JP2008144994A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の伝熱管の内面を容易に清掃できるようにする。
【解決手段】高温ガスが通過する複数の伝熱管６の周囲に低温流体を流すことによって熱交換を行うようにした熱交換器である。この熱交換器には、伝熱管６の内面への付着物を掻き取るためのスクレーパ１１が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換器に関する。

図１１は、従来から良く知られている熱交換器の例を示し、この熱交換器は、たとえば製鉄所の溶解炉からの排ガスを通すことによって、この排ガスの保有する熱を回収しようとするものである。

すなわち、図１１において、１は熱交換器を構成する外筒で、上下方向に配置されている。この外筒１の下部には排ガス流入口２が形成され、その上部には排ガス流出口３が形成されている。排ガス流入口２と排ガス流出口３との間には、熱交換部４が設けられている。熱交換部４においては、上下一対の管板５、５どうしの間に、複数の伝熱管６、６、・・・が配置されている。たとえば製鉄所の溶解炉からの排ガス７は、排ガス流入口２から外筒１の内部に送りこまれ、複数の伝熱管６、６、・・・に分流されて各伝熱管６の内部を下側から上側に向けて通過し、そして排ガス流出口３を経て外筒１の外部へ排出される。熱交換部４において、伝熱管６、６、・・・の外側の部分には、排ガス７よりも低温の熱交換流体が流されており、排ガス７が各伝熱管６を通るときにこの排ガス７から熱交換流体に熱が移動されるように構成されている。

ところが、排ガス７がたとえば製鉄所の溶解炉からの排ガスであると、多量の粉塵を含んでいることが多く、このような排ガス７を熱交換部４に通すと、それによって伝熱管６の内面にスケールが付着しやすく、清掃を行うことが必要となる。

この熱交換器の熱交換部４における伝熱管６の内部を清掃することは、困難な作業となる。たとえば特許文献１では、一対の管板に多数の伝熱管の両端部がそれぞれが溶接された熱交換部を、外筒の内部から抜き出すことができるようにして、このように抜き出した後に清掃具を用いて伝熱管の内部の汚れを除去できるようにしている。
特開平１０−９７７６号公報

ところが、上記のように熱交換部を外筒の内部から抜き出すことができるようにして清掃可能としたものでは、清掃が必要となるごとに熱交換器の運転を停止してこれを分解したうえで伝熱管を取り出さなければならず、煩雑である。

そこで本発明は、このような問題点を解決して、熱交換器の伝熱管の内面を容易に清掃できるようにすることを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、高温ガスが通過する複数の伝熱管の周囲に低温流体を流すことによって熱交換を行うようにした熱交換器において、前記伝熱管の内面への付着物を掻き取るためのスクレーパを設けたものである。

このような構成であると、スクレーパを稼動させるだけで容易に、しかも熱交換器の運転を停止することなく、その運転中において、伝熱管の内面の付着物を掻き落として清掃することができる。掻き落とされた付着物は、高温ガスにより運ばれ、伝熱管の内部を通過したうえで系外に排出される。

本発明の一つの態様として、スクレーパは、伝熱管の長さ方向に沿って複数の環状板が配置され、これら環状板どうしが前記伝熱管の長さ方向のロッドによって互いに連結されており、前記ロッドと複数の環状板とが伝熱管の長さ方向に沿って往復動可能とされることで、前記環状板の外周縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであることが好ましい。

本発明の別の態様として、スクレーパは、伝熱管の長さ方向に沿って配置されたスクリューであり、このスクリューが前記伝熱管の長さ方向に沿って往復動可能とされることで、前記スクリューの径方向の先端縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであることが好ましい。

本発明のさらに別の態様として、スクレーパは、伝熱管の長さ方向に沿って配置されたスクリューであり、このスクリューは、伝熱管の内部を通過する高温ガスにより回転力を付与され、その回転により径方向の先端縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであることが好ましい。

このような態様であると、排ガスが保有する流体エネルギによってスクリューを回転させることで付着物の掻き取りを行うため、掻き取り動作のための特別な動力源を設ける必要がないという作用効果を奏することができる。

本発明のさらに別の態様として、スクレーパは、伝熱管の長さ方向に沿って配置されたスクリューであり、このスクリューは、伝熱管の長さ方向に沿って配置されかつ伝熱管の内部を通過する高温ガスにより回転力を付与されるように構成され、その回転によりその径方向の先端縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであるとともに、前記伝熱管の長さ方向に沿って往復動可能とされ、その往復動を行うときに径方向の先端縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであることが好ましい。

