JP3154409B2 - 凝縮器−熱交換器複合装置 - Google Patents

凝縮器−熱交換器複合装置

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JP3154409B2 JP15562699A JP15562699A JP3154409B2 JP 3154409 B2 JP3154409 B2 JP 3154409B2 JP 15562699 A JP15562699 A JP 15562699A JP 15562699 A JP15562699 A JP 15562699A JP 3154409 B2 JP3154409 B2 JP 3154409B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は凝縮器及び熱交換器
に関し、特に一般に円筒多管式熱交換器として知られる
種類の蒸気表面凝縮器及び液体−液体熱交換器に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】代表的な、従来の蒸気凝縮器及び熱交換
器並びに類似の装置が米国特許第２，７６４，８７６
号、第３，３３８，０５２号、第３，６９８，４７６
号、第４，０８４，５４６号、第４，１０６，５５９
号、第４，２０６，８０２号、第４，３００，４８１
号，及び第４，６２０，５８８号に開示されている。
【０００３】円筒多管式蒸気表面凝縮器技術は周知であ
り、多くの用途で使用されている。このような凝縮器に
おいては、複数のチューブを通して循環する水のような
冷媒により低温に保たれる、前記複数のチューブの外側
表面上に蒸気が凝縮する。ほとんどの蒸気表面凝縮器
は、一つに束ねられた複数の表面が滑らかな等長直管を
有し、比較的小容積の空間内で相当の量の凝縮液をつく
りだす。
【０００４】同様に、円筒多管式熱交換器技術は周知で
あり、多くの用途で使用されている。このような熱交換
器においては、一般にチューブの一方の側を温度の高い
媒体が流れ、もう一方の側を温度の低い媒体が流れて、
前記温度の高い媒体は冷却され、前記温度の低い媒体は
加熱される。しかし前記円筒多管式蒸気表面凝縮器とは
異なり、冷媒はチューブの内部あるいはチューブの外部
のいずれも流れることができる。円筒多管式熱交換器の
多くはやはり一つに束ねられた複数の表面が滑らかな等
長直管を有し、比較的小容積の空間内で高温媒体から低
温媒体に相当な量の熱を移すことができる。円筒多管式
熱交換器のなかには、Ｕ字管を用い及び／または効率を
高めるかあるいはユニットの大きさ及び／または製造コ
ストを低減するために、フィンのような拡張面をチュー
ブに備えているものもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は従来技術の難点を克服する凝縮器−熱交換器複合装置
を提供することである。
【０００６】本発明の別の目的は、効率が高く経済的な
配置構造を有する、単一ユニットで蒸気凝縮器及び液体
−液体熱交換器の機能を果たす凝縮器−熱交換器複合装
置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の上記及びその他
の目的は、チューブシートで支持された複数の蒸気凝縮
器チューブ及び複数の熱交換器チューブを備え、熱交換
器チューブ束及び外板を凝縮器チューブ束及び外板の内
部に配置し、よって前記熱交換器部及び凝縮器部がいず
れも個別ユニットであるかのように機能するが、関与す
る媒体の加熱あるいは冷却の効率はより高く、熱を凝縮
器部から熱交換器部へ、あるいはその逆に、移すことが
できるようにすることで達成される。
【０００８】本発明のさらなる目的及び利点は、以下の
説明を添付図面と併せて見ることにより明らかになるで
あろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１に示す代表的な従来の円筒多
管式蒸気表面凝縮器１０においては、一般に円筒外板１
２が、上部に大面積の蒸気流入開口１４、また底部に凝
縮液流出開口１６を有する。外板１２は２枚のチューブ
シート２０により対向端で支持され、チューブ支持板２
２により一定間隔で保持されるチューブ１８の束を囲
み、チューブ支持板２２は前記チューブの長さ方向に間
隔をおいて取り付けられている。外板１２の一端では、
チューブシート２０に取り付けられた流入−流出ヘッド
