JPH11257879A - ガス−ガス熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 管群を通過する熱媒体の圧力損失の低減を図
ると共に、小型化ならびに配置上の制約条件を排除する
ことができるガス−ガス熱交換器を提供することにあ
る。 【解決手段】 本発明では、シェル１１に第１の熱媒体
を流入させるシェル側入口２２と、該シェルに該シェル
内の第１の熱媒体を外部に流出させるシェル側出口２３
と、シェル１１内に配設された複数の管１２ａから成る
管群１２と、該管群に第２の熱媒体を流入させる管側入
口１８と、該管群内の第２の熱媒体を外部に流出させる
管側出口１９とを有するガス−ガス熱交換器において、
管群１２を複数に分割し、シェル１１内に上記第１の熱
媒体の分流と合流を繰り返させる複数のバッフルプレー
ト１４，１５を配設した構成としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス−ガス熱交換
器に関し、詳しくは、硫酸プラント、排煙脱硝装置、石
炭ガス化プラント及び硫黄回収装置等に用いられるガス
−ガス熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来のガス−ガス熱交換器の一例
を示す。この熱交換器には、そのシェル１の内部に、高
温ガスを通す複数の管２ａからなる管群２と、該管群を
位置決めしつつ、シェル１の内部を３室に画成する一対
のチューブシート３，３とが配設されている。管群２
は、チューブシート３，３間にシェル１の中央に寄せら
れて配設されている（図７参照）。図７において、t1は
隣合う管２ａ，２ａ間のピッチを示す。チューブシート
３，３により、シェル１の内部は、上部室３ａと中央室
３ｂと下部室３ｃとに分割されている。チューブシート
３，３間には、２つのバッフルプレート４，４が、互い
に高さを違えて反対側のシェル１の壁面から管群２を横
断するように配設されている。

【０００３】さらに、シェル１の上部側には、上部室３
ａ内に高温ガスを流入させる管側入口５が形成され、該
シェルの下部側には、下部室３ｃ内の高温ガスを外部に
流出させる管側出口６が形成されている。また、シェル
１の入口５に近いチューブシート３とバッフルプレート
４の付根との間の側壁には、中央室３ｂ内に低温ガスを
流入させるためのシェル側入口７が形成され、該シェル
１の出口６に近いチューブシート３とバッフルプレート
４の付根との間の側壁には、中央室３ｂ内の低温ガスを
外部に流出させるシェル側出口８が形成されている。

【０００４】この熱交換器では、低温ガスはシェル側入
口７から供給され、矢印で示すように、当該熱交換器に
配置された管群２の間を通過しつつ、バッフルプレート
４，４によって流れの方向をジグザクに変えられ、シェ
ル側出口８から排出される。他方、高温ガスは入口５か
ら供給され、管群２のそれぞれの管２ａ内を通過し、出
口６から外部へ排出される。これら、一連の流れ中で、
低温ガスと高温ガスの間で熱交換が行われ、低温ガスは
昇温され、他方、高温ガスは冷却される。なお、上記熱
交換器においては、低温ガスと高温ガスのそれぞれの入
口と出口は、反対であっても良い。また、低温ガスと高
温ガスの流路は反対であっても良い。すなわち、低温ガ
スを管の内側に、高温ガスを管の外側に供給しても良
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、比較的大容
量のガス（例えば、100,000Nm³/h以上）を取扱う従来の
ガスとガスの熱交換器（以下ガス−ガス熱交換器とい
う。）では、管群２における管列数が多くなるので、低
温ガスが管群２を通過する距離が長くなる。このため、
低温ガスが管群２を通過する時の圧力損失は、管列数が
多いほど増大する。この圧力損失は、結果的には、低温
ガスを送り出すためのブロワの消費電力アップにつなが
るので、省エネルギー化の観点から、この圧力損失を極
力少なくすることが望ましい。特に、硫酸プラント、排
煙脱硝装置、石炭ガス化プラント及び硫黄回収装置等、
大流量のガスを扱うプラントにおいては、プラント全体
で消費されるエネルギーロスのうち、これらのプラント
に使用される熱交換器の圧力損失に伴うエネルギー消費
の割合が高く、製品の原単位を低下させる要因にもな
る。最近、プラントは大型化の傾向にあり、省エネルギ
ー化をしていくことが、プラント建設、運転面での経済
性の観点から求められている。また、しばしば限られた
プラントエリア内に設置される場合が多いため、可能な
限り設備の小型化を図る必要がある。

