JP5743051B2 - 熱交換器およびボイラ給水システム - Google Patents

Description

本発明は、流体の冷却や加熱などに利用される熱交換器およびそれを用いたボイラ給水システムに関する。

熱交換器の代表的なものとして多管式熱交換器があり、この多管式熱交換器は、大径の胴管（シェル）の内部に、多数本の小径の伝熱管（チューブ）を収容して、胴管内を流れる流体と伝熱管内を流れる流体との間で熱交換を行わせるものであり、シェルアンドチューブ式熱交換器とも呼ばれている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１１１２７８号公報

上記多管式の熱交換器においては、伝熱管として単純な円管が用いられており、伝熱管の単位長さ当たりの伝熱面積が管径によって一義的に定まることになり、大きい熱交換容量を得るためには伝熱管の数を増やしたり、伝熱管の長さを長くする必要があり、熱交換器全体の大型化を招く一因となるものであった。

更に、従来の多管式熱交換器では、胴管の入口から胴管内を経由して胴管の出口に至る流路と、伝熱管の入口から伝熱管内を経由して伝熱管の出口に至る流路の二つの流路を流れる流体間でしか熱交換を行うことができず、三つ以上の各流路を流れる流体間で熱交換を行うといったことができなかった。

本発明は、このような実情に着目してなされたものであって、三つ以上の各流路を流れる流体間で熱交換を行うことが可能であって、高い熱交換効率を確保し、大型化することなく大容量の熱交換を行うことができる熱交換器およびそれを用いたボイラ給水システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では次のように構成している。

（１）本発明の熱交換器は、第１流体が流動するシェルの内部に、第２流体が流動する複数の伝熱管を収容して、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、前記伝熱管を、外側の管に内側の管を挿通して内外方向に複数流路が形成される多重管とし、前記多重管内の前記複数流路の最も外側に形成される最外流路に前記第２流体を流動させると共に、前記最外流路よりも内側に形成される内側流路に第１流体を流動させ、前記多重管が、外管に内管を挿通した二重管であって、前記外管と内管との間に形成される流路を前記最外流路とし、前記内管内部を前記内側流路とし、前記外管が円管であり、前記外管に挿通される前記内管は、その管壁が周方向複数箇所で放射状に広げられて伝熱面積を拡張させた伝熱面積拡張管であり、前記伝熱管は、前記内管が前記外管に比べて管軸方向に長く、管軸方向の中央の二重管部分と、管軸方向の両端で前記二重管部分から内管がそれぞれ突出する内管部分とを有し、前記シェルは、前記二重管部分を収容すると共に、前記第１流体の流入口および流出口を有する第１シェルと、管軸方向の一端側の前記内管部分を収容すると共に、前記外管と内管との間に形成される流路へ前記第２流体を流入させる第２シェルと、管軸方向の他端側の前記内管部分を収容すると共に、前記外管と内管との間に形成される流路から前記第２流体が流出する第３シェルと、前記内管の他端側開口が臨み内管へ第１流体を流入させる第４シェルと、前記内管の一端側開口が臨み内管から第１流体が流出する第５シェルとを備え、前記シェルは、前記第１シェルと、その両端に第１，第２管板を介して連設される前記第２シェル及び前記第３シェルと、前記第３シェルの外端に第３管板を介して連設される前記第４シェルと、前記第２シェルの外端に第４管板を介して連設される前記第５シェルとを備え、前記内管の両端は、前記第３，第４管板にそれぞれ気密に挿通支持される一方、前記外管の両端は、前記第１，第２管板にそれぞれ気密に挿通支持されており、前記内管は、前記外管内に挿通されると共に外周頂部の外径を変化させない前記伝熱面積拡張管の部分が、前記外管の両端から突出すると共に、前記第１，第２管板よりも前記第２，第３シェル内に突出し、前記内管は、管軸方向の両端における円管の部分と、これより大径の前記伝熱面積拡張管の部分とがテーパー管で繋がれる。

本発明の熱交換器によると、シェルの内部に収容される伝熱管は、複数流路が形成された多重管であるので、シェル内部の流路と多重管内の複数流路との三つ以上の各流路を流動する流体間で熱交換を行うことができ、第１流体が流動するシェルの内部に収容された多重管の最外流路を流動する第２流体は、多重管の外側を流動する第１流体と、多重管の内側流路を流動する第１流体とによって内外から熱交換されることになり、大きい伝熱面を介して効率よく熱交換される。

この実施態様によると、二重管の外管と内管との間に形成される流路である最外流路を流れる第２流体は、二重管の外側を流動する第１流体と、内側流路である内管内部を流れる第１の流体とによって挟まれて内外から熱交換されることになり、大きい伝熱面を介して効率よく熱交換される。

伝熱面積拡張管は、管壁を、周方向複数箇所で放射状に伸張させて伝熱面積を拡張した異形断面管である。

この実施態様によると、二重管における内管の伝熱面積が一層大きいものとなり、さらに効率の良い熱交換を行うことができる。

前記各シェルは、前記二重管部分の端部や前記内管部分の端部を支持する管板や仕切り板などによって気密に区画されるのが好ましい。

この実施態様によると、複数の伝熱管の二重管部分を収容する第１シェルには、流入口から第１流体が流入して第１シェル内を流動して流出口から流出し、前記二重管の内管には、第４シェルから第１流体が流入して内管を流動して第５シェルに流出する一方、前記二重管部分の内管と外管との間に形成される流路には、第２シェルから第２流体が流入して内管と外管との間に形成される流路を流動して第３シェルへ流出する。したがって、第２流体が、二重管の内管と外管との間に形成される流路を流動する際に、第２流体は、二重管の内管を流動する第１流体と外管の外側を流動する第１流体とによって内外から効率的に熱交換が行われる。

