工業用浄化熱回収

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NMP熱回収における空気対空気熱交換器の仕組み

NMP 熱回収における空気対空気熱交換器は、工業プロセスからの高温の NMP を含んだ排気流と、より低温の流入新鮮空気流の間で熱エネルギーを移動させ、バッテリー製造などの産業におけるエネルギー効率を向上させます。

高温の排気（例：80～160℃）と低温の新鮮な空気は、別々のチャネルを通過するか、熱伝導面（例：プレート、チューブ、ロータリーホイール）を通過しますが、混合することはありません。高温の排気から低温の新鮮な空気への熱伝達は、顕熱伝達によって行われます。一般的な熱交換器には、プレート式熱交換器、ロータリー式熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器などがあります。

NMP専用の設計では、ステンレス鋼やガラス繊維強化プラスチックなどの耐腐食性材料を使用し、NMPの腐食性に耐えます。フィン間隔を広くしたり、CIP（定置洗浄）システムを採用することで、粉塵や残留物による汚れの発生を防ぎます。また、結露の発生を抑えることで、目詰まりや腐食を防ぎます。

高温の排気は新鮮な空気に熱を伝え、新鮮な空気を予熱（例：20℃から60～80℃）することで、後続工程のエネルギー消費量を削減します。冷却された排気（例：30～50℃）は、NMP回収システム（例：凝縮または吸着）に送られ、溶媒を回収・リサイクルします。熱回収効率は設計に応じて60～95%です。

これにより、エネルギー消費量を15～301TP3トン削減し、温室効果ガス排出量を削減するとともに、排気を冷却することで溶剤回収を容易にし、NMP回収率を向上させます。汚れなどの課題は、より広い隙間、抽出可能なエレメント、または洗浄システムによって解決され、堅牢なシーリングによってクロスコンタミネーションを防止します。

電池製造工場では、プレート式熱交換器が120℃の排気を利用して新鮮な空気を20℃から90℃に予熱し、オーブンのエネルギー需要を約70%削減します。冷却された排気は、95%のNMP回収に使用されます。

木材乾燥における空気対空気熱交換器の仕組み

木材乾燥における空気対空気熱交換器は、2つの空気流を混合することなく熱を伝達し、エネルギー効率を最適化し、乾燥条件を制御します。その仕組みは以下のとおりです。

  1. 木材乾燥の目的木材乾燥（窯乾燥）では、木材のひび割れや反りなどの欠陥を生じさせることなく水分を除去するために、正確な温度と湿度の制御が必要です。熱交換器は、窯から排出される排気から熱を回収し、新鮮な空気に伝達することで、エネルギーコストを削減し、乾燥条件を一定に保ちます。
  2. コンポーネント:
    • 通常は一連の金属プレート、チューブ、またはフィンを備えた熱交換ユニット。
    • 2 つの独立した空気経路: 1 つは窯からの高温多湿の排気用、もう 1 つはより低温で新鮮な吸気用です。
    • システム内で空気を移動させるためのファンまたは送風機。
  3. 動作メカニズム:
    • 排気窯から出た高温で水分を含んだ空気（例：50～80℃）が熱交換器の片側を通過します。この空気は乾燥工程で発生した熱エネルギーを運びます。
    • 熱伝達排気からの熱は、熱交換器の薄い金属壁を通して、反対側にあるより冷たい（例えば20～30℃）新鮮な空気へと伝導されます。金属壁によって、2つの空気流が混ざることなく、効率的な熱伝達が実現されます。
    • 外気暖房：入ってくる空気は熱を吸収し、窯に入る前に温度を上昇させます。この予熱された空気により、窯を所望の乾燥温度まで加熱するために必要なエネルギーが削減されます。
    • 水分分離: 排気は冷たくなり、水分が凝縮して排出されるので、窯内の湿度をコントロールするのに役立ちます。
  4. 熱交換器の種類:
    • プレート式熱交換器: 平板を使用して空気の流れを分離し、高い効率を実現します。
    • チューブ式熱交換器: 空気の流れにチューブを使用し、高温用途にも耐久性があります。
    • ヒートパイプ交換器: 密閉されたパイプと作動流体を使用して熱を伝達します。大型窯に効果的です。
  5. 木材乾燥の利点:
    • エネルギー効率: 排気から 50～80% の熱を回収し、燃料や電気のコストを削減します。
    • 一貫した乾燥: 予熱された空気が窯内の温度を安定させ、木材の品質を向上させます。
    • 環境への影響: エネルギー消費量と排出量を削減します。
  6. 課題:
    • メンテナンス: 木材からのほこりや樹脂が交換器の表面に蓄積することがあるため、定期的な清掃が必要です。
    • 初期費用: 設置には費用がかかりますが、長期的にはエネルギーの節約になります。
    • 湿度制御: システムでは、過度の湿度状態を避けるために、熱回収と適切な水分除去のバランスをとる必要があります。

