JPH0674857U - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱交換器に係り、伝熱管毎の熱交換流路の幅
寸法を均一なものとして、伝熱性能の向上、耐久性の向
上等を図る。 【構成】 熱交換器シェル１と、その内側に配される流
体集合筒２との相互間隙に形成され高温流体を挿通させ
る熱交換流路３に、流体集合筒２を巻回するコイル状に
形成されかつその内部に前記高温流体の上流側に向けて
低温流体を挿通させる伝熱管４を半径方向に複数条並設
してなり、熱交換器シェル１の内面と最外径位置に配さ
れる伝熱管４との間隙寸法が、熱交換流路３を挿通させ
られるべき高温流体の流通方向に沿って縮小するように
形成されており、伝熱管４の熱膨張によって各伝熱管４
毎の周囲に形成される熱交換流路３の幅寸法を均一化す
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

原子炉の一種に、ヘリウムを熱媒体として使用する高温ガス炉がある。この高 温ガス炉に使用される熱交換器は、図２に示すように、直立状態に配される概略 円筒容器状の熱交換器シェル１と、該熱交換器シェル１の内側に同心位置に配置 される流体集合筒２と、該流体集合筒２と熱交換器シェル１との間に形成される 略円筒形状の熱交換流路３に流体集合筒２を巻回状態に配されるコイル状の伝熱 管４とを具備している。

【０００３】 前記熱交換器シェル１は、耐圧容器としての外胴５と、該外胴５の内周面に間 隔を一定間隔を空けて配される内胴６と、該内胴６の内周面に一定の厚さに敷設 される断熱層７と、該断熱層７の内周面を完全に被覆する内胴ライナ８とから構 成されている。該内胴ライナ８は、高温流体の挿通させられる熱交換流路３と断 熱層７とを隔離するようになっている。

【０００４】 前記伝熱管４は、流体集合筒２の半径方向に６条並列されるコイル状に形成さ れており、それぞれの伝熱管４は、流体集合筒２の上部に取り付けられた管束支 持梁９に吊持されるサポートラダー１０を周回ごとに貫通するように配されて、 前記管束支持梁９に吊持状態に保持されるとともに、熱交換器シェル１の上部に おいて低温流体入口ヘッダ１１に集合状態に接続され、かつ、熱交換器シェル１ の下部において前記流体集合筒２の下部に集合状態に接続されるようになってい る。

【０００５】 このように形成された熱交換器１２を稼働するには、熱交換器シェル１の下部 に設けられたノズル１３から高温流体を流入させる一方、熱交換器シェル１上部 の低温流体入口ヘッダ１１から低温流体を流入させる。そして、ノズル１３から 流入した高温流体が熱交換流路３を下から上へ流通させられる間に、前記低温流 体入口ヘッダ１１から流入した低温流体を前記伝熱管４内に下方に向けて流通さ せることにより、熱交換を行うようになっている。 なお、図２において、符号１４は高温流体出口、１５は低温流体出口である。

【０００６】

【考案が解決しようとする問題点】

ところで、熱交換流路３の内部を流通させられる高温流体は、ノズル１３付近 において約９３０℃の温度を有するが、低温流体との熱交換によって冷却され、 熱交換器シェル１上部に配される高温流体出口１４においては、約３００℃とな る。一方、低温流体の温度は、低温流体入口ヘッダ１１において約１９０℃であ るが、伝熱管４内を流通する間に高温流体によって加熱され、流体集合筒２の下 部において合流されるときには、約９３０℃まで上昇させられている。 このため、熱交換器１２の内部には、上から下に向かって上昇する温度勾配が 形成され、該温度勾配によって、特に、流体集合筒２の周囲に巻回状態に配され る伝熱管４に、図３に鎖線で示すように、熱膨張による寸法変化が発生する。す なわち、熱交換流路３の下部に位置する伝熱管４は、上部に位置する伝熱管４に 比べて、その径寸法が拡大されることになる。