２４が該ヘッドを上部区画２８と下部区画３０に分割す
る水平仕切板２６を有し、区画２８の上面に開口３２が
配されて冷却液を受け入れ、一方下部区画３０の底面の
もう１つの開口３４が冷却液を流出させる。外板１２の
対向端では、半球状の戻しヘッド３６がチューブ１８の
上部束３８を通過してきた前記冷却液を受け取り、該液
体を下方に向けてチューブ１８の下部束４０に流し込
む。従って、前記冷却液が上部束３８及び下部束４０を
通過するので、蒸気流入開口１４からチューブ１８間の
間隙を通って流れる蒸気は冷却されて前記チューブの表
面上に凝縮し、外板１２の底部にある温水だめ４２に集
まりそこで凝縮液流出開口１６に運ばれる、凝縮液をつ
くる。
【００１０】図２は、一般に円筒外板５２並びに外板５
２の対向端に取り付けられた２枚のチューブシート６０
で外板内に支持されるチューブ５８の上部束５４及び下
部束５６を有する、従来の円筒多管式熱交換器５０を示
す。外板５２上部の一端にある高温液体流入口６２が冷
却されるべき液体を前記外板内部に供給し、交互する上
部及び下部液体流路を定める一連の内部バッフル６４が
外板内部に取り付けられて、上部チューブ束５４及び下
部チューブ束５６のまわりの直交流形流路内にある前記
高温液体を前記外板の対向端にある高温液体流出口６６
に流す。
【００１１】前記高温液体を冷却するために、図１に関
して上で説明したものと同じタイプの、水平仕切板７０
を有する流入−流出ヘッド６８が外板５２の一端でチュ
ーブシート６０に取り付けられる。冷却液は流入口７４
を通して上部区画７２に供給され、前記外板の対向端で
チューブシート６０に取り付けられた戻しヘッド７６に
向かって上部チューブ束５４を通過する。前記戻しヘッ
ドは冷却液を下部チューブ束５６に流し、冷却液は下部
チューブ束を通過して流入−流出ヘッド６８の下部区画
７８に入り、下部区画７８から冷却液流出口８０に流れ
る。
【００１２】従来の円筒多管式熱交換器のなかにはＵ字
管を有するか、あるいはユニットの大きさ及び／または
製造コストを低減するために、フィンのような拡張面を
チューブに施しているものもある。説明したタイプの従
来型円筒多管式熱交換器においては、隣りあうチューブ
間の間隙は一般に前記チューブの外径の約３０％ないし
５０％である。
【００１３】本発明に従えば、蒸気凝縮器と熱交換器の
複合装置が単一構造で与えられる。本発明に従う凝縮器
及び熱交換器の代表的な実施の形態９０を図３〜１２に
示す。本実施の形態においては、蒸気凝縮器外板９２
が、大面積蒸気流入開口９４を上部に、また蒸気凝縮液
を受け取る温水だめ９６及び前記凝縮液が取りだされる
凝縮液流出口９８を底部に有する。
【００１４】外板９２内部には、蒸気凝縮器外板９２の
対向端に取り付けられた２枚のチューブシート１０２の
間に、チューブ１００の３つの束、すなわち上部束１０
６，中央チューブ束１０８，及び下部チューブ束１１０
が支持されている。中央チューブ束１０８及びその周囲
の空間は、チューブシート１０２に密閉取付された内側
熱交換器外板１１２により、前記上部束及び下部チュー
ブ束から水力学的に隔てられている。図３に示す熱交換
器流入口１１４は、冷却されるべき高温液体を前記内側
熱交換器外板内部に供給し、熱交換器で冷却された前記
高温液体は熱交換器流出口１１６を通過して外部に出
る。前記流入口及び流出口はともに内側の内側熱交換器
外板から外側の蒸気凝縮器外板９２の外部まで伸びてい
る。
【００１５】蒸気流入開口９４を通して供給される蒸気
を凝縮し、熱交換器流入口１１４に供給される液体を冷
却するために、図３〜１２に示す代表的な実施の形態は
３−冷却液流路構成となっているが、望ましければより
多くの流路を備えることもできる。本構成においては、
流入ヘッド１２０が前記チューブ束の一端にあるチュー
ブシート１０２に取り付けられ、流出ヘッド１２２が前
記チューブ束の対向端にあるもう一方のチューブシート
１０２に取り付けられる。流入ヘッド１２０は冷却液流
入口１２４及び点検窓１２５を有する。前記冷却液流入
口は円筒仕切板１２８により境界を定められた概ね円筒
状の中央室１２６に達し、円筒仕切板１２８は中央室１
２６を取り囲む環状外囲室１３０から中央室１２６を隔
てている。冷却液流入口１２４で受け入れられた冷却液
は、流入ヘッド１２０の円筒状中央室１２６から内側熱
交換器外板１１２内に収められた円形の中央チューブ束