要約すると、木材乾燥における空気対空気熱交換器は、排気から熱を捕捉して流入空気を予熱することで、エネルギー効率を向上させ、最適な乾燥条件を維持します。これは、持続可能な高品質の木材加工を実現する最新の乾燥炉システムにおいて重要なコンポーネントです。

外気システムにおける空気対空気熱交換器の仕組み

外気システムにおける空気対空気熱交換器は、流入する新鮮な空気と排出される古い空気の間で熱を伝達しますが、両者を混合することはありません。その仕組みは以下のとおりです。

  1. 構造熱交換器は、薄いチャネルまたはプレートが交互に配置されたコアで構成されており、多くの場合金属またはプラスチック製で、入ってくる空気と出ていく空気を分離します。これらのチャネルは、空気の流れを遮断しながら熱伝達を可能にします。
  2. 熱伝達:
    • 冬には、排気される暖かい室内の空気がその熱をより冷たい新鮮な空気に伝え、それを暖めます。
    • 夏には、涼しい室内の空気がその「涼しさ」を暖かい空気に移し、暖かい空気を事前に冷却します。
    • このプロセスは、温度差によって熱交換器の壁を介した伝導によって発生します。
  3. 種類:
    • クロスフロー: 空気の流れが垂直に流れるため、中程度の効率が得られます(50-70%)。
    • 逆流: 空気の流れが反対方向に流れ、熱伝達が最大化されます (最大 90% の効率)。
    • ロータリー（エンタルピーホイール）回転ホイールが熱と湿気を吸収・移動し、湿度コントロールに最適です。
  4. 利点:
    • 排気熱の50～90%を回収することでエネルギーロスを削減します。
    • 冷暖房コストを最小限に抑えながら新鮮な空気を供給することで、室内の空気の質を維持します。
  5. 外気システムでの操作:
    • ファンが交換器を通じて建物から古い空気を吸い込み、別のファンが新鮮な屋外の空気を吸い込みます。
    • 交換器により、流入する空気が分配前に（室内温度に近くなるように）調整され、HVAC システムの負荷が軽減されます。
  6. 湿気コントロール （一部のモデル）
    • エンタルピー交換器は湿気も移動させ、室内の過度の乾燥や湿気を防ぎます。

このシステムは、空気の質を維持しながら熱をリサイクルすることで、換気効率、エネルギー節約、快適性を確保します。

空気対空気熱交換器はどのように機能するのか

空気対空気熱交換器は、2つの別々の空気流を混合することなく、熱を伝達します。通常、アルミニウムなどの熱伝導性材料で作られた薄い板またはチューブを、表面積が最大になるように配置して構成されています。一方の空気流（例：建物からの暖かい排気）は片側を流れ、もう一方の空気流（例：冷たい新鮮な空気）は反対側を流れます。

暖かい空気流の熱は伝導性材料を通過して冷たい空気流へと伝わり、空気流を温めます。このプロセスにより、本来失われるはずだったエネルギーが回収され、暖房または冷房システムの効率が向上します。クロスフロー式やカウンターフロー式の熱交換器などの設計では、空気を特定のパターンに導くことで熱伝達を最適化します。効率は空気流量、温度差、熱交換器の設計などの要因によって異なりますが、通常は50～80%の熱を回収します。

