JPH02279989A - 多数パス並流型熱交換器 - 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、化学プラント、発電プラント等に用いられる
シェル・アンド・チューブ式熱交換器の構造に係り、特
に、それと取り合う配管のレイ・アウト設剖が容易な熱
交換器に関する。

〔従来の技術〕

シェル・アンド・チューブ熱交換器の流路形式には、管
内を流れる流体と管外を流れる流体が向きあって流れる
自流型と管内流体と管外流体が同一方向に流れる並流型
とがある。従来のシェル・アンド・チューブ熱交換器で
は、そのほとんどが向流型、もしくは、向流と並流を混
在させた形式（１−２パス、２−４．・・・）である。

その理由は、伝熱工学資料　改訂第４版（日本機械学会
編）ｐ２４８　図１２に示されるように、自流の方が並
流よりも熱通路有効度が大きいこと、及び、並流では伝
熱単位数（ＮＴＵ）がある−室以上の大きさになると熱
通過有効度が、はとんど、増加せずに０．５　に漸近す
ることによる。換言すれば、同−設計条件に対して、向
流型の方が並流型よりも伝熱面積が少なく設計できるこ
とを示している。

又、熱通過有効度が０．５　　を越えるような設計条件
では、並流型では設剖できない場合もある。

自流型と並流型の混在した形式でも、並流部の影響によ
り、熱通過有効度は０．５　以上のある値で漸近する形
となり、その値以上の熱通過有効度が要求される設計条
件では、やはり、設計不可能となる。

従って、シェル・アンド・チューブ熱交換器の設計では
、完全向流型の流路形式を選択することが、伝熱面積を
最小にするという意味で最も有利となる。

通常、ある設計条件における伝熱単位数（ＮＴＩＩ）で
、同一条件で完全向流型とした場合の伝熱単位数を割っ
た値を、その設計条件、流路形式の修正係数と呼んでお
り、これは完全向流の場合に最大値１となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

完全向流型の最も単純なものは、管内、管外とも１パス
（１−１パス）であるが、この場合、熱交換器の全長が
長くなるので、実際の設計では、２ｎ−２ｎパス（ｎ＝
１．２．３・・）とすることが多い。

しかし、第５図に示すように、管内及び管外の両方の出
入口ノズルが片側に朶申してしまい、配管レイ・アウト
が難しくなるという問題があった９゜特に、海水配管の
ような、分解・点検・保修を必要とする配管に対しては
、配管レイ・アウト設ａ１は難しかった。

本発明の目的は、修正係数を著しく低下させることなく
、熱交換器管台を管内と管外で分離配置する設計を可能
とすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、熱交換器のパス数を増やし、各パスにおけ
る流路形式を並流とすることにより達成できる。

実際の設計では、パス数は、熱交の全長、胴径。

構造等を考慮して決められるが、多数パスで並流型とす
る場合、パス数が多いほど、修正係数は１に近づく。

〔作用〕

第１図は、本発明の原理を模式的に説明した図である。

高温側の流体は、温度Ｔ、で入り、冷却された後温度Ｔ
ｏで出ていく。一方、低温側流体は、温度１＋　て入り
、加熱された後、温度ｔｏで出ていく。両流体は、各パ
ス毎に、図示のような温度分布をとる。

各パスでは、管内、外の両流体の流れの方向は同一方向
で並流型であるが、大局的に見れば、パス数ｎで分割さ
れるため、低温側流体の温度は、高温側流体の出口温度
Ｔｏの方から、入口温度ＴＩの方へ向かって上昇して行
き、あたかも、向流型のような温度分布となり、修正係
数は１に近い値となる。

一方、第２図は、」二記と逆の場合である。各パスでは
、両流体の流れの方向は逆向きで向流型であるが、大局
的に見れば、低温側流体の温度は、高温側流体の入口温
度ＴＩの方から、出口温度Ｔ。

の方へ向かって上昇して行き、あたかも、並流型のよう
な温度分布となり、修正係数は、上述のものよりも低い
値となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。

