JP4573183B2 - Multi-tube heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、通路縦軸線の周りに同心的に設けられて加熱媒体又は冷却媒体を導く少なくとも1つの通路を有する多管式熱交換器であって、加熱または冷却されるべき媒体の通る管群の管が、通路縦軸線に対して平行に通路を通って延び、通路を区画するそれぞれの周壁に軸線方向に交互に取付けられる環及び円板が、これらの環及び円板の取付けられていない周壁と共に、通路の軸線方向に見てジグザグに加熱媒体又は冷却媒体を導く円環状断面の通路を形成しているものに関する。The present invention is a multi-tube heat exchanger having at least one passage provided concentrically about a passage longitudinal axis and leading a heating medium or a cooling medium, the tube group through which the medium to be heated or cooled passes. Pipes extending through the passage parallel to the longitudinal axis of the passage, and the rings and disks alternately attached to the respective peripheral walls defining the passage in the axial direction are not attached to these rings and disks. It is related with what forms the channel | path of the annular cross section which guides a heating medium or a cooling medium zigzag seeing in the axial direction of a channel | path with a surrounding wall .
多くの化学及び石油化学プロセスのために、管側及び周側(通路側)に異なるガス状及び/又は液状媒体を流される多管式熱交換器が必要とされる。通路側に、熱交換の熱伝達効率を高めかつ通路の管群の管を支持するため、特定の間隔において、転向板(環及び円板)が取付けられ、これらの転向板によりその間に、管群の管又は加熱面管に対して横に向く加熱媒体又は冷却媒体の流れが生じる。これらの流れ成分は加熱面管へ脈動する力を作用させることがあるので、これらの管が励振され、最悪の場合特に管の共振範囲における絶え間ない振動により、機械的に負荷される。 For many chemical and petrochemical processes, a multitubular heat exchanger is required in which different gaseous and / or liquid media are flowed on the tube side and the peripheral side (passage side). On the passage side, turning plates (rings and discs) are attached at specific intervals in order to increase the heat transfer efficiency of heat exchange and support the tubes of the tube group of passages. There is a flow of heating or cooling medium directed transverse to the group of tubes or heating surface tubes. Since these flow components can exert pulsating forces on the heated surface tubes, they are excited and mechanically loaded in the worst case, especially by constant vibrations in the resonance range of the tubes.
管の固有振動数は、主として管直径、管の壁厚、及び支持点(管を支持する管板、転向板)の間隔によって決定される。媒体(加熱媒体又は冷却媒体)の励振振動数は、媒体の速度及び管ピッチに関係している。管の固有振動数が励振振動数に一致すると、抑制できないほど大きい振幅を持つ共振を生じ、その結果管の高い機械的負荷及び亀裂又は他の機械的損傷の危険を生じる。 The natural frequency of the tube is mainly determined by the tube diameter, the wall thickness of the tube, and the distance between the support points (tube plate supporting the tube, turning plate). The excitation frequency of the medium (heating medium or cooling medium) is related to the speed of the medium and the tube pitch. When the natural frequency of the tube matches the excitation frequency, resonances with uncontrollable amplitudes result, resulting in high mechanical loads and cracks or other mechanical damage risks in the tube.
技術的慣習において共振の危険は、一般に例えばTEMA規格(管形熱交換器製造者協会規格)又は他の一般に認められている方法により行われる振動分析によって、排除される。共振をなくすため、管を支持点の非常に短い間隔により補強することが必要である。縁管即ちそれぞれ外周範囲又は内周範囲にある管は1つおきの転向板により保持され、従って通路側で管群の外側管が環状板又は環により保持され、管群の内側管は円板により保持されるので、転向板の相互間隔は非常に小さく、それにより周側における高い圧力損失が生じることになる。 The risk of resonance in technical practice is generally eliminated by vibration analysis performed, for example, by the TEMA standard (Tube Heat Exchanger Manufacturers Association standard) or other generally accepted methods. In order to eliminate resonance, it is necessary to reinforce the tube with very short intervals between the support points. Edge tubes, i.e. tubes in the outer or inner peripheral range, are held by every other turning plate, so that on the passage side, the outer tube of the tube group is held by an annular plate or ring, and the inner tube of the tube group is a disc Therefore, the distance between the turning plates is very small, resulting in a high pressure loss on the circumferential side.
