化学プラント大全 
熱Ⅳの熱交換器・熱回収の論点を、加熱方式・形式の選び方・性能管理・廃熱回収・冷却塔まで、表と例題で並べました。
熱通過率・対数平均温度差・温度効率とNTUの理屈は、熱Ⅱの熱通過と熱交換の記事にまとめています。
加熱・冷却の方式と熱媒体 ── 蒸気は潜熱で均一に、温水は顕熱で送水量が多い
| 比べる点 | 蒸気加熱 | 温水加熱 |
|---|---|---|
| 使える温度の範囲 | 150〜600℃ | 80〜220℃ |
| 熱の渡し方 | 凝縮の潜熱。圧力が一定なら温度は一定 | 顕熱。熱を渡すほど温度が下がる |
| 加熱の均一さ・温度制御 | 均一。圧力の調節で凝縮温度を変えられる | 蒸気に次ぐ |
| ドレン損失などの熱損失 | 大 | 小（ドレン損失がない。閉回路でさらに小） |
| 熱を運ぶ動力 | 小 | 大（送水量が多く、ポンプ動力が要る） |
| 伝熱面積 | 小（蒸気側の熱伝達率がきわめて大きい） | 大 |
| 排温水からの排熱回収 | 可 | 秀（排温水の入口温度に近い温度が得られる） |
なぜ：蒸気は凝縮するときの潜熱をまとめて渡すので、圧力が一定なら温度が変わらず、1 kg で運べる熱も大きくなります。温水は温度が下がる分の顕熱しか渡せません。同じ熱量を運ぶには水を多く流すことになり、ポンプ動力が大きくなります。伝熱面積も温水のほうが大きくなりますが、これは流量のためではなく、蒸気側の熱伝達率がきわめて大きいためです。その代わり、ドレンが出ず、閉回路にすれば熱の逃げも小さくできます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 使える温度の下限は、温水加熱より蒸気加熱のほうが低い | × | 蒸気は 150℃ から、温水は 80℃ から |
| 蒸気加熱で加熱面の温度がそろうのは、凝縮している間は温度が変わらないから | ○ | 凝縮温度は圧力で決まる |
| 熱を運ぶポンプ動力は、温水加熱のほうが小さくて済む | × | 送水量が多く、温水のほうが大きい |
| 同じ加熱量なら、伝熱面積は温水加熱のほうが大きくなる | ○ | 蒸気側の熱伝達率がきわめて大きい |
- 加熱（冷却）の方式を選ぶと、使える温度の範囲が決まる。蒸気より高温側は直火加熱（400〜1200℃）と蓄熱式加熱（800〜2000℃）。蒸気より低温側は温水加熱（80〜220℃）で、さらに低い温度はアンモニア・フロンなどの冷凍になる。
- 伝熱には、流体どうし・流体と固体を直接触れさせる直接接触方式（流動床・冷却塔）と、壁を通して伝える間接接触方式がある。プロセスでは二流体が混ざるのを避けるため、ふつう間接接触方式をとる。
- 交換熱量は Q＝UAΔT（U：熱通過率 W/(m²·K)、A：伝熱面積、ΔT：二流体間の平均温度差。ふつう対数平均温度差）。
熱交換器の種類と構造 ── 多管式は堅固、プレート式は温度効率が高いが高圧に弱い
| 形式（構造） | 強み | 弱み |
|---|---|---|
| 固定管板式（管板を胴の両端に固定、直管） | 構造がもっとも簡単。管内の清掃と管内面の検査が容易 | 胴側は化学洗浄に頼る。管の外面検査はほぼ不可。胴側と管側の熱膨張の差が無視できないときは、伸縮管継手などで対策する |
| U字管式（管板は片側だけ、U字管を固着） | 管束を抜き出して管の外面を洗浄・点検できる。熱応力が出ない | 管の内面の洗浄・点検が困難。管の取り換えも困難 |
| 遊動頭式（管板は両側、片側が胴内で動く、直管） | 管束を抜き出せ、管の内外とも点検・洗浄が容易。熱応力が出ない | 構造がもっとも複雑 |
