熱交換器

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る場合もあれば、直接接触する場合もあります。^{[2]熱交換器は、}暖房、冷蔵、空調、発電所、化学工場、石油化学工場、石油精製所、天然ガス処理、下水処理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、エンジン冷却剤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して冷却剤を冷却し、入ってくる空気を加熱します。もう1つの例はヒートシンクです。これは、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剤）に伝達する受動的な熱交換器です。^[3]

熱交換器は、流れの配置によって主に 3 つの分類に分けられます。並流熱交換器では、2 つの流体が同じ端から熱交換器に入り、互いに平行に反対側へ流れます。向流熱交換器では、流体は反対側から熱交換器に入ります。向流設計は、単位長さあたりの平均温度差が大きいため、単位質量あたりの熱 (伝達) 媒体からの熱伝達が最も効率的です。向流交換を参照してください。直交流熱交換器では、流体は熱交換器内をほぼ互いに垂直に移動します。

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  図1:シェルアンドチューブ熱交換器、シングルパス（1-1並列流）
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  図2: シェルアンドチューブ熱交換器、2パスチューブ側（1-2クロスフロー）
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  図3: シェルアンドチューブ熱交換器、2パスシェル側、2パスチューブ側（2-2向流）

効率を上げるため、熱交換器は 2 つの流体間の壁の表面積を最大化しながら、交換器を通過する流体の抵抗を最小限に抑えるように設計されています。また、一方向または両方向にフィンや波形を追加することでも、交換器の性能は影響を受ける可能性があります。これにより、表面積が増加し、流体の流れが誘導されたり、乱流が発生したりする可能性があります。

熱伝達面全体の駆動温度は位置によって異なりますが、適切な平均温度を定義できます。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は、NTU 方式が使用されます。

二重管熱交換器は、産業で使用される最もシンプルな熱交換器です。一方で、これらの熱交換器は設計とメンテナンスの両方で安価であるため、小規模産業に適しています。一方、効率が低く、大規模では占有スペースが大きいため、現代の産業では、シェルアンドチューブやプレートなどのより効率的な熱交換器が使用されています。ただし、二重管熱交換器はシンプルなため、すべての熱交換器の基本ルールは同じであるため、学生に熱交換器の設計の基礎を教えるために使用されます。

1. 二重管熱交換器

一方の流体が小さい方のパイプを流れると、もう一方の流体は 2 本のパイプの間の環状の隙間を流れます。これらの流れは、二重パイプ熱交換器では平行または逆流になる場合があります。

(a) 平行流。熱い液体と冷たい液体の両方が熱交換器の同じ側から入り、同じ方向に流れ、同じ端から出ます。この構成は、2 つの流体が正確に同じ温度に達することを意図している場合に適しています。熱応力が軽減され、熱伝達率がより均一になるためです。

(b) 対向流。高温の流体と低温の流体が熱交換器の反対側から入り、反対方向に流れ、反対側の端から出ます。この構成は、他の同様の条件下で使用した場合に温度差が大きくなるため、流体間の熱伝達を最大化することが目的の場合に適しています。^[要出典]

上の図は、流体交換器の平行流と逆流の流れ方向を示しています。

2. シェルアンドチューブ熱交換器

シェルアンドチューブ型熱交換器では、異なる温度の 2 つの流体が熱交換器内を流れます。流体の 1 つはチューブ側を流れ、もう 1 つの流体はチューブの外側、シェルの内側 (シェル側) を流れます。

バッフルは、チューブを支え、流体の流れをほぼ自然な方法でチューブに導き、シェル流体の乱流を最大化するために使用されます。バッフルにはさまざまな種類があり、バッフルの形状、間隔、および形状の選択は、シェル側の力の低下の許容流量、チューブのサポートの必要性、および流れによって誘発される振動によって異なります。利用可能なシェルアンドチューブ交換器にはいくつかのバリエーションがあり、違いは流れの構成の配置と構造の詳細にあります。

シェルアンドチューブ技術を使用して空気を冷却するアプリケーション（燃焼エンジン用のインタークーラー/チャージエアクーラーなど）では、チューブにフィンを追加して空気側の熱伝達面積を増やし、チューブとフィンの構成を作成できます。

3. プレート式熱交換器

プレート式熱交換器には、薄い形状の熱伝達プレートが束ねられて含まれています。各プレート ペアのガスケット配置により、2 つの独立したチャネル システムが提供されます。各プレート ペアは、流体が流れるチャネルを形成します。プレート ペアは、溶接とボルト締めの方法で取り付けられます。次に、熱交換器のコンポーネントを示します。

単一チャネルでは、ガスケットの構成により流れが通ります。したがって、これにより、メイン メディアとセカンダリ メディアが逆流になります。ガスケット プレート熱交換器には、波形プレートからの加熱領域があります。ガスケットはプレート間のシールとして機能し、フレームと圧力プレートの間に配置されます。流体は熱交換器全体を逆流方向に流れます。効率的な熱性能が生成されます。プレートは、さまざまな深さ、サイズ、波形で製造されています。プレートとフレーム、プレートとシェル、スパイラル プレート熱交換器など、さまざまな種類のプレートがあります。分配領域により、熱伝達表面全体への流体の流れが保証されます。これにより、固体表面に不要な物質が蓄積する原因となる停滞領域を防ぐことができます。プレート間の高流動乱流により、熱伝達が向上し、圧力が低下します。