本発明によれば、スクリューを、中心部から径方向の先端縁部にわたって羽根が形成された形態とすることができるほかに、中心部は羽根が形成されておらずこの中心部に空洞が形成された形態とすることもできる。

また本発明によれば、伝熱管は上下方向に配置され、スクレーパは、アクチュエータによって、吊り下げ状態で支持されるとともに、上下方向に往復動されるものであることが好ましい。

また本発明によれば、スクレーパは弾性力発生手段によって伝熱管の長さ方向に沿った所定位置に保持されており、前記弾性力発生手段の力に抗してスクレーパを伝熱管の長さ方向に沿って移動させることが可能な駆動手段が設けられており、この駆動手段は、その駆動力を解除したときに、前記スクレーパが弾性力発生手段によって元の所定位置に復帰することを許容するものであることが好ましい。

本発明によると、高温ガスが通過する複数の伝熱管の周囲に低温流体を流すことによって熱交換を行うようにした熱交換器において、前記伝熱管の内面への付着物を掻き取るためのスクレーパを設けたため、スクレーパを稼動させるだけで容易に、しかも熱交換器の運転を停止することなく、その運転中において、容易に伝熱管の内面の付着物を掻き落として清掃することができる。

以下、本発明の実施の形態の熱交換器を、図１〜図１０を参照して、図１１に示したものと同一の部材には同一の参照番号を付して、詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明の第１の実施の形態の熱交換器を示す。ここでは、上下方向の各伝熱管６の内部において、スクレーパ１１が上下方向に通されている。各スクレーパ１１は、丸棒にて構成された上下方向の中心ロッド１２を有しており、このため中心ロッド１２は、伝熱管６の長さ方向に配置されている。この中心ロッド１２は、上下に複数の丸棒１３がジョイント１４によって互いに連結された構成である。中心ロッド１２の長さ方向に沿って間隔をあけた複数の位置には、環状の掻き取り板１５が設けられている。詳細には、図３に示すように中心ロッド１２から放射状に複数のステー１６が配置されており、掻き取り板１５における周方向に沿った複数の位置がステー１６の先端部に取り付けられることで、複数の環状の掻き取り板１５、１５、・・・どうしが、中心ロッド１２によって互いに連結された構成となっている。

図１に示すように、スクレーパ１１の中心ロッド１２の上端部は伝熱管６から上方へ突出しており、この突出した上端部どうしが水平方向の連結部材１７によって互いに連結されている。連結部材１７は、外筒１の上端部に設けられた上下方向のシリンダ装置１８の伸縮端１９に接続されている。したがって、シリンダ装置１８を伸縮させると、その伸縮端１９に接続された連結部材１７を介して、複数のスクレーパ１１が、それぞれに対応した伝熱管６の内部において、上下方向に往復動されることになる。各中心ロッド１２の下端は伝熱管６から下方へ突出しており、その突出した下端には重錘２０が設けられ、この重錘２０がスクレーパ１１に下向きの力を作用させることで、伝熱管６の内部においてスクレーパ１１の姿勢を安定させることができる。

一つのシリンダ装置１８と、一つの連結部材１７と、複数のスクレーパ１１とによって一つのユニットが構成されることになるが、図示の熱交換器では、複数のユニットすなわち複数のシリンダ装置１８が設けられることで、熱交換器におけるすべての伝熱管６についてスクレーパ１１を設置することができる。

上記のようにスクレーパ１１が往復動すると、掻き取り板１５の外周縁部によって、伝熱管６の内部に付着していた付着物が掻き落とされ、それによって伝熱管６の内面が清掃される。掻き落とされた付着物は、排ガス７の流れに乗り、伝熱管６の内部を通過したうえで、流出口３を経て系外に排出される。排出されたガスをフィルタに通すことで、掻き落とされた付着部を、排ガスに含まれる粉塵とともに捕集することができる。

中心ロッド１２に対する掻き取り板１５の取り付けピッチは、シリンダ装置１８のストロークよりも小さくしておくことが好ましい。そうすることによって、伝熱管６をその長さ方向の全範囲にわたってもれなく清掃することができる。

