JP2017048987A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管に付着するダストを効率的に除去することができる熱交換器を提供する。
【解決手段】
熱交換器１は、上下方向に延設され、加熱流体が内部を流通する複数の伝熱管３，３，…と、これらの伝熱管３，３，…を収容する収容空間３０、収容空間３０に被加熱流体を導入するための導入口２６、及び導入口２６から導入された被加熱流体を収容空間３０から導出するための導出口２７を具備するケーシング２と、ケーシング２内に設けられ、伝熱管３，３，…を加振するバイブレータ４とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、加熱流体と被加熱流体との間で熱交換を行わせる熱交換器に関し、特に加熱流体に含まれるダストを除去することができる熱交換器に関する。

温度の高い加熱流体と温度の低い被加熱流体との間で熱交換を行わせる熱交換器において、加熱流体がダスト、油分等（以下、単に「ダスト」と総称する）を含んでいる場合、そのダストが伝熱管に付着することによって熱伝達率の低下を招くという問題が生じる。このようなダストを除去するための技術として、例えば、伝熱管に対して打撃力を与えるハンマリング装置を備え、その打撃力により発生した振動によって伝熱管周辺のダストを除去する熱交換器が提案されている。しかしながら、このようなハンマリング装置を備えた熱交換器では、ハンマリング装置により打撃された部位から離れた部位に振動を伝播させることが困難である等の問題があり、効率良くダストを除去することができない。そこで、被加熱流体が内部を流通する伝熱管に対して加振力を与えるバイブレータを備え、そのバイブレータが繰り返し伝熱管を振動させることによってダストを除去する熱交換器が種々提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。

上述したようなバイブレータを備える熱交換器の場合、バイブレータが高温の加熱流体に直接曝されることを回避するために、当該バイブレータを熱交換器の外部に配設する必要がある。そのために、熱交換器内に設けられている伝熱管と熱交換器外に設けられているバイブレータとを連結するための機構が必要になる。例えば特許文献２に開示されている熱交換器の場合、棒状のバイブレータ連結金具によって伝熱管とバイブレータとが連結されている。より具体的には、特許文献２の明細書６頁並びに第１図乃至第４図等に記載されているとおり、伝熱管に固着されているバイブレータ連結金具が、熱交換器壁（ボイラー壁）に設けられた開口部を貫通し、熱交換器の外部に設けられているバイブレータと接続されている。また、この開口部には、加熱流体が外部に漏れたり外気が熱交換器内に流入したりすることを防止するために、フレキシブル継手が取り付けられている。

特開昭５９−６９６９７号公報 実開昭６１−８７９７号公報

上述した従来の熱交換器のように熱交換器壁に開口部を設けた場合、断熱性能が低下するという問題が生じる。また、熱交換器壁の鉄皮に温度不均一による熱応力が発生すること等によって、熱交換器壁の強度低下を招くおそれもある。さらに、耐熱性に優れたフレキシブル継手が必要であったり、そのフレキシブル継手内に加熱流体に含まれるダストが堆積するおそれがあったり等の問題も生じる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができる熱交換器を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の熱交換器は、上下方向に延設され、加熱流体が内部を流通する複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管を収容し、被加熱流体を導入するための導入口及び当該導入口から導入された被加熱流体を外部へ導出するための導出口を具備するケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、前記複数の伝熱管を加振するバイブレータとを備える。

この態様において、前記ケーシング内に設けられ、前記複数の伝熱管を支持する管板をさらに備え、前記バイブレータが、前記管板に取り付けられていてもよい。

また、上記態様において、加熱流体が、前記複数の伝熱管の内部を上方から下方に向かって流通し、前記管板が、前記複数の伝熱管をその下部で支持するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記バイブレータが、前記導入口の近傍に設けられていてもよい。

また、上記態様において、前記ケーシングのうちの前記導入口の近傍に、前記バイブレータを点検するための開閉可能な点検蓋が設けられていてもよい。

さらに、上記態様において、前記複数の伝熱管と前記バイブレータとの間に、当該複数の伝熱管からの輻射熱を遮るための防熱板が設けられていてもよい。

本発明に係る熱交換器によれば、断熱性能を損ねることなく、加熱流体に含まれるダストの除去を図ることができる。

実施の形態に係る熱交換器の構成を示す正面図。 図１のII-II線矢視断面図。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す各実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための方法及び装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は下記のものに限定されるわけではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において種々の変更を加えることができる。

図１は、本実施の形態に係る熱交換器の校正を示す正面図である。また、図２は、図１のII-II線矢視断面図である。図１及び図２に示すように、熱交換器１は、ケーシング２と、ケーシング２内に収容された複数の伝熱管３，３，…及びそれらの伝熱管３，３，…を加振するバイブレータ４とを備えている。

