熱交換器とは、高温の流体から低温の流体へ熱の一部を移動させる装置で、熱交換器とも呼ばれる。熱交換器は、化学、石油、電力、食品、その他多くの工業生産において重要な役割を果たしている。化学製品の製造において、熱交換器はヒーター、冷却器、凝縮器、蒸発器、再沸騰器として使用され、広く使用されている。
異なる媒体、作動条件、温度、圧力、および異なる構造タイプの熱交換器に適しています。熱交換器の具体的な分類は以下の通り：
伝熱原理に基づく分類
1.壁間熱交換器とは熱交換器の一種で、壁で仕切られた空間に温度の異なる2つの流体が流れ、壁面で熱を伝導し、壁面で対流する。熱は2つの流体間で移動する。壁式熱交換器には、シェル＆チューブ式、スリーブ式などがある。壁式熱交換器は最も広く使用されている熱交換器である。
2.蓄熱式熱交換器は、固体材料で構成された蓄熱体であり、高温流体から低温流体へ熱を伝達する。高温の媒体は、まず固体材料を加熱することによって一定の温度に達し、次に低温の媒体が固体材料によって加熱され、熱伝達の目的を達成する。蓄熱式熱交換器には、回転式と弁切替式がある。
3.流体接続間接熱交換器 流体接続間接熱交換器は、2つの表面熱交換器を循環するヒートキャリアで接続する熱交換器である。ヒートキャリアは高温流体熱交換器と低温流体熱交換器の間を循環し、高温流体で熱を受け取り、低温流体熱交換器で低温流体に熱を放出する。
4.直接接触式熱交換器は、ハイブリッド式熱交換器とも呼ばれ、冷水塔、ガス凝縮器など、2つの流体が直接接触し、混合して熱交換する装置である。
5.複合熱交換器とは、間接蒸気面伝熱と直接混合水流伝熱の2種類の伝熱方式を組み合わせた機器である。蒸気表面間接伝熱に比べて伝熱効率が高く、蒸気と水を直接混合して熱交換する場合に比べて安定性が高く、単位騒音が小さい。
目的別
1.ヒーターは流体を必要な温度まで加熱するが、加熱流体は相変化を起こさない。
2.プレヒーターはあらかじめ流体を予熱し、プロセス操作のための標準的なプロセスパラメーターを提供します。
3.過熱器は、流体（プロセスガスまたは蒸気）を過熱状態に加熱するために使用される。4.蒸発器は、流体を沸点以上の温度に加熱し、通常は相変化を伴いながら蒸発させるために使用される。
構造による分類
それはに分けることができる: 浮遊ヘッド熱交換器、固定管板熱交換器、U字型管板熱交換器、版の熱交換器、等
熱交換器は、伝熱方法の違いにより、ハイブリッド型、蓄熱型、インターウォール型の3種類に分けられる。
ハイブリッド熱交換器とは、低温流体と高温流体を直接接触・混合させて熱交換する熱交換器で、接触式熱交換器とも呼ばれる。2つの流体を混合して熱交換した後、適時分離する必要があるため、このタイプの熱交換器は気体と液体の流体間の熱交換に適している。例えば、化学プラントや発電プラントで使用される冷却塔では、温水が上から下に噴霧され、冷たい空気が下から上に吸い込まれる。充填物の水膜や水滴の表面では、温水と冷気が接触して熱交換が行われる。温水は冷却され、冷気は加熱され、2つの流体の密度差によって適時分離される。
蓄熱式熱交換器とは、蓄熱室内の蓄熱材（パッキン）の表面に低温流体と高温流体を交互に流して熱交換を行う熱交換器の一種で、コークス炉下部の空気を予熱するための蓄熱室などがある。この種の熱交換器は、主に高温の排ガスから熱を回収して利用するために使用される。冷熱の回収を目的とした同様の装置は蓄冷装置と呼ばれ、空気分離装置に多く使用されている。
壁式熱交換器は、冷たい流体と熱い流体が固い壁で隔てられ、熱交換が壁を通して行われるタイプの熱交換器である。したがって、表面型熱交換器とも呼ばれ、このタイプの熱交換器が最も広く使用されている。
壁式熱交換器は伝熱面の構造によってチューブ式、プレート式などに分けられる。チューブ式熱交換器は、チューブの表面を伝熱面として使用するもので、蛇行チューブ式熱交換器、チューブラー式熱交換器、シェル＆チューブ式熱交換器などがあります。プレート式熱交換器は、プレートの表面を伝熱面として使用するもので、プレート式熱交換器、スパイラルプレート式熱交換器、プレートフィン式熱交換器、プレートシェル式熱交換器、アンブレラプレート式熱交換器などがあります。
