総合熱伝達率（U値）とは、一連の抵抗体を介して熱がどの程度伝導されるかを意味します。 その単位はW/(m2°C)です。

蒸気 vs. お湯

以下の記事では、フィルム係数や実際の壁材そのものなど、さまざまな種類の媒体を介した蒸気とお湯の熱伝導のU値を計算し、比較する方法を示します。

全体の熱伝達率は、熱が伝わる媒体の厚さや熱伝導率に影響されます。 係数が大きければ大きいほど、熱源から加熱される製品への熱の移動が容易になります。 熱交換器の場合、総合熱伝達率（U）と熱伝達率（Q）の関係は以下の式で示されます。

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この式から、Uの値は熱伝達率であるQに正比例することがわかります。 伝熱面と温度差が変わらないと仮定すると、U値が大きいほど伝熱量が大きくなります。 つまり、特定の熱交換器や製品では、U値が大きいほどバッチ時間が短くなり、生産量や収益が増加する可能性があるということです。

U値の計算

U値の決定にはいくつかの式を用いることができますが、そのうちの1つをご紹介します。

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金属壁を介した熱伝達

例えばお湯を作る場合、基本的には流体1（熱源）から導電性の固体（金属壁）を経て流体2（水、被加熱物）に熱伝達が行われます。 しかし、フィルムの抵抗も考慮しなければなりません。

さらに、医薬品やバイオテクノロジーのプロセス加熱のような特殊な用途では、熱伝達が何層もの壁材を介して行われることがあります。

さらに、医薬品やバイオテクノロジーのプロセス加熱のような特定のユニークな用途では、その熱伝達は数層の壁材を介して行われることがあります。そのような例では、固体の各層の厚さ(L)をその熱伝導率(λ)で割ったものを組み込むことで、上記の式を適応することができます。

以下の計算例を容易にするために、対流熱伝達係数の参考値として以下の値を使用することができます。

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流体	対流熱伝達率(h)
水	約1000W/(m2 °C)
熱水	1000 – 6000 W/(m2 °C)
スチーム	6000 – 15000 W/(m2 °C)

異なる熱源のUへの影響を比較した例。 スチームまたは温水

水を加熱するために、内壁の厚さが15mmの炭素鋼（λ=50W/(m℃)）のジャケット付きケトルを2つ使用しています。 一方は熱源として温水を使用し、もう一方は蒸気を使用します。 加熱する水の熱伝達係数を1000W/m2 °C、温水の熱伝達係数を3000W/m2 °C、蒸気の熱伝達係数を10000W/m2 °Cと仮定して、両方の加熱プロセスのU値を計算してみましょう。

炭素鋼ジャケットケトル-温水と蒸気の熱源の比較

温水。

蒸気：

このケースでは、蒸気は計算上17%のU値改善をもたらします。

ここで、同じケトルの移動壁に厚さ1mmのガラスが並んでいると想像してみてください (λ = 0.9 W/(m °C) )。

ガラス張りのジャケット付きケトル – 温水と蒸気の熱源を比較する

iv スチームの熱源

お湯：

スチームです。

このように導電性に抵抗を加えた場合でも、U値は改善されますが、9％しか改善されません。これは、ガラスのような熱伝導性の低いものがいかに熱伝達を大きく妨げているかを示しています。

このように、炭素鋼製のケトルのような特定の熱交換器では、熱源を温水から蒸気に変更することで、壁材が高導電性であれば、U値と熱伝達を大幅に改善できる可能性があります。

とはいえ、プロセスによっては製品との反応を防ぐためにグラスライニングのような特定の壁材を必要とする場合があります。

Advanced Understanding

ファウリング

壁材の表面のファウリングは、熱伝達を妨げる新たな障壁となります。 この問題は、複数の理由により、熱媒体側と製品側の両方で発生する可能性があります。

例えば、レベルポットの出口制御弁からドレンを押し出すのに必要な圧力を作るために、蒸気の圧力を上げることがあります。

例えば、レベルポットの出口制御弁からドレンを押し出すのに必要な圧力を作るために、蒸気の圧力を上げることがありますが、熱交換器内の圧力が上がると、それに伴って蒸気の温度も上がり、この過剰な熱が製品側の汚れを増やす原因となります。 逆に、装置内にドレンを溜めておくと、加熱側ではドレンに含まれるゴミが原因で、製品側では温度が低いために製品の粘度が維持できずに製品が表面に付着してしまうことが原因で、それぞれ汚れが発生します。

ファウリングは、上記のガラスライニングと同様に、その厚さ（LF）と導電率（λF）の比を含めることで、上記の式に加えることができますが、通常は「稼働中」の交換器のファウリング係数に組み込まれて表されます。

スチーム加熱の仕組み

真空スチームとは

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