ケーシング２は、中空筒状のケーシング本体２１と、ケーシング本体２１の上部に配設されたケーシング上部２２と、同じく下部に配設されたケーシング下部２３とを備えている。ケーシング上部２２は、下方に向けて径が大きくなるテーパ状の面を有する中空の切頭円錐形状をなしている。ケーシング上部２２の上方の流入口２４からは、溶解炉の排気ガス等である高温の加熱流体が流入する。なお、ケーシング上部２２はその外側面にロックウール等の断熱材を設けている。これにより、加熱流体が高温の状態を維持しながらケーシング２内に流入することになる。

ケーシング下部２３は、下方に向けて径が小さくなるテーパ状の面を有する中空の切頭逆円錐形状をなしている。ケーシング上部２２の上方の流入口２４から流入した加熱流体は、伝熱管３，３，…を経て、ケーシング下部２３の下方の流出口２５から外部へ流出される。

ケーシング本体２１の正面側には、空気等の低温の被加熱流体をケーシング本体２１内に導入するための導入口２６と、ケーシング本体２１内から被加熱流体を外部へ導出するための導出口２７とが上下に並設されている。本実施の形態の場合、導入口２６及び導出口２７の何れもが円形状の開口部を有しており、導入口２６が導出口２７の下方に設けられている。

ケーシング本体２１の内部には、導入口２６と導出口２７との間でケーシング本体２１の内部空間３０を２つの空間に区画する中間仕切り板３１が設けられている。この中間仕切り板３１は、ケーシング本体２１の正面側の内側面中央付近から水平方向に延びるように設けられており、その端部はケーシング本体２１の背面側の内側面に到達することなく終端している。これにより、ケーシング本体２１の正面側の導入口２６から導入された被加熱流体は、中間仕切り板３１の端部とケーシング本体２１の背面側の内側面との間の領域を通過した後、ケーシング本体２１の正面側の導出口２７に向かって流通することが可能になる。

伝熱管３，３，…はそれぞれ、断面円形の管状部材であって、上下方向に延設されている。ケーシング上部２２の流入口２４から流入した加熱流体は、伝熱管３，３，…の上端からその内部に流入して下方に向かって流れ、伝熱管３，３，…の下端から流出した後、ケーシング下部２３の流出口２５から外部へ流出する。なお、このように伝熱管３，３，…が上下方向に延設されている場合、その内壁面の点検及び清掃作業が容易になるというメリットがある。

これらの伝熱管３，３，…は、図２に示すように、紙面左右方向に所定の距離隔てて並設されている。また、伝熱管３，３，…は図２の紙面手前奥行き方向にも所定の距離隔てて並設されている。すなわち、伝熱管３，３，…は、互いに所定距離離間させて多段多列に配設されている。これにより、伝熱管３，３の間に被加熱流体が流通する空隙が形成される。

ケーシング本体２１の上端側には、その上端側の開口を閉塞するように板状の上部管板３２が設けられている。同様にして、ケーシング本体２１の下端側には、その下端側の開口を閉塞するように板状の下部管板３３が設けられている。これらの上部管板３２及び下部管板３３には、伝熱管３，３，…のそれぞれに対応した位置に貫通孔が設けられている。それらの貫通孔に伝熱管３，３，…が挿通されて溶接されることにより、上部管板３２及び下部管板３３と伝熱管３，３，…とが固定されている。

なお、中間仕切り板３１にも伝熱管３，３，…のそれぞれに対応した位置に貫通孔が設けられており、各貫通孔に伝熱管３，３，…が挿通されている。これらの貫通孔の径は、伝熱管３の外径よりもわずかに大きい程度であるため、伝熱管３は当該貫通孔に対してほぼ気密に固定されている。

下部管板３３の下面には、上下方向に伸縮可能な伸縮継手３４が配設されている。この伸縮継手３４によって、伝熱管３，３，…の熱膨張による伸長を吸収することができる。

また、下部管板３３の上面のうちの導入口２６の近傍には、振動を発生するバイブレータ４が配設されている。バイブレータ４で発生した振動により、下部管板３３及びその下部管板３３に固定されている伝熱管３，３，…が加振される。このように、バイブレータ４は、被加熱流体が流通する空間内に配設されるため、加熱流体に直接曝されることはない。そのため、本実施の形態では、従来のように、ケーシング内に設けられた伝熱管とケーシング外に設けられたバイブレータとを連結するためにケーシングに開口部を設けたり、その開口部を塞ぐためのフレキシブル継手を設けたりする必要がない。

上述したように、バイブレータ４は、被加熱流体が導入される導入口２６の近傍、すなわち熱交換が行われる前の低温の被加熱流体が流通する領域に設けられている。そのため、伝熱管３，３，…からの輻射熱の影響があったとしても、それを低減することができる。したがって、バイブレータ４を構成する材料が特に耐熱性に優れていなくても構わない。

