JPH01300191A - 多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子力及び火力発電プラントに用いられている
シェル・チューブ式熱交換器に係り、特に、小型化、高
性能化に好適な多管式熱交換器に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、第１０図に示すような、片側切欠きバッ
フル５ａを用いた多管式熱交換器１のため、流体が単相
流の場合、−バッフル要素における折流及び伝熱管を横
切る斜流による胴側圧力損失が大きく、必要な流速を得
ることができないので熱交換性能が比較的良くなかった
。そこで、これらを改善するため１片側切欠きバッフル
間に胴側流れを整流して完全直交流とし、伝熱管群振動
を低減するための両側切欠きバッフルを設置した多管式
熱交換器は既ニＨＥＡＴ　ＥＸＣＨＡＮＧＥＲ５（ＭＣ
ＧＲＡＪ−ＨＩＬＬ　ＢＯＯＫ　ＣＯＭＰＡＮＹ、　Ｐ
　、　５５５〜５５６）等に記載されたように、ＮＴＩ
Ｗ方式（リエｕｂｅ　Ｉｎｔｈｅ　Ｗｉｎｄｏｗ）とし
て公知である。この方式を用いると従来の胴側流れが斜
流である問題と伝熱管に並行に流れることによる性能低
下の問題は解決されているが、胴側流体がバイパス領域
内を円筒胴体内壁に沿って流れるバイパス流を低減する
ことができない。すなわち、伝熱管を直交流で流れる時
の胴側局所流速を増加することができない等の問題があ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術は、 （１）胴側流体のウィンドウ領域内並行流伝熱性能低下
、 （２）胴側流体の斜流による圧力損失増大、（３）胴側
流体が伝熱管に直交する領域での伝熱管群振動 の問題があった。

本発明の目的は平滑管使用の多管式熱交換器という制約
条件下で、従来技術の課題（１）を解決し。

完全直交流方式とし、局所胴側流速を増加させて胴側熱
伝達率を向上した熱交換器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的とする熱交換器の性能向上を図るためには、伝
熱管には平滑管を用いているため管側伝熱・圧損を含め
た総合性能は十分図られており、熱交換器性能を決定す
る律速条件は胴側流れを支配する胴側構造にあると考え
る。

従来の切欠きバッフル式のように胴側流体が伝熱管に直
交流、あるいは、斜流で流れると、伝熱係数は良好であ
るが圧力損失が大きくなる。従って１通常、胴側流体の
代表速度が小さいため、胴側レイノルズ数ＲｅＳが小さ
な領域では伝熱性能がある程度良好である。しかし、こ
のタイプよりも更に胴側性能を向上させるため、熱交換
方式を完全直交流方式とし、胴側流体は伝熱管に直交し
て流れるようにする。このためには、 （１）ウィンドウ領域に伝熱管を設置しない。

（２）片側切欠きバッフルの間に整流、及び、伝熱管振
動防止用の両側切欠きバッフルを設置する。

（３）ウィンドウ領域内の胴側流路を除いた部分に充填
材を設置する。

以上の手段を施すことにより、熱交換器全体は、はぼ、
完全直交流を形成することになり、従来式で懸念されて
いた胴側流体の死水域を低減することができる。さらに
は胴側流路として無駄なバイパス領域（ウィンドウ領域
）を大きく低減でき、同一胴側流量のもとて大きな胴側
流速をとれて胴側圧損も小さくできる。従って、上記の
三方式からも十分な伝熱係数が得られることがわかる。

但し、上記の手段（３）において、充填材の代わりに熱
交換用の偏平ダクト形状ジャケット、あろいは、主たる
伝熱管よりも小径の伝熱管を設置してもよい。この場合
は、胴側流路から見るとバイパス領域の低減となり、そ
の上に管側流路としても働くために従来よりも多くの有
効な伝熱面積を確保できるという利点もある。

〔作用〕

本発明の熱交換器は伝熱管群と円筒胴体内の間に伝熱管
軸に沿って充填材、ジャケット、小径伝熱管群を設置す
ることにより、胴側流体が管側流体とほぼ直交して流れ
、熱交換に寄与しないバイパス領域を封じるため、胴側
流速が増加して胴側熱伝達率の向上を図る。また、これ
により胴側流体は流速増加に伴う圧力損失の増大を生じ
るが、従来の斜流の場合に比べれば小さい。さらに、伝
熱管に及ぼす流体連成振動の点を考えても、従来式より
も有効な熱交換方法である。

