JP6161153B2 - シェルアンドチューブ型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、シェルアンドチューブ型熱交換器に関する。

シェルアンドチューブ型熱交換器は、シェル（胴体）に複数のチューブ（伝熱管）を収納した熱交換器であり、小さな空間の中で大きな伝熱面積が得られる。

特許文献１には、第１の流体を流す複数のチューブと、複数のチューブを収納して複数のチューブの外側に第２の流体を流すシェルと、を備えて構成されるシェルアンドチューブ型熱交換器が開示されている。前記シェルの内部には、複数のバッフル板が存在する。そのバッフル板は、シェルの長手方向に対して垂直な断面のほぼ半円部分を塞ぐような形状をなし、複数のバッフル板は半円部分を交互に塞ぐように、シェルの長手方向へ適宜の間隔を介して配置及び固定されている。

したがって、第１の流体は、複数のチューブ内を流れる。一方、第２の流体は、シェル内において複数のバッフル板によって、ジグザグに、複数のチューブの間を通過して流れる。このとき、第１の流体と第２の流体の間で熱交換される。複数のチューブは長手方向に垂直な断面でみて、円形の断面を有しており、シェル内に均一に配置されている。

特開２０１２−７２９２３号公報

近年、省エネルギー化のため、熱交換器の熱交換効率の更なる向上が求められている。例えば、燃料電池システムやガスエンジンコジョネレーションの排気ガスを一次側流体として利用し、二次側流体（例えば、水）との間で熱交換する熱交換器においては更なる高効率化が求められている。

そこで、本発明は高効率のシェルアンドチューブ型熱交換器を提供することを目的としている。

本発明のシェルアンドチューブ型熱交換器は、長辺と、この長辺に対向する短辺を有し、長手方向に対して垂直な断面で見て、くさび形状の断面を有し、第１の流体を流す複数のチューブと、前記複数のチューブを収納して前記複数のチューブの外側に第２の流体を流すシェルと、前記複数のチューブの両端を保持する管板と、を備え、前記複数のチューブは、隣接するチューブの間に狭隙部を設けて円筒状に配列されており、前記第２の流体は前記シェルの中央部から前記狭隙部を通過するように構成され、さらに前記シェルの中央部における前記第２の流体の流路を塞ぐ円形状の第１のバッフル板と、前記複数のチューブと前記シェルの内壁の間の第２の流体の流路を塞ぐリング状の第２のバッフル板と、を備え、前記第１のバッフル板は前記複数のチューブの短辺側の端面に当接し、前記第２のバッフル板は前記シェルの内壁と前記複数のチューブの長辺側の端面に当接し、前記第１のバッフル板と前記第２のバッフル板は前記シェルの長手方向に所定の間隔を介して交互に設けられたことを特徴とする。

本発明のシェルアンドチューブ型熱交換器によれば、複数のチューブは、くさび形状の断面を有し、隣接するチューブの間に狭隙部を設けて円筒状に配列され、第２の流体はシェル内の中央部から隣接チューブ間の狭隙部を通過するように構成される。これにより狭隙部に流れる第２の流体の流速が大きくなる結果、高効率のシェルアンドチューブ型熱交換器を実現できる。

本発明の実施形態におけるシェルアンドチューブ型熱交換器の平面図である。 本発明の実施形態におけるシェルアンドチューブ型熱交換器の正面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 図３のＢ−Ｂ線における断面図である。 図３のＣ−Ｃ線における断面図である。 図３のＤ−Ｄ線における断面図である。 本発明の実施形態におけるシェルアンドチューブ型熱交換器の側面図である。 図２のＥ−Ｅ線における断面図である。

以下、本発明の実施形態におけるシェルアンドチューブ型熱交換器を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態におけるシェルアンドチューブ型熱交換器の平面図、図２はその正面図、図３は図１のＡ−Ａ線における断面図、図４は図３のＢ−Ｂ線における断面図、図５は図３のＣ−Ｃ線における断面図、図６は図３のＤ−Ｄ線における断面図で、図７は本発明の実施形態におけるシェルアンドチューブ型熱交換器の側面図、図８は図２のＥ−Ｅ線における断面図である。

本発明の実施形態におけるシェルアンドチューブ型熱交換器１０は、第１の流体５１を流す複数のチューブ（伝熱管）１１、１１，１１・・・と、これらの複数のチューブ１１，１１，１１，・・・を収納して複数のチューブ１１の外側に第２の流体５２を流すシェル（胴体）３０と、複数のチューブ１１，１１，１１，・・・の両端を保持する管板１３Ａ，１３Ｂと、を含んで構成される（図１乃至図３を参照）。

