JP2016166717A - Shell-and-tube type heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シェル内に複数本の熱交換チューブが配置したシェルアンドチューブ型熱交換器、特に電子材料や金属材料の洗浄等に使用された高温廃液の冷却と熱回収に有用な同熱交換器に関する。 The present invention relates to a shell-and-tube type heat exchanger in which a plurality of heat exchange tubes are arranged in a shell, particularly the same heat exchange useful for cooling and heat recovery of high temperature waste liquid used for cleaning electronic materials and metal materials. Related to the vessel.
一般的に、半導体基板を始めとする種々の電子材料の表面を清浄化する手段として、過酸化水素水−硫酸混合液(SPM)、過酸化水素−塩酸混合液(HPM)、過酸化水素−アンモニア水混合液(APM)等を用いて高温洗浄する所謂RCA洗浄法が汎用されている。また、金属材料の表面のスケール除去にも高温の強酸液が使用される。これらの使用後の高温廃液は、再生利用や後処理のために低温流体との熱交換で冷却すると共に、その熱交換による回収熱を有効利用するのが普通である。 In general, as means for cleaning the surface of various electronic materials including a semiconductor substrate, a hydrogen peroxide solution-sulfuric acid mixture (SPM), a hydrogen peroxide-hydrochloric acid mixture (HPM), a hydrogen peroxide- A so-called RCA cleaning method in which high temperature cleaning is performed using an ammonia water mixed solution (APM) or the like is widely used. A high-temperature strong acid solution is also used for removing the scale of the surface of the metal material. These high-temperature waste liquids after use are usually cooled by heat exchange with a low-temperature fluid for recycling and after-treatment, and the recovered heat by the heat exchange is usually effectively used.
このような高温廃液の冷却に用いる熱交換器としては、概して処理液量が多く大きな交換熱量を要することから、シェル内に複数本の熱交換チューブが配置した大型のシェルアンドチューブ型熱交換器が多用されている。このシェルアンドチューブ型熱交換器には熱交換チューブの形や配置等が異なる多様な形態があるが、中でも巻き径の異なるヘリカルコイル状の複数本の熱交換チューブを同心状に多重配置したコイル式熱交換器は、伝熱面積が大きいことに加え、各チューブの流路を長くして交換熱量を増大できるという利点がある(例えば、特許文献1〜3)。
As a heat exchanger used for cooling such a high temperature waste liquid, a large shell and tube type heat exchanger in which a plurality of heat exchange tubes are arranged in a shell because a large amount of treatment liquid is generally required and a large amount of heat is required for exchange. Is frequently used. This shell-and-tube heat exchanger has various forms with different shapes and arrangements of the heat exchange tubes. Among them, a coil in which a plurality of helical coil heat exchange tubes having different winding diameters are arranged concentrically. In addition to a large heat transfer area, the type heat exchanger has an advantage that the amount of exchange heat can be increased by lengthening the flow path of each tube (for example,
しかしながら、コイル式熱交換器では、各熱交換チューブが同じコイル巻き数である場合、チューブ長さが外周側のものほど長くなるため、内周側と外周側との伝熱面積の差が大きく、熱交換が不均一になるという難点があった。また、内周側のものほどコイル巻き数を多くして各熱交換チューブの長さを等しくした場合(特許文献2)は、内周側と外周側とでチューブ配置密度の差を生じるから、やはり熱交換が不均一になることが避けられない。一方、コイル式熱交換器では、各熱交換チューブの流路を長くし、またチューブ本数を多くすることで交換熱量を増大できるが、それだけシェルが大型化するから、設置スペースや製造コスト面からの制約が大きい。 However, in the coil heat exchanger, when each heat exchange tube has the same number of coil turns, the tube length becomes longer on the outer peripheral side, so the difference in heat transfer area between the inner peripheral side and the outer peripheral side is large. There is a problem that heat exchange becomes uneven. In addition, when the number of coil turns is increased on the inner peripheral side and the length of each heat exchange tube is made equal (Patent Document 2), a difference in tube arrangement density occurs between the inner peripheral side and the outer peripheral side. It is inevitable that the heat exchange is uneven. On the other hand, in the coil heat exchanger, the heat exchange amount can be increased by lengthening the flow path of each heat exchange tube and increasing the number of tubes. However, since the shell increases in size, the installation space and manufacturing cost are reduced. There are large restrictions.
本発明は、上述の事情に鑑み、シェルアンドチューブ型熱交換器として、均一で高い熱交換効率が得られる上、コンパクトで大きな交換熱量に対応でき、例えば電子材料や金属材料の洗浄等に使用された高温廃液の冷却と熱回収に有用なものを提供することを目的としている。 In view of the above circumstances, the present invention provides a uniform and high heat exchange efficiency as a shell-and-tube heat exchanger, and is compact and can handle a large amount of exchange heat, for example, used for cleaning electronic materials and metal materials. It aims at providing a useful thing for cooling of the high temperature waste liquid and heat recovery.
