JP4933125B2 - シェルアンドチューブ形熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、シェルアンドチューブ形熱交換器に関する。

図８は、従来のシェルアンドチューブ形熱交換器１を示す断面図であり、この従来技術はたとえば特許文献１に記載されている。シェルアンドチューブ形熱交換器１は、シェル本体２内に複数の伝熱管３が相互に間隔をあけて水平に収容され、両端部が管板４，５によってシェル本体２内でそれぞれ保持される。

シェル本体２内の空間は、各管板４，５によって２つのチャネル空間６，７と、各伝熱管３が収容される胴内空間８とに仕切られ、各伝熱管３の両端部は各管板４，５を貫通して、チャネル空間６，７に臨んで開放している。

一方のチャネル空間６には管側流体が供給され、この管側流体は各伝熱管３を通過して、胴側空間８を通過する胴側流体と熱交換した後、他方のチャネル空間７へ流出して、後続する処理設備へ導かれる。

特開２００２−６２０８１号公報

前記従来の技術では、気液２相の混合流体を管側流体としてシェルアンドチューブ形熱交換器１の一方のチャネル空間６に導入すると、その混合流体の一部は各伝熱管３を経て他方のチャネル空間７へ導かれ、各管板４，５に衝突した高沸点物質の液体が、各管板４，５の表面４ａ，５ａを伝って流れ落ち、各チャネル空間６，７の下部に仮想線１０，１１で示されるように滞留する。

このように各チャネル空間６，７の下部に液体１０，１１が滞留すると、その滞留した液体１０，１１によって下部に配置される伝熱管３が閉塞されるため、胴側流体との熱交換量の低下、流体の成分の変動および混合流体の流れの阻害などの不具合が生じるという問題がある。

また、液化天然ガス（略称ＬＮＧ）などの低温流体を冷熱源として使用する場合、交換熱量を調節するため、低温流体を一方のチャネル空間６内で噴霧して気液混合させることがある。このような場合には、噴霧された液滴が一方の管板４に直接接触し、一方のチャネル空間６に液体が滞留し易く、前述の胴側流体との熱交換量の低下、流体の成分の変動および混合流体の流れの阻害などの不具合が起こり易いという問題がある。

本発明の目的は、胴側流体との熱交換量の低下、流体の成分の変動および混合流体の流れの阻害などの不具合の発生を防止することができるシェルアンドチューブ形熱交換器を提供することである。

本発明は、複数の伝熱管と、
各伝熱管が相互に間隔をあけて水平に収容され、各伝熱管との接触によって熱交換されるべき胴側流体が供給されるシェル本体と、
シェル本体内の空間を、気液２相の混合流体からなる管側流体が供給されるチャネル空
間と、前記複数の伝熱管が収容される胴内空間とに仕切り、各伝熱管の端部が貫通して前記チャネル空間に臨んで端面を露出させた状態で開口する管板とを含み、
前記管板には、各伝熱管の前記端面よりも突出し、かつ鉛直に対して交差する方向である水平方向に延びる段差部が形成され、
前記段差部は、上下に隣接する伝熱管の間に形成されることを特徴とするシェルアンドチューブ形熱交換器である。

本発明に従えば、シェル本体内には複数の伝熱管と管板とが収容され、各伝熱管の端部は管板を貫通して、チャネル空間に臨んで開口し、端面が露出している。各伝熱管は、相互に間隔をあけて水平であり、チャネル空間には気液２相の混合流体が供給され、胴内空間には胴側流体が供給され、混合流体と胴側流体とが熱交換が行なわれる。

前記管板には、各伝熱管の前記端面よりも突出し、かつ鉛直に対して交差する方向である水平方向に延びる段差部が形成される。このような段差部が管板に設けられることによって、前記チャネル空間に供給された管側流体の液滴が管板に付着すると、その管板を伝い落ちる液滴の流れ方向は、鉛直方向に対して交差する方向である水平方向に変化し、より多くの液体を上方に配置される伝熱管へ導いて、管側流体の各伝熱管への流入量を増加させて、チャネル空間の下部に滞留する液体を減少させることができる。

このようにチャネル空間の下部に滞留する液体を減少させることができるので、下部に配置される伝熱管の液体による閉塞を防止し、管側流体の流れが阻害されることが少なくなり、胴側流体との熱交換量の低下を低減し、流体の成分の変動などを防止することができる。