4. コンデンサーとボイラー 2 相熱伝達システムを使用する熱交換器には、コンデンサー、ボイラー、蒸発器があります。コンデンサーは、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。液体がガスに変わることを蒸発と呼び、その逆を凝縮と呼びます。表面コンデンサーは、給水装置を含む最も一般的なタイプのコンデンサーです。下の図 5 は、2 パス表面コンデンサーを示しています。

タービン出口での蒸気の圧力は、流量が非常に高い場所で蒸気密度が非常に低いため低くなります。タービンからコンデンサーへの蒸気の移動中に圧力が低下しないように、コンデンサーユニットをタービンの下に配置し、タービンに接続します。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移動し、チューブを通過します。さらに、ボイラーは熱交換器の初期の用途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ストリームが熱源であるボイラーユニットを表すためによく使用されていました。ボイラーは、寸法と構成に応じて製造されます。いくつかのボイラーは高温の流体しか生成できませんが、他のボイラーは蒸気生成用に製造されています。

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がある流体が入った一連のチューブで構成されています。2 番目の流体は、加熱または冷却されるチューブの上を流れ、必要な熱を提供したり、熱を吸収したりします。チューブのセットはチューブバンドルと呼ばれ、プレーンチューブ、縦方向フィン付きチューブなど、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通常、高圧アプリケーション (圧力が 30 bar 以上、温度が 260 °C 以上) に使用されます。^[4]これは、シェルアンドチューブ式熱交換器がその形状により堅牢であるためです。
シェルアンドチューブ式熱交換器のチューブを設計する際は、いくつかの熱設計機能を考慮する必要があります。シェルアンドチューブの設計には多くのバリエーションがあります。通常、各チューブの端は、チューブシートの穴を通してプレナム(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。チューブは真っ直ぐな場合もあれば、U 字型に曲げられたもの (U チューブ) もあります。

• チューブ径: チューブ径が小さいと、熱交換器は経済的かつコンパクトになります。ただし、熱交換器は汚れが早く付着しやすくなり、サイズが小さいため汚れの機械洗浄が難しくなります。汚れや洗浄の問題を克服するには、チューブ径を大きくします。したがって、チューブ径を決定するには、利用可能なスペース、コスト、流体の汚れの性質を考慮する必要があります。
• チューブの厚さ: チューブの壁の厚さは通常、次の事項を保証するために決定されます。
  • 腐食の余地は十分にある
  • 流体振動には抵抗がある
  • 軸方向の強度
  • スペアパーツの入手可能性
  • フープ強度（チューブ内部の圧力に耐える）
  • 座屈強度（シェル内の過圧に耐える）
• チューブの長さ: 熱交換器は、通常、シェルの直径が小さく、チューブの長さが長いほど安価になります。したがって、通常は、生産能力を超えない範囲で、物理的に可能な限り熱交換器を長くすることが目標となります。ただし、設置場所のスペースや、必要な長さの 2 倍の長さのチューブを用意する必要があること (チューブを取り外して交換できるようにするため) など、これには多くの制限があります。また、長くて細いチューブは、取り外して交換するのが困難です。
• チューブピッチ: チューブを設計する際は、チューブピッチ (隣接するチューブの中心間の距離) がチューブの外径の 1.25 倍以上になるようにするのが実用的です。チューブピッチが大きいほど、シェル全体の直径が大きくなり、熱交換器の価格が高くなります。
• チューブの波形: このタイプのチューブは主に内管に使用され、流体の乱流を増加させ、その効果は熱伝達において非常に重要であり、より優れた性能をもたらします。
• チューブレイアウト: シェル内でチューブがどのように配置されているかを示します。チューブレイアウトには、三角形 (30°)、回転三角形 (60°)、正方形 (90°)、回転正方形 (45°) の 4 つの主なタイプがあります。三角形のパターンは、流体が配管の周りでより乱流的に流れるようにすることで、熱伝達を高めるために使用されます。正方形のパターンは、汚れがひどく、清掃がより頻繁に行われる場合に使用されます。
• バッフル設計:バッフルは、シェル&チューブ熱交換器で、流体をチューブ束全体に導くために使用されます。バッフルはシェルに対して垂直に伸び、チューブ束を保持して、チューブが長い距離にわたってたるむのを防ぎます。また、チューブが振動するのを防ぐこともできます。最も一般的なタイプのバッフルはセグメントバッフルです。半円形のセグメントバッフルは、隣接するバッフルに対して 180 度の方向に配置され、流体がチューブ束の間を上下に流れるようにします。シェル&チューブ熱交換器を設計する場合、バッフル間隔は熱力学的に大きな懸念事項です。バッフルは、圧力降下と熱伝達の変換を考慮して間隔をあける必要があります。熱経済の最適化のために、バッフルはシェルの内径の 20% 以上離して配置することをお勧めします。バッフルの間隔が近すぎると、流れの方向転換により圧力降下が大きくなります。したがって、バッフルの間隔が離れすぎると、バッフル間の角に冷たい部分ができる可能性があります。また、バッフルの間隔を十分狭くして、チューブがたるまないようにすることも重要です。バッフルのもう 1 つの主なタイプは、ディスクとドーナツのバッフルで、2 つの同心円状のバッフルで構成されています。外側の幅広のバッフルはドーナツのように見え、内側のバッフルはディスクのような形をしています。このタイプのバッフルは、流体をディスクの各側面に回してドーナツ バッフルを通過させ、異なるタイプの流体の流れを生成します。
• チューブとフィンの設計: シェルアンドチューブ技術を使用して空気を冷却するアプリケーション (燃焼エンジンのインタークーラー/チャージエアクーラーなど) では、空気と冷たい流体の熱伝達の差が大きいため、空気側の熱伝達面積を増やす必要があります。この機能のために、チューブにフィンを追加して空気側の熱伝達面積を増やし、チューブとフィンの構成を作成できます。