【０００６】また、ガス−ガス熱交換器においては、そ
の熱交換をスムーズに進行させるため、管群２のそれぞ
れの管２ａ内を流れる高温ガスに対して、管２ａの外を
流れる低温ガスを、温度勾配が互いに逆になるように、
いわゆるクロスフローで流す場合が多い。このため、低
温ガスの入口７と出口８の形成方向がバッフルプレート
４の枚数によって規制されるので、機器設備配置の点で
制約が生じる。このような熱交換器を、限られたプラン
トエリア内に設置する場合には、上記機器設備配置の制
約条件を無くす必要がある。本発明の目的は、管群を通
過する熱媒体の圧力損失の低減を図ると共に、小型化な
らびに配置上の制約条件を排除することができるガス−
ガス熱交換器を提供することにある。

【０００７】前記目的を達成するために、本発明に係る
ガス−ガス熱交換器は、以下の如く構成されている。 （１）本発明に係るガス−ガス熱交換器では、管群を２
分割し、シェル側入口とシェル側出口をそれぞれ２ヶ所
設置し、２方向からの第１の熱媒体の流入および流出を
可能とし、さらに、中央が空いたバッフルプレートと、
中央が詰まりシェルの壁面側が空いたバッフルプレート
とを交互に配設したことにより、第１の熱媒体を２つに
分流させるようにしている。これにより、管群間を通過
する第１の熱媒体の流量が１／２となり、第１の熱媒体
が管群間を通過する距離が短くなり、管群を横断する管
列数が１／２になるため、第１の熱媒体が管群を通過す
る際の圧力損失が飛躍的に小さくなる。この結果、第１
の熱媒体を送り出すためのブロアにより消費されるエネ
ルギーを飛躍的に小さくすることが可能となる。

【０００８】（２）本発明のガス−ガス熱交換器では、
第１の熱媒体を２つに分流するようにしているため、管
群内の隣合う管同士のピッチt2を製作上可能な寸法まで
小さくすることが可能となる。したがって、熱交換器本
体の小型化が可能となる。なお、管のピッチt2を製作上
可能な寸法まで小さくすると第１の熱媒体が管群を通過
する際の圧力損失は一見増加するように思われるが、上
記した管群の複数分割による圧力損失の低減効果が大き
いため、上記圧力損失は、相殺されて全体として小さく
なる。したがって、本発明のガス−ガス熱交換器におけ
る第１の熱媒体の圧力損失を従来のそれと同一に設定し
た場合、本発明のガス−ガス熱交換器の総括伝熱係数が
高くなるので、その伝熱面積を大幅に小さくでき、熱交
換器本体をさらに小型化できる効果がある。

【０００９】（３）本発明のガス−ガス熱交換器では、
シェル側入口および出口をそれぞれ２ヶ所設置し、２方
向からの第１の熱媒体の流入および流出を可能とし、し
かも、シェルの周囲に、それぞれ２ヶ所の入口および出
口を有する入口側通路と出口側通路を設けているので、
第１の熱媒体のシェル側入口とシェル側出口の形成方向
がバッフルプレートの枚数によって規制されることがな
くなり、機器設置上の制約条件を排除できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、管群を構成する管の外側に
低温ガス、管の内側に高温ガスを通すガス−ガス熱交換
器を例にとり、本発明の実施形態について添付図面を参
照しながら説明する。図１〜図５は本発明に係るガス−
ガス熱交換器の一実施形態を示すものである。本実施形
態では、熱交換器のシェル１１の内部に、高温のガスを
通す複数の管１２ａからなる管群１２と、これらの管群
を位置決めしつつ、シェル１１の内部を３室に画成する
一対のチューブシート１３，１３とが配設されている。

