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熱交換器は、熱源と作動流体の間で熱を伝達するために使用されるシステムです。熱交換器は、冷却プロセスと加熱プロセスの両方で使用されます。[ 1 ]流体は、混合を防ぐために固体壁で分離されている場合もあれば、直接接触している場合もあります。[ 2 ]熱交換器は、暖房、冷凍、空調、発電所、化学プラント、石油化学プラント、石油精製所、天然ガス処理、下水処理などで広く使用されています。熱交換器の典型的な例は、内燃機関に見られます。内燃機関では、エンジン冷却液と呼ばれる循環流体がラジエーターコイルを流れ、空気がコイルを通過することで冷却液が冷却され、流入する空気が加熱されます。もう1つの例はヒートシンクです。ヒートシンクは、電子機器や機械装置によって発生した熱を流体媒体（多くの場合、空気または液体冷却液）に伝達する受動的な熱交換器です。[ 3 ]
熱交換器は、流体の流れの配置に基づいて、主に3つの種類に分類されます。
効率を高めるため、熱交換器は、2つの流体間の壁面の表面積を最大化し、同時に交換器を通過する流体の流れに対する抵抗（圧力損失）を最小限に抑えるように設計されています。熱交換器の効率は、フィン、波形、ディンプル、ルーバーなどの伝熱機能を追加することで向上させることができます。これらの機能は、表面積を増加させ、流体の流れを誘導したり、乱流を誘発したりする可能性があります。ただし、運転中に粒子を捕捉または引き付ける可能性のある伝熱機能を追加する際には注意が必要です。これにより、目詰まり、汚れ、抵抗の増加が生じ、そのような機能のない熱交換器と比較して、初期の効率上の利点が時間とともに減少し、場合によっては完全に失われる可能性があります。熱交換器の効率を元の清浄な状態に回復するには、設計効率を回復するための予防保全が必要になる場合があります。
伝熱面全体の駆動温度は位置によって変化しますが、おおよその平均温度を定義することができます。ほとんどの単純なシステムでは、これは「対数平均温度差」（LMTD）です。LMTDを直接知ることができない場合、NTU法が使用されます。
熱交換器の設計および製造には数多くの規制があり、それらは使用される地域によって異なる。
設計および製造コードには、ASME ボイラーおよび圧力容器コード(米国)、PD 5500 (英国)、BS 1566 (英国)、[ 6 ] EN 13445 (EU)、[ 7 ] CODAP (フランス)、圧力機器安全規則 2016 (PER) (英国)、圧力機器指令(EU)、NORSOK (ノルウェー)、TEMA、[ 8 ] API 12、API 560 [ 9 ]、API 660 [ 10 ]が含まれます。
応用上、熱交換器は最大動作温度によって低温型と高温型に大まかに分類できます。前者は 業界によって500～650℃まで動作し、一般的に特別な設計や材料の考慮は必要ありません。後者は1000℃または1400 ℃まで動作しますが、特別な設計や材料の考慮が必要です。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
熱交換器の製造工程は、実用化前に以下の試験を用いて検証する必要がある場合があります。
熱交換器には様々な設計がありますが、一般的には以下の大まかなカテゴリーに分類されます。
二重管式熱交換器は最もシンプルな構造のため、コストとメンテナンスの手間を最小限に抑えることができます。かつては様々な用途で広く用いられていましたが、現在では主に学生に熱交換器の設計の基礎を教えるための教材として使われています。これは、すべての熱交換器に共通する基本的な物理法則が同じであるためです。効率が低いことと、比較的大きなサイズであることから、現代の産業界では、シェルアンドチューブ式やプレート式といった、より効率的な熱交換器への移行が進んでいます。
一方の流体が細い方のパイプを流れるとき、もう一方の流体は2本のパイプ間の環状の隙間を流れる。二重管式熱交換器では、これらの流れは平行流または対向流となる。
上の図は、流体交換器における平行流と対向流の流れ方向を示しています。
