JP2018519495A

JP2018519495A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2018519495A
Application number: JP2017568422A
Authority: JP
Inventors: ヘッツァー，イェンス; インシャルブ，アイツォル; パルチ，ヴォルカー; ローゼンピエラー，クラウス; スタックラス，カーステン; ヴァイデンフェラー，ヨルク
Original assignee: アルヴォスゲーエムベーハー
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2036-06-03
Also published as: ES2714927T3; EP3317603B1; RU2018103948A; EP3317603A1; DK3317603T3; CN107850405B; DE102015212433A1; US10281224B2; RU2018103948A3; JP6813516B2; RU2700215C2; US20180187988A1; WO2017001147A1; CN107850405A

Abstract

【解決手段】本発明は、第１の媒体が流れ得る第１の部分(3) と第２の媒体が流れ得る第２の部分(5) とを備えた熱交換器(1) に関し、動作中、第１の媒体と第２の媒体との間で熱交換が行われる。第１の部分(3) は、入口チャンバ(7) 及び入口チャンバに連結されている第１の管(9) と、出口チャンバ(13)及び出口チャンバ(13)に連結されている第２の管(15)とを有している。第１の管(9) は夫々、入口チャンバ(7) から離れる方を向いている端部(9a)で閉じられており、第２の管(15)は夫々第１の管(9) の内の１つの内部に少なくとも部分的に配置されており、出口チャンバ(13)から離れる方を向いている第２の管(15)の端部(15a) は対応する第１の管(9) 内に開口している。第２の部分(5) は入口手段(19)及び出口手段(21)を有しており、入口手段(19)は熱交換器チャンバ(27)内に開口している。熱交換器チャンバ(27)は第１の部分(3) の第１の管(9) を少なくとも部分的に囲んでおり、熱交換器チャンバ(27)は出口手段(21)に連結されている。本発明によれば、入口手段(19)は、熱交換器チャンバ(27)への第２の媒体の流体の流れを遮断するための遮断装置(41)を有しており、バイパス装置(37)が、第２の媒体の流体の流れを少なくとも部分的に熱交換器チャンバ(27)を迂回して導くために入口手段(19)及び出口手段(21)を連結している。遮断装置(41)は、第２の媒体の流れ方向のバイパス装置(37)の下流側に配置されている。

Description

本発明は、請求項１の前提部に係る熱交換器に関する。

１つのプロセス媒体から第２のプロセス媒体に熱エネルギーを伝達するために熱交換器を使用する。伝熱式熱交換器では、各媒体は他の媒体から分離した空間に収容される。

広く普及している熱交換器の構成はいわゆる管束式熱交換器であり、束で配置された複数の平行な管を通して媒体を導く。管束を囲んでいるチャンバを通して第２の媒体を導く。

特有の構成によれば、管束は、一側で閉じられている複数の管によって形成されている。第２の管が、このような管に挿入されて第１の管の閉じた端部の方に開口している。このタイプの構成は、米国特許出願公開第2010／0254891 号明細書から公知である。連結の利便性を向上させるために、内管が内管から横方向に導き出されることが多いので、この構成はバヨネット式熱交換器と称されることが多い。

この構成には、主に内管内に還流する媒体が、外側を流れる媒体に熱エネルギーの一部を伝えるため、流入するより冷たい媒体の加熱に寄与するという利点がある。

しかしながら、このタイプの熱交換器では、有利な制御を実現する際に問題に直面し、システムのスイッチを緊急に切らなければならない場合、例えば加熱する媒体が過度の温度に曝される場合に更なる問題が生じ得る。

従って、本発明は、熱伝達のスイッチオフが有利な方法で可能になる、最初に述べたタイプの熱交換器を提供することを目的とする。更に、熱交換器の有利な制御を可能とすべきことが好ましい。

