JP2013108686A - シェルアンドチューブ熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】１本毎のチューブ交換を容易かつ短時間に行うことができ、シェル内側及びチューブ外側を十分に清掃することができるようなシェルアンドチューブ熱交換器を提供すること。
【解決手段】チューブが管板部を貫通する箇所において、パッキン群によってチューブを固定し、必要であればチューブを抜き取って１本毎のチューブ交換を行うことを可能にする。２本以上のチューブを固定するパッキンを１枚のシートパッキンとして組立を容易にする。また、シェルと管板部とを着脱可能に接合して、シェル内側及びチューブ外側の清掃を可能にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、シェルアンドチューブ熱交換器に関するものである。

排気や排液を捨てる際にその余熱を熱交換器で回収する排熱回収は、省エネルギーの手段として有効である。回収された熱を利用し、その分、燃料使用量や電力使用量を削減することができる方法である。
しかし通常、排気や排水には汚れ、沈殿物、腐食性物質が含まれることがほとんどである。そのため排熱回収には比較的汚れに強いシェルアンドコイル型やシェルアンドチューブ型熱交換器が使われることが多い。特にシェルアンドチューブ型は汚れに強く、比較的高性能であり、大流量に対応可能な事から産業分野・民生分野で広く利用されている。
従来のシェルアンドチューブ熱交換器は、シェルとチューブ（一般には金属性伝熱管）の隙間からの排気や排水の漏れを防止するため、鋼、ステンレス等の金属管であるチューブの端部を全周溶接またはロウ付けして製造され、分解・組立はできない構造となっている。このため、チューブのうちの１本のみに故障（漏れ等）が生じた場合でも、チューブを容易に交換することはできず、熱交換器全体を交換することが一般的だった。
これに起因して、排熱回収設備においては、熱交換器の交換を行う数日の間、設備全体又は当該関連プラントの機能を停止せざるを得ないことになっていた。

排熱回収熱交換器においては、以下に述べる腐食の問題がある。この問題は、腐食性の排気又は排液に係る排熱回収の低温域で特に顕著になる。
排気には、水蒸気、窒素酸化物、硫黄酸化物などが含まれている場合が多く、これらを含んだ気体から余熱を回収すると、排気が冷えて水蒸気が結露し、排気中の窒素酸化物、硫黄酸化物、硫化水素、塩素などが結露した水滴中に溶け込み、亜硝酸、硝酸、亜硫酸、硫酸などの腐食性溶液が生成され得る。
排液には、最初からこれらの腐食性溶液が含まれている場合が多い。
排熱回収用のシェルアンドチューブ熱交換器においては、シェル内側、チューブ側面、チューブ端溶接部などがこれらの腐食性溶液によって腐食・劣化して液漏れ・ガス漏れなどの漏洩事故につながる場合が多く見受けられる。
排熱回収熱交換器で漏洩が発生した場合には、バルブやダンパを切替え，余熱のある排気や排液をバイパス流路から逃がし、漏洩箇所を通過させないような措置（バイパス措置）が取られる。つまり、余熱のある流体を排熱回収せずに排出させる。熱交換器における漏洩事故に当たっては、たとえ１本のチューブ（端部を含む）の不具合でもバイパス措置を取る必要があるが、バイパス措置によって排熱回収装置が機能しなくなり、光熱費が上昇してエネルギー採算的に損失となるため、熱交換器を速やかに補修・回復してバイパス措置を終了することが好ましい。

しかし、従来のシェルアンドチューブ熱交換器においては、チューブを１本毎に、短時間で交換することは不可能で、熱交換器全体を取り外して交換することが必要ゆえ、速やかな回復が困難であった。このため、熱交換器の交換を行う数日の間、バイパス措置を継続する、設備全体又は当該関連プラントの機能を停止せざるを得ないことになるといった問題が発生していた。
この問題を解決するものとして、特許文献１には、各チューブのシェルの外側にある部分のみを溶接し、その溶接部分を切断してチューブを交換し、再び溶接することによって１本毎のチューブ交換を可能にしたシェルアンドチューブ熱交換器が開示されている。
しかし、特許文献１に開示されたシェルアンドチューブ熱交換器は、チューブ交換のために溶接部分の切断及び再溶接を行うものである。技術を持たない者が容易に行えるものではなく、また、短時間で行えるものでもない。
以上のとおり、１本毎のチューブ交換を容易かつ短時間に行うことができるシェルアンドチューブ熱交換器は知られていなかった。