シェルアンドチューブ式熱交換器は、加熱または冷却する必要のある流体を含む一連のチューブで構成されています。外側のシェルに収容された第2の流体は、加熱または冷却されるチューブの上を流れ、必要な熱を供給または吸収することができます。チューブのセットはチューブバンドルと呼ばれ、プレーン、縦フィン付き、曲げ、U チューブなど、いくつかの種類のチューブで構成できます。シェルアンドチューブ式熱交換器は、その形状により頑丈であるため、一般的に高圧、高温の用途 (圧力が 30 bar 以上、温度が 260 °C 以上) に使用されます[ 21 ]。シェルアンドチューブ式熱交換器の設計には多くのバリエーションがありますが、建設は業界標準である TEMA [ 22 ]を使用して実施する必要があります。通常、各チューブの端は、チューブシートの穴を介してプレナム(ウォーターボックスと呼ばれることもあります) に接続されます。
シェルアンドチューブ式熱交換器には、利用可能な設計上の特徴が多岐にわたるため、多くのバリエーションが存在する。
海洋環境や過酷な環境に最適な長寿命の熱交換器は、真鍮製のシェル、銅製のチューブ、真鍮製のバッフル、鍛造真鍮製の一体型エンドハブ[ 24 ]、ステンレス鋼、またはチタン[ 25 ]で組み立てることができます（ 「熱交換器における銅」を参照）。
らせんコイル式熱交換器（HCHE）の実用化には、いくつかの利点があります。
これらは、1970年代初頭から、 Charles E. BoardmanとJohn H. Germerによって発明されたHCHE装置を使用して、大型液体金属高速増殖炉のナトリウムシステムで熱を交換する方法として原子力産業で使用されてきました。[ 28 ] あらゆる種類の製造業向けにHCHEを設計するためのいくつかの簡単な方法があり、例えば、インドのRamachandra K. Patil（他）の方法や、米国のScott S. Haraburdaの方法などがあります。[ 26 ] [ 27 ]しかし、これらの設計は、内部熱伝達係数の推定、コイルの外側の流れの予測、および一定の熱流束の仮定に基づいています。[ 29 ]
一般的な HCHE の垂直流に対する変更には、シェルを別のコイル状のチューブに置き換えることが含まれており、これにより 2 つの流体が互いに平行に流れるようになり、異なる設計計算の使用が必要になります。[ 30 ] これらはスパイラル熱交換器 (SHE) であり、らせん状(コイル状) チューブ構成を指す場合もありますが、より一般的には、この用語は、対向流配置で 2 つのチャネルを形成するようにコイル状に巻かれた一対の平面を指します。2 つのチャネルのそれぞれに、1 つの長い湾曲した経路があります。一対の流体ポートがスパイラルの外側の腕に接線方向に接続されており、軸方向ポートは一般的ですが、オプションです。[ 31 ]
SHEの主な利点は、スペースを非常に効率的に利用できることです。この特性は、熱交換器設計におけるよく知られたトレードオフに従って、性能向上を図るためにしばしば活用され、部分的に再配分されます。（注目すべきトレードオフは、設備投資コストと運転コストです。）コンパクトなSHEを使用すれば、設置面積を小さくして設備投資コスト全体を削減できます。一方、大型のSHEを使用すれば、圧力損失、ポンプエネルギー、熱効率、エネルギーコストを削減できます。
らせん状の溝内のシート間の距離は、圧延前に溶接されたスペーサースタッドを使用して維持されます。メインのらせん状パックが圧延されたら、上下のエッジを交互に溶接し、各端をガスケット付きの平らなまたは円錐形のカバーで閉じ、本体にボルトで固定します。これにより、2つの流体が混ざらないようにします。漏れは、外周カバーから大気、または同じ流体を含む通路に発生します。[ 32 ]
スパイラル型熱交換器は、固体を含む流体の加熱によく使用され、そのため熱交換器内部が汚れやすい傾向があります。圧力損失が低いため、SHE は汚れに対処しやすくなっています。SHE は「自己洗浄」機構を使用しており、汚れた表面が流体速度を局所的に増加させ、汚れた表面の抵抗（または流体摩擦）を増加させることで、詰まりを取り除き、熱交換器を清潔に保ちます。「伝熱面を構成する内壁は、多くの場合かなり厚く、SHE は非常に頑丈で、過酷な環境でも長持ちします。」また、オーブンのように開くため、汚れの蓄積を高圧洗浄で除去できるため 、洗浄も容易です。
セルフクリーニング式浄水フィルターは、システムを停止したりカートリッジやバッグを交換したりすることなく、システムを清潔に保ち、正常に稼働させるために使用されます。
