JP4108335B2

JP4108335B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4108335B2
Application number: JP2002000981A
Authority: JP
Inventors: 浩樹中山; 貴洋久野; 学片山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: JP2003202192A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体間の熱交換を行う熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体間の熱交換を行う熱交換装置としては、都市ゴミ、産業廃棄物等の焼却炉や熔融炉などに併設され、炉中で発生する排ガスを熱交換装置に導き、熱交換を行うものが知られている。
【０００３】
通常の熱交換器では、低温流体中に多数の管を設置し、その管に高温流体を流すものがある。これにより、熱交換を効率よく行うようにしている。これに対して、高温流体の温度が高すぎる場合には管に熱応力が発生する。高温流体により管に応力集中が生じると、強度上の問題が生じてしまう。そこで、特開２００１−０４１６８１に示すようなものがある。これは、高温流体の排ガスの流路の内側に耐火物等を設置するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、耐火物を介しての熱交換では効率が非常に悪く、また、耐火物表面には焼却・溶融飛灰が付着し易く、長時間の使用であると、閉塞してしまう場合があるという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、直接金属管を介して流体間の熱交換を行うことができ、且つ熱応力が集中することがない熱交換器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の請求項１に記載の熱交換器は、内側に高温流体の流路を有する第１の管と、前記第１の管の外周に耐火物を介すことなく低温流体の流路を形成する第２の管とが接合されて構成される熱交換器において、前記第１の管の高温流体の入口側および出口側の端部が、曲率を有して拡張され、且つ拡張されたあとに直接フランジ部が設けられており、前記第２の管の両端部がいずれも、前記第１の管の径方向外側に向かって延在する前記フランジ部と接合されていることを特徴としている。
【０００９】
上記の構成によると、第１の管の高温流体の入口側および出口側の端部が、曲率を有して拡張されているため、管の高温部に発生する熱応力を平均化することができる。それと共に、第１の管の高温流体の入口側および出口側に、曲率を有して拡張されたあとに延在させてフランジ部が設けられ、第２の管の端部が該フランジ部と接合されているため、接合部の第１の管と第２の管との温度差による応力集中を防止することができる。そのため、直接金属管を介して高温流体の熱交換を行うことができ、且つ熱応力が集中することがないものとすることができる。
【００１０】
請求項２に記載の熱交換器は、請求項１において、前記第２の管の両端に、低温流体を滞留させるヘッダー部が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
上記の構成によると、低温流体を滞留させるヘッダー部が設けられているため、高温流体と低温流体との間の熱交換が効率よく行われる。
【００１２】
請求項３に記載の熱交換器は、請求項１又は２において、前記第１の管が１本であることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によると、熱交換器の両端の強度を、確実に確保することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態の一例を説明する。本発明の実施形態例を、図1を参照しながら説明する。
【００１７】
図１において、熱交換器１は、高温流体Ａを内部に通過させる内筒（第１の管）２と、内筒２の周囲に、低温流体Ｂが通過する流路を形成するように設けられる外筒（第２の管）３とを備えてなる。
【００１８】