【００１１】管群１２は、２分割されて、チューブシー
ト１３，１３間に、中央にスペース１１ａを挟んで配設
されている（図２参照）。なお、図２において、t2は隣
合う管１２ａ，１２ａ間のピッチを示す。チューブシー
ト１３，１３により、シェル１１の内部は、上部室１３
ａと中央室１３ｂと下部室１３ｃとに分割されている。
チューブシート１３，１３間には、複数の（例えば２つ
の）バッフルプレート１４，１５が管群１２，１２を横
断するように配設されている。シェル１１の一端側のバ
ッフルプレート１４は、その両側部がカットされ、これ
により、該バッフルプレートとシェル１１の側壁との間
に開口１６，１６が形成されている。シェル１１の他端
側のバッフルプレート１５は、その中央部に孔が設けら
れたことにより、開口１７が形成されている。

【００１２】さらに、シェル１１の上部には、上部室１
３ａ内に高温のガスを流入させる管側入口１８が形成さ
れ、該シェルの下部には、下部室１３ｃ内の高温のガス
を外部に流出させる管側出口１９が形成されている。ま
た、シェル１１の上方側の側壁の周囲には、環状の入口
側通路２０が形成され、シェル１１の下方側の側壁の周
囲には、環状の出口側通路２１が形成されている。入口
側通路２０と出口側通路２１の一部に、同じ方向を向け
てシェル側入口２２とシェル側出口２３が形成されてい
る。

【００１３】入口側通路２０の途中の側壁には、入口側
通路２０内の低温ガスを中央室１３ｂ内に流入させる一
対の開口２４，２４が形成され、シェル１１の出口側通
路２１の途中の側壁には、中央室１３ｂ内の低温ガスを
出口側通路２１内に流出させる一対の開口２５，２５が
形成されている。平面的にみて、シェル側入口２２とシ
ェル側出口２３が９時の位置に形成されているとした場
合、一対の開口２４，２４は、１２時と６時の位置に形
成され、一対の開口２５，２５は、９時と３時の位置に
形成されている。すなわち、一対の開口２４，２４は、
入口側通路２０内の低温のガスが管群１２内の中央スペ
ース１１ａ内に流入する位置に形成されている。一対の
開口２５，２５は、一対の開口２４，２４の形成方向と
直角方向に向けて形成されている。

【００１４】この熱交換器において、低温ガスはシェル
側入口２２から供給され、入口側通路２０内で２分さ
れ、開口２４，２４を介してシェル１１の内部の管群１
２内の中央スペース１１ａ内に導入される。導入された
低温ガスは、管群１２の一端部分の間を通過する（図３
参照）。その後、低温ガスは、分流されてバッフルプレ
ート１４の両側の開口１６，１６を通過する。しかる
後、低温ガスは、管群１２の中央部分の間を横断して合
流されて、バッフルプレート１５の開口１７を通過する
（図４参照）。さらに、管群１２の他端部分の間を通過
し、開口２５，２５を介してシェル１１内から出口側通
路２１内に流出し、シェル側出口２３の手前で２分され
ていた低温ガスが合流し、該シェル側出口２３を介して
当該熱交換器の外部へ排出される（図５参照）。

【００１５】他方、高温ガスは、管側入口１８から上部
室１３ａ内に供給され、管群１２を成すそれぞれの管１
２ａ内を通過して下部室１３ｃ内に流出し、管側出口１
９を介してシェル１１の外部へ排出される（図１参
照）。これら、一連の流れの中で、低温ガスと高温ガス
の間で所定の熱交換が行われ、低温ガスは昇温され、一
方、高温ガスは冷却される。

【００１６】次に、硫酸プラント用ガス−ガス熱交換器
の代表的なガス条件の一例を示す。

【表１】

【００１７】上記表１のガス条件を用いて、従来型と本
発明のガス−ガス熱交換器の性能比較を計算により実施
したものを表２に示す。

【表２】 表２により明らかなように、本発明のガス−ガス熱交換
器は、従来型に比較して、熱交換器をコンパクトに製作
可能であり、かつ、管外側ガス圧力損失が小さくなるの
で、大幅な省エネルギー化が期待できることがわかる。

