JP3180377U - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】管板の強度をより高めることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】貫通孔１８が形成された管板８と、管板８の貫通孔１８に挿通されて貫通孔１８の軸方向一方側に向かって延びる伝熱チューブ１１と、伝熱チューブ１１と管板８とに接合された円管状のチューブカラー１９と、を備え、チューブカラー１９の軸方向一端は管板８の軸方向他方側の面８ａに接合されている熱交換器を提供する。
【選択図】図３

Description

本考案は、一対の管板と、一対の管板間に並設された伝熱チューブとからなる熱交換器に関する。

国内の下水汚泥の発生量は年々増加しており、その多くが焼却処理されている。汚泥を焼却する汚泥焼却設備においては、燃焼炉の排ガスが高温となることから、熱効率を高めるために熱回収が行われている。例えば、空気予熱器を用いて焼却炉の排ガスと燃焼炉の燃焼空気（流動空気）との間で熱交換を行うことによって燃焼用空気の予熱を行い省エネルギー化を図っている。

空気予熱器としては、例えばシェルアンドチューブ式と呼ばれる多管式熱交換器が採用されている。多管式熱交換器は、一対の管板間に多数の伝熱チューブが、その両端部が一対の管板にそれぞれ形成された貫通孔に挿入されて並設された構成である。多管式熱交換器では、伝熱チューブに高温の排ガスを通過させつつ、管板間に燃焼用空気を通過させることによって熱交換を実施している。

ところで、多管式熱交換器の施工においては、伝熱チューブと管板とを直接溶接することは困難であり、また、伝熱チューブと管板とを直接溶接した場合においても、伝熱チューブの熱伸び等により管板が損傷する可能性がある。よって、図４に示すように、伝熱チューブ１１と管板８とは、伝熱チューブ１１の外周面と管板８の貫通孔１８の内周面との間に配置された管状のチューブカラー１２１を介して接合されている。換言すれば、管板８の貫通孔１８には、管状のチューブカラー１２１が挿入されており、負荷が生じた場合は、チューブカラー１２１との溶接部Ｗに負荷をかける構造とすることによって、管板８の損傷を防止している（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−３２９５８５号公報

ところで、管板には１００本程度の貫通孔が形成されている。貫通孔の内径は、伝熱チューブに加えチューブカラーを挿入するための寸法とされているため、貫通孔の内径を大きくする必要があり、管板の強度が低下してしまうという問題がある。

本考案は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、管板の強度をより高めることができる熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するために、この考案は以下の手段を提供している。
本考案の熱交換器は、貫通孔が形成された管板と、前記管板の前記貫通孔に挿通されて前記貫通孔の軸方向一方側に向かって延びる伝熱チューブと、管状をなし、前記伝熱チューブに接合され、かつ、軸方向一端が前記管板の軸方向他方側の面に接合されたチューブカラーと、を備えていることを特徴とする。

上記構成によれば、チューブカラーを貫通孔に挿入することなく、管板の軸方向他方側の面に接合する構成としたことによって、貫通孔の穴径をより小さくすることができ、管板の強度を向上させることができる。

上記熱交換器において、前記伝熱チューブと前記チューブカラーとは隅肉溶接によって接合されており、前記チューブカラーの肉厚は、前記伝熱チューブとの溶接脚長よりも厚くされていることが好ましい。

上記構成によれば、伝熱チューブが熱伸びした際の応力が、チューブカラーではなく溶接部に集中するため、チューブカラーが損傷することを防止することができる。

上記熱交換器において、前記チューブカラーの内径と、前記貫通孔の内径とは略同一とされていることが好ましい。

上記構成によれば、チューブカラーの内周面と貫通孔の内周面とが連続し、チューブカラーと伝熱チューブとの間隔、及び貫通孔と伝熱チューブとの間隔をより小さくすることができ、延いては貫通孔の穴径をより小さくすることができる。

上記熱交換器において、前記伝熱チューブの内側に軸方向他方側から挿入され、前記伝熱チューブと接合されるインサートチューブを備え、前記伝熱チューブと前記インサートチューブとの間には隙間が形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、インサートチューブから管板への熱伝導を低減することができる。即ち、鋼の熱伝導率よりも空気の熱伝導率が低いことから、排ガスが伝熱チューブに流入した際の管板の温度をより低くすることができ、管板に亀裂が発生することを防止することができる。

上記熱交換器において、前記伝熱チューブは前記貫通孔の軸方向他方側に所定距離突出しており、前記伝熱チューブと前記インサートチューブとは、互いの軸方向他端にて接合されていることが好ましい。

