JP4401388B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は熱交換器に関し、そして特に、らせん状の進路に沿う流体流の均一な速度および最大の熱伝達をもたらすように構成された外板および管の熱交換器に関するが、ただしこれに限定されない。

熱交換アセンブリおよび／または熱発生アセンブリの効率を最大にするために常に行われている戦いは、以下のことを達成することを主として目標としている。より高い熱伝達効率、より低い圧力低下、拡大する性能、振動に対する有効な保護そして低い設置および維持のコスト。

海底石油精製、電力、石油化学または製紙および食品の産業であっても、熱交換器は、しばしば、上記の産業の中核をなす。熱交換器の多数の構成は周知のものであり、そして種々の用途に使用されている。熱交換器の広く使用されている構成の１つすなわち図１の外板および管の熱交換器は、第一の流体１６がパイプ１２を通過できるように２つの末端のプレート１４の間を延在している平行なパイプ１２の束を収容している円筒状の外板１０からなる。一方、第二の流体１８は、パイプと接触するように２つの末端のプレート間の空間に入りそして通過する。２つの流体間の改善された熱交換をもたらすために、第二の流体１８の流れは、それぞれの通路を形成する中間のバッフル２０により画成され、バッフルは、第二の流体の流れが１つの通路から次の通路に通るときにその方向を変えるように配置される。環状のリングおよび円板として構成されるバッフル２０は、第二の流体１８のＺ字形の流れをもたらすために、外板１０の縦軸２２に対して垂直に配置される。

不利なことには、第二の流れは、外板の長さ方向に沿って数回その流れの方向を急に変えねばならない。これは、第二の流体の動圧およびその不均一な流速の低下を生じさせ、それらは組み合わさって熱交換器の性能に悪影響をあたえる。

技術者の間では、外板の縦軸に関するバッフルの垂直な配置は、比較的非効率な熱伝達速度／圧力低下率にかなり関係があると長い間知られてきた。互いに平行に延在しそして外板の縦軸に対して直角に延在している隣接するバッフルは、隣接するチャンネル間の多数の鋭い回転を特徴とする直交流の進路を画成する。熱伝達の効率は、バッフル間の空間または領域を縮小することにより改善できる。しかし、領域の縮小は、外板と並置されたバッフルの外側の縁に沿って早い流速そして外板の中央に近く遅い流速を生ずる。隣接するバッフル間に画成されるそれぞれのセグメント内の流れの分布の不均一性は、多数の渦、よどみ域およびパイプの引張りの膨張／収縮を生じ、それらは、対流熱伝達率を低下させる。低下する熱伝達率に寄与するさらなるファクターは、第一の流体により横切られるパイプが外板から或る半径方向の距離で配置されなければならないという事実に起因する。従って、周縁に配置されたパイプの周りの直交流は、中央に設けられたパイプの周りのものより早い。

そのため、上述の対流バッフルの配置は、バッフルと外板との間およびパイプとバッフルとの間の隙間を通る流れのバイパスを生ずる。バイパスの流れは、直交流の熱伝達を低下させ、一方かなりな速度の変動により生ずる流れの不均衡分布は、デッドゾーンにおける逆流および渦を増大させ、その結果外板の面上の付着（ｆｏｕｌｉｎｇ）の高い率を生じさせる。このような流れの不均衡分布は、パイプの急速な劣化を生ずる高温度および周縁パイプの腐食を招き、その結果、熱交換工程の役割を低下させる。熱交換器のデザインは、熱交換工程に対してすべての束のそれぞれのパイプが均一に寄与することに基づくため、損傷を受けたこれらのパイプは、この要求を満足できず、そして置換されねばならない。この置換に伴うコストは高くなり、熱交換器の維持のコストをかなり高価なものにする。

その上、対流による配置は、しばしば長さ２４フィートに達する長いパイプが、不均一な速度に伴う問題を解決するためにかなりな距離で離されている連続したバッフルにより支持されていることから、流れにより生ずる振動の損失を大きいものにすることがある。大きな熱勾配および不均一な直交流の振動の障害は、顕著である。

