English熱交換器とは？分かりやすく仕組みを解説
熱交換器とは、その字の通りに熱を交換させる機器のことですが、「熱交換器の説明をしてみて」と言われて、迷わず明確に答えられる方は非常に少ないのが現実です。
ここでは熱交換器とは何か、その仕組みを分かりやすく解説します。
熱交換器って何？
熱交換器というのは、温かい流体から冷たい流体へと熱を移動させる機器のことで、製造業をはじめとする様々な工場で幅広く使用されています。
そう聞いても分かりにくいとう方がほとんどだと思いますが、実は熱交換器は家庭でも多く利用されているのです。
代表的なものはエアコンや冷蔵庫で、オイルヒーターも熱交換器を利用した私たちの身近にある電化製品です。
熱というのは高温から低温へ移る性質をもっていて、これを効率的に利用し熱を移動させる装置が「熱交換器」です。
ご存知の通り、エアコンも冷蔵庫も温度変化を起こす家電であり、それらの機器の心臓部に熱交換器という装置が設けられています。
熱交換器の仕組み
熱交換器にはいろいろな種類があって、もちろん工場で利用されている大型のものから、家電などに使用されている小型のものまで、大きさも構造も設置環境も様々です。
ただし、いずれも「温度が高い方の流体から低い方の流体へ熱が移動する」という特質を上手に利用し、意図的に熱の移動を引き起こしています。
家庭用のエアコンも冷蔵庫も、熱を移動させることにより冷やしたり温めたりする仕組みとなっています。
エアコンを例に挙げると、室外機と室内機を用いて、冷媒と呼ばれるガスを使用し、外の空気と冷媒の熱交換、冷媒と室内の空気の熱交換を行っています。
熱交換器は様々な用途で使われている
熱交換器の主な目的は、何かを温めたり冷やしたりすることですが、その他にも熱交換器は以下のような様々な用途で使用されています。
冷凍
不凍の冷媒を循環させることにより、0℃以下の空気を生み出して生鮮食品などを冷凍させます。
家庭用の冷蔵庫でもこの方法で食品を冷凍させていますが、業務用の冷凍倉庫では大規模な熱交換器をフル稼働して大量の冷凍食品を冷凍させています。
蒸発
液体を蒸気に変えるための熱交換器もあります。
スーパー銭湯などで私たちが利用しているスチームサウナも、この熱交換器を使用しています。
凝縮
蒸発の反対で、気体を液体に変えるために使用されている熱交換器もあります。
多くの方が家庭で使用している除湿器も、空気中の水分を冷却してタンクに水を貯める仕組みとなっています。
熱交換器の構造
温かい流体から冷たい流体へ熱を移動させる熱交換器には、熱交換する対象や使用目的によって数多くの種類があります。
その中でも多く利用されている熱交換器の構造は、主に「チューブ式」「プレート式」の2種類です。
チューブ式
熱交換器の多くは、チューブ状や板状の金属または樹脂などを介して、液体や気体を冷やしたり熱したりします。
チューブの菅の中と外に別の流体を通すことによって、温度差をつくる方式の熱交換器を、「チューブ式」と呼んでいます。
チューブ式の熱交換器の中でも、もっとも幅広く利用されているのが「シェル＆チューブ型熱熱交換器」。
これは多くの菅を使用しているのが特徴で、効率よく加熱や冷却ができるようになっています。
シェル＆チューブ型熱熱交換器には、「固定管板式」「遊動管板式」「U字管式」などの種類が用意されています。
また、チューブに金属などの「フィン」と呼ばれる羽を付属させると、熱効率性を高めることができます。
フィン付属された「フィンチューブ式熱交換器」は、自動車のラジエーターと呼ばれる冷却装置に使用されています。
プレート式
プレート式の熱交換器は、その名の通りに金属板を薄い波型に成形したプレートで構成されています。
成形したプレート菅に流路をつくって、高温と低温の流体を交互に流して熱の受け渡しをさせるタイプの熱交換器です。
プレート式では、液体同士の熱交換を主に行います。
熱交換器の交換熱量をアップさせる方法
熱交換器にはいろいろな種類があり、主な構造は「チューブ式」と「プレート式」の2種類とお伝えしました。
どちらも、以下の3つの方法で交換熱量をアップさせることができます。
※交換熱量が大きいほど、熱交換器の性能は高いと言えます。
伝熱面積を広くする
熱を伝える部材の表面積を大きくすれば、交換熱量もアップします。
チューブ式であれば管束本数を増やす、プレート式ならプレートの枚数を増やすことで交換熱量を高めることができます。
総括伝熱係数をアップさせる
総括伝熱係数とは、機器全体の熱の伝わりやすさを表しています。
素材や状態によって熱の伝わりやすさは変化しますので、より熱伝導率が高い素材を用いたり、表面を薄くしたり、伝熱面に凹凸をつけたりすると効果的です。
対数平均温度差を上げる
対数平均温度差というのは、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と交換熱量はアップします。
一方、冷却する際には、冷却媒体の温度が低いほど交換熱量が高くなります。
