JP5667209B2 - 漏出感知に応用するための二重壁軸流電気ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、概して流体の電気加熱に関し、より具体的には漏出感知に応用するための二重壁軸流電気ヒータに関するものである。

定義
本開示を行うために、いくつかの用語の定義を以下に述べる。

「ヒータロッド」とは、保護チューブ内に挿入され、スエージ加工された金属ジャケットに組み入れられるヒータである。組み入れられたヒータは３つのゾーン、すなわち低温接点（cold junction）から外向きに延在し、低い熱出力を有するリードワイヤゾーンと、高い熱出力を有するヒータ固有部（heater proper）を含む第２ゾーンと、低い熱出力を有する低温先端（cold toe）を含む第３ゾーンとを備える。

「タイロッド」はバッフルアセンブリと互いに結合するのに用いられる長い金属製のロッドを含む。

「スペーサ」はタイロッドとともにバッフルを分離させるのに用いられるデバイスである。通常、スペーサは、タイロッドが通って嵌合するバッフル内の穴よりも大きい直径をもつチューブである。タイロッドはバッフルおよびスペーサの組立体を圧縮し、その組立体を所定位置に固定することで、がたつきを防止する。スペーサの両端がバッフルまたはチューブシートに押圧されるので、スペーサの内側を流れ落ちる流体は非常に少なくなる。従って、熱交換器のある領域からの流出を許容しないようにするためにスペーサを用いることができる。説明されるその実施形態において、スペーサは、バッフルを分離するとともに、その目的のためにも用いられる。よって、スペーサの断面形状を、流れの範囲において流れに対して所要の形状を提供するために一般的に使用されるチューブとは異なるものとなり得る。

「保護チューブ」はヒータシェル内に挿入されるチューブであり、シェル内においてヒータロッドを流体から分離する。

「シュラウド」はヒータロッドのまわりに配置されるデバイスであり、長さ対間隙比（length-to-gap ratio）が高い間隙を流れ下るよう流体を強制することによって流れを整える（straighten）。

「リードワイヤ」は、熱のほとんどを発生するヒータ固有部に対しヒータの外側から電力を導くワイヤである。

「低温接点」は、リードワイヤとヒータ固有部内のヒータコイルとの接点である。

「ヒータ固有部」は、主熱源であるように設計されたヒータの区域であり、通常、高抵抗のヒータワイヤまたはコイルからなる。その区域は低温先端と低温接点との間に位置する。

「低温先端」は、低抵抗ワイヤのＵ字形状のピースによって発熱コイルが互いに接続される、ヒータリードワイヤから離れた区域である。その区域はヒータ固有部よりもかなり低温である。

「熱膨張間隙」は、保護チューブ内のヒータロッドの熱膨張差を許容するための間隙である。

気体または液体は、伝統的に、チューブを通過する高温液体または気体が熱を提供し、その熱がチューブの壁を通ってチューブ外側で熱交換器を通る物質を加熱するようにされたシェルアンドチューブ熱交換器によって加熱される。シェルは加熱されるべき液体または気体を収容するものであり、通常はシリンダ形状とされて良好な圧力バリアを備えている。圧力バリアは、シリンダの端部において、中空のチューブがスエージ加工されるチューブシートにより提供される。しかしながら、異なる多くの設計が可能である。漏出感知に応用するのであれば、交換器には、しばしばチューブシート間に間隙をもつ二重チューブシートが設けられ、それによりチューブからシェルへの、またはシェルからチューブへの漏出を防止することができるようにされるとともに、漏出を観測できるようにすることで、大きな漏出が生じる前に修理を始めることができるようにされている。他の形態では、加熱流体がシェル内に導入可能であり、加熱されるべき流体がチューブの内側を通過可能である。

チューブを通過する伝熱流体として用いられる液体やスチームなどの上記によって得られるよりも高温が必要であれば、チューブの代わりに電気ヒータが使用される。しかしながら、電気ヒータはシェルアンドチューブ熱交換器に比べていくらかの制限を呈する。２つの基本的な構造（design）が用いられる。すなわち、電気的に加熱される炉の内部に位置づけられたチューブを流体が流れるようにされる加熱炉（furnace）構造、または、何らかの導管内に直接挿入されたヒータロッド上を流体が流れるようにされた直接浸漬（direct immersion）構造である。

加熱炉構造の一例は放射コイル加熱炉（Wellman design参照）として参照され、これは、熱を封じ込める加熱炉壁をもつ電気ヒータによって、気体を収容するコイル状パイプが加熱されるものである。通常、加熱炉はリッドすなわち端部プレートを有し、これを通ってパイプが突出することで、プロセスの他の部分との接続が行われる。パイプは厚くなるにつれて膨張し、移動（move）する。通常、加熱炉は気密性のもの、ないしはパイプの移動およびコスト削減を許容する圧力等級のものではない。

