JP2006528762A - 多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

加熱媒体又は冷却媒体特に加熱ガスを導く少なくとも１つの通路（４，５）を有する多管式熱交換器であって、管群（２）の管（３）が、通路縦軸線（６）に対して実質的に平行に通路（４，５）を通って延び、加熱媒体又は冷却媒体が、通路（４，５）のそれぞれの周壁（７，８）に交互に設けられて取付けられる環（９）及び円板（１０）により、通路（４，５）の軸線方向に見てジグザグに、実質的に円環状の断面を持つ通路（４，５）を通って導かれ、少なくとも１つの通路（４，５）において、環（９）及び円板（１０）が、円筒状切欠き（１１）により、通路（４，５）のそれぞれすべての管（３）を受入れかつ位置ぎめし、環（９）及び円板（１０）の周囲輪郭（１１）が媒体流通例（１３）で、管群の最も外側又は最も内側の管（３）の中心（１４，１５）にそれぞれ従い、周囲輪郭（１２）が、最も外側又は最も内側のすべての管（３）を包囲する辺（１６）を含んでいる。

Description

本発明は、加熱媒体又は冷却媒体特に加熱ガスを導く少なくとも１つの通路を有する多管式熱交換器であって、管群の管が、通路縦軸線に対して実質的に平行に通路を通って延び、加熱媒体又は冷却媒体が、通路のそれぞれの周壁に交互に設けられて取付けられる環及び円板により、通路の軸線方向に見てジグザグに、実質的に円環状の断面を持つ通路を通って導かれるものに関する。

多くの化学及び石油化学プロセスのために、管側及び周側（通路側）に異なるガス状及び／又は液状媒体を流される多管式熱交換器が必要とされる。通路側に、熱交換の熱伝達効率を高めかつ通路の管群の管を支持するため、特定の間隔において、転向板（環及び円板）が取付けられ、これらの転向板によりその間に、管群の管又は加熱面管に対して横に向く加熱媒体又は冷却媒体の流れが生じる。これらの流れ成分は加熱面管へ脈動する力を作用させることがあるので、これらの管が励振され、最悪の場合特に管の共振範囲における絶え間ない振動により、機械的に負荷される。

管の固有振動数は、主として管直径、管の壁厚、及び支持点（管を支持する管板、転向板）の間隔によって決定される。媒体（加熱媒体又は冷却媒体）の励振振動数は、媒体の速度及び管ピッチに関係している。管の固有振動数が励振振動数に一致すると、抑制できないほど大きい振幅を持つ共振を生じ、その結果管の高い機械的負荷及び亀裂又は他の機械的損傷の危険を生じる。

技術的慣習において共振の危険は、一般に例えばＴＥＭＡ規格（管形熱交換器製造者協会規格）又は他の一般に認められている方法により行われる振動分析によって、排除される。共振をなくすため、管を支持点の非常に短い間隔により補強することが必要である。縁管即ちそれぞれ外周範囲又は内周範囲にある管は１つおきの転向板により保持され、従って通路側で管群の外側管が環状板又は環により保持され、管群の内側管は円板により保持されるので、転向板の相互間隔は非常に小さく、それにより周側における高い圧力損失が生じることになる。

刊行物“Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｇａｓ Ｗａｓｔｅ Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｍｍｏｎｉａ，ｍｅｔｈｅｎｏｌ，ｈｙｄｒｏｇｅｎ ａｎｄ Ｃｏａｌ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｔｓ”，Ｄｅｕｔｓｃｈｅ Ｂａｂｃｏｃｋ．Ｂａｂｃｏｃｋ−Ｂｏｒｓｉｇ，Ｓｅｉｔｅ１４から２つのガス通路及び転向板を持つ多管式熱交換器が公知になっており、通路側で管群の外側管が環状板により保持され、管群の内側管が円板により保持される。

本発明の課題は、前記の欠点を回避する多管式熱交換器を提供するか、又は通路内の管群のそれぞれの管を確実に支持し、機械的損傷を生じることがある管群の管の共振を防止することである。