刊行物“Process Gas Waste Heat Recovery System for ammonia,methenol,hydrogen and Coal gasification Plants”,Deutsche Babcock.Babcock−Borsig,Seite14から2つのガス通路及び転向板を持つ多管式熱交換器が公知になっており、通路側で管群の外側管が環状板により保持され、管群の内側管が円板により保持される。 Publications "Process Gas Waste Heat Recovery System for ammonia, methenol, hydrogen and Coal gasification Plants", Deutsche Backcock. A multi-tube heat exchanger having two gas passages and a turning plate is known from Babcock-Borsig, Seite14. The outer tube of the tube group is held by an annular plate on the passage side, and the inner tube of the tube group is circular. It is held by a plate.
本発明の課題は、前記の欠点を回避する多管式熱交換器を提供するか、又は通路内の管群のそれぞれの管を確実に支持し、機械的損傷を生じることがある管群の管の共振を防止することである。 The object of the present invention is to provide a multi-tube heat exchanger that avoids the above-mentioned drawbacks, or to reliably support each tube of the tube group in the passage and to cause mechanical damage of the tube group. It is to prevent tube resonance.
前記の課題は、請求項1の特徴によって解決される。この解決策によれば、少なくとも1つの通路において、環及び円板が、円形切欠き又は穴により、通路にあるそれぞれすべての管を受入れかつ位置ぎめし、一方の側縁を一方の周壁に取付けられる環及び円板の他方の側縁即ち周囲輪郭が、管群の最も外側又は最も内側の管の外側輪郭の一部に沿って延びるか又はこれらの管の中心を結ぶ線に対して平行に延び、周囲輪郭における環及び円板が、最も外側又は最も内側のすべての管の周囲の一部を包囲する帯状辺を含んでいる。 The problem is solved by the features of
本発明の有利な構成は従属請求項からわかる。 Advantageous configurations of the invention can be seen from the dependent claims.
本発明による解決策によって、次の利点を持つ多管式熱交換器が得られる。
管群のすべての管が通路内で確実に支持され、かつ位置ぎめされ、管の第1調波振動の 振動数が、媒体流のため、いかなる場合にも励振振動数より上にあり、その結果管群の 管に共振は現われず、
個々の管の小さい支持間隔にもかかわらず、圧力損失は大して高まらない。The solution according to the invention gives a multitubular heat exchanger with the following advantages:
All the tubes of the tube group are securely supported and positioned in the passage, and the frequency of the first harmonic vibration of the tubes is above the excitation frequency in any case due to the medium flow, As a result, no resonance appears in the tubes of the tube group.
Despite the small support spacing of the individual tubes, the pressure loss is not very high.
有利なように辺の幅は、管の外壁と周囲輪郭との間隔として少なくとも部分的に一定である。これは、前記の範囲において、最も外側又は最も内側の管の中心又は外壁と周囲輪郭との間で同じ間隔が優勢であり、これは構造及び製造の面から簡単化を意味する。 Advantageously, the width of the side is at least partly constant as the distance between the outer wall of the tube and the surrounding contour. This means that in the above-mentioned range, the same spacing prevails between the center or outer wall of the outermost or innermost tube and the surrounding contour, which means simplification in terms of structure and manufacture.
発明の有利な構成では、辺の幅が3〜10mmである。この構成により、管群の内側又は中心の管のみならず、それぞれの通路の最も外側又は最も内側の管も、受入れられかつ位置ぎめされる。特に有利な構成では、辺の幅が3mmより小さく形成されている。この構成により、環又は円板の流通側で、加熱媒体又は冷却媒体の最大の通過断面が得られる。 In an advantageous configuration of the invention, the width of the side is 3 to 10 mm. With this arrangement, not only the inner or central tube of the tube group, but also the outermost or innermost tube of the respective passage is received and positioned. In a particularly advantageous configuration, the width of the side is smaller than 3 mm. With this configuration, the maximum passage cross section of the heating medium or the cooling medium is obtained on the circulation side of the ring or the disk.
