JPS5930996B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱交換器の改良に関するものである。

従来火力或は原子力蒸気原動所または各種化学プラント
において、多量の熱の授受に使用される定置式熱交換器
には、第１図に示す直管型熱交換器、第２図に示すルー
プ型熱交換器、第３図に示すコイル型熱交換器がある。

これらの熱交換器には、■高性能、即ち、単位面積当り
の熱伝達量が高いこと及び流れる流体の圧力損失が低い
こと、・ 並びに■高信頼性、即ち、構造上熱膨張差、
振動等による応力の発生が低いこと及び供用期間中の検
査が容易であること、が要求されている。

特に放射性物質を取扱うために供用期間中の検査が厳し
い原子力発電所、原子焼料処理プラント等の熱交換器に
おいては、高性能であることの外に、供用期間中の検査
が容易であることが他のプラントに使用される熱交換器
以上に要求されているが、従来の熱交換器にはこの２つ
の機能を兼ね備えたものがない。

即ち、第１図に示す直管型熱交換器・ においては、伝
熱管ａが直管のため、供用期間中の検査、特に伝熱管ａ
内面の腐食、亀裂等の欠陥検査が伝熱管ａの内部へ渦電
流探傷子等を挿入することにより容易に行うことができ
るが、性能の面では劣る。

つまり、入口ｂ１から胴Ｃ内に導いた管外流ｄを伝熱管
ａに直交させる仕切板ｅを胴Ｃ内に設けて熱伝達率な良
くしようとすると、各熱交換域ｆの間にＵターン部が形
成されて、管外流ｄの圧力損失が増大するし、Ｕターン
部に流れのよどみができてその付近の伝熱管ａの熱伝達
率） が低下する。

なおり２は管外流ｄの出口、ｇ１２ｇ２は管内流の入口
及び出口、ｋ、ｔは管板である。

またこの熱交換器において、管内管外の総合熱貫流率を
良くしようとすると、伝熱管ａ内を流れる流体の速度も
適正な値にしなければならないが、管内流速な一定に保
持すれば熱交換量が大きくなるに従い伝熱管ａの長さが
長くなり、限られたスペースに納めることができなぐな
る。

この点は管長ｔａ：短かくする一方、管の本数をふやせ
ばよいが、そうすると、管内流速が減少して、管内側の
熱伝達率、即ち、管壁と管内流体との熱伝達率が低下す
る。

その結果、総合の熱貫流率が低下し、単位伝熱面積当り
の熱交換量が減少して、熱交換器が大きくなり、不経済
である。

また上記大型化からは熱膨張差の増大、偏流による振動
の発生が助長されることになる。

以上の直管型熱交換器に対し第２，３図のループ型及び
コイル型の熱交換器では前記性能上の問題な実際上無視
できる。

即ち、管内流速を適正値に保持するために、伝熱管ａの
長さを熱交換量に比例して増大させても伝熱管ａはルー
プ状或はコイル状に蛇行しているため、配置上の制限を
受けない。

また管外流ｄは胴軸に平行に流れてもループ状またコイ
ル状の伝熱管ａに直交するので、胴Ｃ内に仕切板を設け
てＵターンさせる必要がない。

しかし供用期間中の検査という観点からは、小口径のル
ープ状或はコイル状の伝熱管ａ内へ渦電流探傷子等を挿
入して欠陥な検査し、さらにその結果を管外の指示・記
録装置に発信するということは、探傷子を伝熱管ａ内に
自走させるか、探傷子を伝熱管ａ内へ高圧流体により圧
送させるかしないと不可能である。

単位伝熱面積当りの伝熱量な良くし且つ限られたスペー
ス内により多くの伝熱面積な納めるためには、伝熱管ａ
の外径を小さくしなげればならないが、前記探傷子の自
走は、伝熱管ａの外径が上述のように小さくなっている
限り現在の駆動及び走行手段では不可能である。