前記の課題は、請求項１の特徴によって解決される。この解決策によれば、少なくとも１つの通路において、環及び円板が、円筒状切欠き又は穴により、通路のそれぞれすべての管を受れかつ位置ぎめし、環及び円板の周囲輪郭が媒体流通例で、管群の最も外側又は最も内側の管の中心にそれぞれ従い、周囲輪郭が、最も外側又は最も内側のすべての管を包囲する辺を含んでいる。

本発明の有利な構成は従属請求項からわかる。

本発明による解決策によって、次の利点を持つ多管式熱交換器が得られる。
管群のすべての管が通路内で確実に支持され、かつ位置ぎめされ、管の第１調波振動の 振動数が、媒体流のため、いかなる場合にも励振振動数より上にあり、その結果管群の 管に共振は現われず、
個々の管の小さい支持間隔にもかかわらず、圧力損失は大して高まらない。

有利なように辺の幅は、管の外壁と周囲輪郭との間隔として少なくとも部分的に一定である。これは、前記の範囲において、最も外側又は最も内側の管の中心又は外壁と周囲輪郭との間で同じ間隔が優勢であり、これは構造及び製造の面から簡単化を意味する。

発明の有利な構成では、辺の幅が３〜１０ｍｍである。この構成により、管群の内側又は中心の管のみならず、それぞれの通路の最も外側又は最も内側の管も、受入れられかつ位置ぎめされる。特に有利な構成では、辺の幅が３ｍｍより小さく形成されている。この構成により、環又は円板の流通側で、加熱媒体又は冷却媒体の最大の通過断面が得られる。

周囲輪郭が、少なくとも部分的に最も外側又は最も内側の管の外側輪郭に波状に従っていることにより、製造、残っている流通断面等に関して有利な環又は円板の構成が行われる。有利に又は更に有利に、周囲輪郭が、少なくとも部分的に、２つ又はそれ以上の外側又は内側管中心の仮想結合線に対して平行に延びているようにすることができる。これは、充分な流通断面が環又は円板に存在し、従って周囲輪郭が各管断面に従っていなくてもよい時に、有利である。

多管式熱交換器内に１つより多い通路が存在する場合、２つ又はこれより多い通路が互いに同心的に設けられる。この手段によりこじんまりした熱交換器が得られる。

２つ又はそれより多い通路が存在する場合、周囲輪郭により形成される環及び円板が、１つの外側通路又は複数の外側通路に設けられていると、有利である。この手段により、転向板である環及び円板により生じる加熱媒体又は冷却媒体の圧力損失が小さく保たれる。

有利な構成では、それぞれの管群の管がＵ字状管又は直線管として形成されている。それにより本発明による熱交換器は異なる構成の管群を備えることができ、従って異なる使用事例に対して使用可能である。

本発明による環及び／又は円板を半月状に形成すると有利である。これにより、特に（Ｕ字状管の代わりに直線管を持つ）多管式熱交換器では、管の強い横からの流入従って高い熱伝達が生じる。

有利な構成では、断面側で通路内の管が、三角形又は四角形又は他の幾何学的ピッチ又は構造で設けられている。三角形状ピッチ又は構造は、特に熱交換器の高い圧力において有利である。なぜならば、それにより著しく大きく補強された管板が得られるからである。四角形又は他の幾何学的構造又は管ピッチは、中間圧力又は低い圧力に対して有利である。

図面により本発明の実施例が以下に説明される。

従来技術による多管式熱交換器１が図１からわかる。このような多管式熱交換器は、種々の化学及び石油化学プロセスのために必要とされる加熱媒体又は冷却媒体２０、最も多くの場合加熱ガスは、入口通路１８を通って１つ又は複数の通路又はガス通路４，５へ供給され、この通路又はこれらの通路において熱又は冷気が、通路内に延びる多数の管群２の管３又は加熱面管へ放出されて、加熱又は冷却すべき液状又はガス状媒体例えば水及び／又は蒸気を加熱又は冷却する。

図１による多管式熱交換器の構造は、中心に設けられる入口通路１８の周りに、半径方向に層状に互いに同心的に、第１のガス通路４又は通気路、第２のガス通路５又は通気路、及び出口通路１９が続くようになっている。通路４，５，１８，１９は、多管式熱交換器１の縦軸線に一致する共通な縦軸線６を持っている。入口通路１８の断面はなるべくほぼ円形であり、ガス通路４，５及び出口通路１９の断面はほぼ円環状である。

