かきとり型熱交換器の熱伝達について
（昭和47年10月13日原稿受理）
機械工学教室勝原哲治 東レ（株）松原正 明
On the Heat Tra負sfer in a Scraped・Surface Type Heat Exchanger
by Tetsuji KATSUHARA Masaaki MATSUBARA
Though the heat transfer in a scraped・surface type heat exchanger is important in chemical industry， there is few study foどheating liquidえn c◎mparisoll with c◎磁ng one． The writer＄have carried out the heat transfer experim位t for heating water，
spi負d叉◇◎il andどoga1◎i1．
The re顕1ts are summarized as follows：
① The fo玄m碇a based o豆the p斑etmti◎n the◎ピy has disagreeme雄with the results of experiment， the reason has been made clear．
（2）The e即eピic砿f◎rmulaまor heating liquid isτepres磁ed．
（3） The inf【uences of factors on the heat transfer coef五cient are investigated．
1andの研究結果から知られることは，熱伝達に
1・はじめに は回轍の影響よりも軸方向の流速の影響のほう
化学工業，食品工業，繊維工業など高粘性流体 が大きいこと，流体の物性値の影響もこれについ を取扱う工業においてはその冷却あるいは加熱の で効いてくること，流体の物性が広い範囲にわた 速さが全プロセスの所要時間に大きく影響し，そ る場合を総合すると熱伝達係数は必ずしも回転数 の流体が製品の原料となる場合には製品の品質に の1／2乗に比例しないことを示している。Skeレ
も密接な関係をもつ。かきとり型熱交換器は，高 1andの研究は， Houltonのそれよりも一歩進ん 粘性流体について優れた伝熱性能をもつためこの だものとみるべきであろう。これらの実験は，い 方面の王業に広く利用されている．この熱交換器 ずれも流体を冷却する場合のものであって加熱の は，はじめマーガリンの連続生産用に冷却用熱交 実験結果を報告したものはない。また，この熱交 換器として使用されたがその後は化学工業全般に 換器は，高粘性流体を対象にしているから冷却の わたって応用されている。かきとり面における伝 ときの熱伝達と加熱のときのそれとの差異につい 熱は，伝熱面上の流体を機械的にかきとって主流 ても比較検討しておく必要がある。このような意 部へ送るという方法をとっているため他種の熱交 味からSkellandの実験に使用された流体と物 換器と伝熱機構を異にしている。 性値を異にする流体を用い粘性流体がかきとり面 H．（弘Houlton1）は，水を用いてかきとり面の で加熱される場合の熱伝達の実験結果を発表した
熱伝達について実験し，かきとり面の熱伝達係数 ことがある4｝3）。その内容は，一次元非定常熱伝導 は，かきとり羽根の回転数の1／2乗に比例する結 をもとにした伝熱機構に関する考察，実験式の作 果を得ている。A． H． P． Skelland2）は，水，グ 成をおもなものとしていた。最近， Trommelnお
リセリン，重油など物性値を異にする各種の流体 よびBeekらがいくつかの論文を発表した5）6）7）。
に対して実験を行ない実験式を得ている。SkeL 熱伝達の機構についての考え方は筆者らが取り扱
ったものとよく似ているが粘性流体の流れとの結 ⑯に入る。このタンクから弁⑯を経てボンブ②の びつきに対する考え方は違ったところがある。 吸込側に達する。そして再び②に入り圧送されて 本文は，かきとり面における熱伝達についての 上の経路を循環する。加熱される流体として水を 研究を報告したものである。 使用する場合にはイオン交換装置⑥に供給された