らせん型熱交換器には、主に3種類の流れがあります。
スパイラル型熱交換器は、低温殺菌、消化槽加熱、熱回収、予熱（熱回収器を参照）、排水冷却などの用途に適しています。汚泥処理の場合、SHEは一般的に他のタイプの熱交換器よりも小型です。これらは熱を伝達するために使用されます。
もう一つのタイプの熱交換器は、プレート式熱交換器です。このタイプの熱交換器は、非常に大きな表面積と小さな流体流路を持つ、わずかに間隔を空けた多数の薄いプレートで構成されています。隣接するプレート間の隙間はガスケットで密閉され、2つの独立した流路が形成されます。この設計により、2種類の異なる流体が混ざることなく交互に流路を流れることができます。プレートは溶接とボルト締めによって固定され、構造的な完全性を確保し、漏れを防ぎます。ガスケットとろう付け技術の進歩により、プレート式熱交換器はますます実用的になっています。
HVAC用途では、このタイプの大型熱交換器はプレートアンドフレームと呼ばれます。オープンループで使用される場合、これらの熱交換器は通常、定期的な分解、洗浄、および検査を可能にするためにガスケットタイプになります。永久的に接着されたプレート式熱交換器には、ディップろう付け、真空ろう付け、溶接プレートなど多くの種類があり、冷凍などのクローズドループ用途によく指定されます。プレート式熱交換器は、使用されるプレートの種類とプレートの形状によっても異なります。プレートには、「シェブロン」、ディンプル、またはその他のパターンが刻印されている場合もあれば、機械加工されたフィンや溝が付いている場合もあります。
シェルアンドチューブ式熱交換器と比較すると、プレート式熱交換器は一般的に容積とコストが小さくなります。両者のもう一つの違いは、プレート式熱交換器は通常、低圧から中圧の流体を扱うのに対し、シェルアンドチューブ式熱交換器は中圧から高圧の流体を扱う点です。3つ目の重要な違いは、プレート式熱交換器は交差流よりも向流を多く採用しているため、接近温度差が小さく、温度変化が大きく、効率が向上することです。
プレート表面の波状パターンは、2つの重要な機能を果たします。1つは熱伝達に利用できる表面積を増やすこと、もう1つは熱性能を高める乱流を発生させることです。対向流構成では、2つの流体が隣接する流路を反対方向に流れるため、熱交換に利用できる温度差が最大化され、効率が向上します。
外側のフレームプレートと内側の圧力プレートの間に配置されたガスケットは、相互汚染を防ぐ確実なシールを形成します。分配設計により、流体は伝熱面全体に流れ、堆積物が蓄積する可能性のある停滞領域を防ぎます。プレート式熱交換器は、プレートアンドフレーム式、プレートアンドシェル式、スパイラル式など、さまざまな構成で製造されており、プレートの深さ、サイズ、波形パターンが異なるため、特定の用途や性能要件に対応できます。
このタイプの熱交換器は、フィンを挟んだ「サンドイッチ構造」の通路を用いることで、装置の効率を高めています。設計には、クロスフロー式とカウンターフロー式があり、フィン形状も直線フィン、オフセットフィン、波型フィンなど様々です。
プレートフィン式熱交換器は通常、高い熱伝達効率を提供するアルミニウム合金で作られています。この材料により、システムはより低い温度差で動作し、機器の重量を軽減できます。プレートフィン式熱交換器は、天然ガス、ヘリウム、酸素の液化プラント、空気分離プラント、自動車や航空機エンジンなどの輸送産業といった低温用途で主に使用されています。
プレート式フィン型熱交換器の利点：
プレート式フィン型熱交換器の欠点：
プレートシェル式熱交換器は、ガスケットを一切使用せずに製造されているため、高圧・高温下でも漏れを防ぎます。熱交換器のシェル内部には、円形プレートをプレス加工・切断して溶接した、完全に溶接された円形プレートパックが収められています。ノズルは、プレートパックへの流体の流入と流出（「プレート側」流路）を制御します。この完全に溶接されたプレートパックは、外側のシェルに組み込まれ、第2の流路（「シェル側」）を形成します。プレートシェル方式は、高い熱伝達率、高圧、高温運転、コンパクトなサイズ、汚れの付着の少なさ、そして接近温度の低さといった特長を備えています。
断熱ホイール式熱交換器は、中間流体または固体蓄熱体を用いて熱を蓄え、その熱を熱交換器の反対側へ移動させて放出します。その例として、高温流体と低温流体の中を回転する細いねじ山のある大きなホイールで構成される断熱ホイールと、流体式熱交換器が挙げられます。
