JP2003130579A - シェルアンドチューブ式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 過大なコスト増を招くことがなく、かつ特別
な設計技術を要しない簡易な構造で、高温側チューブシ
ートの内部温度差に起因する熱応力を大幅に低減して、
耐用年数の延長・補修頻度の削減をしうるシェルアンド
チューブ式熱交換器を提供する。 【解決手段】 高温側チューブシート１の構造を冷却層
Ｅを有する二重管板方式（１ａ、１ｂ）とし、冷却層Ｅ
内に、側壁部Ｅａに設けられた複数本の冷却空気ノズル
４より冷却空気を供給するとともに、使用済みの冷却空
気は冷却層Ｅに連通して設けた冷却空気排出管６により
排出するように構成し、さらに、複数本のノズル４のう
ち少なくとも１本のノズル４の先端４ａを伝熱チューブ
群３の内側まで延伸して、チューブシート１ｂの最も高
温となる中心部近傍を集中的に冷却することにより、チ
ューブシート１ｂの内部温度差を縮小する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シェルアンドチュ
ーブ式熱交換器に関するものであり、特に二重管板方式
の高温側チューブシートの冷却方法の改善に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】シェルアンドチューブ方式熱交換器は、
熱源流体入口ヘッダ及び熱源流体出口ヘッダ間に連結す
る外筒内部に挿通する複数本の伝熱チューブに熱源流体
を流通させ、この伝熱チューブを介して放熱される熱
を、これら各伝熱チューブ間に供給する予熱流体に伝熱
することにより熱交換を行う多管式熱交換器であって、
高温側（熱源流体入口側）の管板（チューブプレート）
を二重管板方式とし、この管板間の冷却空気通風空間
（冷却層）に外部より冷却空気を導入しチューブシート
を強制冷却することにより伝熱チューブと高温側のチュ
ーブシートの溶接部温度を低下させて、溶接部の強度の
向上と構造的欠陥を改善し耐用年数の向上・補修頻度の
削減を図っている。

【０００３】図７は、従来のシェルアンドチューブ方式
熱交換器の高温側チューブシート部を示す図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。高温側チュー
ブシートの構造は図７（ｂ）に示すように、予熱流体が
流入する側の第１チューブシート１ａと熱源側の第２チ
ューブシート１ｂで構成される二重管板方式が採用さ
れ、この二重管板により区画される部分が冷却層Ｅとな
るように構成されている。そして、複数の伝熱チューブ
３がチューブシート１ａおよび１ｂを貫通して、その開
口部が熱源流体入口ヘッダ２の内部に臨んでいる。各伝
熱チューブ３には冷却層Ｅの区間でカラーパイプ９が外
装され、各カラーパイプ９とチューブシート１ａ及び１
ｂとの貫通部が溶接によりシールされている。また、第
２チューブシート１ｂの熱源流体入口ヘッダ２側には第
２チューブシート１ｂの保護が目的の断熱材７とヘッダ
耐火物８が施工されている。そして、冷却層Ｅの側壁Ｅ
ａには複数本（図７（ａ）では６本）の冷却空気ノズル
４が取り付けられ、各冷却空気ノズル４の先端４ａが伝
熱チューブ群３の外周を取り囲むように配置されてい
る。また、図７（ｂ）に示すように、伝熱チューブ群３
の中心に位置する伝熱チューブ３が一本削除され、その
代わりに冷却空気排出管６が配置されている。冷却空気
排出管６は、その一端の開口部が冷却層Ｅの内部に臨む
ようにされ、かつ、図示していないが、他端の開口部が
予熱流体入口近傍で予熱流体中に臨むようにされ、使用
済みの冷却空気、すなわち冷却吸熱したホットエアーが
冷却空気排出管６を介して予熱流体に合流する。