2実験装置および実験方法 熱‡隠；嶽灘露㌔募璽
2．1実験装置 には弁③，④，⑰および＠は閉ざされ⑫のみ開か 図1は実験装置の概略図である。加熱される流 れている。なお，⑥で純水化された水の一部は，
体が油のときは，油は，原料タンク①に貯えられ 加熱される流体の種類を問わず常に流量調節弁⑦ ており，出口弁⑰を経て②のポンプにより流量調 を通過し熱交換器の回転軸軸受を冷却したのち⑭ ⑨⑨ に送られ冷却水として使用される。⑨は，オリフ ィス⑧の前後の圧力差を測るための逆U字マノメ ータおよび熱交換器⑪で加熱される流体が熱交換 器の入口と出口の間の圧力差を測るための逆U字
②④⑤ 8 ⑩ マノメークである。
つぎに，実験装置の中心になっている熱交換器 とそれに取付けられている装置について述べるこ ととする。図2は，使用した熱交換器の断面およ
8｝綱・⑨繁定脇タ⑮多嬬香鋤 ⊂魅 。、知
調齢よぴ測定が行なわれたの酬交換器⑪に入 越慧＿＿万，
繰㌶蹴1瓢三㌫：㍍〈擁≠ゴー隈
パス管路のなかの弁③の開度の調節によりても行 乙 ㌫％綴1麟
フゆぷイ マ ぬロぱえ なわれる。熱交換器⑪を出た油は，単純な管型冷 三濃 経蒜姦
却装置⑭により温度を下げられて流量測定タンク 図2 熱交換器の断面および温度測定点
⑮ ＿
◎ ⑬ ⑫ び温度測定点を不している。表1は，実験に使用 した伝熱筒の主要寸法を示したものであり，参考 ①縣紺・ク ⑦w欄翻 ◎遮恨舞 としてH◎ult◎負1）， Ske11砿d2｝， Tr◎mmele漁7）
②翻横齢・ア ⑧オリフ・ス ⑭潮侯置
8瓢⊇懲継雛曇誌・ 軸烈・㎞一一』一
表1 各研究者の使用した熱交換器の主要寸法
㍗豊径回釈m灼伝㌘鷲さDこ三蒜）
H◇沮ton 7．62×狙一2 5。72×1◎…2 2．71×3e−1 1．9×10−2
Skelland 7．62×ユ0−2 5．72×10M3 2．66×10−1 1．9×10−2
Skelland 10．16×1◎−2 8．26×1◎w2 23．3×10−1 1．9×1§−2
Skelland 10．16×10『2 8．26×10一2 34．8×ユ0−1 i．9×10−2
勝 原 ら 5．1×10−2 3．0×10 2 4．6×1◎−1 2．1×1◎−2
Tmmlnelen 7．6×10−2 5．6×10脚霧 4．5×10−1 2 ×10−2
の使用した装置についてもそれぞれ併記しておい 苫 璽 百書竺
た。 …詰 詩こ
伝熱筒の内部には軸方向にかきとり羽根が直列 ξ に4個，軸対称的に4個がそれぞれ回転軸に取付
けられている。回転軸の駆動用として0．75kw，
1730rpmの電動機が使用されこの電動機から減 10 速率0．07〜0．7の範囲をもつバ・fエル型無段減
速機を介して駆動される。これによって熱交換器 5 の回転軸の回転数を変えるようにされている。伝
熱筒の外面には軸方向に直径1．2mmのニクロ
◎
o◎
｛50
毒o◎
50
050
048
046
044
㌃
；l
il 三 捲
：
：
o
ム線を外径3mm，長さ15 mmの磁製管に通し ℃
たものが全周にわたり列べられて締めつけられ， 図3 供試したスピンドル油の物性値 その上を耐熱岩綿を巻き，さらにその外部は石綿 ￡ も で保温されている。このニクロム線は，全長田 て 蓋 き舞 m，全抵抗4．88ρでスライグックを経て通電さ
れ発生した熱量の大部分は伝熱筒に加わる熱負荷 としてあらわれる。図2には伝熱筒の温度および その出入口における流体の温度の測定点の位置も 示されている。τ、〜「、6は，伝熱筒の外表面温度 を測定する熱電対の位置で円周方向に4点，軸方 向に4組で合計16点に位置されている。τ17お
よびT18は，伝熱筒に入る流体の温度を測定する ための熱電対持入孔の位置を示している ア，g〜
○ ＆0 20 碗 §0 60 ㈹ ア飢は，伝熱筒より出る流体の温度を測定するた c
