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再生式熱交換器、またはより一般的には再生器は、高温流体からの熱を熱蓄熱媒体に断続的に蓄えてから低温流体に伝達するタイプの熱交換器です。これを実現するには、高温流体を熱蓄熱媒体に接触させ、次に流体を低温流体に置き換えて熱を吸収させます。[ 1 ]
再生式熱交換器では、熱交換器の両側の流体は同じ流体でも構いません。流体は外部処理工程を経て、その後、逆方向に熱交換器内を流れ、さらに処理されます。通常、このプロセスは周期的に、または繰り返し使用されます。
再生加熱は、産業革命期に高炉の熱風プロセスで使用された際に開発された最も重要な技術の1つでした。[ 2 ]その後、ガラス溶解炉や製鋼、平炉の効率向上、高圧ボイラー、化学、その他の用途で使用され、今日でも重要視されています。
最初の再生器は1816年にロバート・スターリング牧師によって発明され、彼のスターリングエンジンのいくつかの例にも構成要素として見られます。ほとんどのモデルを含む最も単純なスターリングエンジンは、シリンダーとディスプレーサーの壁を基本的な再生器として使用しており、構造が簡単で安価ですが、効率ははるかに劣ります。
後期の応用例としては、熱風炉として知られる高炉法や、シーメンス再生炉とも呼ばれる平炉（ガラス製造に使用）などがある。これらの炉では、燃焼によって発生した高温の排ガスが耐火レンガ製の再生室を通過し、そこでレンガが加熱される。その後、ガスの流れを逆転させることで、加熱されたレンガが燃料を予熱する。
エドワード・アルフレッド・カウパーは、1857年に特許を取得した「カウパーストーブ」という形で、再生原理を高炉に応用しました。[ 3 ]これは今日でも高炉でほぼ例外なく使用されています。
再生装置は、一方のプロセス流体から中間固体蓄熱媒体へ熱を伝達し、その後、その媒体がもう一方のプロセス流体と熱を伝達する。2つの流れは、時間的に分離され、蓄熱媒体内を交互に循環するか、空間的に分離され、蓄熱媒体が2つの流れの間を移動する。
回転式再生器、または熱ホイールでは、ホイールまたはドラム状の蓄熱「マトリックス」が、2つの対向する流体の流れの中を連続的に回転します。このようにして、2つの流れはほぼ分離されます。一度にマトリックスの各セクションを通過するのは1つの流れだけですが、回転の過程で、両方の流れが最終的にマトリックスのすべてのセクションを順番に通過します。蓄熱媒体は、比較的細かい粒度の金属板またはワイヤーメッシュのセットで、耐薬品性合金で作られているか、プロセス流体による化学的攻撃に耐えるようにコーティングされているか、高温用途ではセラミックで作られています。回転式再生器の単位体積あたりの伝熱面積は、シェルアンドチューブ式熱交換器と比較して大きく、再生器マトリックスの1立方フィートあたり最大1000平方フィートの表面積が含まれるのに対し、シェルアンドチューブ式熱交換器の1立方フィートあたりは約30平方フィートです。[ 4 ]
回転は温度勾配と流れの方向の両方に垂直であり、それらを通過するわけではないため、マトリックスの各部分はほぼ等温になります。2つの流体ストリームは逆方向に流れます。流体の温度は流れ領域全体で変化しますが、局所的なストリーム温度は時間の関数ではありません。2つのストリーム間のシールは完全ではないため、相互汚染が発生します。回転再生器の許容圧力レベルは、熱交換器と比較して比較的低くなっています。
固定マトリックス再生器では、単一の流体ストリームが周期的かつ可逆的な流れを持ち、「向流」で流れると言われます。この再生器は、スターリングエンジンなどのバルブレスシステムの一部となる場合があります。別の構成では、流体はバルブを通して異なるマトリックスに交互に送られ、その結果、出口温度が時間とともに変化します。たとえば、高炉には耐火レンガで満たされた複数の「ストーブ」または「チェッカー」がある場合があります。炉からの高温ガスは、レンガが高温に達するまで、たとえば1時間の間、レンガを通して送られます。その後、バルブが作動して冷たい吸入空気をレンガに通し、炉で使用するために熱を回収します。実際の設備では、複数のストーブとバルブの配置により、「高温」ストーブと隣接する「低温」ストーブの間で流れを徐々に切り替えることで、出口空気温度の変動を低減します。[ 5 ]
