転載――詳細解説：熱交換器の動作原理

「熱交換器」と呼ばれるこのような省エネ装置があり、温度の異なる2種類以上の流体間で熱伝達を行うことができます。広範囲にわたる暖房においては、熱交換器の存在は絶対に不可欠です。

熱交換器の熱伝達方式に基づき、熱交換器は大きく3つの種類に分類される：

「直接接触式熱交換器」と呼ばれる装置があり、これは「混合式熱交換器」とも呼ばれ、高温・低温の流体を直接接触させて熱交換を行うための装置である。一般的に、直接接触するこの2つの流体のうち、一方は気体であり、もう一方は気化圧が比較的低い液体である。

蓄熱式熱交換器の動作原理, これは固体物質の熱伝導特性を利用したものです。具体的には、まず熱媒体が固体物質を一定の温度まで加熱し、その後、冷媒が固体物質から熱を吸収することで、この一連の過程を通じて熱の伝達が実現されます。

「間壁式熱交換器」と呼ばれる熱交換器があり、これは媒体を介して熱伝導を行うもので、冷媒と熱媒の2つの媒体が固体の中間壁によって隔てられ、この中間壁を通じて熱が交換される。熱供給企業において、間壁式熱交換器の応用が最も広範です。構造の違いにより、管式熱交換器、プレート式熱交換器、およびヒートパイプ式熱交換器に分類されます。

1. 管殻式熱交換器

「シェル・アンド・チューブ式熱交換器」と呼ばれる装置は、「管束式熱交換器」とも呼ばれ、これは一種の隔壁式熱交換器に属します。この熱交換器は、シェル内に封入された管束の壁面を熱伝達面として構成されており、その構造は比較的単純で、 運転の信頼性が高く、さまざまな構造材料を用いて製造することが可能です。ここで主に扱うのは金属材料ですが、高温・高圧の条件下でも使用できる特性を備えており、現在最も広く普及しているタイプです。

シェル・アンド・チューブ式熱交換器

採用される補償措置に基づいて、シェル・アンド・チューブ式熱交換器は、固定管板式熱交換器、フローティングヘッド式熱交換器、U字管式熱交換器、およびパッキンボックス式熱交換器の4種類に分類される。

2. 固定管板式熱交換器

シェル・アンド・チューブ式熱交換器の中には、固定管板式熱交換器というものがある。固定管板式熱交換器の両端にある管板は、溶接によってシェルに接続されており、主に外殻、管板、管束、およびトップカバー（封頭）などの部品で構成されている。

固定管板式熱交換器

固定管板式熱交換器の利点は以下の通りです：

構造が単純である；

同じケーシング径の中で、配管本数が最も多く、バイパスが最も少ない；

各熱交換管は交換が可能であり、管内の洗浄も容易です。

固定管板式熱交換器の欠点は以下の通りである：

シェルプロセスは機械洗浄を行うことができません；

もし熱交換管とシェル間の温度差が著しく大きく、50℃以上に達する場合、温度差応力が生じます。この問題を解決するには、シェル上に伸縮継手を設置する必要があります。そのため、シェル側の圧力は伸縮継手の強度の制限を受けることになり、あまり高く設定することはできません。

これは、流体が清浄な状態で、スケールが発生しにくい場合、および2つの流体の温度差がそれほど大きくない場合、あるいは温度差は大きいものの、シェル側の圧力がそれほど高くない使用条件にのみ適用されます。

3. 浮頭式熱交換器

シェル・アンド・チューブ式熱交換器の一種であるフローティングヘッド式熱交換器は、一方の端のチューブシートが外殻に接続されておらず、軸方向に自由に浮動することができ、この端はフローティングヘッドとも呼ばれる。このフローティングヘッドは、フローティング管板、フックリング、およびフローティングヘッドエンドキャップで構成されており、着脱可能な接続方式を採用しているため、管束をシェルから引き抜くことができる。

