JP4194595B2

JP4194595B2 - 多管式熱交換器

Info

Publication number: JP4194595B2
Application number: JP2005331561A
Authority: JP
Inventors: 勝川島
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2025-11-16
Also published as: JP2007139268A

Description

本発明は、被加熱流体の流入口と流出口とを設けてある外筒部と、熱源流体が流入する流入ヘッダと、熱源流体が流出する流出ヘッダと、前記流入ヘッダと前記流出ヘッダとを連通接続する複数の伝熱管とを備え、前記外筒部の一端側に、高温側管板部を介して、前記流入ヘッダを接続するとともに、前記外筒部の他端側に、低温側管板部を介して、前記流出ヘッダを接続して、前記伝熱管を前記外筒部の内側に挿通し、前記高温側管板部に、前記外筒部側の第１管板と前記流入ヘッダ側の第２管板とを設けて、前記第１管板と前記第２管板との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間を形成してある多管式熱交換器に関する。

上記多管式熱交換器は、外筒部の内側に挿通してある複数の伝熱管に、流入ヘッダから流出ヘッダに向けて、熱源流体を通流させて、流入口から外筒部の内側に流入した被加熱流体をそれらの伝熱管から放熱される熱源流体の熱で加熱し、加熱後の被加熱流体を流出口から所望の被加熱流体利用機器などに供給できるように構成してある。
そして、流入ヘッダには被加熱流体と熱交換する前の熱源流体が流入するので、流入ヘッダを接続してある高温側管板部が高温に加熱され、管板部の材料強度が劣化し易いとともに、高温側管板部と伝熱管との接続部や高温側管板部と流入ヘッダとの接続部などに熱応力による変形やクラックなどが発生し易く、高温側管板部の温度を低下させて耐久性を高めるために、高温側管板部に外筒部側の第１管板と流入ヘッダ側の第２管板とを設けて、第１管板と第２管板との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間を形成してある。
従来の多管式熱交換器では、冷却用空間に管板冷却用流体を通流させるために、被加熱流体の流入口を流出口よりも流出ヘッダ側に設けるとともに、その流入口から流入した被加熱流体を管板冷却用流体として冷却用空間に供給できるように、一端側が流入口近くに開口する供給管を外筒部の内側に挿通して冷却用空間に連通接続し、この供給管を通して冷却用空間に供給した被加熱流体で高温側管板部を冷却できるようにしたり（以下、第１従来技術という）、管板冷却用流体を冷却用空間に供給するための供給管を高温側管板部の外周側から冷却用空間に連通接続して、この供給管を通してブロワなどの供給装置で冷却用空間に供給した管板冷却用流体で高温側管板部を冷却できるようにしている（以下、第２従来技術という）（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平１０−３２５６８８号公報（図１，図５）特開２００３−１３０５７９号公報

上記第１従来技術では、流出口よりも流出ヘッダ側に設けてある流入口から流入した被加熱流体を管板冷却用流体として冷却用空間に供給するために、一端側が流入口近くに開口する供給管を外筒部の内側に挿通して冷却用空間に連通接続してあり、冷却用空間に供給された管板冷却用流体は再度外筒部内に戻されるので、被加熱流体が供給管を通過する際に生じる圧力損失と、管板冷却用流体の供給管への入り口と冷却用空間からの出口とが共に外筒部内に連通していることによる被加熱流体の搬送駆動力としての圧力差不足とにより、高温側管板部を冷却するに十分な流量の管板冷却用流体を冷却用空間に流入させ難いとともに、供給管内の被加熱流体が冷却用空間に流入する前に高温に加熱されてしまうおそれもある。
また、上記第２従来技術では、第１従来技術に比べて外筒部の内部構造の簡略化を図り易いとともに、高温側管板部を冷却し易いが、管板冷却用流体の供給管を高温側管板部の外周側から冷却用空間に連通接続し、その供給管を通して管板冷却用流体を供給するために、高温側管板部が最も高温となる中央部を十分に冷却できないとともに、供給管や供給装置の接続構造が煩雑化する欠点がある。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、高温側管板部に対してその外周側に管板冷却用流体の供給管や供給装置を特に接続することなく、外筒部の内部構造の簡略化も図れるようにしながら、高温側管板部を効率良く冷却できるようにすることを目的とする。

