JP4473996B2

JP4473996B2 - 高温用プレートフィン型熱交換器

Info

Publication number: JP4473996B2
Application number: JP37090099A
Authority: JP
Inventors: 哲男安孫子; 潤一辻井; 隆志江田
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2001183078A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば燃焼排気ガスと空気との熱交換を行う高温用プレートフィン型熱交換器の改良に係り、低温の空気用通路の両チューブプレート面にフィンをろう付けしたエレメントを燃焼排気ガスダクト内に複数配置して、排気ガス通路と空気用通路を交互に配置したコアを形成し、通路を一段ごとに独立させることにより、例えばマイクロガスタービン発電装置の再生器のごとき苛酷な使用条件でも優れた耐久性と高熱交換効率を発揮する高温用プレートフィン型熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、非常用自家発電装置あるいは中小規模の分散電源として、マイクロガスタービン発電装置が見直されて実用化されている。ガスタービンは他の内燃機関に比べて単純な構成で量産可能であり、また保守点検が容易で、低NOxであることを特徴としている。
【０００３】
次世代のマイクロガスタービン発電装置は、トータルの発電効率を向上させるため、一般に一軸式の再生サイクルガスタービンの構成を採用している。
【０００４】
すなわち、圧縮機、タービン、発電機が一軸に配置され、燃焼器からの燃焼ガスはタービンを回転させた後、熱交換器で圧縮機を経た空気と熱交換を行い、燃焼ガスエネルギーの損失を少しでも小さくして、従来のディーゼルエンジンによる発電装置と同等以上の熱変換効率となるよう工夫されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一軸式の再生サイクルガスタービンの構成では、希薄燃焼による低NOxの実現と、熱交換器にプレートフィン型を使用して熱交換効率を90%程度に高めることが行われている。
【０００６】
一方、マイクロガスタービン発電装置は、非常用の場合はもちろん分散電源としての用途から、始動停止の繰り返しが多いばかりか、始動直後の運転立ち上がりを良好にして直ちに良質な電力を供給することが求められる。
【０００７】
従って、燃焼ガスと圧縮空気の熱交換に使用されるプレートフィン型熱交換器には、優れた熱交換効率を実現し、急激な入熱、特に流体通路内の不均一な温度分布と、激しい熱負荷の変動に耐えるだけの耐久性を保有しながら先の熱交換効率を維持することが要求される。
【０００８】
この発明は、マイクロガスタービン発電装置における再生用プレートフィン型熱交換器などに要求される上記性能、すなわち激しい熱負荷の変動下における高熱交換効率と高耐久性を実現でき、かつ量産性に優れた構成からなるプレートフィン型熱交換器の提供を目的としている
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、プレートフィン型熱交換器において、例えば高温の燃焼ガスが流入した際の流体通路内及び全体の不均一な温度分布による熱応力を緩和できる構成について種々検討した結果、通常は高温側通路内のフィンを全て低温側通路にろう付けするが、高温側通路内のフィン全体をろう付けすることなく、これを低温側通路毎に独立させることにより、熱応力を緩和して耐久性が著しく向上する他、部品のエレメント化が可能でかつろう付け工程が減少して量産性が向上することを知見した。
【００１０】
また、発明者らは、前記構成において、低温側通路にコルゲーションフィンなどを内蔵しない無方向性ディストリビュータを用いることで熱交換部の偏流防止が可能であること、高温側通路入口に臨む低温側通路前面に遮蔽カバーを適宜設けることにより、低温側通路のろう付け部が高温流体に晒されることがなく、一層耐久性が向上することを知見し、この発明を完成した。
【００１１】
すなわち、この発明は、低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されてコアを形成したことを特徴とする高温用プレートフィン型熱交換器であり、より具体的には、一対のチューブプレート間にコルゲーションフィンを挟んで低温流体通路を構成すると共に、前記一対のチューブプレートの少なくとも一方の外面にコルゲーションフィンを固着して構成された複数のエレメントを、高温流体が流通する容器内に積層配置して、各エレメントの外面側に、コルゲーションフィンが配置された高温流体通路を構成し、高温流体通路内のコルゲーションフィンが拘束されないように前記複数のエレメントのそれぞれを前記容器にて独立に支持することにより、低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されてコアを形成することにより、高耐久性構造の高温用プレートフィン型熱交換器を、量産性よく提供できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明による高温用プレートフィン型熱交換器の構成例を図面に基づいて説明する。図1に示す例は、ここでは高温流体と低温流体が向流で熱交換する場合を示す。図1Aに示すごとく、熱交換器1のコア2に対して高温流体Hが図の手前から奥へ通過し、低温流体Lは熱交換器1の奥の側面より流入して手前側の側面より流出する構成である。
【００１３】
熱交換器1のコア2は、容器3内に高温流体通路4と低温流体通路5が交互に積層配置された構成からなる。
【００１４】
低温流体通路５は、図１Ｂ及び図２に示すごとく、２枚のチューブプレート５ａ，５ａ間にコルゲーションフィン５ｂを挟み、外周部をスペーサーバー５ｃで閉塞するようにこれらの部材をろう付け一体化する通路構成で、一方の側端面側のスペーサーバー５ｄを短くして流体入口６と出口７を形成し、コルゲーションフィン５ｂの流体入口６の側と出口７の側に形成される流体のディストリビュータ部５ｅ，５ｆはここではフィンを配置しない無方向性ディストリビュータとしてある。
