JP4620320B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。本発明は、第１の流体の流れからの熱が第２の流体の流れからの熱で交換されるあらゆるタイプの熱交換器に適用可能である。
【０００２】
本発明は、特に、加熱炉又はガスタービン等の高温源から出る熱ガスが、入り込む空気を加熱することを可能にする伝熱式熱交換器に適用される。このような伝熱式熱交換器は、国際公開公報第９４／１２７８５号の図４に開示されたエンジンに使用されている。
【０００３】
本エンジンでは、燃焼チャンバからの膨張した排ガスを使用する対向流伝熱式熱交換器によって、燃焼チャンバで使用される等温圧縮された冷たい空気を予熱する。本エンジンは、ガスタービン技術による従来の伝熱式熱交換器（ソーラー・マーキュリー５０等）を使用して作動させることができる。但し、国際公開公報第９４／１２７８５号のエンジンの排ガスの圧力及び温度は、ガスタービン内の圧力及び温度より高くなる場合がある。例えば、当該エンジンの排ガス圧力は、ガスタービンの場合が常圧であるのに対して、５×１０⁵Ｐａ（５バール）である。伝熱式熱交換器に入る空気は、例えばガスタービンでは２×１０⁶Ｐａ（２０バール）になり、エンジンでは１×１０⁷Ｐａ（１００バール）又はこれ以上になる。伝熱式熱交換器の「熱い」端部（即ち、熱い排ガスが入り、加熱された空気が出る端部）は、ガスタービンでは５００−６００℃であるのに対して、エンジンでは７５０−８００℃である可能性がある。また、伝熱式熱交換器の「熱い」端部と「冷たい」端部との温度差もエンジンの方が大きくなり、その場合の「冷たい」端部を出る冷却された排ガスの温度は、典型的には２５０−３００℃になる。
【０００４】
従って、従来の伝熱式熱交換器を当該エンジンに使用することは適当ではあるが、これは、極めて高い流量かつ比較的低い圧力において最適な効率で作動するように設計されている。本発明の目的は、より低い流量かつより高い圧力で最も効率的に作動する熱交換器を提供することにある。
【０００５】
スイス特許第１９５，８６６号は、圧力容器内部のダクトと、ダクトを通過する多数の配管とを有する熱交換器を開示している。ダクトの壁内には、ダクト内外の圧力を均等にするための複数の小さな孔が設けられている。この配置は、ダクト壁内外の定常状態かつ圧力差が均一な空間から生じる応力を低減する、又は除去するためには効果的であるが、ダクトに作用する他の様々な応力の効果に対処するものではない。まず、ダクト壁には、管巣内の定常圧力の低下によって発生し、かつダクト壁内外に圧力差が不均一な空間を発生させる応力が存在する。この点は、ダクト長に沿って複数の小さな孔を配置し、ダクト沿いの様々な位置での圧力差を均等にすることによって克服することが可能である。しかしながらこれは、ダクト外部の空間に沿って、この空間が断熱体として十分に作用することを妨げる流れを発生させるため、熱交換器の効率が低下する。実に第２の応力が、通常の作動の一部又は故障状態の何れかである一過性の流れの結果として存在すると思われる圧力の脈動によって発生する。スイス特許第１９５，８６６号の熱交換器はこれらの状態に適応することができず、よって最新の高圧熱交換器としては不適当である。
【０００６】
本発明によれば、熱交換器は、圧力容器と、圧力容器を通って一つの方向に向かう第１の流れのための、複数の管内に設けられた第１の通路と、容器を通って反対方向に向かう第２の流れのための第２の通路であって、熱伝達が管の壁を通して発生するように圧力容器から間隔を置いて配置されかつ管を包囲するダクトを備える第２の通路と、ダクトの内側とダクト及び圧力容器間の空間との間の圧力をほぼ均等にする手段と、ダクトと圧力容器の内面との間の断熱体と、ダクトの外側の圧力を超えるダクトの内側の圧力によって生じる膨張に対してダクトを支持する支持体とを備えている。
【０００７】