海洋や過酷な用途に特に適した固定管式液冷熱交換器は、真鍮シェル、銅管、真鍮バッフル、および鍛造真鍮一体型エンドハブを使用して組み立てることができます。^{[要出典] （} 「熱交換器における銅」を参照）。

熱交換器のもう 1 つのタイプは、プレート熱交換器です。これらの交換器は、熱伝達のための非常に大きな表面積と小さな流体流路を持つ、わずかに離れた多数の薄いプレートで構成されています。ガスケットとろう付け技術の進歩により、プレート型熱交換器はますます実用的になっています。HVACアプリケーションでは、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 ループで使用する場合、これらの熱交換器は通常、定期的な分解、洗浄、検査ができるようにガスケット タイプです。恒久的に接合されたプレート熱交換器には、ディップろう付け、真空ろう付け、溶接プレートなど、さまざまなタイプがあり、冷蔵などの閉ループ アプリケーションに指定されることがよくあります。プレート熱交換器は、使用されるプレートのタイプとそれらのプレートの構成も異なります。一部のプレートには、「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があり、他のプレートには機械加工されたフィンや溝がある場合があります。

シェルアンドチューブ熱交換器と比較すると、積層プレート配置は一般的に容積とコストが低くなります。 2 つのもう 1 つの違いは、シェルアンドチューブが中圧および高圧であるのに対し、プレート熱交換器は通常、低圧から中圧の流体を扱うことです。 3 つ目の重要な違いは、プレート熱交換器は横流ではなく逆流を多く使用するため、接近温度差が小さくなり、温度変化が大きく、効率が向上することです。

3 番目のタイプの熱交換器はプレートおよびシェル熱交換器で、プレート熱交換器とシェルおよびチューブ熱交換器の技術を組み合わせたものです。熱交換器の心臓部には、円形のプレートをプレスして切断し、それらを溶接して作られた、完全に溶接された円形のプレート パックが含まれています。ノズルは、プレート パック (「プレート側」の流路) に流れを出し入れします。完全に溶接されたプレート パックは、2 番目の流路 (「シェル側」) を作成する外側のシェルに組み立てられます。プレートおよびシェル技術は、高い熱伝達、高圧、高い動作温度、コンパクトなサイズ、低い汚れ、および近接温度を実現します。特に、ガスケットがまったく不要なため、高圧および高温での漏れに対する安全性が確保されます。

4 番目のタイプの熱交換器は、中間流体または固体貯蔵庫を使用して熱を保持し、その熱を熱交換器の反対側に移動させて放出します。このタイプの 2 つの例としては、高温および低温の流体の中を回転する細い糸が付いた大きなホイールで構成される断熱ホイールと、流体熱交換器があります。

このタイプの熱交換器は、フィンを含む「サンドイッチ」通路を使用して、ユニットの効率を高めます。設計には、ストレート フィン、オフセット フィン、波状フィンなどのさまざまなフィン構成と組み合わせたクロスフローとカウンターフローが含まれます。

プレート式および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。プレート式およびフィン式熱交換器は、主に天然ガス、ヘリウム、酸素液化プラント、空気分離プラント、およびモーターや航空機エンジンなどの輸送産業などの低温サービスに使用されます。

プレート＆フィン熱交換器の利点:

• 特にガス処理における高い熱伝達効率
• より大きな熱伝達面積
• シェルアンドチューブ型熱交換器に比べて約5倍軽量です。^[要出典]
• 高圧に耐えられる

プレート＆フィン熱交換器の欠点:

• 通路が非常に狭いため、詰まりの原因となる可能性があります
• 通路の掃除が難しい
• アルミニウム合金は水銀液体脆化の影響を受けやすい

チューブベースの熱交換器で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が一般的で、自動車のラジエーターやHVAC空気凝縮器など、周囲の空気を使用して動作する熱交換器では一般的です。フィンにより、熱を交換できる表面積が大幅に増加し、空気などの熱伝導率が非常に低い流体への熱伝導効率が向上します。フィンは通常非常に薄いフィンの長さに沿ってチューブから熱を伝導する必要があるため、通常はアルミニウムまたは銅で作られています。

フィンチューブ熱交換器の主な構造タイプは次のとおりです。

• 等間隔に積み重ねられた金属板がフィンの役割を果たし、チューブはフィンにあらかじめ開けられた穴に押し込まれます。通常、チューブの周りのフィンが変形することで、良好な熱接触が実現されます。これは、HVACエアコイルや大型冷凍コンデンサーの一般的な構造です。
• フィンは、連続したストリップとして個々のチューブに螺旋状に巻かれ、その後、チューブをバンク状に組み立てたり、蛇行パターンに曲げたり、大きな螺旋状に巻いたりすることができます。
• ジグザグの金属ストリップは平らな長方形のチューブの間に挟まれており、耐熱性や機械強度を高めるためにはんだ付けやろう付けされることが多い。これは水冷ラジエーターなどの低圧熱交換器でよく見られる。通常の平らなチューブは高圧にさらされると膨張して変形するが、平らなマイクロチャネルチューブではこの構造を高圧で使用できる。^[5]

