熱交換器選定
ガイド

熱交換器は最も広く使用されるプロセス機器の一つです。圧縮機冷却から製品加熱、蒸気凝縮から廃熱回収まで、ほぼ全ての工業プロセスに使用されています。誤ったタイプを選ぶと即座の故障にはならなくても、非効率、保全負担の増大、早期スケーリング、洗浄困難を通じて全運用期間にわたってコスト増加をもたらします。

主要な選定パラメータ

• 流体特性：清浄度（固体粒子、繊維、重合性物質の有無）、腐食性、粘度、相変化の有無
• 運転圧力・温度
• 熱交換量：必要な伝熱面積
• 許容圧力損失
• 洗浄方法：機械洗浄（分解可能）対CIP
• 設置スペースと方向

シェル＆チューブ式熱交換器

世界で最も広く使用される熱交換器（市場の約60%）。一方の流体がチューブ内（チューブ側）を流れ、もう一方がシェル内でチューブ外側（シェル側）を流れます。TEMA分類：R（精製・石油化学、最も厳格）；B（一般化学）；C（一般工業）。

管束タイプ：固定管板（最もシンプルで安価、シェル側機械洗浄不可、熱膨張差の補償なし）；U字管（引き抜き可能、大きな熱膨張に対応、U字部分の機械洗浄不可）；フローティングヘッド（管束完全引き抜き可能、両面機械洗浄可能、高温高圧用途に最適）。

流体配分ルール：高圧流体→チューブ側；腐食性・高価な材料の流体→チューブ側；スケールの多い流体→チューブ側；粘度の高い流体→シェル側；凝縮蒸気→シェル側。

プレート式熱交換器（PHE）

波形プレートを交互に積層して純逆流に近い熱交換を実現。同じ伝熱面積でシェル＆チューブの3〜5倍の効率。ガスケット式（分解・洗浄可能、ガスケット温度制限通常≤180°C、最大圧力約25 bar）と全溶接式（高温・高圧対応、CIP洗浄必要）があります。PHEの制限：固体粒子含有流体（狭いチャンネルで詰まる）、25〜40 barを超える高圧、高粘度流体（>1,000 cP）には不適。

スパイラル式熱交換器

二つのスパイラルチャンネルでの渦流が自浄効果を持ち、スラッジ、高粘度、スケールの多い流体の処理に理想的です。シェル＆チューブでは急速にスケールする用途に適しています。典型的な用途：汚泥熱交換（下水処理場）、製紙業の黒液、発酵ブロス処理。

空冷式熱交換器（エアクーラー/フィンファン）

環境空気を冷却媒体として使用。冷却水が不要なため、冷却水が希少な地域に最適です。最低出口温度は設計周囲温度より15〜20°C高く制限されます。APIの参照規格：API 661。

伝熱計算の基礎

基本方程式：Q = U × A × ΔTlm（Q：熱交換量[W]、U：総合熱伝達係数[W/m²·K]、A：伝熱面積[m²]、ΔTlm：対数平均温度差[K]）。スケール熱抵抗（ファウリングファクター、TEMA附属書C）は重要です。保守的な値は必要面積を20〜50%増加させ、設備サイズとコストに直接影響します。