JP5528458B2 - 広範な性能範囲を制御する多管式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は広範な性能範囲を制御する多管式熱交換器に関する。

例えばガス化設備、熱及び触媒分解設備、蒸気改質設備等のような多数のプロセス技術設備において媒体流特にガスを冷却するため、一般に熱交換器特に多管式熱交換器（冷却器）が使用され、冷却すべき媒体流がまっすぐな加熱面管を通って流れ、その際熱い媒体流に存在する熱が管壁を経て管を包囲する冷却媒体へ放出される。

このような熱交換器又は多管式熱交換器の主要目的は、上述したように２つの媒体の間の熱伝達であり、一方の媒体（高温媒体）から特定の熱量が排出され、他の媒体（冷却媒体）へ適当な熱量が供給される。伝達される熱の量は、周知のように熱交換器の大きさ、両方の媒体の熱伝達係数及び両方の媒体の温度差に関係している。１相媒体では、給熱又は放熱により媒体温度が変化する。この場合熱交換器の長さにわたる温度推移は、指数関数に類似している。

多管式熱交換器は、一般に多数の加熱面管、加熱面管を包囲して多筒空間を形成する圧力外筒、及び２つの管板から成り、これらの管板の間に加熱面管が設けられている。第１の媒体は熱交換器の管入口室を通って流れ、それから熱交換器の加熱面管及び管出口室を通って流れる。第２の媒体は、接続管片を経て熱交換器の外筒空間へ流入し、個々の加熱面管の周りを繰返し流れ、続いて第２の接続管片を通って熱交換器から流出する。

両方の媒体は、熱交換器又は多管式熱交換器内を熱交換器の同じ軸線方向に流れるか（並流）、又は両方の媒体のうち一方の媒体が他方の媒体に対して逆方向に流れる（逆流）。熱交換器の媒体の温度推移は逆流と並流とで相違し、従って両方の媒体の間で異なる高さの平均対数温度差を生じる。従って両方の媒体で伝達される熱量は、両方の回路即ち逆流回路及び並流回路に対して異なる大きさである。

熱交換器又は多管式熱交換器は、汚れ（加熱面管内の沈殿物、汚物）又は他の影響により、多管式熱交換器の運転時間と共に変化し、それにより制御介入が必要になる。同時に伝達すべき熱量又は媒体出口温度を所望の運転負荷に合わせる必要がある。媒体出口温度従って多管式熱交換器の熱出力を制御するため、バイパス導管と三方弁即ち制御される三方弁から成るバイパス制御装置が使用される。その際媒体流の一部が、多管式熱交換器への導入前に主流から取出され、多管式熱交換器の周りに導かれるか又はバイパスされる。媒体の減少する流量は、熱伝達を少なくし、変化する媒体出口温度を介して平均対数温度差に影響を及ぼす。しかしこのバイパス装置により得られる制御範囲又は制御介入は比較的小さい。

本発明の課題は、前記の欠点を回避するか又は媒体の出口温度及び伝達すべき熱量を非常に広い範囲で制御可能なバイパスシステムを持つ多管式熱交換器を提供することである。

前記課題は、多管式熱交換器に関して請求項１の特徴の全体により解決される。

本発明の有利な構成は、従属請求項からわかる。

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提供される。
即ち広い制御範囲を持つ多管式熱交換器が利用可能にされ、それにより廃熱区間の低温端部における多管式熱交換器の一層良好な制御を可能にする。

有利な構成では、制御可能に構成される三方弁が、冷却媒体流に関して、多管式熱交換器の流出側に設けられている。この配置の利点は、媒体出口温度の正確な制御可能性である。別の有利な構成では、制御される１つの三方弁のほかに、別の三方弁が切換え弁として構成されている。切換え弁として構成される三方弁により、全冷却媒体流が明確に規定されて外筒空間の前端部又は後端部へ導入されるか、又は外筒空間の前端部及び後端部から導出され、従って外筒空間において第１の媒体流に対して冷却媒体の並流又は逆流が実現されるようにすることができる。

