JP5662969B2 - チューブ形熱交換器内の構成 - Google Patents

Description

本発明は、ケーシング・チューブに囲まれた数本の伝熱管を有しており、伝熱管がその両端で管板にしっかりと固定されている種類のチューブ形熱交換器内の構成に関する。

熱交換器には多くの種類があり、液体生成物の加熱または冷却に使用されている。たとえば、様々な温度の水蒸気または水の助けによって、生成物を所望の温度にすることが可能である。熱交換器は様々な加工業で使用されており、乳製品工場やジュース工場などの食品加工工場でも一般に使用されている。

公知の種類の熱交換器として、いわゆるチューブ形熱交換器がある。この熱交換器は、流通系を形成するように相互に連結された１つまたは複数の熱交換器要素からなっている。熱交換器要素は、外側ジャケットまたはケーシング・チューブに囲まれた１つまたは複数の伝熱管を備えている。伝熱管は、熱交換器がどんなプロセスに使用されるかに応じて加熱または冷却される生成物を循環させるようになっている生成物パイプ・ベンドによって相互に連結された生成物インサートを形成するように相互に連結されている。伝熱管は、伝熱媒体を密閉しているジャケットまたはケーシング・チューブ内に密閉されている。伝熱媒体を循環させるように、相互に隣接するケーシング・チューブが相互に連結されている。伝熱媒体は、様々な温度の水、水蒸気、あるいはその他の種類の液体または気体で構成することができる。このような熱交換器の１つがスウェーデン特許第５０１９０８号に記載されている。

熱交換器の効率を高める場合、１つまたは複数の熱交換器要素を再生部として使用し、すなわち、熱交換器で加熱された生成物により、流入してくる低温の生成物を加熱することが望ましい場合もある。この場合、流入してきた低温の生成物は結果的に、処理可能な加熱された生成物を冷却する働きをする。上述のチューブ形熱交換器を再生式に使用するには、生成物を伝熱管内と、伝熱管を囲むケーシング・チューブ内の両方に配置しなければならない。このようなプロセスによって、熱交換器全体がかなり廉価になり、また、チューブ形熱交換器で行われるプロセスのエネルギー消費量が削減される。

伝熱管は、そのケーシング・チューブに密閉されており、通常、長さが約６ｍである。伝熱管が振動または弛みによる不要な応力にさらされないようにするには、伝熱管をその長さに沿った１つの点、または一般的には複数の点で支持しなければならない。伝熱管が弛むか、または振動し、互いに接触した場合、伝熱表面積が失われ、チューブ形熱交換器から、期待される効率が得られなくなる。最も一般的には、比較的短いチューブ長も支持しなければならない。使用される支点は、様々な構造および形態の支点であってよく、最も一般的には、一般的な名称を使用してバッフルと呼ばれている。水または水蒸気のみが伝熱媒体として使用されるとき、このようなバッフルの形態および構造に課される要件は、それらが伝熱管を互いに分離し、かつ伝熱管がケーシング・チューブの内側の壁に接触するのを妨げることを除いてほとんど、またはまったくない。

熱交換器を再生式に使用することが望ましいときには、完全な洗浄機能を有する衛生構造に直ちに、まったく異なる要件が課される。生成物がフルーツ・ジュースのように繊維または小粒子を含む場合、このような要件はずっと厳しくなる。生成物の繊維または粒子が蓄積される危険性をなくすために、できるだけ丸い表面を持つようにバッフルを構成する試みがなされている。しかし、実際には、このような構造のバッフルを得るのは難しいことがわかっている。くぼみ部を形成せずにバッフルに伝熱管を囲ませる際にも問題が起こっている。どんなバッフルでも多かれ少なかれ、生成物が流れる方向に対して垂直に何かが位置する必要があり、その結果、常に、粒子または繊維が蓄積し、それによって洗浄工程が影響を受け、最終的に生産プロセスが無効になる恐れがある。

スウェーデン特許第５０１９０８号

本発明の目的は、ケーシング・チューブ内を流れる生成物の障害物を構成せずに伝熱管を互いに分離しておくと共にケーシング・チューブの内側の壁から分離しておく構成を実現することである。