従来のシェルアンドチューブ熱交換器においては、熱交換器の保守のための清掃を行う時には、外部から清掃具を挿入できるチューブ内側についてのみブラシ、噴流水等による清掃が可能であった。シェル内側及びチューブ外側については、熱交換器が分解・組立のできない構造のため、ブラシ、噴流水等を届かせることができない。このため、薬液による洗浄によらざるを得ず、清掃の効果が不十分であった。このことは、前記腐蝕の問題の誘因となっていた。
この問題を解決するものとして、特許文献２には、シェルに汚れの排出口を設けたシェルアンドチューブ熱交換器が開示されている。このシェルアンドチューブ熱交換器は、シェル内側及びチューブ外側を噴流水によって清浄することができる。しかし、排出口の位置に依存して、噴流水が当たらずに清浄が不十分となる部分が残ると考えられる。
以上のとおり、シェル内側及びチューブ外側をブラシ、噴流水等により十分に清掃することができるようなシェルアンドチューブ熱交換器は知られていなかった。

特開２００２−０６２０８１号公報 特開２００２−０２２３９２号公報

解決しようとする課題は、１本毎のチューブ交換を容易かつ短時間に行うことができ、シェル内側及びチューブ外側を十分に清掃することができるようなシェルアンドチューブ熱交換器を提供することである。

本発明のシェルアンドチューブ熱交換器は、
シェル両端の管板部を貫通するチューブを有するシェルアンドチューブ熱交換器であって、
前記管板部において、チューブは、それが貫通する孔に沿って移動可能であり、前記孔の周縁に設けられた少なくとも２つのパッキンによって固定されていることを特徴とする。
チューブが孔に沿って移動可能であるので、腐蝕、破損等が生じたチューブを抜き取り、新品のチューブと交換することができる。
チューブの移動を可能にしつつ、孔からシェル内の気体又は液体が漏れることのないよう、少なくとも２つのパッキンによって固定する。

本発明のシェルアンドチューブ熱交換器は、
前記少なくとも２つのパッキンは、そのうち少なくとも２つがＯ−リングであることを特徴とする。
２つのＯ−リングを用いる方法は広く用いられており、十分な気密性、水密性を保つことができることが知られている。

本発明のシェルアンドチューブ熱交換器は、
前記管板部は、少なくとも３枚の要素管板を積層したものであり、互いに隣接する前記要素管板の間にＯ−リングを設けたものであることを特徴とする。
Ｏ−リングが劣化した場合に、要素管板を取外して容易に新品と交換することができる。
また、管板部で流体が漏れてしまった場合に、漏れた流体をシェルの内部に流出させてしまうことは好ましくない。要素管板を積層することによって、積層した要素管板の間から外部に流出させることができる。

本発明のシェルアンドチューブ熱交換器は、
２本以上の前記チューブを備え、
前記要素管板の間のうちの２つ以上にチューブが貫通する孔の周縁においてチューブを固定する（前記パッキンの作用をする）シートパッキンが配されていることを特徴とする。
２本以上のチューブを備えると、チューブ１本毎にパッキンで固定するよりも、１枚のシートパッキンによって全てのチューブを固定するほうが、シェルアンドチューブ熱交換器の組立が容易になる。本発明はチューブの交換等に係る組立作業を技術を持たない者にも行えるようにするものであり、組立の容易性が重要である。