内筒２は、金属製で筒状のものであり、一端を入口２ｅ、他端を出口２ｆとして、内部に流路７を形成する。内筒２の入口２ｅ側の端部には、曲率を有して拡張される拡張部２ｃが形成されており、端にはフランジ部２ａが設けられている。同様に、出口２ｆ側の端部にも、拡張部２ｄが形成され、端にはフランジ部２ｂが設けられている。高温流体Ａは、内筒２の入口２ｅから流入され、流路７を通過し、出口２ｆから排出される。尚、内筒２の内側には、通常施工される耐火物はない。
【００１９】
上述したように、内筒２の高温流体Ａの入口２ｅ及び出口２ｆ側に拡張部２ｃ、２ｄが形成されているため、高温流体Ａが通過しても、内筒２の両端部２ｅ、２ｆ付近に発生する熱応力を平均化することができる。そのため、直接金属管を介して流体間の熱交換を行っても、応力集中が発生することがなく、充分な強度を有する熱交換器１とすることができる。
【００２０】
外筒３は、内筒２を覆う略円筒形状のものである。内筒２との間に空間を形成し、該空間に低温流体Ｂを通過させる。外筒３の外周には、断熱材６が設けられ、断熱材６の外側には化粧板３ｄが設けられている。
【００２１】
外筒３は、流路部３ｂと、流路部３ｂの入口２ｅ側に設けられたヘッダー部３ａと、流路部３ｂの出口２ｆ側に設けられたヘッダー部３ｃとを備える。外筒３の両端は、内筒２のフランジ部２ａ、２ｂに接合されている。
【００２２】
流路部３ｂは、内筒２よりもやや大きな径を有し、内筒２よりもやや短い筒状である。ヘッダー部３ａ、３ｃは、流路部３ｂよりも大きな径を有する。ヘッダー部３ａは低温流体Ｂの入口４ａを有するヘッダー室４を形成し、ヘッダー部３ｃは低温流体Ｂの出口５ａを有するヘッダー室５を形成する。低温流体Ｂは、入口５ａから流入され、ヘッダー室５内に一旦滞留する。そして、内筒２と流路部３ｂとの間を通過して、ヘッダー室４内に一旦滞留し、出口４ａから排出される。
【００２３】
ヘッダー室４は、高温流体Ａの入口２ｅ側に形成されており、ヘッダー室５は出口２ｆ側に形成されている。そのため、高温流体Ａと低温流体Ｂとは、熱交換器１の長手方向に逆の方向に流れる。これにより、最も高温な状態の高温流体Ａは、出口４ａから排出される直前のやや温度の上昇した低温流体Ｂに冷却され、また、冷却されながら流路７内を通過した高温流体Ａは、入口５ａから流入されたばかりの最も低温な状態の低温流体Ｂに冷却される。
【００２４】
以上のように、本実施形態の熱交換器１は、内側に高温流体Ａの流路７を有する内筒（第１の管）２と、内筒２の外周に低温流体Ｂの流路を形成する外筒（第２の管）３とが、少なくとも一箇所で接合されて構成される熱交換器１において、内筒２の少なくとも高温流体Ａの入口２ｅ側の端部が、曲率を有して拡張され（拡張部２ｃ）、且つフランジ部２ａが設けられており、外筒３の端部が該フランジ部２ａと接合されている。これにより、内筒の少なくとも高温流体Ａの入口２ｅ側の端部が、曲率を有して拡張されているため（拡張部２ｃ）、内筒２の高温部に発生する熱応力を平均化することができる。それと共に、内筒２の高温流体Ａの入口２ｅ側にフランジ部２ａが設けられ、外筒３の端部が該フランジ部２ａと接合されているため、接合部の内筒２と外筒３との温度差による応力集中を防止することができる。そのため、直接金属管を介して流体間の熱交換を行うことができ、且つ熱応力が集中することがないものとすることができる。
【００２５】
尚、本実施形態においては、内筒２の両端部に拡張部２ｃ、２ｄが形成され、また、内筒２の両端部にフランジ部２ａ、２ｂが設けられ、外筒３の両端が該フランジ部２ａ、２ｂに接合される場合について説明したが、これに限定されるものではない。即ち、拡張部２ｄ及びフランジ部２ａ、２ｂが設けられず、高温流体Ａの入口２ｅ側に拡張部２ｃのみが設けられるものであってもよい。これにより、内筒２の高温部に生じる温度分布を平均化し熱応力の集中を防止することができる。そのため、直接金属管を介して高温流体Ａの熱交換を行うことができ、且つ熱応力が集中することがない熱交換器とすることができる。
【００２６】
また、拡張部２ｃ、２ｄ、及びフランジ部２ｂが設けられず、高温流体Ａの入口２ｅ側にフランジ部２ａのみが設けられ、外筒３の一端が該フランジ部２ａに接合されるものであってもよい。これにより、内筒２と外筒３との接合部に生じる熱応力の集中を防止することができる。そのため、直接金属管を介して高温流体Ａの熱交換を行うことができ、且つ熱応力が集中することがない熱交換器とすることができる。