多管式熱交換器１の一方の端部で入口通路１８を通って流入する加熱媒体流又は冷却媒体流２０は、他方の端部で、管群２を受入れる管板又は端板１７により１８０°転向されて、第１のガス通路４又は通気路へ供給される。第１のガス通路４を通った後、更に１８０°の転向が行われ、第２のガス通路５へ加熱媒体流又は冷却媒体流２０の供給が行われる。最後に加熱媒体流又は冷却媒体流２０は、第２のガス通路５を通った後、管板１７により更に１８０°転向され、出口通路１９を通って熱交換器１から導出される。

ガス通路４，５内において、加熱媒体又は冷却媒体２０と管３内を循環して加熱又は冷却されるべき媒体との熱伝達又は冷気伝達の効率を高めるため、管３を特定の間隔で転向板により支持又は位置ぎめすることが行われる。それにより、加熱媒体流又は冷却媒体流２０が、ガス通路４，５を通って管３に対して平行に流れることなく、管３へ向かって横に又はほぼ横に流れ、従って著しく良好な熱伝達が行われるようにすることができる。ガス通路４，５の両方の周壁７，８（内周壁７及び外周壁８）に環９及び円板１０が交互に設けられ、従ってガス通路４，５のジグザグの加熱媒体流又は冷却媒体流が形成されるように、転向板が形成されている。ガス通路４，５内に延びる管群の外側の管３は、周壁８に取付けられる環９により、またガス通路４，５内に延びる管群の内側の管３は、周壁７に取付けられる円板１０により、支持されかつ位置ぎめされる。その際管３は、環９又は円板１０により、軸線方向に支持間隔Ｓ（２つの環９又は２つの円板１０の間隔）で支持され、円板１０の支持部は、軸線方向に見てそれぞれ環９の支持部の中間にある。

従来技術によるこの多管式熱交換器から出発して、本発明による多管式熱交換器１は、図２に示すように、少なくとも１つのガス通路４，５に環９及び円板１０を持ち、これらの環及び円板は、このガス通路４，５の管群のすべての管３を、それぞれ円筒状切欠き又は穴１１によりそれぞれ受入れるか又は位置ぎめする。更に本発明によれば、環９及び円板１０の周囲輪郭１２は、媒体流通側１３で、管群の最も外側又は最も内側の管３の中心１４，１５にそれぞれ従い、周囲輪郭１２は最も外側又は最も内側のすべての管３を包囲する辺１６を含んでいる。

環９又は円板１０の媒体流通側は、図３〜９に示すように、媒体流２０を通され従って環９と内周壁７との間又は円板１０と外周壁８との間に加熱媒体流又は冷却媒体流２０の自由通路又は流通路を形成する環９又は円板１０の側１３である。

流通側１３における環９又は円板１０の周囲輪郭１２は円形に形成されるのではなく、本発明により上述したように、管群の最も外側又は最も内側の管３の中心１４，１５に従い、即ち環９の周囲輪郭１２は最も内側の管３の中心１５に従い、円板１０の周囲輪郭１２は最も外側の管３の中心１４に従い、周囲輪郭１２はなおそれぞれ環材料又は円板材料又は辺１６を一緒に含み、それにより管群の各管３がこの辺１６により囲まれて（図３〜９参照）、最も内側又は最も外側の管３も横に確実に支持する。本発明による周囲輪郭１２により、転向板の流通側１３即ち環９及び円板１０の流通側における流れ断面が有利にできるだけ大きく保たれる。最も外側又は最も内側の管３と周囲輪郭１２との間の材料突出部又は辺１６の幅Ｂは、少なくとも部分的になるべく一定である。別の好ましい構成では辺１６の幅Ｂは３〜１０ｍｍであり、特に好ましい構成では辺１６の幅Ｂは３ｍｍより小さい。