本発明は請求項１の特徴によって定められている。

本発明に係る熱交換器には、第１の媒体が流れ得る第１の部分と、第２の媒体が流れ得る第２の部分とが備えられており、動作中、第１の媒体と第２の媒体との間で熱交換が行われ、第１の部分は、入口チャンバ及び入口チャンバに連結されている第１の管と、出口チャンバ及び出口チャンバに連結されている第２の管とを有している。第１の管は夫々、入口チャンバから離れる方を向いている端部で閉じられており、第２の管は夫々、第１の管の内の１つの内部に少なくとも部分的に配置されている。出口チャンバから離れる方を向いている各第２の管の端部は対応する第１の管の内部の方に開口している。第２の部分は入口手段及び出口手段を有しており、入口手段は熱交換器チャンバ内に開口している。熱交換器チャンバは第１の部分の第１の管を少なくとも部分的に囲んでいる。更に、熱交換器チャンバは出口手段に連結されている。本発明は、入口手段が熱交換器チャンバへの第２の媒体の流体の流れを遮断するための遮断装置を有しており、バイパス装置が、第２の媒体の流体の流れを少なくとも部分的に熱交換器チャンバを迂回して導くように入口手段及び出口手段を連結し、遮断装置は、第２の媒体の流れ方向に見るとバイパス装置の下流側に配置されていることを特徴とする。

従って、遮断装置が遮断位置にあることにより、入口手段を介して流入する第２の媒体が熱交換器チャンバに入ってしまうことが有利な方法で防止され得る。バイパス装置によって、第２の媒体は出口手段に直接導かれ得る。遮断装置の遮断状態では、熱交換器チャンバを通過する流れはない。従って、遮断装置を用いると、第１の媒体と第２の媒体との間の熱伝達の迅速な遮断が可能になる一方、第２の媒体がバイパス装置を介して排出され得るので、高過ぎる圧力が遮断装置で生成されてしまうことが加えて防止される。

第１の部分の第１の管は平行に且つ束として配置されていることが好ましい。

バイパス装置は、バイパス装置を通る第２の媒体の流体の流れを制御するための制御装置を有していることが好ましい。制御装置は、例えば回転駆動式のフラップとして実現され得る。このタイプのフラップは、フラップを作動させるための駆動軸が有利な方法で密閉され得るという利点を有する。このため、遮断装置が開いた状態では、第２の媒体の特定の部分をバイパス装置を通して導くか否かを選択することが可能になり、この選択は、制御装置を用いてバイパス装置内の圧力損失を設定することにより行われる。従って、熱交換器チャンバに入り、ひいては第１の媒体との熱交換をもたらす第２の媒体の量を有利な方法で制御することができる。

遮断装置が制御機能を有していることが好ましい。このようにして、熱交換器チャンバに入る第２の媒体の量を更に遮断装置によって制御することが可能である。バイパス装置が制御装置を有していない実施形態では、制御機能を有する前記遮断装置が、第２の媒体の一部をバイパス装置を通して、ひいては熱交換器チャンバを迂回させて導くことを設定するために更に使用され得る。

バイパス装置及び遮断装置は、一般に互いに分離して形成されており、互いに独立して動作可能である。このため、定められた制御曲線が動作範囲全体で存在するので、特に柔軟な使用及び有利な制御を達成することが可能になる。遮断装置は、例えば回転式で作動可能な、貫通流を制御すべく設けられたフラップを有し得る。

熱交換器チャンバが長尺状の管によって形成されていることが好ましい。このため、簡単な構造を使用することにより、第１の管の管束を収容している熱交換器チャンバを設けることが可能になる。

本明細書ではケーシング管が熱交換器チャンバの長尺状の管を囲んでおり、出口手段がケーシング管内に開口しており、長尺状の管は、入口手段から離れる方を向いている側で、ケーシング管と長尺状の管との間に形成された隙間の方に開口していることが好ましい。言い換えれば、長尺状の管の端部で、熱交換器チャンバを通って流れる第２の媒体は、外側に向かってケーシング管と長尺状の管との間に形成された環状の隙間に流入し、外側では出口手段の方向に長尺状の管上で還流する。このようにして、例えば、第２の媒体のための供給管及び排出管が極めて近くに配置され得るように、出口手段及び入口手段が互いに比較的密に配置されることができ、これは構造上の利点を有することが多い。