上記構成によれば、インサートチューブから管板までの熱の伝導距離がより長くなり、インサートチューブから管板への熱伝導を低減することができる。

上記熱交換器において、前記伝熱チューブと前記インサートチューブとは、断面円形の環状部材を介して接合されていることが好ましい。

上記構成によれば、伝熱チューブの中心軸とインサートチューブの中心軸との軸合わせが容易となる。即ち、伝熱チューブの内周面とインサートチューブの外周面との間の隙間を均一にすることが容易となる。

本考案によれば、貫通孔の穴径をより小さくすることができ、管板の強度を向上させることができる。

本考案の実施形態に係る熱交換器を備えた焼却施設のブロック図である。 本考案の実施形態に係る熱交換器の概略図である。 本考案の実施形態に係る熱交換器の伝熱チューブと管板との接合部を示す断面図である。 従来の熱交換器の伝熱チューブと管板との接合部を示す断面図である。

本考案の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、焼却施設は、焼却炉１と、熱交換器２と、排ガスダクト３Ａ，３Ｂと、空気ダクト４Ａ，４Ｂとを、主な構成要素として備えている。
排ガスダクト３Ａは、焼却炉１からの排ガスを熱交換器２に供給するように焼却炉１と熱交換器２とを接続している。空気ダクト４Ａは、熱交換器２に空気を供給するダクトである。そして、熱交換器２は、排ガス（例えば８５０℃）と空気（例えば４００℃）とを熱交換するように構成されている。

熱交換により温度が低下した排ガスは、排ガスダクト３Ｂを経由して最終的に大気に放出される。空気ダクト４Ｂは、熱交換により温度が上昇した空気を焼却炉１に供給するように焼却炉１と熱交換器２とを接続している。焼却炉１に供給されるべき空気が熱交換器２によって暖められるため、焼却炉１は下水汚泥のような燃えにくい焼却対象物の焼却が可能である。

図２に示すように、熱交換器２は、上部ヘッダ６と、下部ヘッダ７と、上側管板８と、下側管板９と、シェル１０と、複数の伝熱チューブ１１と、を主な構成要素として備えている。排ガスダクト３Ａは上部ヘッダ６に接続され、排ガスダクト３Ｂは下部ヘッダ７に接続されている。

シェル１０は、上側管板８に固定されたシェル上部１３と、下側管板９に固定されたシェル下部１４と、シェル下部１４をシェル上部１３に接続するエキスパンジョンジョイント（不図示）と、を備えている。上側管板８は、上部ヘッダ６内の上部ヘッダ内空間６ａとシェル１０に囲まれたシェル内空間１０ａとの間に設けられている。下側管板９は、シェル内空間１０ａと下部ヘッダ７内の下部ヘッダ内空間７ａとの間に設けられている。
上側管板８及び下側管板９は、ＮＣＦ ８００Ｈ（インコロイ８００Ｈ（登録商標）とも呼ばれる）等のステンレス金属によって形成されていることが、高温下における強度、耐食性の点で好ましいが、これに限ることはなく、ＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレスも採用可能である。

複数の伝熱チューブ１１は、シェル内空間１０ａを上下に延びて上部ヘッダ内空間６ａと下部ヘッダ内空間７ａとを接続している。空気ダクト４Ｂは、シェル下部１４に設けられた空気出入口１４ａに接続されている。空気ダクト４Ａは、シェル上部１３に設けられた空気出入口１３ａに接続されている。

焼却炉１から排出された排ガスは、排ガスダクト３Ａを通って上部ヘッダ内空間６ａに供給される。上部ヘッダ内空間６ａに供給された排ガスは、上部ヘッダ内空間６ａから複数の伝熱チューブ１１内を通って下部ヘッダ内空間７ａに流れる。排ガスは下部ヘッダ内空間７ａから排ガスダクト３Ｂを通って最終的に大気に放出される。

空気ダクト４Ａを流れてきた空気は、空気出入口１３ａからシェル内空間１０ａに流入し、シェル内空間１０ａを流れた後、空気出入口１４ａ及び空気ダクト４Ｂを通って焼却炉１に供給される。伝熱チューブ１１内を流れる排ガスとシェル内空間１０ａを流れる空気とが伝熱チューブ１１の壁面を介して熱交換される。
また、シェル内空間１０ａの空気の流れが伝熱チューブ１１にできるだけ等しく当たるように、バッフルプレート１７がシェル内空間１０ａに設けられている。