めのそれを示している。流体の入口温度は，入口 図4供試したリーガル油の物性値 孔の断面上の位置による差異は少ないので通路上 Cヵ，プラントル数P。，比重量γ，粘性係数μお の中心部に熱電対の先端を固定し・T1・と7・8の よび動粘性係数レを図3および図4にそれぞれ 熱電対の示す温度の平均値をもって入口温度とし 示している。
た。出口温度の場合には管路断面上の半径方向の 2．3 実験方法
位置によりかなり異なる値を示すのでτ・9〜T21 まず，図1を参照しつ加熱される流体として油 に俘入される熱電対はいずれも半径方向にトラバ を使用する場合について述べよう。弁⑦を開いて 一スされるようになっており，それぞれの熱電対 冷却水を流しておき減速機を調節して所要の回転 より得た平均流体温度の平均値をもって出口温度 数のもとでかきとり羽根を回転させる。同時にポ とした。τ，、および7、、は，両端のフランジの表 ンプ②を回転して油をわずかに流し，つぎにスラ 面温度を測定するための熱電対の位置を示してい ・fダックを調節して電圧を低目にしてヒータに通 るT，、およびτ，，は，保温外筒の表面温度を測 電し熱交換器に熱をかけ定常状態になるまで待 定するための熱電対の位置を示している。 つ。しかるのち流量測定用マノメータ⑨を見なが 2．2供試流体 ら弁③および④を調節し油の流量を所要の値に保 実験に使用された流体は，リーガル油，スピン つ。さらにスライダックを調節してヒーター一にか
ドル油および水の三種類である。使用された温度 かる電圧を高め熱交換器出入口の流体の温度が定 範囲は5〜90℃である。この範囲におけるリー 常状態になるまで待って実験を開始する。
ガル油およびスピンドル油の熱伝導率λ，比熱 まず，流量測定タンク⑮にて流量を測る。つぎ
に，熱交換器内の圧力降下をマノメータ⑨で読み 抑 各部の温度を電子管式温度計を用いて測る。これ
と同時にヒータにかかる電圧および電流を測る。
これが終ると軸の回転数を変えて上の方法で同様 卿 な測定をくり返す。加熱される流体として水を用
いる場合も管路の一部を2．1節で述べられたよう に変えて上と同様な方法で実験した。
加熱されるべき流体が熱交換器内で単位時間当 働 りに吸収した熱量をρとすると 茎
Ω鴫呑∠θ ＿＿（1） §
ただし，C♪は流体の比熱， Gは流体の流量，4θ 6
鷲戴麗慧嫌蕊灘二；、1㈱
定値からも発生熱量を求め式（1）のρの値と大 凝
差ないことを鶴しながら実験雄めた。 ㍉
伝熱筒にかかる平均熱負荷gは
4一 O「 ……（2）
ここに，4は伝熱筒の内径，／はその長さである。 O
伝熱筒の内表面温度の代表値をθ砂，流体温度の 用禰耽較＾／・声 代表値をのとすれば伝熱筒から流体への平均熱 図5平均熱伝達係数と羽根の回転数 伝達係数αは
で図から省かれている。水と夢一ガル油では羽根 α＝̲ 口 （3）：：燃：酋達鰍及ぼす効果の傾献
伝熱筒の外表面温度尻を測ることにより 32 一次元非定常熱伝導をもとにした整理
砺＋鷲 一（4）粘ぽ蓑㌶ 二麟羅瓢：
ただし，Fは伝熱面積・δ は伝熱筒の肉厚・んは 熱を半無限体に対する一次元非定常熱伝導による 伝熱筒の熱伝導率である。 ものとし，かきとり羽根は，その熱量を伝熱面附 近から申心部へ輸送するための役割りにしか過ぎ
5実聯果およびその考察 ないというモデ勘もと嚥誌を明らかにしよ
3．1熱伝達係数 うとする理論である。計算式を導くにあたりつぎ 伝熱面より流体にかかる平均熱負荷ロを上に の仮定を設ける。
述べた方法で測り伝熱筒の内表面の代表温度を式 （1）伝熱面の曲率を無視する。
（4）の与える値，流体の代表温度θ〆としては伝 （2） 加熱筒内における粘性流体の軸方何の流 熱筒入口および出口における値の平均値を用いて 速はブレードの周速に比べ無視する。
式（3）により平均熱伝達係数を求めかきとり羽 （3）伝熱筒の端面の影響を無視する。
根の回転数Nとの関係を示したものが図5であ （4）熱流は伝熱筒の半径方向のみに流れ伝熱 る。パラメータには流体の流量である。実験点 筒の内表面温度は一定とする。
は，水とリーガル油に対するものがとられている （5）伝熱筒の内面は，すべて同じ条件で有効 がスピンドル油ではこの中間の性格をあらわすの に作用している。
