JPS59129387A - シエルアンドチユ−ブ型熱交換器 - 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】 本発明は、高速増殖炉の中間熱交換器等に使用されてい
るシェルアンドチューブ型熱交換器に関ずろものである
。

従来の前記シェルアンド号ユーノ型熱交換器は、第１図
に示すよ５に支持スカート（］αンによって懸架された
外胴（１）、外胴（１）内側の外部シュラウド（２）、
外部シュラウド（２）内側の上下部に設けられた下管板
（３α）と下管板（３ｈ）により画成されそれらに上下
端部が貫通状に固着された多数の伝熱管（３）よりなる
伝熱管群が配置された伝熱管群部（４）、外胴（１）の
上部から伝熱管群部（４）中央に縦設され前記上管板（
３ａ）と上管＆　（３ｂ）に固着された下降管（５）、
下管板（３り下側の下部ブレナム（６）、および上管板
（３り上側の上部ブレナム（力等によって構成され、１
次篩温側流体は、入口ノズル（１ｂ）、入口窓（２りを
通って伝熱管群部（４）内を下降し出口窓（２ｂ）を経
て出口ノズル（ＩＣ）に至る経路で流通され、一方、２
次低温側流体は、入口ノズル（５ａ）から下降管（５）
内を下降し下部プレナム（６）を介し反転して各伝熱管
（３）内を上昇し熱交換されて高温となり、上部ブレナ
ム（７）を介し出口ノズル（１ｄ〕から機器外へ取り出
される構造になっており、前記下降管（５）は伝熱管（
３）の補修、交換等のためにそれを外胴（１）外へ引抜
く必要から上管板（３ａ）と下管板（３ｂ）に結合され
、また、各伝熱管（３）の上下端部は上管板（３ａ）と
下管板（３ｂ）とに貫通状に固着されている。

しかして、前記シェルアンドチューブ型熱交換器を運転
し内部が高温になると、各部の温度が異なるため各部の
熱膨張用つまり伸び量が異なり部分的に過大な熱応力が
発生し、その代表的なものとして伝熱管（３）群と下降
管（５）との熱膨張差を挙げることができ、即ち、伝熱
管（３）群は比較的に高温となり下降管（５）側は２次
低温０１１１　′ｂｉｊ体側によって低温になるため、
両者間に大きな熱膨張ｈｊ°の差が生じ、その結果、多
数の伝熱管（３）群に比べ一般的に剛性が弱い下ＩＩＨ
ｔ管（５）側が座屈される危険性がある。

また、伝熱管群を形成している各伝熱管（ｊ３）相互の
熱膨張差も生じる、即ち、熱交換器が大型化されるに伴
って伝熱管群部（４）の流路横断面績が大きくなり、各
伝熱管（３）外の１次高温側流体の３１ｉ）れの不均一
による偏流が生じ易くなって、その偏流によって各伝熱
管（３）間の熱膨張差が発生して特定の伝熱・′θが座
屈される恐れがある。

そこで、前記の対策として、下降管（５）の外周に内部
シュラウ）−゛を配置するとともに、該内部シュラウド
の一端側と下降管（５）とをベローズを介して連結し、
−上管板（３α）は内部シュラウド側に下管板（３Ａ月
士下降管（５）側にそれぞれ結合して、伝熱管（３）群
と下降管（５）との熱膨張差をベローズによって吸収す
る構成をさきに提案したが、この構成では、前記のよう
な伝熱管群部（４）にて生じた偏流による７、）Ａ度不
均−に伴って発生した伝熱管（３）相互の熱膨張差を吸
収することができず、従って、伝熱’１７　（：３１Ｇ
＋内（伝熱管（３）外の流路）にバッフル孜を設けて流
体のミキンング性を向上させることにより、［可１）己
（１１ｊ！流をと１イ消することが考えられるが、その
パンフル、）１シの介装は圧力損失の増大をもたらしポ
ンプ揚程の増加等の不利を招くことになって好ましくな
い。

また、別の対策とし７て、各伝熱管（３）に曲げ部を設
けて、該曲げ部の変形によって伝熱管（３）群と下降管
（１う）との熱膨張差、および伝熱管群部（４）内の偏
流に伴って生じる各伝熱管（３）の熱膨張差を吸収する
構成をさきに提案したが、この構成では、熱交換器の大
型化に伴って熱膨張差が拡大され、前記両熱膨張差の吸
収に必要な曲げ部の突出開゛が大きくなって、フレキシ
ビリチーが小さく撓み易くなり、引抜性、組立性の低下
、構造上の無駄部分の増加、曲げ部の形成の困離性、な
どの種々の欠点がある。