熱交換器は、入口チャンバ、出口チャンバ及び熱交換器チャンバが収容されているケーシングを備えていることが好ましい。言い換えれば、熱交換器は、第１の部分及び第２の部分を形成している複数の装置の少なくとも一部のための共通のケーシングを備えている。

ケーシングがケーシング管を形成することが可能である。

熱交換器は、例えば長尺状の構成を有することができ、入口チャンバは例えばケーシング壁に囲まれている。出口チャンバは、例えば入口チャンバに挿入され得る。例えば、出口チャンバは、第１の管及び第２の管が貫通するケーシング分離壁によって熱交換器チャンバ及びケーシング管から分離され得る。このような構成は特に有利であることが分かっている。

入口チャンバ及び出口チャンバはケーシングの第１の端部分に配置されることが可能である。第１の端部分は、例えばケーシングの長さの10〜20％の長さに沿って延びているケーシングの一部と理解される。

入口手段及び出口手段はケーシングの第２の端部分に配置され得る。更に、第２の端部分はケーシングの長さの10〜20％の長さに沿って延びることができる。

熱交換器チャンバは、ケーシングの中央部分に配置され得る。ケーシングの中央部分は第１の端部分と第２の端部分との間に配置されている。

入口手段は入口管コネクタを有しており、出口手段は出口管コネクタを有しており、前記入口管コネクタ及び前記出口管コネクタは水平面に配置されていることが好ましい。言い換えれば、入口管コネクタの中心軸及び出口管コネクタの中心軸は一面に配置されている。入口管コネクタ及び出口管コネクタは例えば同軸に配置されるか、又は90°互いにずれて配置されることが可能である。

このような配置は、第２の媒体を熱交換器に向かって又は熱交換器から遠くに導く導管が更に互いに同軸に配置され得るので特に有利である。従って、本発明の熱交換器は、例えば、大きな技術的経費を伴うことなく第２の媒体の既存の導管への挿入に適している。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、出口手段は第２の出口チャンバを有しており、入口手段は第２の出口チャンバを横切っており、バイパス装置は、入口手段から第２の出口チャンバ内に延びているバイパス管コネクタを有している。第２の出口チャンバは、例えばケーシングの第２の端部分によって形成され得る。

入口手段及び出口手段のこのような構成は、特に簡単な方法で構造上の態様の下で実現され得る。

出口管コネクタは第２の出口チャンバ内に開口していることが好ましい。

本発明の熱交換器では、遮断装置及びバイパス装置の制御装置は、例えばフラップとして構成され得る。言うまでもなく、更に他の種類の制御部材が使用され得る。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２の管は夫々、内管及び外管を有する二重壁の管として構成されており、内管及び外管は、出口チャンバから離れる方を向いている端部、又は出口チャンバの方を向いている端部で互いに連結されている。そのため、入口チャンバに入る媒体を内管と外管との間に形成された環状の隙間に集められる。第２の管の外管は、加熱される媒体の熱放射に対して放射シールドとして有効である。更に、外管と内管との間の環状の隙間に存在する媒体の絶縁効果が達成され得る。

熱交換器チャンバ内に、第２の媒体の流れの方向を変えるための流れ偏向要素が配置されていることが好ましい。熱交換器チャンバ内に流れ偏向要素を設けることにより、第２の媒体を強制的に導き得ることが有利である。そのため、熱交換器チャンバ内の熱交換が高められ得る。第２の媒体を強制的に導くことにより、第２の媒体が熱交換器チャンバを通過している間の第２の媒体の圧力の圧力損失の量を減らすことが更に可能になる。

本発明の熱交換器は、ガス、蒸気及び液体のあらゆる所望の組み合わせで作動可能であり、例えばガス−ガス熱交換器又はガス−液体熱交換器として使用され得る。更に、ガス状媒体と圧媒体との間で熱交換を行うことが可能である。媒体１を例えば煙とすることができ、媒体２を、例えば水のような圧媒体とすることができる。更に、媒体１が例えば水のような圧媒体であり、媒体２が煙である可能性もある。本発明の熱交換器では、媒体１を、加熱すべき媒体とすることができ、媒体２を、冷却すべき媒体とすることができ、又は逆に、媒体２を、加熱すべき媒体とすることができ、媒体１を、冷却すべき媒体とすることができる。