第２の例は、フランジ付き構造である特許文献１に見られるような浸漬ヒータを用いるものであり、当該構造においては、複数のＵ字形状の加熱エレメントがワイヤを持つフランジに溶接され、電気ヒータに接続されるワイヤがフランジの穴から延在している。一束のヒータエレメントが空のパイプ内に配置され、加熱されるべき液体はパイプの側部から入って出て行く。

これらのタイプの構造はいずれも、チューブに漏出が生じた場合に物質を雰囲気に放出し、運転を停止して修理を行わなければならないものである。腐食性物質によって漏出の蓋然性は増大する。また腐食性物質は有害であり、重大な健康被害をもたらす。この漏出の可能性にも拘らず、オペレータに警告する漏出検知システムは通常備えられていない。腐食は温度とともに急激に増大し、チューブ上のホットスポットがかなり早く腐食することになる。加熱炉構造では、チューブの部分にいくらかの陰影（shadowing）もあるので、いくつかの部分は他よりも熱くなる。浸漬構造では、流れが悪いために熱を除去できない領域が生じ得るので、これがホットスポットとなる。これは、加熱がより難しい腐食性気体を用いる場合に顕著となる。

特許文献１の図１からわかるように、流体は側方から入来するので、向きを変えて下がり、出口から出て行くようにしなければならない。かかる方向の転換は直交流から軸流への遷移において低流量の領域を生じさせ、ホットスポットを生じさせ得る。特許文献１においては、この遷移を補助する機構がない。また、単位長あたりに放射される熱が一定であるのが電気ヒータの特性であり、従って、この熱がヒータの全体領域から一様に除去されなければ「ホットスポット」が生じる。これはシェルアンドチューブ熱交換器では状況が異なる。熱伝導が低い領域は単に熱を伝えず、従ってホットスポットの問題はそれほど重大ではないからである。よって、一般的な直交流バッフルがホットスポットを生じさせることから、電気加熱部をもつ標準的なシェルアンドチューブ構造を用いることはできない。また、１つのヒータチューブまたはワイヤが故障すると、その故障を修理するのにアセンブリ全体を取り外さなければならないことがわかるであろう。特許文献１に論じられているように、これは運転費用を増加させるものである。しかしながら、特許文献１に示されている解決策は、ユニットの運転を停止し、ヘッダプレートへの溶接を行うために分解しなければならないという問題点も有するものである。

腐食性物質に伴うさらなる問題は、それらの物質が越えてはならない上限温度を有することである。よって、このことがヒータの高温端で用いることのできる流束を制限する。しかしながら、ヒータは一般に単一の流束を有しているため、これは、低温端では低い流束ともなるのでヒータ全体が相当大きくなるということを意味し得る。この問題の１つの解決策は、低温端では高温端よりも流束が大となるような可変流束レートである。しかしかかるヒータは製造コストが高くなり、容易に入手可能なものではない。さらなる不利な点は、ヒータ温度を測定し、ヒータが過熱状態となったことを報知する方法がないことである。ヘッダプレートを通してサーモウェルを付けることはできるが、より大きな空間およびプレートの貫通部を必要とし、各サーモウェルはそれが接触するヒータ上のポイントを測定できるだけである。

米国特許第７，３１８，７３５号明細書

本発明の実施形態の目的は、漏出の恐れを軽減することおよび事前の放出・漏出検知を行うことによる安全性の改善、低所有コスト、ヒータ長に沿った可変流束、腐食速度を増大させ得るホットスポットの低減、およびヒータの過熱の低減ないし排除を提供することにあるが、これらに限られるものではない。

本発明の他の目的および利点は、説明および例示を目的として添付した図面との関連において、本発明の実施形態を開示する以下の説明から明らかとなる。

本発明の好適実施形態においては、漏出感知に応用するための二重壁軸流電気ヒータが開示され、これは、
漏出感知対象となる加熱されるべき流体を収容するシェルであって、チューブシートに対する少なくとも１つの端部接続部と、側部または端部の接続部とすることができる流体入口または流体出口のための少なくとも第１および第２接続部とを有する当該シェルと、
主および副チューブシートであって、前記チューブシートが前記シェルの前記端部チューブシートに接続され、前記副チューブシートが直接または導管を介して前記主チューブシートに接続されている当該主および副チューブシートと、
銃剣型保護チューブ内に配された少なくとも１つのヒータロッドであって、前記保護チューブは、その一端が閉じられていることで自由に膨張するとともに他端が前記主チューブシートにシールされ、前記ヒータロッドが前記副チューブシートにシールされている、当該ヒータロッドと、
前記流体入口より後ろまたは前記流体出口より前に配置された少なくとも１つの方向転換バッフルと、
を具える。