従って、本発明の充填材、ジャケット、小径伝熱管等を
設置した熱交換器は従来の切欠きバッフル式熱交換器、
あるいは、従来の完全直交流式熱交換器に比べ、伝熱係
数、圧力損失、流体速成振動を考慮しても高性能である
ことは明らかである。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は本発明の多管式熱交換器本体１の縦断面図である。

まず、本発明の実施例の構成を説明する。多管式熱交換
器は胴体２ａ内に伝熱管束３を多数設置しており、これ
ら伝熱管を管板２ｄで溶接固定している。また、伝熱管
をサポートするため、従来の片側切欠きバッフル５ａの
間に両側切欠きバッフル５ｂを設置している。ここで、
胴体２ａには胴側入口ノズル２ｂ、胴側出口ノズル２ｃ
が設置されている。一方、管板２ｄを介して管側氷室ヘ
ッド４ａが両側に取り付けられており、これらにも管側
入口ノズル４ｂ、管側出口ノズル４ｃが設置されている
。本発明はこの円筒胴体２ａと伝熱管束３との間に充填
材６を設置している。

ここで、（ｂ）、（ｅ）、（ｄ）かられかるように胴側
出入口部の胴側流路を除いた全てのバイパス（ウィンド
ウ）領域に充填材６を設置する。なお、この時、図中で
は仕切材７により六等分しているが、これは伝熱管の配
列構造により変化する可能性がある。また材質は熱伝導
体よりも断熱材の方が好ましい。

次に、本発明の実施例の動作を説明する。まず、管側流
体１１は管側入口ノズル４ｂから流入し、伝熱管内を流
れ、管側出口ノズル４ｃから流出する。一方、胴側流体
１０は胴側入口ノズル２ｂから流入し、同様に伝熱管外
を流れ、胴側出口ノズル２Ｃから流出する。この場合、
熱交換は直交流となり、伝熱管内外で熱交換を行う。

ここで、第２図（、）で、従来式の流速分布はＶｓｐ（
実線）のようになり、本発明の場合にはｖ５．（−点鎖
線）のようになる。つまり、同一胴側流量の場合充填材
６を設置することにより、伝熱管束３内を流れる胴側流
体１ｏの流速は大きくなる。これにより、胴側流速の増
加は次式に示す関係により、第２図（ｂ）のように胴側
熱伝達率αＳの向上を図ることになる。

（Ｖｓ”Ｖｓ”６　　　　　　　　　　　　　・・・（
１）従って、この結果から胴側伝熱面積はほぼ１００％
有効な伝熱面積となり、このような流速増加分による圧
力損失の増加もさほど大きくない。本実施例によれば、
死水域の低減、すなわち、有効伝熱面積の増大、低圧力
損失内での流速増加による伝熱係数の向上の二点を満足
させることができ、胴側性能律速であった熱交換器の性
能は十分向上する。

次に本発明の他の実施例を第３図から第９図により説明
する。第３図は本発明の他の実施例を示す多管式熱交換
器の縦断面図である。本発明は第１図の充填材６の代り
にジャケット材８を設置したものである。この場合の横
断面は（ｄ）に示すように円筒胴体内壁と多角形管束と
の間の配置されるため、ジャケット材構造は偏平となる
。この場合は第１図の充填材６と異なり、偏平なジャケ
ット材８の内部を管側流体が流れるため、伝熱管群と同
様に熱交換に寄与する。ここで、ジャケット材８は図中
で六ヶに分けているが、この数にはこだわらない。また
、（ｂ）または（ｄ）に示す胴側出入口部の流路にはジ
ャケット材８を設置しない。

第４図は本発明の他の実施例を示す多管式熱交換器の縦
断面図である。本発明は、第２図の偏平なジャケット材
８の代りに、バイパス領域に伝熱管束３に設置された伝
熱管よりも小外径の伝熱管９に設置してバイパス領域を
有効な熱交換領域としたものである。この場合も、中央
の伝熱管束３と同様に熱交換に寄与する。また１図中で
は仕切材７により六ケ所に区分されているが、これが無
くてもよい。