ガスへの高効率の熱伝達が必要な場合、シェルアンドチューブ熱交換器内のチューブにスタックフィンまたはスパイラル巻き構造を使用できます。

電子機器の冷却では、ヒートシンク、特にヒートパイプを使用するヒートシンクは、積層フィン構造になることがあります。

ピロープレート熱交換器は、乳製品業界では大型の直接膨張式ステンレス製バルクタンクで牛乳を冷却するためによく使用されます。タンクのほぼ全表面積をこの熱交換器に統合することができ、タンクの外側に溶接されたパイプ間に隙間が生じることはありません。ピロープレートは、タンク内に積み重ねられる平らなプレートとして構成することもできます。プレートの表面が比較的平らであるため、特に滅菌アプリケーションでは簡単に洗浄できます。

ピロープレートは、タンクまたは容器の厚い表面に溶接された薄い金属板、または 2 枚の薄い金属板を溶接して構築できます。プレートの表面は、規則的な点のパターンまたは蛇行した溶接線パターンで溶接されています。溶接後、密閉された空間に十分な圧力が加えられ、溶接部の周囲で薄い金属が膨らみ、熱交換器の液体が流れる空間が確保され、金属で形成された膨らんだピローの特徴的な外観が生まれます。

廃熱回収ユニット( 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) に移す熱交換器です。高温ガス流は、ガスタービンやディーゼル エンジンからの排気ガス、または産業や製油所からの廃ガスです。

業界では一般的な、高容量および高温のガス流を伴う大規模システムでは、廃熱回収ユニットの蒸気ランキン サイクル(SRC) のメリットを享受できますが、これらのサイクルは小規模システムには高価すぎます。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です。

有機ランキンサイクル (ORC) 廃熱回収ユニットは、水よりも低い温度で沸騰する冷媒を使用することで、低温域でより効率的になります。一般的な有機冷媒は、アンモニア、ペンタフルオロプロパン(R-245fa および R-245ca)、トルエンです。

冷媒は蒸発器の熱源によって沸騰し、過熱蒸気を生成します。この流体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します。運動エネルギーは発電機で電気に変換されます。このエネルギー転送プロセスにより冷媒の温度が下がり、冷媒は凝縮します。サイクルはポンプを使用して流体を蒸発器に戻すことで閉じられ、完了します。

別のタイプの熱交換器は、「（動的）スクレーピング表面熱交換器」と呼ばれます。これは主に、高粘度製品、結晶化プロセス、蒸発、および汚れの多い用途での加熱または冷却に使用されます。表面を継続的にスクレーピングすることで長時間の稼働が可能になり、汚れを回避してプロセス中の持続可能な熱伝達率を実現します。

熱交換器は、単相で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、蒸気を冷却して液体に凝縮するための凝縮器として使用したりすることもできます。化学工場や製油所では、蒸留塔への入ってくる原料を加熱するために使用される再沸器は、多くの場合熱交換器です。^{[6] [7]}

蒸留装置では通常、凝縮器を使用して留出蒸気を液体に戻します。

蒸気駆動タービンを使用する発電所では、通常、熱交換器を使用して水を沸騰させて蒸気を生成します。水から蒸気を生成するための熱交換器または同様の装置は、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、特殊な大型熱交換器が一次系（原子炉プラント）から二次系（蒸気プラント）に熱を伝え、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。蒸気駆動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凝縮水（水）に変換して再利用するための表面凝縮器があります。 ^{[8] [9]}

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、再生熱交換器は、蒸留液の冷却やリボイラー供給物の予熱など、冷却する必要のあるストリームから加熱する必要のある別のストリームに熱を移動させることができます。

この用語は、構造内に相変化を起こす物質を含む熱交換器を指すこともあります。通常、相変化は固体から液体への相変化であり、これは、これらの状態間の体積差が小さいためです。この相変化は、一定の温度で発生しますが、熱交換器が追加の熱を受け入れることができるため、実質的にバッファーとして機能します。これが調査された例の 1 つは、高出力航空機電子機器での使用です。

多相流領域で機能する熱交換器は、レーディネック不安定性の影響を受ける可能性があります。

直接接触型熱交換器は、仕切り壁がない状態で二相の高温流と低温流の間で熱伝達を行う。^[10]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。

• ガス – 液体
• 混ざらない液体 – 液体
• 固体-液体または固体-気体

直接接触型熱交換器のほとんどはガス-液体型に分類され、熱は液滴、膜、スプレーなどの形でガスと液体の間で伝達されます。^[4]

このようなタイプの熱交換器は、主に空調、加湿、工業用温水暖房、水冷、凝縮プラントで使用されます。^[11]

マイクロチャネル熱交換器は、マニホールド（入口と出口）、水力直径が 1 mm 未満のマルチポート チューブ、およびフィンの 3 つの主要要素で構成されるマルチパス並列フロー熱交換器です。通常、すべての要素は、制御可能な雰囲気ろう付けプロセスを使用してろう付けされます。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、低い冷媒量、コンパクトなサイズ、および空気側の圧力降下が低いという特徴があります。^[要出典]マイクロチャネル熱交換器は、自動車業界では車のラジエーターとして、また HVAC 業界ではコンデンサー、蒸発器、および冷却/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、または微細構造熱交換器は、（少なくとも1つの）流体が通常1mm未満の寸法の横方向の閉じ込め部内を流れる熱交換器です。最も一般的な閉じ込め部はマイクロチャネルで、これは水力直径が1mm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。^[13]マイクロチャネル熱交換器は、以下を含む多くの用途に使用できます。

