カテゴリーアーカイブ 向流熱交換器

向流は並流よりもなぜ効率的なのでしょうか?

熱交換器において、向流(カウンターフロー)は並流よりも効率が良いとされています。これは、熱交換器全体にわたって2つの流体間の温度差(ΔT)をより大きく一定に保ち、熱伝達を最大化するためです。詳しい説明は以下のとおりです。

1. 温度勾配と熱伝達

  • 逆流:
    • 向流では、流体は反対方向に流れます(例:高温の流体が一方の端から流入し、低温の流体が反対側の端から流入します)。これにより、熱交換器の全長にわたってほぼ一定の温度差(ΔT)が生じます。
    • 高温流体の最高温度(入口)が低温流体の出口に接触し、低温流体の最低温度(入口)が高温流体の出口に接触します。これにより、低温流体の温度が高温流体の入口温度に近づき、熱伝達が最大化されます。
    • 例: 高温の流体が 100°C で流入して 40°C で流出し、低温の流体が 20°C で流入した場合、90°C 近くで流出することができ、高い熱伝達率を実現します。
  • 並列フロー:
    • 並流では、両方の流体が同じ方向に流れるため、最大の ΔT は入口で発生しますが、両方の流体が交換器に沿って同様の温度に近づくにつれて、ΔT は急速に減少します。
    • 冷たい流体の出口温度は熱い流体の出口温度を超えることができないため、伝達される熱の総量は制限されます。
    • 例: 高温の流体が 100°C で流入し、60°C で流出する場合、20°C で流入する低温の流体は 50°C 程度にしか達せず、熱伝達が少なくなります。

なぜそれが重要なのか熱伝達率(Q)はΔTに比例します(Q = U × A × ΔT、Uは熱伝達係数、Aは表面積)。向流式ではΔTが大きく一定であるため、平均熱伝達率が高くなり、効率が向上します。

2. 対数平均温度差(LMTD)

  • 熱交換器の効率は、多くの場合、熱伝達を促進する平均温度差を表す対数平均温度差 (LMTD) を使用して定量化されます。
  • 逆流熱交換器全体にわたって温度差が比較的一定に保たれるため、LMTDが高くなります。これにより、同じ表面積でより多くの熱を伝達できます。
  • 並列フロー出口に向かって温度差が大幅に低下し、熱伝達の駆動力が減少するため、LMTD は低くなります。
  • 結果同じ熱交換器のサイズの場合、向流の方が LMTD が高いためより多くの熱を伝達します。または、同じ熱伝達を達成するために必要な表面積が小さいため、よりコンパクトで効率的です。

3. 最大限の熱回収

  • 向流では、冷たい流体は理論的には熱い流体の入口温度に到達できるため(無限に長い熱交換器内)、ほぼ完全な熱回収が可能になります(例:Holtop の 3D クロス向流熱交換器などの最新設計では 90~95% の効率)。
  • 並流の場合、冷流体の出口温度は温流体の出口温度によって制限され、キャッピング効率(通常60~80℃)に影響されます。そのため、向流はエネルギー回収換気や最大限の熱回収が重要な産業プロセスなどの用途に最適です。

4. 実用的な意味合い

  • 逆流: 安定したΔTにより必要な伝熱面積が削減され、高性能アプリケーションにおいてより小型でコスト効率の高い設計が可能になります。HVAC、産業用冷却システム、エネルギー回収システムなどで広く使用されています。
  • 並列フローΔTの急激な低下により、同等の熱伝達を実現するためにはより大きな伝熱面積が必要となり、材料とスペースの要件が増加します。これは、基本的なラジエーターや教育設備など、よりシンプルで効率がそれほど重要でない用途で使用されます。

視覚的な説明(簡略版)

  • 逆流高温流体(100℃~40℃)と低温流体(20℃~90℃)を想像してみてください。熱交換器全体で温度差が比較的高く(例えば約20~60℃)、効率的な熱伝達が促進されます。
  • 並列フロー同じ流体は大きな ΔT (100°C – 20°C = 80°C) で始まりますが、すぐに収束し (例: 60°C – 50°C = 10°C)、駆動力が低下して効率が制限されます。

結論

向流は、熱交換器全体にわたってより大きく安定した温度差(ΔT)を維持するため、より効率的です。その結果、LMTDが高くなり、同じ表面積でより多くの熱伝達が得られます。そのため、エネルギー回収や産業プロセスなど、高効率が求められる用途では向流が好まれます。一方、並流はよりシンプルですが効率は低く、要求の厳しい用途には適しています。

向流熱交換器と並流熱交換器

Counterflow and parallel flow heat exchangers are two primary configurations for heat transfer between two fluids, differing in the direction of fluid flow and their impact on efficiency, temperature profiles, and applications. Below is a concise comparison based on their design, performance, and use cases.