第３図及び第６図は、４−４パスの場合の本発明の温度
分布を模式的に示したもので、Ｔ１（１１〜５）は高温
側流体の温度、Ｉ；　Ｉ（ｉ　＝　１〜５）は、低温側
流体の温度を示しており、これらを用いて、各パスにお
ける熱収支のバランスから次式％式％ ここで、φＳ、φ１は各々高温側、低温側の温度効率で
、高温側の水当量Ｃｓ　ｍ　ｓと低温側の水当量Ｃｔｍ
ｔの間に、Ｃｓ　ｍ　ｓ　＞　Ｃｔ　ｍ　ｔの関係があ
るとすると、その比　Ｒ：＝　Ｃｔ　ｍ　ｔ　／　Ｃｓ
　ｒｎ　ｓを用いてφＳ＝φｔ／Ｒ・（２） と表される。又、この場合、各パスの熱通過有効度φｅ
は、 と表される。

今、設計条件として、Ｔｌ、Ｔ５１　ｔｔ、ｔ５が与え
られ、式（１）のすべてを満足するφ。＝φ８が一義的
に求まると、このφｅと式（３）から求まるＮＴＵが、
本流路形式の本設計条件に対する伝熱単位数となる。

一方、完全向流型の場合は、 および から求まるＮＴＵ’　が、伝熱単位数となる。

以上より、本実施例の修正係数Ｆは ト’＝ＮＴＵ’　　／ＮＴＵ　　　　　　　　　　　　
　　　　　・・（６）として求めることかできる。

第４図および第５図は、同じく４−４パスであるが、各
パスを向流にした場合である。この場合の熱収支のバラ
ンス式は、同様に、 又、各パスの熱通過有効度は、 １−Ｒｅｘｐ［（１−Ｒ）ＮＴＵコ ・（８） で表される。

従って、この場合も、設計条件、Ｔ　１１　Ｔ　５＋　
ｔ　ｓ　ｔｔ５に対して、式（７）をすべて満足するφ
。が一義的に求まると、式（８）を用いて、本流路形式
の伝熱単位数ＮＴＵが求まり、式（６）から修正係数を
算出することができる。

今、具体的な数値条件として、 Ｔ　１　＝　４６　、３℃、Ｔ５＝３４．８°Ｃ，ｔ、
ｔ＝２９℃。

ｔｒ、＝３７．６°Ｃ 水当量比　Ｒ＝１．．３３　　を与えて計算してみる。

本発明の場合、すなわち、各パスを並流型にした場合は
、修正係数はＦ＝０．９５７　　となる。

一方、各パスを向流型にした場合は、Ｔ５とＬ５の大小
関係から、熱通過有効度が一義的には定まらず、設剖不
可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、シェル・アンド・チューブ熱交換器の
修正係数髪著しく低下させることなく、管台を、管内と
管外で分離配置する設計が可能となるので、それらと取
合う配管のレイ・アウト設計が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理を示す説明図、第２図は、各パ
スを自流にした場合の説明図、第３図は本発明の一実施
例の温度分布図、第４図は、各パスを向流にした場合の
温度分布図、第５図は、完全向流型熱交換器の流体の流
れ方向を示す説明図、第６図は本発明の一実施例の流体
の流れ方向を示す説明図である。 ｔｌ　低温流体入口温度、ｔ。 度、ＴＩ・・高温流体入口温度、 口温度。 低温流体出口温 Ｔ　ｏ　　・高温流体出

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多数の伝熱管より構成される管群と、前記管群を包
   含する容器とを含むシェル・アンド・チューブ熱交換器
   において、 前記伝熱管の内部を流れる流体と前記伝熱管の外部を流
   れる流体の各々の、前記熱交換器内部を前後に通過する
   経路の回数を複数とし、かつ、前記伝熱管の内部を流れ
   る流体の流れ方向と、前記伝熱管の外部を流れる流体の
   流れ方向を同一の前記経路において、同じとしたことを
   特徴とする多数パス並流型熱交換器。