ピロープレート式熱交換器は、乳製品業界でステンレス製バルクタンク内の牛乳を冷却するために一般的に使用されています。タンクのほぼ全面をこの熱交換器で覆うことができ、タンク外側に溶接されたパイプ間の隙間が生じることもありません。ピロープレートは、タンク内に積み重ねる平らなプレートとして製造することも可能です。プレートの表面は比較的平坦であるため、特に無菌環境下での洗浄が容易です。
ピロープレートは、薄い金属板をタンクや容器の厚い面に溶接するか、2枚の薄い金属板を溶接して作製することができる。プレートの表面には、規則的な点状の溶接パターン、または蛇行状の溶接線パターンが施される。溶接後、密閉された空間に十分な圧力を加えることで、薄い金属が直接膨張し、溶接部周辺が膨らむ。これにより、熱交換器の液体が流れる空間が確保され、金属でできた膨らんだ枕のような特徴的な外観が形成される。
直接接触式熱交換器は、分離壁がない状態で、2相の高温流体と低温流体の間で熱伝達を行うものである。[ 33 ]したがって、このような熱交換器は次のように分類できる。
ほとんどの直接接触式熱交換器は気液カテゴリーに属し、気体と液体の間で滴、膜、または噴霧の形で熱が伝達されます。[ 21 ]
管式熱交換器においてフィンを使用するのは、作動流体の1つが低圧ガスである場合に一般的であり、自動車用ラジエーターやHVAC（空調設備）の空気凝縮器など、外気を使用する熱交換器では典型的な方法です。フィンは熱交換可能な表面積を大幅に増加させ、空気のように熱伝導率が非常に低い流体への熱伝導効率を向上させます。フィンは通常、管からフィンの長さに沿って熱を伝導する必要があるため、アルミニウムまたは銅で作られており、フィン自体は通常非常に薄く作られています。
フィン付きチューブ式（チューブ・フィン式）熱交換器の主な構造タイプは以下のとおりです。
シェルアンドチューブ式熱交換器の内部チューブには、ガスへの高効率な熱伝達が必要な場合、積層フィン構造またはらせん巻き構造を使用することができる。
電子機器の冷却において、ヒートシンク、特にヒートパイプを使用するものは、積層フィン構造を持つことがある。
マイクロチャネル／マルチパス並列流熱交換器は、マニホールド（入口と出口）、水力直径が1mm未満のマルチポートチューブ、フィンという3つの主要要素で構成されています。これらの要素は通常、制御雰囲気ろう付けプロセスを用いて組み立てられます。マイクロチャネル熱交換器は、フィン付きチューブ熱交換器と比較して、高い熱伝達率、低い冷媒充填量、コンパクトなサイズ、低い空気側圧力損失といった特徴を備えています。マイクロチャネル熱交換器は、自動車業界ではラジエーターとして、また空調業界では凝縮器、蒸発器、冷却／加熱コイルとして広く使用されています。
マイクロ熱交換器、マイクロスケール熱交換器、またはマイクロ構造熱交換器とは、（少なくとも1つの）流体が、典型的な寸法が1 mm未満の横方向の制約内を流れる熱交換器のことです。このような制約の最も典型的な例はマイクロチャネルであり、これは水力直径が1 mm未満のチャネルです 。マイクロチャネル熱交換器は、金属またはセラミックで作ることができます。[ 37 ]マイクロチャネル熱交換器は、次のような多くの用途に使用できます。
二相熱伝達システムを利用する熱交換器には、凝縮器、ボイラー、蒸発器があります。凝縮器は、高温のガスまたは蒸気を凝縮点まで冷却し、ガスを液体に変換する装置です。液体がガスに変化する点を蒸発、その逆を凝縮といいます。表面凝縮器は最も一般的なタイプの凝縮器で、給水装置を備えています。下の図5は、2パス表面凝縮器を示しています。
タービン出口では蒸気密度が非常に低く、流量が非常に高いため、蒸気圧は低くなります。タービンから復水器への蒸気の移動中に圧力が低下するのを防ぐため、復水器はタービンの下に配置され、タービンに接続されています。チューブ内では冷却水が平行に流れ、蒸気は上部の広い開口部から垂直下向きに流れてチューブ内を移動します。
さらに、ボイラーは熱交換器の初期応用例として分類されます。蒸気発生器という言葉は、燃焼生成物ではなく高温の液体流を熱源とするボイラー装置を表すためによく使われていました。ボイラーは寸法や構成に応じて製造されます。高温の液体のみを生成できるボイラーもあれば、蒸気を生成するために製造されるボイラーもあります。