プロセス圧力に耐え、圧力トランスミッタと保護チューブを通る漏出を含む警告とを提供し、漏出が生じたことの警告を行うよう設計された主および副チューブプレート間の導管を具える漏出保護部がさらに設けられる。これは、シェルアンドチューブ熱交換器で標準的に行われるようなヒータロッドの取り外しおよび漏出保護チューブの閉塞という緊急修理が行われる間に、ユニットを一時的に運転停止とすることを可能にする。さらに、各ヒータロッドを個別に副チューブプレートにシールし、ヒータロッドが故障した場合にも運転中にこれを取り外して交換できるようにすること、および保護チューブの内側およびヒータロッドの外側が高放射率コーティングを持つようにして両者間の放射伝達を向上することが好ましい。第１のチューブ束の対向端側に挿入される第２のチューブ束を用いることにより、さらなるコスト削減が可能となる。可変流束の柔軟性のための付加的な構造は、保護チューブの直径を増すことまたは変化させることによって得られる。ヒータロッドないしは保護チューブの中央にサーモウェルを挿通することで、種々の位置でヒータ温度を直接的に測定することが可能となる。

図面は本出願の一部をなし、種々の形態で実施し得る本発明の例示的な実施形態を含んでいる。いくつかの場合においては、本発明の理解を容易にするために誇張ないしは拡張して本発明の種々の形態が示され得ることを理解すべきである。

本発明の特徴を組み込んだ基本的な熱交換ユニットの模式的断面図であり、そのユニットは１つのチューブ束、側方入口および端部出口を有している。 ２つのチューブ束、側方入口および端部出口を有するように拡張した実施形態の模式的断面図である。 標準的なシェルアンドチューブ熱交換器を通る流体の流路を説明する模式的断面図である。 チューブが電気ヒータによって置き換えられた標準的なシェルアンドチューブ熱交換器を通る流体の流路により引き起こされるホットスポットを説明する模式的断面図である。 電気ヒータをもつ標準的なシェルアンドチューブ熱交換器内の低流量ゾーンおよびホットスポットを軸流が避けていることを説明する模式的断面図である。 方向転換バッフルを含む本発明の特徴を組み込んだ熱交換器の模式的断面図である。 保護チューブを支持するクモ形バッフルの断面図である。 軸流バッフルおよびスペーサを示す保護チューブレイアウトの断面図である。 軸流バッフルおよびスペーサ、並びに拡張された表面としてのスペーサの使用を示す保護チューブレイアウトの断面図である。 軸流バッフルとして用いられる大径の中心チューブを含む保護チューブレイアウトの断面図である。 正方形状に配置され、軸流バッフルに包囲されるようにしたチューブの使用を示す保護チューブレイアウトの断面図である。 スペーサおよびバッフルに対する放射の使用によって提供される拡張熱交換領域を説明する熱交換器の部分を示す模式図である。 保護チューブ径を変化させることにより可変流束が提供されることを説明する模式図である。 薄いシースヒータのロッドを支持プレートに溶接する従来技術の使用を説明する断面図である。 分離プレートに対するヒータロッドおよび保護チューブの封止を示す断面図である。 挿入可能な温度センサの側面図である。 ヒータコイルにより包囲される中央サーモウェルをもつヒータロッドの端面図である。 ヒータコイルにより包囲される中央サーモウェルをもつヒータロッドの縦断面図である。

好適な実施形態の説明がここで提供されるが、本発明は種々の形態で実施され得ることを理解すべきである。従って、ここで開示される具体的詳細は限定のためのものとして解釈されるべきではなく、特許請求の範囲の根拠として、および、ほとんどの適切な詳細システム、構造および態様にて当業者が本発明を採用することを教示するための代表的な根拠として解釈されるべきである。

