JP2015141011A

JP2015141011A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2015141011A
Application number: JP2014015927A
Authority: JP
Inventors: 善道川上; Yoshimichi Kawakami; 隆行伊藤; Takayuki Ito
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2015-08-03

Abstract

【課題】管板と管板に固定された複数の伝熱チューブを有する熱交換器において、管板の強度信頼性を向上させる。
【解決手段】内筒１０と、内筒１０の内部に内筒１０と平行に配置された複数の伝熱チューブ１１と、伝熱チューブ１１の端部に取り付けられて伝熱チューブ１１を所定の配置に位置決めする管板８と、を有する熱交換器であって、伝熱チューブ１１の中心は、管軸方向から見て、内筒１０より小径の円Ｃに内接する多角形Ｈの頂点Ａを除く範囲に、等しい相互間隔でかつ千鳥状に配置されている熱交換器を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、管板と、管板に固定された複数の伝熱チューブを有する熱交換器に関する。

国内の下水汚泥の発生量は年々増加しており、その多くが焼却処理されている。汚泥を焼却する汚泥焼却設備においては、汚泥ケーキを焼却する燃焼炉の排ガスが高温となることから、熱効率を高めるために熱回収が行われている。例えば、焼却炉の排ガスを空気予熱器によって燃焼炉の燃焼空気（流動空気）と熱交換することによって燃焼用空気の予熱を行い、省エネルギー化を図っている。

空気予熱器としては、例えばシェルアンドチューブ式と呼ばれる多管式熱交換器が採用されている（例えば、特許文献１参照）。多管式熱交換器は、内筒（シェル）の内部に内筒と平行に配置された複数の伝熱チューブを有している。複数の伝熱チューブは、その両端部が一対の管板にそれぞれ形成された貫通孔に挿入されて並設されている。また、管板の外周には円錐状の斜板が取り付けられている。
上記した空気予熱器では、伝熱チューブに高温の排ガスを通過させ、管板間に燃焼用空気を通過させることによって熱交換を実施している。

図６は、従来の熱交換器の伝熱チューブの配置を説明する管板の平面図である。図６に示すように、管板８において伝熱チューブ１１は、伝熱チューブ１１の中心が管軸方向から見て、内筒１０より小径の円Ｃに内接する六角形Ｈの範囲に配置されている。また、複数の伝熱チューブ１１の配置は、等しい相互間隔でかつ千鳥状とされている。

特開２００１−１２８７５号公報

伝熱チューブ１１の配置を決定する場合、熱交換の面積を増やす目的で、出来るだけ多数の伝熱チューブ１１を配置しようとするため、最外周の伝熱チューブ１１Ｓが管板８外周（斜板１５との接続部）に接近しすぎる場合があった。
管板８の熱応力は、伝熱チューブ１１と管板８外周（斜板１５との接続部）との距離が短い箇所（符号Ｍで示す）で最大となる。これは、温度の低い斜板１５と、高温の伝熱チューブ１１の距離が短いと、その間で熱変形を吸収しきれないためと考えられる。
このような構成であると、局部的、特に、最外周の伝熱チューブ１１Ｓと管板８外周との間の管板８において、大きな熱応力が発生し、管板８の強度信頼性が低下するという課題がある。

この発明は、管板と管板に固定された複数の伝熱チューブを有する熱交換器において、管板の強度信頼性を向上させることができる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、熱交換器は、内筒と、前記内筒の内部に前記内筒と平行に配置された複数の伝熱チューブと、前記伝熱チューブの端部に取り付けられて前記伝熱チューブを所定の配置に位置決めする管板と、を有する熱交換器であって、前記伝熱チューブの中心は、管軸方向から見て、前記内筒より小径の円に内接する多角形の頂点を除く範囲に、等しい相互間隔でかつ千鳥状に配置されていることを特徴とする。