次に第５図は胴側円筒内と伝熱管束３との間のバイパス
領域に仕切材７を介して充填材６とジャケット材８を組
み合わせて配置したものである。

この場合、ジャケット材８と充填材６との配置・組合わ
せは自由である。

また、第６図はバイパス領域にジャケット材８と小径伝
熱管９を組み合わせて配置しており、この場合も、もち
ろん他の配置が可能である。

さらに、第７′図はバイパス領域に充填材６と小径伝熱
管９に配置したものである。

最後に、第８図はバイパス領域に仕切材７を介して充填
材６．ジャケット材８、そして小径伝熱管９を配置して
いる。

次に、第９図に今まで示したような多角形、すなわち、
六角形に配列された伝熱管束３と異なる他の伝熱管束配
置法について説明する。第９図（ａ）は標準的な六角形
配列の伝熱管束３の場合、第９図（ｂ）は多角形配列の
場合、第９図（ｃ）は円形配列の場合である。このよう
に伝熱管束３の配置法は胴体内径、伝熱管外径、ピッチ
、伝熱管配列（三角形、四角形）等により大きく異なる
ので、それぞれの場合に応じて、常に、バイパス領域を
低減するように検討する必要がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、死水域低減による有効伝熱面積の増加
、胴側低圧損化に伴う流速増加による胴側伝熱性能が向
上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の熱交換器の縦・横断面図、
第２図は本発明の実施例の原理説明図、第３図、第４図
は本発明の他の実施例の熱交換器の縦・横断面図、第５
図ないし第９図は本発明の他の実施例である熱交換器の
横断面図、第１０図は従来の熱交換器の縦・横断面図で
ある。 １・・・多管式熱交換器本体、３・・・伝熱管束、６・
・・充填材、７・・・仕切材、８・・・ジャケット材、
９・・・小径伝熱管、２ａ・・・胴体、２ｂ・・・胴側
入口ノズル、２ｃ・・・胴側出口ノズル、２ｄ・・・管
板、４ａ・・・管側氷室ヘッド、４ｂ・・・管側入口ノ
ズル、４ｃ・・・管側出口ノズル、５ａ・・・片側切欠
きパンフル、５ｂ・・・第１［；］ とイ罰ト管士）　　　　（危乙んハ） ｆ （ｂ） ↑ ５ＬＶ　Ｉｒ５ 第　３　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多管式熱交換器の伝熱管の管群と円筒胴体内との間
   に充填材を前記伝熱管の軸に沿つて、介在させ、前記充
   填材によつて隔てられた前記円筒胴体の内壁側の流路を
   封じて、胴側流体の流速を増加させることを特徴とする
   多管式熱交換器。 ２、多管式熱交換器の伝熱管の管群と円筒胴体内との間
   に管側流体用ジャケットを前記伝熱管の軸に沿つて介在
   させ、前記ジャケットによつて隔てられた前記円筒胴体
   の内壁側の流路を封じて、胴側流体の流速を増加させる
   ことを特徴とする多管式熱交換器。 ３、多管式熱交換器の伝熱管の管群と円筒胴体内との間
   に前記伝熱管よりも小さな外径の第二の伝熱管群を前記
   伝熱管の軸に沿つて介在させ、前記第二の伝熱管群によ
   つて隔てられた前記円筒胴体の内壁側の流路を減じて、
   胴側流体の流速を増加させることを特徴とする多管式熱
   交換器。 ４、特許請求の範囲第１項において、 前記伝熱管群と前記円筒胴体内との間に前記充填材とジ
   ャケットを前記伝熱管の軸に沿つて介在させ、前記円筒
   胴体の内壁側の流路を減じて、胴側流体の流速を増加さ
   せることを特徴とする多管式熱交換器。 ５、特許請求の範囲第２項において、 前記伝熱管群と前記円筒胴体内との間に前記ジャケット
   と前記伝熱管よりも小さな外径の第二の伝熱管群を前記
   伝熱管軸に沿つて介在させ、前記円筒胴体の内壁側の流
   路を減じて、胴側流体の流速を増加させることを特徴と
   する多管式熱交換器。 ６、特許請求の範囲第１項において、 前記伝熱管群と前記円筒胴体内との間に前記充填材と前
   記伝熱管よりも小さな外径の第二の伝熱管群を前記伝熱
   管の軸に沿つて介在させ、前記円筒胴体の内壁側の流路
   を減じて、胴側流体の流速を増加させることを特徴とす
   る多管式熱交換器。 ７、特許請求の範囲第１項において、 前記伝熱管群と前記円筒胴体内との間に前記充填材とジ
   ャケットと前記伝熱管よりも小さな外径の第二の伝熱管
   群を前記伝熱管の軸に沿つて介在させ、前記円筒胴体の
   内壁側の流路を減じて、胴側流体の流速を増加させるこ
   とを特徴とする多管式熱交換器。