JP2009510379A - バッフルとシールとの集合体及び熱交換器の組立方法 - Google Patents

Abstract

熱交換器シェル内に取り付けるためのバッフルとシールとの集合体であって、複数の長手バッフルと；取付け後に長手バッフルの長手リムを熱交換器シェルに対して密封係合させるための複数の長手シールと；を備え、取付け後に熱交換器シェルと共に二重壁を形成するように、隣り合った長手バッフルの長手シール間に延びるよう配置された壁部材を更に備える前記集合体。熱交換器シェルと、本発明によるバッフルとシールとの集合体とを準備する段階と；熱交換器シェルの外側でバッフルとシールとの集合体を組み立てる段階と；各々の壁部材が熱交換器シェルと二重壁を形成するように、組み立てた集合体を熱交換器シェルに入れる段階と；からなる熱交換器の組立方法。

Description

本発明はバッフルとシールとの集合体、及び熱交換器を組み立てる方法における該集合体の使用に関する。

シェル・アンド・チューブ式熱交換器は間接熱交換器である。熱交換器シェル内に延びた管束の管を通る流体（管側）と、管の外側の空間を通る流体（シェル側）との間で熱伝達が起こる。シェル・アンド・チューブ式熱交換器の詳細は、例えばＰｅｒｒｙ’ｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、第６版、１９８４、ＭｃＧｒａｗ-Ｈｉｌｌ Ｉｎｃ．、１１-３〜１１-２１頁（非特許文献１）に見いだせる。

２シェルパス型の熱交換器として公知の特定タイプの熱交換器が、与えられたシェルの大きさにおいて熱伝達を改善するために開発されてきた。このタイプの熱交換器では、一般的に円筒形の外側管が、長手軸方向に延びた仕切バッフルを内部に備える。このようなシェルのタイプとしては、非特許文献１に記載の長手バッフルを有する２パス型シェル、スプリット・フロー型シェル、及びダブル・スプリット・フロー型シェルが挙げられる。長手バッフルはシェルの内部を分割して長手方向に延びた分離された２つの区画室を作り、通常この区画室はシェル内の流体の流れがシェルの長手方向に２回通るように、シェルの一方の端部にて連通している。

最も効率的な熱交換のためには、意図した領域、すなわちシェルの端又は両端でのみ区画室間の流れが可能なように、バッフルはその両方の長手リムに沿って相対的にきついシールを形成しなければならない。

一般に、このような構造は、長方形の仕切板が直径面上に配置されたときに仕切板の外側長手リムがシェルの内壁表面から半径方向内側にわずかに間隔を開けて置かれるようにシェルの壁の内径よりもわずかに小さい幅を有する仕切板を用いて形成されてきた。

いくつかのタイプの長手シールがこれまで開発されてきた。十分なシーリングの他に、長手シールが熱交換器シェル内での容易な取付けを可能にすること、及びその費用効率が高いことも望まれる。良好な妥協が、例えばＴ４の名称でＫｅｍｐｃｈｅｎ ＆ Ｃｏ．ＧｍｂＨ（オーバーハウゼン、ドイツ）により開発され市販されているバッフルシール形状に見いだせる。これらのシールの原理は、米国特許第４２１５７４５号明細書（特許文献１）にも記載されており、特許文献１にはその他の従来技術のシールについても述べられている。

この公知の長手シールは熱交換器に内側に向いたＵ字形フランジ７５を備え、Ｕ字形フランジ７５は長手バッフルをぴったり受け入れるような大きさを有している。このシールの向かい側のシール部材は、外側に延びた一対のフランジからなり、このフランジがシェルの内壁に対して弾性的に押し付ける。

多くの場合、２シェルパス型の熱交換器は最適な構成ではない。例えば、既存の１パス型の熱交換器に新しい内部構造物を後から取り付ける場合、シェルの流体入口及び出口の位置が熱交換器シェルの長手方向に沿って反対側にあり、通常はそれを変えることができない。しかし、２パス型の構成では、シェル入口及び出口はシェルの同じ長手端部に配置すべきである。