上記目的を達成するための手段を図面の参照符号を付して示せば、請求項1の発明に係るシェルアンドチューブ型熱交換器は、シェル1内に複数のチューブユニット(第一及び第二実施形態ではU1,U2、第三実施形態ではU1〜U3)が上下配置で装填され、各チューブユニットは、複数本の熱交換チューブ2を各々横渦巻き状に巻回して上下複数段に配置したドーナツ形をなし、シェル1には、チューブユニットのチューブ2内に流通させる第一流体L1の入口ヘッダー3A及び出口ヘッダー3Bと、上下に隣接するチューブユニット同士のチューブ内流路を連通させる接続用ヘッダー3Cとが付設され、各チューブユニットより延出する熱交換チューブ(延出端部2a,2b)がドーナツ形の中央空間20を通して入口ヘッダー3A及び出口ヘッダー3Bと接続用ヘッダー3Cのいずれかに接続され、シェル内空間に流通させる第二流体L2の供給口(給排口5A)がシェル1の上下一方側に、同排出口(給排口5B)がシェル1の上下他方側に、それぞれ設けられ、入口ヘッダー3Aから流入する第一流体L1を、最下位又は最上位のチューブユニットから順次に接続用ヘッダー3Cを介して次位のチューブユニットへ送り込んで出口ヘッダー3Bへ導出することにより、シェル内空間に流通する第二流体L2と熱交換させるように構成されてなる。
If the means for achieving the above object is shown with reference numerals in the drawings, the shell-and-tube heat exchanger according to the invention of
請求項2の発明は、上記請求項1のシェルアンドチューブ型熱交換器において、第一流体L1が液体であり、該液体を最下位のチューブユニットから順次に接続用ヘッダー3Cを介して上位のチューブユニットへ送り込むように構成されてなる。
The invention of
請求項3の発明は、上記請求項1又は2のシェルアンドチューブ型熱交換器において、上下に隣接するチューブユニット間、ならびに最上位のチューブユニットの上側と最下位のチューブユニットの下側とに、第二流体L2の上下方向の流れにシェル半径方向の変化を与える板状のバッフル6A〜6Cが配置されてなる。
According to a third aspect of the present invention, in the shell and tube heat exchanger according to the first or second aspect, the tube unit is vertically adjacent to each other and between the uppermost tube unit and the lowermost tube unit. The plate-
請求項4の発明は、上記請求項1〜3のいずれかのシェルアンドチューブ型熱交換器において、各チューブユニットにおける熱交換チューブ2群が縦断面で千鳥配列をなす構成としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the shell and tube heat exchanger according to any one of the first to third aspects, the two heat exchange tubes in each tube unit are arranged in a staggered arrangement in the longitudinal section.
請求項5の発明は、上記請求項1〜4のいずれかのシェルアンドチューブ型熱交換器において、第一流体L1を排出口(給排口5B)に近い側のチューブユニットから順次に接続用ヘッダー3Cを介して次位のチューブユニットへ送り込んで出口ヘッダー3Bへ導出することにより、シェル1内での第一流体L1と第二流体L2の全体的な流れが上下逆方向に設定されてなる構成としている。
A fifth aspect of the present invention is the shell and tube heat exchanger according to any one of the first to fourth aspects, wherein the first fluid L1 is sequentially connected from the tube unit closer to the discharge port (supply /
請求項6の発明は、上記請求項1〜5のいずれかのシェルアンドチューブ型熱交換器において、各熱交換チューブ2がフッ素系樹脂からなり、シェル1及び各ヘッダー3A,3B,3Cが耐蝕性の内表面を有し、シェル1内の各配置部材(シールプレート4A,4B、バッフル6A〜6C、チューブ支持体7A,7B)がフッ素系樹脂製もしくは表面に耐蝕性のライニング又はコーティングが施されたものからなる構成としている。
The invention of
請求項7の発明は、上記請求項6のシェルアンドチューブ型熱交換器において、第一流体L1と第二流体L2の一方が高温の腐食性液体、他方が低温液体である構成としている。 According to a seventh aspect of the present invention, in the shell and tube heat exchanger of the sixth aspect, one of the first fluid L1 and the second fluid L2 is a high-temperature corrosive liquid and the other is a low-temperature liquid.
次に、本発明の効果について、図面の参照符号を付して説明する。請求項1の発明に係るシェルアンドチューブ型熱交換器では、シェル1内に複数のチューブユニット(第一及び第二実施形態ではU1,U2、第三実施形態ではU1〜U3)が上下配置で装填され、入口ヘッダー3Aから流入する第一流体L1を、上下配置の最下位又は最上位のチューブユニットから順次に接続用ヘッダー3Cを介して次位のチューブユニットへ送り込んで出口ヘッダー3Bへ導出することにより、供給口(給排口5A)からシェル内空間に流入して排出口(給排口5B)へ向かう第二流体L2と熱交換させる。この熱交換においては、上下配置した各チューブユニットが複数本の熱交換チューブ2を各々横渦巻き状に巻回して上下複数段に配置したドーナツ形をなすから、熱交換域におけるチューブ密度を高くして大きな伝熱面積を確保できることに加え、各熱交換チューブ2を略同じ長さとして、且つ熱交換域の全体で熱交換チューブ2の配置密度を均等に設定できるから、内周側と外周側との伝熱面積の差を生じず、均一で高効率な熱交換を行える。しかも、複数のチューブユニットのチューブ内流路が接続用ヘッダー3Cを介して連通しているから、各チューブユニット毎に個別に第一流体L1を導入する場合に比較し、第一流体L1の全体供給量が同じであれば、チューブ内流速がユニット数倍(2ユニットでは2倍、3ユニットでは3倍)になるから、その流速に比例するレイノズル数Reの増加によって内側境膜熱伝導係数が上がる結果、総括伝熱係数も上がって熱交換効率が高くなる。特に、この第一流体L1が液体であれば、チューブ内流速を速めて流れを乱流(レイノズル数Re>4000)とすることも容易であり、これによって熱交換効率を劇的に高めることが可能である。
Next, effects of the present invention will be described with reference numerals in the drawings. In the shell-and-tube heat exchanger according to the invention of