これらの管は、局所的には、非常に優れた熱伝達をもたらす直交流形の熱交換器を形成し、全体的には、２つの流れの最小温度差を許容する対向流形の熱交換器を形成する。しかしながら、高温高圧の排ガスにこれらの管を使用する場合は、高温にも耐え得る適切な圧力容器が必要である。双方の機能を満たすことのできるニッケル合金等の材料は、極めて高価である。
【０００８】
このため、本発明は、圧力容器から間隔を置いて配置され、かつまた圧力容器から断熱体によって分離された第２の通路を形成するダクトを有している。当該圧力容器は、こうして排ガスの高温から保護されている。
【０００９】
さらに、ダクトを通過する流れの高圧によって生じるダクトへの応力を低減するために、多数の措置が講じられている。特に、ダクト内外の圧力をほぼ均等にする手段は、ダクトが排ガスの全圧のようなものに一切対応する必要のないことを保証している。その他、管沿いの圧力低下及びダクト内の圧力の脈動等によって生じる応力には、支持体が対処する。
【００１０】
従って、当該圧力容器は比較的低温で排ガスの全圧に対処するように設計されることが可能である。一方で、ダクトはシステムの最大温度に耐え得るものでなければならないが、排ガスの全圧を包含する必要はなく、よって、より薄い材料で製造することができる。従って、本容器が必要とする高額な高温材料は、全システム圧力及び全温度に耐えなければならない容器であれば必要になると思われるものより遙かに少ない。
【００１１】
ダクトの内側と、ダクト及び圧力容器間の空間との間の圧力を均等にする手段は、例えば、ダクトと圧力容器との間の空間に圧力を均等にするためにダクト内部の圧力に従って制御される加圧された流体を供給することである。但し、圧力を均等にする本手段は、好ましくはダクト壁内の1つ又は複数の貫通孔である。これらの貫通孔は、ダクト内部の流体を単に圧力容器内へと流入させ、流体は圧力容器内に閉じ込められて圧力が均等にされる。
【００１２】
貫通孔又は各貫通孔が熱交換器の冷端部に設けられていれば、当該圧力容器へと流入されるガスはその可能な限り最も低温となり、よって当該圧力容器を損傷しないことが保証される。また、当該圧力容器に漏れが生じたとしても、ガスはダクトの冷端部から取り出されるために、最終的な損傷は限られる。さらに、断熱体で充填された空間に沿うあらゆるガスの流れを回避するために、全貫通孔は概して、好ましくは当該容器を通る双方の流れの流れる方向に垂直である単一の平面内に配置される。
【００１３】
当該断熱体の目的は、圧力容器の内壁をダクト内の高温から遮蔽することにある。従って断熱体は、（断熱体が完全なガス透過性であれば）ダクトの外壁と圧力容器の内面との間の空間を完全に満たして設けられること、圧力容器の内面に設けられること、或いはダクト自体の壁の側に設けるようにすればよい。但し、現時点では、断熱体をダクトの外壁に接して設けることが好ましい。
【００１４】
圧力は、名目上はダクトの内外で均等にされるが、用途によっては、非定常流のために圧力が増大又は低下して脈動が生じる可能性がある。ダクト全体に圧力低下が存在すると、これもまたダクトに応力をかける。
【００１５】
支持体は、複数のタイロッドのような内側の支持体であることが可能である。但し、こうした支持体は、管への妨害を回避するように慎重に構成されなければならない。従って当該支持体は、好ましくはダクトの外側にあり、また実質的にダクトを取り囲むほうが好ましい。
【００１６】
外部支持体は、例えば、外的な補強リブによって与えられればよい。但し、現時点でダクトを支持するための好ましい方法は、支持体を使用してダクトの壁に抗して保持される断熱体でダクトを取り囲むことである。当該支持体は、好ましくは、ダクトの実質的部分を取り囲む１本又は複数のケーブルによって与えられる。そのケーブルは、圧力容器の内壁に固定される、もしくはダクトの全周を通って完全な円状に巻かれるようにしてよい。ケーブル又は各ケーブルは、好ましくは、ばねで荷重されていて、ダクトは、断熱体を膨張させて外側に押し出し、かつダクトが熱収縮すると断熱体をダクトの壁に押し戻すことができる。これによって、ダクトを断熱体によって支持することができ、従ってダクト壁を薄くすることができる。また、断熱体をダクトに極めて近接させて保持することによって、常に適切な支持が維持される。
