JP2020507740A - 環状熱交換器 - Google Patents

Abstract

環状熱交換器は、互いに内側に配置されている、媒質流のための円周方向で閉じている少なくとも２つの管プロファイル（１、２）を備え、且つ、内側に配置された熱伝導構造（３）を有する。熱伝導構造（３）は、互いの上に載っている螺旋状に密着巻き付けされた１対のバンド（４、５）を備え、第１のバンド（４）は滑らかであり、他方のバンド（５）は流路（６）を形成するように巻き付け方向に対して横断方向に波形を付けられている。

Description

本発明は、互いに内側に配置されている、媒質流のための円周方向で閉じている少なくとも２つの管プロファイルを有し、且つ、内側に配置されている熱伝導構造を有する、環状熱交換器に関する。

互いに内側に配置されている、媒質流のための少なくとも２つの管を備える熱交換器が、「チューブインチューブ」熱交換器と呼ばれることがある。「チューブインチューブ」熱交換器内の管は２つの主要な機能を有し、即ち、媒質を分離し、これと同時に、熱交換表面としての役割を果たす。媒質から熱交換器材料への熱対流が熱の交換のために決定的に重要であるが、一方、単に管壁による熱伝導は最小限の度合いで生じるだけである。

熱交換表面の増大が熱交換器のアウトプットを増大させる。「チューブインチューブ」熱交換器では、管の長さが、熱交換表面を増大させるために増大させられる必要がある。管が同時に媒質を分離するので、熱交換表面全体が、媒質の圧力と媒質の圧力差とに耐えるような壁厚さを持たなければならない。このことが、こうした熱交換器の重量とサイズを非常に大きなものにする。

熱交換表面は、フィン形成によって増大させられることが可能である。フィンは管の一部分であり、及び、数ミリメートルの厚さを有する。この場合には、熱対流と熱伝導の両方が部分的に存在しているが、しかし、熱対流が依然として決定的に重要である。

フィン取り付け（熱交換表面の増大）が、内側又は外側において、片側だけで使用される。

最小の熱交換器重量で最大の出力を実現するために、媒質を分離する壁の厚さを減少させるための努力が行われているが、この減少は、特に高い圧力又は異なる圧力を有する媒質の場合に、技術的な制約によって限定されている。これに加えて、こうした薄い壁が、例えばプレート交換器の場合にはんだ付け又は溶接によって、何らかの方法で接合されなければならない。これは、同様に、ある程度の技術的制約を有する。

フィンの形状を有する熱交換表面で充たされている交換器のための管が、特許文献１から知られている。

さらに、ハニカム形の構造で充たされている熱交換器が知られている。特許文献２及び特許文献３が、一例として挙げられることが可能である。

さらに、例えばＫＡＳＳＴ社によって製造されている回転再生式熱交換器（ｒｏｔａｒｙ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）が知られており、この熱交換器は、復水器の原理を使用し、及び、このことは、こうした熱交換器が周期的に充填され、及び、熱交換表面の充填部分が、より低い温度を有する場所に向けられた後に、熱交換表面が再び排出させられるということを意味する。これは、技術的な観点から見て、「チューブインチューブ」熱交換器の機能原理とは全く異なる機能原理である。

米国特許第６５３３０３０号明細書 特開平０２−１５０６９１号公報 特開昭６２−２８８４９５号公報

本発明の目的が、著しい重量削減と熱交換器の出力増大とを実現するように、既知の「チューブインチューブ」熱交換器を改良することである。

上記の目的が、本発明による、互いに内側に配置されている、媒質流のための円周方向で閉じている少なくとも２つの管プロファイルを備え、且つ、内側に配置されている熱伝導構造を有する、環状熱交換器によって実現され、この環状熱交換器の原理が、熱伝導構造が、互いの上に載っている螺旋状に密着巻き付けされた１対のバンド（ｈｅｌｉｃａｌｌｙ ｔｉｇｈｔｌｙ ｗｏｕｎｄ ｐａｉｒ ｏｆ ｂａｎｄｓ）を備え、及び、このバンド対の第１のバンドが滑らかであり、且つ、他方のバンドが、流路を形成するように、巻き付け方向に対して横断方向に波形を付けられているということである。