フローティングヘッド式熱交換器

浮頭式熱交換器の利点は以下の通りです：

熱交換管とケーシングの間に温度差が存在する場合、すなわちケーシングまたは熱交換管が膨張したとしても、温度差による応力は生じない。

管束はケーシングから引き出すことができるため、管内および管間の洗浄が容易である。

浮頭式熱交換器の欠点は以下の通りである：

構造が比較的複雑で、使用する材料の量も多く、建設費も高額である；

フロートカバーとフロートチューブプレートとの間のシールに不備があると、内部漏れが発生し、その結果、2種類の媒体が混ざり合うことになる。

4. U字型管式熱交換器

管板、シェル、管束などの部品で構成されるU字型管式熱交換器は、シェル・アンド・チューブ式熱交換器の一種であり、 各チューブはU字型に曲げられ、入口と出口は両側の同一のチューブプレートに取り付けられています。また、エンドキャップは仕切り板によって2つの室に分かれており、これにより各チューブは自由に伸縮することができ、その伸縮は他のチューブやシェルとは無関係です。

U字型管式熱交換器

U字型管式熱交換器の利点は以下の通りです：

管束は自由に浮動するため、温度差による応力を考慮する必要がなく、温度差の大きい環境でも使用可能です。

管板が1枚しかなく、フランジの数が少なく、漏れ箇所も少ないため、構造が単純である；

U字型管式熱交換器は、信頼性が高く、コストも低い。

U字型管式熱交換器の欠点は以下の通りである：

配管には一定の曲げ半径が必要であるため、配管内部の洗浄は比較的困難であり、さらに管板の利用率も比較的低い。

最も内側の管同士の間隔が広いと、シェル側で短絡が発生しやすくなる。管内の流速が高すぎると、U字型エルボ部分に深刻な侵食が生じ、その結果、その耐用年数に影響を及ぼすことになる。

内管が破損した場合、交換できないため、廃棄率が比較的高い。

5. スプレー式熱交換器

スプレー式熱交換器は管式熱交換器の一種であり、熱交換管を鋼製フレームに列状に固定し、熱流体が管内を流れ、冷却水が上部のスプレー装置から均一に降り注ぐため、スプレー式冷却器とも呼ばれる。スプレー式熱交換器の管の外側には、乱流の程度が高い液膜が形成されており、その管外熱伝達係数は浸漬式に比べて大幅に大きくなっています。さらに、スプレー式熱交換器は多くの場合、空気の流れがある場所に設置されるため、冷却水の蒸発によって一部の熱が奪われ、これにより冷却水の温度を下げ、熱伝達の駆動力を高める効果が得られます。浸漬式熱交換器と比較して、スプレー式熱交換器の熱伝達効果は著しく向上しています。

スプレー式熱交換器

スプレー式熱交換器の利点は以下の通りです：

構造が単純で、コストが安い；

冷却水の温度を下げ、熱伝達の駆動力を高める働きがある；

高電圧に耐える；

点検や洗浄が容易で、水質の要件も緩やかです。

スプレー式熱交換器の欠点は以下の通りである：

冷却水の噴霧が不均一だと、熱伝達効率に影響を及ぼします；

屋外にのみ設置可能です。

6. ケーシング式熱交換器

スリーブ式熱交換器は管式熱交換器の一種であり、2種類の異なるサイズの標準管を接続して形成された同心円状のスリーブ構造をしており、外側の部分をシェル側、内側の部分をチューブ側と呼ぶ。2種類の異なる媒体は、シェル側およびチューブ側内で逆流（または同方向）の流路をとることで、熱交換効果を実現します。スリーブ式熱交換器は、一般的にシェル（内殻と外殻を含む）、U字型エルボ、パッキングボックスなどで構成されています。