３シェルパス型の構成では、２つの長手バッフルが配置されてシェル内での流体の流れがシェルの長手方向に３回行き来するように曲がりくねって進むので、この問題は解消される。しかしながら、このような構成を導入することについては、長手シールがシェル側におけるパス間での流体の漏れを防ぐに十分な信頼性を有する場合にのみ高い熱交換能力を実現するので、導入はかなり躊躇せざるを得ない。Ｋｅｍｐｃｈｅｎのシールは優れていはいるが、漏れの防止を保証することはできない。
米国特許第４２１５７４５号 Ｐｅｒｒｙ’ｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、第６版、１９８４、ＭｃＧｒａｗ-Ｈｉｌｌ Ｉｎｃ．、１１-３〜１１-２１頁

本発明の目的は、マルチ・シェル・パス型の熱交換器において特に熱交換器を改装するために、シーリングの改善が得られる長手バッフル及びシールの装置を提供することである。

別の目的は、２個以上の長手バッフルを有する熱交換器を組み立てる方法を提供することである。

発明の概要
このために、本発明は、
熱交換器シェル内に取り付けるためのバッフルとシールとの集合体であって、
各々が２個の長手リムを有する複数の長手バッフルと；
取付け後に長手バッフルの長手リムを熱交換器シェルに対して密封係合させるための複数の長手シールと；
を備え、
取付け後に熱交換器シェルと共に二重壁を形成するように、隣り合った長手バッフルの長手シール間に延びるよう配置された壁部材を更に備える前記集合体を提供する。

出願人は、熱交換器シェルと二重壁を形成する壁部材が設けられるとシールの信頼性を著しく改善できるこが分かった。通常運転中に１つの区画室から液体が長手シールに沿って漏れたとしても、その流体は二重壁の内部空間に入るので、別の区画室に直接入ることはない。別の区画室に漏れるためには、更に別の長手シールを通って流体が漏れる必要がある。壁部材は漏洩の障壁として機能する。

好ましくは、長手シールは長手リムと壁シール部材とを受け入れるためのＵ字形フランジ７５を備える。壁シール部材は向かい合って外向きに延びる弾性フランジから形成されるのが好ましい。好ましい長手シールはＫｅｍｐｃｈｅｎ ＆ Ｃｏ．ＧｍｂＨのバッフルシールＴ４である。

好ましくは、壁部材は折り曲げられた長手リムを有し、好ましくは両方の長手リムが折り曲げられる。長手バッフルの長手リムに加えて、長手シールから延びる前記又は各壁部材の折り曲げられた長手リムを受け入れるように、Ｕ字形フランジ７５を構成できる。好ましくは、Ｕ字形フランジ７５の幅は、長手バッフルの長手リムと壁部材（１つ又は複数）の長手リムとの全厚みがぴったり受け入れられるように選ばれる。

特定の態様では、長手バッフルは折り曲げられた長手リムを備えることができる。このことは、バッフルが円筒形シェルの直径面から相対的に遠く離れて配置される場合には有利である。この場合には、バッフルが長手シールの位置にてシェルの法線と有限の角度を形成するからである。長手リムを折り曲げることにより、その角度を０度にするか、又は０度近くにし得る。

好ましくは、集合体は管束を支持するための複数の横バッフルを更に備える。参考として組み入れた国際特許出願ＷＯ／２００５／０６７１７０；ＷＯ／２００５／０１５１０７；ＷＯ／２００５／０１５１０８に記載のように、横バッフルは、エキスパンデッドメタルで作られた要素から構成できる。

別法として、本発明は長手方向の流れパターンを有する他のタイプの熱交換器と共に使用することもでき、例として、ロッドバッフル管支持材を有する熱交換器、又はねじれ管を有する熱交換器が挙げられる。