一方、このシェルアンドチューブ型熱交換器は、各チューブユニットより延出する熱交換チューブ(延出端部2a,2b)をドーナツ形の中央空間20を通して入口ヘッダー3A及び出口ヘッダー3Bと接続用ヘッダー3Cのいずれかに接続するから、シェル1内の余剰空間が少なく、大きな交換熱量が得られるにもかかわらず、高い空間効率でコンパクトに構成できるという利点がある。更に、熱交換チューブ2は、各チューブユニット毎に独立しており、入口ヘッダー3Aから出口ヘッダー3Bまでの流路を連続した1本チューブで形成する場合に比較して、チューブ長さが格段に短くなるから、熱交換器の組立製作に際し、横渦巻き状に巻回して上下複数段に配置する操作が非常に容易になり、その作業の労力及び時間が著しく低減されるという利点もある。
On the other hand, this shell-and-tube heat exchanger has a header for connection with the
請求項2の発明によれば、液体である第一流体L1を最下位のチューブユニットから順次に接続用ヘッダー3Cを介して上位のチューブユニットへ送り込むから、その下方から上方への液流による良好なエアー抜き作用が得られ、使用開始時における熱交換チューブ2内の空気排出を迅速に行えると共に、第一流体L1に付随又は発生した気泡のチューブ外への排除が速やかになり、気泡による熱交換効率の低下を抑制できる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、上下に隣接するチューブユニット間、ならびに最上位のチューブユニットの上側と最下位のチューブユニットの下側とに介在するバッフル6A〜6Cにより、第二流体L2の上下方向の流れにシェル半径方向の変化を与えるから、熱交換中の該第二流体L2のシェル半径方向における温度分布が平坦化し、より均一で高い熱交換効率が得られる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、各チューブユニットの熱交換チューブ2群が千鳥配列であり、枡目配列に比較してチューブ密度を大幅に高めることができ、もって枡目配列と同じ伝熱面積では該チューブユニットをよりコンパクト化できると共に、熱交換チューブ2の外側境膜伝熱係数が改善されて熱交換効率も高まるという利点がある。
According to invention of
請求項5の発明によれば、シェル1内での第一流体L1と第二流体L2の全体的な流れが上下逆方向で向流に近い形の熱交換になることに加え、第一流体L1が先のチューブユニットから次位のチューブユニットへ移る際、先のチューブユニットの熱交換チューブ2群から流出する液温の異なる第一流体L1が接続用ヘッダー3Cで合流し、液温が平均化した状態で次位のチューブユニットの熱交換チューブ2群へ分配され、次位のチューブユニットでは第二流体に対して平均温度差が大きい状態で熱交換することから、特殊な操作線で非常に大きな交換熱量が得られる。
According to the invention of claim 5, in addition to the fact that the overall flow of the first fluid L1 and the second fluid L2 in the
請求項6の発明によれば、各熱交換チューブ2がフッ素系樹脂からなり、シェル1及び各ヘッダー3A,3B,3Cが耐蝕性の内表面を有し、シェル1内の各配置部材(シールプレート4A,4B、バッフル6A〜6C、チューブ支持体7A,7B)がフッ素系樹脂製もしくは表面に耐蝕性のコーティング又はライニングが施されたものからなるため、第一流体L1及び第二流体L2の一方又は両方が強酸性液や強アルカリ性液のような腐食性の強い液体であっても支障なく適用できる。また、フッ素系樹脂からなる熱交換チューブ2は、可撓性で容易に曲がるから、チューブユニットの組立製作に際し、その複数本を各々横渦巻き状に巻回して上下複数段に配置する操作が非常に容易であり、金属製チューブに比較して格段に高い作業性が得られる。
According to the invention of
請求項7の発明によれば、第一流体L1及び第二流体L2の接触表面が全て高耐食性であるため、両流体L1,L2の一方を高温の腐食性液体、他方を低温液体として支障なく熱交換を行える。 According to the seventh aspect of the present invention, since the contact surfaces of the first fluid L1 and the second fluid L2 are all highly corrosion resistant, one of the fluids L1 and L2 can be used as a hot corrosive liquid and the other as a low temperature liquid without any problem. Heat exchange can be performed.
以下に、本発明に係るシェルアンドチューブ型熱交換器の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of a shell and tube heat exchanger according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図1に示すように、第一実施形態のシェルアンドチューブ型熱交換器は、略縦円筒形のシェル1内に、チューブ支持体7A,7Bに各々支持された上下2つのチューブユニットU1,U2が装填されている。そのシェル1は、上方に開口したシェル本体11と、その開口周縁のフランジ部11aにガスケット13を介してボルト止めして封着された蓋板12とで構成されている。そして、シェル本体11の下方へ膨出した底面側には、中央に位置する第一流体用の入口ヘッダー3Aと、離心位置にある第二流体用の給排口5Aとが設けてある。また図2でも示すように、蓋板12には、第一流体用の入口ヘッダー3B及び接続用ヘッダー3Cと、第二流体用の給排口5Bと、ガス抜き兼安全弁用のノズル14とが、十字配位で設けてある。15はシェル本体11の上端部及び蓋板12の周辺4箇所に等配して設けた吊り金具、16は支脚である。
As shown in FIG. 1, the shell-and-tube heat exchanger of the first embodiment includes two upper and lower tube units U1, U2 supported by tube supports 7A, 7B in a substantially vertical
両チューブユニットU1,U2は、図4でも示すように、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)等の熱溶融性フッ素系樹脂からなる複数本(図では8本)の熱交換チューブ2を、横渦巻き状に巻回して上下複数段(図では、1本2段で計16段)に配置したドーナツ形をなしている。そして、上側のチューブユニットU1の各熱交換チューブ2は、ドーナツ形の中央空間20を通して、導入側の延出端部2aが接続用ヘッダー3Cに接続すると共に、導出側の延出端部2bが出口ヘッダー3Bに接続している。また、下側のチューブユニットU2の各熱交換チューブ2は、同様にドーナツ形の中央空間20を通して、導入側の延出端部2aが入口ヘッダー3Aに接続すると共に、導出側の延出端部2bが接続用ヘッダー3Cに接続している。
As shown in FIG. 4, the tube units U1 and U2 have a plurality (eight in the figure) of heat exchange made of a heat-melting fluororesin such as PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer). The