また熱交換器の容量が大きくなると、ループ状またはコ
イル状の伝熱管ａの長さが長くなって、管の途中を溶接
または圧着せざるを得す、溶接の場合には溶接断手部の
内側に溶金のたれ込みな、また圧着の場合には圧着部の
内面にふくらみを生じるが、前記探傷子の圧送は、これ
らのたれ込みやふくらみにより妨げられる。

以上のことはループ状またはコイル状の伝熱管ａを有す
る第２，３図の熱交換器において供用期間中の検査が極
めて困難なことを意味する。

これを要するに従来の熱交換器には、高性能であれば信
頼性に欠けるという、また信頼性が高ければ低性能にな
るという欠陥があり、その両方を満足しているものがな
かった。

本発明は前記の問題点に対処するもので、所定の距離を
置いて対向する一対の環状管板と、両端部が同各管板に
整列状態に設けられた多数の孔に嵌挿固定された多数の
伝熱管と、両端部が同各管板の内周縁に固定された内胴
と、両端部が同各管板の外周縁に固定された外胴と、同
内外胴間の上記各伝熱管外を上記各管板の方向に延びた
旋回通路に仕切る仕切板とにより、それぞれが構成され
た複数個の環状組立体な同心円状に配設し、同各組立体
の各伝熱管内な所定方向への管内流通路にするケーシン
グを隣接する組立体の同じ側の管板間に設け、同各組立
体の旋回通路内を所定方向への管外流通路にするダクト
を隣接する組立体の管板近くの内外胴間に設けたことを
特徴とする熱交換器に係り、その目的とする処は、熱伝
達率を向上できるし、供用期間中の検査を容易にできる
改良された熱交換器を供する点にある。

次に本発明の熱交換器を第４，５．６図に示す一実施例
により説明すると、１，２．３が同心円状に配設された
３個の環状組立体である。

これらのうち、環状組立体１について先ず説明すると、
４．５が上下二対の環状管板で、これらの管板４゜５に
は多数の孔（図示せず）が整列状態に設けられている。

また６がこれらの孔に上下両端部が嵌挿固定された多数
の伝熱管（直管）、７が上記各管板４，５の内周縁に上
下両端部が固定された内胴、８が上記各管板４，５の外
周縁に上下両端部が固定された外胴、第６図の９ｂ 、
９ｄ 、９ｆが上記内外胴７，８間の上記各伝熱管６外
を上下４段に仕切る水平の仕切板で、その一部は切り欠
かれている。

また９ａが上記下管板５と上記仕切板９ｂとを、９ｃが
上記仕切板９ｂ 、９ｄを、９ｅが上記仕切板９ａ、９
ｆを、９ｇが同仕切板９ｆと上記上管板４とを、それぞ
れ連結する斜めの仕切板で、上記各伝熱管６に直交する
管外流Ａの旋回通路１０が上記管板４，５と上記内外胴
１，８と上記仕切板９ａ〜９ｆとにより形成されている
。

また１１が上記内胴７の下部に設けられた管外流Ａの入
口、１２が上記外胴８の上部に設けられた管外流Ａの出
口で、入口１１から流入した管外流Ａは、第１図に例示
するようにＡＩ−ｐＡ２−ｙＡ３−ｙＡ４＝Ａ５＝Ａ６
＝Ａ’ｒ’Ａ８＝Ａ９＝Ａ１０と導かれて、出口１２に
達するようになっている。

なお上記斜めの仕切板９ａｔ９ｃ、９ｅｔ９ｇが存在す
る領域には伝熱管６が配置されていない。

以上環状組立体１について説明したが、次に環状組立体
２な説明する。

この環状組立体２も前記環状組立体１と実質的に同一で
ある。

即ち、４ ／、 ｓ ／が上下一対の環状管板、６′が
多数の伝熱管、７′が内胴８′が外胴、ｇ ａ／〜９
ｇ′’（但し９ａ′、９ｃ′、９ｅ′。

９ａ竹図示せず）が仕切板、１０′が旋回通路である。

ただこの環状組立体２においては図示な省略したが管外
流Ａの入口１１′が内胴７′の上部に、管外流Ａの出口
１２′が外胴７′の下部に、それぞれ設けられていて、
前記環状組立体１の出口１２とこの環状組立体２０入口
１１′とがダクト１３により連結されている。