切換え弁として構成される三方弁が、冷却媒体流に関して多管式熱交換器の流入側に設けられていると、好都合である。

本発明の有利な構成では、制御される三方弁のほかに、別の三方弁も同様に制御される三方弁である。この場合制御技術的に、両方の三方弁のうちどちらかが動作するように制御することができる。

特に有利なように、バイパス導管内に流量測定装置が設けられている。この流量測定装置により、バイパス導管内の部分質量流を最も正確に検出し、それにより制御量として制御プロセス及び制御される三方弁に作用させることができる。

好都合なように、圧力外筒の後端部にある接続管片及び／又は圧力外筒の前端部にある接続管片が、多管式熱交換器の縦軸線の方向に見てそれぞれ同列に並んでいる。それにより冷却媒体の部分流をバイパスさせる場合外筒空間を通る際短い行程が生じる。

更に本発明の有利な構成では、圧力外筒の後端部にある接続管片及び／又は圧力外筒の前端部にある接続管片が、多管式熱交換器の縦軸線に対して直角な面に関して、この面に対しそれぞれ任意の角をなしている。それにより冷却媒体のバイパスすべき部分流の抵抗又は圧力損失を減少するか又は小さく保つことができる。

本発明の実施例が図面により以下に詳細に説明される。

冷却媒体が熱交換器を通って逆流で導かれる多管式熱交換器の概略縦断面図を示す。 図１と同様であるけれども、冷却媒体の部分流が第２のバイパス導管を通って導かれるものを示す。 冷却媒体流が熱交換器を通って並流で導かれる多管式熱交換器の概略縦断面図を示す。 図３と同様であるけれども、冷却媒体の部分流が多管式熱交換器の外筒空間を通る前に分岐されて流出導管へ供給されるものを示す。 図２に代わる構成を示す。 接続管片の面で図１のＡ−Ａ線による多管式熱交換器の断面図を示す。

図１は多管式熱交換器１を縦断面図で概略的に示す。このような多管式熱交換器１は、例えばガス化設備、熱及び触媒分解設備、蒸気改質設備等のような多数のプロセス技術設備において必要とされ、プロセスガス、廃ガス等が製造される。一般に多管式熱交換器１は、図示しない導管により多管式熱交換器１の管入口室９へ導入され、ここから多数のまっすぐな加熱面管２を通され、続いて多管式熱交換器１の管出口室１０で集められ、かつ図示しない導管により多管式熱交換器１から排出される、前記の高温ガス又は第１の媒体流７の冷却に用いられる。加熱面管２を包囲する冷却媒体８との間接熱交換を行う加熱面管２は、２つの管板３，４の間に互いに間隔をおいて設けられ、これらの管板と固定的にかつ気密に一般に溶接で結合されている。

全加熱面管２は、外筒空間５を形成する圧力外筒６により包囲される。圧力外筒６の両端部には、冷却媒体８を外筒空間５へ導入するか又はこれから導出する２つの接続管片がそれぞれ設けられている。一層良好な対応のため、ここでは管出口室１０に隣接する圧力外筒６の端部が後端部１５と称され、管入口室９に隣接する圧力外筒６の端部が前端部１６と称される。本発明によれば、２つの接続管片１１，１２が後端部１５に設けられ、２つの接続管片１３，１４が前端部１６に設けられ、後端部１５及び前端部１６にあるそれぞれ第１の接続管片１１，１３が、外筒空間５へ冷却媒体流８の導入に用いられ、後端部１５及び前端部１６にあるそれぞれ第２の接続管片１２，１４が、外筒空間５から冷却媒体流８の導出に用いられる。本発明によれば、冷却媒体８を導入する第１の接続管片１１，１３は、第１及び第２のバイパス導管２１ａ，２１ｂにそれぞれ接続され、両方のバイパス導管２１ａ，２１ｂは第１の三方弁１９へ至ってこれに接続されている。第３の導管として流入導管１７が三方弁１９に接続され、この三方弁１９を通って冷却媒体流ｍ_０８が多管式熱交換器１へ供給される。