環９又は円板１０の周囲輪郭１２は、図５及び６に示すように、最も外側又は最も内側の管３の外側輪郭に波状に従い、図７〜９による周囲輪郭１２は、有利に少なくとも部分的に前記の管外側輪郭に波状に従っている。図７〜９は本発明の別の有利な構成を示し、周囲輪郭１２は、少なくとも部分的に、２つ又はそれ以上の外側又は内側の管中心１４，１５の仮想結合線に対して平行に延びている。この場合辺１６の幅Ｂは、周囲輪郭１２と管３の外壁との垂直間隔として定義される。前記の有利な構成により、一方では本発明による環９及び円板１０が製造側で簡単化して安価に製造され、他方では環９又は円板１０の流通側１３における加熱媒体又は冷却媒体の通過断面が最大にされる。

ガス通路４，５のすべての管３を受入れるため環９及び円板１０に形成されている穴１１又は円筒状切欠き１１は、管群の各管３が通路縦軸線６に対して平行に環９及び円板１０のそれぞれの穴１１に受入れられかつ案内されるように、形成されている。管３は環９又は円板１０と固定的に結合されておらず、運転状態において加熱の際穴１１内で軸線方向に自由に伸びることができる。

環９及び円板１０が通路又はガス通路４，５のすべての管３をそれぞれ受入れるようにする本発明の手段によって、２つの環９の間又は２つの円板１０の間における各管３の以前の支持間隔Ｓが半分の支持間隔Ｓ／２に半減される。これは一方では管群の管３の側方支持にとって有利である。なぜならば、各管３は、公知の構造の実際上２倍だけ頻繁に支持されるからである。他方では本発明による構成は、管３の共振振動の防止に関して、従って共振振動により生じるこれらの管３の大きい機械的負荷の防止に関しても有利である。

管３における共振振動は、公知のように、管の固有振動数が媒体又は加熱媒体流又は冷却媒体流２０の励振振動数に一致する時に形成され、媒体の励振振動数は媒体の流速の横成分及び管ピッチに関係し、管３の固有振動数は主として管直径、管３の壁厚及び支持点（管板１７，環９及び円板１０）の間隔によって決定される。

本発明による装置によって、転向板即ち環９及び円板１０の相互間隔を減少することなく、従って通路側又は媒体側２０に高い圧力損失を生じることなく、多管式熱交換器１内の共振を簡単に防止し、管３を確実に支持することができる。支持間隔の半減により、場合によっては、有利な効果を失うことなく、支持間隔の寸法を大きくするか、又は管３の壁厚を減少することが可能である。

図２〜４は、好ましい構成で互いに同心的に設けられる２つの通路又はガス通路４，５を持つように構成される本発明の多管式熱交換器１を示している。２つ又はそれ以上の通路又はガス通路４，５が存在する場合有利なように、周囲輪郭１２を持つように形成されかつすべての管３を受入れる環９及び円板１０は、外側通路５又は外側ガス通路に設けられている。この手段は、熱交換器１内における媒体の圧力損失を防止する。なぜならば、ガスがまだ非常に高い温度を持ち従って大きい体積又は高い通過速度を持っている内側通路４内の媒体流２０は、一層自由な通過即ち一層大きい流通断面を見出すからである。

図２〜６は、Ｕ字状管３から形成される管群２を持つ本発明による多管式熱交換器１を示し、その内側管区域はガス通路４に、その外側管区域はガス通路５に設けられているが、図７〜９は直線管３から形成される管群２を持つ熱交換器１を示している。通路４，５内におけるこれらの直線管３の構造的配置は、断面にわたって見て、Ｕ字状管３を設ける場合とは異なり、自由に形成可能である。有利なように直線管３は、通路４，５内の断面側で、三角形又は四角形又は他の幾何学的構造又は管ピッチで設けることができる。図８及び９に示すような三角形状の管ピッチは、高い圧力ないし非常に高い圧力を持つ多管式熱交換器１のために提供され、図７による四角形状管ピッチ又は他の幾何学的管ピッチは中位及び低い圧力のために提供される。

直線管３から形成される管群２を持つ多管式熱交換器１では、環９及び／又は円板１０を半月状（図示せず）に形成するのが有利である。これは媒体流２０の管３へ向かう一層強い横流れを生じ、従って一層高い熱伝達を生じる。