1. Flow Configuration

  • Counterflow Heat Exchanger:
    • Fluids flow in opposite directions (e.g., hot fluid enters at one end, cold fluid at the opposite end).
    • Example: Hot fluid flows left to right, cold fluid flows right to left.
  • Parallel Flow Heat Exchanger:
    • Fluids flow in the same direction (e.g., both hot and cold fluids enter at the same end and exit at the opposite end).
    • Example: Both fluids flow left to right.

2. Heat Transfer Efficiency

  • 逆流:
    • Higher efficiency: Maintains a larger temperature difference (ΔT) along the entire length of the exchanger, maximizing heat transfer per unit area.
    • Can achieve up to 90–95% thermal efficiency in well-designed systems (e.g., plate or tube exchangers).
    • The outlet temperature of the cold fluid can approach the inlet temperature of the hot fluid, making it ideal for applications requiring maximum heat recovery.
  • 並列フロー:
    • Lower efficiency: The temperature difference (ΔT) is highest at the inlet but decreases rapidly as both fluids approach thermal equilibrium along the exchanger.
    • Typically achieves 60–80% efficiency, as the cold fluid’s outlet temperature cannot exceed the hot fluid’s outlet temperature.
    • Less effective for applications needing near-complete heat transfer.

3. Temperature Profile

  • 逆流:
    • Temperature gradient is more uniform, with a near-constant ΔT across the exchanger.
    • Allows for a closer approach temperature (the difference between the hot fluid’s outlet and cold fluid’s inlet temperatures).
    • Example: Hot fluid enters at 100°C and exits at 40°C; cold fluid enters at 20°C and can exit close to 90°C.
  • 並列フロー:
    • Temperature difference is large at the inlet but diminishes along the exchanger, limiting heat transfer as fluids reach similar temperatures.
    • Example: Hot fluid enters at 100°C and exits at 60°C; cold fluid enters at 20°C and may only reach 50°C.

4. Design and Complexity

  • 逆流:
    • Often requires more complex piping or plate arrangements to ensure fluids flow in opposite directions, potentially increasing manufacturing costs.
    • Compact designs are possible due to higher efficiency, reducing material requirements for the same heat transfer rate.
  • 並列フロー:
    • Simpler design, as both fluids enter and exit at the same ends, reducing piping complexity.
    • May require a larger heat transfer area (longer or bigger exchanger) to achieve comparable heat transfer, increasing size and material costs.

5. Applications

  • 逆流:
    • Preferred in applications requiring high efficiency and maximum heat recovery, such as:
      • HVAC systems (e.g., energy recovery ventilators).
      • Industrial processes (e.g., chemical plants, power generation).
      • Wastewater heat recovery (e.g., shower heat exchangers).
      • Cryogenic systems where precise temperature control is critical.
    • Common in plate heat exchangers, double-pipe exchangers, and high-performance shell-and-tube designs.
  • 並列フロー:
    • Used in applications where simplicity is prioritized, or where complete heat transfer is not critical, such as:
      • Small-scale cooling systems (e.g., car radiators).
      • Processes where fluids must not exceed certain temperatures (e.g., to avoid overheating the cold fluid).
      • Educational or experimental setups due to simpler construction.
    • Common in basic tube-in-tube or shell-and-tube heat exchangers.

6. Advantages and Disadvantages

  • 逆流:
    • 利点:
      • Higher thermal efficiency, reducing energy losses.
      • Smaller size for the same heat transfer capacity.
      • Better suited for applications with large temperature differences.
    • Disadvantages:
      • More complex design and piping, potentially increasing costs.
      • May require additional measures to manage condensation or frost in cold environments.
  • 並列フロー:
    • 利点:
      • Simpler design, easier to manufacture and maintain.
      • Lower pressure drop in some cases, reducing pumping costs.
    • Disadvantages:
      • Lower efficiency, requiring larger heat transfer areas.
      • Limited by the outlet temperature constraint (cold fluid cannot exceed hot fluid’s outlet temperature).

7. Practical Considerations

  • 逆流:
    • Ideal for energy recovery systems (e.g., Holtop’s 3D cross-counterflow exchangers with 95% efficiency or RECUTECH’s RFK+ enthalpy exchangers).
    • Often equipped with features like hydrophilic coatings to manage condensation (e.g., Eri Corporation’s aluminum plate exchangers).
  • 並列フロー:
    • Used in applications where cost and simplicity outweigh efficiency needs, such as basic HVAC systems or small-scale industrial cooling.
    • Less common in modern high-efficiency designs due to performance limitations.

Summary Table

向流熱交換器はどのように機能しますか?

In the counterflow heat exchanger, two neighboring aluminum plates create channels for theair to pass through. The supply air passes on one side of the plate and the exhaust air onthe other. Airflows are passed by each other along parallel aluminum plates instead ofperpendicular like in a crossflow heat exchanger. The heat in the exhaust air is transferredthrough the plate from the warmer air to the colder air.
Sometimes, the exhaust air is contaminated with humidity and pollutants, but airflows nevermix with a plate heat exchanger, leaving the supply air fresh and clean.

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