本発明のシェルアンドチューブ熱交換器は、
前記シートパッキンは、エラストマー製であり、
チューブが貫通する孔に対応する箇所に該チューブの外径の略０．９倍の直径の略円形の孔が設けられたものであることを特徴とする。
ここで、「エラストマー」とは、弾性を持った重合体（例えばゴム）を言う。
「略０．９倍」とは、１．０倍未満であって、エラストマーの弾性によりシートパッキンの孔にチューブを貫通させることができかつ貫通させたチューブを保持できる程度の倍率である。最適の倍率はエラストマーの弾性係数に依存して変動するが、ゴムを含む多くのエラストマーに対して０．８〜０．９５である。
チューブを貫通させるだけで容易に組立ができる。

本発明のシェルアンドチューブ熱交換器は、
前記管板部は、少なくとも４枚の前記要素管板を積層したものであり、
２枚の前記シートパッキンの間には２枚以上の前記要素管板が配されていることを特徴とする。
管板部で流体が漏れてしまった場合に、漏れた流体を積層した要素管板の間から外部に流出させる場合、シートパッキンはＯ−リングと異なりそれ自体が流出の妨げになることがある。シートパッキンの間に２枚以上の要素管板が配されていれば、その要素管板の間から流出させることができる。

本発明のシェルアンドチューブ熱交換器は、
シェルと前記管板部とを着脱可能に接合したことを特徴とする。
溶接等を行わず、螺子止め等により、シェルと管板部とを着脱可能に接合する。
管板部を取り外してシェル内部の清掃を行うことができる。

本発明のシェルアンドチューブ熱交換器は、以下の効果を有する。（１）特別の技術を持たないものでも、チューブを、１本毎に、短時間で交換することができる。（２）管板をチューブが貫通する部分の気密性、水密性は十分に保たれている。（３）管板部を取り外してシェル内部の清掃を行うことができる。

図１は、シェルアンドチューブ熱交換器を示す図である。（実施例１） 図２は、管板部の構造を示す図である。（実施例１） 図３は、管板部の構造を示す分解図である。（実施例１） 図４は、管板部で漏れた流体の流れを示す図である。（実施例１） 図５は、シートパッキンを示す図である。（実施例２） 図６は、管板部の構造を示す図である。（実施例２） 図７は、管板部の構造を示す分解図である。（実施例２） 図８は、管板部におけるシートパッキンの配置を示す図である。（実施例２） 図９は、管板部で漏れた流体の流れを示す図である。（実施例２）

実施例１は、Ｏ−リングを用いたシェルアンドチューブ熱交換器を示すものである。実施例２は、シートパッキンを用いたシェルアンドチューブ熱交換器を示すものである。

図１は、シェルアンドチューブ熱交換器を示す図である。シェル１の両端に管板部３が備えられている。ここで、管板部３はシェル１に嵌合され螺子止め固定されており、溶接されていない。管板部３を、チューブ２が貫通している。
なお、実際のシェルアンドチューブ熱交換器には、図示しない構造が設けられている。（１）シェル１の内部にチューブ２を固定するためのバッフル板等が設けられている、（２）シェルに排気又は排液のための流入口及び流出口が設けられている、（３）２本よりも多くのチューブが使用される、その他である。これらは、本発明の効果と無関係なので省略して説明する。

図２は、管板部の構造を示す図である。管板３は、４枚の要素管板３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄを積層したものである。いずれの要素管板にもチューブ２を貫通させる孔が設けられている。要素管板３ｄは、シェル１に嵌合され螺子止め固定される。要素管板３ａは、チューブ２の端部を固定する。要素管板３ａ及び３ｃにはパッキン４ａ及び４ｂが設けられ、チューブ２を固定している。パッキン４ａ及び４ｂはＯ−リングである。なお、要素管板３ｃと３ｄとを一体化して１枚の要素管板とし、全部で３枚の要素管板でもよい。
図３は、管板部の構造を示す分解図である。図２からチューブ２を除去し、４枚の要素管板３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄの間を空けて描いたものである。

