熱交換器専門コーナー：【毎週のテーマ】熱交換器はどのようにして熱を伝えるのか？（2011.6.27-7.3）

この投稿は、2011年6月27日12時19分にray1513によって最終的に編集されました。熱交換器とは、熱伝導の原理を利用して、高温の流体の持つ熱の一部を低温の流体に移すための専用装置で、別名エンジニアリングコイルとも呼ばれます。熱交換器は、伝熱方式の違いによって、混合式熱交換器、蓄熱式熱交換器、間壁式熱交換器の3種類に分類される。 混合式熱交換器は接触式熱交換器とも呼ばれ、その動作原理は、冷たい流体と熱い流体が直接接触し混合することによって熱を交換する熱交換器です。2つの流体を混合して熱交換させた後、すぐに分離することで熱の交換が実現される。この種の熱交換器は、気体と液体という2つの流体間の熱交換に適しています。 蓄熱式熱交換器の動作原理は、蓄熱室内にある蓄熱体の表面を通じて行われ、冷たい流体と熱い流体が交互にその表面を流れることで、熱エネルギーの交換が実現されます。コークス炉の下で空気を予熱する蓄熱室など、さまざまな業界で利用されている。この種の熱交換器は、高温廃ガスの熱を回収し活用するために主に使用されます。冷量を回収することを目的とした同種の装置は蓄冷器と呼ばれ、主に空気分離装置で使用される。 間壁式熱交換器とは、冷媒と熱媒が固体の間壁によって分離され、その間壁を通じて熱交換が行われる熱交換器であり、そのため表面式熱交換器とも呼ばれます。この種の熱交換器は最も広く利用されています。 熱交換器内の流体の相対的な流れ方には、通常、順流と逆流の2種類がある。順流の場合、入口部で2つの流体の温度差が最も大きく、伝熱面に沿って徐々に小さくなり、出口部では温度差が最も小さくなる。逆流時、伝熱面に沿った二つの流体の温度差分布は比較的均一である。冷たい流体と熱い流体の入口・出口温度が一定の条件下で、両方の流体に相変化がない場合、逆流時の平均温度差が最も大きく、順流時が最も小さい。 同じ熱伝達量を達成する条件で、逆流を用いることで平均温度差を大きくし、熱交換器の熱伝達面積を小さくできる；伝熱面積が変わらない場合、逆流を用いることで加熱または冷却用流体の消費量を削減できる。前者は装置費を節約でき、後者は運転費を節約できるため、設計や製造時にはできるだけ逆流熱交換を採用すべきである。 冷たい流体と熱い流体の両方、またはそのいずれかに相変化（沸騰または凝縮）が起こると、相変化時には蒸発潜熱のみが放出されたり吸収されたりするため、流体自体の温度は変わらない。その結果、流体の入口温度と出口温度は等しくなり、このときの二つの流体の温度差は流体の流れの方向には依存しなくなる。順流と逆流という2つの流れ方に加えて、乱流や折り返し流などの流れ方もある。 間壁式熱交換器の熱抵抗を低減し、エネルギー消費を節約することで伝熱係数を向上させることは、重要な課題である。一般的に、金属壁の熱抵抗は比較的小さい。

返信 1# w9970165 最も一般的な間壁式熱交換器では、主に伝導と対流という2つの熱伝達方式が用いられます。熱流体はまず対流による加熱によって熱を管壁の一方に伝え、次に伝導によってその熱を管壁の一方からもう一方へと移動させ、最後に管壁のもう一方が再び対流による加熱によって熱を冷流体に伝えることで、熱交換器における熱伝達プロセスが完了する。

混合式熱交換器は、冷たい流体と熱い流体が直接接触することによって熱伝達が行われるもので、この熱伝達方式では熱伝達のための間隔壁やその両側にある汚れによる熱抵抗が避けられる。流体同士の接触状態が良好であれば、高い熱伝達速度が得られる。したがって、流体同士の混合が許容される場合は、すべて混合型熱交換器を使用することができる。例えば、ガスの洗浄および冷却、循環水の冷却、蒸気と水の混合加熱、蒸気の凝縮などである。 用途によって、混合式熱交換器は以下のような異なるタイプに分けられる：(1)冷却塔（または冷水塔）　この装置では、自然換気または機械換気によって、製造過程で温度が上昇した水を冷却し、再利用することでシステムの経済的効率を高める。例えば、火力発電所や原子力発電所の循環水、合成アンモニア製造における冷却水などは、水冷塔で冷却した後に再利用される。この方法は実際の工事で広く用いられている。 (2)ガス洗浄塔（または洗浄塔）　産業界では、この装置を用いてガスを洗浄する目的は多岐にわたり、例えば液体を使ってガス混合物中の特定の成分を吸収したり、ガス中のほこりを除去したり、ガスの加湿や乾燥を行ったりするなどがある。しかし、その最も広範な用途はガスの冷却であり、冷却に用いられる液体は水が多い。空調工事で広く使用されているスプレー室は、それの特殊な形態と見なすことができる。スプレー室は、ガス洗浄塔のように空気を冷却するだけでなく、加熱処理も行うことができる。しかし、水質に高い要求があったり、占有面積が大きかったり、水ポンプの消費エネルギーが多かったりという欠点もあります。そのため、現在では一般的な建物ではスプレールームはあまり使われておらず、加湿装置としてのみ利用されています。しかし、湿度調節を主な目的とする繊維工場やタバコ工場などでは、依然として大量に使用されています！ (3)ジェット式熱交換器　この装置では、圧力の高い流体をノズルから噴出させて非常に高い速度を得させ、低圧の流体を混合室に導入してジェット流と直接接触させて熱交換を行い、共に拡散管に入ります。拡散管の出口で同じ圧力および温度になった後、ユーザーに供給されます。 (4)混合式凝縮器　この装置は、一般的に水と蒸気を直接接触させる方法で蒸気を凝縮させるものです。 :)