図3及び図4に示すように、上側のチューブ支持体7Aは、シェル中心側を離間して十字配位した半径方向に沿う4枚のチューブ保持板71と、これらチューブ保持板71を上下部において各々熱収縮リング73を介して貫通して支持する内外2本の支持リング72,73とで構成されている。また、下側のチューブ支持体7Bは、同様の4枚のチューブ保持板71と、これらチューブ保持板71を下部において各々貫通して支持する内外2本の支持リング72,73とで構成されている。そして、上側のチューブ支持体7Aにおける各チューブ保持板71の上端部と、下側のチューブ支持体7Bにおける各チューブ保持板71の下端部とには、液流通用の切欠開口部71b(図1参照)が設けてある。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
更に、上側のチューブ支持体7Aの上部側、上下のチューブ支持体7A,7Bの間、上側のチューブ支持体7Aの下部側には、略ドーナツ板状のバッフル6A〜6Bが介装されている。その上部のバッフル6Aは、図8(a)に示すように、径方向に長い中央穴61を有すると共に、二点鎖線で示すシェル内周面1aとの間に間隙gを形成するように外径が小さく設定されている。中間のバッフル6Bは、図8(b)に示すように径大の中央穴62を有すると共に、図1に示す如く外周がシェル内周面に接するように外径が大きく設定されている。下部のバッフル6Cは、図8(c)に示すように、径小の中央穴63を有すると共に、上部のバッフル6Aと同様にシェル内周面1aとの間に間隙gを形成するように外径が小さく設定されている。なお、これらバッフル6A〜6Bの中央穴61〜63の大きさは、図3に示すように、中央孔61の長径>中央孔62の径>中央孔61の短径>中央孔63の径、となっている。また、上下部のバッフル6A,6Cは、各々チューブ支持体7A,7Bの各チューブ保持板71における内周側の切込み部に嵌入する形で保持されている。
Further, baffles 6A to 6B having a substantially donut plate shape are interposed between the upper side of the
両チューブユニットU1,U2の各熱交換チューブ2は、チューブ支持体7A,7Bの各チューブ保持板71に穿設された挿通孔71aに挿通することにより、横渦巻き状に巻回した状態で相互の間隔を一定に保持している。また、図1及び図4に示すように、両チューブユニットU1,U2における熱交換チューブ2の横渦巻きの配列は、隣接する上下段で交互にシェル半径方向に半ピッチずれており、もって全体として千鳥配列になるように設定されている。なお、この第一実施形態における各熱交換チューブ2は、図7(a)の如く内周側(ドーナツ形の中央空間20側)にある導入側の延出端部2aを始点として順次内側から外側へ横渦巻き状に巻回し、その最外周部から続いて一段上側へ移行して、図7(b)の如く順次内側へ横渦巻き状に巻回し、その最内周部から導出側の延出端部2aを引き出すか、もしくは導出側の延出端部2aを始点として上記とは逆の手順で内外に往復巻回して最内周部から導入側の延出端部2bを引き出すことにより、1本で上下2段の横渦巻きを構成している。
The
入口ヘッダー3A、出口ヘッダー3B、接続用ヘッダー3Cでは、図1及び図4に示すように、相互にボルト止めされる基部側フランジ31とキャップ側フランジ32との間に円盤状のシールプレート4A,4Bを挟着し、該シールプレート4A,4Bの外側にヘッダー空間30を構成している。そのシールプレート4A,4Bには、図5及び図6に示すように、接続する熱交換チューブ2の本数に対応する数のチューブ止着孔40が穿設されており、各チューブ止着孔40に各熱交換チューブ2の延出端部2a,2bが先端側を通して溶接(融着固定)されている。チューブ止着孔40の数は、入口ヘッダー3A及び出口ヘッダー3Bのシールプレート4Aでは8個であるが、接続用ヘッダー3Cのシールプレート4Bでは倍の16個で、図6に示す直径線dを境として一側半部の8個が下側のチューブユニットU1における各熱交換チューブ2の導出側の延出端部2bに対応し、他側半部の8個が上側のチューブユニットU2における各熱交換チューブ2の導入側の延出端部2aに対応している。なお、シールプレート4A,4Bの両面周辺部には、シール性を高めるために、内外二重の環状突縁41が形成されている。
In the
ここで、シェル本体11、蓋板12は、SUS304の如きステンレス鋼からなり、その内面に耐酸コーティングが施されている。各ヘッダー3A,3B,3Cは、ステンレス鋼からなる母材の内面側に、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等のフッ素系樹脂からなるライニングが施されている。また、シールプレート4A,4BはPTFE等のフッ素系樹脂成形物からなる。一方、チューブ支持体7A,7Bでは、各チューブ保持板71及びバッフル6A〜6CはPTFE等のフッ素系樹脂からなると共に、内外の支持リング72,73はステンレス鋼製のパイプ表面にフッ素系樹脂の如き耐蝕性コーティングを施したものからなる。
Here, the shell
上記構成のシェルアンドチューブ型熱交換器では、入口ヘッダー3Aより第一流体L1を導入すると共に、この第一流体L1に対して大きな温度差のある第二流体L2を給排口5A,5Bの一方から供給することにより、両流体L1,L2間で熱交換を行う。しかして、入口ヘッダー3Aより導入された第一流体L1は、複数本(例示は8本)の熱交換チューブ2に分配して下側のチューブユニットU2へ送られ、各熱交換チューブ2毎に内側から外側へ横渦巻き状に周回し、続いて外側から内側へ横渦巻き状に周回した上で、導出側の延出端部2bを通って接続用ヘッダー3Cへ送られ、そのヘッダー空間30内で合流する。次いで、この合流によって温度が平均化された状態で、上側のチューブユニットU2の複数本(例示は8本)の各熱交換チューブ2に分配流入し、同様に各熱交換チューブ2毎に内側から外側、続いて外側から内側へ横渦巻き状に往復周回した上で、導出側の延出端部2bを通って出口ヘッダー3Cより導出することになる。
In the shell and tube heat exchanger configured as described above, the first fluid L1 is introduced from the
第二流体L2は上下の給排口5A,5Bの一方を供給口、他方を排出口としてシェル1内に供給する。第二流体L2を下側の給排口5Aより供給すれば、シェル1内を全体として上向きに移動する第一流体L1に対して並流となり、逆に上側の給排口5Bから供給した場合は第一流体L1に対して向流となるが、両チューブユニットU1,U2では第一流体L1が横渦巻き状の各熱交換チューブ2内を流れるから、実質的には第一流体L1の水平流と第二流体の上昇流が交叉する十字流の形で熱交換がなされる。
The second fluid L2 is supplied into the
この熱交換においては、上下に配置したチューブユニットU1,U2の各々が複数本の熱交換チューブ2を各々横渦巻き状に巻回して上下複数段に配置したドーナツ形をなすから、熱交換域におけるチューブ密度を高くして大きな伝熱面積を確保できることに加え、各熱交換チューブ2を略同じ長さとして、且つ熱交換域の全体で熱交換チューブ2の配置密度を均等に設定できるから、内周側と外周側との伝熱面積の差を生じず、均一で高効率な熱交換を行える。しかも、両チューブユニットU1,U2のチューブ内流路が接続用ヘッダー3Cを介して連通しているから、各チューブユニット毎に別個に第一流体L1を導入して導出する場合に比較し、第一流体L1の全体供給量が同じであれば、チューブ内流速が2倍になるから、その流速に比例するレイノズル数Reの増加によって内側境膜熱伝導係数が上がる結果、総括伝熱係数も上がって熱交換効率が高くなる。特に、この第一流体L1が液体であれば、チューブ内流速を速めて流れを乱流(レイノズル数Re>4000)とすることも容易であり、これによって熱交換効率を劇的に高め得る。