| プレート式（波形の伝熱プレートとガスケットを重ねて締め付ける） | 完全な向流で温度効率が高い。分解・掃除が簡単。プレートを足して負荷増に対応。小さい温度差でも大きな熱量を移せる | 高圧には向かない |
| 二重管式・単管式（管を太い管に入れる／槽に浸したコイルなど） | 構造が簡単。単管式は管外面の点検・洗浄・修理が容易 | 大容量には不向き（小容量向き） |
なぜ：胴側と管側の流体の温度が違えば、胴と管の伸びも違います。両端を固定すると伸びの差が力（熱応力）になり、片側を自由にすると動きで逃げます。ただし、U字に曲げると管内に掃除の道具を通しにくく、片側を動く管板にすると構造が複雑になる、と別の弱みが出ます。形式の選び方は、この取り引きで決まります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 円筒多管式がもっとも多く使われるのは、構造が堅固で、汚れやすい流体にも対応しやすいから | ○ | 形式を選べば汚れに手当てできる |
| U字管式は管束を抜き出せるので、管の内面の洗浄・点検が容易 | × | 容易なのは外面。内面は困難 |
| 固定管板式は管の両端を固定するので、熱膨張の差による熱応力は問題にならない | × | 伸びの差が逃げない。伸縮管継手などで対策 |
| 伝熱管を直列から錯列の配列に変えると、熱伝達率は上がり、圧力損失も増える | ○ | 直列は圧損が小さく掃除が容易だが熱伝達率が低い |
| プレート式は二流体が1枚おきに並流で流れるので、温度効率が高い | × | 1枚おきの完全な向流 |
- 伝熱管の配列：直列は単位容積あたりの管数が少なく、掃除が容易。錯列は管数を多く詰められ、流れが管に当たって乱れるので熱伝達率が高い。
- プレート式は、プレートの波形で板に強度を持たせ、伝熱面積と流れの乱れを増やしている。乱れで汚れもつきにくい。
- 空冷式は、比較的高温の液体をフィン管と外気の強制通風で冷やす。冷却温度は気温で決まり、正確な温度の調節は難しい。フィン付管形は、熱伝達率の低い空気側にフィンを付けて熱抵抗を減らす。
- 同じ構造でも、目的によって予熱器・予冷器・蒸気加熱器などと呼び名が変わる。
関連：熱交換器の完全ガイド
流体の通し方と選定 ── 腐食・高圧は管内、汚れは掃除できる側へ
| 条件 | 通し方・選ぶ形式 | 理由 |
|---|---|---|
| 高圧 | 管内に通す。単管式・二重管式、多管式なら U字管式。プレート式は不向き | 受圧部が小さいほどよい |
| 腐食性 | 管内に通す。U字管式は管の取り換えが困難で選びにくい | 接する面を減らし、高価な耐食材料を減らす。よどみ・濃縮を起こさない構造にする |
| 汚れやすい | 固定管板式は管内、U字管式は管外。両側とも汚れやすいなら遊動頭式。乱流で汚れにくいプレート式も | その形式で掃除しやすい側に通す |
| 高粘度 | 多管式では直交流をとって管の外側に流す | 熱伝達率が低い。プレート式は波形の乱れで高い熱伝達率が得られる |
| 高温（液−液・液−蒸気） | U字管式・遊動頭式 | 温度差による熱応力を避ける |
| 交換熱量が小さい | 二重管式・単管式 | 小容量向き |
なぜ：細い管は、同じ圧力でも大きな胴より薄い壁で耐えられ、耐食材料にするのも管のまわりで済みます。大きな胴を高圧用・耐食材料にするより安く確実なので、高圧と腐食性の流体は管内に回します。汚れやすい流体は、その形式で掃除しやすい側に通すので、固定管板式なら管内、U字管式なら管外と向きが変わります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 高圧の流体は、受圧部を小さくするため、ふつう管内に通す | ○ | 大径の胴まで高圧用にしなくて済む |