（２）本発明の別の実施態様では、前記第１流体よりも高温の前記第２流体を、前記第２シェルから前記外管と内管との間に形成される流路へ流入させて第３シェルから流出させる一方、前記第１シェルの前記流入口から該第１シェル内を経由して前記流出口へ至る流路および前記第４シェルから前記内管を経由して前記第５シェルへ至る流路の二つの流路の内のいずれか一方の流路に、第１流体としての水を流入させて温水を流出させ、他方の流路に、第１流体としての水を流入させて蒸気を流出させるようにしている。

この実施態様によると、外管と内管との間に形成される流路を流れる高温の第２流体と、外管の外側または内管を流れる第１流体としての水との熱交換によって第２流体を冷却すると共に、水を加熱して温水を生成する一方、前記第２流体と、内管または外管の外側を流れる第１流体としての水との熱交換によって第２流体を冷却すると共に、水を加熱して蒸気を生成することができる。

（３）本発明のボイラ給水システムは、原動機の動力によって駆動される圧縮機と、ボイラへの給水路または前記ボイラへの給水を貯留するタンクへの給水路に設けられて、前記ボイラまたは前記タンクへの給水が前記第１流体として供給される一方、前記給水と熱交換して冷却される被冷却流体が、前記圧縮機から前記第２流体として供給される本発明に係る熱交換器とを備えている。

本発明のボイラ給水システムによると、原動機の動力によって駆動される圧縮機からの圧縮空気等の被冷却流体を、ボイラまたはタンクへの給水によって冷却するので、圧縮機で発生する圧縮熱を回収してボイラ給水を予熱することができ、ボイラの燃料消費を削減することができる。

しかも、高い熱交換効率の本発明の熱交換器によって、ボイラまたはタンクへの給水と圧縮機からの圧縮空気等の被冷却流体との間で熱交換を行うので、圧縮熱の回収率を向上させることができる。

このように、本発明の熱交換器によれば、伝熱管における単位長さあたりの伝熱面積が大きく、効率の高い熱交換を行うことができ、大型化することなく大容量の熱交換を行うことが可能となると共に、三つ以上の各流路を流動する流体間で熱交換を行うことができる。

また、本発明のボイラ給水システムによれば、圧縮機で生じる圧縮熱を、本発明の熱交換器によって効率的に回収してボイラの給水を予熱してボイラの燃料消費を削減することができる。

図１は本発明の一実施形態の熱交換器の縦断側面図である。 図２は図１の伝熱管の一方の端部付近を拡大した縦断側面図である。 図３は図２のａ-ａ線に沿う断面図である。 図４は伝熱管の一方の端部の斜視図である。 図５は本発明の他の実施形態の伝熱管の図４に対応する斜視図である。 図６は本発明の他の実施形態の図２に対応する縦断側面図である。 図７は図６のｂ−ｂ線に沿う断面図である。 図８は本発明の更に他の実施形態の熱交換器の図１に対応する縦断側面図である。 図９は本発明の一実施形態のボイラ給水システムの概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換器の縦断側面図であり、図２は、図１の伝熱管２の一方の端部付近を拡大した縦断側面図であり、図３は、図２のａ−ａ線に沿う断面図であり、図４は、伝熱管の一方の端部を示す斜視図である。なお、伝熱管２の両端部は、対称な構造であるので、図２〜図４では、一方の端部である図１の圧縮空気流入シェル１Ｂ側の端部を示している。

この実施形態の熱交換器は、例えば、後述のボイラ給水システムに使用されるものであって、高温の圧縮空気を冷却水で冷却するものである。

この熱交換器は、基本的には、図１に示すように、円管状の大径のシェル（胴管）１の内部に、小径の多数本の伝熱管２を収容し、シェル１に供給される第１流体としての冷却水と、伝熱管２を流動する第２流体としての高温の圧縮空気との間で熱交換を行う多管式の熱交換器である。シェル１は、円管状に限らず、直方体状やその他の形状であってもよい。

前記シェル１は、直線状の伝熱管２を収容する第１シェルとしての熱交換シェル１Ａと、その両端に第１，第２管板３，４を介してそれぞれ連設される短胴の第２シェルとしての圧縮空気流入シェル１Ｂ及び第３シェルとしての圧縮空気流出シェル１Ｃと、圧縮空気流出シェル１Ｃの外端に第３管板５を介して連設される第４シェルとしての冷却水流入シェル１Ｄと、圧縮空気流入シェル１Ｂの外端に第４管板６を介して連設される第５シェルとしての冷却水流出シェル１Ｅとを備えている。

熱交換シェル１Ａの両端近くの上部には、矢符Ｆ１で示すように冷却水が流入する第１冷却水入口７ｉと、熱交換シェル１Ａ内を流動して熱交換した冷却水が矢符Ｆ２で示すように流出する第１冷却水出口７ｅとがそれぞれ設けられている。熱交換シェル１Ａでは、該シェル１Ａ内を流動する冷却水と、伝熱管２内を流動する高温の圧縮空気との間で熱交換を行う。

圧縮空気流入シェル１Ｂの上部には、第２流体として高温の圧縮空気が矢符Ｆ３で示すように流入する圧縮空気入口８ｉが設けられており、圧縮空気流出シェル１Ｃの上部には、冷却後の圧縮空気が矢符Ｆ４で示すように流出する圧縮空気出口８ｅが設けられている。

冷却水流入シェル１Ｄは、管軸方向の一方側（図１の左方側）が縮径した漏斗形状をなしており、その縮径した端部は、第１流体として冷却水を矢符Ｆ５で示すように流入させる第２冷却水入口９ｉとなっている。冷却水流出シェル１Ｅは、管軸方向の他方側（図１の右方側）が縮径した漏斗形状をなしており、その縮径した端部は、冷却水を矢符Ｆ６で示すように流出させる第２冷却水出口９ｅとなっている。

この実施形態の熱交換器が使用される後述のボイラ給水システムでは、熱交換シェル１Ａの第１冷却水入口７ｉから流入する冷却水が、熱交換シェル１Ａ内を流動して第１冷却水出口７ｅから流出した後、再び、冷却水流入シェル１Ｄの第２冷却水入口９ｉから流入し、伝熱管２内を流動して冷却水流出シェル１Ｅの第２冷却水出口９ｅから流出する。

