伝熱/熱交換器

熱交換器

熱交換器は、流体が接触することなく、一つの流体から別の流体に熱を移動させるために設計された装置です。熱交換器の応用例としては、ラジエーター、空調、発電所などが挙げられます。

熱交換器の種類

熱交換器は主にその流れの配置によって分類されます。熱交換器には基本的に2種類があります: 直列流れ と 交差流れ です。さらに、いわゆる 再生式 熱交換器がいくつかの産業で使用されています。

直列流れ

直列流れの熱交換器では、熱い流体と冷たい流体が平行に移動します。流体が同じ方向に移動する熱交換器は 並行流れ または 同方向流れ と呼ばれ、流体が反対方向に移動する熱交換器は 逆流れ または 逆方向流れ と呼ばれます。

並行流れの熱交換器では、"冷たい" 流体の出口温度が "熱い" 流体の出口温度を超えることはありません。出口温度が等しいときに、交換器は最も効率的に働きます。

逆流れの熱交換器は、流体の全長にわたってより均一な温度差を作り出すため、基本的に並行流れの熱交換器よりも効率的です。逆流れの熱交換器では、"冷たい" 流体が "熱い" 流体よりも高い温度で出口することが可能です。しかし、多くの産業用熱交換器はより複雑です。スペースを節約するために、流体がユニットの端に行き、再び戻ってくることがあります。流体がその長さを移動するたびに パス と呼ばれます。例えば、一つの流体が2パス、別の流体が4パスすることがあります。したがって、熱交換器の一部は並行流れ、他の部分は逆流れであり、計算はこれを考慮する必要があります。

交差流れ

交差流れの熱交換器では、熱い流体と冷たい流体が互いに垂直に移動します。これは、小さなパッケージで入口と出口ポートを物理的に配置する便利な方法であり、さらに逆流れ設計よりも効率的です。熱力学的には、交差流れの熱交換器の効率は逆流れや並行流れの熱交換器よりも優れています。対数平均温度差（LMTD）は、並行流れの熱交換器に比べて交差流れの方が常に大きくなります。一定の流量と入口および出口温度が与えられた場合、並行流れの熱交換器は最大の流量面積を必要とし、交差流れの熱交換器は最小の流量面積を必要とし、逆流れの熱交換器はその2つの極端な範囲の間に位置します。このため、実際には並行流れの熱交換器は使用されず、交差流れの配置が好まれます。したがって、交差流れの配置は最も一般的に使用され、交差流れの方が逆流れよりも入口と出口のヘッダー接続を提供しやすいためです。交差流れの熱交換器はコンパクトな設計を提供します。多パス交差流れの熱交換器は、並行流れや逆流れの熱交換器と比べて製造が容易です。

一部の実際の熱交換器は、流れの経路が往復する設計特徴のために、交差流れと逆流れの混合であることがあります。

再生式

再生式熱交換器は熱を蓄え、後で放出します。これには交換器を離れることなく、熱くなった（または場合によっては溶けることで潜熱を吸収する）大きな質量の材料が含まれています。これにより、一回のバッチ操作からの熱を次の操作を温めるために使用できます。

また、再生式熱交換器はペア（または複数）で使用され、一方が熱い流れから熱を吸収し、もう一方が冷たい流れに放出します。一部の設計では、熱を一つの流れから別の流れに移動させるために、熱吸収材のベッドが移動します。

再生式熱交換器という用語は、プロセスに流入する流体とプロセスから流出する流体のある逆流れの熱交換器にも使用されます。

熱交換器の分析

四つの温度変数を示す概略図

単純な熱交換器を想像してみましょう。ここでは、一つの流体（A）を含むパイプが、もう一つの流体（B）で満たされたジャケットに囲まれています。各流体には一定の入口温度があり、所定の出口温度を達成するために必要な面積を知りたいとします。

このような熱交換器を分析するには、流体AとBの間の温度差が一定でないため、微分解析に頼らざるを得ません。

まず、流体AとBの間で交換される熱量を表現する3つの方法があります:

${\dot {Q}}={\dot {m}}_{B}*(C_{p})_{B}*(T_{B2}-T_{B1})$

${\dot {Q}}={\dot {m}}_{A}*(C_{p})_{A}*(T_{A2}-T_{A1})$

${\dot {Q}}=U*A_{ex}*\Delta {T?}$

最初の二つはよく定義されていますが、量 $(T_{B2}-T_{B1})$ と $(T_{A2}-T_{A1})$ は熱交換器の過程で変わりません。残念ながら、三番目の表現の値は、熱交換器内のどこで評価するかに依存します。なぜなら、そこにおける温度変化は 流体AとBの間の温度差 だからです。現在の目標は、持っている温度情報を使用して、全体の熱量を計算する方法、またはより有用なことに、流れた全熱量を使って熱交換器の面積を計算する方法を示すことです。