【０００４】ところが、この冷却方式では、冷却層Ｅ外
周部から冷却空気を吹き込み、冷却層Ｅの中心部から使
用済みの冷却空気を排出するため、一般にチューブシー
ト１ｂは中心部近傍で温度が高く、外周部で温度が低く
なる。そのため、チューブシート１ｂの中心部近傍と外
周部とで熱歪みの程度が異なることにより熱応力が発生
する。また温度が高くなるほど材料強度が低下するの
で、最も温度の高い中心部近傍（特にカラーパイプ９と
の溶接部）においてチューブシート１ｂの寿命が左右さ
れることになる。この冷却方式では、中心部近傍の温度
を低下させて中心部近傍の材料強度の低下を防止する目
的で冷却空気吹込み量を増加させても、チューブシート
１ｂの外周部がさらに冷却されて中心部近傍と外周部と
の温度差は解消されず熱応力が除去されないので、寿命
延長の効果は小さい。さらに、冷却空気吹込み量を増加
させるためには、冷却空気吹込み圧を上昇させる必要が
あり、昇圧機の増強や電力使用量の増加などによってコ
ストアップとなる不都合も生じる。

【０００５】一方、特開平１１−５１５８８号に開示さ
れた発明は、冷却空気ノズルを上方から熱源流体入口ヘ
ッダを貫通させて冷却層中心部に差し込んで冷却空気を
冷却層中心部から吹込み、使用済みの冷却空気（ホット
エアー）は冷却層の側壁に設けた複数の冷却空気排出口
から排出するようにしたものであり、冷却層の中心部の
温度を低下させてチューブシートの中心部と外周部との
温度差を縮小することにより熱応力を低減させるという
ものである。しかしながら、冷却空気ノズルは熱交換器
の最も高温部である熱源流体入口ヘッダ内を通過させる
必要があり、その耐熱性を確保するため、冷却空気ノズ
ルに高価な耐熱材料を用いたり、複雑な構造を施す必要
があり、大幅なコスト増を要し実現性に乏しい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的
は、過大なコスト増を招くことがなく、かつ簡易な構造
でチューブシートの熱応力を大幅に低減して、耐用年数
の延長・補修頻度の削減をしうるシェルアンドチューブ
式熱交換器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、できるだけ従
来のシェルアンドチューブ式熱交換器の構成を活かしつ
つ、最小限の設備変更により、上記の目的を達成するも
のであり、その要旨は以下の通りである。

【０００８】請求項１の発明は、予熱流体の入出口を設
けた外筒と、この外筒の一端に配置される高温側チュー
ブシートと、この外筒の他端に配置される低温側チュー
ブシートと、前記高温側チューブシートを介して連結さ
れる熱源流体入口ヘッダから前記低温側チューブシート
を介して連結される熱源流体出口ヘッダへ連通する複数
本の伝熱チューブとを有し、少なくとも前記高温側チュ
ーブシートを冷却層を有する二重管板方式とし、この冷
却層内に、該冷却層の側壁部に設けられた複数本の冷却
空気ノズルより冷却空気を供給するとともに、該冷却空
気は冷却層に設けた冷却空気排出管を介して排出するよ
うに構成し、前記複数本の冷却空気ノズルのうち少なく
とも１本の冷却空気ノズルの先端を前記複数本の伝熱チ
ューブ群の内側まで延伸したことを特徴とするシェルア
ンドチューブ式熱交換器である。

【０００９】請求項２の発明は、予熱流体の入出口を設
けた外筒と、この外筒の一端に配置される高温側チュー
ブシートと、この外筒の他端に配置される低温側チュー
ブシートと、前記高温側チューブシートを介して連結さ
れる熱源流体入口ヘッダから前記低温側チューブシート
を介して連結される熱源流体出口ヘッダへ連通する複数
本の伝熱チューブとを有し、少なくとも前記高温側チュ
ーブシートを冷却層を有する二重管板方式とし、この冷
却層内に、該冷却層の側壁部に設けられた複数本の冷却
空気ノズルより冷却空気を供給するとともに、該冷却空
気は冷却層に設けた冷却空気排出管を介して排出するよ
うに構成し、前記冷却層内に前記複数本の伝熱チューブ
群全体を取り囲む隔壁を設け、この隔壁内に前記複数本
の冷却空気ノズルを連通させるように構成したことを特
徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器である。