【００１７】
好ましくは、当該ケーブル又は各ケーブルは、断熱体の外面を横切って伸びるプレートから外向きに突き出す棘状突起又は一連の垂直部上に支持される。このように、ケーブルによって設けられる支持体は、単にブロックの角だけでなく、各ブロックの外面全体に与えられる。
【００１８】
当該ダクトは、好ましくは、圧力容器内のベース上に配置される。断熱体は、ベースとダクトとの間に設けられるのが好ましい。そのベースは容器内部の構造、組み立て、及び保守を単純化するために、圧力容器から着脱可能であることが好ましい。圧力容器におけるダクトの水平方向の熱膨張に配慮するためには、ダクトは、水平に自由に膨張できるように支持されるのが好ましい。ダクトはこのように膨張できるように熱交換器の熱端部でのみベースに固定されることが好ましい。
【００１９】
管はまた、熱膨張しやすい。この熱膨張は、例えば管内に設けられた曲管をたわませることによって対処することができる。これは、所定の熱負荷下では可能である。しかしながら、熱負荷が増大すると、既に高い内圧によって生じる応力下にある管の応力は、許容不能なレベルにまで増大される可能性がある。従って、熱に誘導されるいかなる応力であっても、管のクリープ寿命を短縮させる。故に、応力を低減させ、かつ管の寿命を延ばすためには、管は、その低温状態で圧縮応力を与えられるのが好ましい。従って、管が使用中に加熱されても、熱膨張は圧縮応力を弛緩させるだけで済む。
【００２０】
管は、圧力容器の壁を通過するタイロッドにより張力を与えられるのが好ましい。
【００２１】
管及びダクトは、これらが曝されることになる最大温度及び最大圧力に耐え得る単一の材料で製造されることが可能である。但し、熱交換器全体で温度及び圧力が大きく変化する場合には、ダクト及び／又は管は、各々が連続して接続された異なる材料より成る多数の異なる部品で製造されることが好ましい。こうすれば、システム全体の温度及び圧力に耐え得る高価な材料の使用を減らして、より安価な材料を使用することができる。
【００２２】
多数のヘッダを備えるヘッダアセンブリは、管への流体の伝達及び管からの流体を伝達させるために、圧力容器の各端部内に設けられるのが好ましい。加熱流体を管から、圧力容器の外に伝達するために複数の通路が設けられるのが好ましい。２本以上の管を使用すれば、始動及び停止時の衝撃を受けにくい、壁厚のより薄い管の使用が可能になる。これにより、熱交換器を、そうしない場合に予想される所要時間よりも遙かに速くその作動温度に至らせることができる。また、より薄い壁及びより小さい直径を有する管は、十分な可撓性を備えていてそれ自体の熱膨張を吸収することが可能であり、よって、ベローズ又は他の手段を使用して熱膨張を補償する必要はない。伝熱式熱交換器からの加熱空気を分離してレシプロエンジンの多数の燃焼器シリンダに送る場合、ヘッダからの管の数は、燃焼器内のシリンダ数の倍数であることが好ましく、これにより熱空気を個々にシリンダに送ることができ、しかもさまざまなシリンダ間で単一の流れを分離させるより、はるかに簡単である。
【００２３】
少なくとも１つの端部におけるヘッダ・アッセンブリは、好ましくは、完全な管が各々ヘッダ・アッセンブリの側を通る、又はこれを通過するように構成される。これは、個々の管を何れかの端部でヘッダ・アッセンブリから外し、かつヘッダ・アッセンブリの１つを介してこれを取り外すことにより熱交換器から取り除くことができるような、熱交換器の容易な保守に配慮したものである。
【００２４】
各管は、単なる直線管でよい。しかし、過度に長い圧力容器を用いることなく所望の熱伝達を生じさせるのに十分な長さを管に与えるために、管がねじれているのが好ましい。現時点では、波状に巻かれた管が好ましい。これらは、１８０度の曲管で接続された多数の直線管部分で構成される。直交流構成で外部ガスは直線管部全体に流れるが、１８０度の曲管を連続して設けると外部ガスに対して内部空気の向流流路を生じさせる。この構成はさらに、小形で、曲管で管を曲げて熱膨張をさせるように、実質的な管長に対処することができるという効果がある。