本発明を、添付図面を参照して以下により詳細に説明する。

本発明に係る熱交換器を示す断面略図である。図１に示されている熱交換器のケーシングの第１の端部分を示す概略的な詳細図である。図１に示されている熱交換器のケーシングの第２の端部分を示す概略的な詳細図である。

図１〜３には、本発明に係る熱交換器1 が断面図で概略的に示されている。

熱交換器1 は、第１の媒体の貫通流に適した第１の部分3 と、第２の媒体の貫通流に適した第２の部分5 とから構成されている。

熱交換器1 の動作中、第１の媒体と第２の媒体との間で熱交換が生じる。

熱交換器1 の第１の部分3 は、入口チャンバ7 と入口チャンバ7 に連結されている第１の管9 とを有している。第１の媒体を管コネクタ11を介して入口チャンバ7 に導くことが可能である。第１の管9 は、入口チャンバ7 から離れる方を向いている端部9aで閉じられている。第１の管9 は互いに平行で管束として配置されている。

更に、第１の部分3 は、更なる管コネクタ11に連結されている出口チャンバ13を有しており、更なる管コネクタ11を通して第１の媒体を熱交換器1 から排出することができる。

出口チャンバ13は入口チャンバ7 内に配置されており、複数の第２の管15に連結されている。第２の管15は夫々、第１の管9 の内の１つの内部に部分的に配置されている。言い換えれば、第２の管15が第１の管9 に挿入されている。出口チャンバ13から離れる方を向いている各第２の管15の端部15a は対応する第１の管9 の内部の方に開口している。

管コネクタ11を介して、第１の部分3 を通って流れる第１の媒体は入口チャンバ7 に入る。入口チャンバ7 から、媒体は、入口チャンバ7 から離れる方を向いている各第１の管9 の端部9aに達するまで、第１の管9 と第２の管15との間に形成された環状の隙間17に流れる。第１の管9 がこの端部で閉じられているので、第１の媒体は出口チャンバ13の方向に第２の管15に流入する。出口チャンバ13内で、還流する第１の媒体が集められて、出口チャンバ13に連結されている管コネクタ11を介して排出される。

図示されている例示的な実施形態では、第２の管15は二重壁の管として構成されており、内管15b 及び外管15c を有している。内管15b と外管15c との間に形成された環状の隙間15d は入口チャンバ7 の方に開口している。出口チャンバ13から離れる方を向いている第２の管15の端部15a で、環状の隙間15d がこの端部で閉じるように、内管15b は外管15c に連結されている。一方では、第２の管15のこのような構成が内管15b のための放射シールドとして機能し、他方では、入口チャンバ7 に流入する第１の媒体が、内管15b と外管15c との間の環状の隙間に入ってその隙間にとどまる。この媒体は追加の保護遮蔽効果を与える。そのため、熱伝達が均一になり得る。

本発明の熱交換器1 の第２の部分5 は入口手段19及び出口手段21を有している。入口手段19は入口管コネクタ23を有しており、入口管コネクタ23を介して第２の媒体が熱交換器1 に供給される。出口手段21は出口管コネクタ25を有しており、出口管コネクタ25を介して第２の媒体が熱交換器から流出し得る。図面に示されている例示的な実施形態では、入口管コネクタ23及び出口管コネクタ25は互いに対して同軸に配置されている。

入口手段19は、第１の部分3 の第１の管9 を囲んでいる熱交換器チャンバ27内に開口している。長尺状の管27a が熱交換器チャンバ27を囲んでいる。第２の媒体は、入口手段19を通って熱交換器チャンバ27に流入するため、第１の管9 を囲む。第１の管9 の表面に熱伝達面が形成され、熱伝達面によって、第１の媒体と第２の媒体との間で熱交換が行われ得る。

