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熱交換器とは?その役割や特徴のまとめ

熱交換器とは?その役割や特徴のまとめ
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熱交換器とは、温かい流体から冷たい流体へ熱を移動させる(熱交換させる)機器です。流体には水や周囲の空気などが使用されます。

今回は、熱交換器の役割、熱交換器の種類と特徴、交換熱量を上げるポイントなどについて解説します。

1. 熱交換器の役割

冒頭でもお伝えした通り、熱交換器とは、温かい流体から冷たい流体へ熱を移動させる(熱交換させる)機器であり、水や周囲の空気などが流体として使用されます。

冷却を目的とするチラーに設置される場合は、熱交換器内で冷たいチラー水が対象の液体の熱を奪う仕組みになっています。



熱交換器は、対象流体や冷却媒体、構造などによって多くの種類があり、設置環境や大きさ、メンテナンス性などをよく検討して選ぶことが重要です。

2.【種類別】主な交換器のメリット・デメリット

ここでは、よく使用される代表的な熱交換器の種類と特徴を解説します。

①.空冷式熱交換器



空冷式熱交換器の構造は主に管束(フィン&チューブ等)とファンで構成されており、冷却対象の液体を管束内に流し、ファンで管束へ送風し、液体と空気の温度差によって液体を冷却(放熱)します。

周囲の空気と電源以外のインフラが不要で設置場所が比較的自由なため、屋外設置して利用されることもあります。

空冷熱交換器のメリット
・設置場所の制限が少ない
・ランニングコストやメンテナンスコストが低く、環境性に優れている

空冷熱交換器のデメリット
・周囲空気と液体の温度差が小さいと冷却効率が下がり、周囲空気の温度以下へは冷却することができない
・機器自体のサイズが大きい

②.ファンコイルユニット



冷却水を循環させたコイルに向けて送風し、冷風を作り出します。コイルの循環水を温水に切り替えて温風を作ることも可能です。

ファンコイルユニットのメリット
・天吊り型、床置き型など設置場所が比較的自由

ファンコイルユニットのデメリット
・冷却水を送る設備が必要

③.ブレージングプレート熱交換器



重ねた伝熱プレートの間を、高温と低温の液体が交互に流れて熱交換する構造になっています。プレート間の隙間を高温液体と低温液体が交互に流れる構造となっており、効率よく熱交換することが可能で、わずかな温度差を最大限に活用できます。

ブレージング部には主に銅が使用されますが、医薬品や半導体業界などクリーン仕様が求められる現場では、ステンレスやニッケルのブレージングを使用した熱交換器を使用します。

ブレージングプレート熱交換器のメリット
・耐圧性能が高い
・熱交換効率が良い
・一般的な熱交換器の中で最小サイズ
・低コスト

ブレージングプレート熱交換器のデメリット
・分解できず、メンテナンスが難しい
・流路につまりが発生することがある

④.ガスケットプレート熱交換器



積層した伝熱プレート間に2つの液体を流して熱交換をする、という基本構造はブレージングプレートと同様ですが、こちらはプレート間をゴム製のガスケットで仕切り、全体を分解できることが大きな特徴です。

両面を固定プレートで挟み、ボルトで押さえる形になっており、ガスケットやプレートの交換やプレート追加による冷却能力の増強を図ることが可能です。

ガスケットプレート熱交換器のメリット
・分解できるため、メンテンナンスが容易
・プレート枚数の追加により能力増強が可能
・熱交換効率が高い
・比較的小型

ガスケットプレート熱交換器のデメリット
・ブレージングタイプより大きくなる
・設置場所にメンテナンススペースが必要

⑤.シェル&チューブ熱交換器



胴体部(シェル)に伝熱管(チューブ)を収めた構造になっており、それぞれに液体を通して熱交換を行います。

圧力損失を小さく設計できる構造であり、高粘度の流体にも対応が可能なため、油圧関連機器や化学プラントなどでも利用されています。

シェル&チューブ熱交換器のメリット
・低温・高温、低圧・高圧、加熱・冷却、蒸発・凝縮、すべてに幅広く対応できる
・分解可能な機種もある
・メンテナンスが比較的容易

シェル&チューブ熱交換器のデメリット
・プレート式と比べてサイズが大きい

⑥.投げ込み式(浸漬型)熱交換器



冷却対象の液体のタンクなどに直接、管状の熱交換器を沈めて熱交換します。冷却対象の液体の循環経路などが不要であり、導入が容易です。

投げ込み式熱交換器のメリット
・導入が容易
・低コスト
・タンクサイズに合わせて設計可能

投げ込み式熱交換器のデメリット
・伝導効率が悪いため、攪拌機が必要
・交換熱量の予測が難しい
・結露が発生し、冷却対象の液体へ混入する恐れがある

⑦.ジャケットタンク



内槽を外槽(ジャケット部)が包む二重構造になっており、外槽(ジャケット部)に温度調整した水を循環させて、内槽の冷却・加温・保温を行います。

ステンレス製が多く清掃が容易なため、食品や医薬品の製造工程でも使用されています。

ジャケットタンクのメリット
・メンテナンスが容易

ジャケットタンクのデメリット
・伝導効率が悪いため、必要に応じて攪拌機が必要
・交換熱量の予測が難しい



3.熱交換器の特徴一覧

ご紹介した代表的な熱交換器の特徴を一覧にまとめました。使用目的や設置環境に適したものを選びましょう。

4.熱交換器の交換熱量を上げるポイント

熱交換器の能力は下記式にあるように「伝熱面積」「総括伝熱係数」「対数平均温度差」の3つに大きく影響を受けます。

交換熱量が大きいほど、熱交換器の能力は高いといえます。

【交換熱量の式】
Q=A×U×ΔT
Q:交換熱量(kW),A:伝熱面積(m²),U:総括伝熱係数(kW/m²/K),ΔT:対数平均温度差(K)

交換熱量を上げるためのポイントをご紹介します。

ポイント①.伝熱面積を大きくする

伝熱面積とは、冷却水を通す管束など熱を伝える部材の表面積のことです。伝熱面積が大きいほど交換熱量も上がるため、熱交換器の管束本数やプレート枚数を増やすと効果的です。

ただし、交換熱量に比例して熱交換器のサイズが大きくなるため、設置場所などにより制限が生まれます。

ポイント②.総括伝熱係数(伝熱効率)を上げる

総括伝熱係数(伝熱効率)とは、機器全体の熱の伝わりやすさです。熱交換器の素材や状態によっても熱の伝わり方は左右されますので、以下の点を押さえて伝熱効率を上げましょう。

・熱伝導率が高い材質の熱交換器を使用する
・熱交換器の壁面を薄くする
・伝熱面の汚れを取り除く
・伝熱面に凹凸を作る
・流量を大きくする

ポイント③.対数平均温度差を上げる

対数平均温度差とは、熱交換器内の高温流体と低温流体の温度差の対数平均をとったものです。熱交換をする2つの流体の温度差が大きいほど交換熱量も大きくなりますので、冷却する場合は冷却媒体の温度が低いほど、交換熱量は大きくなります。

また、低温流体と高温流体を反対向きに流す「向流」にすると熱交換量がアップします。

5.まとめ

熱交換器は、低温と高温の2種類の流体の温度差を利用して熱交換をする機器です。

チラーの周辺以外にも空調や冷蔵庫など様々なものに熱交換器が利用されており、熱交換する対象や冷却媒体、構造などによって多くの種類があります。設置環境やメンテナンス性などをよく検討して選ぶことが大切です。

また、熱交換器の能力を最大限に利用するために、交換熱量を上げるポイントも把握しておきましょう。

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