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プレート式空気予熱器（PAPH）：排ガス熱回収による燃料消費量と排出量の削減方法
プレート式空気予熱器が排ガス熱を回収して燃焼用空気を予熱し、燃料消費量と排出量を削減する仕組み。設計、用途、プレート式と回転式の比較、投資回収期間について解説。SHPHEによるエンジニアリングガイド。
もっと著者：エンジニアリング・インサイト・チーム
日付：2026年7月6日
マルチパス熱交換器は、単一のシェル内でプロセス流体を伝熱面を複数回通過させるように設計された熱交換装置です。流体が入口から出口まで一直線に流れるシングルパス式とは異なり、マルチパス式では内部のバッフルや仕切りを用いて、チューブバンドルやプレートコアを横切って流体の流れを往復させます。この長い流路によって流体の滞留時間が長くなり、高温流体と低温流体の間でより多くの熱が伝達されます。パス数（一般的には2、4、または6）によって、流体が伝熱面を通過する回数が決まり、これが全体の熱性能に直接影響します。
一般的な2パス構成では、流体は熱交換器に入り、最初のチューブまたはチャネル群を通過した後、リターンボンネットまたはヘッダーによって方向転換され、2番目のチューブまたはチャネル群を流れます。この流れの反転により、設計に応じて、シェル側流体とチューブ側流体の間に対向流または交差流パターンが形成されます。この機械的な配置により、2つの流体間の温度差がより長い有効長にわたって維持され、対数平均温度差（LMTD）が向上します。高効率が求められる用途では、熱交換器の設置面積を増やすことなく温度差をより近づけることができるため、マルチパス設計が好まれることがよくあります。
多段式熱交換器の内部構造は、パス仕切り板、バッフル、そして場合によってはU字管または直管束に配置された複数のチューブパスで構成されています。シェル側の流体は、セグメントバッフルを用いて複数のパスに流すことで乱流を発生させ、熱伝達係数を向上させることができます。この構成は、粘性流体や高い熱回収率が求められる場合に特に効果的です。パス数を最適化することで、圧力損失と熱性能のバランスを取ることができ、多段式熱交換器は産業用加熱・冷却プロセスにおいて汎用性の高いソリューションとなります。
多段式熱交換器では、流体がコアを複数回通過するため、流れの特性が根本的に変化します。熱性能向上の主な要因は、各パス内での流体速度の大幅な増加です。同じ質量流量がパスごとに断面積の減少とともに流れるため、速度は比例して上昇します。この速度の上昇は、ヌッセルト数がレイノルズ数とともに増加するという古典的な相関式で示されるように、対流熱伝達係数を直接的に向上させます。
単なる流速増加にとどまらず、マルチパス構成は乱流を促進します。流体がパス間で方向を変えるたび（通常はヘッダーや旋回室を介して）、流れが乱され、層流境界層が破壊されて混合が誘発されます。乱流は壁面付近の熱抵抗を低減するため、層流よりもはるかに高い熱伝達係数を持ちます。繰り返し行われる流れの方向転換により、二次流や渦が発生し、境界層から流体本体へと熱が継続的に伝達されます。
流速の増加と持続的な乱流の複合効果により、総括熱伝達係数（U値）が向上します。これにより、多段式熱交換器は、単段式熱交換器に比べて伝熱面積を小さく抑えながら同等の熱負荷を処理できる、あるいは同じ設置面積内でより高い熱負荷に対応できます。エンジニアはこの原理を活用し、空調設備から化学プロセスまで、幅広い用途に対応するコンパクトで効率的な熱システムを設計しています。
多段式熱交換器の設計と性能最適化に関するより詳細な技術的理解については、以下の詳細な技術資料を参照してください。ガスケット付きプレート式熱交換器製品ページ。