| 腐食性の流体は、耐食材料を使う面を減らすため、胴側に通すのがよい | × | 管内に通す |
| 汚れやすい流体は、U字管式でも管の内側に通す | × | U字管式は管外。管内は固定管板式 |
| 高粘度の流体は熱伝達率が低いので、多管式では管の外側に流す | ○ | 直交流をとる |
| 炉からの高温の排ガスの熱回収には、ヒートパイプ式がもっとも向く | × | 静止形耐火物製蓄熱式。ヒートパイプ式はさらに低温 |
ガス−ガスの熱交換器は排ガスの温度で選ぶ
- 炉の排ガス：静止形の耐火物製蓄熱式。耐火レンガの蓄熱体を収めた2室をバルブで切り替える。高温用で、温度効率も高い。
- ボイラ・ガスタービンの排ガス：回転形蓄熱式。金属毛・金属製薄板・セラミックスのハニカムの蓄熱体を回す。中低温用。
- さらに温度が低い場合はヒートパイプ式、空調程度の温度なら湿分も回収できる全熱交換器。温度の高いほうから「静止形蓄熱式→回転形蓄熱式→ヒートパイプ式→全熱交換器」。
- 選定で考えるのは、交換流体の種類・交換熱量・温度・圧力・粘度・汚れ・腐食。流体の組み合わせでは、液−液は多管式・二重管式・単管式・プレート式。ガス−蒸気と液−ガスはフィン付管形。ガス−ガスは顕熱ならヒートパイプ式・蓄熱式、全熱なら全熱交換器。
関連：ヒートパイプと全熱交換器
熱交換器の性能評価と日常管理 ── 温度効率と差圧の推移で汚れを見る
| 見る量 | 測り方・式 | 分かること |
|---|---|---|
| 温度効率 | 低温側 ηl＝(Tl2−Tl1)/Δ、高温側 ηh＝(Th1−Th2)/Δ。Δ＝両流体の入口温度差 | 新しいときより下がれば性能の低下（汚れ） |
| 前後の圧力差 | 差圧計で測る | 流れ損失の増加から、清掃の時期を予想できる |
| 低圧側の組成 | 低圧側の流体の組成の変化 | 高圧側からの内部もれ |
| 外部もれ | 流体ごとの検知システム（アンモニアは臭気で 5 ppm） | 環境への影響 |
| 熱通過率 | 1/U に汚れ係数 Rf が足される | 汚れが増えると U が下がる |
| エネルギー効率 ε | Q/Qmax、Qmax＝Cmin·Δ | 熱量でみた性能。Cmin 側の温度効率に等しい |
なぜ：汚れは伝熱面に熱抵抗を直列に足すので、熱通過率が下がります。同じ入口条件でも出口温度が入口温度に近づき、温度効率が落ちます。管内の汚れは流路も狭めるので、差圧が上がり、ポンプ動力も増えます。2つの推移を新しいときと比べれば、性能の低下を数字で判定でき、清掃の時期を決められます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 清浄時 1000 W/(m²·K) の伝熱面に 5×10⁻⁴ (m²·K)/W の汚れが付くと、熱通過率は約 670 W/(m²·K) に下がる | ○ | 1/U＝0.001＋0.0005 |
| 汚れ係数の単位は、熱通過率と同じ W/(m²·K) | × | (m²·K)/W（U の逆数の単位） |
| 交換できる最大の熱量は、水当量の大きいほうに二流体の入口温度差を掛けて求める | × | 小さいほう：Qmax＝Cmin·Δ |
| 高温側の温度効率は、高温流体の入口と出口の温度差を、二流体の入口温度差で割った値 | ○ | 分母は最大温度差 Δ |
| 熱交換器の内部もれは、高圧側の流体の組成の変化で見つける | × | 混ざるのは低圧側。低圧側の組成を測る |
例題