熱交換器チャンバ27内に、第２の媒体の流れ方向を変える流れ偏向要素28が形成されている。このようにして熱交換が高められる。流れ偏向要素28は、リング要素又はディスク要素の形態で構成され得る。流れ偏向要素28は板、例えば偏向板又は螺旋状の偏向要素であり得る。流れ偏向要素28の配置によって、第２の媒体を強制的に導くことにより第２の媒体の流れ方向を変える。更に、熱交換器チャンバ27を通って流れるときの第２の媒体の圧力損失の量を減らす。

入口手段19から離れる方を向いている熱交換器チャンバ27の端部で、長尺状の管27a が開口している。長尺状の管27a とケーシング管29との間に隙間31が形成されているように、ケーシング管29が長尺状の管27a を囲んでいる。前記隙間31は、出口手段21の一部である第２の出口チャンバ33と一体化して、出口管コネクタ25内に開口している。出口手段21から離れる方を向いているケーシング管29の端部で、ケーシング管29は、第１の管9 が貫通しているケーシング分離壁35に連結されている。ケーシング分離壁35は、出口手段21から離れる方を向いている端部で熱交換器チャンバ27及び隙間31を閉じている。従って、熱交換器チャンバ27を通って流れる第２の媒体は、ケーシング分離壁35によって隙間31内にそれて、隙間31を通って第２の出口チャンバ33に流入する。

バイパス装置37が、入口手段19から出口手段21に通じている。この配置では、バイパス管コネクタ39が入口手段19に連結されて第２の出口チャンバ33内に延びている。従って、入口手段19を通って流入する第２の媒体は、熱交換器チャンバ27を迂回して導かれて出口手段21に直接流れることができる。

更に、図面に示されている例示的な実施形態のバイパス装置37は制御装置43を有している。制御装置43によって、バイパス装置37の圧力損失が制御され得る。このため、熱交換器チャンバ27及びバイパス装置37を通る第２の媒体の流れが特に有利な方法で制御され得る。そのため、出口手段21での第２の媒体の混合温度の制御が有利な方法で可能になる。

入口手段19は、第２の媒体の流れ方向に見ると、入口手段19内でバイパス装置37の下流側に配置されている遮断装置41を有している。前記遮断装置を用いて、熱交換器チャンバ27への第２の媒体の流体の流れが遮断され得る。従って、遮断装置41が閉じられている位置では、第２の媒体は完全にバイパス装置37を通って出口手段21に流入する。遮断装置41によって緊急に遮断することが可能になるため、熱交換器チャンバ27内の構成部品が保護される。

遮断装置41は、第２の媒体の一部を熱交換器チャンバ27に流入させて一部をバイパス装置37を通って流す制御機能を更に有し得る。このようにして、熱交換器1 は有利な方法で制御され得る。従って、遮断装置41は遮断機能及び制御機能を行うことができ、ある実施形態では制御装置43を省略することもできる。

遮断装置41及び制御装置43は、例えば制御可能なフラップとして構成され得る。例えば、遮断装置41及び制御装置43は回転駆動式のフラップを有することができ、フラップはフラップの位置に応じて貫通流の範囲を定めるべく作動する。遮断装置41及びバイパス装置37は一般に互いに分離して配置されており、独立して構成されている。

熱交換器1 は、入口チャンバ7 、出口チャンバ13、熱交換器チャンバ27、隙間31及び第２の出口チャンバ33を収容するケーシング45を備えている。この配置では、ケーシング45はケーシング管29及びケーシング分離壁35を形成している。

入口チャンバ及び出口チャンバはケーシング45の第１の端部分45a に配置されている。この第１の端部分45a は、例えばケーシング45全体の長さの10〜20％の長さに沿って延びることができる。

入口手段19及び出口手段21はケーシング45の第２の端部分45b に配置されている。述べられているように、入口手段19の一部及び出口手段21の一部はこのケーシング部分に組み込まれている。更に、ケーシング45の第２の端部分45b はケーシング45の長さの約10〜20％の長さに沿って延びている。

