伝熱
熱伝達係数(代表相関式)
「総括伝熱係数Ｕ」を求めるために必要な部品のひとつが、この「熱伝達係数」です。
配管の中の流れが層流か乱流か、平板に沿った流れか、あるいは温度差だけで起こる自然な対流(自然対流)かによって、使う計算式が変わります。このツールは、代表的な状況(円管内の層流・乱流、平板上の乱流、垂直平板の自然対流)を選んで、それぞれに合った標準的な相関式で熱伝達係数を計算します。
熱伝達係数の使い方と考え方
まず配管内の流れか、平板に沿った流れか、自然対流かという状況を選び、それぞれに必要な条件(流速・温度差など)を入力します。
円管層流: Nu=1.86(RePrD/L)^(1/3)(μ/μw)^0.14
円管乱流: Nu=0.023Re^0.8Pr^n
平板: Nu=0.036Re^0.8Pr^(1/3)
自然対流: Nu=0.555(GrPr)^(1/4)
考え方は、状況ごとに実験で確かめられた無次元数の相関式(ヌセルト数の式)を使い分ける、というものです。ここで求めた値を、総括伝熱係数の計算の材料として使います。
管内熱伝達率 計算ツールの概要
本ツールは、熱交換器や配管系における熱移動設計・評価のために、「管内側の強制対流境膜熱伝達率（h：Inside Film Heat Transfer Coefficient）」を算出する計算ツールです。
流体の物性値（密度、粘度、熱伝導率、比熱）および管径、流速（または流量）を指定することで、流動状態を示す無次元数（レイノルズ数 Re、プラントル数 Pr、ヌセルト数 Nu）を経由し、管内流体の熱の伝わりやすさ［W/(m²·K) や kcal/(h·m²·℃)］を迅速に試算できます。
管内熱伝達率の計算メカニズムと無次元数
管内を流れる流体と管壁との間の熱移動は、流体の境界にできる薄い流体膜（境膜）の熱抵抗によって支配されます。この熱伝達率（h）は、以下の無次元数の相関式（ディーダス・ボイルターの式など）を用いて算出されます。
基本的な計算の流れは以下の関係で表されます。
レイノルズ数（Re） ＝ （密度 × 流速 × 内径） ÷ 粘度
※流動状態（層流・遷移流・乱流）を評価します。
プラントル数（Pr） ＝ （粘度 × 比熱） ÷ 熱伝導率
※流体の運動量移動と熱移動の比率（物性値固有の指標）を表します。
ヌセルト数（Nu） ＝ 定数 × （Re の 0.8乗） × （Pr の n乗）
※強制対流における無次元熱伝達率を算出します。
管内熱伝達率（h） ＝ （ヌセルト数 Nu × 熱伝導率） ÷ 内径
計算に使われる主な要素
・管内径（d）：流体が流れる配管の内径（m や mm）
・流速（u）：
管内を流れる平均流速（m/s）
・熱伝導率（λ）：
流体自体の熱の伝わりやすさ［W/(m·K)］
・境膜熱伝達率（h）：
管壁と流体間の単位面積・単位温度差あたりの伝熱量
熱設計・流体制御における実務上のポイント
1. 乱流域（Re > 10,000）での運転と熱伝達向上
管内熱伝達率（h）は流速の約0.8乗に比例して大きくなります。レイノルズ数が2,300以下の「層流」では熱伝達率が極めて低くなりますが、流速を上げて完全発達した「乱流」（Re > 10,000）にすることで境膜が薄くなり、伝熱性能が飛躍的に向上します。
2. 圧力損失（ポンプ動力）とのトレードオフ
流速を上げて熱伝達率（h）を高めるほど、配管抵抗（圧力損失）は流速の2乗に比例して増大します。熱交換器の伝熱面積を小さく抑えることと、送液ポンプの電力コストを抑制することのバランス（最適流速の設定）が実務設計において重要です。
3. 高粘性流体や加熱・冷却時の補正
油や高熱媒油などの高粘性流体では、管壁付近と中央部で粘度差が生じるため、壁面粘度による補正（シード・テイトの補正）が必要になる場合があります。また、管長が短い場合は入口効果（未発達領域）の影響で熱伝達率が高めになる傾向があります。