一部のモデル（例：エンタルピー交換器）では、特殊な膜を用いて水蒸気と熱を移動させ、湿度制御に役立てることで、水分移動が発生する場合があります。このシステムでは、空気を移動させるためのファンが必要であり、メンテナンスには詰まりや汚染を防ぐための清掃が必要です。

how does a heat exchanger work in a boiler

A heat exchanger in a boiler transfers heat from the combustion gases to the water circulating in the system. Here's how it works step by step:

  1. Combustion occurs: The boiler burns a fuel source (like natural gas, oil, or electricity), creating hot combustion gases.

  2. Heat transfer to the heat exchanger: These hot gases flow through a heat exchanger—typically a coiled or finned metal tube or series of plates made of steel, copper, or aluminum.

  3. Water circulation: Cold water from the central heating system is pumped through the heat exchanger.

  4. Heat absorption: As the hot gases pass over the surfaces of the heat exchanger, heat is conducted through the metal into the water inside.

  5. Hot water delivery: The now-heated water is circulated through radiators or to hot water taps, depending on the boiler type (combi or system boiler).

  6. Gas expulsion: The cooled combustion gases are vented out through a flue.

で condensing boilers, there's an extra stage:

  • After the initial heat transfer, the remaining heat in the exhaust gases is used to preheat incoming cold water, extracting even more energy and improving efficiency. This process often creates condensate (water), which is drained from the boiler.

industrial air to air heat exchanger | counterflow heat exchanger

工業用空気対空気熱交換器 | 向流熱交換器

アン 産業用空気対空気熱交換器 2つの空気流を混合することなく熱を伝達し、HVACシステム、産業プロセス、換気におけるエネルギー効率を向上させます。 向流熱交換器 2 つの空気流が反対方向に流れ、交換面全体で一貫した温度勾配により熱伝達効率が最大化される特殊なタイプです。

産業用空気対空気向流熱交換器の主な特徴:

  • 効率: 向流設計では、高温流と低温流の温度差が比較的一定に保たれるため、直交流熱交換器や並流熱交換器に比べて、より高い熱効率 (多くの場合 70-90%) が達成されます。
  • 工事耐久性と耐腐食性を高めるため、通常はアルミニウム、ステンレス鋼、ポリマーなどの材料で作られています。プレート型またはチューブ型が一般的です。
  • アプリケーション: 工業用乾燥、廃熱回収、データ センター、建物の換気で空気を予熱または予冷するために使用されます。
  • 利点: エネルギーコストを削減し、二酸化炭素排出量を減らし、相互汚染を防ぐことで空気の質を維持します。
  • 課題: 逆流設計のため圧力損失が高く、ファンの消費電力が増加する場合があります。汚れや詰まりを防ぐため、メンテナンスが必要です。

例：

工場では、向流熱交換器によって高温の排気（例：80°C）から熱を回収し、流入する新鮮な空気（例：10°C ～ 60°C）を予熱することで、加熱エネルギーを大幅に節約できます。

industrial air to air heat exchanger | counterflow heat exchanger

工業用空気対空気熱交換器 | 向流熱交換器

熱交換器は湿気を除去しますか?

標準的な空気対空気熱交換器は、主に2つの気流間で熱を伝達し、湿気を直接除去することはありません。2つの気流は分離されているため、一方の気流に含まれる水分（湿度）は通常、その気流内に留まります。ただし、熱交換器の種類によって微妙な違いがあります。