低温流体を加熱する熱交換器で、高温流体の入口が 140℃、低温流体の入口が 20℃ です。新しいときの低温流体の出口は 92℃ でした。1年後、入口温度と流量が同じ条件で、出口が 74℃ に下がりました。
①最大温度差：Δ＝140−20＝120℃。
②新しいとき：ηl＝(92−20)/120＝72/120＝0.60。
③1年後：ηl＝(74−20)/120＝54/120＝0.45。
④確かめる：低温流体の流量が同じなら交換熱量は温度上昇に比例するので、0.45/0.60＝0.75。交換熱量は新しいときの4分の3に落ちている。差圧も上がっていれば汚れと見て、清掃を計画する。
- 前後の圧力差を2つの圧力計の指示の差で求めると、圧力が高いときは誤差が大きくなる。差圧計で直接測る。
- 汚れの原因：溶解塩類の析出（スケール）、浮遊する微粒子の沈殿、腐食物の堆積、生物の付着とスライム。ほかにコーキングや冷凍時の氷結もある。
- ふつうは、混ざっても影響の小さい流体の側を低圧にしてある。
関連：汚れ係数／温度効率とNTU／熱交換器の性能が落ちたときの診断手順
廃熱回収の考え方 ── まず減らし、温度・量・時間が合う所へ回す
| 検討の段階 | やること・見る点 |
|---|---|
| 廃熱源の選定 | どの廃熱を対象にするか |
| 廃熱量を減らす余地の検討 | 回収より先に、発生そのものを減らせないかを調べる。回収装置が過大にならず、経済性が上がる |
| 廃熱の発生実態の把握 | 排出パターン（量・温度）、腐食性、粉じん量、発生設備の将来の動き |
| 回収熱の利用先の調査 | 熱の利用パターン（量・温度）、利用設備の将来の動き |
| マッチング対策の検討 | 時間的・量的なアンバランスの調整、供給や利用が止まったときの対策 |
| 設備の検討と評価 | 回収・熱輸送・蓄熱の方法と容量。回収効率・利用効率・経済性・操作性で評価 |
なぜ：熱は温度の高い所から低い所へしか移らず、ためておくにも設備と損失が要ります。捨てる熱がいくら多くても、利用先より温度が低かったり、使う時間とずれていたりすれば生かせません。また、高い温度の熱を低い温度の用途に回すと、熱量は回収できても熱の質（有効エネルギー）を捨てることになります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 回収した熱の温度に近い温度で使う利用先を選ぶと、有効エネルギーの損失が小さくなる | ○ | 廃熱と回収媒体の温度差も小さくする |
| 廃熱量そのものを減らせないかは、回収装置を設計したあとの最後の段階で調べる | × | 廃熱源を選んだすぐ次に調べる |
| 回収した廃熱は、別の設備への外部供給を優先したほうが利用率が上がる | × | 自工程での利用を優先する |
| TQ線図で複合線を水平にずらして必要な温度差をとると、回収できる熱量は減る | ○ | 両線の重なりが縮む |
| ヒートポンプは、ピンチ点より上側のプロセスの中だけで熱をくみ上げても省エネルギーになる | × | ピンチをまたいで置く |
ピンチとヒートポンプの置き方
- TQ線図は縦軸に温度、横軸に熱量をとる。温度が下がる流れ（熱を出す側）を加え合わせた与熱複合線と、温度が上がる流れ（熱を受ける側）の受熱複合線を描く。複合線は水平には動かせるが、垂直には動かせない。
- 両線がもっとも近づく点（温度差 5〜10℃）がピンチ。ピンチより上は熱が不足し、下は余っている。上で外から冷やさない、下で外から加熱しない、ピンチを横切って熱を移さない。
- ヒートポンプはピンチをまたいで置き、下の余った熱をくみ上げて上へ与える。上だけに置くと電動機の kW 数に等しい電熱器で加熱するのと同じ、下だけなら冷却の負荷が増えるだけになる。