図１は本発明の基本的実施形態の概念を示す模式図である。上側部分は従来のシェルアンドチューブ熱交換器で用いられている二重チューブシートと同様の二重チューブシート構成を含んでいる。熱交換流体および被加熱流体間の二次汚染（cross-contamination）を避けるために、被加熱流体が１つのみであるので、チューブシートは二重壁の頂部をなしている。副保護部は主チューブシート１０１間でプレナム１３５をなしている。主チューブシート１０１はフランジ付き導管１０３を介して副チューブシート１０２に接続され、フランジ付き導管１０３は副チューブシート１０２に溶接されるとともに、ボルト１０４により主チューブシート１０１に固定される。また、ボルト１０４はアセンブリをシェル１００に固定する。漏出検知器１０６につながる導管１３４には貫通部１０５が設けられる。漏出検出器１０６は、圧力または温度トランスミッタ、伝導度または密度検出器あるいはガスクロマトグラフ、および充填・排除接続部１０７などの種々のデバイスの１つとすることができる。二重チューブシートをもつ従来のシェルアンドチューブ熱交換器においては、貫通部１０５は単純な漏出孔であって、漏出検知は操作者が孔から何かが滴下したことを気付くことによって行われるものであり、漏出感知に応用することに受容可能なものではなかった。主たる保護は主チューブシート１０１、保護チューブ１０８およびチューブシート対チューブのシール１２８によって提供される。好ましくは、保護チューブ１０８は、標準的な熱交換器製造技術を用いて主チューブシート１０１内に拡張され、かつ主チューブシート１０１に優先的に漏れ止め溶接されることで、漏出の恐れをさらに低減している。電気ヒータロッド１０９は隙間空間１１０を介在させて保護チューブ１０８に挿入される。隙間空間１１０は、少なくとも、製造上の公差、熱膨張差、および腐食に起因して生じ得る厚みの増大を許容するのに十分なものである。ヒータロッド１０９は絶縁ブロック１１２のスルーホール１１１、副チューブシート１０２のスルーホール１１３および個々の圧力シール１１４を通っている。圧力シール１１４は短チューブ１１５を介して副チューブシート１０２に溶接されている。図示の圧力シールは、ＳｗａｇｅｌｏｋあるいはＰａｒｋｅｒが製造するものなどの、低漏出速度の圧縮嵌合（low leak rate compression fittings）を通した標準的な穴付きのものであり、それら製造者の仕様に従い、フェルール１１６を用いてヒータロッドに対してシールされる。フランジおよびＯリングシールなど、他の圧力シールとすることも可能である。ヒータロッド１０９は標準寸法チューブの延長ピース１１７を有していてもよく、存在しているヒータロッド上にこれを溶接することで、シールが行われるポイントでの嵌合性が向上する。圧縮シールは、漏出レートが低く、フットプリントが小さく、検査の目的で数回の開放および作り変えが可能で、古いヒータロッドを取り外した後には圧力シールを直接通して新たなヒータロッドを挿入可能であることから、特に有利である。ヒータロッド１０９の頂部には、導管１２０に対するシール１１８と、ジャンクションボックス１２０に延在する１束の絶縁ワイヤ１１９とがある。工業的な応用に対し、ワイヤを導管１２０に入れることは必要な慣行であり、導管１２０は剛性または可撓性のあるものとすることができる。１束の絶縁ワイヤ１１９が熱電対ワイヤも含んでいる場合には、それらを電源ワイヤが発生する電磁場から遮蔽するべきである。ジャンクションボックスを側方に配置することで、個々のヒータロッド１０９と主チューブシート１０１および副チューブシート１０２の全体とを、保護チューブ束１０８とともに、容易に取り外すことができるようになる。

充填・排除接続部１０７は、主チューブシート１０１と副チューブシート１０２との間の絶縁材充填プレナム１３５を加圧するとともに、構造の材料およびプロセス流体１２３に対し不活性の気体１２２をチューブの周囲の隙間空間１１０に充満させるために用いられる。気体１２２はまた、熱交換器の頂部を開放する必要のある漏出が生じたときに、プレナム１３５および隙間空間１１０のプロセス流体１２３を排除するために用いることもできる。プロセス流体１２３は側部流入口１３１を通って流入し、保護チューブ１０８の側面に突き当たる。矢印１２４は、上方およびシェルの頂部の周囲に方向転換し、その後方向転換バッフル１２６のシュラウド部１２５に流入して行くよう下方に方向転換するプロセス流体の流れを示している。シュラウド１２５は、シェルの頂部において流体の流れが乱流の直交流となった後にこれを整える（straighten）べく機能する。シュラウド１２５と保護チューブとの間隙１３２によって圧力降下が提供され、これは流れを一様に分配する助けとなる。バッフル１２６は、シェルアンドチューブ熱交換器において標準的に実施されるように、主チュチューブプレートからのスペーサロッド（不図示）およびスペーサ（不図示）によって支持される。図７に示されるような、非常に開放された構造をもつチューブ支持バッフルであるクモ形バッフル（spider baffle）１２７がいくつかの位置に追加して配置されることで、保護チューブの振動が低減される一方、流れの擾乱が最小化される。流体流の矢印１２４は、交換器を下り、ヒータおよび保護チューブの端部１３３を過ぎ、そして中央出口１２９から出て行くプロセス流体１２３の軸流を示し、加熱されたプロセス流体１３０はさらなる導管（不図示）へと進行し続ける。他の例では側部出口が設けられるが、これは、軸流に上流擾乱を生じさせずに側部出口から流出するよう流体を方向転換させるために、さらなる方向転換バッフル１２６を必要とする。本実施形態の利点は、ヒータロッド１０９および保護チューブ１０８の双方が銃剣型（すなわち下端が拘束されていないこと）であり、これは、それらの底部の伸長が自由で、従ってそれらの熱膨張がチューブシートないしチューブシール１２８（従来のシェルアンドチューブ熱交換器において最も漏出が生じ易い領域であると知られている）に歪みを生じさせないことを意味する。

図２は、図１では各々がより詳細に示された第１および第２のヒータアセンブリ２０１，２０２を単純化して模式的に示したものであり、底部ヒータアセンブリ２０２は上部ヒータアセンブリ２０１に対する関係が逆になっている。本実施形態において、流体は頂部側方の入口２０３から頂部ヒータアセンブリ２０１に流入し、底部ヒータアセンブリ２０２に対する中央流入口でもある中央出口２０４から出て、さらに側部出口２０５から出て行く。本実施形態では、底部シェル２０６は頂部シェル２０７よりも大径であり、これにより頂部保護チューブ２０９よりも底部保護チューブ２０８を大径のものとすることが許容される。同じリニアインチあたりのワット数について、大径の保護チューブ２０８は小径の保護チューブ２０９よりも低い熱流束（ワット／平方インチ）を有する。従って、これは底部ヒータにおいて低い熱流束をもつ２段階ヒータの例である。保護チューブ２０８，２０９の双方において同寸法のヒータロッド２１１を用いることは、標準化の目的に対して特に有利である。側部出口２０５をさらなるヒータ（不図示）の流入口に接続することにより、追加のヒータを直列に接続することも可能である。