１０８のチューブ１００の全てを通過し、また上部束１
０６及び下部チューブ束１１０のチューブ群の概ね円形
の内側部分１３４も通過し、よって中央チューブ束１０
８だけでなく蒸気凝縮器チューブ群の一部をも通る前記
冷却液の第１流路が与えられる。
【００１６】流出ヘッド１２２内で、図８に示すように
下部チューブ束１１０の外側部分１１０ａを中央チュー
ブ束１０８及び上部束１０６並びに下部チューブ束の前
記円形の内側部分１３４から隔てる仕切板１３６によ
り、前記冷却液は上方に流される。冷却液は次いで流出
ヘッド１２２から、図７に示すように円筒仕切板１２８
の外側にある、上部束１０６の外側部分１０６ａを通過
して流入ヘッド１２０に戻り、そこで冷却液は環状外囲
室１３０を通って下方に流れ、図８に示すように仕切板
１３６の下側にある、下部チューブ束１１０の外側部分
１１０ａを流れて、流出ヘッド１２２の下部室１４０に
入り、次いで冷却液流出口１４２に流れる。流出ヘッド
１２２も点検窓１４３を備えている。
【００１７】上部束１０６の前記上側部分のチューブ１
００を蒸気流入開口９４を通して受け入れた蒸気による
直接の影響から防護するため、この部分のチューブは図
４に示すように保護用板、チューブ、またはロッド１４
４で覆われている。さらに、蒸気流入開口９４を通して
蒸気とともに外囲１２内に取り込まれた空気を除去する
ため、図３及び９に示すように蒸気凝縮器外板９２の側
面を空気取出し連結管１４６が貫通している。前記空気
は、上部束１０６及び下部チューブ束１１０の前記円形
の内側部分１３４を囲む空気バッフル１４８に集められ
た後、空気取出し連結管１４６を通して排出される。
【００１８】さらに図１０に示すように、内部熱交換器
バッフル１５０が、熱交換器流入口１１４から熱交換器
流出口１１６に流れる高温液体に対して、内側熱交換器
外板１１２内部の中央チューブ束１０８のまわりに直交
流形流路をつくる。さらにまた、蒸気凝縮器外板９２は
冷却液が入っているチューブ１００及び内側熱交換器外
板の温度に比べて温度の変化範囲が広いので、蒸気凝縮
器外板９２と装置の他の部品との間に伸縮継手１５６が
備えられる。代表的な伸縮継手を図１４に示す。図で
は、熱伸縮素子１５８が一方で前記外側の蒸気凝縮器外
板９２に連接され、他方で内側の内側熱交換器外板に達
する連結管１６０に連接されている。前記伸縮継手はＬ
字形の断面を有し、互いに連接されている部品が相対的
に膨張あるいは収縮できるようにする。
【００１９】内側熱交換器外板１１２から空気を除去す
るため、図１０に示すように、２本のガス抜き孔１６２
が内側熱交換器外板から上方に蒸気凝縮器外板９２の外
部まで伸び出している。さらに、２本の排水孔１６４が
図１０に示すように内側熱交換器外板から下方に伸びて
いる。
【００２０】図１２は上部束１０６及び下部チューブ束
１１０のチューブ１００を一定間隔に保ち、前記チュー
ブ間の間隙を通して蒸気を矢印で示されるように導くた
めの一組の内部チューブ支持板１６６を示す。
【００２１】図１３に示す本発明のもう１つの実施の形
態においては、Ｕ字管１７０が前記熱交換器に用いら
れ、同様のＵ字管１７２が前記蒸気凝縮器に与えられ
る。本構成では、上部に冷却液流入口１７６を有し底部
に冷却液流出口１７８を有する流入−流出ヘッド１７４
が前記複合ユニットに与えられる。Ｕ字管を熱交換器に
使用する場合、熱交換器のチューブ材は熱交換器の外板
と同じ材料である必要はなく、また凝縮器部と異なる材
料を熱交換器に用いることができる。
【００２２】本発明に従う上述の構成により、蒸気凝縮
器及び熱交換器が単一の外板内部に複合されて、より効
率が高く経済的な構造が提供される。
【００２３】本発明を特定の実施の形態に関して説明し
たが、そこに多くの変更及び変形が当業者には容易に浮
かぶであろう。従って、そのような変形及び変更は全て
本発明の所期の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の円筒多管式蒸気表面凝縮器を示す縦断面
図
【図２】従来の液体−液体熱交換器を示す縦断面図
【図３】冷媒路を３本備えた、本発明に従う円筒多管式
蒸気表面凝縮器と液体−液体熱交換器との複合装置を示
す立面図
【図４】図３に示した本発明の実施の形態の縦断面図
【図５】図３及び４の凝縮器−熱交換器複合装置の流入
ヘッドを示す端面図
【図５Ａ】図５の線ＶＡ−ＶＡに沿ってとられ、矢印の
方向から見た断面図
