汚れ係数とは？単位・計算式とU値、設計・運転での使い方

汚れ係数は、伝熱面に付着した汚れによる追加の熱抵抗を表す値です。単位にはm²K/Wなどを使い、同じ条件なら値が大きいほど熱が伝わりにくくなります。

設計では汚れた状態でも必要な能力を出せるように見込み、運転では性能の変化を判断する材料にします。ただしU値が下がった理由を全て汚れに結び付けると、流量や測定条件の変化を見落とします。

ここでは、汚れ層の厚さから考える式、U値との関係、必要面積と運転データの計算例を順に説明します。金属壁の抵抗と汚れの抵抗を区別し、計算を使える条件まで整理します。

汚れ係数とは

熱交換器やボイラーの伝熱面には、使用する流体や運転条件に応じてスケール、腐食生成物、その他の付着物が生じます。付着層が熱の通り道に加わると、その分の熱抵抗が増えます。

汚れ係数の「係数」は、効率のような無次元の割合を意味しません。ここで扱うのは単位面積を基準にした熱抵抗で、U値の単位W/(m²K)を逆にしたm²K/Wという単位になります。

図1：金属壁とは別に、汚れ層の抵抗が加わる

橙は熱の流れ、赤と青は流体です。厚さδfは茶色の汚れ層だけを指します。

層を平面として示した模式図です。実際の厚さの比率や温度分布を表すものではなく、流体の混合や運転手順を示していません。

汚れを均一な平面層として扱い、定常的に厚さ方向へ熱が伝わるモデルでは、厚さを熱伝導率で割って抵抗を表せます。厚い層や熱を伝えにくい付着物ほど、大きな抵抗になるという関係です。

例えば汚れ層の厚さ0.125mm、熱伝導率0.5W/(mK)を仮定します。厚さをメートルへ換算してから式へ入れると、汚れ係数は0.00025m²K/Wになります。

実際の付着物は、厚さや組成が場所によって違う場合があります。内部に空隙を含むこともあるため、目で見た厚さだけから熱抵抗を正確に求められるとは限らず、運転データも判断の材料になります。

汚れ係数とU値は、値が大きいときの意味が逆です。U値が大きければ同じ面積・温度差で熱を多く伝えられますが、汚れ係数が大きいことは、熱の通り道に加わる抵抗が大きいことを表します。

総括伝熱係数Uには、汚れだけでなく流体と壁面の間の対流抵抗や金属壁の抵抗も含まれます。高温側と低温側の両方に付着物があれば、それぞれの汚れ抵抗を取り入れて考えます。

図2：U値には五つの抵抗を含めて考える

橙矢印は高温側から低温側へ進む熱です。汚れの抵抗と対流の抵抗は別の項目です。

抵抗の順序を示すモデルで、各記号の長さは抵抗値の大きさを表していません。汚れが片側だけなら、その側の汚れ抵抗を扱います。

汚れを一つの項で表す場合は、同じ面積基準にそろえた両側の汚れ抵抗の合計として扱います。片側の汚れ係数なのか、熱交換器全体に見込む追加抵抗なのかを仕様書で区別します。

管の内面と外面では面積が違うため、異なる基準の抵抗をそのまま足せるわけではありません。円管の伝熱計算では、壁の円筒形状や内外面積の関係を含む式を使い、Uと面積の基準をそろえます。

記号の違いを確認するには、熱伝導率と熱伝達率の違いも参考になります。付着層や金属内部の熱伝導と、流体から壁面への熱伝達を分けると、どの抵抗が変わったかを整理できます。

汚れ係数の考え方

汚れ係数は、設計でこれから生じる抵抗を見込む場合と、運転結果から増えた抵抗を推定する場合で使い方が異なります。数値だけを比べず、どの条件と目的に対して使う値なのかを確認します。

設計時の汚れ係数

必要面積の比較では、使った温度差の定義もそろえます。この例は同じ熱負荷と対数平均温度差を仮定した計算です。温度条件が違う案件同士で面積だけを比べても、その差が汚れ抵抗によるものかは判断できません。交換器形式に応じた温度差補正や詳細設計は、メーカーの計算条件と合わせます。

仕様を依頼するときは、汚れ係数の数値だけでなく、対象となる流体側と単位を一緒に渡します。両側の合計値なのか、片側ごとの値なのかが分からないと、同じ数値でも抵抗の見込みが変わります。清浄時のU値と設計時のU値も分けて示すと、どの抵抗を追加した計算か確認しやすくなります。