このような構成によれば、突出して管板外周に近づく伝熱チューブがなくなり管板に発生する熱応力が低下するため、管板の強度信頼性を向上させることができる。

上記熱交換器において、前記頂点の位置に、前記内筒の内周面から中心に向かう邪魔板を前記伝熱チューブと平行に設ける構成としてもよい。

このような構成によれば、内筒内の空間に流入した空気が邪魔板に当接して流れの向きが内筒の中心方向に向けられる。これにより、空気が伝熱チューブの壁面により当たるようになるため、熱交換器の熱交換率を向上させることができる。

上記熱交換器において、前記邪魔板の内周側の端部は、前記頂点よりも前記内筒の中心側に達している構成としてもよい。

本発明によれば、内筒と、内筒と平行に配置された複数の伝熱チューブと、伝熱チューブを所定の配置に位置決めする管板と、を有する熱交換器において、管板の強度信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態の熱交換器を備えた焼却施設のブロック図である。本発明の実施形態の熱交換器の概略図である。本発明の実施形態の熱交換器の伝熱チューブの配置を説明する図２のＩＩＩ矢視図である。従来の伝熱チューブの配置を用いて本実施形態の伝熱チューブの配置を説明するための配置図である。伝熱チューブの代表数ｎ＝５の場合の管板中心から伝熱チューブ中心までの距離を示すグラフである。従来の熱交換器の伝熱チューブの配置を説明する管板の平面図である。

本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、焼却施設は、焼却炉１と、熱交換器２と、排ガスダクト３Ａ，３Ｂと、空気ダクト４Ａ，４Ｂとを備える。排ガスダクト３Ａは、焼却炉１からの排ガスを熱交換器２に供給するように焼却炉１と熱交換器２とを接続する。空気ダクト４Ａは、熱交換器２に空気を供給する。熱交換器２は、排ガスと空気とを熱交換する。

熱交換により温度が低下した排ガスは、排ガスダクト３Ｂを経由して最終的に大気に放出される。空気ダクト４Ｂは、熱交換により温度が上昇した空気を焼却炉１に供給するように焼却炉１と熱交換器２とを接続する。焼却炉１に供給されるべき空気が熱交換器２によって暖められるため、焼却炉１は下水汚泥のような燃えにくい焼却対象物の焼却が可能である。

図２に示すように、熱交換器２は、上部ヘッダ６と、下部ヘッダ７と、上側管板８と、下側管板９と、内筒１０と、複数の伝熱チューブ１１を備える。伝熱チューブ１１は、内筒１０の内部に内筒１０と平行に配置されている。
上側管板８及び下側管板９には、伝熱チューブ１１を挿通させるための複数の貫通孔が形成されている。伝熱チューブ１１は、この貫通孔に挿通されることによって所定の位置に位置決めされている。
排ガスダクト３Ａは上部ヘッダ６に接続され、排ガスダクト３Ｂは下部ヘッダ７に接続されている。

内筒１０は、内筒上部１３と、内筒下部１４と、内筒下部１４を内筒上部１３に接続するエキスパンジョンジョイント（不図示）を備える。
上側管板８は、上部ヘッダ６内の上部ヘッダ内空間６ａと内筒１０に囲まれた内筒内空間１０ａとの間に設けられている。下側管板９は、内筒内空間１０ａと下部ヘッダ７内の下部ヘッダ内空間７ａとの間に設けられている。

上部ヘッダ６の内周面と上側管板８とは、斜板１５によって接続されている。同様に、下部ヘッダ７の内周面と下側管板９とは、斜板１５によって接続されている。斜板１５は、管板８，９とヘッダ６，７との間に介在する円筒形状の部材であり、内筒１０の軸線方向に向かって徐々に拡径する円錐形状をなしている。斜板１５の板厚は、管板８，９よりも薄くなるように形成されている。

複数の伝熱チューブ１１は、内筒内空間１０ａを上下に延びて上部ヘッダ内空間６ａと下部ヘッダ内空間７ａとを接続する。空気ダクト４Ｂは、内筒下部１４に設けられた空気出入口１４ａに接続されている。空気ダクト４Ａは、内筒上部１３に設けられた空気出入口１３ａに接続されている。