- 回収の過程では、エネルギーの変換の回数を少なくし、回収設備・輸送設備の放熱を防ぐ。回収した熱は、外へ供給するより自工程での利用を優先すると利用率が上がる。回収設備が止まったときに備えてバックアップを持つ。
関連：熱回収とピンチテクノロジー入門／ヒートポンプと一次エネルギーでの評価
ヒートパイプと全熱交換器 ── 前者は蒸発と凝縮で運び、後者は潜熱も回収
| 比べる点 | ヒートパイプ式 | 全熱交換器 |
|---|---|---|
| 仕組み | 両端を閉じた管に作動媒体を封入。高温側で蒸発し、蒸気が低温側へ流れて凝縮する。液はウィックの毛細管力で高温側へ戻る | 給気と排気の間で、熱と水分を同時に移す |
| 渡すもの | 顕熱 | 全熱（顕熱＋潜熱） |
| 主な用途 | 排ガスの熱回収や、熱抵抗が大きいガス間の熱交換 | 空調（建物の給排気） |
| 型 | 受熱端と与熱端が一体の一体形と、両端を離して管で結ぶ分離形 | 静止形（特殊加工紙。向流形・直交流形）と回転形（吸湿剤を含ませた特殊難燃紙を回す） |
| 利点 | 高温側と低温側が完全に仕切られ漏れ込みがない。コンパクト。伝熱面が管外だけで圧損が小さい | 換気の熱負荷を、温度の分だけでなく湿気の分まで減らせる |
なぜ：作動媒体は熱を受ける高温側で蒸発して潜熱を吸い、低温側で凝縮してその潜熱を放します。管内は蒸発と凝縮だけなので熱抵抗がきわめて小さく、残る抵抗は管外のガス側にあります。そこはフィンで面積を広げれば下げられます。全熱交換器は水蒸気も通す紙を伝熱面に使うので、温度差の分（顕熱）に加えて湿気の分（潜熱）も渡せます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| ヒートパイプでは凝縮した液がウィックの毛細管力で高温側へ戻るので、液を戻すポンプがなくても熱が運ばれ続ける | ○ | 蒸発は高温側、凝縮は低温側 |
| ヒートパイプでは熱抵抗の主な部分が管外のガス側にあるので、フィンで外面積を増やすと全体の熱抵抗が下がる | ○ | 管内の熱抵抗はきわめて小さい |
| ヒートパイプ式熱交換器では、蓄熱式と同じように排ガスと給気が混ざり合う | × | 完全に仕切られ、漏れ込みがない |
| 建物の換気に全熱交換器を使うと、顕熱に加えて潜熱も回収できる | ○ | 全熱＝顕熱＋潜熱 |
| 静止形の全熱交換器は、水分を通さない金属の薄板で熱を伝える | × | 特殊加工紙で熱と水分を移す |
- 液は管内の毛細管力で戻り、蒸気は温度（圧力）の高い蒸発側から低い凝縮側へ流れる。作動媒体の循環に外からの動力は要らない。
- 管の内側は伝熱面積を大きくできない一方、外側の面積は制約なく増やせる。熱抵抗の大きいガスどうしの熱交換に向くのはこのため。高温側と低温側の伝熱面積の比を変えて、管の温度を酸露点以上に保つこともできる。
- 分離形は、大規模設備で大径のダクトを組み替えにくいときに使う。
- 回転形蓄熱式（顕熱）は温度効率が高いが、構造上ガスが混ざる。パージセクタを設けると、蓄熱体に残った高温の排ガスが低温側のガスで押し出される。押し出された分は排ガスといっしょに出ていくので、給気への混入が減る。
関連：空調負荷とその低減
冷却塔 ── 湿球温度より下には冷えない
| 項目 | 中身・式 | 読み方 |
|---|---|---|
| 冷える仕組み | 冷却水の一部が空気中で蒸発し、その蒸発熱で残りの水が冷える | 1% の水が蒸発すると 6℃ 近く冷える。蒸発熱は 2500 kJ/kg 付近 |
| 熱の移り方 | 水と空気が直接触れ、主に水蒸気分圧の差で移る | 水面の飽和空気から周りの空気へ |