【００１０】請求項３の発明は、予熱流体の入出口を設
けた外筒と、この外筒の一端に配置される高温側チュー
ブシートと、この外筒の他端に配置される低温側チュー
ブシートと、前記高温側チューブシートを介して連結さ
れる熱源流体入口ヘッダから前記低温側チューブシート
を介して連結される熱源流体出口ヘッダへ連通する複数
本の伝熱チューブとを有し、少なくとも前記高温側チュ
ーブシートを冷却層を有する二重管板方式とし、この冷
却層内に、該冷却層の側壁部に設けられた複数本の冷却
空気ノズルより冷却空気を供給するとともに、該冷却空
気は冷却層に設けた冷却空気排出管を介して排出するよ
うに構成し、前記冷却層の前記熱源流体入口ヘッダ側の
内面のうち少なくとも外周部に断熱材を配したことを特
徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器である。

【００１１】請求項４の発明は、さらに前記複数の冷却
空気ノズルのうち少なくとも１つの冷却空気ノズル先端
を前記複数本の伝熱チューブ群の内側まで延伸したこと
を特徴とする請求項２又は３に記載のシェルアンドチュ
ーブ式熱交換器である。

【００１２】請求項５の発明は、前記複数の冷却空気ノ
ズルの先端部に複数の噴射孔を設けたことを特徴とする
請求項１〜４のいずれかに記載のシェルアンドチューブ
式熱交換器である。

【００１３】本発明によれば、複数本の冷却空気ノズル
のうち少なくとも１本の冷却空気ノズルの先端を前記複
数本の伝熱チューブ群の内側まで延伸したことにより、
冷却空気がこの延伸した冷却空気ノズル先端位置より中
心側に集中的に吹き付けられ、チューブシートの中心近
傍が効率的に冷却されるのでチューブシートの中心部近
傍と外周部との温度差を縮小でき、熱応力を低減でき
る。

【００１４】あるいは、冷却層内に伝熱チューブ群全体
を取り囲む隔壁を設け、この隔壁内に複数本の冷却空気
ノズルを連通させるようにしたことにより、伝熱チュー
ブ群と冷却層側壁との間の空間部（チューブシート外周
部）に流れる冷却空気量を少なくし、冷却空気が中心部
に集中的に流れるようにしたので、上記と同様の効果が
得られる。

【００１５】あるいは、前記冷却層の前記熱源流体入口
ヘッダ側の内面のうち少なくとも外周部に断熱材を配し
たことにより、チューブシートの少なくとも外周部の過
冷却を防止するとともに、冷却空気が外周部で過度に加
熱されないため中心部近傍の冷却を促進するので、チュ
ーブシートの中心部近傍と外周部との温度差を縮小で
き、熱応力を低減できる。

【００１６】また、冷却層内に伝熱チューブ群全体を取
り囲む隔壁を設け、この隔壁内に複数の冷却空気ノズル
を連通させるとともに、これらのノズル先端のうち少な
くとも１つのノズル先端を伝熱チューブ群の内側まで延
伸することにより、さらに集中的に中心近傍が冷却され
るので、チューブシートの中心部近傍と外周部との温度
差がより一層縮小でき、さらに熱応力を低減できる。

【００１７】また、前記冷却層の内面のうち少なくとも
前記熱源流体入口ヘッダ側の内面の外周部に断熱材を配
するとともに、ノズル先端のうち少なくとも１つのノズ
ル先端を伝熱チューブ群の内側まで延伸することによ
り、少なくとも外周部の過冷却を防止するとともに中心
近傍がさらに効率的に冷却されるので、チューブシート
の中心部近傍と外周部との温度差がより一層縮小でき、
さらに熱応力を低減できる。