以上の構造により、本実施例のシェルアンドチューブ熱交換器は、以下の効果を奏する。
チューブ２は、溶接されておらず、Ｏ−リング４ａ及び４ｂによって固定されている。管板部３から容易に抜き取ることができ、また、新品のチューブ２を管板部３に容易に挿入することができる。したがって、熱交換器に関する特段のスキルを持たない者によっても、腐蝕、破損等が生じたチューブを抜き取り、新品のチューブと交換することが容易である。仮に、チューブのうちの１本に腐蝕、破損等が生じた場合でも、熱交換器の動作を短時間のみ停止させて修復することができる。
チューブ２は、２つのＯ−リング４ａ及び４ｂによって固定されている。２つのＯ−リングを用いることでいわゆるサニタリー規格を満たしており、排気や排液であるシェル内の流体や、シェル内で発生した亜硫酸等の液体が外部に流出してしまうことはない。また、実施例２において詳述するように、シェル内の流体とチューブ内の流体とが混合してしまうこともない。
管板部３はシェル１に嵌合され螺子止め固定されており、溶接されていない。管板部３をシェル１から取り外して、シェル内側及びチューブ外側についても外部から清掃具を挿入してブラシ、噴流水等による清掃が可能である。

以下、管板部で流体が漏れてしまった場合について説明する。図４は、管板部で漏れた流体の流れを示す図である。管板部で流体が漏れることは、Ｏ−リングの劣化したその他の理由で起こり得る。漏れた流体はＯ−リングの箇所から流出する。液体が流出する箇所のＯ−リングを図において除去して表示してある。
（ａ）は、チューブ側で流体が漏れた場合の図である。チューブ内の流体は、図において矢印で示すとおり、図において要素管板３ｃよりも左側に流出する。図において要素管板３ｃよりも右側に流出することは、Ｏ−リング４ｂにより防止されている。シェル内の流体は、Ｏ−リング４ｂにより、図において要素管板３ｃよりも右側に止められる。したがって、シェル内の流体とチューブ内の流体とが混合することはない。
（ｂ）は、シェル側で流体が漏れた場合の図である。シェル内の流体は、図において矢印で示すとおり、図において要素管板３ｂよりも右側に流出する。図において要素管板３ｂよりも左側に流出することは、劣化していないＯ−リング４ａにより防止されている。チューブ内の流体は、Ｏ−リング４ａにより、図において要素管板３ｂよりも左側に止められる。したがって、シェル内の流体とチューブ内の流体とが混合することはない。
以上のとおり、Ｏ−リング４ａ及び４ｂのいずれか一方のみが劣化しても、シェル内の流体とチューブ内の流体とが混合することはない。
また、チューブ側、シェル側のどちらで流体が漏れた場合にも、漏れた流体はシェル外に流出し、シェル内で他の流体と混合されることがない。

実施例は、シートパッキンを用いるものである。Ｏ−リングとシートパッキンの相違及びこれに伴う管板部の相違を除き、シェルアンドチューブ熱交換器は実施例１と同様である。以下、管板部について説明する。

図５は、シートパッキンを示す図である。シートパッキン５は、ゴム製であり、（ａ）に示すとおり、チューブを貫通させる円形の孔が設けられている。（ｂ）はチューブを貫通させた状態を示す。図では１つの孔のみにチューブを貫通させているが、実際には全ての孔にチューブを貫通させる。孔の直径ｒとチューブの外径Ｒとの間には、ｒ＝０．９Ｒの関係がある。