この実施形態の伝熱管２は、銅製の円管からなる外管２ａに、外管２ａよりも管軸方向に長い銅製の内管２ｂを挿通した二重管に構成されており、管軸方向の中央が二重管部分となり、管軸方向の両端が、外管２ａから内管２ｂが突出した内管部分となっている。なお、外管２ａ及び内管２ｂの材質は、銅に限らず、流体の特性や条件などに応じて、鋼、ステンレス、チタン等の他の金属材料を選択することができる。

内管２ｂの外管２ａ内に挿通される部分は、図３及び図４に示されるように、その管壁が、周方向複数箇所（この例では六ケ所）で放射状に広げられて伝熱面積を拡張させた花弁状の伝熱面積拡張管２ｂ１となっている。内管２ｂの外管２ａから突出した両端部分は、図２及び図４に示されるように、外管２ａより小径の円管２ｂ２と、この円管２ｂ２の部分と大径の伝熱面積拡張管２ｂ１の部分とを滑らかに繋ぐテーパー管２ｂ３となっている。

この実施形態では、内管２ｂは、その伝熱面積拡張管２ｂ１の部分の六ヶ所の各外周頂部が外管２ａの内周面に接触するように外管２ａに挿通支持されているが、内管２ｂは外管２ａの内周面に接触していなくてもよい。なお、内管２ｂにおける伝熱面積拡張管２ｂ１の花弁状の外周頂部は、六つに限ることはなく、要求される熱交換容量等に応じて任意に選択すればよい。また、伝熱面積拡張管２ｂ１は、花弁状に限らず、例えば、外壁にフィンを設けて伝熱面積を拡張させたフィン付管としてもよい。また、内管２ｂは、三角形、矩形、多角形、楕円形等の他の異形断面管としてもよい。

伝熱管２の内管２ｂの両端は、図１に示すように、第３，第４管板５，６にそれぞれ気密に挿通支持されており、内管２ｂの両端の各開口が、冷却水流入シェル１Ｄと冷却水流出シェル１Ｅとにそれぞれ臨んでいる。すなわち、冷却水流入シェル１Ｄと冷却水流出シェル１Ｅとが、内管２ｂを介して連通されており、冷却水流入シェル１Ｄの第２冷却水入口９ｉから流入する冷却水が、内管２ｂの内部を流動して冷却水流出シェル１Ｅに流出して第２冷却水出口９ｅから排出される。

伝熱管２の中央の二重管部分が、熱交換シェル１Ａ内に収容されて、外管２ａの両端が第１，第２管板３，４に気密に挿通支持されており、伝熱管２の両端の内管部分が、圧縮空気流入シェル１Ｂと圧縮空気流出シェル１Ｃとに収容されている。圧縮空気流入シェル１Ｂと圧縮空気流出シェル１Ｃとは、最外流路としての外管２ａと内管２ｂとの間に形成される流路を介して連通されている。圧縮空気流入シェル１Ｂの圧縮空気入口８ｉから流入する高温の圧縮空気が、外管２ａと内管２ｂとの間に形成される流路を流動して圧縮空気流出シェル１Ｃから流出して圧縮空気出口８ｅから排出される。

冷却水流入シェル１Ｄの第２冷却水入口９ｉは、管軸方向（図１の左右方向）の一方側（図１の左方側）に設けられ、冷却水流出シェル１Ｅの第２冷却水出口９ｅは、管軸方向の他方側（図１の右方側）に設けられており、第２冷却水入口９ｉから流入する冷却水は、伝熱管２の内管２ｂの内部を管軸方向の一方側から他方側に向かって流動する。

これに対して、圧縮空気流入シェル１Ｂの圧縮空気入口８ｉは、管軸方向の前記他方側に設けられ、圧縮空気流出シェル１Ｃの圧縮空気出口８ｅは、管軸方向の前記一方側に設けられており、圧縮空気入口８ｉから流入する高温の圧縮空気は、外管２ａと内管２ｂとの間に形成される流路を管軸方向の前記他方側から前記一方側に向かって流動する。すなわち、内管２ｂの内部を流れる冷却水と、外管２ａと内管２ｂとの間に形成される流路を流れる圧縮空気とは、対向流となっている。なお、冷却水と圧縮空気とが同一方向に流れる並流式としてもよい。

この実施形態の熱交換器では、圧縮空気流入シェル１Ｂの圧縮空気入口８ｉから流入した高温の圧縮空気は、図３に示すように伝熱管２における外管２ａと内管２ｂとの間において周方向六ヶ所で区画形成された流路ｒを通って圧縮空気流出シェル１Ｃに向かって流動する。このとき、高温の圧縮空気は、熱交換シェル１Ａの第１冷却水入口７ｉから流入して熱交換シェル１Ａ内を流動して第１冷却水出口７ｅへ向かう外管２ａの周囲の冷却水と、冷却水流入シェル１Ｄの第２冷却水入口９ｉから流入して内管２ｂ内部を流動して第２冷却水出口９ｅへ向かう冷却水とによって内外から冷却される。

この場合、外管２ａの周面と内管２ｂの周面とがそれぞれ伝熱面として機能し、かつ、断面が花弁状に形成された伝熱面積拡張管２ｂ１の周面積が著しく大きいものとなっているために、伝熱管２における単位長さあたりの伝熱面積が、外管２ａと同径の単管で構成された旧来の伝熱管の伝熱面積に比べて、例えば、２倍程度大きくなり、小型でありながら効率の高い熱交換が可能となる。

また、本発明の他の実施形態として、内管２ｂの伝熱面積拡張管２ｂ１の部分における外管２ａの内周面との接触面積を、図３に比べて大きくすることによって、接触箇所を介して外管２ａと内管２ｂとの間で熱交換が行われることになり、外管２ａと内管２ｂとの温度差が少なくなり、外管２ａと内管２ｂとの間の流路を流れる高温の圧縮空気を内外から均一に冷却することができる。

