ヒートエクスチェンジャ
ヒートエクスチェンジャは、異なる温度の流体間で熱を受け渡す装置である。「熱交換器」とも呼ばれ、化学プラント、空調、発電まで広く用いられる。伝熱量、許容圧力損失、腐食環境、設置スペース、保守性の制約下で、総括伝熱係数 U と伝熱面積 A を最適化して熱収支を達成するのが要点である。
原理と熱計算
基礎式は Q = U・A・ΔTm。ΔTm には対数平均温度差（LMTD）を用いる。有効度–NTU 法（ε–NTU）は、入口条件と容量流量比から効率 ε を算出し、複雑な配列や相変化でも有効である。
主要形式
- シェル&チューブ：高圧・高温に対応し汎用。バッフルで乱流化して U を高める。
- プレート式（ガスケット/ろう付）：高い U とコンパクト性。CIP による洗浄が容易。
- 二重管式：小容量・大温度差に適し、製作が容易。
- フィン付空冷式：空気側の低伝熱をフィンで補い、屋外設置に適する。
流れ配置と温度効率
並流より向流が有利で、同じ A でも ΔTm を大きく取れる。交差流は配管自由度に優れるが効率は中庸。ε–NTU 法では Cr と NTU = U・A/Cmin から性能を評価する。
伝熱係数と相関式
単相流では Nu を Re（レイノルズ数）と Pr（プラントル数）の関数とする経験式（例：Dittus–Boelter）を用いる。沸騰・凝縮は別の相関式を適用する。U は各側の膜抵抗、壁導熱、ファウリング抵抗の逆数和で決まる。
材料と製造
材質は腐食性・温度・コストで選ぶ。炭素鋼、SUS、Cu–Ni、Ti を用いる。プレート式はガスケット（NBR、EPDM、FKM）やろう材も要素。溶接はリーク経路を減らすが清掃性とトレードオフ。
汚れ（ファウリング）と保守
汚れは付着・析出・腐食生成物・バイオフィルムなど多様で、U を低下させる。対策は前処理（濾過/水処理）、CIP、流速確保、材料選択、運転温度最適化。プレート式は開放清掃しやすく、シェル&チューブはブラシ・高圧洗浄を併用する。
設計手順の要点
- 熱務（温度・流量・比熱・相変化）を定義し Q を決める。
- 物性・許容圧損・汚れ係数を設定する。
- 形式を仮決めし、LMTD または ε–NTU で A を試算。
- 圧力損失、振動、熱応力、据付/保守性を検証して最適化。
適用分野
空調のチラー/凝縮器、化学プラントのジャケット、発電の復水器、自動車のラジエータなど、ヒートエクスチェンジャは熱管理の中核である。省エネでは排熱回収とヒートポンプ統合が有効。
故障モードとリスク
エロージョン、孔食、応力腐食割れ、ガスケット劣化、流体励起振動による管損傷が典型。材料選択、非破壊検査（UT、PT）、差圧監視、漏えい検知を組み合わせて低減する。
規格と設計指針
実務では TEMA、ASME、JIS、ISO の規格を参照する。設計圧力・温度、腐食代、熱応力評価、リーク試験の要件を明確にし、据付・運転・保守の文書化を徹底することが、高信頼なヒートエクスチェンジャ導入の前提である。