わりにはなりません。

トレードオフの理解

高い（U）は面積を減らすが、設計の感度を高める

より高い係数を選択すると、計算される伝熱面積が減少します：

[ A = \frac{Q}{U\Delta T_{\mathrm{lm}}} ]

しかし、想定される高い（U）値には、パイロットプラントで一貫して維持できないような高い流速、強力な混合、清浄な表面、または好ましい相変化挙動が必要になる場合があります。

低い（U）は面積を増やすが、余裕をもたらす

設計値を低くすると、計算される面積が大きくなり、初期の機器コストや物理的なサイズが増大する可能性があります。それにもかかわらず、汚れ、特性の変動、性能低下、および不確実な運転条件に対してより大きな許容度を提供できます。

サービス定義を確認せずに係数範囲を混ぜないこと

水対水、水対蒸気、蒸気対重油、および一般的な液体対気体サービスについて報告されている値は、互換性がありません。相の組み合わせとサービスの説明は、評価対象のゾーンと一致している必要があります。

面積基準を一致させる

管内面積に基づく（U_i）と管外面積に基づく（U_o）では、数値が異なります。(Q=UA\Delta T_{\mathrm{lm}}) で使用される面積は、選択した係数に対応している必要があります。

流量の変化は係数に影響する

管内乱流の場合、一般的な予備的なスケーリングは以下の通りです：

[ \frac{U_2}{U_1}\approx \left(\frac{\dot m_2}{\dot m_1}\right)^{0.8} ]

これは近似であり、普遍的な法則ではありません。流動状態と流体特性が十分に比較可能である場合にのみ使用してください。

プロジェクトへの適用方法

マルチゾーンのパイロットプラント熱交換器については、（U）を選択する前に、各ゾーンの相と伝熱領域を確立してください。

予備的なサイズ決定が主な焦点の場合： 水対液体サービスまたは凝縮器には約 850 W/(m²·°C)、一般的な液体対液体サービスには 280 W/(m²·°C)、液体対気体サービスには 60 W/(m²·°C)、気体対気体サービスには 30 W/(m²·°C)、リボイラーサービスには 1,140 W/(m²·°C) を使用してください。
相変化設計が主な焦点の場合： 沸騰ゾーンと凝縮ゾーンを個別に評価し、該当する相変化範囲を使用し、沸騰領域では熱流束の制限を確認してください。
パイロットプラントのデータ分析が主な焦点の場合： 各ゾーンの測定された温度と流量から (U_z=Q_z/(A_z\Delta T_{\mathrm{lm},z})) を決定してください。
保守的な機器選定が主な焦点の場合： 該当する範囲内で信頼できる低い係数を選択し、設計評価に汚れと運転の変動を含めてください。

正当な基準は、1つの普遍的な伝熱係数ではなく、正しいサービスカテゴリから選択され、パイロットプラントの実際の運転データで検証されたゾーン別の（U）です。

要約表：

サービスまたはゾーン	予備的な総括伝熱係数, U	主な設計上の考慮事項
水対液体	850 W/(m²·°C)	水対水システムは 800-1,500 W/(m²·°C) に達する場合がある。
凝縮器	850 W/(m²·°C)	クリーンな蒸気対水サービスは 1,420-4,250 W/(m²·°C) をサポートする場合がある。
液体対液体	280 W/(m²·°C)	有機溶剤や油サービスは、粘度、流動、汚れによって変動する。
液体対気体	60 W/(m²·°C)	気体側の抵抗が性能を支配することが多い。
気体対気体	30 W/(m²·°C)	一般的な実用範囲は 10-50 W/(m²·°C)。
リボイラーまたは沸騰ゾーン	1,140 W/(m²·°C)	沸騰領域と許容熱流束を確認すること（ある事例では約 31.5 kW/m²）。
蒸気対粘性液体	60-450 W/(m²·°C)	液体の粘度と汚れが全体の抵抗を支配する可能性がある。

各熱ゾーンに対して個別のU値を使用し、係数の内側または外側の面積基準を Q = UAΔTₗₘ で使用される面積と一致させてください。

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ユニットオペレーションのパイロットプラントにおいて、マルチゾーンのシェル＆チューブ式熱交換器を評価する際、どのような標準的な総括伝熱係数が使用されますか？