熱交換器は、単一相の流体を加熱または冷却するだけでなく、液体を加熱して蒸発（または沸騰）させたり、凝縮器として蒸気を冷却して液体に凝縮させたりするためにも使用できます。化学プラントや製油所では、蒸留塔への供給原料を加熱するために使用されるリボイラーは、多くの場合熱交換器です。[ 42 ] [ 43 ]蒸留装置では、通常、凝縮器を使用して蒸留蒸気を液体に戻します。蒸気タービンを使用する発電所では、熱交換器を使用して水を沸騰させて蒸気にすることが一般的です。水から蒸気を生成するための熱交換器または同様のユニットは、ボイラーまたは蒸気発生器と呼ばれることがよくあります。加圧水型原子炉と呼ばれる原子力発電所では、特別な大型熱交換器が一次（原子炉プラント）システムから二次（蒸気プラント）システムに熱を伝達し、その過程で水から蒸気を生成します。これらは蒸気発生器と呼ばれます。蒸気タービンを使用するすべての化石燃料発電所と原子力発電所には、タービンからの排気蒸気を再利用のために凝縮水（水）に変換する表面凝縮器があります。 [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]化学プラントやその他のプラントでエネルギーと冷却能力を節約するために、再生式熱交換器は、冷却する必要のある流れから加熱する必要のある別の流れに熱を伝達できます。たとえば、蒸留水の冷却やリボイラー給水の予熱などです。
この用語は、構造内に相変化を起こす材料を含む熱交換器を指す場合もあります。通常、相変化は固体から液体への相変化であり、これは両状態間の体積差が小さいためです。この相変化は、一定温度で発生しながらも熱交換器が追加の熱を受け入れることを可能にするため、実質的に緩衝材として機能します。この技術が研究されている例の一つとして、高出力航空機用電子機器への応用が挙げられます。
多相流条件下で動作する熱交換器は、レディネッグ不安定性の影響を受ける可能性がある。
廃熱回収装置（WHRU）は、高温ガス流から熱を回収し、それを作動媒体（通常は水または油）に伝達する熱交換器です。高温ガス流としては、ガスタービンやディーゼルエンジンの排気ガス、あるいは産業施設や製油所からの廃ガスなどが挙げられます。
産業界でよく見られるような、大量かつ高温のガス流を扱う大規模システムでは、廃熱回収装置に蒸気ランキンサイクル（SRC）を導入することでメリットが得られるが、小規模システムではコストが高すぎる。低温システムからの熱回収には、蒸気とは異なる作動流体が必要となる。
有機ランキンサイクル（ORC）廃熱回収装置は、水よりも低い沸点を持つ冷媒を使用することで、低温域での効率を高めることができます。代表的な有機冷媒としては、アンモニア、ペンタフルオロプロパン（R-245faおよびR-245ca）、トルエンなどが挙げられます。
冷媒は蒸発器内の熱源によって沸騰し、過熱蒸気となる。この蒸気はタービンで膨張し、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する。運動エネルギーは発電機で電気エネルギーに変換される。このエネルギー伝達プロセスによって冷媒の温度が低下し、凝縮する。ポンプによって冷媒が蒸発器に戻されることで、サイクルが完結する。
もう一つのタイプの熱交換器は「（動的）掻き取り式表面熱交換器」と呼ばれています。これは主に、高粘度製品の加熱または冷却、結晶化プロセス、蒸発、および高汚染性用途に使用されます。表面を連続的に掻き取ることで、汚染を防ぎ、プロセス中に持続的な熱伝達率を達成できるため、長時間の運転が可能です。
熱交換器の最も幅広い用途の一つは、冷凍および空調です。この種の熱交換器は、内部のチューブが蛇行していることが多いため、一般的にエアコイル、または単にコイルと呼ばれ、冷凍の場合は凝縮器と呼ばれ、通常はフィン付きチューブ型です。液対空気、または空気対液体のHVACコイルは、通常、改良型クロスフロー配置です。自動車では、熱コイルはヒーターコアと呼ばれることがよくあります。