ｎ-１個の長手バッフルを有する集合体が配置されて、熱交換器シェル内への取付け後に入口と出口間でｎ回のパスから成る曲がりくねった流体の流路を形成する場合（ただしｎ＞２）、横バッフルはｎ個の部分から形成されるのが好ましい。この場合、好ましくは、隣り合った長手バッフル間の横バッフルの上記部分は、該隣り合った長手バッフルの対向する二重壁間の断面に対応する断面を有する。

特定の態様では、管が管板から横バッフルと横端バッフルを通って管端板まで延び、壁部材が一方の端部にて管板に連結され、もう一方の端部にて端バッフルに連結される。この場合、好ましくは、シェルパス間で端バッフルの周りを流体がバイパスするのを防止するために端バッフルはシールを備える。

随意に管板及び横バッフルを通過する管と共に集合体を製造し、特に交換作業中に熱交換器シェル中にスライドさせることができる。もちろん、集合体を熱交換器シェル内に直接取り付けることもできる。

本発明はさらに、
- 熱交換器シェルを準備する段階と；
- 各々が２つの長手リムを有する複数の長手バッフル；複数の長手シール；及び複数の壁部材；を備えるバッフルとシールとの集合体を準備する段階と；
- 長手リムのところに長手シールが設けられると共に、壁部材が隣り合った長手バッフルの長手シール間に延びている積層の長手バッフルの装置が得られるように熱交換器シェルの外側でバッフルとシールとの集合体を組み立てる段階と；
- 各々の壁部材が熱交換器シェルと二重壁を形成するように、前記構成を熱交換器シェルに入れる段階と；
からなる熱交換器の組立方法を提供する。

既存の熱交換器の改造において、熱交換器シェルを準備する段階は、前の熱交換器の内部構造物を熱交換器シェルから取り出すことを含む。
以下、添付図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。
同じ参照番号が異なる図で用いられている場合には、同じ又は同様の対象を示している。

発明の詳細な説明
図１は本発明によるバッフルとシールとの集合体１の三次元図を概略的に示す。明確にするため、熱交換器シェル４の一部をこの集合体の周りに示したが、一般にシェル４は必ずしも集合体の一部を形成する必要がないことが分かる。

集合体は２つの長手バッフル６、７を備え、その各々は一対の長手リム１１ａ、ｂ；１２ａ、ｂを有する。さらに、熱交換器シェル内への取付け後に熱交換器シェル４に対して長手バッフルの長手リムを密封して係合させるために、複数の長手シール１４、１５、１６、１７が設けられる。集合体は、隣り合った長手バッフル６、７の長手シール１４、１６間で延びるように構成された壁部材２１と、長手バッフル６、７の長手シール１５、１７間で延びるよう構成された壁部材２２とを更に備える。これらの壁部材が取り付けられると、熱交換器シェル４と共に二重壁を形成する。長手バッフルは実質的に長方形の切り抜き部２６、２７を有し、シェル内に形成された区画室間で流体が曲がりくねって流れることを可能にする。

図２は、熱交換器シェル３４を有する熱交換器３１内に取り付けられた集合体１を概略的に示す。熱交換器シェル３４は一方の長手端部近くにて上側に入口３６を有し、反対側の長手端部のところで下側に出口３７を有する。長手バッフルは、その板の長手外側リムがシェルの内壁表面からわずかに内側に（一般には２〜２０ｍｍ）間隔を置いて配置されるように、取付け位置でのシェルの幅よりもわずかに小さい幅を有する。長手バッフルはシェル３４の内部を、切り抜き部２６、２７を介して流体連通している３つの区画室４１、４２、４３に分割する。