熱交換器は熱管理システムにおいて重要な構成要素であり、パス数は熱伝達効率、圧力損失、およびシステム全体のコンパクトさに直接影響を与えます。シングルパス熱交換器では流体はコアを一度通過しますが、マルチパス設計では内部のバッフルやヘッダーを用いて流体を同じコア内を複数回通過させます。この根本的な違いにより、主要な運転パラメータにおいて明確な性能特性が生まれます。
以下の表は、同一の流量および熱負荷条件下における、シングルパス構成とマルチパス構成の比較性能指標をまとめたものです。
| パラメータ | シングルパス | マルチパス |
|---|---|---|
| 熱伝達係数（W/m²・K） | 800 - 1200 | 1400年 - 2000年 |
| 対数平均温度差（LMTD）補正係数 | 1.0（純粋な対向流） | 0.85 - 0.95 |
| 圧力降下（kPa） | 10 - 30 | 40～80 |
| 熱効率（％） | 55～70 | 75 - 90 |
| コアボリューム要件（相対値） | 1.0（基準値） | 0.6 - 0.8 |
| 流体速度範囲（m/s） | 0.5 - 1.5 | 1.0 - 3.0 |
データは、マルチパス熱交換器が、主にコア内の流体速度と乱流の増加により、著しく高い熱伝達係数と熱効率を達成することを明確に示しています。ただし、これは圧力損失の増加を伴うため、ポンプのサイズ選定で考慮する必要があります。コア容積の要件が小さいため、マルチパス設計は、例えば、スペースに制約のある設置において特に魅力的です。特注設計のプレート式空気予熱器そしてガスケット付きプレート式熱交換器。
実際の用途では、シングルパス構成とマルチパス構成の選択は、特定のプロセス要件に依存します。圧力損失が低いことが重要で、スペースに制約がない用途では、シングルパス設計が好ましい場合があります。逆に、マルチパス構成は、コンパクトさと優れた熱回収が優先される高効率の用途で優れています。HTブロック溶接プレート式熱交換器そしてTP溶接プレート式熱交換器。
高度なマルチパス設計、例えば以下のようなものカスタム設計されたプリント回路式熱交換器そして広間隔溶接プレート式熱交換器さらに、熱性能と水力抵抗のバランスを最適化する。加えて、特注設計のピロープレート特殊なプロセス環境において、多段パス処理の効率性を高める独自の流量分配機能を提供します。
熱交換器のパス数は、熱伝達係数と全体的な熱性能に直接影響を与えます。パス数を増やすと流体経路長が長くなり、高温流体と低温流体間の熱交換時間が長くなります。しかし、これにより熱交換器全体の圧力損失も増加するため、ポンプのコストやシステム上の制約とのバランスを慎重に考慮する必要があります。
圧力損失は、エネルギー消費量と機器のサイズ決定の両方に影響を与える重要なパラメータです。設計者は、熱伝達の向上と摩擦損失の増加とのトレードオフを評価する必要があります。チューブ径、バッフル間隔、流速を適切に選択することで、望ましい熱効率を維持しながら圧力損失を管理することができます。
熱応力は、熱交換器の構成部品、特にチューブとチューブシートの接合部およびシェル壁における温度勾配によって発生します。材料選定、伸縮継手、または柔軟な設計によって対処されない場合、熱膨張差は機械的故障につながる可能性があります。応力解析は、周期的な熱負荷下での長期的な信頼性を確保するために不可欠です。
詳細なエンジニアリングソリューションやカスタム設計については、当社の専門熱交換器製品をご覧ください。SHPHEグローバル。
マルチパス式熱交換器は、熱回収の最大化とエネルギー損失の最小化が重要な様々な産業分野で広く利用されています。同一ユニット内でプロセス流体を複数回通過させることで、滞留時間と熱伝達に利用できる表面積が大幅に増加し、全体的な効率が向上します。