この投稿は最後にprt0683によって2011年6月27日15時32分に編集されました。温度差は熱伝達の原動力であり、熱伝達は対流、伝導、放射の3つに分けられます

太陽熱集熱器はどうかわからないですね。太陽放射を吸収して熱エネルギーに変換し、熱媒体に伝える装置です。一般的なものには、平板型、真空管型、集光型の太陽熱集熱器がある

最も一般的な間壁式熱交換器は、主に伝導と対流という2つの熱伝達方式を用いる。熱流体はまず対流による加熱によって熱を管壁の一方に伝え、次に伝導によってその熱を管壁の一方からもう一方へと移動させ、最後に管壁のもう一方が再び対流による加熱によって熱を冷流体に伝えることで、熱交換器における熱伝達プロセスが完了する。

返信 1# w9970165 一、伝熱係数の向上 熱交換器の伝熱係数を向上させるには、板の冷温両側の表面伝熱係数を同時に高め、汚れ層による熱抵抗を低減し、熱伝導率の高い板を使用し、板の厚みを薄くすることで、初めて熱交換器の伝熱係数を効果的に向上させることができる。 a．板の表面熱伝達係数の向上　板式熱交換器のリブにより、低い流速でも流体が乱流を発生させることができる（レイノルズ数150の時）、そのため高い表面熱伝達係数が得られる。表面熱伝達係数は、板のリブの幾何学的構造および媒体の流動状態に依存する。板片の波形には、人字型、直線型、球形などがある。長年にわたる研究と実験を通じて、波形断面の形状が三角形である場合（正弦波状の表面では伝熱係数が最も高く、圧力損失は小さく、圧縮された際の応力分布も均一である）、加工が困難な人字型の板材はより高い表面伝熱係数を持つことがわかった。また、波形の角度が大きくなるほど、板間の流路内での流体の流速が上昇し、表面伝熱係数も高くなる。 b．汚れ層の熱抵抗を低減する　熱交換器の汚れ層の熱抵抗を低減する鍵は、板枚間のスケール発生を防ぐことである。板片のスケール厚さが1 mmの場合、熱伝達係数は約10％低下する。したがって、熱交換器の冷温両側の水質を監視し、板にスケールが付着するのを防ぎ、また水中の異物が板に付着するのを防ぐ必要がある。一部の給熱施設では、水の盗難や金属部品の腐食を防ぐために、給熱媒体に薬剤を添加している。そのため、水質や粘性のある薬剤が原因で異物が熱交換器のフィンに付着することに注意する必要がある。水中に粘着性の異物がある場合は、専用のフィルターを使用して処理する必要があります。薬剤を選ぶ際は、粘着性のないものを選ぶべきです。 c．熱伝導率の高い板材を選択する。板材の材質としては、オーステナイト系ステンレス鋼、チタン合金、銅合金などが挙げられる。ステンレス鋼は熱伝導性に優れ、熱伝導率は約14.4 W/(m·K)であり、強度が高く、プレス加工性も良い。酸化しにくく、チタン合金や銅合金よりも価格が安いため、給熱工事で最も多く使用される。しかし、塩化物イオンによる腐食に対する耐性は低い。 d．プレートの厚さの削減 プレートの設計厚さは耐食性とは関係なく、熱交換器の耐圧能力に関連している。板厚を増すことで、熱交換器の耐圧能力が向上する。人字型の板を組み合わせる場合、隣接する板同士が逆向きに重なり、波形部分が互いに接触することで、密度が高く均一に分布した支持点が形成される。また、板の角部の穴やエッジのシール構造も徐々に改良されており、その結果、熱交換器は優れた耐圧性を持つようになっている。国産の取り外し可能な板式熱交換器の最大耐圧力は、2.5 MPaに達している。板の厚さは伝熱係数に大きな影響を与え、厚さが0.1mm減少すると、対称型板式熱交換器の総伝熱係数は約600W/(m·K)増加し、非対称型では約500W/(m·K)増加する。熱交換器の耐圧性能を満たす前提のもと、できるだけ薄い板厚を選択すべきである。 二、高対数平均温度差　板式熱交換器の流れの形態には、逆流、順流、および混合流がある。同じ運転条件のもとで、逆流時に対数平均温度差が最も大きく、順流時に最も小さく、混合流型はその中間の値となる。熱交換器の対数平均温度差を向上させる方法は、可能な限り逆流または逆流に近い混合流型を採用し、熱側流体の温度をできるだけ高くし、冷側流体の温度を下げることである。 三、 流入・流出配管の位置の決定 単一流路構成のプレート式熱交換器において、点検を容易にするため、流体の流入・流出配管は可能な限り熱交換器の固定端板側に配置すべきである。媒体の温度差が大きいほど、流体の自然対流は強くなり、形成される滞留帯の影響も顕著になる。したがって、滞留帯の影響を軽減し、熱交換器の伝熱効率を向上させるために、媒体の入口と出口は、高温流体は上から入り下から出て、低温流体は下から入り上から出るように配置すべきである。