本発明は、従来のシェルアンドチューブ型熱交換器にお
ける前記のような欠点を解消するために開発されたもの
であって、外胴内側の外部シュラウド内における多数の
伝熱管が配設された伝熱管群部内に１次高温側流体が流
通され、２次低温側流体が前記伝熱管群部内の中央に縦
設された下降管内を下降し下部ブレナムを介し前記各伝
熱管内を上昇して熱交換される構成のシェルアンドチュ
ーブ型熱交換器において、前記下降管の外周に内部シュ
ラウド°を配置し、該内部シュラウドの端部をベローズ
を介して前記下降管に連結するとともに、伝熱管群を形
成している前記各伝熱管に曲げ部を設けた点に特徴を有
し、その目的とする処は、下降管の外周に設けた内部シ
ュラウドと同下降管間にベローズを設けかつ各伝熱管に
曲げ部を設けた画構成の組合せにより、伝熱管群と下降
管間および各伝熱管相互間における熱膨張差に伴なう熱
応力の吸収効率を向上させたシェルアンドチューブ型熱
交換器を供する点にある。

本発明は、前記の構成になっており、２次低温ｔ１１１
流体が下降される下降管の外周に配設された内部シュラ
ウドの端部をベローズを介して同下降管に連結している
ので、該ベローズによって伝熱管群と下降管間の熱膨張
差が吸収され、各伝熱管に設けた曲げ部によって伝熱管
相互の熱膨張差が吸収されるととイ・、に、伝熱管群に
比べ前記ズローズの剛性の方が遥かに小さいため、伝熱
管群と下降管間の熱膨張差ははローズによって吸収され
て伝熱管群側への影響がなくなり、各伝熱管に設けた曲
げ部には、伝熱管群部内における偏流によって生じる比
吸的に小さい伝熱管相互の熱膨張差のみがかかることに
なり、該曲げ部の撓みが著しく少なくなり該熱膨張差を
極めて効率よく吸収でき、熱応力発生防止性能が大幅に
向上されるとともに、構造健全性が著しく旨められかつ
製作、組立性が向上される。

以下、本発明の実施例を図示について説明する。

第２図、第６図に本発明の一実施例を示しており、図中
（１）は支持スカート（１ａ）にて懸架された外胴、（
２）は外胴（１）内側に同心状に配設された外部シュラ
ウド、（３ａ）は外部シュラウド（２）内側の上部に設
けられた上管板、（３ｈ）は外部シュラウド（２）内側
の下部に設けられた下管板、（３）は上、下管板（３す
（３ｂ）に上下端部が貫通状に固５ｊｌされた多数の伝
熱管、（４）は前記伝熱管（３）群が配置された伝熱管
群部、（５）は外胴（１）の上部から伝熱管１（π部（
４）内の中央に縦設された下降管、（６）は下管板（３
ｂ）下側にノヒ成された下部プロナム、（７）は上管板
（３り上ｔ１１１に形成された上部プレナム、（８）は
外胴（１）と外部ンユラウド（２）の下部間に連設され
た・ζイ・ξスシールベローであって、１次高温側流体
が、入口ノズル（１ｂ）から外胴（１）内に流入されさ
らに入口窓（２ａ）から外部シュラウド（２）内の伝熱
管群部（４）内（伝熱管（３）の外側）を下降したのち
、出口窓（２ｈ）から外胴（１）側へ出て出口ノズル（
１Ｃ）に至る経路にて流通され、２次低温側流体が、入
口ノズル（５α）から下降管（５）内を下降し下部プレ
ナム（６）にて反転され各伝熱管（３）内を上昇しつつ
熱交換されて高温となり、上部プレナム（力を経て出口
ノズル（１ｄ）から取り出される熱交換機構になってい
る。

さらに、該実施例においては、第２図、第６図に示され
ているように下降管（５）の外周に小間隔を存して内部
シュラウド−＋１，０）が略全長にわたって同心状に配
置され、該内部シュラウドσαの上端部はベローズ０υ
を介して下降管（５）の外周に連結されており、同内部
シュラウドＱＯＩの下端部は必要に応じ下降管（５）の
外周に連結され、また、上管板（３ａ）が内部シュラウ
ドα〔の外周に固着され、下管板（３ｈ）は下降管（５
）の下端側に固着されている。

また、前記伝熱管群を形成している各伝熱管（３）は、
前記のようにその上、下端部が上管板（３りと下管板（
３ｂ）とにそれぞれ貫通状に固着されているとともに、
各伝熱管（３）の下部に曲げ部α２が設けられた構成に
なっている。

図示した実施例は、前記のような構成になっており、１
次高温側流体および２次低温側流体の流通経路オ６よぴ
熱交間機能は従来例と略同様になっているが、伝熱管（
３）群と下降管（５）との間に生じる熱ｊ影ｌ辰差は、
第６図に示すように内部シュラウド（１０）を介したぺ
Ｙｌ−ズ０１）によって吸収され、ベローズ（１１）と
伝熱管（３）群との剛性ン考えると、Ｒローズ圓の剛性
の方が遥かに小さいために伝熱管（３）群と下降管（５
）との熱膨張差が各伝熱管（３）の曲げ部０２）へ及ぼ
す影響は殆んど皆無の状態になる。