【００２５】
波状に巻かれる各管は、平坦な構造体となるように単一の平面に巻き付けられることが好ましい。次いで管は、好ましくは、上下に積層配置される。
【００２６】
管全体を流れるガスで外部熱伝達を向上させるためには、管の外側に一連のフィン又は乱流増進器を設けることができる。フィンは、追加の熱を管内部に導き入れるために管の表面に接触される場合もあり、離される場合もある。後者であれば、フィンは乱流増進器としてのみ機能することになる。代替として、内部フィン又は乱流増進器を設けることで、管内部を流れる空気で熱伝達を向上させることもできる。熱伝達の全体性能は概して外部の熱伝達によって制限されるため、その最も高い効果は、何らかの形式の外部フィン及び／又は乱流強化によって得られる。特に、フィンは、管の局部長手軸に垂直な平面内で放射方向外側に突出して、管の全円周の回りに均一に突出しているか、近隣の管を非常に密に搭載できるように形づくるか切り取るようにしてもよい。
【００２７】
波状に巻かれた管の場合にはより安価に提供できる、より単純な代替例としては、管の直線部の回りではなく長手方向に沿って走るようにフィンを溶接させるものがある。
【００２８】
これらのフィンは、近隣の管を妨害しない位置にのみ配置することができる。この代替案では、円周のフィンを選択した場合ほど表面積が増加することはないが、乱流を増加させ、かつ流れを隣接する管により効果的に向けることで熱伝達を改善させることができる。当然ながら、圧力損の増大と改善した熱伝達の間で十分なバランスを取ることが重要になる。
【００２９】
内部にリブで囲んだ管を用いる、あるいは管内部で乱流増進器を用いることにより、熱伝達をさらに改善するようにしてもよい。例えば、らせん状の乱流増進器を曲げる前に管の各直線部分に挿入すればよい。
【００３０】
波状に巻かれた管の各巻線は、好ましくはダクトの全幅にわたって延び、巻線とダクト壁との間に空隙を設けながらダクトの各側部で管支持体上に配置される。これによって異なる熱膨張に適用できるように個々の曲管を互いに対して移動できるので、特に効果的である。また、管支持体は、管の組み立てを容易にして、修理又は保守のために個々の管を（必要に応じて）取り除くことを可能にする。
【００３１】
１つのダクトを使用するとき、管はダクトの全幅にわたって延びてダクトの反対側で支持されるようにしなければならない。空気流量のガス流量に対する割合は固定なので、隣接する管の間で間隙を通って流れなければならないガスに利用可能な流れ領域を、管内部の空気が利用可能な流れ領域に照らして考慮することが重要である。そうでなければ、１つの流体の速度が過度に高くなって、その他の流体において低速の流れと結合した流体で圧力損が大きくなり、熱伝達が低下してしまう。管の内径、外径と、隣接する管間の間隙が既に別の要因により決定されている場合、（ダクト幅に通常等しい）管の直線直交流部の長さを、２つの流れ領域との間の適正なバランスを保つことができるように選択することが重要である。これは全ての管が、幅よりもはるかに長い又ははるかに短い長手方向のダクトの断面に至る場合、問題が生じる。いずれの場合でも、円筒形圧力容器が、その容器に収められる管の数に関して本来あるべき大きさよりはるかに大きくなる。
【００３２】
管の所要数が多すぎて略方形の断面のダクトに収容できず、別の容器では別のパラメータを十分に調節できない場合、１つの選択肢として、ダクトの側面から間隔を置いて配置され、ストリームが容器を通過する方向でダクトに沿って延びる１つ以上の管支持体を設けるということが挙げられる。これによって、ダクト内で２つ以上の管を並べて支持することができる。管支持体又は各管支持体は、ダクトの全長を走り、ダクトの全高にわたって延びる。１つの管支持体を備えた構成では、たとえば、流れ領域での必要な均衡を崩すことなく、約２倍の幅、半分の高さのダクトが設けられる。これは従来の構成ではたった１つの管であるのに対し、ダクト幅の範囲内の２つの管の空気流の断面があるからである。