返信 6# penryn

この投稿は最後に、2011年6月28日 04:22にstring_0によって編集されました。熱交換器内での熱の伝達は、主に以下のいくつかの過程を経て行われます。 1．熱は高温媒体の中心部からその周辺の層へと対流によって伝わる（熱伝導の形態で、その速度は主に媒体の乱流状態によって決まる）。
2．熱は高温媒体の層から管壁へと伝わる（主に伝導係数によって決まり、その影響因子は多く、主にスケールや高温媒体の特性などがある）。
3．熱は管壁の外側から内側へと伝わる（熱伝導の形態で、主に金属の特性によって決まる）。
4．熱は管壁の内側から低温媒体の層へと伝わる（主に伝導係数によって決まり、その影響因子は多く、主にスケールや高温媒体の特性などがある）。
5．熱は低温媒体の層からその乱流層へと伝わる（主に乱流の状況と低温媒体の特性によって決まる）

熱伝達の方式は、伝導、対流、放射の3つに過ぎず、熱交換器ではこれらがすべて利用されているはずです。

来て学ぶ* 理解とは熱交換のこと

返信 1# w9970165 投稿者さん、この質問は多くの人が知っていると思うんですが、答えにくいものですね。 私の個人的な理解では、熱交換器における熱伝達は間違いなくフーリエの法則に従う。すなわち、熱伝導現象において、単位時間あたりに指定された断面を通過する熱量は、その界面に垂直な方向の温度変化率と断面積に比例し、熱伝達の方向は温度が上昇する方向とは逆である。

返信 1# w9970165 化学工業の生産において、冷たい流体と熱い流体間の熱交換には、通常、間壁式熱交換器が用いられます。間壁式熱交換において、まず熱い流体が対流熱伝達によって固体壁面に熱を伝え、次に高温側の固体壁面が伝導によってその熱を低温側の壁面に伝え、最後に低温側の固体壁面が対流熱伝達によって熱を冷たい流体に伝える。つまり、隔壁の両側にある流体の熱伝達方式は、対流－伝導－対流の熱伝達過程である。

答えを見に来て、この質問はあまりにも広範囲すぎる。 直接混合式は、熱交換器と呼べるかどうかはわからないが、間違いなく3つの伝熱方式がある。いわゆる熱効率も最も高い。間壁式には、通常の管殻型、板式、スパイラルプレート型、フローティングヘッド型、コイル型管殻、ソルダリング接合型、板殻型、U字管型、スリーブ型、降膜型など、さまざまなタイプがある。要するに、間壁を通る2つの流体の流れ方や流路の長さを変えることで、より合理的で経済的な伝熱係数を実現し、工程の要求を満たすのだ。 みんな、怒らないでください。昨夜は飲み過ぎて、まだ頭がはっきりしません。。。。。

温度差があれば、必ず熱伝達が起こる。。。前述の通り、各種装置の具体的な熱伝達メカニズム

伝熱の方法には3つあることがわかっています：1、対流； 2、熱伝導； 3、熱放射。 混合式熱交換器は対流； 蓄熱式熱交換器のは熱伝導； 間壁式熱交換器は、高温ガス以外では対流と熱伝導の組み合わせによって作用する；冷たい流体と熱い流体の場合、主な熱伝達は対流伝熱である；冷たい流体と温かい流体の境界層、汚れ部分、および間壁では熱伝導が起こる。 数百度の高温においてのみ、三原子ガスの熱放射が一定の割合を占める。

温度差があってこそ、熱が生まれるのです :)

最も一般的なのは、熱い流体と冷たい流体が接触して熱交換が起こることです。

学*！！！見に来てみよう！！！