図３、図４および図５は、電気により加熱されるシェルアンドチューブ熱交換器に対する軸流の利点を説明するための流れの模式図である。図３は伝統的なシェルアンドチューブ熱交換器を示している。高温流体３０２はチューブシート流入口３０３から流入し、チューブ３０４を下り、底部チューブシート３０５から出て行く。低温流体３０６は側部入口３０７から流入してチューブ３０４と交差し、バッフル３０８によって方向転換されることでチューブ３０４との交差を繰り返してから、側部出口３０９から出て行く。バッフル３０８のブロック作用によって流れが反転する位置では流速が非常に低く、それによって熱伝達は非常に低いものとなる。この位置では高温流体が冷却されないという負の効果があるが、交換されなかった熱は、流体により、交換される位置に移送される。従って、低流量のスポットの存在によって熱伝達の損失が生じる。この種の交換器においては、主な漏出源３１１は、ヒートアップおよび膨張が生じることから、チューブシート３０３，３０５とチューブ３０４との接続部３１２となる。

図４においては、図３の高温流体３０２が挿入型ヒータロッド３２０に置き換えられており、底部チューブシート３０５は不要で、保護チューブ３２２の終端はキャップ３２７となっている。チューブ３２２の自由な伸長が可能であるので、チューブ３２２と頂部チューブシート３２１との接続部３２６で漏出が生じる恐れは低減される。低流量位置３２３は図３における低流量位置３１０と同じ位置であるが、伝達されなかった電熱を保護チューブ３２２で伝えることはできない。それを移送する高温流体がないからである。従って、保護チューブ３２２には低流量位置３２３でホットスポット３２４が形成され得る。ホットスポットは望ましいものではない。保護チューブ３２２の腐食の増大あるいはシェル側方からの流体３２５の分解につながり得るからである。結果として、これらの変更はチューブプレートでの漏出の恐れは低減できるものの、ホットスポットに起因した漏出の恐れを増大させるものとなる。

図５においては、シェル側方の流路およびヒータロッド３４２を変更することで、ホットスポットに起因した漏出の恐れが低減ないしは除去される。低温流体３４３は、側部流入口３４４から、シェル３４６、頂部チューブプレート３４７および方向転換バッフル３４８によって形成されるチャンバ３４５に流入する。方向転換バッフル３４８は、流れの矢印３４９で示されるように、流体３４３の流路３４１を初期の直交流から軸流へと変化させる。方向転換バッフル３４８の上方には低流量の領域３５０がいくつか存在するが、ヒータロッドを修正し、方向転換バッフルの頂部３５２の下方に「低温接点（cold junction）」３５１を位置づけることによって、方向転換バッフルの上方に加熱されない領域が存在するようにしている。低温接点３５１はヒータのリードワイヤ３５３およびヒータ固有部（heater proper）３５４間の接点にある。同様の低流量領域３５０は底部の方向転換バッフル３５５の下にも存在し、低い熱出力を有する低温先端（cold toe）３５６が方向転換バッフル３６７の底部の上方で始まるよう、ヒータロッド３４２が設計される。ヒータロッド端部３５８と保護チューブ端部３５９との間には熱膨張間隙３６０が設けられ、ヒートアップの間に伸張するときに、ヒータロッド３４２が保護チューブ端部３５９に接触しないようにされている。

図６は流れの拡大断面図であり、熱交換器４０１のシェル４０６に挿入された方向転換バッフル４０８を模式的に示している。低温流体４０３は、側部流入口４０４から、シェル４０６、頂部チューブプレート４０７および方向転換バッフル４０８によって形成されるチャンバ４０５に流入する。方向転換バッフル４０８は２つのエレメント、すなわち流れが交換器を下って行くのを実質的にブロックするバッフル板４０９と、保護チューブ４０２を包囲するシュラウド４１０とを有する。シュラウド４１０は、流体４０３が均等に分配されて各保護チューブ４０２の周囲の間隙４１４を通るように規制するとともに、流れを整えて軸流となるようにする。また、シュラウド４１０は流入する流体４０３のチューブに交差する流れから保護チューブ４０２を保護し、チューブ４０２に作用して振動を発生し得る力を低減する。バッフル板４０９は、シール性を確保するべく側部流入口４０４より下方に配置される。シュラウド４１０は、バッフル板４０９から好ましくは側部流入口４０４の高さの約５０％の位置まで上方に延在する。低温接点４１１はシュラウドの頂部より下方に位置し、当該位置では軸流が始まり、熱伝達が良好となる。よって、長いシュラウドとすることについての利点は、より長い加熱長を得ることができることにある。一方、シュラウドの頂部を頂部チューブプレート４０７に近づけるほど、流れを方向転換するための余地が少なくなり、圧力降下および不均等な分配が生じる。有限要素解析を介して流れをモデル化するべくコンピュータを用いることは、所与の流れの条件に対して最適化を行うことの助けとなり得る。流れの良好な分配および振動低減のためには、流入口直径４１２をシェル直径４１３とほぼ等しくすることが好ましい。