焼却炉１から排ガスダクト３Ａを通って上部ヘッダ内空間６ａに排ガスが供給される。排ガスは、上部ヘッダ内空間６ａから複数の伝熱チューブ１１内を通って下部ヘッダ内空間７ａに流れる。排ガスは下部ヘッダ内空間７ａから排ガスダクト３Ｂを通って最終的に大気に放出される。

空気ダクト４Ａを流れてきた空気は、空気出入口１３ａから内筒内空間１０ａに流入し、内筒内空間１０ａを流れた後、空気出入口１４ａ及び空気ダクト４Ｂを通って焼却炉１に供給される。伝熱チューブ１１内を流れる排ガスと内筒内空間１０ａを流れる空気とが伝熱チューブ１１の壁面を介して熱交換される。
また、内筒内空間１０ａの空気の流れが伝熱チューブ１１にできるだけ等しく当たるように、バッフルプレート１７が内筒内空間１０ａに設けられている。

図３に示すように、伝熱チューブ１１は、等しい相互間隔で、かつ、千鳥状（千鳥配列）となるように管板８に配置されている。千鳥状とは、伝熱チューブ１１が隣り合う伝熱チューブ１１と間隔を置いて列状に配列され、かつ、一つの列を形成する伝熱チューブ１１が、この列の隣の列を形成する伝熱チューブ１１の間に位置するように配列されることである。

また、伝熱チューブ１１は、内筒１０より小径の円Ｃに内接する六角形Ｈの内側の範囲に配置されている。ただし、六角形Ｈの頂点Ａに相当する位置には、伝熱チューブ１１は配置されていない。換言すれば、伝熱チューブ１１は、管軸方向から見て、六角形Ｈの頂点Ａを除く範囲に配置されている。
なお、本実施形態では、円Ｃに内接する多角形を六角形としたが、管板８の全面を覆うような配置であればこれに限ることはなく、例えば、円Ｃに内接する多角形を八角形としてもよい。

また、伝熱チューブ１１のうち最も内筒１０に近い位置に配置されている伝熱チューブ１１（最外周の伝熱チューブ１１）の外周面と、内筒１０の内周面との間の距離は、伝熱チューブ１１の配管ピッチｐ（図４参照）以下とされている。即ち、内筒１０と複数の伝熱チューブ１１からなる伝熱チューブ群との間の隙間は、伝熱チューブ１１の配管ピッチｐよりも大きくならないように規定されている。

内筒１０の内周面には、伝熱チューブ１１と平行に複数（本実施形態では６個）の邪魔板１６が設けられている。邪魔板１６は長尺の板状部材であり、六角形Ｈの頂点Ａの位置に管軸方向に延在するように設けられている。即ち、邪魔板１６は、頂点Ａに配置されていない伝熱チューブ１１の代わりに設置されている。邪魔板１６の内周側の端部は、頂点Ａよりも内筒１０の中心側に達している。

次に、本実施形態の伝熱チューブ１１の配置の決定方法について説明する。図４は、従来の伝熱チューブの配置を用いて本実施形態の伝熱チューブの配置を説明するための配置図である。
図４に示すように、従来の伝熱チューブ１１は、等しい相互間隔で、かつ、千鳥状となるように管板８に配置されている。また、伝熱チューブ１１は、内筒１０（図２参照）より小径の円Ｃに内接する六角形Ｈの範囲に配置されている。ただし、六角形Ｈの頂点に配置される６本の伝熱チューブ１１のうち４本は、熱交換器の性能上の理由から取り除かれている。よって、六角形Ｈの頂点に位置する最外周の伝熱チューブ１１Ｓは２本である。