これらの熱交換器の液体側では、一般的に水、水-グリコール溶液、蒸気、または冷媒が使用されます。加熱コイルの場合、温水と蒸気が最も一般的で、この加熱された流体は、たとえばボイラーから供給されます。冷却コイルの場合、冷水と冷媒が最も一般的です。冷水は、非常に遠くに設置されている可能性のあるチラーから供給されますが、冷媒は近くの凝縮ユニットから供給されなければなりません。冷媒を使用する場合、冷却コイルは蒸発器、加熱コイルは蒸気圧縮冷凍サイクルの凝縮器になります。この冷媒の直接膨張を使用する HVAC コイルは、一般的にDX コイルと呼ばれます。一部のDX コイルは「マイクロチャネル」タイプです。[ 36 ]
HVACコイルの空気側には、暖房用と冷房用で大きな違いがあります。乾湿計の原理により、極端に乾燥した空気の流れを除き、冷却された空気からは水分が凝縮することがよくあります。空気を加熱すると、その空気の流れが保持できる水分の量が増加します。そのため、暖房用コイルは空気側の水分凝縮を考慮する必要はありませんが、冷房用コイルは、顕熱（冷却）負荷だけでなく、潜熱（水分）負荷にも適切に対応できるように設計および選定する必要があります。除去された水分は凝縮水と呼ばれます。
多くの気候条件において、水または蒸気式の空調コイルは凍結にさらされる可能性があります。水は凍結すると膨張するため、やや高価で交換が難しい薄肉の熱交換器は、一度の凍結で容易に損傷または破壊される可能性があります。そのため、コイルの凍結防止は、空調設備の設計者、設置業者、および運用者にとって重要な課題となっています。
熱交換フィン内に凹みを設けることで凝縮が抑制され、冷却された空気中に水分子が残るようになった。[ 47 ]
多くの住宅で一般的に使用されている直燃式暖房炉の熱交換器は、「コイル」ではありません。これらは、通常、プレス加工された鋼板で作られたガス対空気熱交換器です。燃焼生成物はこれらの熱交換器の一方の側を通過し、空気はもう一方の側で熱を受けます。そのため、熱交換器に亀裂が入ると、燃焼生成物が居住空間に侵入する可能性があるため、直ちに対処が必要な危険な状況となります。
2026年現在、小径コイル技術は、従来型（3/8インチ（9mm）以上）の凝縮器コイルや蒸発器コイルよりも優れた熱伝達率を持つため、現代の空調・冷凍システムにおいてますます普及しつつあります。さらに、小径コイルは、新世代の環境に優しい冷媒の高い圧力にも耐え、破裂することなく使用できます。
銅マイクログルーブの熱伝達をさらに増加させるため[ 48 ]
適切な熱交換器 (HX) を選択するには、さまざまな熱交換器の種類と、ユニットが稼働する環境に関する知識が必要です。一般的に製造業では、最終製品を得るために、1 つのプロセスまたはシステムに対して複数の異なるタイプの熱交換器が使用されます。たとえば、予熱にはケトル型熱交換器、キャリア流体には二重管式熱交換器、最終冷却にはプレートアンドフレーム型熱交換器が使用されます。熱交換器の種類と運転要件に関する十分な知識があれば、プロセスを最適化するために適切な選択を行うことができます。[ 49 ]
関係する変数が多いため、目標容量（kW）に対して最適な熱交換器を選択するのは困難な場合があります。手計算も可能ですが、通常は多くの反復計算が必要です。そのため、多くの場合、システム設計者（通常はエンジニア）または機器ベンダーが、目的の熱交換器を選択するまで、熱交換器のパラメータをコンピュータプログラムで変更してシミュレーションします。
コンピュータプログラムは、以下の次元シミュレーションパラメータを変更することができます。
適切な熱交換器を選定するために、システム設計者（または機器ベンダー）はまず、各熱交換器タイプの設計上の制約を考慮する。コストが主要な基準となることが多いが、他にも重要な選定基準がいくつかある。
蒸発器用熱交換器には、理想的には一定な混合空気（新鮮空気と再循環空気）の温度と湿度における、様々な空気流量での性能データを提供することができます。補正係数を用いることで、その他の空気温度や湿度における性能を推定できます。
業務用熱交換器のオンライン監視は、総括熱伝達係数を追跡することによって行われます。総括熱伝達係数は、汚れの付着により時間とともに低下する傾向があります。
熱交換器の所有者は、熱交換器の流量と温度から総括熱伝達係数を定期的に計算することで、熱交換器の洗浄が経済的に有利になる時期を推定することができる。
熱交換器の安全性を維持し、検査間隔を設定することは、リスク評価の結果、またはより広義には優良製造規範の結果である可能性があります。[ 53 ]多くの産業では、牛乳、食品、ビール、医薬品有効成分[ 54 ]などの製品を冷却するために熱交換器を使用しており、 FDA（FSMAを通じて）またはCFIAなどの規制機関によって、さまざまな業界標準3-A [ 55 ]を使用して、より厳格かつ規定的に規制されている場合があります[ 53 ]。
