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この投稿は、2020年3月19日20時17分にliaifengによって最終的に編集されました。熱交換器とは、異なる温度を持つ2つの物質間で熱交換を行い、加熱または冷却を実現するためのものです。90％以上の熱交換装置には、多かれ少なかれスケールの問題が存在し、それによって一連の悪影響が生じます。スケールの発生により伝熱抵抗が増大し、スケール層が厚くなるにつれて有効な熱交換面積が減少し、結果として熱交換性能が低下します。また、スケール層の存在により熱交換面の流路断面積が小さくなり、物質の流動抵抗が増大するため、動力装置の消費電力も増えます。熱交換面に過剰なスケールが蓄積すると、その部分の温度が過度に上昇し、熱交換面の機械的性質が低下します。スケールが深刻な場合には、熱交換面が局部腐食したり穴が開いたりすることもあり、これによって熱交換装置の使用寿命や安全な運転が大きく損なわれます。そのため、生産効率と安全性を確保するために、人々は定期的に熱交換装置を清掃しなければならず、清掃のサイクルも年々短くなっている。これが間接的に熱交換器の運用コストの増加を招いている。そこで、異なる種類の熱交換器や汚れの種類に応じて適切な清掃方法を選択し、清掃効果と経済性を両立させることが特に重要となる。筆者は、一般的な熱交換器の汚れの種類と洗浄方法をまとめ、基本的な選定基準を示した。 1 汚れの種類と特性の分析 汚れの種類やその生成特性を理解することは、清掃作業を行うための必要な準備です。適切な洗浄案を迅速に見つけ出し、迅速かつ効率的な洗浄を実現することで、人的・物的資源の無駄を削減し、製造・メンテナンスコストを節約できます。 1. 1 汚れの種類は異なり、熱交換器の構造や使用される流体媒体によって生じる汚れも異なる。エプスタインNが提案した、汚れの付着を引き起こす主要な物理的・化学的プロセスに基づく分類法によれば、汚れは結晶性汚れ、粒子状汚れ、化学反応による汚れ、腐食による汚れ、微生物による粘着性汚れ、凝固性汚れ、その他の汚れなどの種類に分けられる。時間の経過とともに汚れが増加する特性に基づいて分類する人もおり、例えば線形増加型、減少率型、漸近線型などがある。筆者は主に熱交換器の洗浄部分について研究しているため、6種類の汚れについてのみ特性分析を行う。 1. 2 汚れの特性 1. 2.1 结晶性汚れ 結晶性汚れとは、製造過程において流動する媒体に含まれるある種の溶解性無機塩が過飽和状態となり、熱交換面に結晶として析出する沈着物のことである。よく見られる結晶性の汚れには、スケールとサビがあります。一般的な無機塩の溶解度は温度が上昇するにつれて増加し、この種の無機塩は冷却面で結晶化することが多い。一方、別の種類の無機塩（異常溶解度を持つ微溶性および難溶性の無機塩）の溶解度は温度が上昇するにつれて低下し、この種の無機塩は加熱面で結晶が析出することが多い。結晶性の汚れは一般的に硬さが高く、粘度は低い。 1. 2. 2 粒状汚れ 粒状汚れが発生する主な原因は、熱交換器内に浮遊している固体粒子同士が互いに堆積することである。比較的大きな固体粒子は重力によって水平な熱交換面に沈着・堆積し、他のメカニズムによって形成されたコロイド粒子は水平な熱交換面および非水平な熱交換面に堆積する。 1. 2. 3 化学反応による汚れ 化学反応による汚れとは、熱交換器内で媒体が化学反応を起こすことによって生成される沈着物であり、熱交換面の材料はこの反応には関与しない。有機物の裂解および重合反応によって生成される堆積物が、典型的な化学反応による汚れです。この種の汚れは一般的に粘度が高く、化学的な洗浄法を用いると良好な効果が得られます。 1. 2. 4 腐食スケール 腐食スケールの発生は、熱交換媒体と熱交換面が反応する結果である。熱交換面が熱交換媒体によって腐食され、粗さが増すことで、他の潜在的な汚れが熱交換面に付着しやすくなる。熱交換面の腐食度は、媒体の成分、媒体の酸性・アルカリ性、および熱交換器内の流体の温度によって決まります。 1. 2. 5 微生物によるスラッジ汚れ 熱交換器には、微生物やそれらの成長に必要な栄養分が含まれていることが多い。これらの微生物が成長・増殖し、排出する物質が熱交換器の管壁に有機物の膜を形成する。この膜状の堆積層が微生物によるスラッジ汚れと呼ばれる。微生物の成長は温度と密接な関係があるため、温度を制御することでこの種の汚れの発生を効果的に抑制できます。 1. 2. 6 凝固スケール 凝固スケールとは、多成分流体が相対的に過冷却された熱交換環境下で相変化を起こし、それによって熱交換面に付着して形成されるスケールのことです。ここでの相対的過冷却とは、流体中の成分に対して、異なる成分が凝固する温度点がそれぞれ異なることを指し、そのため熱交換器内の温度場の分布は凝固スケールが発生する主要な要因となる。上記の汚れの種類や発生時の物理的・化学的プロセスは異なるものの、これらの汚れが発生する要因は重なり合うことがあり、そのため熱交換器内でのスケール形成は多くのプロセスが同時に作用する結果となる。これらのプロセスが混在し合うことで、熱交換器の伝熱面に形成されるスケールは、多種多様なスケールの混合物となる。