熱交換器は更に管束を備えるが、見やすくするために、そのうちの４つの管４５、４６、４７、４８のみを示している。熱交換器３１の管側は点々を打って示してある。この態様では、管側は２チューブパス型の構造である。管側は管入口ヘッダー５３への入口５１を有する。管入口ヘッダーは管束のうち下側にある管４７、４８と流体連通している。管４７、４８は、配管端ヘッダー５５に連結された管端板５４まで延びている。配管端ヘッダー５５は、管束のうち上側の管４５、４６と流体連通している。管４５、４６は管出口ヘッダー５７中まで延び、管出口ヘッダー５７には管側からの出口５９が設けられている。入口管ヘッダー５３と出口管ヘッダー５７とは水平板６１により分離される。水平板６１は、シェル３４の中心に沿って水平にシェル端部から管が固定されている管板６２まで延びている。管板はフランジ６３によりシェルに取り付けられ、フランジ６３により、内部構造物を入れたり取り出したりするためにシェルの入口端部を開放できる。シェルの端部を取り外すことのできるフランジ６４を、後端部にも取り付けることができる。

反対端の管端板５４もまた管を固定するが、管板６２とは違って、管端板５４と該管端板５４に連結された管端ヘッダー５５とはシェル３４に連結されていない、すなわち管端ヘッダーは浮いている。このことにより、シェル内で管が熱膨張できる。すべての管流体を受け入れて分配する端ヘッダーの代わりに、個別のＵ字管を用いることもできる。

管は複数の横バッフル６５により支持される。管入口／出口から最も離れたところに設けられている横バッフル６６は他のものとは異なる。まず第一に、横バッフル６６は、シェルの断面に対して厳しい公差で製造される一枚板から形成され、管がちょうど通過できる開口を有するのみであり、管はこのバッフル板に連結されていない。端バッフル６６は、シェル流体が管ヘッダー５５の周りを流れて区画室４１から区画室４３に直接漏れることを防止する。このような漏れにより、第１パスからのシェル流体は近道をしてシェル出口３７に直接到達してしまい、この状態は異なるパス間に存在する小さな圧力低下によって推進される。これを防ぐため、破線６９で示されるように、少なくとも端バッフル６６の周囲下部においてバッフル７より上まで、側面６７の形状のシールを配置してパッキング材料６８をシェル３４に対して押圧する。このシールにより、管端ヘッダー５５の周りの自由空間７０から第３パスである区画室４３中への漏れが防がれる。シールは端バッフル６６の周囲全体に延ばすこともできるが、２シェルパス型の熱交換器と同様に第２パスの区画室４３への漏れは、近道を構成しないので問題とならない。好ましくは、機械的な安定性のために横バッフルは例えば長手ロッド（図示せず）によって相互に連結される。

図３はバッフルとシールが取り付けられた熱交換器シェルについて図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った断面図であり、管と横バッフルは示されていない。シェル３４と壁部材２１、２２とによって形成された二重壁が内部空間７１、７２を作っているのが明瞭に分かる。側板２１、２２は管板６２から端バッフル板６６までずっと延びており、それらに密封して連結される。このため、フランジ（図示せず）が側板２１、２２の端部に溶接され、側板２１、２２は適当なパッキング材料を用いて管板と端バッフル板にそれぞれボルトで留められる。

長手シール１４の態様を拡大部分ＩＶとして図４に更に詳しく示すが、他の長手シール１５、１６、１７も同じように構成される。

長手シール１４は底フランジ７８を介して連結された内側フランジ７６及び７７から形成されたＵ字形フランジ７５を備え、これらすべてはストリップ金属から成る１つの部分品から作られる。ストリップ金属は折り返されて折り曲げ部７９及び８０を形成する。この折り曲げ部は、外向きに延びている弾性フランジ、すなわち金属薄板８２、８３、８４、８５の形式の壁シール部材を保持するよう構成される。図には４つの薄板が示されており、一方の側に２つの薄板示されているが、それより多くの又は少ない薄板シールを設けることもできる。代表的な薄板の数は一方の側に４個である。

Ｕ字形の側面７５により形成される溝の幅は、バッフル６の長手リム１１ａと壁部材２１の折り曲げられたリム８８とを合わせた厚みがぴったりと受け入れられるような幅である。必要なら、テフロン（商標）などの動作温度に適したパッキング材料を適用できる。これらの部品は破線８９に沿ってボルトで留めることができる。明確にするため、図中において部品間の隙間は誇張して示してあることが分かる。