なお、この熱交換器の組立てに際しては、例えば、先ず、第１冷却水入口７ｉ及び第１冷却水出口７ｅを溶接済みの熱交換シェル１Ａの両端開口に第１，第２管板３，４を連結し、これら管板３，４に亘って外管２ａを挿通して溶接固定する。次に、第１，第２管板３，４の外側に、圧縮空気入口８ｉを溶接済みの圧縮空気流入シェル１Ｂと圧縮空気出口８ｅを溶接済みの圧縮空気流出シェル１Ｃを連結した上で、外管２ａの一端から内管２ｂを挿入する。次に、圧縮空気流入シェル１Ｂと圧縮空気流出シェル１Ｃの外端に第４管板６，第３管板５を溶接固定すると共に、外管２ａに挿通支持された内管２ｂの両端部を、第３，第４管板５，６にそれぞれ挿通連結する。最後に、第３，第４管板５，６の外側に冷却水流入シェル１Ｄと冷却水流出シェル１Ｅをそれぞれ溶接固定する。なお、熱交換器の組立ては、溶接固定に限らず、ロウ付けや管を広げて圧着させる拡管などによって固定してもよい。

伝熱管２を組立てる工程において、内管２ｂを外管２ａに挿通する際、小径の円管２ｂ２の部分を外管２ａの一端から容易に挿入することができると共に、そのまま内管２ｂを圧入してゆくことで、伝熱面積拡張管２ｂ１の部分をテーパー管２ｂ３の部分で円滑に外管２ａの内周に案内することができ、更に、伝熱面積拡張管２ｂ１の部分における各外周頂部が外管２ａの内周面に接触して内管２ｂと外管２ａとが容易に同心状となるように組立てることができる。

この実施形態では、内管２ｂにおける伝熱面積拡張管２ｂ１は、その周方向六ケ所の各外周頂部が管軸方向に沿って直線状に形成されたけれども、本発明の他の実施形態として、図５に示すように、内管２ｂにおける伝熱面積拡張管２ｂ１は、その周方向六ケ所の各外周頂部を、管軸方向に沿って緩い螺旋状に形成して、内管２ｂの伝熱表面に滞留する流体の流動を促進して、伝熱効率を向上させるようにしてもよい。なお、内管２ｂにおける伝熱面積拡張管２ｂ１の各外周頂部は、図５に比べて、管軸方向に沿って急峻な螺旋状に形成してもよい。

この実施形態では、二重管の内管２ｂを、花弁状の伝熱面積拡張管２ｂ１としたけれども、本発明の他の実施形態として、内管２ｂを外管２ａと同心に挿通した円管とし、外管２ａと内管２ｂとの間に形成された環状流路に高温の圧縮空気を流動させて内外から冷却するようにしてもよい。この場合でも、単管の伝熱管を用いて外周からのみ冷却する場合に比べて効率の高い熱交換を行うことができる。

本発明の他の実施形態として、熱交換シェル１Ａ内の外管２ａから圧縮空気流入シェル１Ｂまたは圧縮空気流出シェル１Ｃへ突出する内管２ｂの端部を、折り返して再び熱交換シェル１Ａ内の外管２ａに挿通させる、すなわち、内管２ｂの端部を折り返して内管２ｂを連続させるようにしてもよい。

この実施形態では、第１流体を水、第２流体を圧縮空気としたけれども、第１流体を圧縮空気、第２流体を水としてもよく、あるいは、第１流体または第２流体を、蒸気、油、その他の流体としてもよい。

この実施形態では、外管２ａに内管２ｂを挿通した二重管としたけれども、本発明の他の実施形態として、内管を外管とし、その内側に更に内管を挿通した三重管あるいはそれ以上の多重管としてもよい。この場合、多重管内に形成される複数の流路内の少なくともいずれか一つの流路には、前記第１流体および前記第２流体以外の別の流体を流動させるようにしてもよい。また、多重管を構成する各管は、円管に限らず、フィン付管、各種の異形断面管としてもよい。

また、流路を流動する流体は、流路内で状態変化、例えば、水から水蒸気に状態変化してもよい。

例えば、高温の圧縮空気を、圧縮空気流入シェル１Ｂから外管２ａと内管２ｂとの間に形成される流路へ流入させて圧縮空気流出シェル１Ｃから流出させる一方、熱交換シェル１Ａの第１冷却水入口７ｉから冷却水を流入させて熱交換シェル１内で圧縮空気と熱交換させて第１冷却水出口７ｅから温水を流出させ、冷却水流入シェル１Ｄの第２冷却水入口９ｉから冷却水を流入させて内管２ｂを流動させて圧縮空気と熱交換させて冷却水流出シェル１Ｅの第２冷却水出口９ｅから水蒸気を流出させる、すなわち、水蒸気を生成するようにしてもよい。なお、熱交換シェル１Ａの第１冷却水入口７ｉから冷却水を流入させて第１冷却水出口７ｅから水蒸気を流出させ、冷却水流入シェル１Ｄの第２冷却水入口９ｉから冷却水を流入させて冷却水流出シェル１Ｅの第２冷却水出口９ｅから温水を流出させるようにしてもよい。

（実施形態２）
図６及び図７は、本発明の他の実施形態に係る熱交換器の図２及び図３に対応する断面図であり、上述の実施形態に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

この実施形態では、伝熱管２の内管２ｂを単なる円管に構成するとともに、外管２ａと内管２ｂと間に形成される環状流路に、外管２ａの内周面と内管２ｂの外周面とに接触する花弁状の伝熱面積拡張管２ｃを挿通させたものである。

なお、伝熱面積拡張管２ｃは、外管２ａの内周面および内管２ｂの外周面の少なくともいずれか一方と接触していればよい。

この伝熱管２では、外管２ａと内管２ｂと間に形成される環状流路、すなわち、伝熱面積拡張管２ｃの内外に第２流体としての高温の圧縮空気を流動させる一方、外管２ａの外の熱交換シェル１Ａ内及び内管２ｂ内に第１流体としての冷却水を流動させる。その他の構成は、上述の実施形態１と同様である。

