【第三種冷凍機械責任者・保安管理】熱伝導・熱伝達・熱通過と平均温度差

結論：熱交換量はK・A・平均温度差の掛け算で決まる

凝縮器や蒸発器では、高温流体から管壁へ熱伝達し、管壁内を熱伝導し、反対側の流体へもう一度熱伝達します。この一連の移動が熱通過です。

熱交換量の基本式は Φ＝K A Δt_m です。Kは熱通過率、Aは伝熱面積、Δt_mは平均温度差です。どれか1つが小さくなると、他の条件が同じなら熱交換量も小さくなります。

図解：流体から壁を通って反対側の流体へ進む

水冷凝縮器なら、冷媒→管内面、管壁、管外面→冷却水という順です。空冷蒸発器なら、庫内空気→霜やフィン・管壁→冷媒という方向に熱が移ります。

λ・α・Kは意味と単位を分ける

λとKは単位が違うため、数値を直接比べて「Kは必ずλより小さい」とはいえません。λは材料固有の性質、Kは壁厚・両側の流れ・相変化・汚れなどを含む装置側の指標です。

同じ種類の指標でも値は条件で変わります。特にαは流速だけでなく、流体物性、流路形状、層流・乱流、沸騰・凝縮の状態で変化します。「流速を上げれば必ず省エネ」とは限らず、圧力損失とポンプ・ファン動力も増える点に注意します。

熱伝導と熱伝達の基本式

δは壁厚です。熱伝導の単位面積当たり熱抵抗は δ/λ、熱伝達の熱抵抗は 1/α と表せます。抵抗が大きい層ほど温度差を多く消費し、全体のボトルネックになります。

熱通過率Kは熱抵抗の合計から求める

平板で両側の面積が等しく、接触抵抗を無視できる単純な場合は、次の式で考えられます。

独自計算例：α₁＝1,000、α₂＝2,000 W/(m²・K)、管壁δ＝0.001m、λ＝50 W/(m・K)とします。清浄時の合計抵抗は0.001＋0.0005＋0.00002＝0.00152なので、Kは 1÷0.00152≒658 W/(m²・K) です。

ここへ汚れ熱抵抗0.0005 m²・K/Wが加わると、Kは1÷0.00202≒495 W/(m²・K)。約25％低下します。薄い汚れでも、もとの管壁熱抵抗より大きければ全体を大きく悪化させることが分かります。

対数平均温度差は「場所ごとに変わる温度差」の代表値

熱交換器では流体が進むにつれて温度が変わるため、入口と出口の温度差は同じとは限りません。端部の温度差をΔt₁、Δt₂とすると、対数平均温度差は次式です。

計算例：冷媒が40℃で凝縮し、冷却水が20℃から30℃へ温まる凝縮域を考えます。両端の温度差は40－20＝20Kと40－30＝10Kです。

Δt_m＝(20－10)÷ln(20/10)≒14.4K。算術平均は15Kですが、対数平均は少し小さくなります。K＝800 W/(m²・K)、A＝5m²なら、交換熱量は800×5×14.4≒57.7kWです。

冷媒温度がほぼ一定なのは、圧力損失が小さいとみなした蒸発域・凝縮域です。熱交換器内に過熱蒸気の冷却や液の過冷却も含む場合、機器全体を「ずっと一定温度」とは扱えません。区間分けや補正が必要になることがあります。

汚れと流れは熱交換量と動力を一緒に見る

凝縮器の構造と水側管理は「凝縮器の種類と特徴」、着霜とデフロストは「蒸発器の種類と特徴」で詳しく整理します。

試験で狙われる入れ替え

• 熱伝導率λと熱通過率Kを直接大小比較する：単位と意味が異なるため不適切です。
• 壁を厚くすると熱抵抗が下がる：逆です。δ/λなので、同じ材料なら厚いほど抵抗は増えます。
• 汚れが付くとKが大きくなる：汚れ熱抵抗が加わるためKは小さくなります。
• フィンはKを直接大きくする：主目的は伝熱面積Aを増やすことです。フィン効率も影響します。
• 入口と出口の温度差を単純平均すれば常に正確：基本は対数平均温度差を使います。

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まとめ

熱通過は、高温側の熱伝達、壁と汚れ層の熱伝導、低温側の熱伝達をまとめた現象です。λ・α・Kは意味と単位を分け、Kは各熱抵抗の合計の逆数として考えます。

熱交換量はΦ＝KAΔt_mです。汚れでKが下がる、フィンでAを増やす、運転条件で平均温度差が変わるという3方向で整理すると、凝縮器・蒸発器の性能低下を論理的に判断できます。

最終更新日：2026年7月28日