• 高性能航空機ガスタービンエンジン^[14]
• ヒートポンプ^[15]
• マイクロプロセッサとマイクロチップの 冷却^[16]
• エアコン^[17]

熱交換器の最も幅広い用途の 1 つは、冷蔵と空調です。このクラスの熱交換器は、通常、エア コイル、または内部のチューブが曲がりくねっていることが多いため単にコイル、または冷蔵の場合はコンデンサーと呼ばれ、通常はフィン チューブ タイプです。液体対空気、または空気対液体HVACコイルは、通常、修正されたクロスフロー配置です。車両では、ヒート 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、一般的な流体は水、水グリコール溶液、蒸気、または冷媒です。加熱コイルの場合、温水と蒸気が最も一般的であり、この加熱された流体は、たとえばボイラーによって供給されます。冷却コイルの場合、冷水と冷媒が最も一般的です。冷水は、非常に遠くにあ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する必要があります。冷媒が使用される場合、冷却コイルは蒸発器であり、加熱コイルは蒸気圧縮冷凍サイクルの凝縮器です。この冷媒の直接膨張を使用する HVAC コイルは、一般に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。^[5]

HVAC コイルの空気側では、暖房用と冷房用で大きな違いがあります。乾湿測定学により、冷却された空気は、極度に乾燥した空気流を除いて、水分が凝縮することがよくあります。空気を加熱すると、その空気流が水分を保持する能力が高まります。したがって、暖房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、冷房コイルは、特定の潜在(水分) 負荷と顕熱(冷房) 負荷に対応できるように適切に設計および選択する必要があります。除去された水は、凝縮水と呼ばれます。

多くの気候では、水または蒸気 HVAC コイルは凍結条件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、これらのやや高価で交換が難しい薄壁熱交換器は、一度の凍結で簡単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、HVAC 設計者、設置者、およびオペレーターにとって大きな懸念事項です。

熱交換フィン内に窪みを設けることで結露を抑制し、冷却された空気中に水分子が残るようにした。^[18]

多くの住宅で一般的に使用されている直接燃焼炉の熱交換器は「コイル」ではありません。代わりに、通常は打ち抜き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片側を通過し、熱する空気は反対側を通過します。したがって、ひびの入った熱交換器は、燃焼生成物が居住空間に入る可能性があるため、すぐに対処する必要がある危険な状況です。

二重管熱交換器は設計が最も簡単ですが、次の場合にはヘリカルコイル熱交換器 (HCHE) の方が適しています。

• HCHEの主な利点は、スパイラル熱交換器（SHE）の場合と同様に、特にスペースが限られていて十分な直管を敷設できない場合に、スペースを非常に効率的に使用できることです。^[19]
• 低流量（または層流）の条件下では、典型的なシェルアンドチューブ式熱交換器は熱伝達係数が低くなり、非経済的になります。^[19]
• 流体の1つに低圧がある場合、通常は他のプロセス機器の圧力降下が蓄積したために発生します。^[19]
• 流体の1つに複数の相（固体、液体、気体）の成分が含まれている場合、操作中に小径チューブの詰まりなどの機械的な問題が発生する傾向があります。^[20] これらの多相流体用のヘリカルコイルの洗浄は、シェルアンドチューブの洗浄よりも困難になる可能性がありますが、ヘリカルコイルユニットは洗浄の頻度が少なくて済みます。

これらは、チャールズ・E・ボードマンとジョン・H・ガーマーによって発明されたHCHE装置を使用して、1970年代初頭から原子力産業で大型液体金属高速増殖炉のナトリウムシステム内の熱交換方法として使用されてきました。 ^[21]インドのラマチャンドラ・K・パティル（他）法や米国のスコット・S・ハラブルダ法 など、あらゆる種類の製造業向けにHCHEを設計するための簡単な方法がいくつかあります。^{[19] [20]}

しかし、これらは内部の熱伝達係数を推定し、コイルの外側の流れを予測し、一定の熱流束を前提としている。^[22]

典型的なHCHEの垂直な流れを変更するには、シェルを別のコイル状のチューブに置き換えて、2つの流体が互いに平行に流れるようにする必要がありますが、これには異なる設計計算を使用する必要があります。^[23] これらはスパイラル熱交換器（SHE）であり、らせん状の（コイル状の）チューブ構成を指す場合もありますが、より一般的には、2つのチャネルを対向流配置で形成するためにコイル状にさ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は、1つの長い湾曲した経路があります。一対の流体ポートは、スパイラルの外側のアームに接線方向に接続され、軸方向のポートが一般的ですがオプションです。^[24]

SHE の主な利点は、スペースを非常に効率的に使用できることです。この特性は、熱交換器の設計におけるよく知られたトレードオフに従って、パフォーマンスの他の改善を得るために活用され、部分的に再割り当てされることがよくあります。(注目すべきトレードオフは、資本コストと運用コストです。) コンパクトな SHE を使用すると、設置面積が小さくなり、全体的な資本コストが低くなる場合があります。また、特大の SHE を使用すると、圧力降下が少なくなり、ポンピングエネルギーが減り、熱効率が高くなり、エネルギー コストが削減される場合もあります。