In this heat exchange, each of the tube units U1 and U2 arranged above and below forms a donut shape in which a plurality of
また、この第一実施形態では、上下部のバッフル6A,6Cの外周縁とシェル内周面1aとの間に間隙gを有すると共に、両バッフル6A,6Cの中央穴61,63が小さく、そこに多数本の熱交換チューブ2の延出端部2a,2bが通されて上下の透通面積を狭めているから、第二流体L2が両バッフル6A,6Cの位置を通過する際にシェル周辺側への流量が多くなる。一方、中間部のバッフル6Bは外周縁がシェル内周面1aに接し、且つその中央穴62が大きいため、該バッフル6Bの位置では第二流体L2が中央側を通過する。従って、例えば下側の給排口5Aより供給された第二流体L2は、まず下側のチューブユニットU2ではシェル周辺側からシェル中央側への集束方向に卓越した流れで、次いで上側のチューブユニットU1ではシェル中央側からシェル周辺側への展開方向に卓越した流れで、それぞれ熱交換チューブ2群の間を通過して上側の給排口5Bへ至る。このように、第二流体L2の上下方向の流れにシェル半径方向の変化が加わることにより、熱交換中の該第二流体L2のシェル半径方向における温度分布が平坦化し、より均一で高い熱交換効率が得られる。
In the first embodiment, there is a gap g between the outer peripheral edges of the upper and
更に、この第一実施形態では、第一流体L1を下側のチューブユニットU2から接続用ヘッダー3Cを介して上側のチューブユニットU1へ送り込むから、該第一流体L1が液体である場合に、その下方から上方への液流による良好なエアー抜き作用が得られ、使用開始時における熱交換チューブ2内の空気排出を迅速に行えると共に、第一流体L1に付随又は発生した気泡のチューブ外への排除が速やかになり、気泡による熱交換効率の低下を抑制できる。なお、第二流体L2が液体である場合、並流方式として該第二流体L2を下側の給排口5Aより供給すれば、その上昇液流によるシェル内空間のエアー抜き作用が得られ、両チューブユニットU1,U2の熱交換チューブ2群の間の気泡も排除し易くなるから、気泡による熱交換効率の低下をより抑制できる。
Furthermore, in this first embodiment, since the first fluid L1 is sent from the lower tube unit U2 to the upper tube unit U1 via the
加えて、このシェルアンドチューブ型熱交換器は、チューブユニットU1,U2より延出する熱交換チューブ2の延出端部2a,2bをドーナツ形の中央空間20を通して入口ヘッダー3A及び出口ヘッダー3Bと接続用ヘッダー3Cに連結するから、シェル1内の余剰空間が少なく、大きな交換熱量が得られるにもかかわらず、高い空間効率でコンパクトに構成できるという利点がある。更に、熱交換チューブ2は、チューブユニットU1,U2の各々で独立しており、入口ヘッダー3Aから出口ヘッダー3Bまでの流路を連続した1本チューブで形成する場合に比較して、チューブ長さが格段に短くなるから、熱交換器の組立製作に際し、横渦巻き状に巻回して上下複数段に配置する操作が非常に容易になり、その作業の労力及び時間が手間が著しく低減されるという利点もある。
In addition, this shell-and-tube heat exchanger includes an
また、この第一実施形態では、チューブユニットU1,U2の各々の熱交換チューブ2群が千鳥配列であるから、枡目配列に比較してチューブ密度を大幅に高めることができ、もって枡目配列と同じ伝熱面積ではチューブユニットU1,U2をよりコンパクト化できると共に、熱交換チューブ2の外側境膜伝熱係数が改善されて熱交換効率も高まるという利点がある。
Moreover, in this first embodiment, since the two heat exchange tubes of each of the tube units U1 and U2 are in a staggered arrangement, the tube density can be significantly increased compared to the square arrangement, and thus the square arrangement. In the same heat transfer area, the tube units U1 and U2 can be made more compact, and the outer boundary film heat transfer coefficient of the
第一実施形態ではシェル1内に上下2つのチューブユニットU1,U2を配置しているが、本発明のシェルアンドチューブ型熱交換器はシェル1内に同様のチューブユニットの3つ以上を上下配置で装填した構成でもよい。このように3つ以上のチューブユニットを備える熱交換器では、入口ヘッダー3A及び出口ヘッダー3Bの一方に最上位のチューブユニットの熱交換チューブ2を接続し、他方に最下位のチューブユニットの熱交換チューブ2を他方に接続すると共に、上下に隣接するチューブユニット同士の熱交換チューブ2を接続用ヘッダー3Cを介して連通接続すればよい。そして、3つ以上のチューブユニットを備える熱交換器においても、各チューブユニットにおける各熱交換チューブ2の延出端部2a,2bは、これらチューブユニットのドーナツ形の中央空間20を通して各ヘッダー3A〜3Cに接続すればよい。なお、入口ヘッダー及び出口ヘッダーと接続用ヘッダーは、シェル1の上部側と下部側のいずれに設けてもよい。
In the first embodiment, two upper and lower tube units U1 and U2 are arranged in the
また、第一実施形態では上下部及び中間部にバッフル6a〜6Cを介在させているが、3つ以上のチューブユニットを備える熱交換器でも上下に隣接するチューブユニット間、ならびに最上位のチューブユニットの上側と最下位のチューブユニットの下側にバッフルを介在させ、それらの内外径又は/及び中央穴形状の違いによって第二流体の上下方向の流れにシェル半径方向の変化を与えるように構成してもよい。 Further, in the first embodiment, the baffles 6a to 6C are interposed in the upper and lower parts and the middle part, but even in the heat exchanger having three or more tube units, the upper and lower tube units are adjacent to each other. A baffle is interposed between the upper side of the lowermost tube unit and the lower side of the lowermost tube unit, and the shell radial direction is changed in the vertical flow of the second fluid by the difference in the inner and outer diameters and / or the central hole shape. May be.