化学プラントでは、蒸留、凝縮、反応器冷却などのプロセスにおいて、多段式熱交換器が不可欠です。熱伝達の向上により、精密な温度制御とエネルギー回収の改善が可能になり、運転コストが削減されます。一般的な機器には以下のようなものがあります。ガスケット付きプレート式熱交換器そしてTP溶接プレート式熱交換器どちらもマルチパス構成で利用可能です。
発電所では、給水加熱器、凝縮器、空気予熱器にマルチパス設計を採用して熱効率を高めています。マルチパス構成により、排ガスや蒸気が排出される前に作動流体に最大限の熱を伝達します。高温用途では、特注設計のプレート式空気予熱器そしてHTブロック溶接プレート式熱交換器一般的に指定される。
商業用および産業用空調設備において、マルチパス熱交換器は、チラー、ヒートポンプ、冷却塔の効率を向上させます。伝熱面積が増加することで、高い性能を維持しながらコンパクトな設計が可能になります。広間隔溶接プレート式熱交換器粘性の高い流体や微粒子を含む流体に対して特に効果的です。
これらの業界では、厳格な温度管理と衛生的な設計が求められます。マルチパス構成により、デリケートな製品を穏やかかつ効率的に加熱または冷却することができ、熱による劣化を軽減します。特注設計のピロープレートそしてプリント回路式熱交換器コンパクトな設置面積で、精密な熱管理を実現します。
上流工程から下流工程の精製まで、マルチパス熱交換器は高圧と腐食性流体に対応しながら熱回収を最大化します。ガス処理、原油加熱、廃熱回収装置において重要な役割を果たします。TP溶接プレート式熱交換器耐久性と効率性の高さから好まれている。
当社は、企業のグローバル展開を支援する包括的な貿易ソリューションを提供します。
工業炉やボイラーの排ガスには、膨大な量の未利用熱エネルギーが含まれています。SHPHEのカスタムプレート式空気予熱器（PAPH）は、この高温排ガスを捕捉し、貴重な廃熱を回収して、燃焼用空気またはプロセスガスに直接伝達するように設計されています。当社のカスタムシステムは、燃焼供給温度を大幅に上昇させることで、燃焼熱力学を最適化し、燃料の大幅な節約を実現するとともに、産業における炭素排出量と排出ガス量を大幅に削減します。過酷な排ガス環境にも耐えるように設計されたSHPHE PAPHシステムは、脱炭素規制への準拠と最大限の熱効率を優先する、現代のエネルギー集約型プラントにとって最適な選択肢です。
高粘度スラリー向けカスタム設計の目詰まり防止ソリューション：SHPHEのワイドギャップ溶接プレート式熱交換器は、深刻な産業汚染を克服するために特別に設計されており、高密度繊維、粗い結晶、または固体懸濁液を含む複雑な媒体を目詰まりなく処理できるように設計されています。各非閉塞チャネルは、流体の正確なレオロジーと粒径に一致するレーザー溶接プレートパックによって計算および形成され、構造的な「デッドゾーン」と媒体の停滞を完全に排除します。非常にコンパクトな垂直構成と汎用性の高い水平構成で利用可能で、当社の垂直設計は、プラントの設置面積を大幅に削減しながら、製品のスループットを妨げず、圧力損失を最小限に抑え、過酷なプロセスループ全体で完璧な連続運転を維持します。
1923年のプレート式熱交換器（PHE）の発明以来、熱技術は標準的な食品加工から高度に複雑な産業オペレーションへと進化を遂げてきました。SHPHEでは、この古典的で汎用性の高い設計をベースに、お客様独自のプロセス流体と熱負荷に合わせた、高度にカスタマイズされた熱伝達ソリューションを提供しています。従来のガスケット式PHEは高い効率性とコンパクトな設置面積を実現していますが、SHPHEはプレートの波形、冶金、シールシステムを最適化し、お客様固有の化学、HVAC、またはエネルギー回収パラメータに対応します。当社がカスタム設計したガスケット式プレート式熱交換器は、優れた拡張性とメンテナンスの容易さを備え、稼働時間、エネルギー回収、長期的な持続可能性が最優先事項となる石油・ガス、冶金、食品加工などの重工業にとって不可欠な資産となっています。