設計では、予定する流体や運転・保守条件に応じて汚れ抵抗を見込みます。必要な熱負荷と温度条件が同じなら、見込む抵抗が大きいほど設計U値は小さくなり、必要な伝熱面積は大きくなります。

清浄な状態のU値をUc、汚れを見込んだ設計値をUdとします。他の抵抗を変えずに汚れ抵抗Rfを加えるモデルなら、UcとUdの逆数の差がRfになります。

次に必要面積を求めます。熱負荷Q、U値、対数平均温度差ΔTlmを使う基本式では、同じQと温度差を保つために、低下したU値を面積で補う関係になります。

例えばQを100kW、ΔTlmを20Kと仮定すると、清浄U値1000の場合は5m²です。汚れを見込んだU値800の場合は6.25m²となり、このモデルでは25%大きい面積になります。

図3：同じ熱負荷なら、汚れの見込みで必要面積が変わる

共通条件はQ＝100kW、ΔTlm＝20K。機器の絵は面積を比較するイメージです。

数値は仮定例です。図の板枚数が実際の設計枚数を表すものではなく、流路構成や流速を変えずにU値だけを比較したモデルです。

対数平均温度差は、両流体の入口出口温度と流れ方から求めます。どの温度を組み合わせるかは、LMTDの計算方法と照らして確認し、汚れによるU値の違いと混同しないようにします。

面積の計算を一通り追う場合は、熱交換器の伝熱面積を求める例も参考になります。U値の単位と熱負荷の単位をそろえ、kWのままWを前提とする式へ入れないことが基本です。

ただし実際の熱交換器では、面積を増やすために構造を変えると流速なども変わり得ます。アルファ・ラバルの資料でも、プレートの並列流路を増やす場合には流路あたりの流れが変わると説明しています。

したがって、計算例の25%という面積の増加率を、そのまま板枚数や実機の余裕へ適用するわけではありません。流量、圧力損失、流路構成、清掃性などを合わせ、メーカーの設計で成立する条件を確認します。

汚れ係数は大きく見込めば常に良いという値でもありません。設備を過大にすると費用や流動条件に影響するため、想定流体と運転時間、保守の計画を設計者へ伝え、見込む抵抗の根拠をそろえます。

U値は熱交換器の種類や流れの条件でも変わります。機器の特徴は熱交換器の種類と伝熱能力、プレート式の計算条件はプレート式熱交換器のU値の求め方と合わせて確認できます。

運転時の汚れ係数

差圧の記録も、熱抵抗とは別の観点の情報です。流路が狭くなる変化の把握に役立つ一方で、流量や流体の状態が変われば差圧も変わります。U値と差圧の両方が変化したというだけで、付着物の厚さや熱伝導率が一意に決まるわけではありません。熱の性能と流れの状態を対応させて読みます。

運転データを残すときは、高温側と低温側の入口・出口温度、各側の流量、使用流体を同じ時点の組として扱います。異なる時間の値を組み合わせると、実在しない運転状態からU値を求めることになります。負荷の変化が大きい時間帯と、比較する状態が落ち着いた時間帯も区別して記録します。

運転では、清浄時の基準データと現在のデータを比べ、熱抵抗がどの程度増えたかを推定できます。ただし基準と現在の運転条件が違うと、汚れ以外の抵抗の変化も差に含まれます。

まず温度と流量などから熱負荷を求め、面積と温度差を用いて運転U値を計算します。相変化のない流体で比熱を一定とみなせる場合と、蒸気の凝縮などで潜熱を扱う場合は、熱負荷の求め方を区別します。

流量と温度差を使う測定の考え方は、積算熱量計の原理と計算例にもつながります。汚れを調べる計算では、その時点の熱負荷と、時間で積算した熱量を取り違えないことも必要です。

図4：U値を比べる前に、条件と基準をそろえる

U値の低下だけを汚れへ直結させず、測定と流動条件を確認してから追加抵抗を推定します。

測定値を確認両側の入口出口温度・流量と、熱負荷の求め方を確認する

比較の前提を確認流速、流体・相状態、物性、伝熱面積の基準などをそろえる

増加した抵抗を推定他の抵抗が変わらない条件なら、Uの逆数の差を汚れ相当の抵抗と考える

条件がそろわない場合は、その差を全て汚れ係数とは扱えません。単一の計器値だけで洗浄の必要性を決める手順ではありません。

ベオリアの資料では、両側の流速を一定にして膜抵抗の変化を抑え、U値の変化を汚れの推定に使う考え方が示されています。実際には流体物性や相状態、測定の確かさも合わせて確認します。