本発明の第１特徴構成は、被加熱流体の流入口と流出口とを設けてある外筒部と、熱源流体が流入する流入ヘッダと、熱源流体が流出する流出ヘッダと、前記流入ヘッダと前記流出ヘッダとを連通接続する複数の伝熱管とを備え、前記外筒部の一端側に、高温側管板部を介して、前記流入ヘッダを接続するとともに、前記外筒部の他端側に、低温側管板部を介して、前記流出ヘッダを接続して、前記伝熱管を前記外筒部の内側に挿通し、前記高温側管板部に、前記外筒部側の第１管板と前記流入ヘッダ側の第２管板とを設けて、前記第１管板と前記第２管板との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間を形成してある多管式熱交換器であって、前記流入口を前記流出口よりも前記第１管板側に設け、前記冷却用空間と前記外筒部の内部とを連通する貫通孔を前記第１管板の略中央に設けて、圧力差を利用して、前記流入口より流入した前記被加熱流体を前記管板冷却用流体として前記貫通孔から前記冷却用空間に取り入れるとともに、前記冷却用空間を通流させることで、前記高温側管板部を冷却可能に構成してある点にある。

〔作用及び効果〕
被加熱流体の流入口を流出口よりも第１管板側に設けてあるので、被加熱流体の流入口への流入圧で、熱源流体と熱交換する前の低温の被加熱流体を第１管板に沿って移動させ易く、その低温の被加熱流体で高温側管板部を外筒部の内側から冷却し易い。
また、冷却用空間と外筒部の内部とを連通する管板冷却用流体の取り入れ用貫通孔を第１管板の略中央に設けて、圧力差を利用して、流入口より流入した被加熱流体を管板冷却用流体として貫通孔から冷却用空間に取り入れるとともに、冷却用空間を通流させることで、高温側管板部を冷却可能に構成してあるので、第１管板に沿って移動している低温の被加熱流体を、その取り入れ用貫通孔を通して、圧力損失が少ない状態で、管板冷却用流体として冷却用空間に供給できる。
従って、高温側管板部に対してその外周側に管板冷却用流体の供給管や供給装置を特に接続することなく、外筒部の内部構造の簡略化も図れるようにしながら、低温の被加熱流体で高温側管板部を効率良く冷却できる。

本発明の第２特徴構成は、前記冷却用空間を通過する管板冷却用流体の流量を調節可能な流量調節手段を設けてある点にある。

〔作用及び効果〕
冷却用空間を通過する管板冷却用流体の流量を調節可能な流量調節手段を設けてあるので、流出口から流出させる加熱済みの被加熱流体の量を確保できるように、流入口に流入した被加熱流体のうちの、管板冷却用流体として使用する被加熱流体の流量を調節できる。

本発明の第３特徴構成は、前記高温側管板部の温度を測定可能な温度センサと、前記温度センサによる測定温度に基づいて、その測定温度が設定温度範囲になるように、前記流量調節手段の流量調節動作を制御可能な制御装置とを設けてある点にある。

〔作用及び効果〕
温度センサによる測定温度に基づいて、その測定温度が設定温度範囲になるように、流量調節手段の流量調節動作を制御して、高温側管板部の温度が高温になり過ぎることを防止し、かつ、その温度が必要以上に低下しないように、冷却用空間を通過する管板冷却用流体の流量を調節できるので、流入口に流入した被加熱流体のうちの、管板冷却用流体として使用する被加熱流体の量が必要以上に増大することを防止でき、流出口から流出させる加熱済みの被加熱流体の量を確保し易い。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、例えば下水汚泥などの被焼却物を焼却して処理する循環流動層炉から排出される８００〜８５０℃程度の燃焼排ガスＡを熱源流体とし、予熱用空気Ｂを非加熱流体として、その空気Ｂを燃焼排ガスＡで６５０〜７００℃程度に加熱した予熱空気Ｃを燃焼用空気として、循環流動層炉に供給できるように構成してある本発明による多管式熱交換器を示している。