従って、以下の目的、すなわち改善された対流熱交換率を導く外板内の直交流の均一性、バッフルアセンブリまたはケージにより支持される複数のパイプに関する複数のバッフルの実際の配置の安定性および正確さそしてバッフルアセンブリの設置の簡便化などを達成できるバッフルアセンブリを構成することが望ましい。

これらの目的は、従来のセグメントにされたプレートのバッフルを、外板の縦軸に角度をつけてそれぞれ配置された間隔のあいた四分円形のバッフルの連続したもの（外板の面上に見かけのらせん状流の進路を生ずる）により置換することにより達成された。本発明の構造の利点の１つは、角度をつけて配置されたバッフルが、それぞれのバッフルの相対する面に沿って実質的に均一な速度を有して逆流および渦を避ける直交流に関するガイド羽根として働くことである。

それゆえ、上記の従来のデザインにおいてなされたように直交流を圧縮する代わりに、傾いたバッフルが連続したものは、らせん状のより自然な流れの進路に沿って第二の流体を導き、実質的に均一な流速および漏れの最小をもたらす。流速が、それぞれのバッフルの両面で実質的に均一であることから、バッフル間の圧力の勾配はわずかである。従って、バッフル間またはそれらを通る望ましくない漏れはなく、流れは、理論的にデザインされたように、バッフルの表面に沿って主に生じ、バッフルは、外板の内壁に面しそしてらせん状の進路の頂点を形成する。従って、第二の流体が、外板の縦軸に直交する軸に対するバッフルの角度に応じて、早くまたは遅く外板の全長を通過する間、速度は一定に維持される。

さらに、流れを運搬する部材の膨張および収縮で消費される流れのエネルギーが最低であるため、圧力の損失は、従来のバッフルを備えた熱交換器で観察される損失のほんの少しに過ぎない。従って、らせん状のバッフルの構造は、利用可能な圧力低下の熱伝達への遙かに高い転換をもたらす。

本発明の１つの構成によれば、らせん状のバッフルの四分円形は、楕円状のプレートのセグメントとして表されている。外板の内壁に並置している楕円状の外側の表面の構成は、それらの間に緊密な隙間をもたらし、その結果、らせん状のバッフルを備えた管の束が外板中に挿入されるとき、漏れを最小にする。

相互に関してそしてこれらのバッフルを通して後で設けられたパイプの束に関して、複数のバッフルの所望の配置を確実にするために、本発明は、バッフルの連続したものを相互に接続する種々の形状の補強部材を提供する。１つの態様によれば、別々の縦のシール片が、隣接するバッフルのバッフル縁に仮付け溶接される。別の方法として、スペーサー片は、間隔のあいたバッフルを確保するように構成されたタイロッドを架橋する。最後に、それぞれのバッフルの相対する半径方向の側面は、これらのパイプにより横切られる完全に形成された穴を設けられた傾斜して延在しているフランジを有することができ、さもなければ、これらのパイプは、隣接するバッフルの相対する縁に沿って形成される開いた半穴（ｓｅｍｉｈｏｌｅ）に確保されるかもしれない。

本発明の他の構成は、二重らせんパターンを形成する２つの連続するバッフルを含むらせん状バッフル装置を提供する。この構造は、流れの均一な速度に影響することなく、長いスパンのパイプを補強するのに特に有利である。

本発明の構造は、現存のプラント並びに農業用（ｇｒａｓｓｒｏｏｔｓ）の用途に等しく有利である。前者では、本発明の構造の利点は、維持コストを低下させつつ、それが能力を拡大するのを助けることである。事実、腐食および機械的な破壊により置換することが必要なパイプの％は、渦または逆混合の排除の結果、実質的に減少する。農業用の用途では、本発明の構造は、敷地、エネルギーコストおよび投資を減少させるのを助ける。