ケーシング本体２１の正面側に設けられた導入口２６の下方近傍には、開閉可能な点検蓋２８が設けられている。上記のとおり、導入口２６の近傍は熱交換が行われる前の低温の被加熱流体が流通する領域であるため、このように開閉可能な点検蓋２８を容易に設けることができる。この点検蓋２８を介して、バイブレータ４を外部から視認することができ、バイブレータ４の点検が可能になる。

バイブレータ４と伝熱管３，３，…との間には、下部管板３３の上面から突設された防熱板３５が設けられている。この防熱板３５によって、伝熱管３，３，…からの輻射熱を遮ることができるため、輻射熱の影響が大きい場合であっても、バイブレータ４の保護を図ることができる。なお、防熱板３５は、バイブレータ４を囲うような形状等、様々な形状を有していてもよい。

上述したように構成された熱交換器１において、流入口２４から高温の加熱流体が流入するとともに、導入口２６から低温の被加熱流体が導入される。流入口２４から流入した加熱流体は、上述したように、伝熱管３，３，…の内部を下方に向かって流通し、流出口２５から外部へ流出する。他方、導入口２６から導入された被加熱流体は、中間仕切り板３１によって上下に区画された２つの空間のうちの下方の空間を、ケーシング本体２１の正面側から背面側に向かって流れる。その後、被加熱流体は、中間仕切り板３１の端部とケーシング本体２１の背面側の内側面との間の領域を上昇して通過した後、上記２つの空間のうちの上方の空間を、ケーシング本体２１の背面側から正面側に向かって流れ、導出口２７から導出される。このようにして、被加熱流体がケーシング本体２１の内部空間を流通する際に、被加熱流体は各伝熱管３，３，…の間に形成されている空隙を流通する。これにより加熱流体と被加熱流体との間で熱交換が行われる。

上述したようにして熱交換器１が運転している間、バイブレータ４は常時伝熱管３，３，…を加振する。これにより、伝熱管３，３，…は振動を繰り返すため、加熱流体に含まれているダストが伝熱管３，３，…の内壁に付着することを抑制することができる。また、伝熱管３，３，…の内壁にダストが付着した場合であっても、その振動によってダストが内壁から剥離され除去される。これにより、加熱流体に含まれるダストは、伝熱管３，３，…の内壁に堆積することなく、加熱流体とともに流出口２５から排出される。

（その他の実施の形態）
上述した実施の形態においては、バイブレータ４が下部管板３３に取り付けられているが、これに限定されるわけではなく、上部管板３２等、その他の部材に取り付けられていてもよい。但し、本実施の形態のように、伝熱管３，３，…が上下方向に延設され、加熱流体が上方から下方に向かって流通する場合、伝熱管３，３，…内部の下側にダストが付着することが多く、このダストを効率的に剥離除去するためには、バイブレータ４が下部管板３３に取り付けられていることが好ましい。

また、上述した実施の形態においては、伝熱管３，３，…からの輻射熱を遮るための防熱板３５が設けられているが、これが設けられていなくても構わない。バイブレータ４の耐熱性及び伝熱管３，３，…からの輻射熱の大きさを考慮した上で、防熱板３５の設置の要否が決定される。

本発明の熱交換器は、溶解炉の排気ガス等を熱源とした熱交換器等として有用である。

１ 熱交換器
２ ケーシング
３ 伝熱管
４ バイブレータ
２１ ケーシング本体
２２ ケーシング上部
２３ ケーシング下部
２４ 流入口
２５ 流出口
２６ 導入口
２７ 導出口
２８ 点検蓋
３０ 内部空間
３１ 中間仕切り板
３２ 上部管板
３３ 下部管板
３５ 防熱板
３４ 伸縮継手

Claims (6)

1. 上下方向に延設され、加熱流体が内部を流通する複数の伝熱管と、
   前記複数の伝熱管を収容し、被加熱流体を導入するための導入口及び当該導入口から導入された被加熱流体を外部へ導出するための導出口を具備するケーシングと、
   前記ケーシング内に設けられ、前記複数の伝熱管を加振するバイブレータと
   を備える熱交換器。
2. 前記ケーシング内に設けられ、前記複数の伝熱管を支持する管板をさらに備え、
   前記バイブレータが、前記管板に取り付けられている、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 加熱流体が、前記複数の伝熱管の内部を上方から下方に向かって流通し、
   前記管板が、前記複数の伝熱管をその下部で支持するように構成されている、
   請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記バイブレータが、前記導入口の近傍に設けられている、
   請求項１乃至３の何れかに記載の熱交換器。
5. 前記ケーシングのうちの前記導入口の近傍に、前記バイブレータを点検するための開閉可能な点検蓋が設けられている、
   請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記複数の伝熱管と前記バイブレータとの間に、当該複数の伝熱管からの輻射熱を遮るための防熱板が設けられている、
   請求項１乃至５の何れかに記載の熱交換器。

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