複数のチューブ１１，１１，１１，・・・は長手方向に対して垂直な断面で見て、くさび形状の断面を有し、隣接するチューブ１１，１１の間に狭隙部１２を設けて円筒状に配列されており、第２の流体５２はシェル３０の中央部から狭隙部１２を通過するように構成されている（図４を参照）。

この場合、「くさび形状」とは、長辺と、それに対向する短辺を有する細長い台形状ある。そして、複数のチューブ１１，１１，１１・・・の長辺は、１つの円周に沿って配置され、短辺は半径の小さい同心円の円周に沿って配置されており、複数のチューブ１１，１１，１１，・・・は全体として見ると、円筒状になっている。また、シェル３０の「中央部」とはシェル３０の長手方向に対して垂直な方向における中央部であり、複数のチューブ１１，１１，１１，・・の短辺によって囲まれた領域のことである（図３、図４を参照）。

本実施形態のシェルアンドチューブ型熱交換器１０によれば、第２の流体５２はシェル３０の中央部から隣接チューブ１１，１１間の狭隙部１２を通過するように構成される。これにより狭隙部１２に流れる第２の流体５２の流速が大きくなる結果、第１の流体５１と第２の流体５２の間の熱交換効率を向上させることができる。

この場合、狭隙部１２の垂直断面形状もチューブ１１と同様に細長のくさび形状をなしていることから、チューブ１１の垂直断面形状が円形であるものに比して、隣接チューブ１１，１１間を通過する第２の流体５２の流速を大きくすることができるのである。

以下、更に詳しく説明する。シェル３０は筒状体をなし、本実施形態では円筒形状をなしている。シェル３０の一端側（図１の左側）に管体１４Ａが溶接等により接合されている。この管体１４Ａの左側面に第２の流体５２が流入する第２の流入口１８Ａを備えた管体１９Ａが接続され、管体１４Ａの上面に第１の流体５１が流出する第１の流出口１５Ａを備えた管体１６Ａが接続されている。

一方、シェル３０の他端側（図１〜図３の右側）管体１４Ｂが溶接等により接合されている。この筒体１４Ｂの右側面に第２の流体５２が流出する第２の流出口１８Ｂを備えた管体１９Ｂが接続され、管体１４Ｂの下面に第１の流体５１が流入する第１の流入口１５Ｂを備えた管体１６Ｂが接続されている。

さらに詳しくは、図３に示すように、管体１９Ａは、管体１４Ａの左側面の管板１７Ａから右側面の管板１３Ａに至るまで管体１４Ａを貫通して設けられる。したがって、管体１８Ａの第２の流入口１８Ａはシェル３０の内部空間に連通している。一方、管体１６Ａの第１の流出口１５Ａは、管体１４Ａの内部空間に連通している。複数のチューブ１１，１１，１１，・・・の左端は管板１３Ａに接続され、管体１４Ａの内部空間に連通している。

同様に、管体１９Ｂは、管体１４Ｂの右側面の管板１７Ｂから左側面の管板１３Ｂに至るまで管体１４Ｂを貫通して設けられる。したがって、管体１８Ｂの第２の流出口１８Ｂは、シェル３０の内部空間に連通している。一方、管体１６Ｂの第１の流入口１５Ｂは、管体１４Ｂの内部空間に連通している。複数のチューブ１１，１１，１１，・・・の右端は管板１３Ｂに接続され、管体１４Ｂの内部空間に連通している。

また、シェル３０の中央部の第２の流体５２の流路を塞ぐ円形状の第１のバッフル板２０と、複数のチューブ１１，１１，１１・・・とシェル３０の内壁の間の第２の流体５２の流路を塞ぐリング状の第２のバッフル板２１と、が設けられる。第１のバッフル板２０と第２のバッフル板２１はシェル３０の長手方向に所定の間隔を介して交互に設けられる。

図５に示すように、第１のバッフル板２０は、シェル３０の中央部を塞ぐように、複数のチューブ１１，１１，１１・・の短辺側の端面に当接する。また、図６に示すように、第２のバッフル板２１は、シェル３０の内壁と複数のチューブ１１，１１，１１・・の長辺側の端面に当接する。

