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。
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。
熱交換器の設計においては以下のことが求められる。
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。
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。
伝熱余裕(熱通過率)
流体の流動制限(流速、圧力損失)
流れの方位(対向/並行/直交/上向き/下向き/横向き)
据付(横置き/縦置き)
問題回避確認(偏流起因性能低下、気液二相流の不安定運転、局所の異常流速による摩耗や汚れ付着の加速)
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。
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dF の伝熱量dQは
\begin{align}dQ &= K \Delta t dF\\
\frac{1}{K} &= \frac{1}{h_h} + \frac{\delta}{k_w} + \frac{1}{h_c}, \qquad \mathrm{etc.}\end{align}
で表される。ただしKは熱通過率、Δ tは両流体の局所の温度差、hh、hcは各流体側の熱伝達率(境膜伝熱係数)、δとk_w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Q は下式で与えられる。
\begin{align}Q&=KF\frac{\Delta t_1-\Delta t_2}{\ln(\Delta t_1/\Delta t_2)}\\
&=KF\Delta t_\mathrm{m} \end{align}
ここに、
K : 熱通過率
F : 伝熱面積
Δt1 : 高温流体入口における両流体の温度差
Δt2 : 高温流体出口における両流体の温度差
である。またΔtm は両流体の温度差を用いて
\Delta t_\mathrm{m}:=\frac{\Delta t_1-\Delta t_2}{\ln(\Delta t_1/\Delta t_2)}
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)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。
Nu:=\frac{hD}{k} :ヌセルト数
Re:=\frac{DG}{\mu} :レイノルズ数
Pr:=\frac{c\mu}{k} :プラントル数
\frac{D}{L} :管径・管長比
\phi:=\frac{\mu}{\mu_\mathrm{w} :粘度勾配関数
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
μw :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)
Nu=1.86 \left\{Re\cdot Pr\cdot \frac{D}{L}\right\}^\frac{1}{3}\cdot \phi^{0.14}
Nu=0.027 Re^{0.8}\cdot Pr^\frac{1}{3}\cdot \phi^{0.14}
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F 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、
\varepsilon_\mathrm{h}:=\frac{t_{\mathrm h1}-t_{\mathrm h2}{t_{\mathrm h1}-t_{\mathrm c1},\quad
\varepsilon_\mathrm{c}:=\frac{t_{\mathrm c2}-t_{\mathrm c1}{t_{\mathrm h1}-t_{\mathrm c1}
で定義される。ここでt 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
NTU_\mathrm{h}:=\frac{KF}{c_\mathrm{h}G_\mathrm{h},\quad
NTU_\mathrm{c}:=\frac{KF}{c_\mathrm{c}G_\mathrm{c}
で定義される。熱移動単位数NTUと温度効率εには
(対向流式)   \varepsilon_\mathrm{c}=\frac{1-\exp[-(1-R)NTU_\mathrm{c}]}{1-R\exp[-(1-R)NTU_\mathrm{c}]}
(並流式)    \varepsilon_\mathrm{c}=\frac{1-\exp[-(1+R)NTU_\mathrm{c}]}{1+R}
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
t_{\mathrm c2}=t_{\mathrm c1}+\varepsilon_\mathrm{c}(t_{\mathrm h1}-t_{\mathrm c1}),\quad
t_{\mathrm h2}=t_{\mathrm h1}-R\varepsilon_\mathrm{c}(t_{\mathrm h1}-t_{\mathrm c1})
で求めることができる。ここで、R 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:
R:=\frac{c_\mathrm{c}G_\mathrm{c}{c_\mathrm{h}G_\mathrm{h}=\frac{t_{\mathrm h1}-t_{\mathrm h2}{t_{\mathrm c2}-t_{\mathrm c1}.
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。