熱 交換 器
用途 による分類
産業 用
ボイラー
ボイラーは、
- ボイラー
空気 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。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。水冷 壁
蒸気 発生 器
復 水 器
製造 業 等
蒸発 器 :液体 を加熱 し気体 とするために使用 される凝縮 器 :気体 を冷却 し液体 とするために使用 される冷却 塔 :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 :液体 -大気 の熱 交換 器 のうち加熱 に使用 されるもの冷凍 機 :冷蔵 /冷凍 保管 用 の冷蔵庫 などに使用 される
空気 調和 用
- 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 用
船舶 ・車両 用
がある。
このほか、
媒体 の性状 と構造 による分類
液 -液
管 型 - 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。 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 (Shell and tube heat exchanger):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
- スパイラル
- 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。 板 型 - 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。 渦巻 板 式 熱 交換 器 - タンクジャケット
式 熱 交換 器
- プレート
特殊 型 直接 接触 液 液 式 熱 交換 器 - バヨネット
熱 交換 器 流下 液 膜 式 熱 交換 器 (熱 回収 装置 )
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 、バロメトリックコンデンサなど- 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。- ボルテックスチューブ :
圧縮 空気 を熱気 と冷気 に分離 する。
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。
管理
また、
設計
所定 の伝 熱 /流動 特性 を、所定 の運転 期間 実現 できる型式 (経験 あるいは新規 の着想 から決定 )、大 きさ(製作 工場 から設置 施設 までの搬送 と取 り付 けが可能 )であること。取 り扱 う流体 が毒性 であったり、高 圧 であったりすると、流体 の漏洩 防止 、経済 設計 の観点 から、フランジ構造 よりも溶接 構造 による組 み立 て方式 の採用 が優先 される。胴 と伝 熱 管 の両 端 が相互 に固定 される構造 の場合 、高温 側 /低温 側 の流体 が接 する金属 の温度 に差 が生 じる為 、その伸 び差 に起因 する熱 応力 に耐 える構造 が必要 である。両 流体 の運転 期間 中 、その流動 起因 の伝 熱 管 (装置 )振動 による損傷 が無 く、また騒音 トラブルも起 こさないこと。熱 交換 器 の最適 設計 に関 する考察 経済 性 (製作 ・納入 ・据付 ・運転 ・維持 ・互換 性 の各 フェーズにおいて)に優 れること。型式 は様々 (二 重 管 式 /多 管 円筒 式 /スパイラル式 /プレート式 /空冷 式 等 )だが、まずは異 なる2つの流体 それぞれの設計 圧力 、設計 温度 に耐 えられるものから選定 される。特 に相 変化 が無 い場合 、流体 の伝 熱 (金属 )面 への汚 れ付着 度合 やその除去 要求 から、採用 する水力 直径 (構造 )が定 まってくる。これが小 さいほどコンパクトな設計 になりやすい。伝 熱量 は、異 なる2つの流体 それぞれの境 膜 伝 熱 係数 の大小 に依存 する。両 流体 側 の改善 が重要 になる。劣等 側 改善 目的 で、その伝 熱 (金属 )面 へのフィン取 り付 け、管内 に乱 流 促進 用 の挿入 物 (インサート)を考慮 する場合 がある。複数 の直列 に連結 する熱 交換 器 の設計 にすることで、温度 効率 、流体 速度 /伝 熱 性能 の向上 が図 りやすくなり、高温 流体 を扱 う場合 には、低温 側 の熱 交換 器 に低 価格 な金属 材料 の選択 が可能 になったり、高 圧 流体 を扱 う場合 には、個別 の熱 交換 器 サイズを小 さく出来 て耐 圧 部材 の厚 さと重量 、即 ち熱 交換 器 の価格 を減 じる効果 も期待 出来 たりする。- サーモサイフォン(サイフォンの