この実施形態によると、外管２ａと内管２ｂとの環状流路で流動する高温の圧縮空気の熱を、伝熱面積拡張管２ｃを介して効率よく外管２ａ及び内管２ｂに伝達して外管２ａの外側及び内管２ｂの内部の冷却水との間で効率的な熱交換が可能となる。

（実施形態３）
図８は、本発明の更に他の実施形態に係る熱交換器の図１に対応する縦断側面図であり、上述の実施形態に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

この実施形態の熱交換器は、一端側が第７管板１６で閉塞された第１シェルとしての熱交換シェル１Ａの他端側に、圧縮空気流入／流出シェル１Ｆと冷却水流入／流出シェル１Ｇとを、第５，第６管板１１，１２を介して順次連設して構成され、更に、冷却水流入／流出シェル１Ｇを第８管板１７によって閉塞している。熱交換シェル１Ａの内部には、中間仕切り板１０が設けられて、シェル内に横Ｕ字状の流路が形成され、屈曲したＵ字状の二重管構造の伝熱管２が横Ｕ字状の流路に沿って収容されている。各伝熱管２の外管２ａの両端部が、第５管板１１に気密に挿通支持されると共に、内管２ｂの両端部が、第６管板１２に気密に挿通支持されている。

熱交換シェル１Ａの一端側の下部及び上部には、横Ｕ字状の流路の両端部に臨むように第１冷却水入口７ｉと第１冷却水出口７ｅが設けられている。圧縮空気流入／流出シェル１Ｆの内部、および、冷却水流入／流出シェル１Ｇの内部もそれぞれ中間仕切り板１３，１４で気密に区画されている。圧縮空気流入／流出シェル１Ｆの各区画に圧縮空気入口８ｉと圧縮空気出口８ｅをそれぞれ形成するとともに、冷却水流入／流出シェル１Ｇの各区画に第２冷却水入口９ｉと第２冷却水出口９ｅをそれぞれ形成している。

すなわち、圧縮空気流入／流出シェル１Ｆの内部は、中間仕切り板１３によって、第２流体として高温の圧縮空気が流入する第２シェルとしての圧縮空気流入シェルと、冷却後の圧縮空気が流出する第３シェルとしての圧縮空気流出シェルとに上下に区画され、冷却水流入／流出シェル１Ｇの内部は、中間仕切り板１４によって第１流体として冷却水が流入する第４シェルとしての冷却水流入シェルと冷却水が流出する第５シェルとしての冷却水流出シェルとに上下に区画されている。

この実施形態の熱交換器では、高温の圧縮空気が、圧縮空気流入／流出シェル１Ｆの圧縮空気入口８ｉから流入して屈曲された長い伝熱管２の内管２ａと外管２ｂとの間に形成される流路を流動する間に、熱交換シェル１Ａの第１冷却水入口７ｉから流入して外管２ａの周囲を流動する冷却水と、冷却水流入／流出シェル１Ｇの第２冷却水入口９ｉから流入して内管２ｂの内部を流動する冷却水とによって内外から冷却される。この場合、内管２ｂの屈曲範囲を単なる円管とし、直線範囲において内管２ｂを上述の伝熱面積拡張管に構成することで、伝熱管２の屈曲加工が容易となる。

この実施形態によると、長い伝熱管２を収容した高容量の熱交換器をコンパクトに構成することができる。また、伝熱管２を蛇行状に屈曲させて冷却流路の長さをさらに長大化することで一層容量の大きい熱交換器を構成することができる。

（実施形態４）
次に、上述の本発明に係る熱交換器を用いたボイラ給水システムについて説明する。

図９は、本発明の一実施形態に係るボイラ給水システムを備える蒸気システムの一例を示す概略図である。

この蒸気システム２０は、ボイラ２１と、このボイラ２１からの蒸気を用いて動力を発生する原動機としてのスチームモータ２２と、このスチームモータ２２の動力によって駆動される第１，第２圧縮機２３，２４とを備えている。この実施形態では、スチームモータ２２と第１，第２圧縮機２３，２４とは、仮想線で示されるように、一つのユニット２５として構成されているが、一つのユニットとして構成されていなくてもよい。また、第１，第２圧縮機２３，２４は、スチームモータ２２によって駆動されるけれども、スチームモータ２２に代えて電動モータや他の原動機によって駆動されてもよい。

ボイラ２１へは、後述のボイラ給水システム４５を構成する給水タンク２６から給水され、ボイラ２１へ給水された水は、ボイラ２１で加熱されて蒸気となり、第１蒸気ヘッダ２７を介して蒸気を利用する各種の負荷機器２８へ供給される。

この種の負荷機器２８の一つとして、上述のスチームモータ２２がある。スチームモータ２２へは、第１蒸気ヘッダ２７からの蒸気が、給蒸路２９を介して供給される。第１蒸気ヘッダ２７からスチームモータ２２への給蒸路２９には、給蒸弁３０が設けられる。この給蒸弁３０の開閉または開度を調整することで、スチームモータ２２の作動の有無または出力を調整できる。

スチームモータ２２は、供給される蒸気によって回転駆動力を得る装置であるが、スチームモータ２２において、蒸気は膨張して減圧される。従って、スチームモータ２２は、第１，第２圧縮機２３，２４の駆動源としてだけでなく、減圧弁としても機能する。これによって、スチームモータ２２で使用された後の蒸気は、減圧弁通過後の蒸気として、各種の負荷機器（図示省略）において、そのまま利用することもできる。このため、スチームモータ２２で使用した後の蒸気は、排蒸路３１を介して第２蒸気ヘッダ３２へ供給され、この第２蒸気ヘッダ３２の蒸気が、各種の負荷機器へ供給される。排蒸路３１には、スチームモータ２２への蒸気の逆流を防止する逆止弁３３が設けられる。