また本発明は、前記チャネル空間には、前記管側流体に混合させる液体を、前記管板に向かって噴霧する液体噴霧手段が設けられることを特徴とする。

本発明に従えば、チャネル空間に液体噴霧手段が設けられるので、液体噴霧手段から管側流体の液体を管板に向かって噴霧することによって、噴霧された液体とチャネル空間に供給された管側流体とが気液混合して、チャネル空間から各伝熱管に導かれる管側流体の流量を増加させ、液体噴霧手段から液体を噴霧しない場合に比べて熱交換量を増加させることができる。したがって、液体噴霧手段から噴霧される液体の噴霧量を変化させることによって、熱交換量を調節することができる。

本発明によれば、管板に段差部が設けられることによって、チャネル空間の下部に滞留する液体を減少させ、伝熱管の液体による閉塞および管側流体の流れの阻害などの不具合が生じず、胴側流体との熱交換量が低下することが防がれ、流体の成分の変動などを防止することができる。

また本発明によれば、チャネル空間に液体噴霧手段が設けられるので、チャネル空間から各伝熱管に導かれる管側流体の流量を変化させて、熱交換量を調節することができる。

図１は本発明の実施の一形態のシェルアンドチューブ形熱交換器２０の一方のチャネル空間２７側に設けられる管板３０付近を示す一部の断面図であり、図２はシェルアンドチューブ形熱交換器２０の全体の構成を示す断面図である。シェルアンドチューブ形熱交換器２０は、円筒状の胴部２１の両端部に略半球状のチャネル部２２，２３が形成される中空のシェル本体２４と、シェル本体２４の胴部２１内に収容される複数の伝熱管２５と、シェル本体２４内の空間を、気液２相の混合流体からなる管側流体が供給されるチャネル空間２７，２８と、前記複数の伝熱管２５が収容される胴内空間２９とに仕切り、各伝熱管２５の端部が貫通する一対の管板３０，３１と、前記管側流体が供給される一方のチャネル空間２７に設けられ、前記管側流体に混合させる液体を前記一方のチャネル空間２７と胴内空間２９とを仕切る一方の管板３０に向かって噴霧する液体噴霧手段である液体噴霧ノズル３２とを含む。

前記管側流体は、たとえば−５０℃程度の液化天然ガス（略称ＬＮＧ）とその気化したガスとが混合した気液２相の混合流体であり、前記液体噴霧ノズル３２から噴霧される液体は、たとえば−１６０℃程度の前記液化天然ガスである。また、胴内空間２９に供給される胴側流体は、たとえばプロパンガスなどの媒体である。

液体噴霧ノズル３２には、図示しない液体供給源から前記液体が供給され、この液体供給源から液体噴霧ノズル３２への液体の供給量を制御することによって、熱交換量を調整することができるように構成されている。

前記胴部２１には、前記胴側流体が供給される供給側管継手３５と、胴内空間２９から胴側流体を排出する排出側管継手３６とが設けられる。また、一方のチャネル部２２には、前記管側流体が供給される供給側管継手３７が設けられ、他方のチャネル部２３には管側流体を排出する排出側管継手３８が設けられる。

各伝熱管２５は、胴内空間２９内で各管板３０，３１によって相互に間隔をあけて水平に保持され、各伝熱管２５内の管側流体と胴内空間２９に供給された胴側流体とが熱交換して、胴側流体を冷却することができる。

図３は一方の管板３０の斜視図であり、図４は一方の管板３０を図２の左方から見た一部の拡大正面図である。前記一方の管板３０には、各伝熱管２５のチャネル空間２７に臨む各端面３９よりも管側流体の流れ方向Ａ上流側に突出し、かつ図１において上下方向である鉛直に対して交差する方向である水平方向に延びる複数の段差部４０が形成される。各伝熱管２５は、格子状に配列され、上下に隣接する伝熱管２５間に段差部４０が一体的に形成される。

図５は伝熱管２５の管板３０への取り付け状態を示す拡大断面図である。各伝熱管２５は、その軸線方向一端部が管板３０に形成された挿通孔４３を挿通し、端面３９の周囲が溶接される。

管板３０は、鋼鉄製の強度上必要な厚さよりも２ｍｍ〜３ｍｍ程度大きい厚さの円板状の基材に、フライス盤加工によって溝４４を形成することによって、前記段差部４０が形成されてもよく、各段差部４０を金属材料または合成樹脂材料によって基材とは独立した部材として別途に製作して、円板状の基材の表面に貼着するようにしてもよい。