本発明による多管式熱交換器１は、前記の図において説明した実施例に限定されない。

従来技術による多管式熱交換器の縦断面図を示す。 本発明による多管式熱交換器の縦断面図を示す。 図２のＡ−Ａ断面による部分断面図を示す。 図２のＢ−Ｂ断面による部分断面図を示す。 図３の範囲Ｃの拡大詳細図を示す。 図３の範囲Ｄの拡大詳細図を示す。 図５に類似するけれども変わった（四角形状）幾何学的構造で通路内に設けられる管群の管を示す。 図３に類似するけれども変わった（三角形状）幾何学的構造で通路内に設けられる管群の管を示す。 図８の範囲Ｅの拡大詳細図を示す。

符号の説明

１ 多管式熱交換器
２ 管群
３ 管群の管
４ 通路又はガス通路
５ 通路又はガス通路
６ 通路縦軸線
７ 通路内周壁
８ 通路外周壁
９ 環
１０ 円板
１１ 円筒状切欠き又は穴
１２ 周囲輪郭
１３ 加熱媒体又は冷却媒体の流通側
１４ 最も外側の管の中心
１５ 最も内側の管の中心
１６ 辺
１７ 管板又は端板
１８ 入口通路
１９ 出口通路
２０ 加熱媒体流又は冷却媒体流

Claims (11)

1. 加熱媒体又は冷却媒体特に加熱ガスを導く少なくとも１つの通路（４，５）を有する多管式熱交換器であって、管群（２）の管（３）が、通路縦軸線（６）に対して実質的に平行に通路（４，５）を通って延び、加熱媒体又は冷却媒体が、通路（４，５）のそれぞれの周壁（７，８）に交互に設けられて取付けられる環（９）及び円板（１０）により、通路（４，５）の軸線方向に見てジグザグに、実質的に円環状の断面を持つ通路（４，５）を通って導かれるものにおいて、少なくとも１つの通路（４，５）において、環（９）及び円板（１０）が、円筒状切欠き（１１）又は穴により、通路（４，５）のそれぞれすべての管（３）を受入れかつ位置ぎめし、環（９）及び円板（１０）の周囲輪郭（１１）が、媒体流通例（１３）で、管群の最も外側又は最も内側の管（３）の中心（１４，１５）にそれぞれ従い、周囲輪郭（１２）が、最も外側又は最も内側のすべての管（３）を包囲する辺（１６）を含んでいることを特徴とする、多管式熱交換器。
2. 辺（１６）の幅（Ｂ）が、管（３）の外壁と周囲輪郭（１２）との間隔として少なくとも部分的に一定であることを特徴とする、請求項１に記載の多管式熱交換器。
3. 辺（１６）の幅（Ｂ）が３〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の多管式熱交換器。
4. 辺（１６）の幅（Ｂ）が３ｍｍより小さいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の多管式熱交換器。
5. 周囲輪郭（１２）が、少なくとも部分的に最も外側又は最も内側の管（３）の外側輪郭に波状に従っていることを特徴とする、請求項１〜４の１つに記載の多管式熱交換器。
6. 周囲輪郭（１２）が、少なくとも部分的に、２つ又はそれ以上の外側又は内側の管中心（１４，１５）の仮想結合線に対して平行に延びていることを特徴とする、請求項１〜５の１つに記載の多管式熱交換器。
7. １つより多い通路（４，５）が存在する場合、これらが互いに同心的に設けられていることを特徴とする、請求項１〜６の１つに記載の多管式熱交換器。
8. １つより多い通路（４，５）が存在する場合、周囲輪郭（１２）により形成されるすべての管（３）を受入れる環（９）及び円板（１０）が、１つの外側通路（５）又は複数の外側通路に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の多管式熱交換器。
9. 管群の管（３）がＵ字状管又は直線管として形成されていることを特徴とする、請求項１〜８の１つに記載の多管式熱交換器。
10. 環（９）及び／又は円板（１０）が半月状に形成されていることを特徴とする、請求項１〜９の１つに記載の多管式熱交換器。
11. 断面側で通路（４，５）内の管（３）が、三角形又は四角形又は他の幾何学的ピッチ又は構造で設けられていることを特徴とする、請求項１〜１０の１つに記載の多管式熱交換器。

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