管板８中心から伝熱チューブ１１中心までの距離ｒは、以下の数式（１）で表される。

ここで、ｎ：伝熱チューブの代表数，ｉ：段番号，ｑ：列番号である。ここで、伝熱チューブの代表数ｎとは、９０°−２７０°方向において、管板８の中心から最外周の伝熱チューブ１１までに配置される伝熱チューブ１１の数である。段番号ｉとは、９０°−２７０°方向に配列される伝熱チューブ１１の段を０段とした段番号である。列番号ｑとは、六角形Ｈの辺上に配置された伝熱チューブ１１の列を０列とした列番号である。

管板８外周から伝熱チューブ１１中心までの距離Ｌは、以下の数式（２）で示される。

ここで、Ｒ_０：管板半径である。
数式（１）、数式（２）より、管板８中心から伝熱チューブ１１中心までの距離ｒが大きいほど、管板８外周から伝熱チューブ１１中心までの距離Ｌが小さくなることが分かる。伝熱チューブの代表数ｎ＝５の場合の、管板８中心から伝熱チューブ１１中心までの距離ｒを図５に示す。

図５から分かるように、図４における９０°−２７０°方向の最外周の伝熱チューブ（ｉ＝０，ｑ＝０）の距離ｒが他に比べて大きく（管板外周からの距離Ｌが小さく）、この部位の熱応力が突出して大きくなることが予想される。
ｒの限界値を９０°−２７０°配列の一段上の最外周伝熱チューブ（ｉ＝１，ｑ＝０）のｒとすると、図５の限界値を示す線のようになり、伝熱チューブ１１をこの限界ｒ以下のものだけ配置すれば、突出してｒが大きい伝熱チューブ１１が無くなる。
したがって、ｉ＝０，ｑ＝０の伝熱チューブ１１を配置せず、図３に示す配置とすることで、強度上の弱点を無くすことが出来る。
なお、上記説明では、伝熱チューブの代表数ｎ＝５の例を用いて配置決定方法を説明したが、伝熱チューブの代表数はこれに限ることはなく、熱交換器の使用に応じて適宜設定される。

上記実施形態によれば、伝熱チューブ１１を六角形Ｈの頂点Ａの位置に配置しない構成としたことによって、突出して管板８外周（斜板１５）に近づく伝熱チューブ１１がなくなるため、熱応力が高い部位がなくなり、管板８の強度信頼性が向上する。
特に、一ヶ所でも六角形Ｈの頂点Ａの位置に伝熱チューブ１１が配置されている場合は、その伝熱チューブ１１に熱応力が集中し、管板８の強度に大きな影響を及ぼすため、全ての頂点Ａの位置において伝熱チューブ１１を配置しないことが重要である。

また、内筒１０の内周面であって、六角形Ｈの頂点Ａに対応する位置に邪魔板１６を設けたことによって、内筒内空間１０ａに流入した空気は邪魔板１６に当接して流れの向きが内筒１０の中心方向に向けられる。これにより、空気が伝熱チューブ１１の壁面により当たるようになるため、熱交換器２の熱交換率を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

２熱交換器
３排ガスダクト
４空気ダクト
６上部ヘッダ
７下部ヘッダ
８上側管板（管板）
９下側管板
１０内筒
１１伝熱チューブ
１３内筒上部
１４内筒下部
１５斜板
１６邪魔板
１７バッフルプレート
Ｃ円
Ｈ六角形（多角形）

Claims

内筒と、
前記内筒の内部に前記内筒と平行に配置された複数の伝熱チューブと、
前記伝熱チューブの端部に取り付けられて前記伝熱チューブを所定の配置に位置決めする管板と、を有する熱交換器であって、
前記伝熱チューブの中心は、管軸方向から見て、前記内筒より小径の円に内接する多角形の頂点を除く範囲に、等しい相互間隔でかつ千鳥状に配置されていることを特徴とする熱交換器。
前記頂点の位置に、前記内筒の内周面から中心に向かう邪魔板を前記伝熱チューブと平行に設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記邪魔板の内周側の端部は、前記頂点よりも前記内筒の中心側に達していることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。