【００２７】
また、本実施形態においては、外筒３の両端部に、低温流体Ｂを滞留させるヘッダー部が設けられている。これにより、高温流体Ａと低温流体Ｂとの間の熱交換が効率よく行われる。
【００２８】
尚、本実施形態においては、熱交換器１の両端部にヘッダー室４、５が設けられている場合について説明したが、これに限定されるものではない。即ち、ヘッダー室４、５が設けられず、流路部３ｂが内筒２と略同じ長さを有するものであってもよい。その場合、外筒と内筒のフランジ部とを接合するとき、外筒も径を内筒よりも充分大きいものとすれば、接合部における温度差を小さくし、発生する熱応力の集中を防止することができる。
【００２９】
また、本実施形態においては、内筒２が１本である。これにより、熱交換器の両端の強度を、確実に確保することができる。
【００３０】
尚、本実施形態においては、内筒が１本である場合について説明したが、これに限定されるものではない。即ち、高温流体Ａが通過する内筒２の径が小さく、複数本設けられるものであってもよい。また、その際、低温流体Ｂが通過する外筒３内に、バッフルプレートが設けられ、低温流体Ｂの流路が形成されるものであってもよい。
【００３１】
（実施例）
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施形態例において、熱交換器１の内筒２を内径３５０ｍｍのステンレス製とし、外筒３を流路部３ｂの内径が３７５ｍｍ、ヘッダー部３ａ、３ｂの内径が４５０ｍｍのステンレス製とした。また、化粧板３ｄを一般構造用鋼とした。この熱交換器１に、高温流体Ａを流入させ、入口２ｅの温度を１０００℃、出口２ｆの温度を６００℃とし、低温流体Ｂを流入させ、入口４ａの温度を２０℃、出口５ａの温度を５００℃とした。
【００３２】
図２において、内筒２の長手方向中部の任意の地点を位置ａとし、フランジ２ａの外縁部の任意の地点を位置ｂとした。また、外筒３の長手方向中部の任意の地点を位置ｃとし、内筒２と外筒３との接合部の任意の地点を位置ｄとした。そして、高温流体Ａ及び低温流体Ｂを熱交換器１に通過させた時の、位置ａ〜ｄの各位置における温度及び発生する熱応力を測定した。
【００３３】
各位置における温度は、位置ａは６６５〜７００℃、位置ｂは３５０〜３８５℃であった。内筒２の拡張部２ｃからフランジ部２ａに向かって、徐々に温度は低下していた。また、位置ｃは３５０〜３８５℃であった。そして、外筒３はフランジ部２ａの３５０〜３８５℃の部分に接合されており、位置ｄは３５０〜３８５℃であった。
【００３４】
各位置における熱応力は、位置ａは０〜３．０（ｋｇｆ/ｍｍ²）、位置ｂは９．０〜１２．０（ｋｇｆ/ｍｍ²）であった。また、位置ｃは０〜３．０（ｋｇｆ/ｍｍ²）であった。そして、位置ｄは１２．０〜１５．０（ｋｇｆ/ｍｍ²）であった。また、拡張部２ｃでは、熱応力は集中することなく、平均的に分布していた。
【００３５】
（比較例）
比較例として、実施例において、内筒の両端部に拡張部が設けられず、また、外筒の両端部が内筒のフランジ部と接合されないものとした。即ち、図３において、熱交換器１１は、高温流体Ａを内部に通過させる内筒（第１の管）１２と、内筒１２の周囲に、低温流体Ｂが通過する流路を形成するように設けられる外筒（第２の管）１３とを備えてなる。内筒１２は、金属製で筒状のものであり、一端を入口１２ｅ、他端を出口１２ｆとして、内部に流路１７を形成する。また、内筒１２の内部を、耐火物１８で被覆させた。内筒１２の両端部には、テーパー面をなす拡張部１２ｃ、１２ｄが形成され、両端にはフランジ部１２ａ、１２ｂが設けられている。そして、外筒１３の両端は、内筒１２の拡張部１２ｃ、１２ｄで接合されるものとした。
【００３６】
上述した熱交換器１１は、実施例と同じ部分については、同じ材質及び大きさのものとした。この熱交換器１１に、高温流体Ａを流入させ、入口１２ｅの温度を１０００℃、出口１２ｆの温度を６００℃とした。また、低温流体Ｂを流入させ、入口１４ａの温度を２０℃、出口１５ａの温度を５００℃とした。
【００３７】
図４において、内筒１２の略中部の任意の地点を位置ａ´とし、フランジ１２ａの外縁部の任意の地点を位置ｂ´とした。また、外筒１３の中部の任意の地点を位置ｃ´とし、内筒１２と外筒１３との接合部の任意の地点を位置ｄ´とした。そして、高温流体Ａ及び低温流体Ｂを通過させた時の、位置ａ´〜ｄ´の各位置における温度及び発生する熱応力を測定した。