【００３３】
２つ以上の管支持体をダクトの中心の下方に設ける代わりに、ストリームが圧力容器を通過する方向で平行に延びる２つ以上のダクト部を設けても同様の効果が得られる。現在は、２つのダクトを並べて配置することで、波状に巻かれた管それぞれの長さを半分にすることが好ましい。ダクト部は、単一のダクトと比較して、ヘッダアセンブリを介して圧力容器からより簡単に取り外される。
【００３４】
管は、ダクトの壁に固定された横梁上に、管が横梁上を自由に滑動できるように配置されるのが好ましい。これによって、管を局所的に熱膨張することができ、管をダクトから取り外すのが容易になる。
【００３５】
次に、添付の図面を参照しながら、本発明に従って構成される熱交換器の一例について説明する。
【００３６】
説明する熱交換器は、国際公開公報第９４／１２７８５号の図４に記載のエンジンとともに用いられるよう設計される伝熱式熱交換器である。当該伝熱式熱交換器は、等温圧縮空気の冷たい流れと燃焼器からの膨張された排ガスの熱い流れとの間で熱交換するよう設計される。伝熱式熱交換器から出る加熱された圧縮空気はその後、燃焼器に送られる。
【００３７】
例えば図１に示すように、当該伝熱式熱交換器は（例えば軟鋼の）圧縮容器１を備え、圧縮容器１内にはその他すべての構成要素が収納されている。伝熱式熱交換器には、冷端部２と熱端部３がある。冷たい圧縮空気入口４と冷たい排ガス出口５は冷端部に設けられ、熱い圧縮空気出口６と熱い排ガス入口７は熱端部に設けられる。後で詳細に説明するように、複数の蛇行状装置８は冷端部２から熱端部３に圧縮空気を送る。実質的に矩形断面のダクト９が蛇行状装置８を取り囲み、熱端部３から冷端部２に排ガスを送る。従って、伝熱式熱交換器は、熱が排ガスから圧縮空気に蛇行状装置の壁を介して伝達される逆流熱交換器として作用する。
【００３８】
圧力容器１は本質的に円筒形であり、何れかの端部にボルト止めされた２つの円形のエンド・プレート１０を有している。
【００３９】
図２Ａ-２Ｄに示すように、熱ヘッダアセンブリ１１は、ダクト９内に設けられ、複数の蛇行状装置８を出口６に接続する働きをしている。実際、出口６はダクト９内に垂直方向下向きに伸びる１２本の別々の管６Ａ-６Ｌを備える。図２Ａ及び２Ｂから明らかなように、熱い排ガス入口７はダクトマニホルド１２につながっており、ダクトマニホルド１２は長手方向に伸びる２つのダクト部９Ａ及び９Ｂ間で排ガス流を分離する。熱い圧縮空気出口管６Ａ-６Ｌのうち６つの管は、各ダクト部９Ａ及び９Ｂから延びている。ダクト部それぞれの構造は同一でありこのうちの１つの構造のみを以下で説明する。管６Ａ-６Ｌの各々は、蛇行状装置８のうちのいくつかに接続される。例えば、図２Ａ及び２Ｂに示すように、管６Ａは８つの蛇行状装置８Ａ-８Ｈに接続される。同様に残りのすべての管６Ｄ-６Ｌにも接続している。
【００４０】
ヘッダアセンブリ１１は、ダクト９のベースを通過してダクトが搭載されるダクトベースプレート１４に固定される６つのボルト１３によって所定位置に保持される。熱い排ガス入口７にはベローズ部１５が設けられ、垂直熱膨張に対処できるようにしている。同様のベローズ部１６が圧力容器内でポート１７に設けられ、熱い圧縮空気出口が圧力容器からポート１７を介して延び、熱い排ガス入口が圧力容器に向かってポート１７を介して延びる。
【００４１】