一方、入口ヘッダー3Aから導入する第一流体L1を排出口(第一実施形態では給排口5B)に近い側のチューブユニット(第一実施形態ではチューブユニットU1)から順次に接続用ヘッダー3Cを介して次位のチューブユニットへ送り込んで出口ヘッダー3Bへ導出することにより、シェル1内での第一流体L1と第二流体L2の全体的な流れが上下逆方向になるように設定した場合、両流体L1,L2が向流に近い形での熱交換になることに加え、第一流体L1が先のチューブユニットから次位のチューブユニットへ移る際、先のチューブユニットの熱交換チューブ2群から流出する液温の異なる第一流体L1が接続用ヘッダー3Cで合流し、液温が平均化した状態で次位のチューブユニットの熱交換チューブ2群へ分配され、次位のチューブユニットでは第二流体に対して平均温度差が大きい状態で熱交換することから、特殊な操作線で非常に大きな交換熱量が得られるという利点がある。
On the other hand, the first fluid L1 introduced from the
本発明のシェルアンドチューブ型熱交換器は、液−液、気−液、気−気のいずれの熱交換にも適用できるが、液−液の熱交換用として特に好適である。そして、前記第一実施形態で例示したように、フッ素系樹脂からなる熱交換チューブ2を用い、シェル1及び各ヘッダー3A,3B,3Cの内面に耐蝕性のコーティング又はライニングを施すと共に、シェル1内の各配置部材としてフッ素系樹脂製もしくは表面に耐蝕性のコーティング又はライニングが施されたものを用いれば、第一流体L1及び第二流体L2の一方又は両方が強酸性液や強アルカリ性液のような腐食性の強い液体であっても支障なく適用できる。例えば、両流体L1,L2の一方を高温の腐食性液体、他方を冷却水や低温の腐食性液体として支障なく熱交換を行える。また、フッ素系樹脂からなる熱交換チューブ2は、可撓性で容易に曲がるから、チューブユニットの組立製作に際し、その複数本を各々横渦巻き状に巻回して上下複数段に配置する操作が非常に容易であり、金属製チューブに比較して格段に高い作業性が得られるという利点もある。
The shell-and-tube heat exchanger of the present invention can be applied to any liquid-liquid, gas-liquid, and gas-gas heat exchange, but is particularly suitable for liquid-liquid heat exchange. Then, as exemplified in the first embodiment, the
各チューブユニットにおける熱交換チューブ2の本数、各熱交換チューブ2の横渦巻き状の巻回数、横渦巻き状の上下段数については、熱交換器の交換熱量及びサイズに応じて種々設定できる。例えば、第一実施形態の両チューブユニットU1,U2では8本の各熱交換チューブ2を8巻回の横渦巻きで上下2段に設定しているが、各熱交換チューブ2の横渦巻きを1段又は3段以上としたり、交換熱量の大きい大型の熱交換器では数本の熱交換チューブ2の横渦巻きを内外に並べて1段分の横渦巻きを形成してもよい。
The number of
〔熱交換処理例1〕
既述した第一実施形態のシェルアンドチューブ型熱交換器として下記仕様;
シェル1:内容積約265L、内径594mm、内高950mm。
チューブユニットU1,U2:総伝熱面積約13m2、総チューブ内容積約31L、中 央空間径250mm(チューブ保持板71の内端基準)。
熱交換チューブ2:チューブユニット毎に、外径12mm,内径10mm,長さ約25m のPFAチューブ8本、各1本を8巻回の横渦巻き状で上下2段として計16 段。
バッフル3A:外径450mm、中央穴長径290mm、短径150mm。
バッフル3B:外径594mm、中央穴径250mm。
バッフル3C:外径450mm、中央穴径120mm。
のものを用い、入口ヘッダー3Aより第一流体L1として温度120℃の98%硫酸を圧力0.19MPa以下で導入すると共に、下側の給排口5Aより第二流体L2として20℃の冷却水を圧力0.3MPa以下で供給して熱交換処理を行ったところ、出口ヘッダー3Bより導出する第一流体L1は35℃まで冷却され、上側の給排口5Bより排出する第二流体L2は33℃まで昇温した温水となった。この熱交換における流体経路図を図9(a)に、同操作線図を図9(b)にそれぞれ示す。
[Heat exchange treatment example 1]
The following specifications as the shell and tube type heat exchanger of the first embodiment described above;
Shell 1: Inner volume 265L, inner diameter 594mm, inner height 950mm.
Tube units U1, U2: Total heat transfer area of about 13 m 2 , total tube inner volume of about 31 L, central space diameter of 250 mm (reference to inner end of tube holding plate 71).
Heat exchange tube 2: For each tube unit, 8 PFA tubes with an outer diameter of 12 mm, an inner diameter of 10 mm, and a length of about 25 m, each of which is 8 windings in a horizontal spiral shape with a total of 16 stages.