【００１８】また、冷却空気ノズルの各先端部に複数の
噴射孔を設けたことにより、冷却空気を分散噴射してノ
ズル出口近傍の局所的な過冷却を防止でき、局所的な熱
応力の発生をも防止できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るシェルアンド
チューブ式熱交換器の実施の形態について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図１は、本発明（請求項１）に
係るシェルアンドチューブ式熱交換器の冷却層を示し、
（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図２は、本発
明（請求項２）に係るシェルアンドチューブ式熱交換器
の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図であ
る。図３は、本発明（請求項３）に係るシェルアンドチ
ューブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、
（ｂ）は断面図である。

【００２０】本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交
換器は、予熱流体の入出口（図示せず）を設けた外筒で
ある熱交換器枠体１０と、この熱交換器枠体１０の一端
に配置される高温側チューブシート１と、この熱交換器
枠体１０の他端に配置される低温側チューブシート（図
示せず）と、高温側チューブシート１を介して連結され
る熱源流体入口ヘッダ２から低温側チューブシートを介
して連結される熱源流体出口ヘッダ（図示せず）へ連通
する複数本の伝熱チューブ３とを有し、高温側チューブ
シート１を冷却層Ｅを有する二重管板方式としている。

【００２１】そして、この冷却層Ｅの構造は、図１〜３
に示すように、冷却空気ノズル４と隔壁５以外は前述の
図７で説明した従来法の冷却層の構造と共通である。す
なわち、図１（ｂ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）に示すよ
うに、冷却層Ｅは、高温側チューブシートの構造を予熱
流体が流入する側の第１チューブシート１ａと熱源側の
第２チューブシート１ｂで構成される二重管板方式と
し、この二重管板により区画される部分として構成され
ている。そして、複数の伝熱チューブ３がチューブシー
ト１ａおよび１ｂを貫通して、その開口部が熱源流体入
口ヘッダ２の内部に臨んでいる。各伝熱チューブ３には
冷却層Ｅの区間でカラーパイプ９が外装され、各カラー
パイプ９とチューブシート１ａ及び１ｂとの貫通部が溶
接によりシールされている。また、第２チューブシート
１ｂの熱源流体入口ヘッダ２側には第２チューブシート
１ｂの保護が目的の断熱材７とヘッダ耐火物８が施工さ
れている。また、伝熱チューブ群３の中心に位置する伝
熱チューブ３が一本削除され、その代わりに冷却空気排
出管６が配置されている。冷却空気排出管６は、その一
端の開口部が冷却層Ｅの内部に臨むようにされ、かつ、
図示していないが、他端の開口部が予熱流体入口近傍で
予熱流体中に臨むようにされ、使用済みの冷却空気、す
なわち冷却吸熱したホットエアーが冷却空気排出管６を
介して予熱流体に合流するように構成されている。

【００２２】本発明の第１の実施の形態は、図１に示す
ように冷却空気ノズル４の先端４ａを伝熱チューブ群３
の内側まで延伸させたものである。ところで、伝熱チュ
ーブ群３は通常、図１に示すように千鳥格子状に配置さ
れるので、冷却空気ノズル４を冷却層Ｅの側壁Ｅａに従
来法と同様に垂直に設置したのでは、伝熱チューブ群３
の奥までノズル先端４ａを十分に差し込めない場合が多
い。したがって、このような場合には、図１に示すよう
に、伝熱チューブ３が最も密に一直線上に並ぶ方向（例
えばＡＡ方向）に沿わせてノズル先端４ａを差し込めば
よい。なお、ノズル先端４ａを伝熱チューブ群３の内部
に差し込む際に伝熱チューブ３と緩衝しないように、ノ
ズル先端４ａ部分の外径は、隣り合う一直線上の伝熱チ
ューブ列（例えばＡＡ列とＢＢ列）の間隙ｄより少し小
さ目にしておく。また、ノズル先端４ａの位置は、最も
高温となる中心部近傍の伝熱チューブ３ａや３ｂ（後述
の実施例参照）の部分に直接冷却空気が吹き付けられる
位置とすることが好ましい。そして、従来法と同様、冷
却層の側壁Ｅａ周方向に複数の冷却空気ノズル４を設置
する（図１においては円周方向に等間隔に６本設置）こ
とが好ましい。また、これら複数のノズル４から吹き込
まれた冷却空気が前記最も高温となる３ａ、３ｂの周辺
部分に沿って円周方向に回転する（攪拌する）流れとな
るようにしてこの部分の冷却効率を高めるため、ノズル
先端４ａの向きを冷却層Ｅ中心から少し側壁Ｅａ側へず
らして設置することが好ましい。さらに、冷却空気ノズ
ル先端４ａ近傍におけるチューブシート１ｂの急冷を避
けるため、例えば、図示していないが、ノズル４ａ最先
端端面にノズル４ａ前方方向へ向かう噴射孔を複数個設
けることやノズル４ａ先端部側面にノズル４ａ横方向へ
向かう噴射孔を複数個設けること等が好ましい。なお、
図１においては、複数本（６本）の冷却空気ノズル４の
先端４ａのすべてを伝熱チューブ群３内に延伸している
が、必ずしもこれに限られるものではなく、チューブシ
ート１ｂの冷却状況により、例えば、６本のうち３本の
みを伝熱チューブ群３内側に延伸し、残りの３本は伝熱
チューブ群３外側に残しておいてもよい。