次に、図３Ａ-３Ｄを参照しながら容器の冷端部について説明する。冷端部２では、冷ヘッダアセンブリ１８が設けられて冷たい圧縮空気入口４から蛇行状装置８に冷たい空気を伝達する。冷たい圧縮空気入口４は、図３Ｂでもっとも明確に示すように、２つのダクト部９Ａ及び９Ｂの垂直縁部のちょうど上に配置される４つの管４Ａ-４Ｄに分岐する。管４Ａ-４Ｄは、冷端部２のエンドプレート１０を取り除き、蛇行状装置８をそれが固定されていた管４Ａ乃至４Ｄ及び６Ａ乃至６Ｌから取り外して、蛇行状装置８を、冷端部を介して圧力容器１から軸方向に取り外すことにより、個々の蛇行状装置８が圧力容器から取り外せるような間隔をとっている。冷たい圧縮空気入口管４Ａ-４Ｄはそれぞれ、熱い圧縮空気出口管６Ａ-６Ｌそれぞれに接続される蛇行状装置８より多くの蛇行状装置８に接続されている。図３Ｄで接続されている管は図面をわかりやすくするために数を減らして示している。しかし、いうまでもなく実際は、蛇行状装置８と熱ヘッダ１１と、蛇行状装置と冷ヘッダアセンブリ１８との間には同数接続されている。
【００４２】
ダクト９Ａ及び９Ｂは、ダクトマニホルド１９を介して冷たい排ガス出口５につながっている。ダクト９がベースプレート１４で膨張するよう冷ヘッダアセンブリ１８はベースプレート１４に固定されない。
【００４３】
次に図４を参照して、１つの蛇行状装置について説明する。蛇行状装置は管を交互に反対方向に曲げることによって多数の波状に巻かれた巻数となる。これは、曲げ部すべてが共通平面内に形成された非常に密着した偏心距離となるように自動ベンダ内で管を冷温屈曲させることによって行うのが好ましい。各蛇行状装置は材料が異なる多数の部分８’、８”、８”’からなる。第１の部分８’は、最高７７０℃の温度に耐えるように伝熱式熱交換器の最高温部として設計される。第２の部分８”は、熱交換器の中間部として設計されて、最高６５０℃の温度に耐えうるものであり、第３の部分８”’は、熱交換器の低温部として設計されて、最高５６１℃の温度に耐えうるものである。たとえば、ＮＦ７０９（高温特殊ステンレス鋼）を熱端部で用いて、３２１ステンレス鋼を中央部で用いて、２１／４Ｃｒ低温合金鋼を冷端部で用いることができる。それぞれの部分は溶接２０で溶接される。実際、材料が異なるそれぞれの部分はそれ自体溶接２０で溶接されるいくつかの部分からなるものでもよい。
【００４４】
図５に示すように、蛇行状装置はそれぞれ、ダクト壁９により一方の側に沿って支持されている。ダクト自体は異なる材料、例えば熱端部がＨａｙｎｅｓ２３０（高価なニッケル合金）からなり、冷端部が３２１ステンレス鋼からなるものであってよい。各ダクト壁には熱端部２と冷端部３との間に延びる、複数の長手方向に延びる溝状のブラケット２１が設けられる。各蛇行状装置８とブラケット２１には適切な空隙が設けられ、蛇行状装置が熱膨張できるよう、蛇行状装置はブラケットに固定されない。また、これにより上記の個々の蛇行状装置８を容易に取り外すことが可能となる。ブラケット２１の代わりに角状部を用いてもよい。
【００４５】
当該蛇行状装置８は、（図７Ａに示すように）直列構成で、すなわち１つの蛇行状装置の巻がその下にある蛇行状装置の巻のちょうど上に来るように積層してもよい。あるいは、該蛇行状装置８は、（図７Ｂに示すように）１つの蛇行状装置の巻がその下にある蛇行状装置の巻に対して隣接する巻のピッチの半分のピッチだけずれるように千鳥状にしてもよい。
【００４６】
図７Ｂに示すような千鳥状管構造によって、管間の最小間隙が広がり、従って熱伝達と圧力損の両方を決定する重要なパラメータとしてのガス最大速度を減少させる。互いに近接した管を移動させて増大した間隙の補償は、曲げ部と管支持体との相互干渉により容易には行えない。従ってこうした状況では、従来の経験とは逆に、千鳥状の管を変化させることで熱伝達性能を低下させる。全体の設計によっては、図７Ｂに示すような単純千鳥状管構造の圧力損を減少させても、図７Ａに示すような直列配列の構造に対する熱伝達低下を十分補償できない可能性がある。
【００４７】
従来の円形フィン３０を蛇行状装置から突出させて（図７Ｄに示すように）熱伝達を改善するようにしてもよい。あるいは、フィン３１を図７Ｃに示すような非円形にして隣接する蛇行状装置が干渉しあわないようにしてもよい。これは、互いに隣接する蛇行状装置の巻が近接する直列に配置される蛇行状装置に特に適用可能である。
【００４８】
