熱交換器はどのように機能するのでしょうか?

熱交換器は、ある流体 (液体または気体) と別の流体 (別の液体または気体) の間で、2 つの流体を直接接触させることなく熱を伝達するために使用され、加熱プロセスと冷却プロセスの両方に使用されます。

熱交換器空調、化学プラント、石油化学プラント、石油精製所、発電所、天然ガス処理、冷凍、下水処理、暖房などの幅広い用途で使用されています。これは内燃エンジンにも見られ、空気がラジエーター コイルを通過する際にエンジン冷却液がラジエーター コイルを通過し、空気を加熱しながら冷却液を冷却します。

熱交換器は、ある流体からの熱を、混合したり直接接触したりすることなく、より冷たい別の流体を通過させることによって機能します。

たとえば、パイプの周りに別のパイプがあると想像してください。内側のパイプには熱い流体を通過させることができ、同時に外側のパイプには冷たい流体を通過させることができます。これにより、より温かい流体がより冷たい流体の熱を同時に上昇させるため、より冷たい流体がより温かい流体の温度を下げることが可能になります。もちろん、これは熱交換の非常に基本的な例であり、熱交換器を調査する際には他にも考慮すべき要素が多数あります。

1. パス

パイプをたとえば「S」字型に湾曲させることにより、流体が熱交換器から出る前に複数回「通過」できるようになります。シングルパスは真っ直ぐなパイプで、流体は熱交換器の一端から入り、もう一方の端からかなり早く出ます。ダブルパスでは U- 形状が使用されるため、流体が熱交換器に出入りするのは同じ端で行われ、熱交換器内で流体が互いに通過する時間が長くなります。-トリプルパスでは、流体が熱交換器の長さに沿って 3 回通過してから排出される「S」字型の構造が使用されます。パスの数が多いほど、流体がシステム内でより長く一緒に存在するため、より多くの熱伝達が可能になりますが、これにより圧力低下や速度の低下が生じる可能性もあります。

2. 温度クロス-オーバー

温度クロスオーバーは、熱交換器内で冷たい流体の熱が熱い流体の温度と交差し始めるときに発生します。{0}}たとえば、温度 30 °C の水と一緒に 80 °C の熱交換器に入る油は、水が 51 °C に達するにつれて油が 50 °C に低下すると、温度がクロスオーバーする可能性があります。-。この時点で、冷たい流体（水）はオイルよりも熱くなります。温度クロスオーバーは、特に冷却時に熱交換器の効率を大幅に低下させる可能性があります。{9}}これは、冷却剤の流量 (以下の「流量」を参照) を増やすことで回避でき、システム内の冷却剤が増加します。温度のクロスオーバーが避けられない場合は、プレート熱交換器 (下記の「熱交換器の種類」を参照) を使用するのが最良の解決策です。

3. 温度差

これは、「温度クロスオーバー」（上記）で示されているように、冷却剤と高温の流体の間の温度差を指します。これは熱交換器において重要です。{0}冷却液は高温の流体よりも低い温度に保つ必要があり、冷却液が冷たければ低温であるほど、高温の流体から熱を奪う効果が高くなります。

4. 流量

これは、特定の時間内にパイプの断面を通過する流体の量です。-これは、流体が流れた時間あたりの流体の体積として計算されます -。流量が大きいほど、熱交換器の熱伝達能力が高まる可能性があります。ただし、流体の量が増えると、輸送する質量も大きくなり、圧力損失と速度も増加します。

熱交換器は、流れの配置または熱交換器自体の設計に従って分類できます。

熱交換器で見られる流れの配置の 3 つの主な分類は、平行流、向流、直交流です。{0}{1}

• パラレルフロー:2 つの流体は熱交換器の同じ端から入り、並行して移動してから一緒に排出されます。
• カウンターフロー:流体は熱交換器の反対側から入り、システム内を反対方向に移動します。システム全体で流体間の平均温度差が高いままであるため、これは最も効率的な流れの配置です。
• クロスフロー-:この形式の熱交換器では、流体は互いに垂直に (直角に) 移動します。