図７は、図１でクモ形バッフル１２７として示されたものに特有のチューブ支持構成において、単一の穴５０２内のクモ形バッフル１２７の詳細な断面を模式的に示している。保護チューブ５０１は３つのタブ５０３により穴５０２の中心に支持される。タブ５０３に支持されることによって、チューブ５０２の過度の移動や振動が抑制される。タブ５０３を小寸法とすることで、流体の流れに対して大きい開口面積５０４が提供され、その結果圧力降下が低減される。

図８、図９、図１０および図１１は、保護チューブおよび長手方向流れのバッフルのいくつかの代替的な構成を模式的に示す。明確化のために、内部にヒータロッドを有するものとしての保護チューブは個々には図示されておらず、その組み合わせがクロスハッチを施した円で表されている。図８において、保護チューブ６０１は、相対的に等しい間隙６０２をもって、また保護チューブにとって不十分な空間が存在する外周に沿ったいくつかの位置ではより大きい間隙６０３をもって、三角形状のパターンに配置されている。それらの大きい間隙６０３は異なる形状の長手方向バッフル６０４で埋められ、それによって間隙の寸法がより一様なものとなる。バッフルは、チューブシートおよびバッフルに取り付けられたスペーサ６０５によって定位置に保持される。また、図９における保護チューブ６１１は相対的に等しい中央間隙６１２をもって、より大きい三角形状のパターンに配置されている。保護チューブに十分な空間がない外周に沿ったいくつかの位置には、大きい間隙６１３が存在する。これらの間隙も同じ形状の長手方向バッフル６１４で埋められ、間隙はより一様なものとなる。同様に、バッフル６１４はチューブシートおよびバッフルに取り付けられたスペーサ６１５によって定位置に保持される。また、付加的なスペーサ６１６が設けられ、保護チューブ６１１間の間隙をより一様なものとするとともに、拡張された表面積が提供されるようにしている。高温の保護チューブ６１１がスペーサ６１６に輻射を行い、そして伝導および対流によって流体６１７も加熱される。

図１０において、中央に位置づけられた大径のチューブ６２１は、より小径のチューブ６２２のリングに包囲されている。図８および図９と同様、周にある大きい間隙は同じ形状の長手方向バッフル６２４によって埋められ、それによって間隙が一様なものとなる。チューブ６２１，６２２間の間隙には付加的なスペーサ６２６が設けられることで、間隙空間がさらに減少するとともに、拡張した表面積が提供される。高温の保護チューブ６２１，６２２がスペーサ６２６に輻射を行い、そして伝導および対流によって流体６２７も加熱される。さらなる変形例として、２以上のヒータロッドを大径の保護チューブ６２１に配置することもできる。

図１１における保護チューブ６３１は、チューブ間に均等な間隙６３２をもって、熱交換器中央に正方形状のパターンにて配置されている。正方形配列外側の空いた領域６３３は大きい単一のバッフル６３４によって閉鎖されている。バッフル６３４は断面バッフル６３７および長手方向バッフル６３６からなり、長手方向バッフル６３６はチューブ６３１を完全に包囲して、付加的な熱伝達領域として働く。バッフル６３４は、これを通る流れを阻止するべく閉じられており、先に説明したのと同様、スペーサ６３５によって支持されている。

図１２は、バッフル７０１およびスペーサ７０２によって提供される拡張された表面積の利点を計算するための輻射熱伝達ネットワークの一例を示す。パイ形状の区域７０３は、図１０と同様の円形断面をもつヒータの対称区域を表し、断面全体における熱伝達を計算する時間を減らすために用いられる。中央のヒータ７０４および外側のヒータ７０５は、熱をバッフル７０１およびスペーサ７０２に放射する電気ヒータロッドを囲んでいる。ヒータに直交する流体７０６の流れによって全表面は冷却され、従ってスペーサ７０２およびバッフル７０１は付加的な表面領域として作用し、熱伝達全体を改善する。

図１３は、保護チューブの直径を変化させることで、ヒータロッド８０２自体の線形化熱出力を変化させずにどのように流束を変化させることができるかを説明する図である。ロッド８０２の直径８０３は保護チューブ８０１の頂部の直径８０４よりも小さい。ヒータロッド８０２からのエネルギのすべては保護チューブ８０１から流出するので、熱流束すなわち単位面積当たりの熱量は、保護チューブ８０１の表面８０７では２つの直径の比に比例する。拡張区域８０５の後では、保護チューブ８０１の表面８０７での流束は小さくなる。保護チューブの直径は底部８０６でより拡大されているからである。