次に、上側管板８（以下、管板８と呼ぶ）と、伝熱チューブ１１との接続部の詳細について説明する。
図３に示すように、本実施形態の熱交換器２の管板８と伝熱チューブ１１との接続部は、管板８と伝熱チューブ１１とがチューブカラー１９を介して接続されている構成である。また、伝熱チューブ１１は貫通孔１８の軸方向他方側に所定距離突出しており、伝熱チューブ１１の内部には、インサートチューブ２１が挿入されている。以下、伝熱チューブ１１の中心軸に沿う方向を単に軸方向と呼び、下方側を軸方向一方側、上方側を軸方向他方側と呼ぶ。

管板８には、伝熱チューブ１１を挿通させるための貫通孔１８が形成されており、伝熱チューブ１１は、貫通孔１８の軸方向一方側（下方）に向かって下側管板９（図２参照）まで延在している。伝熱チューブ１１の外周面と貫通孔１８の内周面との間には、僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成されている。
また、管板８の他方側の面８ａには、断熱材２６が配設されている。

上述したように、伝熱チューブ１１は、円管状のチューブカラー１９を介して管板８と接続されている。チューブカラー１９は、伝熱チューブ１１と管板８とに溶接により接合されている。

チューブカラー１９は、その内径が貫通孔１８の内径と同一とされており、チューブカラー１９の内周面と貫通孔１８の内周面とが連続するように、一方側の端部が管板８の他面８ａに溶接により接合されている。具体的には、貫通孔１８の内周面の上端とチューブカラー１９の内周面の下端とに開先角度９０°の開先を設け、Ｖ形突合わせ溶接（溶接部をＷ１で示す）を行うことにより接合されている。溶接部Ｗ１においては、溶接した表面が平面となるように追加工がなされている。開先の形状はＶ形に限ることはなく、例えばＵ形としてもよい。また、開先は、チューブカラー１９と管板８の両方に設ける必要はなく、例えば、チューブカラー１９のみに開先を設ける構成としてもよい。
また、チューブカラー１９は、管板８，９と同様に、ＮＣＦ ８００Ｈ（インコロイ８００Ｈ（登録商標）とも呼ばれる）等のステンレス鋼によって形成されているが、これに限ることはない。

また、チューブカラー１９の外周面と管板８とは、溶接脚長３．５ｍｍの隅肉溶接により接合されている（溶接部をＷ２で示す）。さらに、チューブカラー１９の上端と伝熱チューブ１１とは、溶接脚長３．５ｍｍの隅肉溶接により接合されている（溶接部をＷ３で示す）。

また、チューブカラー１９の肉厚は、溶接部Ｗ３の溶接脚長よりも十分厚く形成されている。具体的には、３．５ｍｍの溶接脚長に対して、チューブカラー１９の肉厚は６ｍｍとされている。

伝熱チューブ１１は、貫通孔１８に挿入され、かつ、チューブカラー１９に接合された
本体管部２２と本体管部２２の他端に接合されたダミー管部２３とから構成されている。伝熱チューブ１１は、ＳＵＳ３１０Ｓのような高温下での耐食性に優れたステンレス鋼によって形成されているが、これに限ることはなく、管板８やチューブカラー１９と同様の材質としてもよい。
ダミー管部２３は、伝熱チューブ１１を本体管部２２から上方に延長するように形成されており、本体管部２２と略同一の肉厚及び直径とされている。また、ダミー管部２３の他端は、端部に向かうに従って徐々に拡径する、ファンネル形状（漏斗形状）とされている。

インサートチューブ２１は、伝熱チューブ１１と略同一の肉厚を有しており、伝熱チューブ１１の内側に軸方向他方側から挿入されている。インサートチューブ２１の他端は、ダミー管部２３と同様にファンネル形状とされている。また、伝熱チューブ１１とインサートチューブ２１との間には、所定の隙間Ｇが形成されている。即ち、インサートチューブ２１の外周面の直径をＤ２、伝熱チューブの外周面の直径をＤ１、伝熱チューブ１１の肉厚をｔとすると
Ｄ２＝Ｄ１−（ｔ＋Ｇ）×２
であり、隙間Ｇがインサートチューブ２１と伝熱チューブ１１との間に略均一に形成されている。
なお、本実施形態では、インサートチューブ２１の肉厚を伝熱チューブ１１の肉厚と略同一としているが、これに限ることはなく、それぞれの肉厚を異なるものとしてもよい。