【００２３】次に、本発明の第２の実施の形態は、図２
に示すように伝熱チューブ群３全体を、円筒状の隔壁５
で取り囲むように設置するとともに、隔壁５の側面から
冷却空気ノズル先端４ａを差し込んでおくものである。
ここで、隔壁５内周辺部への冷却空気の流れをできるだ
け少なくするため、隔壁５の内径は伝熱チューブ群３全
体が丁度入る程度にできるだけ小さくしておくことが好
ましい。また、隔壁５の高さは冷却層Ｅの高さ内に容易
に嵌め込めるよう冷却層Ｅの高さより少し低くしておく
ことが好ましい。なお、隔壁５とチューブシート１ａ、
１ｂとの間に若干の隙間が存在しても少量の冷却空気が
隔壁５の外側に漏れるだけであるので問題はなく、むし
ろ新たな熱応力の発生の回避やメンテナンスの容易さ等
を考慮して隔壁５とチューブシート１ａ、１ｂとは溶接
等により接合しない方がよい。また、冷却空気ノズル先
端４ａが差し込まれた隔壁５の孔部にも同様の理由で溶
接等を施す必要はない。また、隔壁５の形状は、必ずし
も円筒形である必要はなく、水平断面が多角形状等であ
ってもよい。さらに、冷却空気ノズル先端４ａを、図１
と同様、伝熱チューブ群３の内部に差し込む構造とする
ことがより好ましい。また、冷却空気ノズル４ａ先端部
に、上述と同様の複数の噴射孔を設けることが好まし
い。なお、隔壁５は鉄、鋼、ステンレスや耐火物等が使
用できる。また、隔壁５の外周側に断熱材を設置するこ
とも好ましい。

【００２４】次に、本発明の第３の実施の形態は、図３
に示すように冷却層Ｅの熱源流体入口ヘッダ２側の内面
（すなわちチューブシート１ｂの下面）のうち外周部に
断熱材１１を設置したものである。なお、断熱材１１の
設置範囲は外周部のみに制限されるものではなく、必要
に応じて冷却層Ｅの中心方向及び／又はチューブシート
１ａ側へ範囲を広げて設置してもよい。断熱材１１の設
置が容易でかつ周辺部の過冷却を効果的に防止できるよ
う、カラーパイプ９（冷却チューブ３）群と緩衝しない
範囲でできるだけ広げて設置することが推奨される。断
熱材１１の種類は特に限定されないが、設置の容易さを
考慮して、グラスウールやキャスタブルを用いるのが好
ましい。例えば断熱材１１としてグラスウールを用い、
図３に示すように冷却層側壁Ｅａ内周に上向きコニカル
状に取り付けた耐火物支持プレート１２で支持・固定す
ることによって所定の部位に容易に設置することができ
る。さらに、冷却空気ノズル先端４ａを、図１と同様、
伝熱チューブ群３の内部に差し込む構造とすることがよ
り好ましい。また、冷却空気ノズル４ａ先端部に、上述
と同様の複数の噴射孔を設けることが好ましい。

