水冷装置配管形状

Question

密封容器の内部冷却に水冷配管を使っています。
水が流れる配管はステンレス製角パイプ（40mm角）
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上記のように平行に並べて直列に流しています。
流量は78リットル/分ですが、どうも冷却効率が悪いように思えます。
皆様で水冷配管を角形状にした場合に冷却効率が落ちた経験が有りますか？

Accepted Answer

熱交換器の伝熱量(この場合は冷却量か)は
伝熱面積x熱通過係数x温度差
で表せます。計算はなかなかハードルが高いですが、改造の前で、
それぞれどのくらいのオーダになるか、概算でもされることを
お勧め致します。

熱通過係数は、管外側の熱伝達、管壁内の伝導、管内側の熱伝達が
関連します。
管の材質をSUSからアルミに変えたり、薄肉にしたら管壁内の
伝導が促進されて熱通過係数は大きくなり性能アップという
ことになります。たた、管外側が気体の場合は、管外側の
熱伝達がネックになっていることが多く、いくら管をアルミに
変えても効果がない場合もあるので注意が必要です。
(ラジエータは管外側の熱伝達を促進するために、管外側に
フィンをつけて伝熱面積をふやしています。)

計算方法は伝熱の資料を見るか、ネットで探してください。
(説明には体力が必要なので、、、すみません。)

もちろん流体温度を下げても効果はあります。
ただ、例えば、オゾンが100℃で冷却水の温度が20℃であったのを
冷却水の温度を10℃にしたとしたら、温度差としては80℃が90℃に
なるので、伝熱量はだいたい90/80=112%となりますが、10％の
性能向上で十分ですか？というような検討はされたほうが良いと思います。
(実際の計算は複雑で、上記の計算も正確ではないところもありますが、
ざっと概算でもオーダはつかめると思います。)

角パイプですが、水力直径という考え方があり、一応、水力直径と
おなじ直径をもつ円パイプと同等の性能と考えても良いと思います。
もっとも実際には管内の流路面積と表面積の関係、流れの形態などもあり、
完全に一緒ではないと思います。

数パーセントの性能ダウンの可能性を議論されているのであれば、
真面目に角パイプと円パイプの違いを検討必要と思いますが、
何割も違うということであれば、必要な伝熱量に対して、
伝熱面積とか温度差が十分かということを当たったほうが良いと
思われます。

状況がわかりませんので的外れかもしれませんが。

Answer

角パイプは、
＊ 40mmの3面が冷却物に接触、1面はステンレス管と接触
◆ 40mmの4面が冷却物に接触
では、冷却効率は異なります。また、水冷配管内部の流れが、
※ 層流では、ステンレス管近くの水は段々暖まり、温度差が少なくなる
★ 乱流では、ステンレス管近くの水は暖まり難く、温度差が大きいまま
で、冷却効率も差が出ます。
以上を、考慮願います。

Answer

回答（2）の補足事項にお答えします。やはりＳＵＳでないといけない理由が
あるのですか。熱伝導における伝熱量は表面積(伝導面)に比例し配管肉厚
に反比例しますので，できるだけ薄い肉厚の管を用い表面積(接触面積)を
大きく取ることです。また冷媒（水）の温度を下げることも効果的です。
配管の形態ですが，層流レベルの流速であればそれほど大きな差異が出るこ
とは考え難いと思います。高流速で乱流となっていると曲がり部で気泡が
発生したりして，冷却効率が阻害されますが。提示の場合は流速ｖ＝0.81
ｍ／ｓ，Ｒｅ＝ｖｄ／ν＝0.81Ｘ40×9800／1000＝318（ν＝1/9800ｍ2/ｓ）
であり，層流域です。

Answer

熱伝導率（W/m ・K）を比較すると
ステンレス　　14.5
アルミニウム　256.05
銅　350.06
であり，ステンレスの熱伝導が銅やアルミに比べ1桁以上低くなっています。
つまり冷却管としては銅管やアルミ管の方が適しています。一般にラジエター（熱交換器）に銅管やアルミ管が多いのはこうした理由です。管材料を変更できるなら，それだけでも大幅に改善するはずです。

Answer

ＳＵＳ製の40角のパイプだと、肉厚が厚いと思われますが、如何でしょう？
ＳＵＳでは、熱伝導が悪いので、肉薄のパイプでないと冷却効率が悪くなると思います。

水冷配管形状の重要性と冷却効率の向上方法