流れの配置だけでなく、熱交換器は、熱交換器の物理設計に従ってタイプ別に分類できます。

• 二重管:これは、産業界で使用されている最も単純なタイプの熱交換器です。名前が示すように、これらは流体が流れる 2 つのチューブで構成されています。流れの構成は平行流または向流にすることができ、2 つの流体を同じ温度にする必要がある場合は向流の方が効率的ですが、平行流の方が優れています。これらの熱交換器は、設計と保守が簡単かつ安価ですが、他の設計に比べて効率が比較的低いです。
• シェルとチューブ:シェルアンドチューブ熱交換器は、一方の流体が流れる一連の金属チューブを使用し、その周囲を第二の流体が流れる密閉シェルで囲みます。このタイプの熱交換器は、平行流、対向流、直交流など、あらゆるタイプの流れに対応しており、蒸気機関車に搭載されています-。バッフルは、流体の流れを方向付け、流体の振動を誘発し、チューブをサポートするために使用されます。一方、フィンは、熱伝達面積を増やすために空冷技術（内燃機関のインタークーラーなど）と併用することもできます。-
• プレート/フィン:このタイプの熱交換器は、建物の床のようなレベルを形成するためにフィンによって分離された薄い金属板の積み重ねを使用します。ただし、これらの「床」のそれぞれは自己完結型であり、上下の床から分離されており、流体が流れる一連の密閉されたチューブを形成しています。-これにより、熱を迅速に交換できる大きな表面積が形成され、伝熱面全体にわたる流体の流れが確保され、流体の停滞や蓄積が防止されます。プレートは、波形プレート、プレートとフレーム、プレートとシェル、スパイラル プレートなど、さまざまなサイズ、深さ、形状で作成できます。プレート間の大きな流れの乱流により、熱伝達が増大し、圧力が低下します。このタイプの熱交換器は、ガス炉やボイラーなどの用途に使用されます。
• 空冷:このタイプの熱交換器は、冷水が利用できない車両やその他の移動用途でよく見られます。空冷システムは、2 つの液体の代わりに、ファンからの冷気、または車両自体の動きによって生じる空気の流れを使用します。
• 凝縮器、ボイラー、蒸発器:このタイプの熱交換は、すでに説明したものとはわずかに異なる方法で機能するため、特に言及する価値があります。これらは 2 つの流体 (高温と低温) を挿入するのではなく、高温のガスを冷却して凝縮させて液体にする (またはその逆) ことを利用して、熱伝達サイクルを作成します。これは蒸気タービンや蒸気発生器で使用されるプロセスで、水を蒸発させて蒸気にし、その後冷却して液体に戻すサイクルを使用します。
• 回復装置:熱交換器は、建物から排出される熱など、本来失われる熱を捕捉するように設計された熱交換器です。暖かい空気は、冷たい流体が流入する別のチャネルに沿ってチャネルを通って外に導かれ、逆流を生み出します。これが熱回収換気システムの仕組みです。-これにより、外に出ていく暖かい空気から建物の熱をすべて失うことなく、新鮮な空気で建物を換気できます。
• 再生器:これらのタイプの熱交換器により、流入流体と流出流体の両方が、同じチャネルを異なる時間に反対方向に移動することができます。温かい流体が流出するときに熱の一部を放出し、その後、冷たい流体が流入するときに、そこに残っていた残留熱の一部を受け取ります。このタイプの熱交換はスターリング エンジンで使用され、ピストンを使用して、閉じ込められたガスを熱源 (火など) と熱が失われる冷却領域 (「シンク」) との間で往復させます。このタイプの熱交換器は、熱を「再生」することでシステム内の熱損失を削減します。

熱交換器は産業用から日常使用まで幅広い用途に使用されています。

熱交換器にはさまざまな設計や流れシステムがありますが、すべて同じように機能します。より熱い流体とより冷たい流体の間で（実際に混合することなく）熱接触が可能になり、それに応じて 2 つの流体が互いに加熱または冷却されます。-

これにより、車両やその他のユニットの効率が向上するだけでなく、コストが節約され、エネルギー消費 (およびそれに伴う環境への影響) が削減されます。

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熱交換器の用途シナリオ（食品加工、石油化学産業、電力冷却など）や媒体の特性（腐食性、粘度、温度）はさまざまです。そのため、仕様計画も独自に適応されます。-お客様のニーズをお知らせください。対象となるパラメータと見積もりを提供します。

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