前記多管式熱交換器は、予熱用空気Ｂの流入口１ａ，１ｂと予熱空気Ｃの流出口２とを設けてある上下方向に長い略円筒形の外筒部３と、燃焼排ガスＡが流入する流入ヘッダ４と、燃焼排ガスＡが流出する流出ヘッダ５と、流入ヘッダ４と流出ヘッダ５とを連通接続する複数の伝熱管（図１では二本のみを示して、残りの伝熱管は省略してある）６とを備えている。

前記外筒部３の内側は、複数枚のバッフルプレート７を備えた空気流路８に形成してあり、外筒部３の上端側に、その上端側を塞ぐ平面視で略円形の高温側管板部９を介して、流入ヘッダ４を固定するとともに、外筒部３の下端側に、その下端側を塞ぐ平面視で略円形の低温側管板部１０を介して、流出ヘッダ５を固定して、各伝熱管６を外筒部３の空気流路８に挿通し、各伝熱管６とバッフルプレート７とを互いに固定してある。

前記高温側管板部９は、図２に示すように、外筒部３側の第１管板１１と流入ヘッダ４側の第２管板１２とを設けてある二重管板方式で構成して、第１管板１１と第２管板１２との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間１３を形成し、第２管板１２の流入ヘッダ４側を断熱材層１４で覆い、断熱材層１４を貫通させて伝熱管６を接続してある。

前記予熱用空気Ｂの流入口１ａ，１ｂは、外筒部３の上下両端部の夫々に設けてあり、上部流入口１ａを囲む環状の上部予熱用空気入り口ヘッダ１５と、下部流入口１ｂを囲む環状の下部予熱用空気入り口ヘッダ１６とを外筒部３の外周に設けて、ブロワ（図示せず）から送り出された予熱用空気Ｂが各予熱用空気入り口ヘッダ１５，１６を介して各流入口１ａ，１ｂから外筒部３の空気流路８に流入するように構成してあり、下部予熱用空気入り口ヘッダ１６には伸縮部１７を設けてある。

前記予熱空気Ｃの流出口２は、外筒部３の上下方向中間部に設けてあり、流出口２を囲む環状の予熱空気出口ヘッダ１９を外筒部３の外周に設けて、外筒部２内で加熱した後の予熱空気Ｃが流出口２から予熱空気出口ヘッダ１９に流入するように構成して、上部流入口１ａを流出口２よりも第１管板１１側に設けてある。

前記流出口２は、上部流入口１ａから流入した予熱用空気Ｂも、下部流入口１ｂから流入した予熱用空気Ｂも、略同じ温度に加熱された状態で予熱空気出口ヘッダ１９に流入するように、上部流入口１ａと下部流入口１ｂとの間の高さ位置に設けてある。

そして、図２に示すように、冷却用空間１３と外筒部３の内部とを連通する管板冷却用流体Ｄの取り入れ用貫通孔２０を第１管板１１の略中央に設けるとともに、管板冷却用流体Ｄを高温側管板部９の外周側から外部に排出するために、放射状に配置してある複数の排出管２１を冷却用空間１３に連通接続して、上部流入口１ａから流入した予熱用空気Ｂが管板冷却用流体Ｄとして取り入れ用貫通孔２０を通して冷却用空間１３に流入し、冷却用空間１３を通過した管板冷却用流体Ｄが、予熱用空気Ｂの押し込みによる加圧状態の外筒部３の内部と、大気圧である多管式熱交換器の外部との圧力差により、排出管２１を通して外部に排出されるように構成し、予熱用空気Ｂが管板冷却用流体Ｄとして取り入れ用貫通孔２０から冷却用空間１３に効率良く流入するように案内可能な案内部材２２を、取り入れ用貫通孔２０周りの外筒部３側に設けてある。

前記案内部材２２は、円筒部材の長手方向一端側を切欠いて、上部流入口１ａから流入した予熱用空気Ｂを横方向から受け止め可能な半割円筒状の受け面２３を備えた受け部２４と、その受け面２３に受け止めた予熱用空気Ｂを取り入れ用貫通孔２０に向けて案内可能な円筒状の案内部２５とを形成し、受け面２３を上部流入口１ａ側に向けた姿勢で、案内部２５を取り入れ用貫通孔２０に嵌入して、第１管板１１に溶接固定してある。