第１の端部分45a と第２の端部分45b との間に形成された中央部分45c が熱交換器チャンバ27を収容して隙間31を形成している。

Claims

熱交換器(1) であって、
第１の媒体が流れ得る第１の部分(3) と、第２の媒体が流れ得る第２の部分(5) とを備えており、動作中、前記第１の媒体と前記第２の媒体との間で熱交換が行われ、
前記第１の部分(3) は、入口チャンバ(7) 及び前記入口チャンバに連結されている第１の管(9) と、出口チャンバ(13)及び前記出口チャンバ(13)に連結されている第２の管(15)とを有しており、
前記第１の管(9) は夫々、前記入口チャンバ(7) から離れる方を向いている端部(9a)で閉じられており、
前記第２の管(15)は夫々、前記第１の管(9) の内の１つの内部に少なくとも部分的に配置されており、前記出口チャンバ(13)から離れる方を向いている前記第２の管(15)の端部(15a) は対応する第１の管(9) 内に開口しており、
前記第２の部分(5) は入口手段(19)及び出口手段(21)を有しており、
前記入口手段(19)は熱交換器チャンバ(27)内に開口しており、前記熱交換器チャンバ(27)は前記第１の部分(3) の第１の管(9) を少なくとも部分的に囲んでおり、
前記熱交換器チャンバ(27)は前記出口手段(21)に連結されており、
前記入口手段(19)は、前記熱交換器チャンバ(27)への前記第２の媒体の流体の流れを遮断するための遮断装置(41)を有しており、バイパス装置(37)が、前記第２の媒体の流体の流れを少なくとも部分的に前記熱交換器チャンバ(27)を迂回して導くために前記入口手段(19)及び前記出口手段(21)を連結しており、前記遮断装置(41)は、前記第２の媒体の流れ方向の前記バイパス装置(37)の下流側に配置されていることを特徴とする熱交換器。
前記バイパス装置(37)は、前記バイパス装置(37)を通る前記第２の媒体の流体の流れを制御するための制御装置(43)を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記遮断装置(41)は制御機能を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
前記熱交換器チャンバ(27)は長尺状の管(27a) によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
ケーシング管(29)が、前記熱交換器チャンバ(27)の長尺状の管(27a) を囲んでおり、前記ケーシング管(29)は前記出口手段(21)内に開口しており、
前記長尺状の管(27a) は、前記入口手段(19)から離れる方を向いている側で、前記ケーシング管(29)と前記長尺状の管(27a) との間に形成された隙間(31)の方に開口していることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
前記入口チャンバ(7) 、前記出口チャンバ(13)及び前記熱交換器チャンバ(27)が収容されているケーシング(45)を更に備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記ケーシング(45)は前記ケーシング管(29)を形成していることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
前記入口チャンバ(7) 及び前記出口チャンバ(13)は、前記ケーシング(45)の第１の端部分(45a) 内に配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の熱交換器。
前記入口手段(19)及び前記出口手段(21)は、前記ケーシング(45)の第２の端部分(45b) に配置されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記熱交換器チャンバ(27)は、前記ケーシング(45)の中央部分(45c) に配置されていることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記入口手段(19)は入口管コネクタ(23)を有しており、前記出口手段(21)は出口管コネクタ(25)を有しており、前記入口管コネクタ(23)及び前記出口管コネクタ(25)は互いに同軸に配置されているか、又は前記入口管コネクタ(23)の軸芯及び前記出口管コネクタ(25)の軸芯が水平面に配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記出口手段(21)は第２の出口チャンバ(33)を有しており、前記入口手段(19)は前記第２の出口チャンバ(33)を横切っており、前記バイパス装置(37)は、前記入口手段(19)から前記第２の出口チャンバ(33)内に延びているバイパス管コネクタ(39)を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記出口管コネクタ(25)は前記第２の出口チャンバ(33)内に開口していることを特徴とする請求項１２に記載の熱交換器。
前記第２の管(15)は夫々、内管(15b) 及び外管(15c) を有する二重壁の管として構成されており、前記内管(15b) 及び前記外管(15c) は、前記出口チャンバ(13)から離れる方を向いている前記端部(15a) 、又は前記出口チャンバ(13)の方を向いている端部で互いに連結されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記熱交換器チャンバ(27)には、前記第２の媒体の流れの方向を変えるための流れ偏向要素(28)が配置されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の熱交換器。