もう一つのタイプの再生器は、マイクロスケール再生式熱交換器と呼ばれています。これは多層格子構造を持ち、各層は隣接する層から、流れ軸に垂直な両軸に沿って開口部を持つセルの半分だけずらされています。各層は、熱伝導率の高い材料と熱伝導率の低い材料からなる2つのサブレイヤーの複合構造です。高温の流体がセルを通過すると、流体からの熱がセル壁に伝達され、そこに蓄えられます。流体の流れが逆方向になると、熱はセル壁から流体へと伝達されます。
3つ目のタイプの再生器は「ローテミューレ式」再生器と呼ばれています。このタイプは円盤状の固定マトリックスを備え、流体は回転するフードを通して流されます。ローテミューレ式再生器は発電所の空気予熱器として使用されます。この再生器の熱設計は、他のタイプの再生器と同じです。
呼吸の際、鼻と喉は再生型の熱交換器として機能します。吸い込まれた冷たい空気は温められ、暖かい空気として肺に到達します。そして、吐き出される際に、温められた空気は熱の大部分を鼻腔の壁に放出し、次の空気を温める準備が整います。人間を含む一部の動物は、熱交換のための表面積を増やすために、鼻の中に鼻甲介と呼ばれる巻き込んだ骨の板を持っています。
再生式熱交換器は、体積熱容量が高く、縦方向（流れ方向）の熱伝導率が低い材料で構成されています。20 K前後の極低温では、金属の比熱が低いため、一定の熱負荷に対して再生器はより大型にする必要があります。
再生器は、回生式（対向流式）熱交換器に比べて、体積あたりの表面積がはるかに大きいという利点があります。これにより、一定のエネルギー密度、効率、圧力損失に対して、交換器の体積を削減できます。このため、再生器は同等の回生器と比較して、材料費と製造コストの面でより経済的です。
マトリックス内で高温流体と低温流体を分配するために使用される入口および出口ヘッダーの設計は、対向流再生器の方が熱回収器よりもはるかに簡単です。その理由は、回転式再生器では両方の流体が異なるセクションを流れるのに対し、固定マトリックス再生器では一度に1つの流体が1つのマトリックスに出入りするからです。さらに、回転式再生器では、高温流体と低温流体の流路を設計することで、流体の圧力損失を最適化できます。再生器のマトリックス表面は自己洗浄特性も備えており、流体側の汚れや腐食を低減します。最後に、再生器の表面密度が小さいことや対向流配置などの特性により、85%を超える効率が求められる気体-気体熱交換用途に最適です。気体の熱伝達係数は液体よりもはるかに低いため、再生器の巨大な表面積は熱伝達を大幅に増加させます。
回転式および固定マトリックス式再生器の主な欠点は、流体ストリームが常に多少なりとも混合され、完全に分離できないことです。一方の流体ストリームのごく一部が他方の流体ストリームに混入することは避けられません。回転式再生器では、混入した流体はラジアルシールとマトリックス内に閉じ込められ、固定マトリックス式再生器では、マトリックスの空隙に残った流体が混入します。この少量の流体は、次の半サイクルで他方のストリームと混合します。したがって、回転式および固定マトリックス式再生器は、2つの流体ストリームが混合しても問題ない場合にのみ使用されます。混合流は、気体間熱および/またはエネルギー伝達用途では一般的ですが、液体または相変化流体では、液体の流れでは流体汚染が禁止されることが多いため、あまり一般的ではありません。
再生式熱交換器では加熱と冷却が絶えず繰り返されるため、熱交換器の構成部品に大きな負荷がかかり、ひび割れや材料の破損を引き起こす可能性があります。