本発明の利点が、標準的な熱交換器では、熱交換表面として機能するそれぞれの管プロファイルによって個別的な熱伝導構造が互いに分離させられているが、本発明の熱交換器では、この管プロファイルが主に媒質セパレーター（ｍｅｄｉａ ｓｅｐａｒａｔｏｒ）として機能するということである。管プロプロファイルは、本来的に熱交換表面を形成せずに、媒質を分離する熱交換器の部品を形成し、したがって、管プロファイルは、それぞれの圧力差に合わせてサイズ決定されることが可能であり、及び、本発明による熱交換器は、媒質のあらゆる圧力差に関して使用されることが可能である。熱伝導構造が、媒質圧力に無関係に数十マイクロメートルの厚さを有することが可能であり、且つ、既知の熱交換器のフィン付き管における壁の厚さとおそらくはフィンの厚さとが、数ミリメートルであり、即ち、２桁厚いので、本発明による熱交換器の重量は同じ出力の場合に著しく軽量である。

複数の管プロファイルは、原理的に、任意の横断面、特に円形、楕円形、又は、長方形の横断面を有することが可能である。

熱伝導構造が複数の管プロファイル内を完全に充たすことが好ましい。

本発明による環状熱交換器の第１の具体例の横断面を概略的に示す。 内側プロファイルの区域内における熱伝導構造の設計の詳細を示す。 本発明による環状熱交換器の他の実施形態を示す。 本発明による環状熱交換器の更に他の実施形態を示す。 本発明による環状熱交換器の更に他の実施形態を示す。 本発明による環状熱交換器の更に他の実施形態を示す。

図１による環状熱交換器の一実施形態が、媒質流のための同中心に配置された３つの管プロファイル、即ち、外側プロファイル１と、内側プロファイル２と、中央プロファイル７とを備える。この実施形態では、管プロファイル１、２、７は、円形断面を有する管から成る。これらのプロファイル１、２、７の相互間の中間空間が、互いの上に載っている厚さ０．０５ｍｍのアルミニウムシートの螺旋状に密着巻き付けされた１対のバンド４、５によって構成されている、熱伝導構造３によって完全に充たされている。第１のバンド４は滑らかであるが、他方のバンド５は、流路６を形成するように、巻き付け方向に対して横断方向に波形が付けられている。

図３による環状熱交換器の実施形態は、中央プロファイル７を持たないことと、内側プロファイル２全体が熱伝導構造３によって完全に充たされていることとにおいてだけ、図１の実施形態と異なっている。

図４による環状熱交換器の実施形態は、幾つかの中央プロファイル７を備える。この場合には、２つの媒質が存在してもよく、又は、熱交換器が、より多くの媒質の相互間の熱交換のために設計されることが可能である。

図５と図６は、複数の管プロファイル１、２が長方形の横断面を有する熱交換器の例を示す。当業者は、プロファイル１、２、７が、実質的に、囲まれた外周を有する任意の横断面を有することが可能であるということを理解するだろう。

本発明による環状熱交換器は、任意の個数の挿入されたプロファイル１、２、７を有する逆流又は並流熱交換器として連結されることが可能である。この熱交換器は、さらに液体／液体の媒質のために使用されることも可能であるが、その利点は、気体／気体の媒質、及び、気体／液体の媒質のために使用される時に、及び、高温側及び低温側に高い圧力差を有する用途（蒸気発生装置、燃焼タービンの回収熱交換器、凝縮器、蒸発器）において、最大に発揮される。

次では、本発明による環状熱交換器の機能を、図１と図２に示されている実施形態を使用して説明する。その他の実施形態はこれに類似した仕方で機能する。

高温媒質が内側プロファイル２と中央プロファイル７との間の空間に供給され、この空間内では、媒質が対流によって熱伝導構造３の中に熱を伝達する。熱伝導構造３は、この熱を、内側プロファイル２を形成する管に伝導し、及び、その次に、この熱は、内側プロファイル２と外側プロファイル１との間の空間を充たす熱伝導構造３に伝導される。この空間内では、熱伝導構造３が、この空間内を流れるより低温の媒質の中に対流によって熱を伝達する。熱の移動が、図２に矢印で示されている。