周囲輪郭が、少なくとも部分的に最も外側又は最も内側の管の外側輪郭に波状に従っていることにより、製造、残っている流通断面等に関して有利な環又は円板の構成が行われる。有利に又は更に有利に、周囲輪郭が、少なくとも部分的に、2つ又はそれ以上の外側又は内側管中心の仮想結合線に対して平行に延びているようにすることができる。これは、充分な流通断面が環又は円板に存在し、従って周囲輪郭が各管断面に従っていなくてもよい時に、有利である。 The circumferential contour at least partially follows the outer contour of the outermost or innermost tube, resulting in an advantageous ring or disc configuration with respect to manufacturing, remaining flow cross-sections and the like. Advantageously, or more advantageously, the peripheral contour may extend at least partly parallel to the virtual coupling line of the two or more outer or inner tube centers. This is advantageous when there are sufficient flow cross sections in the annulus or disc so that the surrounding contours do not have to follow each pipe cross section.
多管式熱交換器内に1つより多い通路が存在する場合、2つ又はこれより多い通路が互いに同心的に設けられる。この手段によりこじんまりした熱交換器が得られる。 If more than one passage is present in a multitubular heat exchanger, two or more passages are provided concentrically with each other. By this means a small heat exchanger is obtained.
2つ又はそれより多い通路が存在する場合、周囲輪郭により形成される環及び円板が、1つの外側通路又は複数の外側通路に設けられていると、有利である。この手段により、転向板である環及び円板により生じる加熱媒体又は冷却媒体の圧力損失が小さく保たれる。 If there are two or more passages, it is advantageous if the ring and disc formed by the peripheral contour are provided in one outer passage or in a plurality of outer passages. By this means, the pressure loss of the heating medium or the cooling medium caused by the ring and the disk as the turning plate is kept small.
有利な構成では、それぞれの管群の管がU字状管又は直線管として形成されている。それにより本発明による熱交換器は異なる構成の管群を備えることができ、従って異なる使用事例に対して使用可能である。 In an advantageous configuration, the tubes of the respective tube groups are formed as U-shaped tubes or straight tubes. Thereby, the heat exchanger according to the invention can be provided with differently configured tube groups and can therefore be used for different use cases.
本発明による環及び/又は円板を半月状に形成すると有利である。これにより、特に(U字状管の代わりに直線管を持つ)多管式熱交換器では、管の強い横からの流入従って高い熱伝達が生じる。 It is advantageous to form the rings and / or discs according to the invention in a half-moon shape. This leads to a strong inflow from the side of the tube and thus a high heat transfer, especially in multi-tube heat exchangers (with straight tubes instead of U-shaped tubes).
有利な構成では、断面側で通路内の管が、三角形又は四角形又は他の幾何学的ピッチ又は構造で設けられている。三角形状ピッチ又は構造は、特に熱交換器の高い圧力において有利である。なぜならば、それにより著しく大きく補強された管板が得られるからである。四角形又は他の幾何学的構造又は管ピッチは、中間圧力又は低い圧力に対して有利である。 In an advantageous configuration, the tubes in the passage on the cross-sectional side are provided with a triangular or quadrangular or other geometric pitch or structure. A triangular pitch or structure is advantageous, especially at the high pressure of the heat exchanger. This is because it provides a tube sheet that is significantly reinforced. A square or other geometric structure or tube pitch is advantageous for intermediate or low pressures.