熱交換器は、管状非破壊検査（NDT）などの技術を用いて最適な性能を維持し、様々な検査・試験方法を用いて相互汚染や漏洩を防止することができます。
プレート式熱交換器は定期的に分解して洗浄することができます。管状熱交換器は、酸洗浄、サンドブラスト、高圧水ジェット洗浄、弾丸洗浄、ドリルロッド洗浄などの方法で洗浄できます。
熱交換器用の大規模冷却水システムでは、熱交換器の汚れを最小限に抑えるため、浄化、薬品添加、試験などの水処理が行われます。発電所などの蒸気システムにおいても、熱交換器やその他の機器の汚れや腐食を最小限に抑えるため、同様の水処理が行われます。
汚れは、熱交換器の表面に不純物が付着することで発生します。これらの不純物の付着は、時間の経過とともに熱伝達効率を著しく低下させる可能性があり、その原因は以下のとおりです。
熱交換器の汚れの進行速度は、粒子の堆積速度から再付着／抑制速度を差し引いた値によって決まる。このモデルは、1959年にカーンとシートンによって初めて提唱された。
原油熱交換器の汚れ。商業的な原油精製では、原油は蒸留塔に入る前に21 °C (70 °F)から343 °C (649 °F)まで加熱されます。一連のシェルアンドチューブ式熱交換器は通常、原油と他の油流との間で熱を交換し、炉で加熱する前に原油を260 °C (500 °F)まで加熱します。アスファルテンの不溶性により、これらの熱交換器の原油側に汚れが発生します。原油中のアスファルテンの溶解性の性質は、Wiehe と Kennedy によってうまくモデル化されました。[ 59 ]原油予熱トレインでの不溶性アスファルテンの沈殿は、Kern と Seaton の研究を拡張したEbert と Panchal [ 60 ]によって一次反応としてうまくモデル化されています。
冷却水の汚れ。冷却水システムは汚れやすい。冷却水は通常、総溶解固形物含有量が高く、コロイド状固形物が懸濁している。壁面温度が流体温度よりも高いため、 熱交換器表面で溶解固形物の局所的な沈殿が発生する。流速が低い（3 ft/s 未満）と、懸濁固形物が熱交換器表面に沈降する。冷却水は洗浄しやすいため、シェルアンドチューブ式熱交換器のチューブ側に配置されるのが一般的である。汚れを防ぐために、設計者は通常、冷却水の流速が0.9 m/s以上で、流体温度が60 °C (140 °F)未満に維持されるようにする。汚れを制御するその他のアプローチとしては、殺生物剤やスケール防止剤を「盲目的に」塗布し、定期的なラボ試験を行う方法がある。
人間の鼻腔は熱交換器として機能し、冷たい空気を吸い込み、暖かい空気を吐き出します。その効果は、顔の前に手をかざし、まず鼻から、次に口から息を吐き出すことで実証できます。鼻から吐き出された空気は、口から吐き出された空気よりもかなり冷たいです。[ 61 ] [ 62 ]この効果は衣服によって強化することができ、例えば、寒い天候で呼吸する際にスカーフを顔に巻くことによって強化できます。
体外精巣を持つ種（ヒトなど）では、精巣へ向かう動脈は、蔓状静脈叢と呼ばれる静脈の網状構造に囲まれている。これにより、精巣へ向かう血液は冷却され、戻ってくる血液は再加熱される。
「対向流」熱交換器は、魚類、クジラ類、その他の海洋哺乳類の循環器系に自然に存在します。皮膚に温かい血液を運ぶ動脈は、皮膚から冷たい血液を運ぶ静脈と絡み合っており、温かい動脈血が冷たい静脈血と熱を交換します。これにより、冷水中での全体的な熱損失が減少します。ヒゲクジラ類の舌にも熱交換器が存在し、大量の水が口を通って流れます。[ 63 ] [ 64 ]渉禽類は、同様のシステムを使用して、脚を通して体から水中への熱損失を制限しています。
頸動脈網は、一部の有蹄類に見られる対向流式熱交換器官です。脳に向かう途中で頸動脈を上昇する血液は、血管網を通って流れ、そこで熱が放出され、鼻腔から下降するより冷たい血液の静脈へと流れます。頸動脈網のおかげで、トムソンガゼルは脳を体の他の部分よりも約3 ℃（5.4 °F）低く保つことができ、チーターを追い抜くときのような代謝熱産生の急増（このとき体温は脳が機能できる最高温度を超えます）に耐えるのに役立ちます。[ 65 ]人間や他の霊長類には頸動脈網がありません。[ 66 ]