【００３８】
各位置における温度は、位置ａ´は６６５〜７００℃、位置ｂ´は３５０〜３８５℃であった。内筒１２の拡張部１２ｃからフランジ部１２ａに向かって、徐々に温度は低下していた。また、位置ｃ´は３５０〜３８５℃であった。そして、外筒１３は拡張部１２ｃの５２５〜５６０℃の部分に接合されており、位置ｄ´は４２０〜４５５℃であった。
【００３９】
各位置における熱応力は、位置ａ´、位置ｂ´は０〜３．０（ｋｇｆ/ｍｍ²）であった。また、位置ｃ´は０〜３．０（ｋｇｆ/ｍｍ²）であった。そして、位置ｄ´は２７．０〜３０．０（ｋｇｆ/ｍｍ²）であった。また、拡張部１２ｃ、１２ｄでは、内筒１２と外筒１３との接合部、及び内筒１２とフランジ部１２ａとの接合部において、２７〜３０（ｋｇｆ/ｍｍ²）の応力が集中して発生していた。
【００４０】
実施例と比較例とを比べると、実施例においては、位置ｄでフランジ部２ａと外筒３との温度差がないため、発生する熱応力を低く抑えることができた。それと共に、拡張部２ｃの温度分布が平均的であるので、発生する熱応力を低く抑えることができた。しかし、比較例においては、拡張部１２ｃ、１２ｄの位置ｄ´で内筒１２と外筒１３との温度差があるため、熱応力が高くなり易かった。同様に、拡張部１２ｃとフランジ部１２ａとの温度差があるため、熱応力が高くなり易かった。
【００４１】
また、実施例においては、高温流体Ａの流路７の内面が金属製の内筒２であるため、焼却・溶融飛灰が付着することはなかったが、比較例においては、流路１７の内面が耐火物１８であるため、焼却・溶融灰が付着し易かった。
【００４２】
以上のことから、本実地例によると、内筒２の高温部に発生する熱応力を平均化することができるため、直接金属管を介して流体間の熱交換を行うことができる。また、内筒２と外筒３とを温度差の小さい箇所で接合するため、接合部に発生する熱応力を低減させることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によると、第１の管の高温流体の入口側および出口側の端部が、曲率を有して拡張されているため、管の高温部に発生する熱応力を平均化することができる。それと共に、第１の管の高温流体の入口側および出口側に、曲率を有して拡張されたあとに延在させてフランジ部が設けられ、第２の管の端部が該フランジ部と接合されているため、接合部の第１の管と第２の管との温度差による応力集中を防止することができる。そのため、直接金属管を介して高温流体の熱交換を行うことができ、且つ熱応力が集中することがないものとすることができる。
【００４５】
請求項２の発明によると、低温流体を滞留させるヘッダー部が設けられているため、高温流体と低温流体との間の熱交換が効率よく行われる。
【００４６】
請求項３の発明によると、熱交換器の両端の強度を、確実に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る熱交換器の断面図である。
【図２】熱交換器の入口付近の拡大図である。
【図３】熱交換器の断面図である。
【図４】熱交換器の入口付近の拡大図である。
【符号の説明】
１熱交換器
２内筒（第１の管）
２ａフランジ
２ｂフランジ
２ｃ拡張部
２ｄ拡張部
２ｅ入口
２ｆ出口
３外筒（第２の管）
３ａヘッダー部
３ｂ流路部
３ｃヘッダー部
４ヘッダー室
４ａ出口
５ヘッダー室
５ａ入口
６耐火物
７流路
Ａ高温流体
Ｂ低温流体

Claims

内側に高温流体の流路を有する第１の管と、前記第１の管の外周に耐火物を介すことなく低温流体の流路を形成する第２の管とが接合されて構成される熱交換器において、
前記第１の管の高温流体の入口側および出口側の端部が、曲率を有して拡張され、且つ拡張されたあとに直接フランジ部が設けられており、
前記第２の管の両端部がいずれも、前記第１の管の径方向外側に向かって延在する前記フランジ部と接合されていることを特徴とする熱交換器。
前記第２の管の両端に、低温流体を滞留させるヘッダー部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記第１の管が１本であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。