第１蒸気ヘッダ２７と第２蒸気ヘッダ３２とは、バイパス弁３５が設置されたバイパス路３４を介して接続される。バイパス弁３５は、好適には自力式の減圧弁とされ、第２蒸気ヘッダ３２内の蒸気圧を所定に維持するように、機械的に自力で開度調整される。このようなバイパス路３４を設けておけば、第２蒸気ヘッダ３２の負荷機器へ安定して蒸気を供給することができる。例えば、給蒸弁３０を閉じてスチームモータ２２を停止させた状態でも、第２蒸気ヘッダ３２から負荷機器へ蒸気を供給することができる。

スチームモータ２２は、好適にはスクリュ式スチームモータであり、スクリュ式スチームモータは、互いにかみ合うスクリュロータとロータケーシングとの間に蒸気が導入され、その蒸気によってスクリュロータを回転させつつ蒸気を膨張させて減圧し、その際のスクリュロータの回転により動力を得る。

スチームモータ２２の動力によって駆動される第１，第２圧縮機２３，２４は、２段型のドライオイルフリースクリュ式の空気圧縮機である。ドライオイルフリースクリュ式の空気圧縮機は、互いにかみ合って回転するスクリュロータとロータケーシングとの間に空気を吸入して、スクリュロータの回転によって空気を圧縮して吐出するものであって、空気に油が混入しない機構となっている。なお、圧縮機は、２段に限らず、単段あるいは３段以上の多段であってもよく、また、ドライオイルフリーでなくてもよい。

各圧縮機２３，２４とスチームモータ２２との間には、スチームモータ２２からの軸動力を各圧縮機２３，２４へ伝達するための歯車列を収納したギヤボックス３６が設けられている。このギヤボックス３６の下部は、潤滑油が溜まる油溜り部６３となっている。

この油溜り部６３と、油溜り部６３からの潤滑油を冷却する油冷却用熱交換器３９との間には、循環流路６４が設けられている。この実施形態では、油冷却用熱交換器３９は、プレート式の熱交換器を使用しているが、上述の本発明の熱交換器を使用してもよい。

潤滑油の循環流路６４は、ギヤボックス３６の油溜り部６３から油冷却用熱交換器３９への往き流路６４ａと、油冷却用熱交換器３９から油溜り部６３への戻り流路６４ｂとを備えている。

往き流路６４ａには、送油ポンプ３７が設置されており、この送油ポンプ３７と油冷却用熱交換器３９との間の往き流路６４ａには、油冷却用熱交換器３９を経由することなく戻り流路６４ｂに連結する分岐流路６４ｃが設けられており、往き流路６４ａの分岐部分に、三方弁３８が設置されている。

油冷却用熱交換器３９からの戻り流路６４ｂは、途中で分岐されて第２圧縮機２４及び第１の圧縮機２３の各軸受け部等を経由してギヤボックス３６の油溜り部６３に戻る第１戻り流路６４ｂ−１と、スチームモータ２２の軸受け部や歯車部等を経由してギヤボックス３６の油溜り部６３に戻る第２戻り流路６４ｂ−２とになっている。

ギヤボックス３６の油溜り部６３と送油ポンプ３７との間の往き流路６４ａには、潤滑油の温度を検出する第１温度センサ４１が設置されており、この第１温度センサ４１によって検出された潤滑油の温度に基づいて、三方弁３８による潤滑油の分流比を制御して潤滑油の温度を調整している。すなわち、三方弁３８は、送油ポンプ３７からの潤滑油を、往き流路６４ａ側の油冷却用熱交換器３９と、分岐流路６４ｃ側の戻り流路６４ｂとに分流するものであり、この三方弁３８の分流比を制御することによって、分岐流路６４ｃを介して戻り流路６４ｂ側に分流された高温の潤滑油と、油冷却用熱交換器３９によって冷却された低温の潤滑油との混合割合が制御されて潤滑油の温度が調整される。温度が調整された潤滑油は、第１，第２戻り流路６４ｂ−１，６４ｂ−２を介して各圧縮機２４，２３及びスチームモータ２２に供給される。

第１圧縮機２３は、吸込口から吸込んだ空気を圧縮して中間流路４２に吐出する。中間流路４２に吐出された高温の圧縮空気は、空気冷却用第１熱交換器４３によって冷却されて第２圧縮機２４に供給される。第２圧縮機２４は、空気冷却用第１熱交換器４３で冷却された圧縮空気を吸込み口から吸込んで更に圧縮して吐出流路６２に吐出する。吐出流路６２に吐出された高温の圧縮空気は、空気冷却用第２熱交換器４４によって冷却され、図示しない各種の圧縮空気利用機器へ供給される。

この実施形態では、空気冷却用第１熱交換器４３及び空気冷却用第２熱交換器４４として、本発明に係る熱交換器、具体的には、上述の実施形態１の熱交換器を使用している。

次に、本発明の一実施形態に係るボイラ給水システム４５について説明する。この実施形態のボイラ給水システム４５は、ボイラ２１への給水を貯留する給水タンク２６と、この給水タンク２６への給水を貯留する補給水タンク４６と、この補給水タンク４６から給水タンク２６への給水を用いて圧縮空気及び潤滑油の冷却を図る上述の各熱交換器３９，４３，４４とを主要部として備えている。なお、各熱交換器３９，４３，４４は、通常、前記ユニット２５の一部として構成される。

給水タンク２６は、ボイラ２１への給水を貯留すると共に、負荷機器２８などからドレンが回収される。図９では、第１蒸気ヘッダ２７からの蒸気を利用する負荷機器２８と、第２蒸気ヘッダ３２からの蒸気を利用する負荷機器（図示省略）からのドレンが、ドレン回収路４７を介して給水タンク２６に回収される。

補給水タンク４６は、給水タンク２６への給水を貯留すると共に、軟水装置４８及び脱酸素装置４９を介して補給水路５０から水が供給可能とされる。脱気された軟水が空気と接触することで、再び酸素が溶け込むのを防止するために、給水タンク２６及び補給水タンク４６の水面には、ビーズ５１，５１…が一面に浮かべられる。