そのため、直交流の速度の不均一性を最低にしさらに熱交換率を最大にするように構成された外板およびパイプの熱交換器において改善されたバッフル配置を提供するのが本発明の目的である。

本発明の他の目的は、バッフル配置と外板の内面との間の隙間を最小にするように形成された四分円形のバッフルプレートを提供することである。
本発明のさらなる目的は、四分円形のバッフルにおけるパイプの挿入を助けしかもそれらの所望の配置を確実にするように構成された補強装置を有する四分円形のバッフルの連続したものを提供することである。

本発明の他の目的は、流れにより誘導される振動に対する束の一体性を高めるように構成された四分円形のバッフルの二重らせん配置を提供することである。
本発明の他の目的は、二重らせん配置の設置に労力を要しないような四分円形のバッフルを形成することである。

図２に関して、本発明のらせん状のバッフルを備えた熱交換器３０は、外板３４の縦軸Ａ−Ａに対する直角Ｎ−Ｎに関し角度λでそれぞれ配置された複数の四分円形のセグメントのバッフルプレート３２により構成される。バッフルの四分円形プレート３２（以後、バッフルとよぶ）は、従って、外板側の直角流３６をらせん状のパターン、そしてバッフル間の減少した未支持のパイプスパンに導く。その結果、利用可能な圧力低下の熱伝達への有効な転換と他の流体により横切られるパイプ４０の最小の振動とにより低下したリスクを有する外板側の一定した直交流が得られる。付着に関係する直交流３６に沿うデッドスポットは全くなく、そして渦または逆混合のむだなエネルギーは、実質的に排除される。図面に示されるように、バッフル３２は平らであるが、それぞれのバッフルの相対する面は、湾曲して、らせん状のパターンに沿って直交流３６を導くこともできる。

図３および４に示されるように、角度λで配置されしかも複数のタイロッド２８により互いに接続している連続するバッフルすなわち四分円形のプレート３２の組み合わせであるバッフルケージ２６は、複数のパイプ４０の支持体としてそして直交流３６のためのらせんへのガイドとして働く。好ましくは、ケージは、外板内で複数のパイプ４０の有効な設置に必要な連続するバッフル３２の穴５０間の整列を特徴とするそれぞれの所望の傾斜した位置でバッフルのそれぞれを支持する中央パイプ３８を有する（図４）。バッフル３２の適切な傾斜した位置従ってケージ２６の構造上の正確さを確保するために、各バッフルの頂点は、バッフル３２が中央パイプ３８に沿って移動しつつ角度λを維持できるように形成された唯一の角度を有するノッチ４２で穴明けされてもよい。

本発明のさらなる態様によれば、バッフル３２間に縦のシール片４４を設置することは、図３および６に画かれているように、ケージ２６の正確さを増大する。バッフル３２の形状は、相互に相対するバッフル３２の周縁４６の隅の先端４８を有するように構成される。もしバッフルが未支持のままならば、最低の構造上の不規則性および流れの負荷は、連続するバッフルのパイプの穴５０の不揃いをも生じさせる。これらの未支持の末端域４８をシール片４４（それぞれ平行なバッフルのそれぞれの列と結合している）に架橋することは、パイプの穴５０間の整列を改善し、そしてバッフルが所望の位置を確保するとき、パイプ４０の能率的な設置を可能にする。

シール片４４は、簡単な能率的なそしてコストのかからない構造を提供し、隣接するバッフルの適切な位置およびこれらのバッフルに共通なパイプの信頼できる確保を確実にする。有利には、シール片４４は、バッフルの外側の縁４６（図４、５）と外板の内側との間の隙間内に配置されて、直交流による干渉を避け、そして多角形または環状の形状を含む種々の形状をとることができる。シール片４４のそれぞれは、ケージ２６の全長に沿って連続的に延在し、そして隅の先端４８にスポット溶接または仮付け溶接される。