この目的およびその他の目的は、導入を介して説明した種類の構成に、伝熱管の少なくとも一端に軸方向の力Ｆが加えられる特徴が付与されることにより、本発明によって実現されている。

本発明の好ましい実施形態には、添付の従属請求項に記載された特徴がさらに付与されている。

本発明による構成を有するチューブ式熱交換器の側面部分断面図である。 本発明による構成の一部の側面部分断面図である。

次に、本発明の好ましい一実施形態について、添付の図面を参照して以下に詳しく説明する。

本発明による構成と共に使用することのできる熱交換器１を図１に示す。チューブ式熱交換器１は、１つまたは複数の熱交換器２からなり、図１にそのうちの２つが示されている。熱交換器要素２は、２つの流通系を形成するように相互に連結されている。熱交換器要素２は実質的に、ケーシング・チューブ４に密閉された数本の伝熱管３からなる。

伝熱管３は、伝熱管３と管板５がフロー・インサート６を構成するように両端で管板５にしっかりと固定されている。２つの隣接するフロー・インサート６がパイプ・ベンド１４により第１の流通系として相互に連結されている。この第１の流通系は、ある生成物用の従来の熱交換器１で使用される。

伝熱管３を囲むケーシング・チューブ４は、２つの隣接するケーシング・チューブ４が各ケーシング・チューブ４上のソケット・チューブ７により、あるいは場合によっては中間連結部分を介して互いに容易に連結されるように相互に連結されている。相互に連結されたケーシング・チューブ４は、従来のチューブ形熱交換器１では伝熱媒体に使用される第２の流通系を構成している。

市販されている大部分の熱交換器は、長さが約６ｍの熱交換器要素２を有している。伝熱管３およびケーシング・チューブ４がこの長さに沿って支持されない場合、伝熱管３およびケーシング・チューブ４は重力のために弛む。伝熱管３は互いに接触すると共にケーシング・チューブ４の内側の壁に接触する。これを回避するために、従来の熱交換器では、様々な構造のいわゆるバッフルによって伝熱管３を支持する必要がある。バッフルの機能は立証されており、バッフルは、第１の流通系を生成物に使用し、第２の流通系を伝熱媒体に使用するときに十分に機能する。

チューブ形熱交換器１を再生式に使用するとき、第１の流通系と第２の流通系は共に生成物を含む。一方の流通系が、チューブ形熱交換器１に入る低温の生成物を含み、他方の流通系が、処理可能な加熱された生成物を含み、あるいはその逆の場合もある。このことは、伝熱管３の支持にまったく異なる要件が課されることを同時に意味する。

現代の熱交換器１は通常、いわゆる流動端を有し、すなわち、チューブ形熱交換器１で起こる熱膨張を補償するように管板５がケーシング・チューブ４に対してある程度移動することができる。本発明による構成において、伝熱管３の一端は、管板５’がケーシング・チューブ４の一端８にしっかりと支持されるように固定される。伝熱管３の他方の端部において、管板５”は移動可能であり、管板５”とケーシング・チューブ４との間にスプリング・バッテリ９が配設されている。したがって、本発明による構成は、ごくわずかに修正することにより、流動端を有する従来のチューブ形熱交換器１上で遡及的に使用することができる。この構成は、わずかな改良が必要になる場合がある他の種類の管端部に使用することもできる。

スプリング・バッテリ９は、本発明による構成の好ましい実施形態では、２枚のプレート１１、１２間に配置されたいくつかの板ばね１０からなる。プレート１１、１２は、スプリング・バッテリ９の組立ておよび分解を容易にするように通しボルト（不図示）によって一体化されている。これらのボルトは、スプリング・バッテリ９がチューブ形熱交換器１上に取り付けられている間は何の機能も果たさない。スプリング・バッテリ９は、コイルばねのような他の種類のばねで構成することもできる。スプリング・バッテリ９は、その板ばね１０と共に、熱交換器要素２の熱膨張を補償することもできる。あるいは、所望の程度に締め付けられるボルトのみによって力Ｆを実現することができる。しかし、この方法では、熱交換器要素２の熱膨張を補償することはできない。