掻き取り板１５は環状に形成されており、しかも掻き取り板１５を中心ロッド１２に接続するためのステー１６は放射状に配置されているため、この掻き取り板１５の設置部において排ガス７の通路２１を確保することができる。したがって、掻き取り板１５が熱交換器の運転に支障をきたすことが無く、また熱交換器を運転しながらシリンダ装置１８を伸縮させて伝熱管６の内部を清掃することができる利点がある。

図４および図５は、本発明の第２の実施の形態の熱交換器を示す。ここでは、スクレーパと１１して、伝熱管６の内部に通されることでこの伝熱管６の長さ方向に沿って配置されたスクリュー２４が設けられている。２５はスクリューの中心軸、２６はスクリューの羽根、２７は羽根における径方向の先端縁部である。このスクリュー２４は非回転式とされ、その上端は伝熱管６から突出して連結部材１７に接続されている。スクリュー２４の下端は伝熱管６から突出しており、その突出下端には重錘２０が取り付けられている。図４および図５において、その他の構成は、図１〜図３に示すものと同様である。

このような構成であると、シリンダ装置１８を伸縮させることにより非回転式のスクリュー２４が往復昇降動し、それにもとづき、羽根２６の先端縁部によって、伝熱管６の内部に付着していた付着物が掻き取られ、このため伝熱管６の内面が清掃される。シリンダ装置１８の伸縮ストロークは、スクリュー２４の羽根２６のピッチよりも大きくしておくことが好ましい。そうすることによって、伝熱管６をその長さ方向の全範囲にわたってもれなく清掃することができる。

熱交換器の運転中において、伝熱管６に送り込まれた排ガス７は、スクリュー２４の羽根２６に案内されて旋回流となりながら、この伝熱管６の内部を通過し、熱交換される。
図６〜図８は、本発明の第３の実施の形態の熱交換器を示す。ここでは、スクリュー２４の上端にクラッチ３１が設けられている。他の構成は、図４および図５に示したものと同様である。

クラッチ３１について、詳細に説明する。スクリュー２４の中心軸２５における、伝熱管６より上方に突出した部分の上端には、ケーシング３２が設けられている。このケーシング３２は、水平方向の円形の上板３３と、水平方向の円形の下板３４と、これら上板３３および下板３４を連結する上下方向の円筒部３５とを有する、上板３３の下面にはオイレスベアリングルなどを利用した環状のスラストすべり軸受３６が設けられている。円筒部３５が存在することで、軸受３６の下面と下板３４の上面とは、上下方向に一定の間隔３７をおいて位置している。

連結部材１７には、上下方向の連結軸３８がその上端部において接続されている。この連結軸３８は、スクリュー２４の中心軸２５と同一中心線上に配置され、その下端部がクラッチ３１のケーシング３２の内部に入り込んでいる。そして、ケーシング３２の内部における連結軸３８の下端部には、水平方向の接続円板３９が設けられている。

接続円板３９の厚みは、間隔３７よりも小さくなるようにされている。このため、図８に示すように中心軸２５と連結軸３８とが上下方向に相対移動することによって、接続円板３９は、同図（ａ）に示すようにその上面がスラストすべり軸受３６の下面に接した状態と、同図（ｂ）に示すようにその下面がケーシング３２の下板３４に接した状態とを切り替えることが可能である。

図６に示すシリンダ装置１８が縮退してその伸縮端１９が上側に位置するときには、それにともなって、図８（ａ）に示すように連結軸３８および接続円板３９も上側に位置している。すると接続円板３９は、図示のようにスラストすべり軸受３６に接し、これによってスクリュー２４の重量を支えることになる。またスラストすべり軸受３６と接続円板３９とが接していることで、スクリュー２４は連結軸３８に対して相対回転可能な状態で支持されている。

このような構成において、図６に示す排ガス流入口２からの排ガス７が伝熱管６の内部に導かれると、この排ガスが保有する流体エネルギによってスクリュー２４を回転させることができる。すなわち、排ガス７はスクリュー２４を回転させながら伝熱管６を通過し、その際に熱交換されたうえで、その後に系外に排出される。

このようにスクリュー２４が回転されると、それによって羽根６の先端縁部２７も回転し、その回転に伴って、伝熱管６の内部に付着していた付着物を周方向に掻き取ることができる。熱交換器の運転中には絶えずスクリュー２４が回転するため、掻き取り動作を恒常的に行うことが可能である。