【００１５】
また、低温流体通路5の2枚のチューブプレート5a,5aの外面には、それぞれコルゲーションフィン4a,4bがろう付けしてある。熱交換器1のコア2を内蔵する容器3内に前記低温流体通路5が所定間隔で配置させることにより、このコルゲーションフィン4a,4bにて高温流体通路4を形成している。
【００１６】
すなわち、図3に示すごとく、低温流体通路5の流体入口6と出口7側を箱型の容器3の側面に片持ち支持させており、容器3内に前記低温流体通路5をコルゲーションフィン4a,4b同士が当接しない間隔で配列してある。
【００１７】
以上の構成からなるこの発明による高温用プレートフィン型熱交換器において、例えば、高温流体Hが急激に流入してきた場合、容器3の高温流体通路4入口側が急激に加熱される。ここで高温流体通路4は、低温流体通路5の外面に設けたコルゲーションフィン4a,4bで構成され、これらは高温流体通路4内で拘束されておらず、急激に加熱されても熱応力を蓄積することなく、低温流体通路5内に高温流体Hの熱を効率よく伝導できる。
【００１８】
また、低温流体通路5内では、無方向性ディストリビュータ部5eから流入する低温流体Lが偏流することなく高温流体Hと向流で熱交換し、無方向性ディストリビュータ部5fを経て流体出口7より高温に加熱されて流出することができる。この際、前記のごとく高温流体通路4のコルゲーションフィン4a,4bは高温に晒されても熱応力を低温流体通路5に蓄積することなく、また低温流体通路5自体の急激な加熱も片持ち支持された構造のため熱応力を蓄積することがない。
【００１９】
また、高温流体通路４入口に臨む低温流体通路５前面に、種々の構成の遮蔽カバーを付設して、前記の高温流体Ｈが急激に流入してきた際の急激な入熱を緩和することができる。例えば、整流を兼ねたルーバー部材を付設したり、断熱部材を付設したり、あるいは低温流体通路５のチューブプレートを延ばして折り曲げて形成するなどの手段を採用することができる。
【００２０】
低温流体通路5のディストリビュータ部5e,5fの構成において、チューブプレートにディンプルを設け、通路内でディンプル部の突起同士が当接接合された構成を採用することにより、ディストリビュータ部5e,5fの剛性を向上させることができる。
【００２１】
この発明において、低温流体通路毎に独立させる手段は、上記の構成の他種々の構成が採用でき、低温流体通路の片面にのみコルゲーションフィンを設ける構成、直交流熱交換の構成、高温流体用ダクト自体を熱交換器の容器とする構成などが採用できる。
【００２２】
この発明において、コアにおける低温流体用通路と高温流体用通路との積層配置方法も交互に通路が配置される他、向流や直交流などの組合せで、種々の配置が採用でき、流体種や温度などに応じて適宜選定できる。
【００２３】
この発明において、熱交換器の材料は特に限定しないが、耐熱性を考慮する場合、公知のFe基、Ni基、Co基の耐熱合金を採用でき、例えばオーステナイト系耐熱鋼、Co₃Ti、Ni₃Alなど、さらには10wt%以下Al含有のステンレス鋼などが適宜採用できる。
【００２４】
【実施例】
マイクロガスタービン発電装置の再生器として、図1〜図3の構成からなる高温用プレートフィン型熱交換器を採用した。燃焼排ガス用ダクトにこの熱交換器の容器入口を直接嵌め込むように寸法形状を設定構成することにより、フランジなどが不要になり、かつ燃焼排ガスの圧力損失を最小にすることができた。
【００２５】
燃焼排ガス温度は、800℃と900℃の2種を設定し、これと圧縮吸気(0.4MPa)との熱交換を行ったところ、いずれの場合も90%の熱交換効率を得ることができた。なお、熱交換器の材料には、排ガス温度が800℃の場合は、オーステナイト系ステンレス鋼、900℃の場合は、5wt%Al含有のステンレス鋼を用いた。
【００２６】
また、室温まで冷却している装置に始動を行い、所定時間後に所定温度まで冷却し、再度起動する耐久性の加速試験を行ったところ、燃焼排ガスの圧力損失、圧縮吸気圧、熱交換効率のいずれも変動することなく、熱交換器の各部の剥離、クラックも発生しなかった。
【００２７】
【発明の効果】
この発明による高温用プレートフィン型熱交換器は、低温流体用通路毎に独立させた構成を採用することにより、高温の燃焼ガスが流入した際の流体通路内及び全体の不均一な温度分布による熱応力を緩和でき、マイクロガスタービン発電装置における再生用プレートフィン型熱交換器などに要求される、激しい熱負荷の変動下における高熱交換効率と高耐久性を実現でき、かつ実施例に示すごとくユニット化でき、ろう付け工程が削減でき、量産性に優れた構成からなる。
【００２８】
さらに、この発明の熱交換器の構成は、低温流体通路毎に独立させるため、例えば前記構成例で圧縮空気の他、水を導入すると水蒸気が得られるなど、多流体型熱交換器とすることが可能である。また、前記構成例では、低温流体通路毎に独立しており、容器3の側面に片持ち支持させているため、低温流体通路のいずれかに問題が生じた場合に、容易に閉塞するか、あるいは交換が可能であり、メンテナンスの上でも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Aはこの発明による高温用プレートフィン型熱交換器の一例を示す斜視説明図であり、Bは低温流体通路の外観を示す斜視説明図であり、フィンは一部のみ図示している。
【図２】低温流体通路の分解説明図である。
【図３】 Aは図1の縦断説明図であり、Bは低温流体通路の入口と出口を示す説明図である。
【符号の説明】
1 熱交換器
2 コア
3 容器
4 高温流体通路
4a,4b,5b コルゲーションフィン
5 低温流体通路
5a,5a チューブプレート
5c,5d スペーサーバー
5e,5f ディストリビュータ部
6 流体入口
7 出口
H 高温流体
L 低温流体