In addition, 98% sulfuric acid at a temperature of 120 ° C. is introduced as a first fluid L1 from the
〔熱交換処理例2〕
上記仕様の第一実施形態に対し、入口ヘッダーと出口ヘッダーの上下配置のみを逆にした第二実施形態のシェルアンドチューブ型熱交換器を用い、図10(a)の流体経路図で示すように、シェル上側の入口ヘッダーより第一流体L1として温度120℃の98%硫酸を圧力0.19MPa以下で導入し、上側のチューブユニットU1→接続用ヘッダー→下側のチューブユニットU2→出口ヘッダーの経路で通過させると共に、下側の給排口より第二流体L2として20℃の冷却水を圧力0.3MPa以下でシェル1内に供給して熱交換処理を行ったところ、シェル下側の出口ヘッダーより導出する第一流体L1は28℃まで冷却され、上側の給排口より排出する第二流体L2は34℃まで昇温した温水となった。この場合、両流体L1,L2は、チューブユニットU1,U2における局所的には十字流の熱交換であるが、全体として向流方式での熱交換になることに加え、図10(b)で示すように特殊な操作線になるため、熱交換処理例1よりも更に高い熱交換効率が得られ、第一流体L1(98%硫酸)と第二流体L2(冷却水)の出口温度が6℃の温度差をもって逆転する結果となっている。
[Example 2 of heat exchange treatment]
As shown in the fluid path diagram of FIG. 10 (a), using the shell and tube heat exchanger of the second embodiment in which only the upper and lower arrangements of the inlet header and the outlet header are reversed with respect to the first embodiment of the above specification. Then, 98% sulfuric acid at a temperature of 120 ° C. is introduced at a pressure of 0.19 MPa or less as the first fluid L1 from the inlet header on the upper side of the shell, and the upper tube unit U1 → connecting header → lower tube unit U2 → outlet header When passing through the path and performing heat exchange treatment by supplying cooling water at 20 ° C. as the second fluid L2 from the lower supply / discharge port into the
〔熱交換処理例3〕
第三実施形態のシェルアンドチューブ型熱交換器として、図11(a)で示すように、シェル1内に三つのチューブユニットU1〜U3を上下配置で装填したものを使用した。この熱交換器では、シェル1の蓋板上に、入口ヘッダー及び出口ヘッダー、チューブユニットU1・U2間ならびにU2・U3間の接続ヘッダー、第二流体L2の供給口を設ける一方、シェル1の底面側に第二流体L2の排出口を設けている。そのチューブユニットU1〜U3は、第一実施形態と同様に、多数本の熱交換チューブが周方向に等配する6枚のチューブ保持板を介して巻回状態で支持されたドーナツ形であり、各熱交換チューブの導入側及び導出側の延出端部が該ドーナツ形の中央空間を通して各ヘッダーに接続している。これら三つのチューブユニットU1〜U3の全体は、上下及び各ユニット間に介在する内外の支持リングと、両支持リングを各チューブ保持板の位置で各々連結する6本の支柱とからなるチューブ支持体によって一体に支持されている。また、チューブユニットU1の上側、同U1,U2間、同U2,U3間、同U3の下側の4カ所にバッフルが配置している。なお、熱交換器仕様は次のとおりである。
シェル1:内容積約1,000L、内径1,000mm、シェル本体内高約1,100mm。
チューブユニットU1〜U3:総伝熱面積約39m2、総チューブ内容積約70L。
熱交換チューブ:チューブユニット毎に、外径12mm,内径10mm,長さ約32mの PFAチューブ11本、各1本を18巻回の横渦巻き状の1段として上下11段に配 置。
1,3段目のバッフル:外径980mm、中央穴径300mm。
2段目のバッフル:外径780mm、中央穴径180mm。
4段目のバッフル;外径780mm、中央穴径10mm。
[Example 3 of heat exchange treatment]
As the shell and tube type heat exchanger according to the third embodiment, as shown in FIG. 11A, a
Shell 1: Internal volume of about 1,000L, inner diameter of 1,000mm, shell body height of about 1,100mm.
Tube units U1 to U3: total heat transfer area of about 39 m 2 , total tube internal volume of about 70 L.
Heat exchange tubes: Each tube unit has 11 PFA tubes with an outer diameter of 12 mm, an inner diameter of 10 mm, and a length of about 32 m.
First and third stage baffles: outer diameter 980 mm, central hole diameter 300 mm.
Second stage baffle: outer diameter 780 mm, central hole diameter 180 mm.
4th stage baffle; outer diameter 780mm, central hole diameter 10mm.
上記構成のシェルアンドチューブ型熱交換器において、入口ヘッダーより第一流体L1として20℃の低温酸性溶液を流量1,667kg/hで導入し、下側のチューブユニットU3→接続用ヘッダー→中間のチューブユニットU2→接続用ヘッダー→上側のチューブユニットU1→出口ヘッダーの経路で通過させると共に、シェル上側の供給口より第二流体L2として温度101℃の高温酸性廃液を流量1,667kg/hで供給する向流方式で熱交換処理を行ったところ、出口ヘッダーより導出する第一流体L1は70℃まで昇温し、シェル下側の排出口より排出する第二流体L2は51℃まで冷却されており、交換熱量は83,350kca/h(計算値)であった。この熱交換における流体経路図を図11(a)に、同操作線図を図11(b)にそれぞれ示す。この場合、両流体L1,L2は、チューブユニットU1〜U3における局所的には十字流の熱交換であるが、全体として向流に近い形での熱交換になることに加え、熱交換処理例2と同様に、図11(b)で示す特殊な操作線になるため、非常に高い熱交換効率で大きな交換熱量が得られている。 In the shell and tube heat exchanger configured as described above, a low-temperature acidic solution at 20 ° C. is introduced from the inlet header as the first fluid L1 at a flow rate of 1,667 kg / h, and the lower tube unit U3 → connecting header → intermediate tube The unit U2 → the connection header → the upper tube unit U1 → the outlet header is passed through, and the high-temperature acidic waste liquid having a temperature of 101 ° C. is supplied at a flow rate of 1,667 kg / h as the second fluid L2 from the supply port on the upper side of the shell. When the heat exchange process is performed by the flow method, the first fluid L1 derived from the outlet header is heated to 70 ° C., and the second fluid L2 discharged from the outlet below the shell is cooled to 51 ° C., The exchange heat quantity was 83,350 kca / h (calculated value). The fluid path diagram in this heat exchange is shown in FIG. 11A, and the operation diagram is shown in FIG. 11B. In this case, the fluids L1 and L2 are locally cross-flow heat exchange in the tube units U1 to U3, but in addition to heat exchange in a form close to countercurrent as a whole, heat exchange processing examples Like FIG. 2, since it becomes the special operation line shown in FIG.11 (b), the big heat exchange amount is obtained with very high heat exchange efficiency.