図７に示される態様によれば、隣接するバッフル間の所望の隙間は、タイロッド２８間にスペーサー片または補強片５６を設けることにより達成でき、それらのそれぞれは、図３により良くわかるように、隣接するバッフル３２のそれぞれに結合する。この補強の配置は、一部、直前に示された態様と同じ目的を有し、そしてバッフル３２のパイプの穴５０間の所望の整列を可能にする。補強プレート５６の設置から生ずるさらなる利点は、隣接するバッフル３２に共通なパイプ８０の信頼できる係合を可能にする（図３および９）。隣接するバッフルの側面５４に沿って形成される半円形のノッチ５２（図４、５）は、相対する面からの共通のパイプ８０と係合する。プレート５６により補強されることにより、バッフル３２は、互いに傾斜して補強されて、隣接するバッフル上に形成されるノッチ５２がそれらの間にパイプ８０を確実に係合する。

本発明の補強部材のさらなる別の態様に従って、隣接するバッフル３２の末端領域４９は、図８に示されるように共通のパイプの１つ以上の列により補強される。特に、バッフル３２の末端領域４９は、少なくとも１つの開口を有する張り出しまたは延在区分５８として形成される。隣接するバッフルの重なる区分５８は、開口６０が互いに一直線上にありそして１つ以上のパイプ８０により横切られるように配置される。この態様は、もし図６および８に示されたように使用されるならば、製造、設置および維持のコストを増大させる隣接するバッフルに対する追加の補強部材を必要としないことから、特に有利である。

外板および管の構成の熱交換器の構造上の詳細に応じるために、各バッフル３２は、外板３４の内壁６２から半径方向の距離で終わる（図２）。従来では、バッフルプレートは、外板の円形のアーチに合う周縁を有する。円形のバッフルを角度λで配置することは、もしバッフルの外側の周縁が内壁６２に適合するように形成されたならば、外板の円形の内壁６２とバッフルの外側の周縁との間に不均一な隙間を必ず生ずるだろう。従って、不均一な隙間を通る直交流の速度は、同様に不均一だろう。それを直すために、本発明のバッフルは、図４および５に示されるように、それぞれ楕円状の表面のセグメントとして形成された外側の周縁４６を有し、それらは、バッフル３２が角度λで配置されるとき、外板の内壁６２から均一に間隔をおいて配置される。

図９は、本発明に従って構成された二重らせんバッフル配置９０を画いている。バッフル３２の数を増やすと、パイプ４０（図３）の未支持スパンは、実質的に均一に維持される直交流の速度に影響することなく、半分に減少する。

バッフル３２の数を増やすことは、間隔が不足するために、ケージ２６における隣接するバッフルの配置の問題を生ずる。図４および９に示されているように、それぞれ第一のらせん９６および第二のらせん９８のバッフル９４および９４′は、それぞれ所望の角度λで穴明けされそして中央パイプ３８（図４）を囲みそしてそれに沿って滑るような寸法を有する穴を有する。従って、中央パイプ３８の周りにこれらのバッフルを回転することは、それらの所望の傾斜した位置を可能にし、そして位置が決められたとき、ノッチ付き頂点４２（図４）によりそれぞれ形成された直径方向に相対するバッフル９２′および９２は、中央パイプ３８に沿って容易に変わり、バッフル９４および９４′の頂点との干渉を避けることができる。

種々の改変が、本明細書で開示された態様に行いうることを理解するだろう。それゆえ、上述は、限定するものとして考えてはならず、好ましい態様の単なる例示に過ぎないと考えるべきである。当業者は、特許請求の範囲の範囲および趣旨内で他の改変を考え出すだろう。

従来の外板および管の熱交換器における流れの分布の線図である。 本発明の熱交換器の概略透視図である。 バッフルケージの透視図である。 四分円形のバッフルアセンブリの立面等角図である。 本発明に従って構成された単一のバッフルの図である。 縦のシール片を説明する図２の本発明の熱交換器の側面図である。 補強片を説明する本発明の熱交換器の立面図である。 本発明の他の態様に従って構成された本発明の四分円形のバッフルの立面図である。 本発明のらせん四分円形バッフルの配置の二重らせん構成の概略図である。