従って、第１管板１１に沿って移動している予熱用空気Ｂを受け面２３で受け止め、その受け止めた予熱用空気Ｂを案内部２５で取り入れ用貫通孔２０に向けて案内して、取り入れ用貫通孔２０を通して、冷却用空間１３に流入させ易い。

また、各排出管２１から排出される管板冷却用流体Ｄの流量を均等化して集める環状ヘッダ１８と、その環状ヘッダ１８に集めた管板冷却用流体Ｄを外部に排出するための外部排出管３２とを設けて、冷却用空間１３を通過する管板冷却用流体Ｄの流量を調節可能なバルブ（流量調節手段の一例）Ｖを外部排出管３２の途中に接続するとともに、第２管板１２の径方向略中央部の温度を測定可能な温度センサＳを設け、温度センサＳによる測定温度に基づいて、その測定温度が６００℃以下の設定温度になるように、バルブＶの流量調節動作を制御可能な制御装置２６を設けてある。

つまり、制御装置２６は、測定温度が設定温度範囲を下回ると、バルブＶの開度を小さくして、外部排出管３２を通過する管板冷却用流体Ｄを少なくすることにより、取り入れ用貫通孔２０から管板冷却用流体Ｄとして流入する予熱用空気Ｂの量が減少し、測定温度が設定温度範囲を上回ると、バルブＶの開度を大きくして、外部排出管３２通過する管板冷却用流体Ｄを多くすることにより、取り入れ用貫通孔２０から管板冷却用流体Ｄとして流入する予熱用空気Ｂの量が増大するように、バルブＶの流量調節動作を制御する。

〔第２実施形態〕
図３は、本発明による多管式熱交換器の別実施形態を示し、第１実施形態で示した排出管２１に代えて、冷却用空間１３を通過した管板冷却用流体Ｄを上部流入口１ａよりも上流位置、つまり、上部予熱用空気入り口ヘッダ１５に還流させる還流路２７を設けてある。

前記還流路２７は、冷却用空間１３と上部予熱用空気入り口ヘッダ１５とを連通する戻り管２８を、高温側管板部９の外周部と予熱用空気供給ダクト（図示せず）の接続用短管部２９の管壁とに亘って連通接続して設けてあり、戻り管２８の先端側を短管部２９の内側に入り込ませるとともに、その排出３０を予熱用空気流入方向下流側に向けて短管部２９の管軸心と略同芯状に固定して、短管部２９内を通過する予熱用空気Ｂによるエントレイメント効果で、戻り管２８内の管板冷却用流体Ｄを予熱用空気Ｂよりも負圧状態にすることで短管部２９内に引き込んで、上部予熱用空気入り口ヘッダ１５を介して、上部流入口１ａより上流位置に還流させるように構成してある。

従って、冷却用空間１３を通過した管板冷却用流体Ｄを外部に排出するような場合に比べて、上部流入口１ａから流入した予熱用空気Ｂの略全量を活用できるとともに、高温側管板部９の冷却時において熱交換された熱を有効に活用できる。
その他の構成は第１実施形態と同様である。

〔第３実施形態〕
図４は、本発明による多管式熱交換器の別実施形態を示し、第１実施形態で示した排出管２１に代えて、伝熱管６の流入ヘッダ４側の端部を冷却用空間１３内で上向きに開口させて、伝熱管６の内側を冷却用空間１３に連通接続するとともに、外径が伝熱管６の内径よりも小径の排ガス流出管６ａを流入ヘッダ４に連通接続して、その排ガス流出管６ａの下流側端部を伝熱管６の内側に同芯状に入り込ませ、伝熱管６の内周面と排ガス流出管６ａの外周面との間に環状の管板冷却用流体流路３１を形成してある。

そして、予熱用空気Ｂの押し込み圧力と燃焼排ガスＡの誘引圧力による圧力差との作用によって、冷却用空間１３内の管板冷却用流体Ｄを、管板冷却用流体流路３１を通して、伝熱管６内に吸引して、燃焼排ガスＡと共に、流出ヘッダ５から排出できるように構成してある。

