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長方形スリットからの冷却風熱伝達 (その2/全3回) (2009年8月12日公開分)

吹き付け角度との関係

前回からの続きです。

今度は、ノズルと冷却面の距離一定で、吹き付け角度Θを変化した時の、

局所熱伝達率の違いをお伝えいたします。
blog_jet_fig.gif
blog_jet_graph2.jpg

長方形スリットからの冷却風熱伝達 (その1/全3回) (2009年8月10日公開分)

ノズルとの距離

以前のエントリーで エアージェットなど、衝突噴流による熱伝達率についてさらっと書きましたが、

今回のエントリーからしばらく、具体的な実験結果から得られたグラフをお見せします。

まずは、鉛直から45度傾けた長方形スリット(二次元ノズル)から噴き出た冷却風の冷却効果を示す結果です。
blog_jet_fig3.gif
blog_jet_graph3.jpg

一番冷える場所(熱伝達率が高いところ)はジェット中心よりすこし、

傾けた方向にずれていることがわかります。

熱交換器の化工計算でも比較的簡単なものもある。(2009年7月25日公開分)

続けて思いついたことを書いてみます。
熱交換器の化工計算の命題は、伝熱面積を決定することですが、

各種交換機でも、コイル型熱交換器は比較的簡単ですね。

伝熱面がコイルの形をしているから当然かも知れませんが、 あとは、コイル長さ、外径、ピッチ等を最適化します。

コイル管外境膜伝熱係数の資料もたくさんあることに最近気が付きました。

こちらも、具体例をアップしていきたいです。

熱抵抗とは (熱回路網法による熱計算)(2009年6月15日公開分)

「熱抵抗」と聞いて、だいたいの概念はご想像つくと思います。

「熱の伝わりにくさ」の度合いです。

この値が大きいほど、その両端で温度差が生じます。

つまり、熱が伝わりにい、すなわち熱が逃げにくいということになります。

固体内(たとえば、断熱材) の熱抵抗計算式は
netsuteikou1.jpg

となり、値が大きいほど、断熱性能が高いことになります。

周囲空気に自然放熱する現象
(電子機器を冷却するために使われる、ヒートシンクなど)
の計算式は
netsuteikou2.jpg

となります。

値が小さいほど熱が逃げる(=放熱能力が高い)という、解釈になります。

式中の「h」は、熱伝達率で、条件によって変わります。

詳しくはお問い合わせください。

エアージェットや、ジェット水流で冷却するときの熱伝達率は、、(2009年6月5日公開分)

専門的には、衝突噴流の熱伝達率 を調べます。

これは、実験結果がさまざまにあるのですが、いちばん有名どころを下に記します。

ノズル径、ノズルと物体の間の距離に制約があるので注意が必要です。
shoyutotsu.jpg
shoyutotsu2.jpg

上記は、円形ノズルですが、

そのほか、長方形スリットから冷却風を吹き付けた場合や、

たくさんの穴から 噴き出た風による実験結果等もあります。

金型温調器などの冷却管 出口温度計算は、こんな感じで計算できます。(2009年6月1日公開分)

金型温調器などの冷却管 出口温度計算は、こんな感じで計算できます。

要するに、管内の境膜伝熱係数(熱伝達率) が分かれば、

何度もお伝えしたように、流れの方向の微小部分で、

ニュートンの冷却則にそって、微小熱交換量が求まります。
kannai_netsu.gif

管内流れ の臨界レイノルズ数(層流から乱流へ変化するレイノルズ数)は、

文献によって様々ですが、2300程度です。

しかし、金型内の冷却管内側はドリル穴のような、要するに表面があらいのと、

そこそこ流量が多いので、乱流熱伝達率を使うべきです。

層流でも計算したい場合は、数値解をもって層流熱伝達率とします。

自然対流熱伝達の計算方法(2009年5月29日公開分)

自然対流熱伝達の計算方法
(グラスホフ数、プラントル数、体積膨張率、動粘性係数)

今回は自然対流熱伝達率の数式を説明します。
shizen_h.jpg

この中で、周囲流体の物性値は

Pr数、
β(体積膨張率)、
ν(動粘性係数)、
λ(熱伝導率)
です。

「d」は、物体の代表長さで、上式では水平円柱の直径を使っています。

「g」は、重力加速度です。

前回の定性的な説明でお伝えしたとおり、

高温壁面の温度と周囲流体温度の差(Tw - T∞)が計算に関係してきます。

自然対流熱伝達率は、複雑。。(2009年5月27日公開分)

(グラスホフ数、プラントル数、体積膨張率など。。)

前回のエントリーでは強制対流熱伝達率
(つまりは、外部から風や水を流して放熱、冷却する)について書きました。

今回は、液体、気体中におかれた高温物体から自然に放熱する場合の自然対流熱伝達率について書こうと思います。

詳しい数式は、次回にするとして、定性的にはこんな感じです。

高温物体表面の液体、気体(以下流体と呼ぶ) が温まる

流体が熱によって膨張する

軽くなる

浮力で重力とは反対方向に流れ始める。

次から次へと流れる。

と、こんな感じで伝熱促進されていきます。

ご察しのように、支配するパラメーターは、

流体の熱膨張率、高温物体温度と、周囲温度の差、重力加速度、などです。

冷却管の冷却量 計算方法(2009年5月25日公開分)

金型などの高温鉄材内を通過する冷却水が受け取る熱量の計算にも、

熱伝達率を使用します。

熱伝達率(境膜伝熱係数とも)は、レイノルズ数 2300付近で計算式が変わります。

2300以下は流れが層流でそれ以上は乱流となり、伝熱が促進されます。
(実際の流れはたいてい乱流です。)

なお、流れ方向に、熱伝達率が一定と仮定すると、ニュートンの冷却式 から、

流れ方向に熱量を積分して、 冷却管全体の冷却量が求まります。

これから、出口温度を求めることも可能です。

強制空冷、水冷での放熱、冷却計算に必要なパラメータ(2009年5月22日公開分)

過去数回で紹介したように、高温物体周りを流れる流体への放熱量を求めるためには熱伝達率が必要だと書きました。

この熱伝達率を計算するために必要な情報は以下のとおりです。

流体の物性値
熱伝導率などの熱物性値、密度、動粘性係数 固体表面温度、流体温度 流体速度
(速度つまり、レイノルズ数によって熱伝達率の表現式が変わりますから注意が必要)

物体の代表長さ(パイプ内の流れだったら、内径、外側の流れだったら直径)

これらの情報がひとまず揃えば、あとは熱伝達面と流れの接し方から、

熱伝達率の計算式に当てはめ、

ニュートンの冷却則によって放熱量が求まります。


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