符号の説明

１０ 円筒状の外板
１２ パイプ
１４ 末端プレート
１６ 第一の流体
１８ 第二の流体
２０ 中間のバッフル
２２ １０の縦軸
２４ Ｚ字形流
２６ バッフルケージ
２８ タイロッド
３０ 熱交換器
３２ バッフルプレート
３４ 外板
３６ 直交流
３８ 中央パイプ
４０ パイプ
４２ ノッチ
４４ シール片
４６ ３２の周縁
４８ 隅の先端
４９ 末端領域
５０ パイプ穴
５２ 半円形ノッチ
５４ 側面
５６ スペーサー片または補強片
５８ 延在部分
６０ 開口
６２ 内壁
８０ パイプ
９０ 二重らせんバッフル配置
９４ バッフル
９４′ バッフル
９６ 第一のらせん
９８ 第二のらせん

Claims (6)

1. 縦軸を有しそして第一の流体を受容するように構成された外板、縦軸に対して直角とは異なる角度をつけて外板中にそれぞれ設けられて、実質的に均一な速度で外板を通って第一の流体の流れをらせん状のパターンに導く複数の四分円形のバッフルをもつ熱交換器であって、
   四分円形のバッフルのそれぞれが、平らかまたは湾曲した形状の相対する１組の面、並びに第二の流体を運ぶ軸方向に延在する複数のパイプにより横切られるように構成された間隔をおいて配置された複数の穴を有し、且つそれぞれの四分円形のバッフルの相対する面が、外板の内側に面しそして均一な半径方向の距離で外板から離れている楕円状の外側の縁を有していて第一の流体が四分円形のバッフルの楕円状の外側の縁と外板の内側との間を実質的に均一な速度で流れるとき第一の流体はそれぞれの四分円形のバッフルの相対する面に沿って実質的に均一な圧力を生じ、
   そして熱交換器が、平行する四分円形のバッフルのそれぞれの列の外側の縁の末端領域をそれぞれ貫通している複数の軸方向に延在するタイロッドおよび隣接する四分円形のバッフルの末端領域の間の隣接するタイロッドを連結して四分円形のバッフルを固定しそして振動を減らす複数の補強片をさらにもつことを特徴とする熱交換器。
2. 縦軸を有しそして第一の流体を受容するように構成された外板、
   縦軸に対して直角とは異なる角度をつけて外板中にそれぞれ設けられて、実質的に均一な速度で外板を通って第一の流体の流れをらせん状のパターンに導く複数の四分円形のバッフルをもつ熱交換器であって、
   四分円形のバッフルのそれぞれが、平らかまたは湾曲した形状の相対する１組の面、並びに第二の流体を運ぶ軸方向に延在する複数のパイプにより横切られるように構成された間隔をおいて配置された複数の穴を有し、且つそれぞれの四分円形のバッフルの相対する面が、外板の内側に面しそして均一な半径方向の距離で外板から離れている楕円状の外側の縁を有していて、第一の流体が四分円形のバッフルの楕円状の外側の縁と外板の内側との間を実質的に均一な速度で流れるとき第一の流体はそれぞれの四分円形のバッフルの相対する面に沿って実質的に均一な圧力を生じ、
   四分円形のバッフルのそれぞれが、それぞれの外側の縁から互いに向かって収束する一組の側面を有し、その側面はそれぞれ側面の組のそれぞれの１つの上に張り出しさらに隣接する四分円形のバッフルの延在部分と重なるように間隔をおいた延在末端部分を有しており、延在末端部分のそれぞれに、隣接する四分円形のバッフルの延在部分のそれぞれの穴と一直線上にある複数の穴の少なくとも１つが設けられていて、隣接するバッフルの延在部分に形成される穴が、それぞれのパイプにより横切られて四分円形のバッフルを固定することを特徴とする熱交換器。
3. 縦軸を有しそして第一の流体を受容するように構成された外板、
   縦軸に対して直角とは異なる角度をつけて外板中にそれぞれ設けられて、実質的に均一な速度で外板を通って第一の流体の流れをらせん状のパターンに導く複数の四分円形のバッフルをもつ熱交換器であって、