1 シェル
2 熱交換チューブ
2a,2b 延出端部
20 中央空間
3A 入口ヘッダー
3B 出口ヘッダー
3C 接続用ヘッダー
5A 給排口(供給口)
5B 給排口(排出口)
6A〜6C バッフル
61〜63 中央穴
7A,7B チューブ支持体
L1 第一流体
L2 第二流体
U1〜U3 チューブユニット
DESCRIPTION OF
5B Supply / discharge port (discharge port)
6A-6C Baffle 61-63
入口ヘッダー3A、出口ヘッダー3B、接続用ヘッダー3Cでは、図1及び図4に示すように、相互にボルト止めされる基部側フランジ31とキャップ側フランジ32との間に円盤状のシールプレート4A,4Bを挟着し、該シールプレート4A,4Bの外側にヘッダー空間30を構成している。そのシールプレート4A,4Bには、図5及び図6に示すように、接続する熱交換チューブ2の本数に対応する数のチューブ止着孔40が穿設されており、各チューブ止着孔40に各熱交換チューブ2の延出端部2a,2bが先端側を通して溶接(融着固定)されている。チューブ止着孔40の数は、入口ヘッダー3A及び出口ヘッダー3Bのシールプレート4Aでは8個であるが、接続用ヘッダー3Cのシールプレート4Bでは倍の16個で、図6に示す直径線dを境として一側半部の8個が下側のチューブユニットU2における各熱交換チューブ2の導出側の延出端部2bに対応し、他側半部の8個が上側のチューブユニットU1における各熱交換チューブ2の導入側の延出端部2aに対応している。なお、シールプレート4A,4Bの両面周辺部には、シール性を高めるために、内外二重の環状突縁41が形成されている。
In the
上記構成のシェルアンドチューブ型熱交換器では、入口ヘッダー3Aより第一流体L1を導入すると共に、この第一流体L1に対して大きな温度差のある第二流体L2を給排口5A,5Bの一方から供給することにより、両流体L1,L2間で熱交換を行う。しかして、入口ヘッダー3Aより導入された第一流体L1は、複数本(例示は8本)の熱交換チューブ2に分配して下側のチューブユニットU2へ送られ、各熱交換チューブ2毎に内側から外側へ横渦巻き状に周回し、続いて外側から内側へ横渦巻き状に周回した上で、導出側の延出端部2bを通って接続用ヘッダー3Cへ送られ、そのヘッダー空間30内で合流する。次いで、この合流によって温度が平均化された状態で、上側のチューブユニットU1の複数本(例示は8本)の各熱交換チューブ2に分配流入し、同様に各熱交換チューブ2毎に内側から外側、続いて外側から内側へ横渦巻き状に往復周回した上で、導出側の延出端部2bを通って出口ヘッダー3Cより導出することになる。
In the shell and tube heat exchanger configured as described above, the first fluid L1 is introduced from the
請求項5の発明は、上記請求項1〜4のいずれかのシェルアンドチューブ型熱交換器において、各熱交換チューブ2がフッ素系樹脂からなり、シェル1及び各ヘッダー3A,3B,3Cが耐蝕性の内表面を有し、シェル1内の各配置部材(シールプレート4A,4B、バッフル6A〜6C、チューブ支持体7A,7B)がフッ素系樹脂製もしくは表面に耐蝕性のライニング又はコーティングが施されたものからなる構成としている。
The invention of claim 5 is the shell-and-tube heat exchanger according to any one of
請求項6の発明は、上記請求項5のシェルアンドチューブ型熱交換器において、第一流体L1と第二流体L2の一方が高温の腐食性液体、他方が低温液体である構成としている。 According to a sixth aspect of the invention, the shell and tube heat exchanger of the fifth aspect, corrosive liquids one is a hot first fluid L1 and the second fluid L2, the other is configured as a cryogenic liquid.
請求項5の発明によれば、各熱交換チューブ2がフッ素系樹脂からなり、シェル1及び各ヘッダー3A,3B,3Cが耐蝕性の内表面を有し、シェル1内の各配置部材(シールプレート4A,4B、バッフル6A〜6C、チューブ支持体7A,7B)がフッ素系樹脂製もしくは表面に耐蝕性のコーティング又はライニングが施されたものからなるため、第一流体L1及び第二流体L2の一方又は両方が強酸性液や強アルカリ性液のような腐食性の強い液体であっても支障なく適用できる。また、フッ素系樹脂からなる熱交換チューブ2は、可撓性で容易に曲がるから、チューブユニットの組立製作に際し、その複数本を各々横渦巻き状に巻回して上下複数段に配置する操作が非常に容易であり、金属製チューブに比較して格段に高い作業性が得られる。
According to the invention of claim 5 , each
請求項6の発明によれば、第一流体L1及び第二流体L2の接触表面が全て高耐食性であるため、両流体L1,L2の一方を高温の腐食性液体、他方を低温液体として支障なく熱交換を行える。
According to the invention of
Claims (7)
各チューブユニットは、複数本の熱交換チューブを各々横渦巻き状に巻回して上下複数段に配置したドーナツ形をなし、
シェルには、チューブユニットのチューブ内に流通させる第一流体の入口ヘッダー及び出口ヘッダーと、上下に隣接するチューブユニット同士のチューブ内流路を連通させる接続用ヘッダーとが付設され、
各チューブユニットより延出する熱交換チューブが前記ドーナツ形の中央空間を通して入口ヘッダー及び出口ヘッダーと接続用ヘッダーのいずれかに接続され、
シェル内空間に流通させる第二流体の供給口がシェルの上下一方側に、同排出口がシェルの上下他方側に、それぞれ設けられ、
入口ヘッダーから流入する第一流体を、最下位又は最上位のチューブユニットから順次に接続用ヘッダーを介して次位のチューブユニットへ送り込んで出口ヘッダーへ導出することにより、シェル内空間に流通する第二流体と熱交換させるように構成されてなるシェルアンドチューブ型熱交換器。
A plurality of tube units are loaded in the shell in a vertical arrangement,
Each tube unit has a donut shape in which a plurality of heat exchange tubes are wound in a horizontal spiral shape and arranged in multiple upper and lower stages,
The shell is provided with an inlet header and an outlet header of the first fluid that circulates in the tube of the tube unit, and a connection header that communicates the flow path in the tube between the vertically adjacent tube units.
A heat exchange tube extending from each tube unit is connected to one of the inlet header, the outlet header and the connection header through the donut-shaped central space,
The second fluid supply port that circulates in the space in the shell is provided on one side of the shell, and the discharge port is provided on the other side of the shell.
The first fluid flowing in from the inlet header is sequentially sent from the lowest or highest tube unit to the next tube unit via the connection header and led to the outlet header, so that the first fluid flowing into the inner space of the shell. A shell and tube heat exchanger configured to exchange heat with two fluids.
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