このような条件のもとでは一定温度の流体が連 係数である。多くの場合にはM−2に設計され 続的にかきとり羽根の背面に沿って伝熱面に達し ているがこのときは
伝熱面から流体への伝熱は半無限体への一次元熱
伝導によるものと考満間 の初めrては流 竿一・・6（1）2ハら レ）仇5（撒）仏5…（・2）
体はθ。の温度をもち伝熱面は常にθ初の温度を
もっているとすると流体の繊θは N・＝α酬とおきN・／ぴとD：助との関係
につき実験値をプロットすると図6のようにな ど
θ＋⑭合∫：㌢・碇…（5）畠㌫㌫∴漂ぢ㌫㌶：三
ここに，Xは伝熱面から直角に流体の方向へ測っ 示している。
た距離，αは流体の温度伝導率である。伝熱面の
微小面積ばFを通して4∫時間に流体に伝わる熱量 1ぴ は
〜6
4ρλ（∂θ∂x） 勘 2匡
一（θ θ。）／λ 1γ4品・…・・（6） 伯
ただし，λは流体の熱伝導率，γはその比重量で 1 ある。乍0から∫＝Tまでの有限時間内に流体に
伝わる熱量は上の式を積分すれば求まるがTと 10
しては羽根の1かきの周期をとりこの間の平均熱 ⊇。
シ
負荷を仔とすれば 図6＿次元理論解と実験値の比較 4＝
￨ンρ』〆呈σ） 毒一t曄ゾ ー⑭
羽根の毎分回転数をN考えている断面におけ この関係はTrommelenの言うpenetration る羽根の数をMとすれば1時間のかきとり回数 the◎ryから出たものと同じになる・実験点のう は601Wであるから ちの一部は式（12a）の与える値と一致している がほとんどの実験値はこれより低い値を示してい
T−6。㍍ 一（8） る。従来この種の熱交酬を取扱っ熾儲のう
ちには流体の粘性と熱伝達は無関係であることをであり，
主張しているものも多い。このことは，伝熱機 4−＆74（θ一θ・）／λC・γNM ・・一（9） 構からみて当然のことのようにも思われるが式
かきとり面における時間的平均熱伝達係数をα 臼2のの誘導過程では新鮮な流体が伝熱面と常に とすれば 接触を保ちかきとり羽根は高温流体をbulk部の α一a74〆λC、γW ……（・・） 流徽完全混合させることを前竺している・筆 者らは，この点に関心をもち二次兀模型を作り流
1時閥当りの羽根車の回転数を凡として無次元 体の運動を観察したところ，かきとり羽根の後方 形式にすれば にポケット部が発生し完全混合が行なわれていな
苧一L・3（D禁）踊（÷）砧酬…（・・）當欝蒜鰍蹴；霊㌶て：
ただし，D、は通路の水力直径，レは流体の動粘性 まらないことはいうまでもない。このことから式
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実験酒 原 料
ξぷ蚤 一 硯遠快w
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Sk醐aハd Oll A 潤C1B f｝y㈱ro｛
1 10 102 103 1ぴ D：N。
臼2a）は実験値の上限を与えるものとみるべきで 、 ある。TrommelenおよびBeek5）が流動様相を 10 写真観察から知らんとした研究も適切な方法と考
えられる。 10 な
53実験式 運
実験イ甑式（・2a）の牡る傲囲・さいた ■
めこれを修正するためにとられた従来の方法に二 詠 つある。一つは式（12∋のヌセルト数に修正係 1∂
数ψを掛けたものから適切な熱伝達係数を得よ
うとするもので他の一つは次元解析にもとつく実 16
験式による方法である。前者は，Trommelen6） 10 1 10ユ巳10 10 10 ジらの方法で後者は，Skelland21のとった方法で
図7 加熱の実験式による整理 ある。筆i者らはSkellandと同じように加熱の実
験値を次元解析によりまとめようとして 竿一・（D￠〃レ）白（乎） （D評）謬…（13）
2 十
10 ・宍（綱翻㌔
SbP在06 ﾓ＝汲6
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実験君 原 料 綱叡加熱ψ釦
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尭 ‡x Sk●1｜己nd ◎IIAnI【B戟@ l 萎