したがって、本発明による環状熱交換器は、熱対流が熱伝導と同じ重要性を有する場合の複合熱交換（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ）に基づいている。この環状熱交換器の熱伝達表面が、上述した熱伝導構造３の挿入によって最大化される。この熱伝導構造３への熱伝達と、それに続く、それぞれのプロファイル１、２、７の分離壁に対するこの熱伝導構造３による熱伝導とが、熱交換のために同等に使用される。したがって、熱伝導構造３による熱伝達は、著しくより高い度合いで利用され、及び、本発明に基づく熱交換器における熱対流と同等に重要である。

個々の熱伝導構造３はそれぞれの管プロファイル１、２、７から分離されており、及び、管プロファイル１、２、７は標準的な熱交換器では熱交換表面として機能するが、本発明の熱交換器では、主として媒質セパレーターとして機能する。

それぞれの圧力差に合わせて設計されている複数の管プロファイル１、２、７によって媒質が分離させられるので、本発明に基づく熱交換器は、実質的に媒質の任意の圧力差に対して使用されることが可能である。したがって、複数の管プロファイル１、２、７は本来的に熱交換表面を形成せず、熱交換器の媒質分離部分を形成する。媒質圧力に無関係に熱伝導構造が数十マイクロメートルの厚さを有することが可能であり、一方、既知の熱交換器のフィン付き管における壁と恐らくはフィンとの厚さとが数ミリメートルであり、即ち、２桁厚いので、本発明による熱交換器の重量は同じ出力でも著しく軽量である。

ＡＮＳＹＳ ＣＦＤプログラムにおける数値モデルを使用する比較計算が、次の４つの異なるタイプの熱交換器をシミュレートする４つのバージョンの形態で、直径２０ｍｍの５０ｍｍアルミニウム管によって伝達される熱出力を比較するために使用された。
・ 滑らかな管、
・ 標準的なフィン付き管
・ 米国特許第６５３３０３０号明細書によるフィン付き管
・ 本発明による熱交換器
計算条件：１００℃の一定温度に外側から加熱された管、及び、２０℃の温度と３１．８７メートル／秒の流速とを有する管流入空気。

１００％の効率を有する理想熱交換器が６０４Ｗの出力を有するだろう。数値モデルを使用して、以下の値が算出された。
・滑らかな管−３２Ｗ（理想熱交換器の５％）
・標準的なフィン付き管−１４６Ｗ（理想熱交換器の２４％）
・米国特許第６５３３０３０号明細書によるフィン付き管−２５２Ｗ（理想熱交換器の４２％）
・本発明による熱交換器−３７５Ｗ（理想熱交換器の６２％）

上記から、本発明による熱交換器が、飛び抜けて高い最高出力を有することが明らかである。

１ 外側プロファイル
２ 内側プロファイル
３ 熱伝導構造
４ 第１のバンド
５ 第２のバンド
６ 流路
７ 中央プロファイル

Claims (3)

1. 互いに内側に配置されている、媒質流のための円周方向で閉じている少なくとも２つの管プロファイル（１、２）を備え、且つ、内側に配置された熱伝導構造（３）を有する、環状熱交換器において、
   前記熱伝導構造（３）は、互いの上に載っている螺旋状に密着巻き付けされた１対のバンド（４、５）を備え、第１のバンド（４）は滑らかであり、他方のバンド（５）は流路（６）を形成するように巻き付け方向に対して横断方向に波形を付けられていることを特徴とする環状熱交換器。
2. 前記管プロファイル（１、２）は、円形、楕円形、又は、長方形の横断面を有することを特徴とする請求項１に記載の環状熱交換器。
3. 前記熱伝導構造（３）は前記管プロファイル（１、２）内を完全に充たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の環状熱交換器。

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