図１４は支持プレート９０２に溶接された従来の単一ヒータ９０１の断面図であり、加圧状態（pressurized service）で使用される際の漏出の防止に関して従来の電気ヒータが不利である点をいくつか示している。加熱されるべき流体９０３はヒータを囲み、ヒータを製造するのに使用されるかしめ技術により厚みが決定される薄い金属被膜によって、ヒータ９０１の内側から絶縁される。ヒータの内側のワイヤ９０５は、粒子間の間隙から大きな絶縁特性を得る鉱物酸化物の細かい粉末９０６により絶縁される。ワイヤは埋め込み用樹脂製のプラグ９０７を通ってヒータアセンブリの外側に延在する。穴９０９がシース９０４内に発現すると、シース外側にある流体９０３は、穴９０９および絶縁部の間隙を通って圧力シールではないプラグ９０７にまで流れることになり、最終的には増加した圧力下で故障が生じ、環境への放出ひいては健康および安全上の問題が引き起こされる恐れがある。ヒータシース９０４は支持プレート９０２に溶接されているので、漏出が生じた場合には、支持プレート全体を取り外し、ヒータを切り離し、新たなヒータをアセンブリに溶接しなければならないことになる。これには多くの作業を要するので、従来のヒータ構成を用いる者は、プラントを停止する時期までにはそれほど悪化しないことを期待して、小さな漏出を許容してしまう傾向がある。そのような考え方は理解できるが、突発的な故障および有毒物質の大量の放出につながりうるのである。

これに対し、本発明の特徴を組み込んだ図１５に示すアセンブリは、まずチューブプレート１００４の穴１００３内に展開され、次いで漏れ止め溶接された保護チューブ１００２の内側に単一のヒータ１００１が配されたものの断面を示している。ヒータ１００１は、支持プレート１００５に溶接された、Ｓｗａｇｅｌｏｋが製造するもののようなボア付き圧縮嵌合部（bored through compression fitting）１０１２を用いて、支持プレート１００５内に密封される。ヒータ１００１と保護チューブ１００２との間隙には、外側の流体１００７よりも低い圧力で流体１００６を満たすことができる。穴１００８の形成という事態が生じた場合、外側の流体１００７は間隙に流入し、内側流体１００６の圧力を増大させるが、これは直ちに圧力トランスミッタ１００９により検知される。その結果、操作者は穴があることを知るが、ヒータのシース１０１１が二次的な圧力バリアとなることから、外部への漏出が生じるまでにはいくらかの時間の余裕を持つことになる。操作者は装置を停止し、流体１００７を除去し、安全にヒータを開放し、ヒータ支持プレート１００５およびこれに取り付けられたヒータ１００１を取り外し、シェルアンドチューブ熱交換器において標準的に行われているように、漏出が生じた保護チューブを見つけてそれを塞ぐことができる。そして、圧縮嵌合部１０１２を開放して欠陥保護チューブ１００２に入っていたヒータ１００１を取り外し、標準的なキャップ（不図示）により嵌合部１０１２をシールし、支持プレート１００５およびヒータ１００１を再度取り付けることができる。それによって、ヒータが１つ減ったためにやや低い出力とはなるが、熱交換器を作動状態に戻すことができる。これは、支持プレートを取り外し、故障したヒータをグラインドして取り外し、新たなヒータを再溶接するよりもかなり迅速であり、且つ、火事や爆発を引き起こす恐れがあるために厳しく管理される溶接装置を必要とせずに、熱交換器がある場所ですべてを行うことができる。より生じ易い故障はヒータロッド１００１自体内部のグランドショートであり、これらの故障は外側にあるリードワイヤをテストすることによって容易に検知できる。圧力トランスミッタ１００９が低圧力を示すために保護チューブ１００２には損傷がないことを操作者が知ることができることから、圧縮嵌合部１０１２を直ちに解放し、古いヒータ１００１を取り外して新たなヒータに交換し、嵌合部１０１２を再シールすることができる。

図１６〜図１８は、ヒータ内の複数のポイントでヒータ温度を直接測定する能力を提供するものとしての、上述した実施形態の特に有利な形態を示している。図１７はヒータロッドの端面１１０１、図１８は軸方向断面１１０２であり、ヒータロッドは中空のサーモウェル１１０４を取り囲む６つのヒータコイル１１０６を有する。中空のサーモウェル１１０４には熱電対または熱電対束またはその他の温度検知デバイスを挿入し、マルチセルのヒータシース１１０７で包囲することができる。６つのコイルを使用することは、三相電力を用いる大型の産業用ヒータにとって特に有利である。ヒータコイルの各対を完全な単相回路とすることができ、それによって各マルチセルヒータには自動的にバランスする三相電力により直接的に電力が供給され、他のヒータの負荷のバランスを崩すことなく、あるヒータをシステムから取り外すことができるからである。熱電対束は長さ１１０９が異なる熱電対を有し、その各々は、サーモウェル１１０４内の深さの差に対応して、その先端１１０８での温度を測定する。