さらなる代替例では、管の直線部それぞれに、直線部に沿って軸方向外側に突出する、すなわち図７Ｅに示すように紙面の平面から突出する１つの偏向板３２を設けるようにしてもよい。これらの偏向板３２は、下流の管に当接するように排ガスを偏向させて配置することができる。十分に熱接触するように偏向板３２を管に固定すると、表面積を増加させ、偏向板から管へ熱が流れる経路を与えるという効果がある。あるいは、このようなデ偏向板を蛇行状装置に取り付けないで、別個の構成要素として設けることも可能である。この場合、多数の垂直に並べられた偏向板がルーバ状構造上で接合されると考えられる。
【００４９】
図７Ｆは、直列構成で搭載される管の両側に設けられるフィン３３を含む変形例を示している。これによって図７Ｅより表面積が大きくなる。図７Ｇは、流れに対して角度がつけられていないフィン３４を管の両側に設けた千鳥状管構成を示している。これにより、圧力損が減少し、表面積が大きくなることで基本の千鳥状構成の熱伝達が改善される。図７Ｈは、表面積を増加させ、最小間隙を狭め、隣接する熱伝達面上に流れを偏向させるように、角度がついたフィン３５を千鳥状管の両側に配置した改良例を示している。隣接する曲げ部と管支持体との干渉を避けるのに十分な間隔がなお保たれており、必要に応じて保守時に個々の管を取り外すことも可能である。
【００５０】
蛇行状装置は圧縮応力を与えられた状態で支持される。ここでは、タイロッド２２のシステムを用いる。このようなタイロッド２２は、図２Ａ及び図２Ｃに示すように、また図２Ｄでもっとも明確に示されるように熱端部に4つ設けられている。タイロッドは一端に多数の外側に延びるフランジ２２Ａを有して、当該フランジ２２Ａが熱い圧縮空気出口管６Ａ-６Ｌに係合する。タイロッドの反対の端部はエンドプレート１０内に延びてナット２２Ｂで固定される。タイロッド２２のフランジ２２Ａを熱い圧縮空気出口管６Ａ-６Ｌに係合することで張力が蛇行状装置に伝わるようナット２２Ｂを締め付けることにより、蛇行状装置６に張力をかける。冷端部２でも同様の構成で、ここでは６個のタイロッド２２が用いられる。
【００５１】
次に、図６Ａ及び６Ｂを参照して、ダクト９を支持して断熱する方法について説明する。ダクト９は四方を断熱体２３からなるブロック（典型的には珪酸カルシウムブロック）で囲まれる。さらに別の断熱体２４ブロックを、図２Ａ及び２Ｃに示すようにダクト９の熱端部を覆うように設ける。ブロックはダクトの周りで煉瓦状に配置される。２層のブロックを用いてブロック間の接合が千鳥状になるようにする。これによって、断熱体を介した、直接抜ける熱経路が確実になくなるようにする。ブロックを互いに引き離す場合は、可撓性セラミックウール断熱体、たとえばカオウールやロックウールなどの植え金を、間隙を埋めるように延ばして用いてもよい。
【００５２】
ダクト９が配置される底部ブロック以外では、断熱体２３のブロックがそれぞれプレート２５を備え、ここから棘状突起２６が各ブロックの全幅にわたり延びている。当該プレート２５はブロック２３に対して保持されるが、ブロック２３に固定されない。各側部プレート２５の底部には、多数のタグ２５´が圧力容器の壁に向かって突出している。
【００５３】
これらのタグは、図６Ｂに示すように、ベースプレート１４から上方に延びるリップ１４’上に配置される。この効果は、各サイドプレート２５の重心が支持体の一点に対して放射状内側に位置して、プレートを支持するケーブルが故障しても、重力によって断熱体ブロック２３に対して付勢できるという点にある。図６Ａから明らかなように、棘状突起２６は圧力容器１の内壁に対してほぼ放射状に延び、ベースプレート１４の下方以外では実質的に円形の包絡線を形成する。各棘状突起には複数のプーリ２７が設けられ、プーリ２７は、すべての棘状突起を取り囲み、バネが設けられた支持体２８によりベースプレート１４に隣接するいずれかの端部で保持されるケーブル２７Ａを支持する。当該プーリ２７の代わりに丸棒を用いてもよい。
【００５４】