多管式熱交換器１の流出側で、本発明により、冷却媒体流８を導出する２つの接続管片１２，１４が、第３及び第４のバイパス導管２２ａ，２２ｂに接続され、これら両方のバイパス導管２２ａ，２２ｂは第２の三方弁２０へ至ってこれに接続されている。第３の導管として流出導管１８が三方弁２０に接続され、この三方弁２０を通って冷却媒体流ｍ_０８が多管式熱交換器１から排出される。本発明によれば、２つの三方弁１９，２０の１つが制御可能に構成されている。

図１及び２は本発明による多管式熱交換器１の回路を示し、冷却媒体流８は第１の媒体流７に対して逆流で熱交換器を通って流れる。図１及び２は好ましい変形例を示し、流出導管１８にある第２の三方弁２０が制御される三方弁として構成され、流入導管１７にある第１の三方弁１９が切換え弁として構成される。図１によれば、切換え弁として構成される三方弁１９が制御されて、流入導管１７及び第１のバイパス導管２１ａを通って、外筒空間５の後端部１５への冷却媒体流８の流入が行われるようにし、三方弁２０が制御されて、供給される全質量流ｍ_０が外筒空間５に通され、第３のバイパス導管２２ａ及び流入導管１７を通って導出されるようにする。図２は、切換え弁として構成される三方弁１９に関して、図１の回路に対して変更を示さず、即ち外筒空間５の後端部１５への冷却媒体流８の流入は行われるが、今や三方弁２０が制御されて、冷却媒体流８の供給される全質量流ｍ_０の部分流ｍ_２が第４のバイパス導管２２ｂを通され、残りの部分流ｍ_１が外筒空間５及び第３のバイパス導管２２ａを通され、両方の部分流ｍ_１及びｍ_２が一緒に流出導管１８を通って導出されるようにする。切換え弁として構成される三方弁１９は制御される案内機構であり、供給される冷却媒体流８を存在する２つの出口即ちバイパス導管２１ａ及び２１ｂの１つへ導く。

図３及び４は本発明による多管式熱交換器の回路を示し、冷却媒体流８が第１の媒体流７に対して並流で多管式熱交換器１を通って流れ、即ち両方の媒体流７，８は多管式熱交換器１内を同じ方向に流れる。図３及び４は、図１及び２におけるように好ましい変形例を示し、流出導管１８にある第２の三方弁２０は制御される三方弁であり、流入導管１７にある第１の１９は切換え弁として構成される三方弁である。図１とは異なり、切換え弁として構成される図３の三方弁が制御されて、冷却媒体流８が第２のバイパス導管２１ｂを通って外筒空間５の前端部１６へ導かれ、三方弁２０は制御されて、供給される冷却媒体流８の全質量流ｍ_０が外筒空間５を通って導かれ、続いて第４のバイパス導管２２ｂ及び三方弁２０の下流の流出導管１８を通って導出されるようにする。図４は、切換え弁として構成される三方弁１９に関して、図３の回路に対して変わっておらず、即ち冷却媒体流８の流入は外筒空間５の前端部１６へ行われるが、三方弁２０が制御されて、供給される冷却媒体流８の全質量流ｍ_０の部分流ｍ_２が、接続管片１４と三方弁２０との間の第３のバイパス導管２２ａを通され、残りの部分流ｍ_１が外筒空間５及び第４のバイパス導管２２ｂを通され、両方の部分流ｍ_１及びｍ_２が一緒に流出導管１８を通って導出されるようにする。

図１〜４に示す回路により、多管式熱交換器１を非常に広範な制御範囲において作動させることが可能である。なぜならば、伝達すべき熱量又は媒体出口温度を、一方では両方の媒体の一方の流通方向を並流から逆流へ又は逆に変化することができ、他方では制御される三方弁により冷却媒体流を制御して外筒空間５及びバイパス導管２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂへ分割し、それにより伝達すべき熱量又は媒体出口温度を多様に制御することができる。