シリンダ装置１８を伸長させると、それによって図８（ｂ）に示すように連結軸３８および接続円板３９が下がり、図示のように接続円板３９がケーシング３２の下板３４に当たった状態となれば、この接続円板３９がスクリュー２４を押し下げることになって、スクリュー２４を下向きに移動させる。なお、図８（ａ）に示すように接続円板３９がスクリュー２４を支持した状態のまま、スクリュー２４がその自重によって下向きに移動する場合もある。次にシリンダ装置１８を縮退させると、図８（ａ）に示すように接続円板３９がスクリュー２４を支持した状態で、スクリュー２４は持ち上げられて上向きに移動する。

このため、シリンダ装置１８を伸縮させることによって、スクリュー２４が往復昇降動し、それにもとづき、羽根２６の先端縁部２７によって、伝熱管６の内部に付着していた付着物が掻き取られ、このため伝熱管６の内面が清掃される。この場合も、シリンダ装置１８の伸縮ストロークは、スクリュー２４の羽根２６のピッチよりも大きくしておくことが好ましい。このとき、図８（ａ）に示すように接続円板３９とスラストすべり軸受３６とが接していると、スクリュー２４に往復動と排ガス７のエネルギによる回転動とを同時に起こさせることができて、伝熱管６の内面を効果的に清掃することができる。

図９および図１０は、本発明の第４の実施の形態の熱交換器を示す。ここでは、スクリュー２４のための立上げ装置４１が設けられている。すなわち、熱交換部４における上側の管板５の上側におけるスクリュー２４の中心軸２５の周囲には、外側ガイドシリンダ４２が、中心軸２５と同心状に設けられている。外側ガイドシリンダ４２の内側には、弾性力発生手段としての圧縮コイルばね４３が、中心軸２５と同心状に設けられている。この圧縮コイルばね４３の下端は管板５によって支持されており、その上端は環状体４４を水平方向に支持している。環状体４４の中心部の位置には軸受４５が設けられ、この軸受４５は、放射状に配置されたステー４６によって環状体４４に連結され、環状体４４によって支持されている。軸受４５は、スクリュー２４の中心軸２５を、回転自在かつ軸心方向に相対移動不能に支持している。環状体４４には、ばね４３に内ばめされる内側ガイドシリンダ４７が取り付けられている。図９に示すように、スクリュー２４の中心軸２５の上端は、軸受４５よりも上側の位置において、連結部材１７に接続されている。

このような構成において、伝熱管６に送りこまれた排ガス７は、スクリュー２４の羽根２６に案内されて旋回流となりながら、この伝熱管６の内部を通過し、熱交換される。伝熱管６から出た排ガス７は、内側ガイドシリンダ４７の内部を通過した後に、環状体４４および放射状のステー４６の部分を通ったうえで、流出口３から系外に排出される。このとき、内側ガイドシリンダ４７が設けられているため、排ガス７に含まれる粉塵がばね４３のコイルどうしの隙間に入り込んで詰まりが発生することを効果的に防止できる。

伝熱管６の内部を清掃するときには、シリンダ装置１８を伸縮させる。この場合において、図１０（ａ）に示す状態からシリンダ装置１８を下向きに伸長させるときには、ばね４３の力に抗した押し下げが必要になる。しかし、ばね４３にはスクリュー２４の質量が作用しているため、シリンダ装置１８による押し下げ力は大きなものである必要はない。図１０（ｂ）に示す状態からシリンダ装置１８を上向きに縮退させる場合は、スクリュー２４を引き上げることが必要になる。しかし、スクリュー２４はばね４３からの押し上げ力が作用しているため、シリンダ装置１８による引き上げ力は大きなものである必要はない。結局、図示のように立上げ装置４１を設けることで、シリンダ装置１８の小形化を図ることができ、スクリュー２４の昇降に必要な動力の低減を図ることができる。

圧縮コイルばね４３は、内外のガイドシリンダ４２、４７によって案内されているため、圧縮荷重が作用したときにおける挫屈の発生を防止することができる。
上記において説明し図示した例では、スクリュー２４は、中心軸２５から径方向の先端縁部２７にわたって羽根２６が形成された形態のものであった。本発明によれば、これに代えて、スクリュー２４として、中心部は羽根が形成されておらずこの中心部に空洞が形成された形態のものを用いることもできる。この場合は、羽根２６をスパイラル状に形成するとともに、中心軸２５から径方向に突出させたステーによって羽根２６を支持する構成とすることができる。

