JP6303469B2

JP6303469B2 - 熱交換器

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Publication number: JP6303469B2
Application number: JP2013256326A
Authority: JP
Inventors: 重雄蔦木
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: JP2015114043A

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

熱交換器には、本体部に複数の伝熱管が収容され、この伝熱管を流体が流通することで熱交換が行われ、流体を所定の温度で出力するものがある。このような熱交換器は、所定の規格に基づいて定常運転時における伝熱管の内外面の汚れ度合を想定して設計している。したがって、熱交換器の初期の運転時は、性能が出過ぎてしまうことがある。このため、従来の熱交換器は、交換熱量を抑える等のターンダウン運転ができるような周辺システムを備えている。

このような周辺システムとして、下記特許文献１に記載の熱交換器の流体温度調整装置が知られている。この流体調整装置は、熱交換器本体の流体の入口側と流体の出口側とをバイパスするバイパスラインに、スプリングによって上流側へ向かって開くように付勢されたチャックバルブを設けている。この構成によれば、チャックバルブが開くと、流体の一部がバイパスラインを通って加熱または冷却された流体に合流するため、熱交換器の出口側の流体の温度を調整できる。

特開平８−２００９８９号公報

しかしながら、上記従来技術は、次のような問題がある。
特許文献１の技術は、熱交換器自体をバイパスするバイパスラインであるため、合流部において流体の温度分布の偏重が生じやすい。したがって、バイパスラインの合流部の下流側において、流体をミキシングする必要がある。このため、熱交換器の周辺システムは、バイパスラインの合流部の下流側にミキシング装置を設置する等、ターンダウン運転を満足する機器を選定・追加する必要があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡易なシステムでターンダウン運転が可能な熱交換器の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、流体が流通する複数の伝熱管を収容する本体部を備える熱交換器であって、前記本体部には、前記複数の伝熱管の間を熱交換媒体が流通する熱交換ラインが形成されており、前記熱交換ラインの一部をバイパスし、前記熱交換ラインに合流する前記熱交換媒体のバイパスラインと、前記バイパスラインを開閉する開閉装置と、を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、開閉装置でバイパスラインを開くと、熱交換媒体が熱交換ラインの一部をバイパスするため、交換熱量を低減するターンダウン運転が可能となる。また、バイパスラインは熱交換ラインに合流するため、合流した熱交換媒体は、熱交換の中で複数の伝熱管の間を流通する過程でミキシングされ、温度偏重が抑制される。このため、周辺システムとしてミキシング装置を別途設けなくとも良くなる。

また、本発明においては、前記本体部は、前記熱交換ラインを回流させる複数のバッフルプレートを有し、前記バイパスラインは、前記バッフルプレートの少なくとも１つをバイパスするように設けられている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、開閉装置でバイパスラインを開くと、熱交換媒体がバッフルプレートの少なくとも１つをバイパスする。バッフルプレートが設けられる部分は、熱交換ラインが大きく迂回する部分であるため、バイパスラインの長さに比べて熱交換ラインの大きなショートカット効果が得られる。

また、本発明においては、前記バイパスラインは、前記熱交換ラインから分岐し、該分岐した位置よりも下流側の前記熱交換ラインに合流する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、熱交換ラインにおける熱交換媒体の圧力は複数の伝熱管による流路抵抗によって上流側の方が下流側よりも高くなるため、バイパスラインが熱交換ラインから分岐し、その下流側に合流するようにすると、当該熱交換ラインの圧力差によって、ポンプ等を要することなく熱交換媒体をバイパスさせることができる。

また、本発明においては、前記バイパスラインは、前記熱交換ラインにおける前記熱交換媒体の流れに対向するように前記熱交換ラインに合流する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、バイパスラインから熱交換ラインに合流した熱交換媒体が、熱交換ラインの主流と衝突するため、ミキシング効果を高めることができる。

また、本発明においては、前記バイパスラインは、前記熱交換ラインに第１の方向で合流する第１のバイパスラインと、前記熱交換ラインに前記第１の方向と異なる第２の方向で合流する第２のバイパスラインと、を含む、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、バイパスラインを複数設け、異なる方向から熱交換ラインに合流させることで、１箇所で合流する場合よりも、熱交換ラインにおける温度偏重を抑制することができる。