図５は３つの部分９１ａ、９１ｂ、９１ｃから形成された横バッフル６５を示し、この構成により３シェルパス型の熱交換器において２つの長手バッフル６、７と共に使用できる。この態様におけるこれらの部分９１ａ、９１ｂ、９１ｃは、適当な大きさに切断されてフレーム９３ａ、ｂ、ｃに溶接されたエキスパンデッドメタル板９２ａ、ｂ、ｃから作られる。これらの、フレーム９３ａ、ｂ、ｃは、機械的な安定性に必要ならばシェル及び／又は長手バッフルに連結し得る。

図６に概略的に示されるように、エキスパンデッドメタル９２が管を支持する。
長手バッフルがシェルの直径から相対的に遠く離れて配置される場合には、図４において破線のバッフル６’について示されているように長手リムをシェル３４の半径方向に折り曲げるのが好ましい場合もある。

熱交換器を製造するため、必要なら元の内部構造物を取り出した後に熱交換器シェルが配置される。長手リムのところに長手シールを備えて長手バッフルの積層構造が得られ、壁部材が隣り合った長手バッフルの長手シール間に延びているように、シェルの外側で本発明によるバッフルとシールとの集合体を組み立てるのが好ましい。この集合体は更に横バッフルと管、及び好ましくは管板と管端板を完備でき、完備した集合体をスライドさせてシェルに入れることができる。このために、管入口／出口ヘッダーを取り外し、好ましくは端部部品（図２のフランジ６３及び６４）も取り外す。管端板５４は、シェルを通り抜ける必要があるので、管板６２の直径よりも小さい直径を有する。組み立てた構成をシェルの中に移動させた後に、管ヘッダー５５を取り付けるのが好ましい。横バッフルの周囲にスライド用ストリップを設けるのが好ましい。

以下、本発明による内部構造物を有する熱交換器の通常動作の例を説明する。この例の熱交換器は、図２〜６に示された集合体を設置することによって従前の１パス型の熱交換器を改良したものであり、原料の蒸留装置の予熱機器列で用いられる。管の全長は約６メートルであり、円筒シェルの内径は約１．２メートルである。水平の長手バッフルはシェルの直径に関して対称的に配置され、シェルの法線（すなわちシール地点での半径）と１８度の角度を形成する。この場合、弾性薄板シールがステンレス鋼３１６ＴＩから作られているＫｅｍｐｃｈｅｎ Ｔ４バッフルシールが使用されるときには、折り曲げられた長手リムは不要であることが分かった。二重壁は幅が５０ｍｍの内部空間を形成した（図３の参照番号７１を参照）。水平板６１が管入口ヘッダーと出口ヘッダーとを分離しているので、シェルの水平の中心線に沿って管を配置することはできなかった。総計８６６個の管を設置した。

管側を通る流体は原料であり、高温の長い残渣に対して例えば１５５℃から１８０℃に予熱され、この残渣はシェル側に送られ２７０℃から２２０℃に冷却される。この場合、エキスパンデッドメタルのバッフルを使用すると、シェル側において汚れを抑制し保守／清掃コストが低減するので、特に有利である。３シェルパス型の構成ではシェル側での流速が増すので、小型のシェルにおいて高効率の熱伝達を行なうのに有効である。これはまた利用できる圧力低下を有効に活用する。３シェルパス型でかつ２チューブパス型のこの例のレイアウトの特徴は、シェル及び管の流れが区画室４１内では向流であり、区画室４２では部分的に向流であり部分的に並流であり、区画室４３では並流であることである。

本発明は２個より多い長手バッフルでも同様に使用できることが分かる。例えば、３つの長手バッフルの場合、４つの二重壁（第１の長手バッフルと第２の長手バッフルの間に２つ、第２の長手バッフルと第３の長手バッフルの間に２つ）を構成するように、好ましくは４つの壁部材が配置される。好ましくは、第２の（中間の）長手バッフルの長手シールは、該長手シールから上下方向に延びた２つの壁部材の折り曲げられた長手リムを保持する。このような４シェルパス型の構造では、通常はシェルの入口と出口はシェルの同じ側にある。このような構成では、長手バッフルがシェルの水平直径に沿って延びているので、管入口／出口ヘッダー間の水平分離板に突き当たることはない。