【００２５】なお、上記第１〜第３の実施の形態におい
ては、冷却空気排出管６がチューブシート１ａの中心部
にあるものを説明したが、チューブシート１ａの周辺部
から予熱流体に合流させてもよい。

【００２６】

【実施例】本発明の効果を確認するため、従来法と本発
明法とにおけるチューブシート１ｂの温度分布を伝熱計
算により求め比較した。

【００２７】従来法（比較例）は、図７に示す配置であ
り、内径６００ｍｍ、高さ８０ｍｍの冷却層Ｅ内に、外
径５０ｍｍのカラーパイプ９（外径３５ｍｍの伝熱チュ
ーブ３）が中心間距離７０ｍｍで千鳥格子状に３重に配
置されている。なお、冷却層Ｅの中心には、外径４０ｍ
ｍの冷却空気排出管６が設けられている。チューブシー
ト１ｂは厚さ１２ｍｍのステンレス鋼製で、その上面側
（熱源流体入口ヘッダ２側）は厚さ５０ｍｍの断熱材７
で覆われ、さらにその断熱材７の上面に厚さ１００ｍｍ
のヘッダ耐火物８が施されている。冷却空気ノズル４は
冷却層側壁Ｅａに対して垂直に円周方向等間隔に６本設
置され、ノズル先端４ａは伝熱チューブ群３の外側に位
置し、各ノズル先端４ａには１２ｍｍ径の噴射孔が１個
設けられている。伝熱計算は、熱源流体入口温度を８５
０℃の気体、予熱流体出口温度を６５０℃の気体、冷却
空気を入口温度５０℃とし、冷却空気吹込み量を冷却空
気ノズル１本当たり３００ｍ³（標準状態）／ｈとし
て、カラーパイプ９（伝熱チューブ３）からチューブシ
ート４ｂに伝わる熱量、熱源流体ヘッダ２内の熱源流体
からヘッダ耐火物８および断熱材７を介してチューブシ
ート１ｂに伝わる熱量、冷却層Ｅ下面のチューブシート
１ａからその下方の予熱流体へ放熱される熱量、チュー
ブシート側壁Ｅａから熱交換器枠体１０を介して外気へ
と散逸する熱量等を考慮した３次元定常伝熱方程式を数
値解法で解くことにより行い、これからチューブシート
１ｂの温度分布を求めた。

【００２８】本発明としては、図１に示す構造のもの
（本発明例１）、図２に示す構造のもの（本発明例
２）、図３に示す構造のもの（本発明例３）のそれぞれ
について、上記比較例と同様の伝熱計算を実施した。

【００２９】本発明例１〜３はすべて、冷却層Ｅ、カラ
ーパイプ８（伝熱チューブ３）、チューブシート１ｂの
寸法・配置は比較例と同じとし、また冷却空気ノズル４
ａ先端部の噴射ノズルの径および個数と冷却空気吹込み
量も比較例と同じとした。

【００３０】本発明例１の冷却空気ノズル４は、図１に
示すように、各ノズル先端４ａの差し込み位置を、最も
内側の六角形状に配置された６本のカラーパイプ９ａ
（１重目のカラーパイプ）と、その外側を取り囲む六角
形状に配置された１２本のカラーパイプ９ｂ（２重目の
カラーパイプ）との間とし、かつ、各ノズル先端４ａの
位置を２重目の隣り合うカラーパイプ９ｂの間に配し
た。

【００３１】本発明例２は、内径２３５ｍｍ（高さは冷
却層高さと同じ）の円筒状のステンレス鋼製隔壁５をカ
ラーパイプ９（伝熱チューブ３）群全体を取り囲むよう
に設置し、冷却空気ノズル４は、比較例と同様の冷却層
Ｅの側壁Ｅａに垂直に設置したまま、ノズル先端４ａを
隔壁５内部に突き出させた（ただし、カラーパイプ９
（伝熱チューブ３）群の内部には差し込まない）配置と
している。