本実施形態によれば、冷却用空間１３から管板冷却用流体Ｄを排出するための外部配管を特に設けることなく、管板冷却用流体Ｄを排出することができる。
尚、管板冷却用流体流路３１は、各伝熱管６毎に設けても、一部の伝熱管６にのみ設けても良い。
その他の構成は第１実施形態と同様である。

〔その他の実施形態〕
１．本発明による多管式熱交換器は、流入口を流出口よりも第１管板側に設けてあれば、外筒部に設ける流入口は単一であっても良い。
２．本発明による多管式熱交換器は、その管板部の温度分布特性に合わせて効率良く管板部を冷却できるように、冷却用空間と外筒部の内部とを連通する複数の管板冷却用流体の取り入れ用貫通孔を第１管板に設けてあっても良い。
３．本発明による多管式熱交換器は、管板冷却用流体の取り入れ用貫通孔周りに、第１実施形態や第２実施形態で示した案内部材を設けていないものであっても良い。
４．本発明による多管式熱交換器は、冷却用空間を通過する被加熱流体の流量を調節可能な流量調節手段としてのダンパを設けてあっても良い。
５．本発明による多管式熱交換器は、排出管２１から排出された管板冷却用流体Ｄを、より圧力の低い予熱空気Ｃに合流させても良い。
６．本発明による多管式熱交換器は、第２実施形態で示した戻り管に、冷却用空間を通過する被加熱流体の流量を調節可能なバルブ（流量調節手段の一例）を接続し、高温側管板部の温度を測定可能な温度センサと、温度センサによる測定温度に基づいて、その測定温度が設定温度範囲になるように、バルブの流量調節動作を制御可能な制御装置とを設けてあっても良い。
７．本発明による多管式熱交換器は、外筒部を筒軸芯が横向き或いは斜めになるように設置するものであっても良い。
８．本発明による多管式熱交換器は、流出口から流出する加熱済みの被加熱流体を暖房用熱媒などに使用するために設置するものであっても良い。

多管式熱交換器の縦断面図要部の縦断面図第２実施形態を示す要部の縦断面図第３実施形態を示す要部の縦断面図

符号の説明

１ａ流入口
２流出口
３外筒部
４流入ヘッダ
５流出ヘッダ
６伝熱管
９高温側管板部
１０低温側管板部
１１第１管板
１２第２管板
１３冷却用空間
２０貫通孔
２２案内部材
２３受け面
２４案内部
２６制御装置
２７還流路
Ａ熱源流体
Ｂ被加熱流体
Ｄ管板冷却用流体
Ｓ温度センサ
Ｖ流量調節手段

Claims

被加熱流体の流入口と流出口とを設けてある外筒部と、熱源流体が流入する流入ヘッダと、熱源流体が流出する流出ヘッダと、前記流入ヘッダと前記流出ヘッダとを連通接続する複数の伝熱管とを備え、
前記外筒部の一端側に、高温側管板部を介して、前記流入ヘッダを接続するとともに、前記外筒部の他端側に、低温側管板部を介して、前記流出ヘッダを接続して、前記伝熱管を前記外筒部の内側に挿通し、
前記高温側管板部に、前記外筒部側の第１管板と前記流入ヘッダ側の第２管板とを設けて、前記第１管板と前記第２管板との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間を形成してある多管式熱交換器であって、
前記流入口を前記流出口よりも前記第１管板側に設け、
前記冷却用空間と前記外筒部の内部とを連通する貫通孔を前記第１管板の略中央に設けて、圧力差を利用して、前記流入口より流入した前記被加熱流体を前記管板冷却用流体として前記貫通孔から前記冷却用空間に取り入れるとともに、前記冷却用空間を通流させることで、前記高温側管板部を冷却可能に構成してある多管式熱交換器。
前記冷却用空間を通過する管板冷却用流体の流量を調節可能な流量調節手段を設けてある請求項１記載の多管式熱交換器。
前記高温側管板部の温度を測定可能な温度センサと、前記温度センサによる測定温度に基づいて、その測定温度が設定温度範囲になるように、前記流量調節手段の流量調節動作を制御可能な制御装置とを設けてある請求項２記載の多管式熱交換器。