厳しいプロセス要件に対応するカスタム設計。SHPHEでは、単に機器を供給するだけでなく、お客様に合わせた熱ソリューションを設計します。当社のHT-Bloc溶接プレート式熱交換器は、高粘度媒体、極端な温度、厳しい設置スペースなど、お客様の業界特有の課題を克服するために、経験豊富なエンジニアによってカスタム構成されます。
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SHPHEのプリント回路式熱交換器（PCHE）は、マイクロチャネル熱管理におけるパラダイムシフトを象徴する製品であり、世界で最も重要かつ要求の厳しい産業環境向けに綿密に設計されています。超高圧環境における従来のシェルアンドチューブ設計の物理的限界を克服するために開発された当社のカスタムPCHEは、高度な光化学エッチングと固体拡散接合を統合することで、極限のストレス下でも比類のない安全性、熱効率、および完全性を提供します。航空宇宙や原子力発電といった重大なリスクを伴う分野で最初に導入されたPCHE技術は、高密度熱処理に革命をもたらしました。現在、SHPHEはこの画期的な技術を、LNG液化、超臨界CO²発電サイクル、炭化水素処理、高圧水素システムといった主流のエネルギー転換分野にもたらし、プラントがエネルギー回収を最大化し、漏洩ゼロの安全性を確保し、環境負荷を大幅に削減することを可能にします。
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20世紀半ばに、標準的なジャケット付き熱部品の製造上のボトルネックと重量制限を回避するために開発されたピロープレート（ディンプルプレートまたはエンボスプレートとも呼ばれる）は、精密流体壁工学に革命をもたらしました。SHPHEでは、この非常に柔軟性の高い技術を、オーダーメイドの産業用熱伝達統合の中核となる基盤へと昇華させています。最先端の自動CNCファイバーレーザー溶接技術を活用することで、当社のエンジニアは、お客様固有の流体特性、圧力制限、および容器構成に直接適合するよう、機械的な膨張プロファイルとスポットピッチグリッドをカスタマイズします。今日、SHPHEのカスタムピロープレートは、高度な熱性能、漏れのない安全性、衛生的な処理を優先する世界中の加工工場にとって不可欠な資産となっており、食品、医薬品、化学、およびバルク固体冷却分野における決定的なソリューションとして機能しています。
ユーザーコメント
実際のお客様からのサービス体験談
イーサン
プロセスエンジニア6か月前に、古いシェルアンドチューブ式熱交換器をこのマルチパス式熱交換器に交換しました。温度制御が格段に向上し、汚れによるダウンタイムも3分の1近く削減できました。粘性の高いポリマー溶融物も難なく処理してくれます。間違いなくアップグレードする価値がありました。
マヤ
HVACサービス技術者大型商業ビルのチラーループにこの製品を設置しました。マルチパス設計なので、小型ユニットを複数設置する場合と比べて設置面積を大幅に節約できます。星5つにしなかった唯一の理由は、最初の設置時にガスケットをはめ込むのが大変だったことですが、一度稼働し始めれば非常に安定しています。
リアム
醸造責任者中規模のクラフトビール醸造所にとって、麦汁冷却はこれまでボトルネックでした。このマルチパス熱交換器のおかげで、冷却時間を約40%短縮できました。洗浄も簡単で、ステンレス製の造りも最高品質です。もっと早く買っておけばよかったと後悔しているくらいです。
ソフィア
保守監督者当社では大量の汚れた冷却水をシステムに流していますが、このマルチパスユニットは旧型よりもスケール付着をはるかに効果的に防いでくれます。内部のパス構造が流速を十分に高く保ち、堆積物の付着を防いでいるようです。価格は安くはありませんが、清掃頻度が減ることで元が取れます。