例えば清浄基準1000、現在800W/(m²K)で、汚れ以外の抵抗を同じと仮定します。この場合はU値の差200ではなく、それぞれの逆数の差から0.00025m²K/Wを求めます。

基準の試運転データも、試運転時という理由だけで清浄を保証するものではありません。設備の状態と測定条件が分かる基準を残し、同じ面積や温度の定義で比較できるようにしておきます。

負荷が変わって流量が下がった場合には、対流側の熱伝達率も変わる可能性があります。汚れが増えたためにU値が下がったのか、運転条件が変わったためなのかを、記録と照らして区別します。

計算で負の追加抵抗が出た場合も、負の汚れが付いたと解釈するものではありません。基準と現在の条件、計測値、計算に使った流量や面積の定義が対応しているかを見直す材料になります。

汚れ係数の推定は、性能管理の一つの指標です。温度条件や流量、圧力損失、現物の状態と合わせて見ることで、熱の通りにくさと流れにくさを別々の視点から整理できます。

図5：熱抵抗と、流路の状態を別の指標で記録する

断面の茶色は付着物、青は内側の流路です。灰の破線は観察・測定情報を記録へ渡す関係です。

断面や付着の形は模式例です。汚れ係数と差圧が一対一に対応するという図ではなく、分解・洗浄・運転再開の方法も指定していません。

付着を抑える方法も、原因によって異なります。清浄度の高い流体を使うことや適切な水処理、付着に応じた洗浄などを検討しますが、全ての汚れに共通する一つの方法があるわけではありません。

例えばスケールとスラッジの違いを知ると、同じ「汚れ」でも発生や付着の仕方が異なると分かります。水質に関わる条件は、設備に応じた管理項目と結び付けて考えます。

ストレーナーは固形の異物を捕集する役割ですが、溶解成分が析出する汚れまで全て防げるものではありません。捕集する異物と目開きの関係は、ストレーナーのメッシュ選定で確認できます。

ボイラーでの水質管理は、ボイラー水の水処理の要点と関係します。ただし熱交換器の方式や材質で適切な条件は違うため、別設備の薬品や洗浄条件をそのまま転用することは避けます。

洗浄の時期や方法は、必要能力、圧力損失、付着物と機器材料、運転計画を合わせて判断します。ここでの仮定の汚れ係数を全設備の洗浄基準にせず、メーカーの資料と設備の管理基準に従います。

汚れ係数のよくある質問

汚れ係数が大きいほど性能は良いのですか？

同じ条件なら逆です。汚れ係数は追加の熱抵抗なので、大きいほど熱が伝わりにくくなります。熱を伝えやすいほど大きくなるU値とは区別します。

厚さが分かれば汚れ係数を計算できますか？

均一な平面層のモデルでは、厚さだけでなく熱伝導率も必要です。実際の付着物は組成や厚さが一様とは限らないため、外観だけで正確な値を決められるとは限りません。

U値が下がれば必ず汚れが増えていますか？

それだけでは断定できません。流量、物性、相状態や計測条件の違いもU値に影響するため、基準と現在の条件をそろえてから増加した抵抗を考えます。

汚れ係数と伝熱面積の余裕率は同じですか？

同じ値ではありません。汚れ係数にはm²K/Wという単位があり、面積の余裕率は清浄条件などに対してどれだけ面積を増やすかの割合で、設計条件を介して関係します。

推定値が負になったらどう考えますか？

負の汚れが付いたと解釈するものではありません。基準と現在の運転条件、測定値、U値と面積の定義などを確認し、抵抗の差を比較できる計算になっているか見直します。

まとめ

汚れ係数は、伝熱面の付着物が加える熱抵抗を表します。設計では必要面積の見込みに、運転では性能変化の把握に使いますが、流量や物性、面積基準などの前提をそろえることが大切です。

• 汚れ層と金属壁の厚さ・熱伝導率を区別する
• 両側の汚れと対流抵抗を、同じ面積基準で扱う
• 設計の余裕と運転データからの推定値を分ける
• U値低下の原因を汚れだけに決めつけない
• 温度・流量・差圧・現物の記録を合わせて管理する

出典

出典・参考資料（4件）を開く

• Alfa Laval：Plate heat exchanger calculation method — 総括伝熱係数、清浄値と設計値、汚れ抵抗。
• Alfa Laval：The theory behind heat transfer — 6ページの抵抗式と定義、7ページの面積余裕と流路条件。
• Spirax Sarco：Heat Transfer — 平面壁の伝導、U値と抵抗、流体物性・流量の影響。
• Veolia：Cooling Water Systems—Heat Transfer — 五つの熱抵抗、同じ流速でのU値比較と性能管理。