熱交換器

熱交換器（ねつこうかんき）は、保有する熱エネルギーの異なる2つの流体間で熱エネルギーを交換するために使用する機器。温度の高い物体から低い物体へ効率的に熱を移動させることで物体の加熱や冷却を行う目的で用いられる。
用途による分類.
産業用.
ボイラー.
ボイラーは、蒸気を発生させるための加熱用途に用いられる熱交換器の代表である。「蒸気発生装置」などとも呼ばれる。
製造業等.
食品製造や化学薬品製造、冷蔵保管といった産業用として、冷却工程／加熱工程／冷蔵のために使用される。
空気調和用.
空気調和用の熱交換器を示す。
換気用.
換気による熱負荷を少なくするために排気-給気の熱交換が行われる。熱交換エレメントを汚損から守るため、エアフィルタで前処理された空気を通過させることがある。
船舶・車両用.
船舶や車両用の熱交換器は、小型軽量で振動・衝撃に強く、姿勢や重力加速度の変化による効率の変化や不具合の発生が無いことが求められる。
自動車の熱交換器は、
がある。
媒体の性状と構造による分類.
熱交換器の分類には、大きく使用する媒体が液体、気体または熱交換器内で蒸発、凝縮を行うかによる分類と、構造による分類（主として管型、板型、特殊型）がある。
管理.
熱交換面の粉塵やスケール・スライムなどは、熱交換効率の低下・媒体の通過量の低下・差圧の上昇を招く。そのため、各種フィルタ・ストレーナでの流体の前処理や、薬品注入が行われる。伝熱面の温度管理を適切に行わないと腐食や汚損が激しくなる。
また、定期的な清掃が必要である。粉塵の場合は、水蒸気や圧縮空気での吹き飛ばし（ボイラーの場合はスートブロワという）、高圧水噴射などが行われる。スケール・スライムの場合はスポンジボール・ブラシなどによる物理的洗浄のほか、薬品洗浄などが行われる。
設計.
熱交換器の設計においては以下のことが求められる。
理論.
伝熱量.
平板、円管等の固体伝熱面を介して２流体間で熱交換が行なわれる場合、局所伝熱面 の伝熱量は
で表される。ただしは熱通過率、は両流体の局所の温度差、、は各流体側の熱伝達率(境膜伝熱係数)、とは固体隔壁の厚さと熱伝導率である。また、運転を継続すると両伝熱面に汚れ付着があり次第に伝熱量が低下するため、設計の際には別途この伝熱抵抗も考慮する。
熱交換器各部において、熱通過率が一定でかつ各流体の比熱も一定であるとして、上式を全伝熱面にわたって積分することにより、全伝熱量 は下式で与えられる。
ここに、
である。また は両流体の温度差を用いて
で定義される対数平均温度差である。
熱伝達率(境膜伝熱係数).
熱伝達率(境膜伝熱係数)の計算式には様々なものが提案されており、一例をあげる。以下の式は無次元化を行い、次のパラメータにより記述する。
ここで、
である。
温度効率と熱移動単位数.
前述の対数平均温度差を用いて伝熱量を表す表式は、流体の出入口温度が既知であり伝熱面積 を設計する場合に有用である。しかし、伝熱面積が既知で流体の出口温度を求める場合には反復計算を必要とし実用上不便である。このようなときには次の温度効率εと熱移動単位数NTUを用いて計算が行われる。
温度効率εは、出口での流体温度を無次元化するために、熱交換器内で生じる最大温度差に対する流体の出入口温度差の比をとったものであり、
で定義される。ここで は流体温度であり、添字のh, cはそれぞれ高温流体、低温流体を、1,2は各流体の入口側、出口側を表す。
また、熱移動単位数NTUは熱コンダクタンスと熱容量流量の比であり、高温流体、低温流体それぞれについて
で定義される。熱移動単位数NTUと温度効率εには
等の熱交換器の形式に依存する関係があり、ここから出口温度を
で求めることができる。ここで、 は2流体の熱容量流量の比で定義され、流体の出入口温度差で表されることもある：
圧力損失.
熱交換器の伝熱効果は流体の速度が大きいほど増加するが、このとき圧力損失も同時に大きくなる。これはポンプ等の動力増加につながるため好ましくなく、通常は圧力損失がある値以内に収まるように設計される。