インサートチューブ２１は、金属で形成された環状部材２４を介して伝熱チューブ１１のダミー管部２３と接合されている。具体的には、伝熱チューブ１１とインサートチューブ２１とは、互いの軸方向他端にて接合されている。
環状部材２４は、断面円形の丸棒を環状に形成したものであり、ダミー管部２３のファンネル部の上端に嵌まるような大きさとされている。インサートチューブ２１を固定する際には、ダミー管部２３に環状部材２４を溶接したうえで、インサートチューブ２１をダミー管部２３（伝熱チューブ１１）の内部に挿入し、インサートチューブ２１のファンネル部を環状部材２４に溶接する。
インサートチューブ２１は伝熱チューブ１１に取り付けた際、その下端が、管板８の下面よりも所定距離下方に位置するような長さを有している。

上記実施形態によれば、チューブカラー１９を貫通孔１８に挿入することなく、管板８の他方側の面８ａに接合する構成としたことによって、貫通孔１８の穴径をより小さくすることができ、管板８の強度を向上させることができる。
例えば、貫通孔１８にチューブカラーを挿入する構成である場合、チューブカラーの肉厚を３ｍｍとすると、本実施形態の貫通孔１８よりも６ｍｍ以上穴径を大きくする必要があるため、本実施形態と比較すると管板の強度が低下する。

また、チューブカラー１９の肉厚を、伝熱チューブ１１とチューブカラー１９との間の溶接部Ｗ３の溶接脚長よりも厚くしたことによって、伝熱チューブ１１が熱伸びした際の応力が、チューブカラー１９ではなく溶接部Ｗ３に集中する。これにより、チューブカラー１９が損傷することを防止することができる。
また、伝熱チューブ１１の上端が、ファンネル形状とされていることによって、排ガスの流入効率を向上させることができる。

また、伝熱チューブ１１にインサートチューブ２１を挿入し、伝熱チューブ１１とインサートチューブ２１との間に空気層である隙間Ｇを有する構成としたことによって、インサートチューブ２１から管板８への熱伝導を低減することができる。即ち、鋼の熱伝導率よりも空気の熱伝導率が低いことから、排ガスが伝熱チューブ１１に流入した際の管板８の温度をより低くすることができ、管板８に亀裂が発生することを防止することができる。また、断熱材などを使用することなく、断熱層を形成することができる。

また、伝熱チューブ１１とインサートチューブ２１とが、互いの軸方向他端にて接合されていることによって、インサートチューブ２１から管板８までの熱の伝導距離がより長くなり、インサートチューブ２１から管板８への熱伝導を低減することができる。

また、チューブカラー１９の内径を貫通孔１８の内径と同一としたことにより、チューブカラー１９の内周面と貫通孔１８の内周面とが連続し、チューブカラー１９と伝熱チューブ１１との間隔、及び貫通孔１８と伝熱チューブ１１との間隔をより小さくすることができ、貫通孔１８の穴径をより小さくすることができる。

また、環状部材２４を用いて、伝熱チューブ１１とインサートチューブ２１とを接続することによって、伝熱チューブ１１の中心軸とインサートチューブ２１の中心軸との軸合わせが容易となる。即ち、伝熱チューブ１１の内周面とインサートチューブ２１の外周面との間の隙間Ｇを均一にすることが容易となる。

なお、本考案の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本考案の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。例えば、伝熱チューブ１１は、本体管部２２とダミー管部２３とを接合する構成としたが、一体に形成してもよい。
また、伝熱チューブ１１及びインサートチューブ２１はその軸方向他方側の端部が拡径するファンネル形状としたが、拡径しないストレート形状としてもよい。

２ 熱交換器
８ 上側管板
８ａ 面
９ 下側管板
１１ 伝熱チューブ
１８ 貫通孔
１９ チューブカラー
２１ インサートチューブ
２４ 環状部材
Ｇ 隙間

Claims (6)

1. 貫通孔が形成された管板と、
   前記管板の前記貫通孔に挿通されて前記貫通孔の軸方向一方側に向かって延びる伝熱チューブと、
   管状をなし、前記伝熱チューブに接合され、かつ、軸方向一端が前記管板の軸方向他方側の面に接合されたチューブカラーと、を備えていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱チューブと前記チューブカラーとは隅肉溶接によって接合されており、
   前記チューブカラーの肉厚は、前記伝熱チューブとの溶接脚長よりも厚くされていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記チューブカラーの内径と、前記貫通孔の内径とは略同一とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記伝熱チューブの内側に軸方向他方側から挿入され、前記伝熱チューブと接合されるインサートチューブを備え、
   前記伝熱チューブと前記インサートチューブとの間には隙間が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱チューブは前記貫通孔の軸方向他方側に所定距離突出しており、
   前記伝熱チューブと前記インサートチューブとは、互いの軸方向他端にて接合されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記伝熱チューブと前記インサートチューブとは、断面円形の環状部材を介して接合されていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。

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