また、本発明においては、前記第１の方向と前記第２の方向は、互いに対向する方向である、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１のバイパスラインから熱交換ラインに合流した熱交換媒体と、第２のバイパスラインから熱交換ラインに合流した熱交換ラインに合流した熱交換媒体と、が互いに衝突するため、ミキシング効果を高めることができる。

また、本発明においては、前記本体部から出力される前記流体の温度を計測する温度センサと、前記温度センサの計測結果に基づいて、前記開閉装置を駆動させる制御装置と、を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、本体部から出力される流体の温度を温度センサによって計測し、制御装置がその計測結果に基づいて開閉装置を駆動させ、バイパスラインを開閉するため、熱交換器の初期の運転時等においてターンダウン運転の自動切り替えを可能とすることができる。

本発明によれば、簡易なシステムでターンダウン運転が可能な熱交換器が得られる。

本発明の第１実施形態における熱交換器の系統図である。本発明の第１実施形態における熱交換器の構成図である。本発明の第２実施形態における熱交換器の構成図である。本発明の第２実施形態におけるバイパスラインの合流部における本体部の横断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における熱交換器１の系統図である。図２は、本発明の第１実施形態における熱交換器１の構成図である。
図１に示すように、熱交換器１は、流体２と熱交換媒体３との間で熱交換を行う本体部１０と、本体部１０から出力される流体２の温度を調整する出力調整装置２０と、を有する。

本体部１０は、流体用入口４と、流体用出口５と、熱交換媒体用入口６と、熱交換媒体用出口７と、を有する。本実施形態では、流体２が、温度（ｔ_Ｈ）で本体部１０に入力され、温度（ｔ_Ｃ）で本体部１０から出力される。また、熱交換媒体３が、温度（Ｔ_Ｃ）で本体部１０に入力され、温度（Ｔ_Ｈ）で本体部１０から出力されるようになっている。

本体部１０は、図２に示すように、流体２が流通する複数の伝熱管１１を収容している。また、本体部１０には、複数の伝熱管１１の間を熱交換媒体３が流通する熱交換ライン１２が形成されている。この本体部１０は、胴体ケーシング１３と、基部ケーシング１４と、中間ケーシング１５と、を有する。胴体ケーシング１３は、筒状に形成され、その両端部に基部ケーシング１４と中間ケーシング１５とが接続されている。

胴体ケーシング１３と基部ケーシング１４との間、及び、胴体ケーシング１３と中間ケーシング１５との間には、管板１６が設けられている。管板１６は、複数の伝熱管１１の両端部を支持すると共に、ケーシング間を仕切るものである。基部ケーシング１４には、入口プレナム部１７と出口プレナム部１８とを形成する隔壁１４ａが設けられている。入口プレナム部１７は、流体用入口４に連通しており、出口プレナム部１８は、流体用出口５に連通している。

入口プレナム部１７は、胴体ケーシング１３において上方に配管された伝熱管１１と連通している。また、出口プレナム部１８は、胴体ケーシング１３において下方に配管された１１と連通している。中間ケーシング１５は、基部ケーシング１４とは反対側において、上下の伝熱管１１を接続状態とするものである。このため、流体用入口４から入力された流体２は、流体用入口４から入り、上方の伝熱管１１を通って中間ケーシング１５で折り返し、下方の伝熱管１１を通って流体用出口５から出力される。

胴体ケーシング１３は、複数の伝熱管１１の周りを囲い、熱交換媒体３が複数の伝熱管１１の間を流通する熱交換ライン１２を形成するものである。この胴体ケーシング１３の中間ケーシング１５側には、熱交換媒体用入口６が設けられている。また、胴体ケーシング１３の基部ケーシング１４側には、熱交換媒体用出口７が設けられている。熱交換媒体用入口６と熱交換媒体用出口７との間には、複数のバッフルプレート１９が胴体ケーシング１３の中に収められている。