【図５Ｂ】図５の線ＶＢ−ＶＢに沿ってとられ、矢印の
方向から見た断面図
【図６】図３及び４の実施の形態の流出ヘッドを示す端
面図
【図６Ａ】図６の線ＶＩＡ−ＶＩＡに沿ってとられ、矢
印の方向から見た断面図
【図６Ｂ】図６の線ＶＩＢ−ＶＩＢに沿ってとられ、矢
印の方向から見た断面図
【図７】図４の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿ってとられ、矢印
の方向から見た断面図
【図８】図４の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿ってとられ、
矢印の方向から見た断面図
【図９】図４の線ＩＸ−ＩＸに沿ってとられ、矢印の方
向から見た断面図
【図１０】熱交換器部の高温媒体流路を示す凝縮器−熱
交換器複合装置の縦断面図
【図１１】図１０の線ＸＩ−ＸＩに沿ってとられ、矢印
の方向から見た断面図
【図１２】凝縮器部の蒸気流路を示す図３及び４の凝縮
器−熱交換器複合装置の縦断面図
【図１３】Ｕ字管を有する、本発明に従う凝縮器−熱交
換器複合装置のもう１つの代表的な実施の形態を示す縦
断面図
【図１４】蒸気凝縮器外板と熱交換器外板との間の接続
のための熱伸縮器構成を示す部分断面図
【符号の説明】
１０ 従来の円筒多管式蒸気表面凝縮器 １２，５２ 円筒外板 １４，９４ 蒸気流入開口 １６，９８ 凝縮液流出開口 １８，５８，１００ チューブ ２０，６０，１０２ チューブシート ２２ チューブ支持板 ２４，６８，１７４ 流入−流出ヘッド ２６，７０ 水平仕切板 ２８，７２ 上部区画 ３０，７８ 下部区画 ３２，７４，１２４，１７６ 冷却液流入開口 ３４，８０，１４２，１７８ 冷却液流出開口 ３６，７６ 戻しヘッド ３８，５４，１０６ 上部チューブ束 ４０，５６，１１０ 下部チューブ束 ４２，９６ 温水だめ ５０ 従来の円筒多管式熱交換機 ６２，１１４ 高温液体流入口 ６４，１５０ 内部バッフル ６６，１１６ 高温液体流出口 ９０ 凝縮器−熱交換器複合装置 ９２ 凝縮器外板 １０６ａ 上部チューブ束の外側部分 １０８ 中央チューブ束 １１０ａ 下部チューブ束の外側部分 １１２ 熱交換器外板 １２０ 流入ヘッド １２２ 流出ヘッド １２５，１４３ 点検窓 １２６ 中央室 １２８ 円筒仕切板 １３０ 流入ヘッドの外囲室 １３４ 上部チューブ束及び下部チューブ束の内側部
分 １３６ 仕切板 １４０ 流出ヘッドの下部室 １４４ 保護用板、チューブ、またはロッド １４６ 空気除去連結管 １４８ 空気バッフル １５６ 伸縮継手 １５８ 熱伸縮素子 １６０ 連結管 １６２ ガス抜き孔 １６４ 排水孔 １６６ 内部チューブ支持板 １７０、１７２ Ｕ字管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−21425（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−172888（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−138893（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−73176（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F28D 7/16

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 蒸気凝縮器−熱交換器複合装置（９０）
    において： 蒸気を受け入れるための蒸気流入開口（９４）及び凝縮
    液流出口（９８）を有する蒸気凝縮器外板（９２）； 前記蒸気凝縮器外板（９２）内部に支持される内側熱交
    換器外板（１１２）； 前記内側熱交換器外板の内部を通して伸びる第１の複数
    のチューブ； 前記内側熱交換器外板と前記蒸気凝縮器外板の間の空間
    を通して伸びる第２の複数のチューブ； 前記内側熱交換器外板（１１２）及び蒸気凝縮器外板
    （９２）内部の前記第１及び第２の複数のチューブをと
    もに支持するための少なくとも２枚のチューブシート
    （１０２）； 前記蒸気凝縮器外板（９２）の一端にあり、冷却液を前
    記チューブに供給するための冷却液流入口（１２４）を
    有する流入ヘッド（１２０）； 冷却液が前記第１及び第２の複数のチューブの内少なく
