Toplotni izmenjevalnik je specializirana naprava, ki pomaga pri prenosu toplote iz ene tekočine v drugo. V nekaterih primerih lahko trdna stena loči tekočine in prepreči njihovo mešanje. Pri drugih izvedbah so lahko tekočine v neposrednem stiku med seboj. Pri najučinkovitejših toplotnih izmenjevalnikih je površina stene med tekočinami maksimirana, hkrati pa se zmanjša upor pretoka tekočine. Pri steni se včasih uporabljajo rebra ali valovi, da se poveča površina in povzroči turbulenca.
Pogoste naprave, ki vsebujejo toplotni izmenjevalnik, vključujejo klimatske naprave, hladilnike in grelnike prostorov. Te naprave se uporabljajo tudi pri kemični predelavi in proizvodnji električne energije. Morda je najbolj znan toplotni izmenjevalec avtomobilski radiator, ki hladi vročo tekočino radiatorja z izkoriščanjem pretoka zraka po površini radiatorja.
Obstajajo tri primarne pretočne ureditve s toplotnimi izmenjevalniki: nasprotni tok, vzporedni tok in prečni tok. V protitočnem izmenjevalniku tekočine vstopajo v izmenjevalnik z nasprotnih strani. To je najučinkovitejša zasnova, saj prenaša največjo količino toplote. V različici z vzporednim tokom tekočine prihajajo z istega konca in se premikajo vzporedno ena z drugo, ko tečejo na drugo stran. Prečni izmenjevalnik toplote premika tekočine pravokotno.
Obstajajo tudi štiri različne izvedbe toplotnih izmenjevalnikov: lupinasti in cevni, ploščni, regenerativni in vmesni tekoči ali trdni. Najbolj tipičen tip je dizajn lupine in cevi. Ta ima več rebrastih cevi. Ena od tekočin teče skozi cevi, medtem ko druga tekočina teče po njih, kar povzroči, da se segreje ali ohladi. V ploščnem izmenjevalniku toplote tekočina teče skozi pregrade. To povzroči, da se tekočine ločijo s ploščami z veliko površino. Ta vrsta izmenjevalnika je običajno učinkovitejša od zasnove lupine in cevi.
Regenerativni toplotni izmenjevalnik izkorišča toploto določenega procesa za segrevanje tekočine, uporabljene v istem procesu. Te so lahko izdelane z zasnovo lupine in cevi ali ploščo. Vmesni izmenjevalnik tekočine ali trdne snovi uporablja tekočine ali trdne snovi v njem, da zadrži toploto in jo premakne na drugo stran, da se sprosti. Ta metoda se običajno uporablja za hlajenje plinov ob hkratnem odstranjevanju nečistoč.