図１〜４に示す好ましい回路のほかに、第１の三方弁１９即ち流入導管１７にある三方弁を制御される三方弁として構成し、第２の三方弁２０即ち流出導管１８にある三方弁を切換え弁として構成することができる。図５はこの変形例を示し、三方弁１９が第１のバイパス導管２１ａを通して部分質量流ｍ_１を外筒空間５へ供給し、第２のバイパス導管２１ｂを通し従って多管式熱交換器１の外筒空間５を回避して外筒空間５の前端部１６へ導くことによって、三方弁１９が流入導管１７を通る冷却媒体流８の質量流ｍ_０を制御する。その場合全質量流ｍ_０は、切換え弁として構成される三方弁２０の適当な位置で、第３のバイパス導管２２ａ及び流出導管１８を通って多管式熱交換器１から出る。図５による回路の利点は、制御される三方弁１９が冷却媒体流８の流入部従って冷たい範囲に設けられていることである。このことは、冷却媒体流８が流出部で非常に強く加熱されて出る装置に比べて有利である。なぜならば、それにより、制御される三方弁１９と強く加熱される冷却媒体流８との接触が避けられるからである。図１〜４による装置とは異なり、ここでは切換え弁として構成される三方弁２０が、排出される冷却媒体流８を、存在する２つの入口即ちバイパス導管２２ａ及び２２ｂの１つに収容する。

切換え弁として構成される三方弁の代わりに、別の制御される三方弁を使用することができ、即ち両方の三方弁１９，２０が制御可能に構成される。しかしこのような場合、制御される両方の三方弁１９，２０の１つが純粋な切換え弁の機能を引受ける。

図１〜５によれば、圧力外筒６の後端部１５にある接続管片１１，１２及び圧力外筒６の前端部１６にある接続管片１３，１４が、多管式熱交換器１の縦軸線Ｌの方向に見てそれぞれ並流になっている。後端部１５にあるそれぞれの接続管片１１，１２及び／又は前端部１６にあるそれぞれの接続管片１３，１４を、多管式熱交換器１の縦軸線Ｌの方向に見てずらして設けることもできる。

図１〜５では、後端部１５にある接続管片１１，１２及び前端部１６にある接続管片１３，１４が、少なくとも概略図においてそれぞれ対向して設けられ、即ち圧力外筒の周囲に互いに１８０°をなしており、図６に示す別の可能性では、接続管片１１，１２が、例えば多管式熱交換器１の縦軸線Ｌに対して直角な面Ｅで、互いに４５°の角をなしている。両方の接続管片のなすこの角は任意に形成することができ、特に外筒空間５内の加熱面管２の間の通路の狭さに関係している。これらの通路が非常に狭い場合、両方の接続管片１１，１２のなす角を一層小さく選んで、バイパス導管２２ｂに与えられる冷却媒体流８の部分質量流に対して比較的抵抗のない流通及び流出を可能にする。上述したことは、圧力外筒６の前端部１６にある接続管片１３，１４に対しても同様に当てはまる。

外筒空間５及び場合によってはバイパス導管２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂに通される冷却媒体流８に質量流ｍ_０又はｍ_１及びｍ_２の制御を三方弁１９，２０によって行うことができるようにするため、特に図１〜５によれば、例えばバイパス導管２１ｂ，２２ｂに流量測定装置２３，２４が設けられている。流入導管１７で供給される冷却媒体流８の全質量流ｍ_０は設備の側からわかっており、例えば制御の側で２つの部分質量ｍ_１及びｍ_２に分割するために利用されねばならない。

１ 多管式熱交換器
２ 加熱面管
３ 入口側管板
４ 出口側管板
５ 外筒空間
６ 圧力外筒
７ 第１の媒体流
８ 冷却媒体流
９ 管入口室
１０ 管出口室
１１ 圧力外筒の後端部にある第１の接続管片
１２ 圧力外筒の後端部にある第２の接続管片
１３ 圧力外筒の前端部にある第１の接続管片
１４ 圧力外筒の前端部にある第２の接続管片
１５ 圧力外筒の後端部
１６ 圧力外筒の前端部
１７ 流入導管
１８ 流出導管
１９ 第１の三方弁
２０ 第２の三方弁
２１ａ 第１のバイパス導管
２１ｂ 第１のバイパス導管
２２ａ 第３のバイパス導管
２２ｂ 第４のバイパス導管
２３ 流量測定装置
２４ 流量測定装置