図面により本発明の実施例が以下に説明される。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
従来技術による多管式熱交換器1が図1からわかる。このような多管式熱交換器は、種々の化学及び石油化学プロセスのために必要とされる加熱媒体又は冷却媒体20、最も多くの場合加熱ガスは、入口通路18を通って1つ又は複数の通路又はガス通路4,5へ供給され、この通路又はこれらの通路において熱又は冷気が、通路内に延びる多数の管群2の管3又は加熱面管へ放出されて、加熱又は冷却すべき液状又はガス状媒体例えば水及び/又は蒸気を加熱又は冷却する。 A
図1による多管式熱交換器の構造は、中心に設けられる入口通路18の周りに、半径方向に層状に互いに同心的に、第1のガス通路4又は通気路、第2のガス通路5又は通気路、及び出口通路19が続くようになっている。通路4,5,18,19は、多管式熱交換器1の縦軸線に一致する共通な縦軸線6を持っている。入口通路18の断面はなるべくほぼ円形であり、ガス通路4,5及び出口通路19の断面はほぼ円環状である。 The multitubular heat exchanger according to FIG. 1 has a
多管式熱交換器1の一方の端部で入口通路18を通って流入する加熱媒体流又は冷却媒体流20は、他方の端部で、管群2を受入れる管板又は端板17により180°転向されて、第1のガス通路4又は通気路へ供給される。第1のガス通路4を通った後、更に180°の転向が行われ、第2のガス通路5へ加熱媒体流又は冷却媒体流20の供給が行われる。最後に加熱媒体流又は冷却媒体流20は、第2のガス通路5を通った後、管板17により更に180°転向され、出口通路19を通って熱交換器1から導出される。 The heating medium flow or cooling
ガス通路4,5内において、加熱媒体又は冷却媒体20と管3内を循環して加熱又は冷却されるべき媒体との熱伝達又は冷気伝達の効率を高めるため、管3を特定の間隔で転向板により支持又は位置ぎめすることが行われる。それにより、加熱媒体流又は冷却媒体流20が、ガス通路4,5を通って管3に対して平行に流れることなく、管3へ向かって横に又はほぼ横に流れ、従って著しく良好な熱伝達が行われるようにすることができる。ガス通路4,5の両方の周壁7,8(内周壁7及び外周壁8)に環9及び円板10が交互に設けられ、従ってガス通路4,5のジグザグの加熱媒体流又は冷却媒体流が形成されるように、転向板が形成されている。ガス通路4,5内に延びる管群の外側の管3は、周壁8に取付けられる環9により、またガス通路4,5内に延びる管群の内側の管3は、周壁7に取付けられる円板10により、支持されかつ位置ぎめされる。その際管3は、環9又は円板10により、軸線方向に支持間隔S(2つの環9又は2つの円板10の間隔)で支持され、円板10の支持部は、軸線方向に見てそれぞれ環9の支持部の中間にある。 In the
従来技術によるこの多管式熱交換器から出発して、本発明による多管式熱交換器1は、図2に示すように、少なくとも1つのガス通路4,5に環9及び円板10を持ち、これらの環及び円板は、このガス通路4,5の管群のすべての管3を、それぞれ円筒状切欠き又は穴11によりそれぞれ受入れるか又は位置ぎめする。更に本発明によれば、環9及び円板10の周囲輪郭12は、媒体流通側13で、管群の最も外側又は最も内側の管3の中心14,15にそれぞれ従い、周囲輪郭12は最も外側又は最も内側のすべての管3を包囲する辺16を含んでいる。 Starting from this multi-tube heat exchanger according to the prior art, the
環9又は円板10の媒体流通側は、図3〜9に示すように、媒体流20を通され従って環9と内周壁7との間又は円板10と外周壁8との間に加熱媒体流又は冷却媒体流20の自由通路又は流通路を形成する環9又は円板10の側13である。 As shown in FIGS. 3 to 9, the medium flow side of the
流通側13における環9又は円板10の周囲輪郭12は円形に形成されるのではなく、本発明により上述したように、管群の最も外側又は最も内側の管3の中心14,15に従い、即ち環9の周囲輪郭12は最も内側の管3の中心15に従い、円板10の周囲輪郭12は最も外側の管3の中心14に従い、周囲輪郭12はなおそれぞれ環材料又は円板材料又は辺16を一緒に含み、それにより管群の各管3がこの辺16により囲まれて(図3〜9参照)、最も内側又は最も外側の管3も横に確実に支持する。本発明による周囲輪郭12により、転向板の流通側13即ち環9及び円板10の流通側における流れ断面が有利にできるだけ大きく保たれる。最も外側又は最も内側の管3と周囲輪郭12との間の材料突出部又は辺16の幅Bは、少なくとも部分的になるべく一定である。別の好ましい構成では辺16の幅Bは3〜10mmであり、特に好ましい構成では辺16の幅Bは3mmより小さい。 The