   四分円形のバッフルのそれぞれが、平らかまたは湾曲した形状の相対する１組の面、並びに第二の流体を運ぶ軸方向に延在する複数のパイプにより横切られるように構成された間隔をおいて配置された複数の穴を有し、且つそれぞれの四分円形のバッフルの相対する面が、外板の内側に面しそして均一な半径方向の距離で外板から離れている楕円状の外側の縁を有していて第一の流体が四分円形のバッフルの楕円状の外側の縁と外板の内側との間を実質的に均一な速度で流れるとき第一の流体はそれぞれの四分円形のバッフルの相対する面に沿って実質的に均一な圧力を生じ、
   角度をつけて縦軸に設けられて第一の流体流の第一のらせん状のパターンを画成する複数の四分円形のバッフルのそれぞれが、外側の縁から収束しそして外板の縦軸で終わる頂点を形成する１組の側面を有すると共に四分円形のバッフルの頂点のそれぞれが、外板の縦軸に沿って中心をあわせた中央パイプの外側の表面と一致するように形成されたそれぞれのノッチを有し、ノッチは四分円形のバッフルが直角ではない正しい角度に配置されるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
4. 縦軸を有しそして第一の流体を受容するように構成された外板、
   縦軸に対して直角とは異なる角度をつけて外板中にそれぞれ設けられて、実質的に均一な速度で外板を通って第一の流体の流れをらせん状のパターンに導く複数の四分円形のバッフルをもつ熱交換器であって、
   四分円形のバッフルのそれぞれが、平らかまたは湾曲した形状の相対する１組の面、並びに第二の流体を運ぶ軸方向に延在する複数のパイプにより横切られるように構成された間隔をおいて配置された複数の穴を有し、且つそれぞれの四分円形のバッフルの相対する面が、外板の内側に面しそして均一な半径方向の距離で外板から離れている楕円状の外側の縁を有していて、第一の流体が四分円形のバッフルの楕円状の外側の縁と外板の内側との間を実質的に均一な速度で流れるとき第一の流体はそれぞれの四分円形のバッフルの相対する面に沿って実質的に均一な圧力を生じ、
   そして熱交換器がさらに角度をつけて外板に設けられて第一の流体流をらせん状のパターンに導くもう一つの複数の四分円形のバッフルをもち、このもう一つの複数の四分円形のバッフルの少なくとも一部が、それぞれ、中央パイプにより横切られるそれぞれの穴を設けたそれぞれの頂点を有し、そして四分円形のバッフルが縦軸に中心を合わせた中央パイプの周りを回転可能に構成されていることを特徴とする熱交換器。
5. 第二の流体運搬パイプの束により横切られる二重らせん配置を形成しそして角度をつけて縦軸に配置されて実質的に均一な速度で第一の流体をらせんのパターンに導く、四分円形のバッフルの第一の連なりおよび四分円形のバッフルの第二の連なりからなることを特徴とする縦軸に沿って延在している外板および管のタイプの熱交換器であって、
   四分円形のバッフルのそれぞれが、外側の楕円状の周縁および２つの側面を有し、その側面は、楕円状の周縁から相互に向かって収束して、直角とは異なる角度をつけて形成したノッチをもつ頂点を形成しており、それにより四分円形のバッフルの第一および第二の連なりが互いに固定される前に縦軸に対して四分円形のバッフルのそれぞれの角度のついた配置を可能にしていることを特徴とする外板および管タイプの熱交換器。
6. 頂点が角度をつけて穴開けした穴をもつ二重らせん配置をもつ請求項５の熱交換器。

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