ジャケット式熱交換器

ケーシング式熱交換器の利点は以下の通りです：

構造が単純で、高圧に耐えることができる；

熱伝達面積は必要に応じて増減でき、使い勝手が良い。

ケーシング式熱交換器の欠点は以下の通りである：

配管の接続部が多く、漏れが生じやすい；

占有面積が大きく、単位熱伝達面積あたりの金属消費量が多い。

7. ジャケット式熱交換器

ジャケット式熱交換器はプレート式熱交換器の一種であり、容器の外壁にジャケットを取り付けることで作られるため、その構造は比較的単純である。しかし、その加熱面は容器の壁面に制限され、熱伝達係数もそれほど高くない。熱伝達係数を高め、同時に釜内の液体を均一に加熱するためには、釜内に撹拌機を設置することができます。ジャケット内に冷却水や相変化のない加熱剤を流す場合、ジャケット内に螺旋状の仕切り板を設置したり、その他の乱流を促進する措置を講じたりすることで、ジャケット側の熱供給係数を向上させることも可能です。伝熱面の不足を補うために、釜内部にコイル管を設置することも可能です。ジャケット式熱交換器は、反応プロセスの加熱および冷却に広く利用されています。

ジャケット式熱交換器

ジャケット式熱交換器の利点は以下の通りです：

構造が単純である；

加工が容易です。

ジャケット式熱交換器の欠点は以下の通りである：

熱伝達面積が小さく、熱伝達効率が低い。

8. スパイラルプレート式熱交換器

スパイラルプレート式熱交換器はプレート式熱交換器の一種であり、2枚の金属板を平行に配置して巻き上げることで形成されます。その内部には2つの同心円状の螺旋形流路が形成され、熱交換器の中央には仕切り板が設置されています。 この仕切り板によって螺旋状の流路が分離されています。また、2枚の板の間には間隔保持用の支柱が溶接されており、その役割は流路間の間隔を維持することです。

スパイラルプレート式熱交換器

スパイラルプレート式熱交換器の利点は以下の通りです：

熱伝達係数が高い；

スケールや詰まりが生じにくい；

温度の低い熱源を利用できる；

コンパクトな構造。

スパイラルプレート式熱交換器の欠点は以下の通りである：

操作圧力と温度は高くなりすぎないようにすること；

点検・修理が困難

9. ヒートパイプ熱交換器

ヒートパイプは、密閉された金属管で構成されており、この金属管からは不凝性ガスが除去され、管内には一定量の特定の作動液が充填されている。作動液は高温側で熱を吸収して沸騰・気化し、生成された蒸気は低温側へと流れ、そこで凝縮して潜熱を放出する。 凝縮液は高温側に戻り、再び沸騰・気化します。このように繰り返し循環することで、熱は高温側から低温側へと絶え間なく伝達されます。

ヒートパイプ熱交換器

ヒートパイプ熱交換器の利点は以下の通りです：

構造がシンプルで、耐用年数が長く、信頼性が高い；

極めて高い熱伝導性と良好な等温性を備えている；

加熱側と冷却側の熱伝達面積は自由に変更でき、遠距離での熱伝達が可能で、温度を制御できる。

その欠点は次のとおりである：

抗酸化性、耐熱性が比較的低い。

熱交換器の使用上の注意事項：

作業開始前には配管網を清潔に保ち、作業終了後も同様に清潔に保つ必要があります。熱交換器の詰まりを防ぐため、配管網の洗浄は必須です。さらに、除塵器やフィルターの洗浄にも細心の注意を払い、熱交換作業全体が円滑に進むようにしなければなりません。

軟水については厳格な管理を行い、熱供給媒体の処理を開始する前に、システム内および軟水タンク内の水質状態を確認し、水質が基準を満たしていることが確認されてから注入を行う。

最近導入されたシステムを検証する際、この新しいシステムについては、直ちに熱交換器と交互に使用することはできず、規定の期間内に新システムを稼働させ、稼働試験を完了させた後に初めて、熱交換器をシステムに組み込むことができる。このように行う目的は、配管網内の不純物によって熱交換器の内部設備が損傷するのを防ぐためである。