補給水タンク４６には、水位検出器５２が設けられる。この水位検出器５２による検出信号に基づいて脱酸素装置４９を制御することで、補給水タンク４６内の水位は設定範囲に維持される。補給水タンク４６の水は、第１給水路５３と第２給水路５４とを介して、給水タンク２６へ給水可能とされる。

先ず、第１給水路５３を介した給水について説明する。補給水タンク４６と給水タンク２６とは、逆止弁５５を備えた第１給水路５３を介して接続される。第１給水路５３の逆止弁５５は、補給水タンク４６から給水タンク２６への給水は許容するが、給水タンク２６から補給水タンク４６への逆流は防止する。補給水タンク４６から第１給水路５３を介した給水タンク２６への給水は、補給水タンク４６と給水タンク２６との水頭圧差により行われる。

次に、第２給水路５４を介した給水について説明する。補給水タンク４６と給水タンク２６とは、熱交給水ポンプ５６、上述の油冷却用熱交換器３９、空気冷却用第２熱交換器４４及び空気冷却用第１熱交換器４３を順に備えた第２給水路５４を介して接続される。各熱交換器３９，４４，４３には、補給水タンク４６からの冷却水が供給される一方、この冷却水と間接熱交換して冷却しようとする被冷却流体がそれぞれ供給される。この被冷却流体は、この実施形態では、油冷却用熱交換器３９では、上述のようにギヤボックス３６の油溜り部６３からの潤滑油とされ、空気冷却用第２熱交換器４４では、第２圧縮機２４で圧縮された高温の圧縮空気とされ、空気冷却用第１熱交換器４３では、第１圧縮機２３で圧縮された高温の圧縮空気とされる。

この実施形態では、空気冷却用第１，第２熱交換器４３，４４として、上述の図１に示される熱交換器が使用されている。

すなわち、空気冷却用第２熱交換器４４では、図１に示される熱交換シェル１Ａの第１冷却水入口７ｉから油冷却用熱交換器３９を経由した、例えば、２５℃程度の給水が第１流体として流入し、熱交換シェル１Ａ内で伝熱管２内の高温の圧縮空気（第２流体）と熱交換した後、第１冷却水出口７ｅから流出する。更に、この流出した給水が、再び、冷却水流入シェル１Ｄの第２冷却水入口９ｉから流入して伝熱管２の内管２ｂを流動し、外管２ａと内管２ｂとの間に形成される流路の高温の圧縮空気と熱交換して、例えば、４５℃程度まで昇温された後、冷却水流出シェル１Ｅの第２冷却水出口９ｅから流出し、空気冷却用第１熱交換器４３へ供給される。

また、空気冷却用第２熱交換器４４では、図１に示される圧縮空気流入シェル１Ｂの圧縮空気入口８ｉから第２圧縮機２４で圧縮された、例えば、２５０℃程度の高温の圧縮空気が第２流体として流入し、伝熱管２の外管２ａと内管２ｂとの間に形成される流路を流動してその内外の冷却水と熱交換して、例えば、５５℃程度まで冷却された後、圧縮空気流出シェル１Ｃの圧縮空気出口８ｅから流出して各種の圧縮空気利用機器へ供給される。

空気冷却用第１熱交換器４３では、空気冷却用第２熱交換器４４の冷却水流出シェル１Ｅの第２冷却水出口９ｅから流出した、例えば、４５℃程度の冷却水が、熱交換シェル１Ａの第１冷却水入口７ｉから流入し、熱交換シェル１Ａ内で伝熱管２内の高温の圧縮空気と熱交換した後、第１冷却水出口７ｅから流出する。更に、この流出した冷却水が、再び、冷却水流入シェル１Ｄの第２冷却水入口９ｉから流入して伝熱管２の内管２ｂを流動し、外管２ａと内管２ｂとの間に形成される流路の高温の圧縮空気と熱交換して、例えば、６５℃程度まで昇温された後、冷却水流出シェル１Ｅの第２冷却水出口９ｅから流出し、給水タンク２６へ供給される。

また、空気冷却用第１熱交換器４３では、圧縮空気流入シェル１Ｂの圧縮空気入口８ｉから第１圧縮機２３で圧縮された、例えば、２５０℃程度の高温の圧縮空気が流入し、伝熱管２の外管２ａと内管２ｂとの間に形成される流路を流動して冷却水と熱交換して、例えば、６０℃程度まで冷却された後、圧縮空気流出シェル１Ｃの圧縮空気出口８ｅから流出して第２圧縮機２４に供給される。

以上のようにして、第１，第２圧縮機２３，２４からの圧縮空気は、空気冷却用第１，第２熱交換器４３，４４にて冷却され、各種の圧縮空気利用機器へ送られる一方、補給水タンク４６からの給水は、油冷却用熱交換器３９及び空気冷却用第１，第２熱交換器４３，４４で潤滑油及び高温の圧縮空気とそれぞれ熱交換されて加熱昇温され、給水タンク２６へ供給される。すなわち、第１，第２圧縮機４２，４３で生じる圧縮熱によって給水タンク２６への給水を予熱している。

補給水タンク４６から各熱交換器３９，４４，４３への給水量は、補給水タンク４６から第２給水路５４を介した給水タンク２６への給水量でもあるが、この給水量は、インバータポンプにより変更可能とされる。具体的には、補給水タンク４６から油冷却用熱交換器３９へ至る第２給水路５４に設けられた熱交給水ポンプ５６は、インバータ５７により回転数を制御可能とされており、回転数を変更されることで各熱交換器３９，４４，４３への給水量が調整される。

補給水タンク４６から各熱交換器３９，４４，４３への給水量は、空気冷却用第２熱交換器４４からの圧縮空気の温度に基づいて調整される。この実施形態では、空気冷却用第２熱交換器４４から各種の圧縮空気利用機器へ供給される圧縮空気の温度を第２温度センサ５８で検出し、その検出温度に基づいて、温度調節器５９が、インバータ５７を介して熱交給水ポンプ５６の回転数を制御する。具体的には、空気冷却用第２熱交換器４４からの圧縮空気を設定温度に維持するように、第２温度センサ５８による検出温度に基づき、温度調節器５９及びインバータ５７によって熱交給水ポンプ５６が制御されて、補給水タンク４６から各熱交換器３９，４４，４３へ供給される水量が調整される。なお、給水タンク２６および補給水タンク４６には、それぞれ、所定以上の水を外部へあふれさせるためのオーバフロー路６０，６１が設けられている。