スパイラル チャネル内のシート間の距離は、ロールする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。メインのスパイラル パックがロールされると、上部と下部のエッジが交互に溶接され、各端は本体にボルトで固定されたガスケット付きの平らなカバーまたは円錐形のカバーで閉じられます。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、周囲のカバーから大気中、または同じ流体を含む通路に漏れます。^[25]

スパイラル熱交換器は、固体を含む流体の加熱によく使用され、そのため熱交換器の内部が汚れる傾向があります。圧力損失が低いため、SHE は汚れをより簡単に処理できます。SHE は「セルフクリーニング」メカニズムを使用しており、汚れた表面により流体速度が局所的に上昇し、汚れた表面の抗力(または流体摩擦) が増加して、詰まりを取り除き、熱交換器を清潔に保ちます。「熱伝達面を構成する内壁は多くの場合かなり厚く、そのため SHE は非常に頑丈で、厳しい環境でも長期間使用できます。」^{[要出典]また、簡単に洗浄でき、}オーブン のように開いて、汚れが蓄積した場合は圧力洗浄で取り除くことができます。

セルフクリーニング水フィルターは、システムをシャットダウン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、稼働させるために使用されます。

スパイラル熱交換器には主に 3 種類の流れがあります。

• 向流: 流体は反対方向に流れます。これらは、液-液、凝縮、ガス冷却の用途に使用されます。ユニットは通常、蒸気を凝縮する場合は垂直に取り付けられ、高濃度の固体を処理する場合は水平に取り付けられます。
• スパイラル フロー/クロス フロー:一方の流体はスパイラル フローで、もう一方の流体はクロス フローです。このタイプのスパイラル熱交換器では、スパイラル フローの通路が両側に溶接されています。このタイプのフローは、クロス フローを通過する低密度ガスの処理に適しており、圧力損失を回避します。一方の液体の流量が他方の液体より大幅に大きい場合は、液体-液体アプリケーションに使用できます。
• 分散蒸気/スパイラルフロー:この設計はコンデンサーの設計であり、通常は垂直に取り付けられます。凝縮物と非凝縮物の両方のサブクールに対応するように設計されています。冷却剤は螺旋状に移動し、上部から排出されます。流入した高温ガスは、下部の出口から凝縮物として排出されます。

スパイラル熱交換器は、低温殺菌、消化槽加熱、熱回収、予熱（参照：再生熱交換器）、排水冷却などの用途に適しています。汚泥処理の場合、SHE は他のタイプの熱交換器よりも一般的に小さくなります。^[要出典]これらは熱を伝達するために使用されます。

さまざまな変数が関係するため、最適な熱交換器を選択するのは困難です。手計算も可能ですが、通常は何度も繰り返し計算する必要があります。そのため、熱交換器は、通常は エンジニアであるシステム設計者または機器ベンダーによって、コンピュータ プログラムを使用して選択されることがほとんどです。

適切な熱交換器を選択するには、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限を考慮します。コストが主な基準となることがよくありますが、他にもいくつかの選択基準が重要です。

• 高圧/低圧限界
• 熱性能
• 温度範囲
• 製品ミックス（液体/液体、微粒子、高固形分液体）
• 交換器全体の圧力低下
• 流体流量
• 清掃性、メンテナンス、修理
• 建設に必要な資材
• 将来の拡張の可能性と容易さ
• 銅、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、セラミック、ポリマー、チタンなどの材料の選択。^{[26] [27]}

小径コイル技術は、HVAC 業界で標準となっている円形の銅管とアルミニウムまたは銅のフィンを備えた従来サイズのコンデンサーおよびエバポレーターコイルよりも熱伝達率が優れているため、現代の空調および冷凍システムでますます人気が高まっています。小径コイルは、環境に優しい新世代の冷媒に必要な高圧に耐えることができます。現在、空調および冷凍製品には、銅マイクログルーブ^[28]とろう付けアルミニウムマイクロチャネルの 2 つの小径コイル技術が利用可能です。^[要出典]

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、ユニットが動作する必要がある環境に関する知識が必要です。通常、製造業界では、最終製品を生産するための 1 つのプロセスまたはシステムに、いくつかの異なるタイプの熱交換器が使用されます。たとえば、予熱用のケトル HX、キャリア流体用の二重パイプ HX、最終冷却用のプレートとフレーム HX などです。熱交換器の種類と動作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。^[29]

商用熱交換器のオンライン監視は、全体の熱伝達係数を追跡することによって行われます。全体の熱伝達係数は、汚れにより時間の経過とともに低下する傾向があります。

熱交換器の流量と温度から全体の熱伝達係数を定期的に計算することにより、熱交換器の所有者は、熱交換器を清掃することが経済的に魅力的な時期を見積もることができます。

プレート式および管式熱交換器の完全性検査は、導電率法またはヘリウムガス法によって現場でテストできます。これらの方法では、プレートまたは管の完全性を確認し、相互汚染を防止し、ガスケットの状態を確認します。

熱交換器チューブの機械的完全性監視は、渦電流試験などの非破壊検査法によって実施できます。

汚れは、熱交換表面に不純物が堆積すると発生します。これらの不純物の堆積により、時間の経過とともに熱伝達効率が大幅に低下する可能性があります。その原因は次のとおりです。