【００１８】なお、上記実施形態では、２つのバッフル
プレート１４，１５を配設するようにしたが、さらに多
段にバッフルプレートを配設するようにしても良い。こ
の場合には、両側に開口１６，１６を形成するバッフル
プレート１４と、中央に開口１７を形成するバッフルプ
レート１５とを交互に配置し、熱媒体の２つに分流した
後に合流し、さらに分流するという一連の作用が繰り返
されるようにすれば良い。また、上記実施形態では、管
群を２つに分割しているが、これに限らず、さらに多数
に分割するようにしても良い。さらに、本発明では、第
１および第２の熱媒体の入口および出口は、上記実施形
態に示した場合と反対にし、流れが逆になるように設定
しても勿論良く、図示の縦型装置のみでなく、これを横
型にしても良い。第１および第２の熱媒体の選定にあた
り、高温ガスを第１熱媒体としても第２熱媒体としても
良い。すなわち、高温ガスを管の外側に、低温ガスを管
の内側に供給しても良い。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るガス
−ガス熱交換器によれば、シェルに第１の熱媒体を流入
させるシェル側入口と、該シェル内の第１の熱媒体を外
部に流出させるシェル側出口と、上記シェル内に配設さ
れた複数の管から成る管群と、該管群に第２の熱媒体を
流入させる管側入口と、該管群内の第２の熱媒体を外部
に流出させる管側出口とを有するガス−ガス熱交換器に
おいて、上記管群を複数に分割し、上記シェル内に上記
第１の熱媒体の分流と合流を繰り返させる複数のバッフ
ルプレートを配設した構成としているので、次のような
効果を得ることができる。

【００２０】すなわち、上記第１の熱媒体が通過する上
記管群の管列数を少なすことができるので、上記第１の
熱媒体が上記管群を通過する際の圧力損失を低減させる
ことができる。したがって、上記第１の熱媒体を送るた
めのブロワの消費電力を低減させることができ、特に、
硫酸プラント、排煙脱硝装置、石炭ガス化プラント及び
硫黄回収装置等、大流量のガスを扱うプラントにおいて
は、プラント全体で消費されるエネルギー消費を可及的
に減少させることができる。

【００２１】また、上記第１の熱媒体の分流と合流を繰
り返させるバッフルプレートを配設したことにより、設
備の大型化を図ることなしに熱交換効率を上げることが
できる。したがって、限られたプラントエリア内に設置
することが可能になり、プラント建設、運転面での経済
性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るガス−ガス熱交換器
を概念的に示す縦断面図である。

【図２】本発明の熱交換器に用いられているチューブシ
ート並びに管群の位置を概念的に示す図である。

【図３】図１におけるＡ−Ａ線による断面図である。

【図４】図１におけるＢ−Ｂ線による断面図である。

【図５】図１におけるＣ−Ｃ線による断面図である。

【図６】従来のガス−ガス熱交換器の一例を概念的に示
す縦断面図である。

【図７】従来の熱交換器に用いられているチューブシー
ト並びに管群の位置を概念的に示す図である。

【符号の説明】

１１ シェル １１ａ 中央スペース １２ 管群 １２ａ 管 １３ チューブシート １３ａ，１３ｂ，１３ｃ 室 １４，１５ バッフルプレート １６，１７ 開口 １８ 管側入口 １９ 管側出口 ２０ 入口側通路 ２１ 出口側通路 ２２ シェル側入口 ２３ シェル側出口 ２４，２５ 開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柿本 朗 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 末弘 貢 東京都新宿区新宿１丁目23番６号205号室 株式会社機械化学研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シェルに第１の熱媒体を流入させるシェ
   ル側入口と、該シェル内の第１の熱媒体を外部に流出さ
   せるシェル側出口と、上記シェル内に配設された複数の
   管から成る管群と、該管群に第２の熱媒体を流入させる
   管側入口と、該管群内の第２の熱媒体を外部に流出させ
   る管側出口とを有するガス−ガス熱交換器において、上
   記管群を複数に分割し、上記シェル内に上記第１の熱媒
   体の分流と合流を繰り返させる複数のバッフルプレート
   を配設したことを特徴とするガス−ガス熱交換器。
2. 【請求項２】 上記管群が、２分割されていることを特
   徴とする請求項１に記載のガス−ガス熱交換器。
3. 【請求項３】 上記シェル側入口とシェル側出口は、上
   記シェルのそれぞれ対向する２箇所に形成したことを特
   徴とする請求項１または請求項２に記載のガス−ガス熱
   交換器。