この実施形態では、補給水タンク４６には、比較的低温の原水のみが供給される。つまり、ドレンや、各熱交換器３９，４４，４３を通過後の水は、補給水タンク４６ではなく給水タンク２６へ供給されるので、補給水タンク４６の水温を上昇させることはない。このような比較的低温の水を各熱交換器３９，４４，４３において被冷却流体の冷却水として用いることで、冷却水量を最小限に抑えることができる。また、ドレンの回収率が比較的高い場合にも、各圧縮機２３，２４の廃熱を給水タンク２６への補給水で効果的に回収することができる。

この実施形態では、給水タンク２６への給水を用いて各圧縮機２３，２４の圧縮熱を回収したけれども、本発明の他の実施形態として、ボイラ２１への給水を用いて各圧縮機２３，２４の圧縮熱を回収するようにしてもよい。

この実施形態では、空気冷却用第２熱交換器４４からの圧縮空気の温度を設定温度に維持するように制御したけれども、本発明の他の実施形態として、給水の温度を設定温度に維持するように制御してもよく、例えば、空気冷却用第１熱交換器４３の後段の給水の温度を設定温度に制御するようにしてもよい。

本発明の他の実施形態として、スチームモータ２２の軸封部から漏れる蒸気から熱を回収するようにしてもよく、例えば、空気冷却用第１熱交換器４３の後段に熱交換器を設置し、スチームモータ２２の漏れ蒸気によってボイラの給水を加熱するようにしてもよい。

１ シェル
１Ａ 熱交換シェル（第１シェル）
１Ｂ 圧縮空気流入シェル（第２シェル）
１Ｃ 圧縮空気流出シェル（第３シェル）
１Ｄ 冷却水流入シェル（第４シェル）
１Ｅ 冷却水流出シェル（第５シェル）
２ 伝熱管
２ａ 外管
２ｂ 内管
２ｂ１ 伝熱面積拡張管
２ｂ２ 円管
２ｂ３ テーパー管
ｒ 流路
２１ ボイラ
２２ スチームモータ
２３，２４ 第１，第２圧縮機
２６ 給水タンク
３９ 油冷却用熱交換器
４３，４４ 空気冷却用第１，第２熱交換器
４６ 補給水タンク

Claims (3)

1. 第１流体が流動するシェルの内部に、第２流体が流動する複数の伝熱管を収容して、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   前記伝熱管を、外側の管に内側の管を挿通して内外方向に複数流路が形成される多重管とし、前記多重管内の前記複数流路の最も外側に形成される最外流路に前記第２流体を流動させると共に、前記最外流路よりも内側に形成される内側流路に第１流体を流動させ、
   前記多重管が、外管に内管を挿通した二重管であって、前記外管と内管との間に形成される流路を前記最外流路とし、前記内管内部を前記内側流路とし、
   前記外管が円管であり、前記外管に挿通される前記内管は、その管壁が周方向複数箇所で放射状に広げられて伝熱面積を拡張させた伝熱面積拡張管であり、
   前記伝熱管は、前記内管が前記外管に比べて管軸方向に長く、管軸方向の中央の二重管部分と、管軸方向の両端で前記二重管部分から内管がそれぞれ突出する内管部分とを有し、
   前記シェルは、前記二重管部分を収容すると共に、前記第１流体の流入口および流出口を有する第１シェルと、管軸方向の一端側の前記内管部分を収容すると共に、前記外管と内管との間に形成される流路へ前記第２流体を流入させる第２シェルと、管軸方向の他端側の前記内管部分を収容すると共に、前記外管と内管との間に形成される流路から前記第２流体が流出する第３シェルと、前記内管の他端側開口が臨み内管へ第１流体を流入させる第４シェルと、前記内管の一端側開口が臨み内管から第１流体が流出する第５シェルとを備え、
   前記シェルは、前記第１シェルと、その両端に第１，第２管板を介して連設される前記第２シェル及び前記第３シェルと、前記第３シェルの外端に第３管板を介して連設される前記第４シェルと、前記第２シェルの外端に第４管板を介して連設される前記第５シェルとを備え、
   前記内管の両端は、前記第３，第４管板にそれぞれ気密に挿通支持される一方、前記外管の両端は、前記第１，第２管板にそれぞれ気密に挿通支持されており、
   前記内管は、前記外管内に挿通されると共に外周頂部の外径を変化させない前記伝熱面積拡張管の部分が、前記外管の両端から突出すると共に、前記第１，第２管板よりも前記第２，第３シェル内に突出し、
   前記内管は、管軸方向の両端における円管の部分と、これより大径の前記伝熱面積拡張管の部分とがテーパー管で繋がれる
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１流体よりも高温の前記第２流体を、前記第２シェルから前記外管と内管との間に形成される流路へ流入させて第３シェルから流出させる一方、
   前記第１シェルの前記流入口から該第１シェル内を経由して前記流出口へ至る流路および前記第４シェルから前記内管を経由して前記第５シェルへ至る流路の二つの流路の内のいずれか一方の流路に、第１流体としての水を流入させて温水を流出させ、他方の流路に、第１流体としての水を流入させて蒸気を流出させる、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 原動機の動力によって駆動される圧縮機と、
   ボイラへの給水路または前記ボイラへの給水を貯留するタンクへの給水路に設けられて、前記ボイラまたは前記タンクへの給水が前記第１流体として供給される一方、前記給水と熱交換して冷却される被冷却流体が、前記圧縮機から前記第２流体として供給される前記請求項１に記載の熱交換器と、
   を備えることを特徴とするボイラ給水システム。

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