• 低い壁面せん断応力
• 流体速度が低い
• 高い流体速度
• 反応生成物の固体沈殿
• 壁面温度の上昇による溶解不純物の沈殿

熱交換器の汚れの速度は、再飛散/抑制を差し引いた粒子沈着速度によって決まります。このモデルは、1959 年に Kern と Seaton によって最初に提案されました。

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℃（70℉）から343℃（649℉）に加熱される。一連のシェルアンドチューブ熱交換器は通常、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℃（500℉）に加熱する。これらの交換器の原油側では、アスファルテンの不溶性のために汚れが発生する。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ている。^{[30]原油予熱トレインにおける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 [31]}によって一次反応としてうまくモデル化されている。

冷却水の汚れ。冷却水システムは汚れの影響を受けやすいです。冷却水には通常、溶解固形物の総量が多く、コロイド状固形物が浮遊しています。壁の温度が流体全体の温度より高いため、熱交換器の表面に溶解固形物の局所的な沈殿が発生します。流体速度が低い (3 フィート/秒未満) と、浮遊固形物が熱交換器の表面に沈殿します。冷却水は、洗浄しやすいため、通常はシェル アンド チューブ交換器のチューブ側にあります。汚れを防ぐために、設計者は通常、冷却水の速度が0.9 m/秒を超え、流体全体の温度が 60 °C (140 °F) 未満に維持されるようにします。汚れを制御する他のアプローチでは、殺生物剤とスケール防止剤の「盲目的」適用と定期的なラボ テストを組み合わせています。

プレート式熱交換器とフレーム式熱交換器は定期的に分解して洗浄できます。管状熱交換器は、酸洗浄、サンドブラスト、高圧水ジェット、弾丸洗浄、ドリルロッドなどの方法で洗浄できます。

熱交換器用の大規模な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に、浄化、薬品の添加、検査などの水処理が使用されています。また、発電所などの蒸気システムでも、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に、その他の水処理が使用されています。

さまざまな企業が、生物付着を防ぐために水中振動技術を使い始めています。このタイプの技術は、化学物質を使用せずに、熱交換器の圧力損失を低く抑えるのに役立っています。

熱交換器の設計と製造には数多くの規制があり、使用される地域によって異なります。

設計・製造規格には、ASMEボイラー・圧力容器規格（米国）、PD 5500（英国）、BS 1566（英国）、^[32] EN 13445（EU）、CODAP（フランス語）、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、^[33] API 12、API 560などがある。 ^[要出典]

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、温かい空気を吐き出します。その効果は、手を顔の前に置き、最初に鼻から、次に口から息を吐くことで実証できます。鼻から吐いた空気はかなり冷たいです。^{[34] [35]}この効果は、たとえば寒い天候で呼吸するときに顔にスカーフを巻くなど、衣服によって高めることができます。

外部に精巣を持つ種（人間など）では、精巣への動脈は精索静脈叢と呼ばれる網状の静脈に囲まれています。これにより、精巣に向かう血液は冷却され、戻ってくる血液は再加熱されます。

「逆流」熱交換器は、魚、クジラ、その他の海洋哺乳類の循環器系に自然に存在します。温かい血液を運ぶ皮膚への動脈は、冷たい血液を運ぶ皮膚からの静脈と絡み合っており、温かい動脈血と冷たい静脈血の熱交換を引き起こします。これにより、冷たい水中での全体的な熱損失が減少します。熱交換器は、大量の水が口から流れるヒゲクジラの舌にも存在します。 ^{[36] [37]}水鳥も同様のシステムを使用して、脚から水中への体から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逆流熱交換器官である。頸動脈を上昇して脳に向かう血液は、血管網を経由して流れ、そこで熱が鼻腔から下降するより冷たい血液の静脈に放出される。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 °C (5.4 °F) 低く保つことができ、そのためチーターを追い抜くときに起こるような代謝熱産生の急激な増加（その間、体温は脳が機能できる最高温度を超える）に耐えるのに役立つ。 ^[38]ヒトや他の霊長類には頸動脈網がない。^[39]

熱交換器は、大規模な工業プロセスの冷却と加熱の両方に広く使用されています。使用される熱交換器の種類とサイズは、流体の種類、その相、温度、密度、粘度、圧力、化学組成、その他の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、エネルギーの無駄や熱流の排出が起こりますが、熱交換器を使用してこの熱を回収し、プロセス内の別のストリームを加熱して使用することができます。この方法により、業界では多額の費用が節約されます。これは、熱交換器から他のストリームに供給される熱は、より高価で環境に有害な外部ソースから供給されることになるためです。

熱交換器は、以下を含む多くの業界で使用されています。

• 廃水処理
• 冷凍
• ワインとビールの製造
• 石油精製
• 原子力

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成長を促進する上で重要な役割を果たします。この用途で使用される一般的なタイプの熱交換器は、二重管熱交換器とプレートおよびフレーム熱交換器です。

民間航空機では、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ています。^[40]これにより、燃料効率が向上し、燃料に閉じ込められた水が部品内で凍結する可能性も減ります。^[41]

熱交換器の世界需要は2021年に175億米ドルに達すると推定されており、今後数年間は年間約5％の堅調な成長が見込まれています。市場価値は2030年までに270億米ドルに達すると予想されています。環境に優しい選択肢への要望の拡大と、オフィス、小売部門、公共施設の開発の増加により、市場拡大が見込まれています。^[42]