従って、各伝熱管（３）にす６ける曲げ部（１２）には
、伝熱管群部（４）内における偏流（またはｒｌ’ｉ＋
’１度不均−）によって生じるところの各１尺熱管（，
３）相互の熱膨張差による影響のみがかかることになり
、該曲げ部（１２）によって吸収する必要のある熱膨張
お、は著しく小さいものとなる。

さらに詳述すると、伝熱管（３）群と下降管（５）間の
熱膨張変位を含む全てを伝熱管（３）の曲げ部で吸収す
る場合に比べ、該実施例におけろ曲げ部θ２にかかる変
位は著しく低減されることになり、各伝熱管（３）のフ
レキシビリチーを極端に下げる必要がなくなるため、曲
げ部０鐵における突出を小さく形成でき、前記ベローズ
（ＩＩ）と曲げ部０′２の構成の並設により、大型機器
にも適用可能であってその構造健全性が大幅に向上され
る。

また、曲げ部圓の撓みが小さくなることによって、伝熱
管（３）相互、その支持具との間の接触による荷重もな
くなりある（・は低減され伝熱管の摩耗も低減される、
同時にベローズ（１１）だけで熱膨張差を吸収する場合
に比べて、伝熱管（３）相互の熱膨張差の吸収をその曲
げ部（１２）により行なうことが可能となり、伝熱管の
座屈防止のために偏流をな（するパンフル板が不要とな
るなどの利点を有する。

前記各伝熱管（３）の曲げ部（１２）の形状について１
次応力評価を行なってその制限値を求めると、実際の現
象に対して本評価は十分に安全であると考えられ、前記
伝熱管（３）の曲げ部０２）の形状を検討するにあたり
、第４図に示す解析モデルを設定しており、該モデルは
伝熱管（３）をビームモデルとして取り扱いその断面係
数を考慮することによって妥当性を有している。

伝熱管（３）の曲げ部（Ｉ２におけるフレキシビリチー
を決定する要因としては、曲げ部０２１の突出Ｉｔ　（
Ｍ）、曲げ部の曲率（Ｒ）および曲げ部軸方向長さくＬ
）が挙げられ、Ｌに関しては、伝熱管（３）のサポート
位置によって制限され、伝熱管サポート位置は、伝熱管
振動に関する制限（流体による振動や耐震性など）によ
って決まるため、Ｌの値は、おのずからある制限値を有
する。従って、ここではＬを一定値（最大値ンとして与
えている。

曲げ部軸方向長さくＬ）が一定値として与えられると、
ＲとＭとは従属関係にあるため、一定の変位搦（熱膨張
量りに対して、応力に影響を与えるパラメータは、Ｒの
み（もしくはＭのみ）と考えられ、換言すれば、Ｒのみ
（もしくはＭのみ〕によって伝熱管の曲げ部形状を表現
できる。

第５図に前記の検討結果の一例を示し、この結果は、伝
熱部の有効長さを９ｍとしたときの大型熱交換器（シェ
ルアンドチューブ型）についてのものであり、伝熱管（
３）群と下降管（５）との熱膨張差を約１ＣＪｒｎｍと
すると、ベローズ（１１）を設けない場合には、機器の
構造成立性自体が満足されず、それを解決するためにＬ
の値を大きくするか、もしくは曲げ部形状を第６図の（
（）から（ロ）のように変えて撓み易くする等の対策が
考えられるが、いずれも製作、組立性の低下、コストの
上昇、構造健全性の低下等を招き不利となる。

以上本発明を実施例について説明したが、勿論本発明は
このような実施例にだけ局限されるもの′ではなく、本
発明の精神を逸脱しない範囲内で種々の設計の改変を施
しうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のシェルアンドチューブ型熱交換器の機器
を示す縦断面図、第２図は本発明の一実施例の機構を示
す縦断面図、第６図は第２図の要部拡大図、第４図は伝
熱管の曲げ部形状の解析モデル図、第５図は伝熱管の曲
げ部形状の検討結果図、第６図は同曲げ部の可撓性向上
策図である。 １：外部　　２：外部シュラウド　６：伝熱管３１Ｚ、
３１！ｌ　：上、下管板　　４：伝熱管群部５：下降管
　　６：下部ブレナム ７：上部プレナム　　１０：内部シュラウド１１：ベロ
ーズ　　１２：曲げ部 復代理人　弁理士　岡　本　重　文 外２名 第１Ｍ ぺｎ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 外胴内側の外部シュラウド内における多数の伝熱管が配
   設された伝熱管群部内に１次高温側流体が流１ｒＴｈさ
   れ、２次低温側流体がＡＣ前記伝熱管群部内の中央に縦
   設された下降管内を下降し下部プレナムを介し前記各伝
   熱管内を上昇して熱交藺される構成のシェルアンドチュ
   ーブ型熱交換器において。 前記下降管の外周に内部シュラウドを配置し、該内部・
   ／ニラウドの端部なベローズを介して１）１１記下降管
   に連結するとともに、伝熱管群を形成している前記各伝
   熱管に曲げ部を設けたことを特徴とするシェルアンドチ
   ューブ型熱交換器。