スプリング・バッテリ９は、ある所定の力Ｆをもたらす。この力は、板ばね１０の数と、所与の距離Ｌにわたる板ばねの寸法とによって決定される。したがって、力Ｆは、フロー・インサート６に対して軸方向に加えられる。加えられるこの力Ｆは、伝熱管３を、互いに接触することも、ケーシング・チューブ４の内側の壁を擦ることもないようにぴんと張っておくのに十分な力でなければならない。好ましい実施形態において、力Ｆは、スプリング・バッテリ９によって伝熱管３の一端に加えられる。あるいは、スプリング・バッテリ９が伝熱管３の両端に取り付けられるように力Ｆを分散させることができる。

力Ｆが過度に大きいと、伝熱管３を管板５に固定する際に不要な応力が生じ、力Ｆが過度に小さいと、伝熱管３を必要に応じて離して保持することができなくなる。この力が過度に大きいと、組立ておよび分解時に望ましくない「カタパルト効果」が生じ、それによって作業員が負傷する恐れがある。必要な力Ｆは、伝熱管３の固有の重量、すなわち、寸法および材料の厚さに依存する。計算により、市販されている多くのチューブ形熱交換器１の伝熱管３の管長が標準的な６ｍであるときに、伝熱管３をぴんと張った状態にしておくには１本当たり約１０００Ｎの力が必要であることが分かっている。

従来のチューブ形熱交換器１では、チューブが長いと、ケーシング・チューブ４がある程度弛ることもある。これは通常、中央支持部１３を使用することによって補償される。しかし、好ましい実施形態では、ケーシング・チューブ４のある程度の弛みが許容され、したがって、伝熱管３の１本当たりに加えられる力を、伝熱管３とケーシング・チューブ４が接触しない状態まで低減させることができる。チューブ形熱交換器要素２上の可能な中央支持部１３は、弛みが起こる場合にはそれに適応させられる。

したがって、本発明による上述の構成は、いわゆるバッフルがなくても、伝熱管３を互いに分離しておくと共にケーシング・チューブ４の内側の壁から分離しておくことのできるチューブ形熱交換器１を実現する。これにより、液体がケーシング・チューブ４を自由に通過することが可能になり、かつチューブ形熱交換器１を再生式に使用することが望ましい場合に、生成物の、伝熱管３の周りでの移動および伝熱管３間の移動を妨げるものはなくなる。特に、フルーツジュースのように粒子または繊維を含む生成物の場合、本発明による構成により、バッフルによって構成される障害表面に繊維が蓄積する恐れなしにチューブ形熱交換器１を再生式に使用することができる。本発明による構成では、チューブ形熱交換器１の両方の流通系において完全洗浄機能も実現される。

上記の説明から明らかなように、本発明は、生成物の流れの方向に障害物を構成するバッフルなしでチューブ形熱交換器を再生式に使用できるようにする構成を実現する。バッフルがないため、いわゆる「処理の難しい生成物」、すなわち、繊維または粒子を含む生成物に対してチューブ形熱交換器を再生式に使用することも可能になる。

本発明を、上記で説明し図面に示した発明に限るものとみなしてはならず、添付の請求の範囲から逸脱せずに多数の修正形態を構想することができる。

Claims (2)

1. ケーシング・チューブ（４）に囲まれた数本の伝熱管（３）を有しており、前記伝熱管（３）がその両端で管板（５）にしっかりと固定されており、該管板の少なくとも一方（５”）がケーシング・チューブ（４）に対して可動である、食品生成物加工のためのチューブ形熱交換器（１）内の構成において、前記可動の管板（５”）に伝熱管（３）１本当たり約１０００Ｎの軸方向の力Ｆが加えられて前記伝熱管（３）をぴんと張るようになっていること、前記伝熱管（３）は実質的に水平に配置されること、前記食品生成物は前記伝熱管（３）内を流通すること、伝達媒体が前記ケーシング・チューブ（４）内を流通すること、前記伝達媒体は前記食品生成物であること、および前記力Ｆはスプリング装置（９）によって実現されることを特徴とする構成。
2. 前記スプリング装置（９）はいくつかの板ばね（１０）からなることを特徴とする、請求項１に記載の構成。