よって本発明は、外壁をもつ二重壁構造と、壁間の漏出検知機構とを備えることで、漏出の恐れを低減するものである。さらに、腐食の増大につながり得るホットスポットを回避することで操作性を向上し、ヒータ温度の情報を提供することによってヒータの寿命を延ばすことができる。さらに加えて、ヒータロッドを個々に交換できるようにしたことで、メンテナンス性も向上する。

好適な実施形態に関連して本発明を説明したが、これは上述した特別な形態に本発明の範囲を限定することを企図したものではなく、むしろ逆に、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲および精神に含まれるような代替品、修正品および同等品をもカバーすることを企図したものである。

Claims (13)

1. 細長い熱交換器のシェルであって、１以上の電気ヒータをもつ主チューブシート、前記シェルの側部の第１のポートおよび前記側部または前記シェルの端部のさらなる１以上のポートを有し、前記電気ヒータが前記主チューブシートを通って前記シェル内に延在しており、前記主チューブシートの下方の前記シェルの内部空間であって該内部空間に配置される前記電気ヒータの外部に供給される流体のために、前記ポートが前記シェルに対する入口および出口を提供している当該シェルと、
   前記主チューブシートから間隔を置いてその上方に配され、前記主チューブシートとの間にプレナム空間をもつ副チューブシートであって、前記主チューブシート、前記副チューブシートおよび前記プレナム空間によってチューブシートの第１組を構成する当該副チューブシートと、
   各々が保護チューブおよび該保護チューブの内部に配された少なくとも１つのヒータロッドを備えている前記１以上の電気ヒータであって、前記保護チューブが、前記主チューブシートに対してシールされた第１端と、前記主チューブシートから離隔し、閉鎖端を有することで内部に前記少なくとも１つのヒータロッドを包囲する、流体から自由な空間を形成する第２端とに外表面を有し、前記流体から自由な空間が前記プレナム空間に開放されている前記１以上の電気ヒータと、
   前記第１組のチューブシートの下方にあって、前記シェルの前記内部空間への流体の入口を提供する前記ポートの１つと前記シェルの前記内部空間からの流体の出口を提供する前記ポートの１つとの間に配置された流れ方向転換バッフルと、
   を具えたことを特徴とする電気加熱流体の軸流熱交換器。
2. 少なくとも、プレナム空間によって分離された主チューブシートおよび副チューブシートの第２組であって、前記チューブシートの第１組から前記シェルの長さに沿った軸方向に離隔した当該第２組と、前記主チューブシートおよび副チューブシートの第２組から延在する電気ヒータの第２組と、前記第２組の主チューブシートに接続された、前記電気ヒータの第２組の保護チューブと、をさらに具え、前記チューブシートの第１組の副チューブシートおよび第２組の副チューブシートは、前記チューブシートの第１組の主チューブシートと第２組の主チューブシートとの距離よりも大きい距離をもって配置され、および、前記チューブシートの第１組の主チューブシートと前記チューブシートの第２組の主チューブシートとの間の内部空間に配置された、少なくとも１つのさらなる流れ方向転換バッフルを具えることを特徴とする請求項１に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
3. 熱交換器から出て行く流体が、前記熱交換器に直列に接続されたさらなる１以上の電気加熱流体の熱交換器に供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
4. 前記主チューブシートの下方に配置された１以上の軸流バッフルをさらに具えることを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
5. 前記ヒータロッドの各々が前記副チューブシートを通るようにされている位置に圧力シールをさらに具えることを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
6. 前記圧力シールが、圧縮嵌合部、フランジ、または、金属もしくはエラストマ製のＯリングのシールデバイスであることを特徴とする請求項５に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
7. 直径の異なる複数の保護チューブが前記主チューブシートにシールされることを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
8. 前記保護チューブから放射される熱を吸収するよう位置づけられた１以上の非加熱スペーサまたはバッフルをさらに具え、該非加熱スペーサまたはバッフルが前記流体によって冷却されることを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
9. 前記少なくとも１つの保護チューブが異なる直径をもつ少なくとも２つの部分を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
10. 前記プレナム空間から前記主チューブシートと前記副チューブシートとの間で延在する導管と、前記１以上の保護チューブを介した前記流体から自由な空間への漏出を検知するために前記導管に配置された漏出検知器とをさらに具え、該漏出検知器は、１以上の圧力センサ、温度センサ、密度センサ、熱伝導度センサ、液体検知器またはガスクロマトグラフの入口供給ポートを含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
11. 前記プレナム空間に断熱部をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
12. 前記１以上の電気ヒータの中心を通って軸方向に延在するサーモウェルをさらに具え、該サーモウェルの各々が、その内部に配置された１以上の温度測定装置を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。
13. 前記１以上の保護チューブに同軸に配置された１以上のクモ形バッフルをさらに具えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電気加熱流体の軸流熱交換器。

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