単純な熱交換 ^{[43] [44]}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ます。パイプの長さは等しくLで、熱容量 （単位質量あたりのエネルギー、単位温度変化あたり）を持つ流体を運び、同じ方向にパイプを通過する流体の質量流量を（単位時間あたりの質量）とします。ここで、添え字iはパイプ1またはパイプ2に適用されます。 ${\displaystyle C_{i}}$${\displaystyle j_{i}}$

パイプの温度プロファイルは、およびで、 x はパイプに沿った距離です。温度プロファイルが時間の関数にならないように、定常状態を仮定します。また、1 つのパイプ内の少量の流体からの熱の移動は、同じ位置にあるもう一方のパイプ内の流体要素への熱の移動のみであると仮定します。つまり、パイプ内の温度差によるパイプに沿った熱の移動はありません。ニュートンの冷却の法則により、少量の流体のエネルギーの変化率は、その流体ともう一方のパイプ内の対応する要素との温度差に比例します。 ${\displaystyle T_{1}(x)}$${\displaystyle T_{2}(x)}$

${\displaystyle {\frac {du_{1}}{dt}}=\gamma (T_{2}-T_{1})}$

${\displaystyle {\frac {du_{2}}{dt}}=\gamma (T_{1}-T_{2})}$

(これは、同じ方向の平行流と反対の温度勾配の場合ですが、向流熱交換の向流交換の場合は、 の前の 2 番目の式で符号が反対になります )。ここで、は単位長さあたりの熱エネルギー、γ は 2 つのパイプ間の単位長さあたりの熱接続定数です。この内部エネルギーの変化により、流体要素の温度が変化します。流れによって運ばれる流体要素の時間変化率は、次のようになります。 ${\displaystyle \gamma (T_{1}-T_{2})}$${\displaystyle u_{i}(x)}$

${\displaystyle {\frac {du_{1}}{dt}}=J_{1}{\frac {dT_{1}}{dx}}}$

${\displaystyle {\frac {du_{2}}{dt}}=J_{2}{\frac {dT_{2}}{dx}}}$

ここで、は「熱質量流量」です。熱交換器を支配する微分方程式は次のように記述できます。 ${\displaystyle J_{i}={C_{i}}{j_{i}}}$

${\displaystyle J_{1}{\frac {\partial T_{1}}{\partial x}}=\gamma (T_{2}-T_{1})}$

${\displaystyle J_{2}{\frac {\partial T_{2}}{\partial x}}=\gamma (T_{1}-T_{2}).}$

システムは定常状態にあるため、時間に関する温度の偏導関数はなく、パイプに沿った熱伝達もないため、熱方程式にあるようなxの 2 次導関数はありません。これら 2 つの結合した 1 次微分方程式を解くと、次の式が得られます。

${\displaystyle T_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}\,e^{-kx}}$

${\displaystyle T_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}\,e^{-kx}}$

どこ、、 ${\displaystyle k_{1}=\gamma /J_{1}}$${\displaystyle k_{2}=\gamma /J_{2}}$

${\displaystyle k=k_{1}+k_{2}}$

（これは平行流の場合ですが、向流の場合は の前の符号 が負になります。そのため、 の場合 、反対方向の両方で同じ「熱質量流量」に対して、温度の勾配は一定で、温度は位置xで線形になり、交換器に沿って一定の差があります。これが、向流設計の向流交換が最も効率的である理由を説明しています。） ${\displaystyle k_{2}}$${\displaystyle k_{2}=k_{1}}$${\displaystyle (T_{2}-T_{1})}$

AとB は、まだ決定されていない 2 つの積分定数です。と をx=0 での温度とし、 とをx=L のパイプの端での温度とします。各パイプの平均温度を次のように定義します。 ${\displaystyle T_{10}}$${\displaystyle T_{20}}$${\displaystyle T_{1L}}$${\displaystyle T_{2L}}$

${\displaystyle {\overline {T}}_{1}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{1}(x)dx}$

${\displaystyle {\overline {T}}_{2}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{2}(x)dx.}$

上記のソリューションを使用すると、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、積分定数がなくなり、他の 4 つの温度を見つけることができます。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、伝達されるエネルギーの合計がわかります。

${\displaystyle {\frac {dU_{1}}{dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{1}}{dt}}\,dx=J_{1}(T_{1L}-T_{10})=\gamma L({\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1})}$

${\displaystyle {\frac {dU_{2}}{dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{2}}{dt}}\,dx=J_{2}(T_{2L}-T_{20})=\gamma L({\overline {T}}_{1}-{\overline {T}}_{2}).}$

エネルギー保存則により、2 つのエネルギーの合計はゼロになります。この量は、対数平均温度差として知られ、熱エネルギーを伝達する熱交換器の有効性の尺度です。 ${\displaystyle {\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1}}$

• Coulson, J. および Richardson, J (1999)。化学工学 - 流体の流れ。熱伝達と質量伝達 - 第 1 巻。Reed Educational & Professional Publishing LTD
• Dogan Eryener (2005)、「シェルアンドチューブ熱交換器のバッフル間隔の熱経済最適化」、Energy Conservation and Management、第 47 巻、第 11 ～ 12 号、1478 ～ 1489 ページ。
• GFHewitt、GLShires、TRBott (1994) Process Heat Transfer、CRC Press、Inc、アメリカ合衆国。

• Curlieの熱交換器
• 教育用シェル＆チューブ熱交換器設計ソフトウェア (PDF)
• EU圧力機器ガイドライン
• 航空機の電力システムへの電動化に向けた熱管理コンセプト (PDF)