    とも一方を通過した後に、冷却液を前記凝縮器−熱交換
    器複合装置から出すための冷却液流出口（１４２）； 前記内側熱交換器外板（１１２）内部の前記第１の複数
    のチューブ間の空間に液体を供給するための熱交換器流
    入口（１１４）；及び前記内側熱交換器外板（１１２）
    内部の前記第１の複数のチューブ間の空間から液体を取
    りだすための熱交換器流出口（１１６）； を含むことを特徴とする蒸気凝縮器−熱交換器複合装置
    （９０）。
  2. 【請求項２】 前記冷却液流出口（１４２）が前記チュ
    ーブの前記冷却液流入口（１２４）に対向する端にあ
    り、前記流入ヘッド（１２０）が冷却液を前記内側熱交
    換器外板（１１２）内部の前記第１の複数のチューブに
    流し込み、冷却液の向きを変えて前記第１の複数のチュ
    ーブから前記第２の複数のチューブの第１の部分に流し
    込む流出ヘッド（１２２）を含み、前記流入ヘッド（１
    ２０）が前記第２の複数のチューブの前記第１の部分か
    ら受け取る冷却液を前記第２の複数のチューブの第２の
    部分を通して前記流出ヘッド（１２２）の冷却液流出口
    （１４２）に流すための下部室（１４０）を有すること
    を特徴とする請求項１記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合
    装置。
  3. 【請求項３】 前記第１の複数のチューブが一端で流入
    −流出ヘッド（１７４）の流入室に連結し他端で前記流
    入−流出ヘッド（１７４）の流出室に連結するＵ字管
    （１７０）であり、前記第２の複数のチューブが一端で
    前記流入−流出ヘッド（１７４）の前記流入室に連結し
    他端で前記流入−流出ヘッド（１７４）の前記流出室に
    連結するＵ字管（１７２）であることを特徴とする請求
    項１記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。
  4. 【請求項４】 前記内側熱交換器外板（１１２）内部の
    前記チューブの外側空間に供給される液体を前記熱交換
    器流入口（１１４）から前記熱交換器流出口（１１６）
    への直交流形流路に流すために前記内側熱交換器外板区
    画内部に複数の直交流形阻流板を含むことを特徴とする
    請求項１記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。
  5. 【請求項５】 前記蒸気凝縮器外板（９２）とチューブ
    シート（１０２）との間の伸縮継手（１５６）を含むこ
    とを特徴とする請求項１記載の蒸気凝縮器−熱交換器複
    合装置。
  6. 【請求項６】 前記伸縮継手（１５６）が前記蒸気凝縮
    器外板（９２）と前記チューブシート（１０２）の間の
    Ｌ字連結を含むことを特徴とする請求項５記載の蒸気凝
    縮器−熱交換器複合装置。
  7. 【請求項７】 蒸気とともに前記蒸気凝縮器外板（９
    ２）内に取り込まれる空気を集めるために前記内側熱交
    換器外板（１１２）の上方の空間に空気バッフル（１４
    ８）を含み、前記蒸気凝縮器外板から空気を取り出すた
    めに前記空気バッフルの下の領域と連結する空気取出し
    連結管（１４６）を含むことを特徴とする請求項１記載
    の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。
  8. 【請求項８】 前記内側熱交換器外板（１１２）から上
    方に前記蒸気凝縮器外板（９２）の上部を貫通して伸び
    るガス抜き孔（１６２）を含むことを特徴とする請求項
    １記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。
  9. 【請求項９】 前記内側熱交換器外板（１１２）から下
    方に前記蒸気凝縮器外板（９２）の底部を貫通して伸び
    る排水孔（１６４）を含むことを特徴とする請求項１記
    載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。
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