熱交換器における流体の相対的な流れ方向には、一般に順流と逆流の2種類がある。下降流の場合、入口での2流体間の温度差は最大で、伝熱面に沿って徐々に減少し、出口での温度差が最小になります。逆流の場合、伝熱面に沿って2流体間の温度差分布は比較的均一である。冷たい流体と熱い流体の入口と出口の温度が一定であるという前提のもとでは、両方の流体に相転移がない場合、向流の一様な温度差の最大値と最小値は同じである。
伝熱面積が変わらない場合、逆流を使用することで、加熱流体または冷却流体の消費量を削減することができます。前者は設備コストを節約でき、後者は運転コストを節約できるため、設計や生産ではできるだけ逆流熱交換を使用すべきである。
冷たい流体と熱い流体の間で相変化（沸騰または凝縮）が起こり、相変化の間に気化潜熱のみが放出または吸収される場合、流体自体の温度は変化しない。したがって、流体の入口温度と出口温度は等しくなります。このとき、2つの流体間の温度差は、流体の流れ方向の選択に依存しない。上流と下流に加えて、交差流や乱流などの流れ方向もある。
壁間熱交換器における熱抵抗を低減して熱伝達率を向上させることは、熱伝達プロセスにおける重要な課題である。熱抵抗は主に、中間壁の両側の伝熱面に付着した流体の薄い層（境界層と呼ばれる）と、熱交換器の使用中に壁の両側に形成されるファウリング層に由来する。金属壁の熱抵抗は比較的小さい。
流体の流速や乱れを大きくすることで、境界層を薄くし、熱抵抗を減らし、熱伝達率を向上させることができる。しかし、流体の流速を上げるとエネルギー消費量が増えるので、設計時に熱抵抗の低減とエネルギー消費量の低減を公平に調整する必要がある。汚れの熱抵抗を低減するためには、汚れの発生を遅らせたり、伝熱面の清掃を予定通りに行うことが可能である。
一般に、熱交換器は金属材料で作られており、その中でも炭素鋼と低合金鋼は中低圧熱交換器の製造に主に使用されている。耐食性条件の違いで主に使用されるほか、オーステナイト系ステンレス鋼も高温と低温に耐える材料として使用できる；銅、アルミニウム、およびそれらの合金は、低温熱交換器の製造によく使用される。ニッケル合金は、高温条件下で使用される。ガスケット部品の製造に加えて、一部の非金属材料は、グラファイト熱交換器、フッ素樹脂熱交換器、ガラス熱交換器などの耐腐食性熱交換器の製造に使用されている。
熱交換器の主な応用分野
1、化学工業
熱交換器は化学工業で広く使用されており、凝縮、蒸発、晶析、乾燥、熱分解などの複数のプロセスで使用できます。一般的な用途としては、蒸気加熱、冷却剤回収、濃縮、加熱、冷却などがあります。熱伝達は熱交換器を通して行うことができ、有害ガスの排出を減らし、生産効率を向上させることができる。
2、エネルギー産業
エネルギー産業では、熱交換器のアプリケーションは、主に石油、天然ガス、原子力エネルギー、風力エネルギー、太陽エネルギーなどが含まれています。熱交換器は石油および天然ガスの暖房、冷却および蒸留に使用することができる。廃熱を回収し、他の設備に熱エネルギーを供給し、エネルギーの有効利用を実現することができます。
3、環境保護産業
熱交換器は環境保護産業においても重要な用途があり、廃水処理、ガス浄化、汚泥乾燥など様々な局面で使用できる。熱交換器の応用により、廃ガス、廃水、スラグの排出を減らし、汚染を減らし、環境保護効果を向上させることができる。
4、 食品および製薬産業
食品や医薬品などの産業では、熱交換器は主に加熱、冷却、蒸発、濃縮などのプロセスに使用されます。製薬業界では、熱交換器は反応温度を制御し、医薬品の精密製造を実現し、製品の品質を向上させることができます。
5、建設業
建築業界では、主に空調・冷暖房などの分野で熱交換器が使用されている。熱交換器を使用することで、屋内と屋外の温度差が大きい状況でも空気の暖房、冷房、除湿などの機能を発揮し、室内環境の改善や快適性の向上を図ることができる。
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