このように構成されるシェルアンドチューブ形熱交換器２０において、前記管板３０には各伝熱管２５の前記端面３９よりも突出し、かつ鉛直に対して交差する方向に延びる段差部４０が形成されるので、前記チャネル空間２７に供給された管側流体の液滴が管板３０に付着すると、その管板３０を伝い落ちる液滴の流れ方向は、段差部４０に沿う水平方向に変化し、より多くの液体を、より上方に配置される伝熱管２５へ導いて、管側流体の各伝熱管２５への流入量を増加させ、チャネル空間２７の下部に滞留する液体を減少させることができる。

こうしてチャネル空間２７の下部に滞留する液体を減少させることができるので、下部に配置される伝熱管２５の液体による閉塞を防止し、管側流体の流れが阻害されることがなくなり、胴側流体との熱交換量の低下を低減し、流体の成分の変動などを防止することができる。

また、チャネル空間２７に液体噴霧ノズル３２が設けられるので、液体噴霧ノズル３２から管側流体の液体を管板３０に向かって噴霧することによって、噴霧された液体とチャネル空間２７に供給された管側流体とが気液混合して、チャネル空間２７から各伝熱管２５に導かれる管側流体の流量を増加させ、液体噴霧ノズル３２から液体を噴霧しない場合に比べて熱交換量を増加させ、あるいは噴霧量を低減することによって熱交換量を減少させ、こうして液体噴霧ノズル３２から噴霧される液体の噴霧量を変化させることによって、熱交換量を調節することができる。

図６は本発明の実施の他の形態の管板３０ａを示す斜視図である。なお、前述の実施の形態と対応する部分には同一の参照符を付す。本実施の形態では、管板の増厚が困難である場合、管板がクラッド鋼である場合、または表面に防食などの目的でコーティングされている場合は、別途製作した金属製または合成樹脂製の細長い板または棒状体からなる段差部４０を、前記基材の表面に溶接または貼着した管板３０ａを用いるようにしてもよい。

図７は本発明の実施のさらに他の形態の管板３０ｂを示す一部の拡大正面図である。本実施の形態では、段差部４０が図７の上下方向である鉛直方向に対して予め定める角度θを成して傾斜して形成される。この角度θは、鉛直に対して交差する角度であって、たとえば４５°に選ばれるが、伝熱管２５の配列に応じて０°＜θ＜９０°の範囲で適宜設定されてもよい。

本発明の実施の一形態のシェルアンドチューブ形熱交換器２０の一方のチャネル空間２７側に設けられる管板３０付近を示す一部の断面図である。 シェルアンドチューブ形熱交換器２０の全体の構成を示す断面図である。 一方の管板３０の斜視図である。 一方の管板３０を図２の左方から見た一部の拡大正面図である。 伝熱管２５の管板３０への取り付け状態を示す拡大断面図である。 本発明の実施の他の形態の管板３０ａを示す斜視図である。 本発明の実施のさらに他の形態の管板３０ｂを示す一部の拡大正面図である。 従来のシェルアンドチューブ形熱交換器１を示す断面図である。

符号の説明

２０ シェルアンドチューブ形熱交換器
２１ 胴部
２２，２３ チャネル部
２４ シェル本体
２５ 伝熱管
２７，２８ チャネル空間
２９ 胴内空間
３０，３１ 管板
３２ 液体噴霧ノズル
４０ 段差部

Claims (2)

1. 複数の伝熱管と、
   各伝熱管が相互に間隔をあけて水平に収容され、各伝熱管との接触によって熱交換されるべき胴側流体が供給されるシェル本体と、
   シェル本体内の空間を、気液２相の混合流体からなる管側流体が供給されるチャネル空間と、前記複数の伝熱管が収容される胴内空間とに仕切り、各伝熱管の端部が貫通して前記チャネル空間に臨んで端面を露出させた状態で開口する管板とを含み、
   前記管板には、各伝熱管の前記端面よりも突出し、かつ鉛直に対して交差する方向である水平方向に延びる段差部が形成され、
   前記段差部は、上下に隣接する伝熱管の間に形成されることを特徴とするシェルアンドチューブ形熱交換器。
2. 前記チャネル空間には、前記管側流体に混合させる液体を、前記管板に向かって噴霧する液体噴霧手段が設けられることを特徴とする請求項１記載のシェルアンドチューブ形熱交換器。

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