【００３２】本発明例３の断熱材１１はグラスウールと
し、断熱材支持プレート１２はステンレス鋼製で、冷却
層側壁Ｅａ内周部に上向き角度４５°でコニカル状に取
り付けられ、冷却層側壁Ｅａから中心方向へ約３０ｍｍ
の範囲を断熱材１１で覆うようにしている。

【００３３】伝熱計算の結果を図４〜６に示す。図４
は、従来法（比較例）のチューブシート１ｂの温度分布
を等温線図で表したものである。なお、カラーパイプ９
（伝熱チューブ３）や冷却空気ノズル４等の機器の配置
が中心角６０°ごとに同一であることから温度分布も中
心角６０°ごとに同一であるので、その一部のみを示し
た。図４に示すように、白抜き部分のカラーパイプ９
（伝熱チューブ３）群の外側部分（円周側部分）は４８
５〜５２４℃程度と低い温度であるのに対し、カラーパ
イプ９（伝熱チューブ３）群の内部では中心に近づくに
したがい温度が上昇し、１重目のカラーパイプ９（伝熱
チューブ３）と２重目のカラーパイプ９（伝熱チューブ
３）との周辺（中心から約６０〜１５０ｍｍの範囲）で
最高６０２℃以上に到達している。なお、さらに中心に
近い中心から４０ｍｍ程度までの範囲では、冷却空気排
出管６の影響で５７６〜５８９℃程度に温度低下するこ
とが認められる。

【００３４】図４の温度分布より、チューブシート１ｂ
の中心から同一距離（すなわち同心円周上）における平
均温度を求め、図５にチューブシート１ｂにおける中心
からの距離と平均温度との関係を示した（なお、後述す
る理由により図６にも同じものを示した）。なお、平均
温度を求める際、カラーパイプ９（伝熱チューブ３）の
部分は除外して計算を行った。

【００３５】本発明例１〜３についても、チューブシー
ト１ｂの温度分布を求め（図示せず）、上記と同様にし
て中心からの距離と平均温度との関係を求めた。そし
て、図５に本発明例１および２の計算結果、図６に本発
明例３の計算結果を分け、それぞれ比較例と併せてプロ
ットした（図５と図６とに分けてプロットしたのは、本
発明例１〜３の計算結果が相互に近似しており、同一の
図にすべてをプロットすると判別しにくくなるためであ
る）。

【００３６】図５および図６に示すように、本発明例１
〜３の場合においてはともに、中心近傍（中心から６０
〜１５０ｍｍ）の平均温度は、従来法（比較例）に比
べ、１０℃程度低下している一方、周辺部（中心から２
４０〜３００ｍｍ）の平均温度は、逆に従来法（比較
例）に比べ、４０℃程度上昇している。したがって、本
発明により、チューブシート１ｂの内部温度差が従来法
に比べ大きく縮小できることが確認された。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、チ
ューブシートの内部温度差を大きく縮小できるので大幅
に熱応力が低減でき、耐用年数の延長・補修頻度の削減
を達成できる。また、高価な耐熱材料や複雑な構造を用
いることがないので、過大なコスト増を招くことがな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明（請求項１）に係るシェルアンドチュー
ブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）
は断面図である。

【図２】本発明（請求項２）に係るシェルアンドチュー
ブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）
は断面図である。

【図３】本発明（請求項３）に係るシェルアンドチュー
ブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）
は断面図である。