【０００７】 しかしながら、このように径寸法が拡大されると、複数条並列状態に配される 全ての伝熱管４は、熱交換器シェル１の内面に向けて移動させられることになり 、熱交換流路３の下部では、半径方向外方に配される伝熱管４と熱交換器シェル １の内面との間隔寸法が狭められ、かつ、半径方向内方に配される伝熱管４と流 体集合筒２の外面との間隔寸法が広げられることになる。その結果、半径方向内 外の伝熱管４の周囲において、熱交換流路３の幅寸法が相違することとなり、高 温流体の流速が伝熱管４毎に不均一なものとなって、所望の伝熱性能を得ること できないという問題点があった。 また、このような高温流体の流速の不均一が発生すると、温度上昇によって発 生する応力も伝熱管４毎に不均一となり、余分な拘束による局部的な応力集中が 発生して、耐久性が低下してしまうという不都合が考えられる。

【０００８】 本考案は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、伝熱管４毎の熱交換 流路３の幅寸法を均一なものとして、伝熱性能の向上、耐久性の向上等を図るこ とを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本考案は、熱交換器シェルと、その内側に配され る流体集合筒との相互間隙に形成され高温流体を挿通させる熱交換流路に、流体 集合筒を巻回するコイル状に形成されかつその内部に前記高温流体の上流側に向 けて低温流体を挿通させる伝熱管を半径方向に複数条並設してなる熱交換器にお いて、熱交換器シェルの内面と最外径位置に配される伝熱管との間隙寸法が、熱 交換流路を挿通させられるべき高温流体の流通方向に沿って縮小するように形成 されている熱交換器を提案している。

【００１０】

【作用】

本考案に係る熱交換器によれば、高温流体が熱交換流路に流通させられること により、該熱交換流路内に配される伝熱管が加熱され、流体集合筒の半径方向外 方に向かって熱膨張させられる。熱交換流路内には、熱交換に伴って、高温流体 の挿通方向に温度勾配が発生するので、熱交換流路の長手方向に沿って伝熱管の 熱膨張量が変化する。熱交換器シェルの内面は、高温流体の流通方向に沿って縮 小するように形成されているので、伝熱管の熱膨張量に応じて、各位置における 熱交換流路の幅寸法が確保され、各伝熱管毎の熱交換流路が均一に形成されるこ とになる。

【００１１】

【実施例】

以下、本考案に係る熱交換器の一実施例について、図１を参照して説明する。 なお、本実施例の熱交換器において、図２および図３に示す従来例と共通する 箇所に同一符号を付し、説明を簡略化する。

【００１２】 本実施例の熱交換器２０は、直立状態に配される概略円筒容器状の熱交換器シ ェル１と、該熱交換器シェル１の内側に同心位置に配置される流体集合筒２と、 該流体集合筒２と熱交換器シェル１との間に形成される略円筒形状の熱交換流路 ３に流体集合筒２を巻回状態に配されるコイル状の伝熱管４とを具備している点 において、従来の熱交換器１２と共通している。しかし、本実施例の熱交換器２ ０は、熱交換器シェル１の内面形状において、従来の熱交換器１２と相違してい る。

【００１３】 前記熱交換器シェル１は、圧力容器としての外胴５と、該外胴５の内側に一定 間隔を空けて配される内胴６と、該内胴６の内面を被覆する断熱材７と、該断熱 材７の内面を被覆状態に配置され、熱交換流路３の位置内面を形成するライナ２ １とを具備して構成されている。該ライナ２１は、要所において重畳状態に配さ れる複数のセグメントよりなり、熱交換流路３の温度変化に応じて、該重畳され ている部分を摺動させることにより、温度上昇に伴うライナ２１自体の熱膨張を 吸収して、熱交換流路３の内面位置を変動させないように保持されている。

【００１４】 このライナ２１のうち、コイル状に形成された伝熱管４に対向するライナ２１ は、下方に向かって徐々に拡径するテーパ内面形状に形成されている。すなわち 、該ライナ２１の下部における半径寸法は、上部における半径寸法と比較して、 １３ｍｍ程度大きく形成されている。該寸法差は、最も外側に位置する伝熱管４ の約９３０℃と約３００℃における半径寸法の差に相当している。 したがって、高温流体を流通させる前の熱交換器２０においては、熱交換流路 ３に配置される最外径位置の伝熱管４と、ライナ２１との距離は、上下部におい て１３ｍｍ程度相違し、その結果、熱交換流路３が下方に向かって広がるように 形成されている。