このようにスクリュー２４の中心部に空洞が形成された構成であると、外筒１１の内部に送り込まれる排ガス７は、主に空洞の部分を通る直線的な上昇流となる。このため、スクリュー２４が非回転式である場合は、排ガスが旋回流とならないことから、この排ガスが伝熱管６を通過する際の圧力損失を低減することができる。これに対し、スクリュー２４が回転式である場合は、前記した直線的な上昇流とならなかった残部の排ガスがその回転に寄与することになる。空洞および羽根の構造は、排ガスの風量や、許容される圧力損失や、粉塵の量や、スクリューを回転させるための所要回転力などの条件によって、選択することができる。

図９および図１０の構成において、図６〜図８に示すようなクラッチ３１を設置して、スクリュー２４の回転による掻き取りを行うように構成することもできる。あるいは、図９および図１０の構成を、図１〜図３に示す掻き取り板１５を供えたスクレーパ１１に適用することもできる。

本発明の第１の実施の形態の熱交換器の縦断面図である。 図１の熱交換器における要部の拡大図である。 図１および図２の熱交換器における要部の詳細図である。 本発明の第２の実施の形態の熱交換器の縦断面図である。 図４の熱交換器における要部の拡大図である。 本発明の第３の実施の形態の熱交換器の縦断面図である。 図６の熱交換器における要部の拡大図である。 図６および図７の熱交換器における要部の詳細図である。 本発明の第４の実施の形態の熱交換器の縦断面図である。 図９の熱交換器における要部の詳細図である。 従来の熱交換器の縦断面図である。

符号の説明

４ 熱交換部
６ 伝熱管
１１ スクレーパ
１２ 中心ロッド
１５ 掻き取り板
１８ シリンダ装置
２４ スクリュー
２７ 先端縁部
３１ クラッチ
３６ スラストすべり軸受
４１ 立上げ装置
４３ 圧縮コイルばね

Claims (8)

1. 高温ガスが通過する複数の伝熱管の周囲に低温流体を流すことによって熱交換を行うようにした熱交換器であって、前記伝熱管の内面への付着物を掻き取るためのスクレーパを設けたことを特徴とする熱交換器。
2. スクレーパは、伝熱管の長さ方向に沿って複数の環状板が配置され、これら環状板どうしが前記伝熱管の長さ方向のロッドによって互いに連結されており、前記ロッドと複数の環状板とが伝熱管の長さ方向に沿って往復動可能とされることで、前記環状板の外周縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. スクレーパは、伝熱管の長さ方向に沿って配置されたスクリューであり、このスクリューが前記伝熱管の長さ方向に沿って往復動可能とされることで、前記スクリューの径方向の先端縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
4. スクレーパは、伝熱管の長さ方向に沿って配置されたスクリューであり、このスクリューは、伝熱管の内部を通過する高温ガスにより回転力を付与され、その回転により径方向の先端縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
5. スクレーパは、伝熱管の長さ方向に沿って配置されたスクリューであり、このスクリューは、伝熱管の長さ方向に沿って配置されかつ伝熱管の内部を通過する高温ガスにより回転力を付与されるように構成され、その回転によりその径方向の先端縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであるとともに、前記伝熱管の長さ方向に沿って往復動可能とされ、その往復動を行うときに径方向の先端縁部によって付着物を掻き取り可能とされたものであることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
6. スクリューは、中心部から径方向の先端縁部にわたって羽根が形成された形態であるか、または、中心部は羽根が形成されておらず前記中心部に空洞が形成された形態であることを特徴とする請求項３から５までのいずれか１項記載の熱交換器。
7. 伝熱管は上下方向に配置され、スクレーパは、アクチュエータによって、吊り下げ状態で支持されるとともに、上下方向に往復動されるものであることを特徴とする請求項２または３または５記載の熱交換器。
8. スクレーパは弾性力発生手段によって伝熱管の長さ方向に沿った所定位置に保持されており、前記弾性力発生手段の力に抗してスクレーパを伝熱管の長さ方向に沿って移動させることが可能な駆動手段が設けられており、この駆動手段は、その駆動力を解除したときに、前記スクレーパが弾性力発生手段によって元の所定位置に復帰することを許容するものであることを特徴とする請求項２または３または５記載の熱交換器。

Images