熱交換器は、大規模な工業プロセスにおける冷却と加熱の両方に広く使用されています。使用する熱交換器の種類とサイズは、流体の種類、相、温度、密度、粘度、圧力、化学組成、その他さまざまな熱力学的特性に応じて、プロセスに合わせて調整できます。
多くの工業プロセスでは、エネルギーの無駄遣いや熱流の浪費が生じます。熱交換器を用いることで、この熱を回収し、プロセス内の別の流体を加熱するために再利用することができます。この方法は、産業界において多大なコスト削減につながります。なぜなら、熱交換器から他の流体に供給される熱は、そうでなければより高価で環境にも有害な外部熱源から供給されることになるからです。
熱交換器は、以下のような多くの産業で使用されています。
廃水処理において、熱交換器は嫌気性消化槽内の最適な温度を維持し、汚染物質を除去する微生物の増殖を促進する上で重要な役割を果たします。この用途で一般的に使用される熱交換器の種類としては、二重管式熱交換器とプレート式熱交換器があります。
商用航空機では、エンジンのオイルシステムから熱を取り出して冷たい燃料を加熱するために熱交換器が使用されます。[ 67 ]これにより、燃料効率が向上するだけでなく、燃料に混入した水が部品内で凍結する可能性も低減されます。[ 68 ]
2021年に175億米ドルと推定された熱交換器の世界的需要は、今後数年間で年間約5%の力強い成長を遂げると予想されています。市場規模は2030年までに270億米ドルに達すると見込まれています。環境に優しい選択肢へのニーズの高まりと、オフィス、小売部門、公共施設の開発の増加に伴い、市場は拡大していくでしょう。[ 69 ]
単純な熱交換器[ 70 ] [ 71 ]は、熱的に接続された流体が流れる2本の直線パイプと考えることができる。パイプの長さはLで、熱容量を持つ流体が流れているとする。（単位質量あたりのエネルギー、単位温度変化あたり）であり、同じ方向のパイプを通る流体の質量流量は、（単位時間あたりの質量）ここで、添え字iはパイプ 1 またはパイプ 2 を表します。
パイプの温度プロファイルはそしてここで、xはパイプに沿った距離です。定常状態を仮定し、温度分布は時間の関数ではないとします。また、一方のパイプ内の少量の流体から他方のパイプ内の同じ位置にある流体要素への熱伝達のみが行われると仮定します。つまり、パイプ内の温度差によるパイプに沿った熱伝達はありません。ニュートンの冷却法則によれば、少量の流体のエネルギー変化率は、その流体と他方のパイプ内の対応する要素との温度差に比例します。
(これは同じ方向の平行流で温度勾配が逆の場合ですが、対向流熱交換の場合は、2番目の式の前の符号が逆になります。 ）、 どこは単位長さあたりの熱エネルギーであり、γは2本のパイプ間の単位長さあたりの熱伝導定数である。この内部エネルギーの変化は、流体要素の温度変化をもたらす。流れによって運ばれる流体要素の時間変化率は次のようになる。
どこは「熱質量流量」である。熱交換器を支配する微分方程式は、次のように記述できる。
システムは定常状態にあるため、温度の時間に関する偏微分はなく、パイプに沿った熱伝達がないため、熱方程式に見られるようなxに関する 2 階微分もありません。これら 2 つの連立 1 階微分方程式を解くと、次の式が得られます。
どこ、、
（これは並行流用ですが、逆流の場合は、 負なので、 両方向の「熱質量流量」が同じ場合、温度勾配は一定であり、温度は位置xに対して一定の差で直線的に変化する。熱交換器に沿って、向流設計の向流熱交換が最も効率的である理由を説明します。
AとBはまだ決定されていない2つの積分定数である。そしてx=0 における温度を とし、そしてx=Lにおけるパイプの終端での温度をそれぞれとします。各パイプ内の平均温度を次のように定義します。
上記の解を用いると、これらの温度は次のようになります。
上記の温度のうち2つを選択すると、積分定数が消去され、残りの4つの温度を求めることができます。単位長さあたりの内部エネルギーの時間変化率の式を積分することで、伝達された総エネルギーを求めます。
エネルギー保存の法則により、2つのエネルギーの合計はゼロになります。これは対数平均温度差として知られており、熱交換器が熱エネルギーを伝達する効率の尺度です。
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