原理 を利用 した)蒸発 器 では安定 運転 および高 沸点 成分 残留 /有効 温度 差 漸減 回避 の為 の蒸発 量 の割合 設定 が重要 である。 流下 液 膜 式 (フォーリングフィルム)蒸発 器 では伝 熱 管 壁面 が乾 いてしまわない十分 な量 の液 の循環 /供給 を確認 する。- mv2
値 (運動 エネルギー参照 )に指針 を設定 /管理 することで、流動 に起因 する摩耗 の発生 、不適切 な流 路 設計 を回避 する。尚 、飽和 蒸気 が導入 管 路 で放熱 /冷却 /凝縮 した液 滴 ミスト(高密度 )を同伴 することになると、それが高速 で飛来 するので用心 が必要 である。 気 相 /気 液 二 相 流 の音速 流域 設計 でも、処理 量 の僅 かな変動 があっても運転 困難 に至 らないことを確認 する。可能 であればマッハ数 を小 さく採 る。
熱 交換 器 の設計 判断 項目 例
法的 規制
- エネルギーの
使用 の合理 化 等 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。
理論
伝 熱量
で
ここに、
- K :
熱 通過 率 - F :
伝 熱 面積 Δ t1 :高温 流体 入口 における両 流体 の温度 差 Δ t2 :高温 流体 出口 における両 流体 の温度 差
である。また
で
熱 伝達 率 (境 膜 伝 熱 係数 )
ここで、
- h :
管 側 境 膜 伝 熱 係数 (内面 基準 ) - D :
伝 熱 管内 径 - G :
管 側 質量 速度 - k :
管 側 平均 温度 における流体 の熱 伝導 率 - c :
管 側 平均 温度 における流体 の比熱 μ :管 側 平 度 における流体 の粘 度 μ w :管 壁 温度 における流体 の粘 度 - L :
伝 熱 管長 さ
である。
管 式 熱 交換 器 (Sieder-Tate)層 流 領域 乱 流 領域
温度 効率 と熱 移動 単位 数
で
また、
で
- (
対向 流 式 ) - (
並 流 式 )
で
圧力 損失
出典
- ^
意匠 分類 定義 カード(K6)特許庁 - ^ カーエアコン
用 熱 交換 器 の最新 技術 - (株 )デンソー - ^
社団 法人 日本 アルミニウム協会 編 、『現場 で生 かす金属 材料 シリーズ アルミニウム』、工業 調査 会 、2007年 5月 1日 初版 1刷 発行 、ISBN 9784769321880 - ^
竹中 他 『機械 工学 必携 』、460頁 。 - ^
瀬下 裕 ;藤井 雅雄 『コンパクト熱 交換 器 』日刊工業新聞社 、1992年 、39-46頁 。ISBN 4-526-03165-8。 - ^
尾花 英 朗 『熱 交換 器 設計 ハンドブック』(2版 )工学 図書 、1982年 、7-13, 169-171頁 。
関連 項目
外部 リンク
- もっと
知 りたい蒸気 のお話 熱 交換 器 の設計 指針 に関 する参考 情報 - JIS B 8265:2017
圧力 容器 の構造 一般 事項 - JIS B 8266:2003
圧力 容器 の構造 特定 規格 - JIS B 8267:2015
圧力 容器 の設計 - API Standard 660: Shell-and-Tube Heat Exchangers
多 管 式 熱 交換 器 - API Standard 661: Air-cooled Heat Exchangers
空冷 式 熱 交換 器 - API Standard 662 Part 1: Plate-and-Frame Heat Exchangers プレート・
枠 熱 交換 器 - API Standard 662 Part 2: Brazed Aluminum Plate-fin Heat Exchangers ろう
付 けアルミニューム・プレート・フィン熱 交換 器 - ALPEMA Standard: Brazed Aluminum Plate-fin Heat Exchangers (BAHXs) ろう
付 けアルミニューム・プレート・フィン熱 交換 器 - HEI Standards
発電 プラントの熱 交換 器
- JIS B 8265:2017
熱 交換 器 設計 の詳細 解説 図書 熱 交換 器 の高度 な設計 情報 /ソフトウェアを提供 する組織