Claims (8)

1. 多数の加熱面管（２）を持つ多管式熱交換器であって、端部を管板（３，４）に保持される加熱面管（２）と、加熱面管（２）を包囲して外筒空間（５）を形成する圧力外筒（６）とを含み、加熱面管（２）を通って導かれる第１の媒体流（７）を冷却する冷却媒体流（８）が、外筒空間（５）を通って導かれ、
   少なくとも１つの管入口室（９）から第１の媒体流（７）が個々の加熱面管（２）へ導入され、少なくとも１つの管出口室（１０）において、加熱面管（２）に通された第１の媒体流（７）が集められかつ排出され、
   冷却媒体流（８）を導入及び導出する２つの接続管片（１１，１２）が、管出口室（１０）に隣接する圧力外筒（６）の後端部（１５）に設けられ、
   冷却媒体流（８）を導入及び導出する２つの接続管片（１３，１４）が、管入口室（９）に隣接する圧力外筒（６）の前端部（１６）に設けられ、
   流入導管（１７）及びこの流入導管に設けられる第１の三方弁（１９）から、第１のバイパス導管（２１ａ）が圧力外筒（６）の後端部（１５）にある第１の接続管片（１１）に接続され、第２のバイパス導管（２１ｂ）が圧力外筒（６）の前端部（１６）にある第１の接続管片（１３）に接続され、
   流出導管（１８）及びこの流出導管に設けられる第２の三方弁（２０）から、第３のバイパス導管（２２ａ）が圧力外筒（６）の前端部（１６）にある第２の接続管片（１４）に接続され、第４のバイパス導管（２２ｂ）が圧力外筒（６）の後端部（１５）にある第２の接続管片（１２）に接続され、
   第１及び第２の三方弁（１９，２０）のうち１つの三方弁が制御可能に構成され、この三方弁が、冷却媒体流ｍ_０（８）を外筒空間（５）を通して又は冷却媒体流ｍ_０（８）の制御される部分流ｍ_１、ｍ_２として外筒空間（５）を通して、かつバイパス導管（２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ）を通して導き、別の三方弁により、冷却媒体流（８）が、第１の媒体流（７）に対して並流又は逆流で通される、多管式熱交換器。
2. 制御可能に構成される三方弁（１９，２０）が、冷却媒体流（８）に関して、多管式熱交換器（１）の流出側に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の多管式熱交換器。
3. 制御される１つの三方弁（１９，２０）のほかに、別の三方弁（１９，２０）が切換え弁として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の多管式熱交換器。
4. 切換え弁として構成される三方弁が、冷却媒体流（８）に関して多管式熱交換器（１）の流入側に設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の多管式熱交換器。
5. 制御される三方弁（１９，２０）のほかに、別の三方弁も同様に制御される三方弁であることを特徴とする、請求項１に記載の多管式熱交換器。
6. バイパス導管（２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ）内に流量測定装置（２３，２４）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の多管式熱交換器。
7. 圧力外筒（６）の後端部（１５）にある接続管片（１１，１２）及び／又は圧力外筒（６）の前端部（１６）にある接続管片（１３，１４）が、多管式熱交換器（１）の縦軸線（Ｌ）の方向に見てそれぞれ同列に並んでいることを特徴とする、請求項１に記載の多管式熱交換器。
8. 圧力外筒（６）の後端部（１５）にある接続管片（１１，１２）及び／又は圧力外筒（６）の前端部（１６）にある接続管片（１３，１４）が、多管式熱交換器（１）の縦軸線（Ｌ）に対して直角な面（Ｅ）に関して、この面にそれぞれ任意の角をなしていることを特徴とする、請求項１又は７に記載の多管式熱交換器。

Images