【００１５】 このように構成された熱交換器２０を使用する場合について、以下に説明する 。 まず、熱交換器シェル１の下部に形成されたノズル１３から約９３０℃の高温 流体を流入させ、熱交換流路３を流通させた後に熱交換器２０上部に形成された 高温流体出口１４から熱交換器２０外部に排出する。他方、伝熱管４内には、熱 交換器シェル１の上部に形成された低温流体入口ヘッダ１１から約１９０℃の低 温流体を流入させ、熱交換器シェル１下部において流体集合筒２に合流させた後 に、熱交換器２０上部の低温流体出口１５から排出する。

【００１６】 この状態で、熱交換流路３を流通させられる高温流体と、該熱交換流路３内に 配される伝熱管４内を流通させられる低温流体との間に、熱交換が発生するよう になっている。そして、熱交換器２０内部の温度状態が定常状態となると、熱交 換流路３の長手方向に沿って、一定の温度勾配が発生し、該温度勾配に伴って伝 熱管４に一定の熱膨張差が発生することになる。すなわち、下部における伝熱管 ４は、約９３０℃であり、上部における伝熱管４は、約３００℃であるため、最 外径に配される伝熱管４の半径寸法は、下部におけるものが上部におけるものよ り約１３ｍｍ大きくなる。

【００１７】 ここで、該伝熱管に対向するライナ２１は、上述のように、予め下方に向かっ て拡径するテーパ内面状に形成されているので、定常状態において、熱交換流路 ３内の伝熱管４の周囲の流路幅が均一化され、各伝熱管４の周囲を流通する高温 流体の流速が均一なものとされる。その結果、伝熱管４毎の伝熱性能の差異が低 減され、設計された所望の伝熱性能を発揮することができる。

【００１８】 なお、本実施例の熱交換器２０にあっては、熱交換器シェル１のライナ２１形 状を、高温流体の挿通されるべき方向に沿って縮径するテーパ内面状に形成する こととしたが、これに代えて、ライナ２１の形状を円筒状とし、伝熱管４の巻回 半径を高温流体の挿通されるべき方向に沿って拡径するように形成することにし てもよい。また、高温流体により発生させられる熱交換流路３に沿う温度差に応 じて、任意の寸法差のテーパ内面状に形成することにしてもよい。

【００１９】

【考案の効果】

以上、詳述したように本考案に係る熱交換器は、熱交換器シェルと、その内側 に配される流体集合筒との相互間隙に形成され高温流体を挿通させる熱交換流路 に、流体集合筒を巻回するコイル状に形成されかつその内部に前記高温流体の上 流側に向けて低温流体を挿通させる伝熱管を半径方向に複数条並設してなり、熱 交換器シェルの内面と最外径位置に配される伝熱管との間隙寸法が、熱交換流路 を挿通させられるべき高温流体の流通方向に沿って縮小するように形成されてい るので、以下の効果を奏する。 熱交換器が稼働されて、熱交換流路内に温度勾配が発生すると、該熱交換流 路に配される伝熱管が該温度勾配に伴って熱膨張させられ、予め差を設けて設定 された熱交換器シェルの内面との間隙寸法を均一化することができる。その結果 、半径方向に配される各伝熱管毎に、その周囲を流通させられる高温流体の流量 を均一化することができ、設計された所望の伝熱性能を達成することができる。 高温流体の流量が均一化されるので、各伝熱管が均一に熱膨張させられて、 余分な熱膨張の拘束による応力の発生を防止して、耐久性を向上し、信頼性の高 い熱交換器を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る熱交換器の一実施例を示す縦断面
図である。

【図２】高温ガス炉に使用される熱交換器の従来例を示
す縦断面図である。

【図３】図２の熱交換器の管束の熱膨張による変位の状
態を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 熱交換器シェル ２ 流体集合筒 ３ 熱交換流路 ４ 伝熱管 ２０ 熱交換器 ２１ ライナ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換器シェルと、その内側に配される
   流体集合筒との相互間隙に形成され高温流体を挿通させ
   る熱交換流路に、流体集合筒を巻回するコイル状に形成
   されかつその内部に前記高温流体の上流側に向けて低温
   流体を挿通させる伝熱管を半径方向に複数条並設してな
   る熱交換器において、熱交換器シェルの内面と最外径位
   置に配される伝熱管との間隙寸法が、熱交換流路を挿通
   させられるべき高温流体の流通方向に沿って縮小するよ
   うに形成されていることを特徴とする熱交換器。