熱交換器の伝熱強化方法

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熱交換器は、工業生産分野で非常に広く利用されている熱交換装置です。関連する統計によると、化学工場における熱交換装置のコストは、装置全体のコストの約10％～20％を占めている。石油精製所では、熱交換装置が全工程装置の約35％～40％を占めている。また、発電、原子力、冶金、食品、交通、家電などの他の産業分野でも広く利用されている。したがって、伝熱面積をどのように節約するか、熱交換器の伝熱強化技術を研究することは非常に重要である。熱交換器における伝熱の強化とは、伝熱に影響を与えるさまざまな要因を分析・計算し、何らかの技術的措置を講じることで、熱交換装置の伝熱量を向上させるか、あるいは既存の伝熱量を維持したままその体積を縮小させることを指す。熱交換器の伝熱強化に一般的に用いられる手法には、3つのカテゴリーがある：伝熱面積の拡大（F）；伝熱温度差（Δt）を大きくする；伝熱係数（K）を向上させる。 1. 伝熱面積の拡大：F 伝熱面積の拡大は、伝熱効果を高めるために最も多く用いられ、最もシンプルな方法である。伝熱器の伝熱面積を拡大する過程において、単純に装置のサイズを大きくして伝熱面積を増やしたり、装置の台数を増やして伝熱量を高めたりする方法では、装置への投資が増えるだけでなく、占有面積も広くなります。また、伝熱効果の向上もそれほど顕著ではないため、この方法は既に廃止されています。現在、最も多く用いられているのは、装置の単位体積あたりの伝熱面積を合理的に増大させることで伝熱効果を高める方法です。例えば、熱交換器においては、単位体積あたりの伝熱面積が大きいフィン付きチューブや波形チューブ、プレートフィン型伝熱面などの材料が大量に使用されます。これらの材料を用いることで、1台の装置の単位体積あたりの伝熱面積が大幅に向上し、熱交換装置の高効率かつコンパクト化が図られます。 2. 伝熱温度差の増大：Δt 伝熱温度差は、熱交換器の熱交換効果を高めるためによく用いられる手法の一つです。熱交換器の使用過程において、放射暖房用の板管内の蒸気圧を上げたり、温水暖房用の温水温度を高めたり、凝縮器の冷却水に水道水の代わりに温度の低い深井水を使用したり、空気冷却器内の冷却水温度を下げたりすることで、熱交換器の伝熱温度差（Δt）を直接的に増加させることができる。しかし、熱交換器の伝熱温度差（Δt）を大きくするには一定の限界があり、それを熱交換器の伝熱効果を高めるための最も主要な手段としては考えられない。熱交換器の伝熱温度差（Δt）を大きくすることによって、熱交換器の性能を向上させることは限界がある；同時に、熱伝達の温度差が大きくなると、熱力システム全体の不可逆性が高まり、熱力システムの利用可能性が低下する。 3. 伝熱係数の向上：K値、すなわち熱交換器の伝熱係数は、実際には伝熱過程における総熱抵抗の大きさによって決まります。熱交換器の伝熱過程での総熱抵抗が大きくなるほど、伝熱係数（K値）は低くなります；熱交換器の伝熱係数（K）値が低いほど、熱交換器の伝熱効果も悪くなる。熱交換器の使用過程において、その総熱抵抗は各々の部分熱抵抗の重ね合わせとなるため、伝熱係数を変えるには伝熱過程における各部分熱抵抗を分析する必要がある。熱交換器の伝熱過程における各分熱抵抗をどのように制御するかが、熱交換器の伝熱係数を決定する鍵となる。 上記の3つの方法による伝熱効果の向上策は、熱交換器において多かれ少なかれ採用されているが、伝熱面積の拡大や伝熱温度差の増大は、場所、設備、資金、効果といった制約を受けやすく、無限に強化することは不可能である。したがって、現在の熱交換器における伝熱強化の研究の主な方向性は、熱交換器の伝熱係数値を制御することによって、その伝熱強化効果を高める方法を見出すことである。現在、最も多く用いられている熱交換器の伝熱係数を向上させる技術とは、熱交換器の伝熱管に乱流促進剤を添加するものです。この乱流促進剤の効果により、熱交換過程における熱抵抗が低下し、結果として熱交換器の伝熱係数が向上するのです。