ダクト支持体としての別の例を図６Ｃに示す。これは図６Ｂの支持体とほぼ同一であり、同一の参照番号で同一構成要素を示している。本構成では、棘状突起２６の代わりに同様に機能する一対の垂直部対２６Ａを用いている。ここではバネが設けられた支持体２８Ａが、プレート２５の側部の途中に設けられる。支持体２８Ａは、バネ２８Ｃを収容するハウジング２８Ｂと、バネの移動を制限して支持体が損傷しないようにするリミタ２８Ｄとを備える。リミタ２８Ｄがその移動端部に到達すると、ケーブル２７Ａの膨張とダクト壁の負荷によってさらに熱膨張が調整される。
【００５５】
当該ダクト９の長さに沿って多数のプレート２５が設けられる。各プレート２５には、関連する支持体に並列に接続して、１本以上のケーブルが故障する場合にある程度の冗長性を与える、最大で４本のケーブル２７Ａが設けられる。
【００５６】
図６Ｂ及び６Ｃの構成によって、熱交換器の作動中に当該ダクト９が熱膨張すると、支持体２８内に設けられたバネが膨張し、さらにケーブル及び棘状突起２６又は垂直部対２６Ａが断熱体２３の各ブロックの面の全幅にわたって力を加えて、これによりダクト９をしっかりと支持する。当該ダクト９は断熱体ブロック２３の低部に配置され、熱膨張によって本ブロックに対して自由に移動する。熱交換器が使い終わり取り出され、冷却されると、ダクトが収縮するにつれバネがケーブルを引っ張るため、これにより断熱体が当該ダクトを確実に支持することが保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧力容器及びダクトの一部を分解して内部の詳細を示した熱交換器の斜視図である。
【図２Ａ】 圧力容器の側壁が取り除かれて、いくつかの部材が断面で示された熱端部の側面図である。
【図２Ｂ】 圧力容器の側壁が取り除かれて、いくつかの部材が断面で示された熱端部の側面図である。
【図２Ｃ】 圧力容器の側壁が取り除かれた熱端部の平面図である。
【図２Ｄ】 熱端部のみのヘッダ及びタイバーを示した斜視図である。
【図３Ａ】 冷端部であることを除いて図２Ａに類似した図である。
【図３Ｂ】 冷端部であることを除いて図２Ｂに類似した図である。
【図３Ｃ】 冷端部であることを除いて図２Ｃに類似した図である。
【図３Ｄ】 冷端部のヘッダアセンブリのみを示した斜視図である。
【図４】 単一の蛇行状装置を示した斜視図である。
【図５】 蛇行状装置をダクト内に搭載して示した、ダクトの一部及び４つの蛇行状装置の一部の概略断面図である。
【図６Ａ】 熱交換器の中央部分の垂直面での横断面図である。
【図６Ｂ】 図６Ａに示されたダクトと、断熱体と、ベースの一部を示した斜視図である。
【図６Ｃ】 ケーブル用の別の支持体を示した、図６Ｂに類似した図である。
【図７Ａ〜７Ｈ】 圧力容器の主軸に平行な垂直面での横断面図であって、巻数が３のさまざまな構成の多数の蛇行状装置を示した図である。

Claims (3)

1. 熱交換器であって、
   圧力容器と、
   圧力容器を通って一つの方向に向かう第１の流れのための、複数の管内に設けられた第１の通路と、
   圧力容器から離間して、管の壁を通して容器を通して熱伝達が生じるように管を囲むダクトを備えた、第２の流れが圧力容器を通る反対方向に流れるようにするための第２の通路と、
   ダクトの内側とダクト及び圧力容器間の空間との間の圧力をほぼ均等にするための手段と、
   ダクトと圧力容器の内面との間の断熱体と、
   ダクトの内側の圧力がダクトの外側の圧力より高いことよって生じる膨張に対してダクトを支持する支持体と、を具備し、
   支持体がダクトの実質的部分を取り囲む１本又は複数のケーブルによって構成された、熱交換器。
2. ケーブル又は各ケーブルがばねで荷重され、よってダクトは断熱体を膨張させて外側に押し出し、かつダクトが熱収縮すると断熱体をダクトの壁に押し戻すことができる、請求項１に記載の熱交換器。
3. ケーブル又は各ケーブルは、断熱体の外面を横切って伸びるプレートから外向きに突き出す棘状突起又は一連の垂直部上に支持される、請求項１又は２に記載の熱交換器。

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