本発明によるバッフルとシールとの集合体を概略的に示す。 熱交換器における本発明のバッフルとシールとの集合体を概略的に示す。 図２の熱交換器の断面図を概略的に示す。 図３の拡大詳細部ＩＶを概略的に示す。 本発明で使用する横エキスパンデッドメタル管支持バッフルを概略的に示す。 エキスパンデッドメタルを通り抜ける管の束を概略的に示す。

符号の説明

１：バッフルとシールとの集合体
４：熱交換器シェル
６、７：長手バッフル
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ：長手リム
１４、１５、１６、１７：長手シール
２１、２２：壁部材
２６、２７：切り抜き部

Claims (14)

1. 熱交換器シェル内に取り付けるためのバッフルとシールとの集合体であって、
   各々が２個の長手リムを有する複数の長手バッフルと；
   取付け後に長手バッフルの長手リムを熱交換器シェルに対して密封係合させるための複数の長手シールと；
   を備え、
   取付け後に熱交換器シェルと共に二重壁を形成するように、隣り合った長手バッフルの長手シール間に延びるよう配置された壁部材を更に備える前記集合体。
2. 長手シールが長手リムを受け入れるためのＵ字形フランジを備え、更に壁シール部材をも備える、請求項１に記載の集合体。
3. 壁シール部材が向かい合って外向きに延びる弾性フランジから成る、請求項２に記載の集合体。
4. 壁部材が折り曲げられた長手リムを有し、Ｕ字形フランジが、前記長手シールから延びた壁部材の折り曲げられた長手リムも受け入れるように構成されている、請求項２又は３に記載の集合体。
5. 長手バッフルの少なくとも１つが折り曲げられた長手リムを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の集合体。
6. 管束を支持するための複数の横バッフルを更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の集合体。
7. 横バッフルがエキスパンデッドメタルから作られた要素である、請求項６に記載の集合体。
8. 熱交換器シェルの入口と出口の間でｎ回のパスの曲がりくねった流体の流路を形成するために長手バッフルの数がｎ?１であり、ただしｎ＞２であり、横バッフルがｎ個の部分から形成される、請求項６又は７に記載の集合体。
9. 隣り合った長手バッフル間の横バッフルの前記部分が、前記隣り合った長手バッフルの対向した二重壁間の断面に対応した断面を有する、請求項８に記載の集合体。
10. 管が管板から横バッフルと横端バッフルとを通って管端板まで延び、壁部材が一方の端にて管板に連結され、もう一方の端にて端バッフルに連結される、請求項６〜９のいずれか一項に記載の集合体。
11. シェルのパス間で端バッフルの周りを流体が通り抜けるのを防止するために、端バッフルがシールを備える、請求項１０に記載の集合体。
12. 集合体が熱交換器シェル内に配置される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の集合体。
13. - 熱交換器シェルを準備する段階と；
    - 各々が２つの長手リムを有する複数の長手バッフル、
    複数の長手シール、及び
    複数の壁部材
    を備えるバッフルとシールとの集合体を準備する段階と；
    - 長手リムのところに長手シールが設けられると共に、壁部材が隣り合った長手バッフルの長手シール間に延びている積層の長手バッフルの装置が得られるように熱交換器シェルの外側でバッフルとシールとの集合体を組み立てる段階と；
    - 各々の壁部材が熱交換器シェルと二重壁を形成するように、前記装置を熱交換器シェルに入れる段階と；
    からなる熱交換器の組立方法。
14. 熱交換器シェルを準備する段階が、前の熱交換器の内部構造物を熱交換器シェルから取り出すことを含む、請求項１３に記載の方法。