バッフルプレート１９は、管板１６の間において伝熱管１１を支持するものであり、また、熱交換媒体用入口６と熱交換媒体用出口７との間で、熱交換ライン１２を回流させるものである。バッフルプレート１９には、熱交換媒体３が流通する切欠き部１９ａが形成されている。複数のバッフルプレート１９は、胴体ケーシング１３の中心軸方向において間をあけて設けられており、切欠き部１９ａが交互に上下となるように配置されている。このため、熱交換媒体用入口６から入力された熱交換媒体３は、バッフルプレート１９を迂回しながら胴体ケーシング１３の中を回流し、熱交換媒体用出口７から出力される。

図１に戻り、出力調整装置２０は、バイパスライン２１と、制御弁２２（開閉装置）と、温度センサ２３と、制御装置２４と、を有する。
バイパスライン２１は、図２に示すように、熱交換ライン１２の一部をバイパスし、熱交換ライン１２に合流するものである。本実施形態のバイパスライン２１は、胴体ケーシング１３に接続された外部配管であり、バッフルプレート１９の少なくとも１つ（本実施形態では１つのバッフルプレート１９）をバイパスするように設けられている。

バイパスライン２１は、熱交換ライン１２から分岐し、該分岐した位置よりも下流側の熱交換ライン１２に合流するようになっている。また、バイパスライン２１は、熱交換ライン１２における熱交換媒体３の流れに対向するように熱交換ライン１２に合流するように配管されている（図２中、太線矢印と細線矢印で示す）。本実施形態のバイパスライン２１は、複数設けられており、両端部に配置されたバッフルプレート１９を除くすべてのバッフルプレート１９に一つずつ設けられている（バイパスライン２１ａ〜２１ｄで示す）。

制御弁２２は、バイパスライン２１を開閉するものである。本実施形態の制御弁２２は、バイパスライン２１の開度調整機構を有する。この制御弁２２は、制御装置２４の制御の下に駆動することが可能な構成となっている。制御弁２２は、バイパスライン２１に対応して複数設けられている（制御弁２２ａ〜２２ｄで示す）。なお、制御弁２２の代わりに、ＯＮ／ＯＦＦ弁（開閉弁）を採用してもよい。

温度センサ２３は、図１に示すように、本体部１０から出力される流体２の温度を計測するものである。本実施形態の温度センサ２３は、制御装置２４に電気的に接続されており、制御装置２４に計測結果を出力する構成となっている。
制御装置２４は、温度センサ２３の計測結果に基づいて、制御弁２２を駆動させるものである。詳細は後述するが、本実施形態の制御装置２４は、入力された温度センサ２３の計測結果から、熱交換器１の設計性能よりも性能が出過ぎていると判断した場合には、制御弁２２を開き、ターンダウン運転を行うように制御する構成となっている。

以下では、上記構成の熱交換器１のターンダウン運転について説明する。
熱交換器１は、定常運転時における伝熱管１１の内外面の汚れ度合を想定して設計されており、初期の運転時には、性能が出過ぎてしまうことがある。制御装置２４は、熱交換器１の性能値を予め記憶しており、その性能値と温度センサ２３の出力値とを比較して、熱交換器１の設計性能よりも性能が出過ぎているか否かを判定する。当該判定の結果、性能が出過ぎていると判定されると、制御装置２４は、制御弁２２を開くよう指令信号を出力する。

なお、制御弁２２を開く順番は、流体２と熱交換媒体３との温度差が大きい熱交換ライン１２における上流側から行うことが好ましく、例えば上流側の制御弁２２ａを開いても性能が出過ぎている場合は、次の制御弁２２ｂを開くように制御している。本実施形態では、本体部１０から出力される流体２の温度を温度センサ２３によって計測し、制御装置がその計測結果に基づいて制御弁２２を駆動させ、バイパスライン２１を開閉するため、熱交換器１の初期の運転時においてはターンダウン運転に自動的に切り替えることができ、また、伝熱管１１に適切に汚れが付着して性能が落ちた場合には、制御弁２２を閉じて、定常運転に自動的に切り替えることができる。