これにより、第２の流入口１８Ａから流入した第２の流体５２は、管体１９Ａを介してシェル３０の中央部に流入し、前方にある第１のバッフル板２０によりその進路が塞がれるため、シェル３０の中央部から複数の狭隙部１２を通過する。そして、複数の狭隙部１２を通過した後、複数のチューブ１１，１１，１１・・・とシェル３０の内壁の間の流路を通過して、再び、シェル３０の中央部を通過することを繰り返し、シェル３０の右端の管体１９Ｂを介して第２の流出口１８Ｂから流出する（図３の実線矢印を参照）。

一方、第１の流入口１５Ｂから流入した第１の流体５１は、管体１６Ｂを介してシェル３０の右側の管体１４Ｂの中に流入し、管体１４Ｂに接続された複数のチューブ１１，１１，１１・・・内に流入する。そして、複数のチューブ１１，１１，１１・・・からシェル３０の左側の管体１４Ａを通過して、管体１４Ａに接続された管体１６を介して第１の流出口１５Ａから流出する。

このように、第２の流体５２は、複数のチューブ１１，１１，１１・・・の内側と外側を交互に通過し、また、チューブ１１，１１，１１・・・内を流れる第１の流体５１とシェル３０内を流れる第２の流体５２は、従来のシェルアンドチューブ型熱交換器に比較してより完全な対向流を形成するので、第１の流体５１と第２の流体５２の間で効率良く熱交換が行われる。

また、複数のチューブ１１，１１，１１・・・とシェル３０の内壁の間の第２流体の流路の一部を塞ぐリング状の第３のバッフル板２２が設けられる。第２のバッフル板２１と第３のバッフル板２２はシェル３０の長手方向に所定の間隔を介して交互に設けられる。図５に示すように、第３のバッフル板２２は、第１のバッフル板２１と同じ垂直面に設けられる。第３のバッフル板２２とシェル３０の内壁にはリング状の狭隙部３１が形成されるため、この狭隙部３１を通過する第２の流体の流速を大きくして、第１の流体５１と第２の流体５２の間の熱交換を更に促進することができる。

本実施形態におけるシェルアンドチューブ型熱交換器１０は、特に、燃料電池システムやガスエンジンコジョネレーション装置の凝縮水を伴う排気ガスを一次側流体として利用し、二次側流体（例えば、水）との間で熱交換器として好適である。この場合、一次側の排気ガスが第２の流体５２であり、二次側の水が第１の流体５１となる。

１０ シェルアンドチューブ型熱交換器
１１ チューブ
１２ 狭隙部
１３Ａ，１３Ｂ 管板
１４Ａ，１５Ｂ 管体
１５Ａ 第１の流出口
１５Ｂ 第１の流入口
１６Ａ，１６Ｂ 管体
１７Ａ，１７Ｂ 管板
１８Ａ 第２の流入口
１８Ｂ 第２の流出口
１９Ａ，１９Ｂ 管体
２０ 第１のバッフル板
２１ 第２のバッフル板
２２ 第３のバッフル板
３０ シェル
５１ 第１の流体
５２ 第２の流体

Claims (2)

1. 長辺と、この長辺に対向する短辺を有し、長手方向に対して垂直な断面で見て、くさび形状の断面を有し、第１の流体を流す複数のチューブと、
   前記複数のチューブを収納して前記複数のチューブの外側に第２の流体を流すシェルと、
   前記複数のチューブの両端を保持する管板と、を備え、
   前記複数のチューブは、隣接するチューブの間に狭隙部を設けて円筒状に配列されており、前記第２の流体は前記シェルの中央部から前記狭隙部を通過するように構成され、
   さらに前記シェルの中央部における前記第２の流体の流路を塞ぐ円形状の第１のバッフル板と、前記複数のチューブと前記シェルの内壁の間の第２の流体の流路を塞ぐリング状の第２のバッフル板と、を備え、
   前記第１のバッフル板は前記複数のチューブの短辺側の端面に当接し、
   前記第２のバッフル板は前記シェルの内壁と前記複数のチューブの長辺側の端面に当接し、
   前記第１のバッフル板と前記第２のバッフル板は前記シェルの長手方向に所定の間隔を介して交互に設けられたことを特徴とするシェルアンドチューブ型熱交換器。
2. 前記複数のチューブと前記シェルの内壁の間の前記第２流体の流路の一部を塞ぐリング状の第３のバッフル板を備え、前記第２のバッフル板と前記第３のバッフル板は前記シェルの長手方向に所定の間隔を介して交互に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。

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