スパイラルジャケットとは：特徴と伝熱効率を徹底解説

スパイラルジャケットは、撹拌槽の外壁に設置されるジャケットの一種で、螺旋状の仕切りを内部に設けた構造が特徴です。

主に冷却水を使用した冷却用途に効果的で、周方向の流速を増加させることで、境膜伝熱係数を高め、効率的な伝熱を実現します。

この記事では、スパイラルジャケットの仕組みや特徴、利点について詳しく解説します。

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スパイラルジャケットの概要

スパイラルジャケットは、螺旋状の仕切りをジャケット内に配置することで、ジャケット内部を流れる流体の流速を増加させ、効率的に熱交換を行うことができる伝熱装置です。

冷却水を流す用途で特に効果があり、プロセスの冷却が重要なシーンで多く使われます。

スパイラルジャケットの最大の特徴は、螺旋状の仕切りがジャケット内に設けられている点です。

この仕切りによって、流体は周方向に強制的に流れ、流速が増加します。
これにより、境膜伝熱係数が高くなり、効率的な伝熱が可能になります。

この仕組みによって、スパイラルジャケットは冷却プロセスにおいて他のジャケットよりも優れた冷却効果を発揮します。

流速が速くなることで、熱がより早く伝わり、冷却の効率が向上します。

スパイラルジャケットの伝熱効率を評価するためには、境膜伝熱係数を計算することが重要です。

以下にスパイラルジャケット使用時の境膜伝熱係数を算出するための計算式を示します。

$$
\frac{h_o \cdot D_{eq}}{k} = 0.025 \left( \frac{D_{eq} \cdot u \cdot \rho}{\mu} \right)^{0.8} Pr^{1/3} \left( \frac{\mu}{\mu_w} \right)^{0.14}
$$

各項の意味は以下の通りです。

この式は、スパイラルジャケット内を流れる流体の物性値や流路の寸法をもとに、ジャケット側での伝熱効率を計算します。

スパイラルジャケットの流路は螺旋状であり、円形ではないため、計算時には相当直径を用いて流路形状を近似します。

これにより、実際の流路形状に対応した正確な伝熱係数を得ることが可能です。

高い伝熱効率
- スパイラル状の仕切りにより流体の流速が増加し、高い境膜伝熱係数を実現します。
  特に冷却用途において、伝熱効果を高めることが可能です。
コンパクトな設計
- スパイラルジャケットは、撹拌槽に直接設置されるため、外部の熱交換器を設置するスペースがない場合でも効果的です。
冷却水の効率的な利用
- 冷却水を用いた冷却プロセスにおいて、スパイラルジャケットは他のジャケット構造に比べて冷却効率が高いため、少ない冷却水で効率的に温度を下げることが可能です。

製作コストの増加
- 螺旋状の仕切りを内部に設置するため、製作の工程が複雑になり、コストが増加します。
流体のショートパス
- 螺旋状の仕切りは構造上、どうしても製作時に隙間ができる場合があります。
  これにより、流体がショートパス（最短経路を流れる現象）して、伝熱効率が若干低下することがあります。

スパイラルジャケットは、特に冷却用途に向いています。

以下のような分野で多く採用されています。

スパイラルジャケットは、螺旋状の仕切りを持つ構造によって、冷却効率を高めるために設計されたジャケットです。
特に、冷却水を使ったプロセスにおいて、その効果を最大限に発揮し、効率的な温度制御を実現します。

高い伝熱効率やコンパクトな設計がメリットとなる一方で、製作コストが増加する点や、流体がショートパスするリスクがあるため、用途に応じた慎重な設計が必要です。

スパイラルジャケットを導入する際は、適切な設計とメンテナンス計画が、長期的なプロセス効率を向上させる鍵となります。