【図４】従来法（比較例）のチューブシートの温度分布
を表す等温線図である。

【図５】従来例と本発明例１および２について、チュー
ブシートにおける中心からの距離と平均温度との関係を
示すグラフ図である。

【図６】従来例と本発明例３について、チューブシート
における中心からの距離と平均温度との関係を示すグラ
フ図である。

【図７】従来のシェルアンドチューブ方式熱交換器の高
温側チューブシート部を示す図であり、（ａ）は平面
図、（ｂ）は断面図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ…チューブシート、 ２…熱源流体入口
ヘッダ、 ３，３ａ，３ｂ…伝熱チューブ、 ４…冷却
空気ノズル、４ａ…冷却空気ノズル先端、 ５…隔壁、
６…冷却空気排出管、 ７…断熱材、 ８…ヘッダ耐
火物、 ９…カラーパイプ、 １０…熱交換器枠体、
１１…断熱材、 １２…断熱材支持プレート Ｅ…冷却層、Ｅａ…冷却層側壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 迫田 健吾 兵庫県神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号 株式会社神戸製鋼所神戸本社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予熱流体の入出口を設けた外筒と、この
   外筒の一端に配置される高温側チューブシートと、この
   外筒の他端に配置される低温側チューブシートと、前記
   高温側チューブシートを介して連結される熱源流体入口
   ヘッダから前記低温側チューブシートを介して連結され
   る熱源流体出口ヘッダへ連通する複数本の伝熱チューブ
   とを有し、少なくとも前記高温側チューブシートを冷却
   層を有する二重管板方式とし、この冷却層内に、該冷却
   層の側壁部に設けられた複数本の冷却空気ノズルより冷
   却空気を供給するとともに、該冷却空気は冷却層に設け
   た冷却空気排出管を介して排出するように構成し、前記
   複数本の冷却空気ノズルのうち少なくとも１本の冷却空
   気ノズルの先端を前記複数本の伝熱チューブ群の内側ま
   で延伸したことを特徴とするシェルアンドチューブ式熱
   交換器。
2. 【請求項２】 予熱流体の入出口を設けた外筒と、この
   外筒の一端に配置される高温側チューブシートと、この
   外筒の他端に配置される低温側チューブシートと、前記
   高温側チューブシートを介して連結される熱源流体入口
   ヘッダから前記低温側チューブシートを介して連結され
   る熱源流体出口ヘッダへ連通する複数本の伝熱チューブ
   とを有し、少なくとも前記高温側チューブシートを冷却
   層を有する二重管板方式とし、この冷却層内に、該冷却
   層の側壁部に設けられた複数本の冷却空気ノズルより冷
   却空気を供給するとともに、該冷却空気は冷却層に設け
   た冷却空気排出管を介して排出するように構成し、前記
   冷却層内に前記複数本の伝熱チューブ群全体を取り囲む
   隔壁を設け、この隔壁内に前記複数本の冷却空気ノズル
   を連通させるように構成したことを特徴とするシェルア
   ンドチューブ式熱交換器。
3. 【請求項３】 予熱流体の入出口を設けた外筒と、この
   外筒の一端に配置される高温側チューブシートと、この
   外筒の他端に配置される低温側チューブシートと、前記
   高温側チューブシートを介して連結される熱源流体入口
   ヘッダから前記低温側チューブシートを介して連結され
   る熱源流体出口ヘッダへ連通する複数本の伝熱チューブ
   とを有し、少なくとも前記高温側チューブシートを冷却
   層を有する二重管板方式とし、この冷却層内に、該冷却
   層の側壁部に設けられた複数本の冷却空気ノズルより冷
   却空気を供給するとともに、該冷却空気は冷却層に設け
   た冷却空気排出管を介して排出するように構成し、前記
   冷却層の前記熱源流体入口ヘッダ側の内面のうち少なく
   とも外周部に断熱材を配したことを特徴とするシェルア
   ンドチューブ式熱交換器。
4. 【請求項４】 さらに前記複数の冷却空気ノズルのうち
   少なくとも１つの冷却空気ノズル先端を前記複数本の伝
   熱チューブ群の内側まで延伸したことを特徴とする請求
   項２又は３に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
5. 【請求項５】 前記複数の冷却空気ノズルの先端部に複
   数の噴射孔を設けたことを特徴とする請求項１〜４のい
   ずれかに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。