図６は、管板部の構造を示す図である。管板３は、５枚の要素管板３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及び３ｅを積層したものである。いずれの要素管板にもチューブ２を貫通させる孔が設けられている。要素管板３ｅは、シェル１に嵌合され螺子止め固定される。要素管板３ａは、チューブ２の端部を固定する。要素管板３ａと３ｂの間にはシートパッキン５ａが設けられ、要素管板３ｃと３ｄの間にはシートパッキン５ｂが設けられ、チューブ２を固定している。実施例１においては、２つのパッキンの間には１枚のみの要素管板が設けられていたが、本実施例では２枚の要素管板３ｂ及び３ｃが設けられている。なお、要素管板３ｄと３ｅとを一体化して１枚の要素管板とし、全部で４枚の要素管板でもよい。
図７は、管板部の構造を示す分解図である。図６からチューブ２を除去し、５枚の要素管板３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及び３ｅの間を空けて描いたものである。図においてＸで示した部分は、実施例１と同形である。実施例１においては、Ｘで示した部分にＯ−リングが装着された。本実施例においては、チューブを挿入されることにより圧縮されたシートパッキンの被圧縮部分がＸで示した部分に収容される。図８は、管板部におけるシートパッキンの配置を示す図である。チューブ２によって圧縮されたシートパッキンは、変形し、図７においてＸで示した部分に収容されている。同形の要素管板をＯ−リングを使用する場合にもシートパッキンを使用する場合にも利用することができ、要素管板の生産が容易になる。

以上の構造により、本実施例のシェルアンドチューブ熱交換器は、実施例１のシェルアンドチューブ熱交換器の持つ効果に加えて、さらに以下の効果を奏する。
シェルアンドチューブ熱交換器を組立る時のパッキンの装着において、１枚のシートパッキンを取り付けるだけで全てのチューブに対するパッキンが装着される。シェルアンドチューブ熱交換器の組立が容易である。

以下、管板部で流体が漏れてしまった場合について説明する。図９は、管板部で漏れた流体の流れを示す図である。（ａ）は、チューブ側で流体が漏れた場合の図である。（ｂ）は、シェル側で流体が漏れた場合の図である。
いずれの場合にも、シェル内の流体は、図において矢印で示すとおり、要素管板３ｂと３ｃとの間に流出する。シートパッキンはその両側の要素管板に接してしるので、シートパッキンの箇所から流体が流出することはない。このため、２枚のシートパッキンの間に２枚の要素管板３ｂ及び３ｃを設け、その間から流体を流出させる。シェル内の流体とチューブ内の流体とが混合することはない。漏れた流体はシェル外に流出し、シェル内で他の流体と混合されることがない。

１本毎のチューブ交換を容易かつ短時間に行うことができ、シェル内側及びチューブ外側を十分に清掃することができるようなシェルアンドチューブ熱交換器であり、食品製造工場を初めとする多くの工場における利用が期待できる。

１ シェル
２ チューブ
３ 管板部
４ Ｏ−リング
５ シートパッキン

Claims (7)

1. シェル両端の管板部を貫通するチューブを有するシェルアンドチューブ熱交換器であって、
   前記管板部において、チューブは、それが貫通する孔に沿って移動可能であり、前記孔の周縁に設けられた少なくとも２つのパッキンによって固定されていることを特徴とする、シェルアンドチューブ熱交換器。
2. 前記少なくとも２つのパッキンは、そのうち少なくとも２つがＯ−リングであることを特徴とする、請求項１に記載のシェルアンドチューブ熱交換器。
3. 前記管板部は、少なくとも３枚の要素管板を積層したものであり、互いに隣接する前記要素管板の間にＯ−リングを設けたものであることを特徴とする、請求項２に記載のシェルアンドチューブ熱交換器。
4. ２本以上の前記チューブを備え、
   前記要素管板の間のうちの２つ以上にチューブが貫通する孔の周縁においてチューブを固定する（前記パッキンの作用をする）シートパッキンが配されていることを特徴とする、請求項１に記載のシェルアンドチューブ熱交換器。
5. 前記シートパッキンは、エラストマー製であり、
   チューブが貫通する孔に対応する箇所に該チューブの外径の略０．９倍の直径の略円形の孔が設けられたものであることを特徴とする、請求項４に記載のシェルアンドチューブ熱交換器。
6. 前記管板部は、少なくとも４枚の前記要素管板を積層したものであり、
   ２枚の前記シートパッキンの間には２枚以上の前記要素管板が配されていることを特徴とする、請求項４又は５に記載のシェルアンドチューブ熱交換器。
7. シェルと前記管板部とを着脱可能に接合したことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の、シェルアンドチューブ熱交換器。

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