Claims

高温流体通路と低温流体通路が交互に積層配置されて熱交換器コアを形成した高温用プレートフィン型熱交換器において、一対のチューブプレート間にコルゲーションフィンを挟んで低温流体通路を構成すると共に、前記一対のチューブプレートの少なくとも一方の外面にコルゲーションフィンを固着して構成された複数のエレメントを、高温流体が流通する容器内に積層配置して、各エレメントの外面側に、コルゲーションフィンが配置された高温流体通路を構成し、高温流体通路内のコルゲーションフィンが拘束されないように前記複数のエレメントのそれぞれを前記容器にて独立に支持することにより、低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されてコアを形成した高温用プレートフィン型熱交換器。
前記エレメントにおける低温流体通路の側端面側に低温流体の流体入口及び流体出口を設け、その側端面側を前記容器の側面にて支持した請求項１に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。
高温流体用ダクト自体を前記容器とした請求項１又は２に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。
低温流体用通路内のコルゲーションフィンの流体入口側及び流体出口側に形成されるディストリビュータ部が無方向性である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の高温用プレートフィン型熱交換器。
低温流体用通路内のディストリビュータ部のチューブプレートに設けたディンプル同士が通路内で当接接合された請求項４に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。
高温流体用通路入口に臨む低温流体用通路前面に遮蔽カバーを付設した請求項１〜請求項５のいずれかに記載の高温用プレートフィン型熱交換器。