| 熱収支 | G(h2−h1)＝Cw·L(tw1−tw2) | 水が失う顕熱＝空気のエンタルピーの増加 |
| 冷却水温度降下 | 冷却水の入口温度−出口温度 | プロセスから受け取った熱に対応する |
| 近寄り温度差 | 冷却水の出口温度−入口空気の湿球温度 | 湿球温度にどこまで迫れたか |
| 駆動力 Δh | 水温での飽和空気のエンタルピー−その位置の空気のエンタルピー | 水温が湿球温度に近づくと 0 に近づく |
| 塔の大きさ | V＝(Cw·L/Ka)×NTU | NTU が大きいほど大きな塔が要る |
なぜ：水を冷やすのは、水面に接して飽和した空気と、周りの空気とのエンタルピーの差（駆動力）です。塔に入る空気のエンタルピーは、その湿球温度で飽和した空気のエンタルピーに等しくなります。水温が湿球温度まで下がると駆動力が 0 になり、それより下には冷えません。実際の出口水温は、湿球温度より近寄り温度差の分だけ高くなります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 冷却塔の出口水温は、入口空気の湿球温度より近寄り温度差の分だけ高い | ○ | 湿球温度より下には冷えない |
| 蒸発熱 2500 kJ/kg、比熱 4.2 kJ/(kg·K) とし、蒸発熱を残った冷却水の顕熱だけでまかなうとすると、冷却水の 3% が蒸発したとき水温は約 6℃ 下がる | × | 約 18℃。1% で約 6℃ |
| 近寄り温度差とは、冷却水の入口温度と出口温度の差のこと | × | 出口水温と湿球温度の差。入口と出口の差は冷却水温度降下 |
| 冷却水 100 t/h を 37℃ から 32℃ へ冷やし、乾き空気 80 t/h を通すとき、水の比熱を 4.19 kJ/(kg·K) とし蒸発による水量の減少を無視すると、空気のエンタルピーは約 26 kJ/kg(DA) 増える | ○ | 4.19×100×5/80＝26.2 |
| 塔特性 NTU が大きい条件ほど、必要な塔の容積は小さい | × | 大きいほど大きな塔が要る |
例題
冷却水 200 t/h を 40℃ から 33℃ まで冷やす冷却塔があり、外気の湿球温度は 27℃ です。蒸発熱を 2500 kJ/kg、水の比熱を 4.2 kJ/(kg·K) とします。蒸発熱は冷却水の顕熱だけでまかなうとして、蒸発する水の量を求めます。
①冷却水温度降下：40−33＝7℃。近寄り温度差：33−27＝6℃。
②水から奪う熱：200000 kg/h×4.2×7＝5880000 kJ/h。
③蒸発量：5880000÷2500＝2352 kg/h。循環水量の 2352÷200000×100≒1.2%。
④確かめる：1% の蒸発でおよそ 6℃ 下がるので、7℃ なら 1.2% 前後で合う。出口水温は湿球温度 27℃ を下回れない。
- 補給する水は、蒸発量・ブロー水量・飛散水量の分だけでわずか。蒸発で濃くなる塩類は、ブローで一定以下に保つ。ブローが足りず濃縮しすぎると、冷却水側の伝熱面にスケールが付く。
- 伝熱量は Q＝Ka·V·Δhm。Ka（エンタルピー基準総括容積伝熱率）は熱交換器の U、V は A、Δhm は ΔT にあたる。
- Ka は、塔容積 1 m³・エンタルピー差 1 kJ/kg(DA) あたりの毎時の伝熱量（実験値）。単位は kJ/h を「m³×kJ/kg(DA)」で割った形。kg(DA) は乾き空気 1 kg を表す。
出典：エネルギー管理士試験講座（省エネルギーセンター）熱分野Ⅳ 2編2章／共通Ⅰ 3編2章 2.2.9
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