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熱交換器(ねつこうかんき)は、温度の高い物体から低い物体へ効率的に熱を移動させる機器である。液体・気体などの流体を扱うものが多い。

熱の段階的利用や回収による省エネルギーのため、積極的な導入が求められている。

◆用途

◇冷却・加熱プロセス

冷凍機・食品製造・化学薬品製造などでは、冷却・加熱プロセスのために使用される。

・凝縮器 : 気体を冷却し液体とするために使用されるもの。

・蒸発器 : 液体を加熱し気体とするために使用されるもの。

・冷却塔 : 屋外に設置される液体-大気の熱交換器のうち冷却に使用されるもの。

・加熱塔 : 屋外に設置される液体-大気の熱交換器のうち加熱に使用されるもの。

◇ボイラー

ボイラーは、熱交換器の集合体といえる。

・給気予熱器 : ボイラー排ガスの熱で燃焼用空気を予熱するもの

・給水予熱器(節炭器) : ボイラー排ガスの熱でボイラー給水を予熱するもの。

・水冷壁

・炉筒

・煙管

・過熱器 : 飽和蒸気を加熱し過熱蒸気とするもの。

・再熱器 : 蒸気タービンで仕事をした蒸気を再び加熱し、再熱サイクルタービンを回す蒸気を作るもの。

◇蒸気タービン

・蒸気発生器 : 加圧水型原子炉において、原子炉を循環する一次冷却系の熱で二次冷却系の軽水を沸騰させ、蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させるもの。

・復水器 : ランキンサイクルで、水蒸気を冷却し水とするもの。

◇空気調和

空気調和には、熱交換が必要である。

・ファンコイルユニット : 暖房・冷房に用いられる送風機とエアフィルタ付きの水-空気の熱交換器である。

・室内機 : 暖房・冷房に用いられる送風機とエアフィルタ付きの冷媒-空気の熱交換器である。

・放熱器 : 水蒸気や高温水を利用し自然対流や放射によって温度を保つもの。

・放熱パネル : 面積の大きな主に放射による伝熱を行うもの。床暖房など。

◇換気

換気による熱負荷を少なくするために排気-給気の熱交換が行われる。熱交換エレメントを汚損から守るため、エアフィルタで前処理された空気を通過させることがある。

・全熱交換器 : 熱とともに水分(湿度)を交換するもの。

・顕熱交換器 : 湿気を排出し温度を保つために使用される。

◇船舶・車両用熱交換器

船舶・車両用の熱交換器は、小型軽量で振動・衝撃に強く、姿勢変化による効率の変化や不具合の発生が無いことが求められる。また、移動するものであるから、周囲環境の変化に対応する能力をもたせておくことも必要である。

◆管理

熱交換面の粉塵やスケール・スライムなどは、熱交換効率の低下・媒体の通過量の低下・差圧の上昇を招く。そのため、各種フィルタ・ストレーナでの流体の前処理や、薬品注入が行われる。伝熱面の温度管理を適切に行わないと腐食や汚損が激しくなる。

また、定期的な清掃が必要である。粉塵の場合は、水蒸気や圧縮空気での吹き飛ばし(ボイラーの場合はスートブロワという)、高圧水噴射などが行われる。スケール・スライムの場合はスポンジボール・ブラシなどによる物理的洗浄のほか、薬品洗浄などが行われる。

◆法的規制

・エネルギーの使用の合理化に関する法律 : 省エネルギーを行うために熱の段階的利用や回収を積極的に行うとともに、熱交換器を適切に管理し効率的に使用することが定められている。

・ボイラー及び圧力容器安全規則 : 内部圧力が高くなるものは、圧力容器として設置・運用に関して規制がある。

・高圧ガス保安法 : 高圧ガスを使用するものの取り扱い。

◆構造

◇液-液

・スパイラル式熱交換器 :中央部の骨組みとなる相対する半円筒部を軸として所要伝熱面積を有する長い伝熱板を渦巻き状に巻二つの渦巻き状の流路を形成させたもの。汚れにくく、コンパクト性に優れ、高性能である。

・プレート式熱交換器 : 金属板をプレス加工したものをパッキンを間にはさみ重ね合わせたもの。交互に冷却媒体と加熱媒体とを流す流路がある。分解清掃・能力の変更が行いやすい。

・二重管式熱交換器 : 二重になった管の内外で熱交換を行うもの。

・多管円筒式熱交換器 : 円筒胴内に多数の伝熱管を配列し、伝熱管内外面を流れる流体間で熱交換を行わせる形式のもの。

・多重円管式熱交換器 :

・渦巻管式熱交換器 :

・渦巻板式熱交換器 :

・タンクコイル式熱交換器 : タンク内に熱媒体を流すコイル状の管があるもの。

・タンクジャケット式熱交換器 :

・直接接触液液式熱交換器 :

◇気-液

・空冷式熱交換器 : 空冷の冷却塔など

・直接接触式熱交換器 : 開放型冷却塔など

・フィンチューブ熱交換器 : 液体を流す管に気体に接する面を大きくするためにフィンをつけたもの。

◇気-気

・静止型熱交換器 : 静止した伝熱体で熱交換を行うもの。

・回転再生式熱交換器 : 回転する蓄熱体に給気排気を交互に通過させ熱交換を行うもの。回転軸が鉛直なユングストローム式や水平なローテミューレ式が代表例。

・周期流蓄熱式熱交換器 : 周期的に流路を切替えて蓄熱と放熱とをおこなうもの。リジェネレイティブバーナーなど。

◇相変化

・蒸発装置熱交換器 : 蒸留装置など。

・蒸発冷却熱交換器 : 熱交換器表面に液体を散布しその気化熱で冷却するもの。

・噴霧蒸発式熱交換器 :

・リボイラ式熱交換器 :

・液膜式熱交換器 :

・泡沫接触式熱交換器 :

・遠心薄膜式熱交換器 : 乾燥・濃縮

・掻面式熱交換器 :

・掻面液膜式熱交換器 :

◇媒体の流れによる分類

・対向流式 : 加熱媒体と冷却媒体が向かい合わせに接して流れるもの。効率がよい反面、熱交換器内の温度差が大きくなるため、加熱媒体と冷却媒体の温度差が小さい場合や熱交換器の小型化が必要な場合に用いられる。

・並流式 : 加熱媒体と冷却媒体が同じ向きに接して流れるもの。効率が悪いが、熱交換器内の温度差や最高温度を小さくできるため、加熱媒体の温度が高く、材料の劣化を緩和する必要がある場合に用いられる。

・直交流式 : 加熱媒体と冷却媒体が直交して流れるものである。

◆理論

全伝熱面を通じて熱通過率が一定な熱交換器における伝熱量Qは下式で与えられる。

:$Q=KF\backslash frac$

ここに、

:K : 熱通過率

:F : 伝熱面積

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