制御弁２２（例えば制御弁２２ａ）が開かれると、熱交換ライン１２を流通する熱交換媒体３の少なくとも一部が、バイパスライン２１（例えばバイパスライン２１ａ）に導入される。バイパスライン２１は、熱交換ライン１２から分岐し、該分岐した位置よりも下流側の熱交換ライン１２に合流している。熱交換ライン１２における熱交換媒体３の圧力は複数の伝熱管１１による流路抵抗によって上流側の方が下流側よりも高くなるため、バイパスライン２１が熱交換ライン１２から分岐し、その下流側に合流するようにすると、当該熱交換ライン１２の圧力差によって、ポンプ等を要することなく熱交換媒体３をバイパスさせることができる。

バイパスライン２１を流通した熱交換媒体３は、熱交換媒体３が熱交換ライン１２の一部をバイパスする。本実施形態では、制御弁２２でバイパスライン２１を開くと、熱交換媒体３がバッフルプレート１９をバイパスするように流通する。バッフルプレート１９が設けられる部分は、熱交換ライン１２が蛇行し、大きく迂回する部分であるため、バイパスライン２１の長さに比べて熱交換ライン１２の大きなショートカット効果が得られる。このように、バイパスライン２１を開くと、熱交換媒体３が伝熱管１１と触れる期間が短くなり、交換熱量を低減するターンダウン運転が可能となる。

ここで、バイパスライン２１を通った熱交換媒体３は、熱交換ライン１２を流れる主流の熱交換媒体３と温度差が生じているが、本実施形態のバイパスライン２１は、複数の伝熱管１１が配管されている熱交換ライン１２に再び合流する。したがって、合流した熱交換媒体３は、熱交換の中で複数の伝熱管１１の間を流通する過程でミキシングされ、温度偏重が抑制される。したがって、バイパスライン２１を熱交換器１自体に設けることによって、周辺システムとしてミキシング装置を別途設けなくとも良くなる。
また、本実施形態では、バイパスライン２１は、熱交換ライン１２における熱交換媒体３の流れに対向するように熱交換ライン１２に合流しており、熱交換ライン１２の主流と衝突するように熱交換媒体３を導入でき、十分なミキシング効果が得られる。

このように、上述の本実施形態によれば、流体２が流通する複数の伝熱管１１を収容する本体部１０を備える熱交換器１であって、本体部１０には、複数の伝熱管１１の間を熱交換媒体３が流通する熱交換ライン１２が形成されており、熱交換ライン１２の一部をバイパスし、熱交換ライン１２に合流する熱交換媒体３のバイパスライン２１と、バイパスライン２１を開閉する制御弁２２と、を有する、という構成を採用することによって、ミキシング装置等を設けることなく簡易なシステムでターンダウン運転が可能な熱交換器１が得られる。また、バイパスライン２１は、本体部１０に接続されているため、伝熱管１１のメンテナンス時に取り外す必要がなく、熱交換器１のメンテナンスも容易になる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図３は、本発明の第２実施形態における熱交換器１の構成図である。図４は、本発明の第２実施形態におけるバイパスライン２１の合流部における本体部１０の横断面図である。
第２実施形態では、図３及び図４に示すように、バイパスライン２１として、異なる方向から熱交換媒体３を導入する第１のバイパスライン２１ｅと第２のバイパスライン２１ｆとを含む点で、上記実施形態と異なる。

図３に示すように、第１のバイパスライン２１ｅには、制御弁２２ｅが設けられている。また、第２のバイパスライン２１ｆには、制御弁２２ｆが設けられている。第１のバイパスライン２１ｅ及び第２のバイパスライン２１ｆは、本体部１０の長手方向に延びて互いに対向して設けられ、熱交換ライン１２において略同じ位置で分岐し、その下流側で略同じ位置で合流するようになっている。