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@ etal．
Oll（RegaD 2 vater 2 O11嬢 1 ｛
Heatmg
@：
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の基本形式を得たのち実験から定数を決定する方
法をとった。ただし，〃は流体の軸方向の流速， ￡姻
μは雛係数ぱは麹的淀まる定数であ 藷
ロる。上の実験式を完成するまでの手数は，かなり 逼 ト
叉㌶犠㌘㌶‡㌶；竺 i晒
ヅ／（1）θ1V｝登）晒（乎）°L㍗
の関係をとったものが図7である。これより Oo 働
α嚢験値（Kζal／m2h乞）
麺25（禦）伴）鵬（孚）緬 @ 図8袈讃欝籠議均縦係数の
・・・… （14）
図凧式（、4）より講により求めた熱伝達係 ㈹による計難批軌たものである・
数と実測の熱礎徽縛者らの実験につし、て比 輪式，Skellandの実験式・筆者らの繰式 から熱伝達係数を
較したものである。式（14）は，冷却の実験とは
かなり差があり冷却の場合にはむしろSkelland α。c C多γ〆λ》1）1〆1V克 …・（15）
の式のほうがよく実験値をまとめ得る。図8は， とあらわしたとき8〜κについて比較すると表2の 加熱の実験における平均熱伝達係数の実測値と式 ようになる。
表2 各式の指数の値
二＝二丁7ゴニ「「十三「「「一「「一
理 論 式 沍ｴ・松原の実験式 rkellandの実験式
0．5 O．5
0．5 ｛ 0．5 ｛ 0．5
@ 0．6
@ ◎．6
0．4 O．5
0
@0
￨0．1
・ i・−0・戊5｛ α35α・・卜・・4
0．5
o 0．25
@0．17
34 圧力降下
熱交換器入口，出口における流体の圧力の差に 2、1∂
ついては別に論じたいと考えているが物性値によ りあまりにも特性が異なるので簡単にふれておき たい。図9は，熱交換器入口，出口における流体
の圧力差と回転数の測定値の関係を示している。 き6 水の場合には回転数の増加とともに圧力降下は大 三 きくなるが，り一ガル油の場合には回転数の増加 ≧ とともに伝熱量は大きくなり管壁近傍の油の粘性 箋 は急に小さくなるためガー一定の条件のもとでは 1∂
圧力降下はかえって小さくなるためと考えられ図 5では回転数が高くなるとり一ガル油の場合には 熱伝達が急に高くなることと考え合わせると容易
に理解できる。 1δ
このように高雌流体ではかきとり羽根の回転 ゜ 5°°、（。m）1°°°
数の増加とともに熱伝達は急激によくなり圧力降
図9 圧 力 降 下 下は減少する。このためこの種の熱交換器は高粘
性の流体に対して妙味を発揮することがわかるで 作成については，安田技官より多くの援助をうけ あろう。 た。いずれも深謝します。
一1 × 吉、
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1◎
4．む す び 文 献
かきとり型熱交換器における水・スピンドル ユ）52『G H°ult°‥d Chem Eng・36 G944）
油⇒一ガル油の加熱の実験を行ない 2）A．H． P． Sk。重1。。d， Ch。m． E。g． S。i。7σ958）
（1）一次元非定常熱伝導とかきとり羽根の混 166
合酬をもとにした輪式と実験値暁異の原因 3罐麗原：昧機勝会繍娩Nぴ1腿
の考察を行なった。 4）勝原，松原：日本機械学会講演論文集，No．186 （2）加熱に対する実験式を得た。 （1967）145
（3）理蹴実験式⊇・て熱健蹴ζこ及 5）E認i㌃驚1㌶d㌫7J Bee私Chem
ぼす各種の因子の比較を行なった。 6）A．M． Tr・mmelen， W． J． Beek and H． C．
Van De Westelaken， Che㎜． Eng． Sci．，26，12 本研究を行なうにあたり宮部助教授から多くの 7）（1認忽mm，1，n， T，a 1。、口h。m』。g，』
助言と討論をいただいた。実験装置の製作や図表 （L◇n麺），45α967）176