  1. 顕熱交換器これら（例えば、ほとんどのプレート式熱交換器やヒートパイプ式熱交換器）は熱のみを伝達し、水分は伝達しません。吸気と排気の湿度レベルは変化しませんが、温度変化によって相対湿度がわずかに変化することがあります（暖かい空気はより多くの水分を保持できるため、吸気を温めると相対湿度が低下する可能性があります）。
  2. エンタルピー（総エネルギー）交換器ロータリーホイールや特定の膜式熱交換器などの高度な設計では、熱と湿気の両方を移動させることができます。これらは吸湿性換気装置またはエンタルピー回収換気装置（ERV）と呼ばれます。コア材またはホイールが湿った空気流（例：暖かく湿った室内空気）から水分を吸収し、乾燥した空気流（例：冷たく乾燥した屋外空気）へと移動させることで、湿度をある程度効果的に管理します。
  3. 結露の影響特定の条件下では、熱交換器が湿った空気を露点以下に冷却すると、熱交換器の表面に結露が発生し、空気流から水分が除去されることがあります。これは付随的な現象であり、主要な機能ではありません。そのため、排水システムが必要となります。

したがって、標準的な熱交換器は、水分移動用に設計されたエンタルピー型ERVでない限り、または結露が発生しない限り、湿気を除去することはできません。湿度制御が目的の場合は、ERVまたは別途除湿システムが必要になります。

熱回収ホイールエアハンドリングユニット

A heat recovery wheel in an air handling unit (AHU) is a device that improves energy efficiency by transferring heat and sometimes moisture between incoming fresh air and outgoing exhaust air. Here's a concise explanation:

仕組み

  • 構造: The heat recovery wheel, also called a rotary heat exchanger, thermal wheel, or enthalpy wheel, is a rotating cylindrical matrix typically made of aluminum or a polymer, often coated with a desiccant (e.g., silica gel) for moisture transfer. It has a honeycomb structure to maximize surface area.

  • Operation: Positioned between the supply and exhaust air streams in an AHU, the wheel rotates slowly (10-20 RPM). As it turns, it captures heat from the warmer air stream (e.g., exhaust air in winter) and transfers it to the cooler air stream (e.g., incoming fresh air). In summer, it can pre-cool incoming air.

  • 種類:

    • Sensible Heat Wheel: Transfers only heat, affecting air temperature without changing moisture content.

    • Enthalpy Wheel: Transfers both heat (sensible) and moisture (latent), using a desiccant to adsorb and release water vapor based on humidity differences. This is more effective for total energy recovery.

  • 効率: Sensible heat recovery can achieve up to 85% efficiency, while enthalpy wheels may add 10-15% more by recovering latent heat.

利点

  • エネルギー節約: Pre-conditions incoming air, reducing heating or cooling loads, especially in climates with large indoor-outdoor temperature differences.

  • Improved Air Quality: Supplies fresh air while recovering energy from exhaust air, maintaining indoor comfort.

  • アプリケーション: Common in commercial buildings, hospitals, schools, and gyms where high ventilation rates are needed.

Key Considerations

  • メンテナンス: Regular cleaning is critical to prevent dirt or clogs from reducing efficiency. Filters should be replaced, and the wheel inspected for buildup.

  • Leakage: Slight cross-contamination between air streams is possible (Exhaust Air Transit Ratio <1% in well-maintained systems). Overpressure on the supply side minimizes this risk.

  • Frost Prevention: In cold climates, wheel frosting can occur. Systems use variable speed control (via VFD), preheating, or stop/jogging to prevent this.

  • Bypass Dampers: Allow the wheel to be bypassed when heat recovery isn’t needed (e.g., during mild weather), saving fan energy and extending wheel life.

例

In a hospital AHU, a heat recovery wheel might pre-heat incoming winter air (e.g., from 0°C to 15°C) using exhaust air (e.g., 24°C), reducing the heating system’s workload. In summer, it could pre-cool incoming air (e.g., from 35°C to 25°C) using cooler exhaust air.

Limitations

  • Space: Wheels are large, often the biggest AHU component, requiring careful installation planning.

  • Cross-Contamination: Not ideal for applications requiring complete air stream separation (e.g., labs), though modern designs minimize this.

  • Cost: Initial cost is high, but energy savings often justify it in high-ventilation settings.