図４に示すように、第１のバイパスライン２１ｅは、熱交換ライン１２に第１の方向Ｆ１で合流している。また、第２のバイパスライン２１ｆは、熱交換ライン１２に第１の方向Ｆ１と異なる第２の方向Ｆ２で合流している。第１の方向Ｆ１と第２の方向Ｆ２は、互いに対向する方向であり、本実施形態では、バッフルプレート１９において伝熱管１１が配管されていない箇所（上方の伝熱管１１と下方の伝熱管１１との間のリブ部であって隔壁１４ａ（図３参照）と同じ高さに対応する箇所）において、第１のバイパスライン２１ｅと第２のバイパスライン２１ｆとの合流部が対向している。

上記第２実施形態によれば、第１のバイパスライン２１ｅ及び第２のバイパスライン２１ｆを介して熱交換媒体３が互いに異なる方向から熱交換ライン１２に合流する。このように、熱交換ライン１２に対し２方向から熱交換媒体３を合流させることにより、熱交換媒体３の導入箇所を分散させることができ、バイパスライン２１が１本の場合と比べて、熱交換ライン１２における温度偏重を抑制することができる。

さらに、第２実施形態では、第１のバイパスライン２１ｅが合流する第１の方向Ｆ１と、第２のバイパスライン２１ｆが合流する第２の方向Ｆ２は、互いに対向している。この構成によれば、第１のバイパスライン２１ｅから熱交換ライン１２に合流した熱交換媒体３と、第２のバイパスライン２１ｆから熱交換ライン１２に合流した熱交換ライン１２に合流した熱交換媒体３と、を互いに衝突させることができ、ミキシング効果を高めることができる。また、バッフルプレート１９において伝熱管１１が配管されていない箇所であれば、衝突もスムーズに行えるため、ミキシング効果がより高まる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、バイパスライン２１を複数の伝熱管１１が配管された熱交換ライン１２に合流させて、熱交換媒体３のミキシングを行う構成について説明したが、バイパスライン２１が長く当該ミキシングの過程が短くなる場合には、熱交換媒体用出口７に、熱交換媒体３をミキシングするメッシュ構造を補助的に設けてもよい。

例えば、上記実施形態では、本体部１０にバッフルプレート１９が設けられた構成について説明したが、バッフルプレート１９が無い直流型の熱交換器１の場合には、バイパスライン２１を、バッフルプレート１９をバイパスさせるように配管しなくてもよい。

１…熱交換器、２…流体、３…熱交換媒体、１０…本体部、１１…伝熱管、１２…熱交換ライン、１９…バッフルプレート、２１（２１ａ〜２１ｆ）…バイパスライン、２１ｅ…第１のバイパスライン、２１ｆ…第２のバイパスライン、２２（２２ａ〜２２ｆ）…制御弁（開閉装置）、２３…温度センサ、２４…制御装置、Ｆ１…第１の方向、Ｆ２…第２の方向

Claims

流体が流通する複数の伝熱管を収容する本体部を備える熱交換器であって、
前記本体部には、前記複数の伝熱管の間を熱交換媒体が流通する熱交換ラインが形成されており、
前記熱交換ラインの一部をバイパスし、前記熱交換ラインに合流する前記熱交換媒体のバイパスラインと、
前記バイパスラインを開閉する開閉装置と、を有し、
前記バイパスラインは、前記熱交換ラインに第１の方向で合流する第１のバイパスラインと、前記熱交換ラインに前記第１の方向と異なる第２の方向で合流する第２のバイパスラインと、を含み、
前記第１の方向と前記第２の方向は、互いに対向する方向であって、
前記第１のバイパスラインと前記第２のバイパスラインは、前記複数の伝熱管が配管されていない箇所において対向している、ことを特徴とする熱交換器。
前記本体部は、前記熱交換ラインを回流させる複数のバッフルプレートを有し、
前記バイパスラインは、前記バッフルプレートの少なくとも１つをバイパスするように設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記バイパスラインは、前記熱交換ラインから分岐し、該分岐した位置よりも下流側の前記熱交換ラインに合流する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
前記バイパスラインは、前記熱交換ラインにおける前記熱交換媒体の流れに対向するように前記熱交換ラインに合流する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記本体部から出力される前記流体の温度を計測する温度センサと、
前記温度センサの計測結果に基づいて、前記開閉装置を駆動させる制御装置と、を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。