環9又は円板10の周囲輪郭12は、図5及び6に示すように、最も外側又は最も内側の管3の外側輪郭に波状に従い、図7〜9による周囲輪郭12は、有利に少なくとも部分的に前記の管外側輪郭に波状に従っている。図7〜9は本発明の別の有利な構成を示し、周囲輪郭12は、少なくとも部分的に、2つ又はそれ以上の外側又は内側の管中心14,15の仮想結合線に対して平行に延びている。この場合辺16の幅Bは、周囲輪郭12と管3の外壁との垂直間隔として定義される。前記の有利な構成により、一方では本発明による環9及び円板10が製造側で簡単化して安価に製造され、他方では環9又は円板10の流通側13における加熱媒体又は冷却媒体の通過断面が最大にされる。 The
ガス通路4,5のすべての管3を受入れるため環9及び円板10に形成されている穴11又は円筒状切欠き11は、管群の各管3が通路縦軸線6に対して平行に環9及び円板10のそれぞれの穴11に受入れられかつ案内されるように、形成されている。管3は環9又は円板10と固定的に結合されておらず、運転状態において加熱の際穴11内で軸線方向に自由に伸びることができる。 The holes 11 or the cylindrical notches 11 formed in the
環9及び円板10が通路又はガス通路4,5のすべての管3をそれぞれ受入れるようにする本発明の手段によって、2つの環9の間又は2つの円板10の間における各管3の以前の支持間隔Sが半分の支持間隔S/2に半減される。これは一方では管群の管3の側方支持にとって有利である。なぜならば、各管3は、公知の構造の実際上2倍だけ頻繁に支持されるからである。他方では本発明による構成は、管3の共振振動の防止に関して、従って共振振動により生じるこれらの管3の大きい機械的負荷の防止に関しても有利である。 By means of the invention in which the
管3における共振振動は、公知のように、管の固有振動数が媒体又は加熱媒体流又は冷却媒体流20の励振振動数に一致する時に形成され、媒体の励振振動数は媒体の流速の横成分及び管ピッチに関係し、管3の固有振動数は主として管直径、管3の壁厚及び支持点(管板17,環9及び円板10)の間隔によって決定される。 As is well known, the resonant vibration in the
本発明による装置によって、転向板即ち環9及び円板10の相互間隔を減少することなく、従って通路側又は媒体側20に高い圧力損失を生じることなく、多管式熱交換器1内の共振を簡単に防止し、管3を確実に支持することができる。支持間隔の半減により、場合によっては、有利な効果を失うことなく、支持間隔の寸法を大きくするか、又は管3の壁厚を減少することが可能である。 By means of the device according to the invention, the resonance in the
図2〜4は、好ましい構成で互いに同心的に設けられる2つの通路又はガス通路4,5を持つように構成される本発明の多管式熱交換器1を示している。2つ又はそれ以上の通路又はガス通路4,5が存在する場合有利なように、周囲輪郭12を持つように形成されかつすべての管3を受入れる環9及び円板10は、外側通路5又は外側ガス通路に設けられている。この手段は、熱交換器1内における媒体の圧力損失を防止する。なぜならば、ガスがまだ非常に高い温度を持ち従って大きい体積又は高い通過速度を持っている内側通路4内の媒体流20は、一層自由な通過即ち一層大きい流通断面を見出すからである。 2 to 4 show the
図2〜6は、U字状管3から形成される管群2を持つ本発明による多管式熱交換器1を示し、その内側管区域はガス通路4に、その外側管区域はガス通路5に設けられているが、図7〜9は直線管3から形成される管群2を持つ熱交換器1を示している。通路4,5内におけるこれらの直線管3の構造的配置は、断面にわたって見て、U字状管3を設ける場合とは異なり、自由に形成可能である。有利なように直線管3は、通路4,5内の断面側で、三角形又は四角形又は他の幾何学的構造又は管ピッチで設けることができる。図8及び9に示すような三角形状の管ピッチは、高い圧力ないし非常に高い圧力を持つ多管式熱交換器1のために提供され、図7による四角形状管ピッチ又は他の幾何学的管ピッチは中位及び低い圧力のために提供される。 2 to 6 show a
直線管3から形成される管群2を持つ多管式熱交換器1では、環9及び/又は円板10を半月状(図示せず)に形成するのが有利である。これは媒体流20の管3へ向かう一層強い横流れを生じ、従って一層高い熱伝達を生じる。 In the
本発明による多管式熱交換器1は、前記の図において説明した実施例に限定されない。 The
1 多管式熱交換器
2 管群
3 管群の管
4 通路又はガス通路
5 通路又はガス通路
6 通路縦軸線
7 通路内周壁
8 通路外周壁
9 環
10 円板
11 円筒状切欠き又は穴
12 周囲輪郭
13 加熱媒体又は冷却媒体の流通側
14 最も外側の管の中心
15 最も内側の管の中心
16 辺
17 管板又は端板
18 入口通路
19 出口通路
20 加熱媒体流又は冷却媒体流DESCRIPTION OF
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