問題 15

次の各文章の【1】～【14】の中に入れるべき最も適切な字句等をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。なお、【1】、【3】及び【4】は複数箇所あるが、それぞれ同じ記号が入る。 また、【A ab.c】及び【B a.bc】に当てはまる数値を計算し、その結果を答えよ。ただし、解答は解答すべき数値の最小位の一つ下の位で四捨五入すること。(配点計40点) (1) 熱交換器には多くの種類があり、呼称も様々である。 1) 熱回収を目的とした熱交換器として、例えば、事務所ビルなどの室内の換気に伴う外気負荷を低減するための【 1 】や、工業炉などの燃焼用空気の予熱に高温の燃焼排ガスから熱回収する蓄熱式熱交換器などがある。 【 1 】は、空調された室の排気と取入れ外気との熱交換により、排気からの熱が回収されて取り入れる外気の温湿度が室内空気の温湿度に近づくので、空調の熱負荷を低減することができる。熱には顕熱と潜熱があるが、この熱交換器により回収される熱は【 2 】である。 この熱交換器は熱交換の方法により、大きく【 3 】型と【 4 】型の2種類に分けられる。 【 3 】型の場合、熱交換のエレメントは【 5 】性を有する特殊な加工紙等で作られ、フィンと仕切り板を積み重ねて、給気と排気の通路を分離する構造となっており、ケーシングに固定されている。 一方、【 4 】型の場合、【 6 】剤を含んだクラフト紙等で作られたハニカム状のエレメントが給気と排気の通路を交互に通過し、エレメントを介して熱が移動する構造になっている。

2) 多くの用途で使われている代表的な管式熱交換器としてシェルアンドチューブ式熱交換器がある。この熱交換器には管と管板の取り付け方法などによって、大きく三つの基本形式に分類されている。図はそのうちの一つを示したものである。 i) 図は、三つの基本形式のうちの【 7 】式の構造の概略を示したものである。この方式以外の基本形式としては、【 8 】式と【 9 】式がある。 ii) 図の熱交換器の構造において、番号の①～⑤が示すものは次のとおりである。 ①：【 10 】　②：伝熱管　③：管板　④：【 11 】　⑤：バッフル板 **図 シェルアンドチューブ式熱交換器の構造概略**

(2) 隔壁式熱交換器の隔壁を通して、二つの流体が並流あるいは向流で熱交換しているときの交換熱量及び熱交換効率について考える。 1) 熱交換とは、熱を輸送する流体間の伝熱操作であり、それによる熱の移動を熱通過という。隔壁式熱交換器の熱通過による交換熱量Qは、隔壁の熱通過率をK、熱通過面積をAとすると、2流体の対数平均温度差$\Delta T_m$を用いて次式から求めることができる。 Q = $K A \Delta T_m$　① なお、対数平均温度差$\Delta T_m$は、式①を用いて熱量を算出するときの熱交換器内の両流体の平均的な温度差として用いるもので、熱交換器の片側の両流体の温度差を$\Delta T_1$、反対側の両流体の温度差を$\Delta T_2$とすると次式で表すことができる。 $\Delta T_m$ = 【 12 】　②

2) 流体の流量や比熱が既知の場合には、交換熱量Qは$\Delta T_m$を用いずに、流体の出口と入口のエンタルピー差として求めることができる。 ここで、流体の質量流量をm、比熱をc、温度をTで表し、それらに対して高温流体にはh、低温流体にはcを添字として付すこととし、さらに温度に関しては、入口にはi、出口にはoを添字として付すこととすると、高温流体の出入口のエンタルピー差$Q_h$は式③で、低温流体の出入口のエンタルピー差$Q_c$は式④で表すことができる。 $Q_h = m_h \times c_h \times (T_{hi}-T_{ho})$　③ $Q_c = m_c \times c_c \times$ 【 13 】　④ 外部への熱損失がないとすると、$Q_h = Q_c = Q$であることから、高温側あるいは低温側のいずれからでもQを求めることができる。

3) 向流形の熱交換器で、燃焼排ガスの顕熱を用いて給水を予熱する場合について考える。この熱交換において、燃焼排ガスの入口温度は300℃、給水の入口温度は20℃であり、熱交換後に燃焼排ガスの出口温度が250℃となった。ここで、燃焼排ガスの比熱を1kJ/(kg·K)、流量を0.6kg/s、給水の比熱を4kJ/(kg·K)、流量を0.2kg/sで一定とする。ただし、熱交換器外部への熱損失は無視できるものとし、それぞれの流体の比熱は温度によらず一定とする。 i) 給水予熱後の温度$T_{co}$を求めると、[℃]となる。 ii) 熱回収効率ηは、燃焼排ガスから回収可能な最大の熱量$Q_{max}$に対して、給水が得た熱量$Q_c$の割合を示すものである。 ここで、$Q_{max}$は式$Q_{max}$ =【 14 】で表され、$Q_c$は前述の式④で表される。 iii) ii)により熱回収効率ηを求めると、×$10^{-1}$となる。