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6. 熱交換器の設計
6.2 熱交換器と物性
6.2.8 熱伝達と材料の影響(No.37)(2009.10.12)
グラスライニング
グラスライニングは炭素鋼などの金属表面にガラスをコーティングしたもので、酸やアルカリなど腐食性の強い流体を扱う場合に使用される材料です。ガラスには一般用から耐熱性にすぐれたもの、あるいは耐摩耗性にすぐれたもの、そして静電気対策用など色々な種類がありますので、用途により選定していきます。
例えば石油化学分野などで多用される有機溶剤（ヘキサンやトルエンなど）を扱う場合には、溶剤とガスあるいは溶剤と容器間で静電気を生じる可能性があります。そのために蒸発した一部の溶剤が発火して火事になる可能性や、グラスライニング表面に出来たピンホールから母材金属が溶解し、製品中の金属イオンが増大するなどのトラブルを招く恐れがあります。
このような場合には静電気対策用のグラスライニングを採用することをお奨めします。
グラスライニングのもう一つの特徴は熱伝導度が金属に比べ非常に小さいことです。例えば、炭素鋼の熱伝導度は約50W/m-Kですが、ガラスの熱伝導度は約1W/m-Kに過ぎませんので、熱伝達を伴う機器にグラスライニングを使用する場合には伝熱設計に注意を払う必要があります。
グラスライニングの熱伝達
前回の”熱伝達と粘度の影響”で例題に使用した撹拌槽伝熱を取り上げて、グラスライニングの熱伝達に及ぼす影響を調べてみましょう。伝熱形態は撹拌槽内溶液を外部から加熱冷却するジャケット伝熱です。計算の前提は、
- 槽内溶液：メタノールとトルエンの混合液
- 加熱媒体：温水（90℃）あるいはスチーム（143℃）
- 冷却媒体：ブライン（エチレングリコール50%、－15℃）
- 伝熱方式：外部ジャケット
- ジャケット：内径612mm、外径700mm、高さ700mm
まず、ブラインによる冷却時の伝熱性能を見てみましょう。
ここでは、母材をステンレス鋼と炭素鋼を対象にしており、それぞれの熱伝導度は16W/m-Kと51W/m-Kを使用しています。また、厚みによる影響を見るために母材の厚さを6mmと16mmの二つにしています。一方、グラスライニングの厚みは1mmにして、その熱伝導度は0.93W/m-Kに固定しました。
この結果、グラスライニングを使用しない無垢母材における総括伝熱係数Ｕを100とした時の各ケースでの比率を見てみますと、
- グラスライニングの有無および厚みならびに母材材料がＵ値に及ぼしている影響は小さく、各ケースでのＵ値は98%以上を示しています。
- この理由はジャケット側境膜係数が67.8kJ/m2hr-Kと小さいために、各パラメータの影響が出にくいためと思われます。
次に、温水による加熱時の伝熱性能を見てみましょう。
ここでもブライン冷却と同じく、母材による影響、厚みによる影響、そしてグラスライニングの有無の影響を見てみました。
この結果、グラスライニングを使用しない無垢母材における総括伝熱係数Ｕを100とした時の各ケースでの比率を見てみますと、
- グラスライニングの有無によるＵ値の低下は、母材にステンレス鋼を使用し厚みが6mmと薄い場合に顕著で、70%以下になっています。
- 逆に、母材に炭素鋼を使用し、厚みが16mmと厚い場合には、グラスライニングが及ぼす影響は小さく、90%強におさまっています。
- この理由はジャケット側境膜係数が4423kJ/m2hr-Kと大きく、母材の熱伝導度などのパラメータの影響が出やすいためと思われます。
最後に、スチームによる加熱時の伝熱性能を見てみましょう。
ここでも今までの例にならって、母材による影響、厚みによる影響、そしてグラスライニングの有無の影響を見てみました。
この結果、グラスライニングを使用しない無垢母材における総括伝熱係数Ｕを100とした時の各ケースでの比率を見てみますと、
- グラスライニングの有無によるＵ値の低下は、温水加熱と同じく母材にステンレス鋼を使用し厚みが6mmと薄い場合に顕著で、62%弱になっています。
- 逆に、母材に炭素鋼を使用し、厚みが16mmと厚い場合には、グラスライニングの影響は小さく、88%弱におさまっています。
- この理由はジャケット側境膜係数が32196kJ/m2hr-Kと大きく、母材の熱伝導度などのパラメータの影響が出やすいためと思われます。
以上の結果から、グラスライニングによる総括伝熱係数への影響は一律ではなく、母材の種類や厚み、そして加熱側あるいは冷却側の境膜係数に大きく左右されることがお分かりになるでしょう。
