熱交換器はエネルギーの変換と利用の鍵となる装置であり、その設計の核心は熱伝達率を向上させ、熱交換過程におけるエネルギー消費を低減することである。熱力学第二法則に基づくエントロピー生成理論により、管束式熱交換器における熱伝達および流動抵抗の不可逆損失のメカニズムを解析し、平均エントロピー生成、乱流エントロピー生成、熱伝達エントロピー生成、壁面エントロピー生成を含む局所エントロピー生成解析モデルを構築した。研究では、順列配置および交差配置の管束の流動・熱伝達特性および各エントロピー生成分布の法則を得て、管束配置構造が流動熱交換の不可逆性に与える影響を定量的に検討した。研究結果は、乱流エントロピー生成および熱伝達エントロピー生成が熱交換器全体のエントロピー生成の主要な構成要素であり、主に壁面付近および流動分離が生じる後流域に分布することを示し、平均エントロピー生成、乱流エントロピー生成、壁面エントロピー生成は気体速度の増加に伴い徐々に増加する一方、熱伝達エントロピー生成は徐々に減少することを示した。異なる管束配置方式において、総エントロピー生成が最小となる最適な流速が存在し、気相流速が低い場合は交差配置がシステムの総エントロピー生成を低減し不可逆損失を減少させるのに有利であり、流速が高い場合は順列配置の使用が推奨される。

管束熱交換器;エントロピー生成解析;順列配置;交差配置