クロスフロー熱交換器はどのように機能するのか

A crossflow heat exchanger works by allowing two fluids to flow at right angles (perpendicular) to each other, typically with one fluid flowing through tubes and the other flowing across the outside of the tubes. The key principle is that heat is transferred from one fluid to the other through the walls of the tubes. Here's a step-by-step breakdown of how it works:

Components:

  1. Tube Side: One of the fluids flows through the tubes.

  2. Shell Side: The other fluid flows over the tubes, across the tube bundle, in a direction perpendicular to the flow of the fluid inside the tubes.

Working Process:

  1. Fluid Inlet: Both fluids (hot and cold) enter the heat exchanger at different inlets. One fluid (let's say the hot fluid) enters through the tubes, and the other fluid (cold fluid) enters the space outside the tubes.

  2. Fluid Flow:

    • The fluid flowing inside the tubes moves in a straight or slightly twisted path.

    • The fluid flowing outside the tubes crosses over them in a perpendicular direction. The path of this fluid can be either crossflow (directly across the tubes) or have a more complex configuration, like a combination of crossflow and counterflow.

  3. 熱伝達:

    • Heat from the hot fluid is transferred to the tube walls and then to the cold fluid flowing across the tubes.

    • The efficiency of heat transfer depends on the temperature difference between the two fluids. The larger the temperature difference, the more efficient the heat transfer.

  4. Outlet: After heat transfer, the now cooler hot fluid exits through one outlet, and the now warmer cold fluid exits through another outlet. The heat exchange process results in a temperature change in both fluids as they flow through the heat exchanger.

Design Variations:

  • Single-pass crossflow: One fluid flows in a single direction across the tubes, and the other fluid moves through the tubes.

  • Multi-pass crossflow: The fluid inside the tubes can flow in multiple passes to increase the contact time with the fluid outside, improving heat transfer.

Efficiency Considerations:

  • Crossflow heat exchangers are generally less efficient than counterflow heat exchangers because the temperature gradient between the two fluids decreases along the length of the heat exchanger. In counterflow, the fluids maintain a more consistent temperature difference, which makes it more effective for heat transfer.

  • However, crossflow heat exchangers are easier to design and are often used in situations where space is limited or where fluids need to be separated (like in air-to-air heat exchangers).

Applications:

  • Air-cooled heat exchangers (like in HVAC systems or car radiators).

  • Cooling of electronic equipment.

  • Heat exchangers for ventilation systems.

So, while not as thermally efficient as counterflow heat exchangers, crossflow designs are versatile and commonly used when simplicity or space-saving is important.

クロスフロー熱交換器とカウンターフロー熱交換器の違いは何ですか?

主な違いは クロスフロー そして 逆流 熱交換器は、2 つの流体が互いに相対的に流れる方向に配置されます。

  1. 向流熱交換器:

    • 向流熱交換器では、2つの流体が反対方向に流れます。この配置により、流体間の温度勾配が最大化され、熱伝達効率が向上します。

    • 利点向流設計は、流体間の温度差が熱交換器の全長にわたって維持されるため、一般的に効率が高くなります。そのため、熱伝達の最大化が重要な用途に最適です。

  2. クロスフロー熱交換器:

    • クロスフロー熱交換器では、2つの流体が互いに垂直（角度をつけて）に流れます。一方の流体は通常、一方向に流れ、もう一方の流体は最初の流体の流路と交差する方向に流れます。

    • 利点: 直交流方式は向交流方式ほど熱効率は高くありませんが、スペースや設計上の制約がある場合に有効です。空冷式熱交換器や相変化（凝縮や蒸発など）を伴う状況など、流体が固定された経路を流れる必要がある状況でよく使用されます。

主な違い:

  • 流れ方向: 向流 = 反対方向、横流 = 垂直方向。

  • 効率: 向流では、流体間の温度勾配がより一定であるため、熱伝達効率が高くなる傾向があります。

  • アプリケーション: クロスフローは、設計上の制限やスペースの制約によりカウンターフローが実現できない場合によく使用されます。

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