また環状組立体３も前記環状組立体１と実質的に同一で
ある。

即ち、４′１５“が上下一対の環状管板、６“が多数の
伝熱管、７“が内胴、８″が外胴、９ａ″、９ｇ／′（
但し９ａ“、９ｃ“、９ｅ“、９ａ七図示せずンが仕切
板、１０“が旋回通路、図示を省略したが１１”が内胴
７“の下部に設けられた管外流Ａの入口、１２′′が外
胴８“の上部に設けられた管外流Ａの出口で、前記環状
組立体２の出口１２′とこの環状組立体３０入口１１“
とがダクト１４により連結されている。

また第４図の１５が管内流Ｂを上記環状組立体１内に設
けられた多数の伝熱管６″の上端開口部内へ導くダクト
、１６が前記環状組立体２゜３の下管板５／、５／／と
により中空室な形成する環状のケーシング、１７が前記
環状組立体１，２の上管板４，４′とにより中空室を形
成する環状のケーシング、１８が上記環状組立体１内に
設けられた多数の伝熱管６内から排出される管内流Ｂな
熱交換器外へ導くダクトである。

次に前記熱交換器の作用を説明する。

入口１１から環状組立体１内に入った管外流Ａは、下管
板５と仕切板９ｂとの間を各伝熱管６に直交するように
水平方向にほぼ１回転したのち、斜めの仕切板９ａ 、
９ｃ部に達して、同各仕切板９ａ、９ｃの間な上昇する
。

次いで仕切板９ｂ、９ｄの間な各伝熱管６に直交するよ
うに水平方向にほぼ一回転したのち、斜めの仕切板９ｃ
、９ｃ部に達して、同各仕切板９ｃ、９ｅの間を上昇す
る。

それからも同様で、旋回、上昇を繰返したのち、出口１
２は達し、次いでダクト１３を経て環状組立体２内に人
をか、そこでは上管板４′と仕切板９ｆ’との間を各伝
熱管６′に直交するように水平方向にほぼ１回転したの
ち、斜めの仕切板９ｇ’、９ｅ’部に達して、同各仕切
板９ ｇ’、９８％間を下降する。

次にで仕切板９ ｆ’ｔ ９ ｄ’１７）間を各伝熱管
６′に直交するように水平方向にほぼ１回転したのち、
斜めの仕切板９ｅ′、９０′部に達して、同各仕切板９
ｅ’、 ９ ｃ’（７）間を下降する。

それからも同様で、旋回、下降を繰返したのち、出口１
２′に達し、次いでダクト１４を経て環状組立体３内に
入るが、そこでは前記環状組立体１内と同様、旋回、上
昇を繰返し、遂には出口１２“に達して、排出される。

一方、ダクト１５から環状組立体３の各伝熱管６“内に
入った管内流Ｂは、同各伝熱管６″内を通ってケーシン
グ１６に入り、そこから環状組立体２の各伝熱管６′内
に入る。

次いで同各伝熱管６′内な通ってケーシング１７に入り
、そこから環状組立体１の各伝熱管６内に入る。

次いで同各伝熱管６内を通って、ダクト１８から排出さ
れる。

かくして管外流Ａと管内流Ｂとの間で熱の授受が行われ
る。

本発明の熱交換器は前記のように構成されているので、
次の効果を達成できる。

即ち、水平方向にほぼ１回転する旋回と上昇若しくは下
降とを管外流Ａに繰返し行わせて、該管外流Ａｋ各伝熱
管６．６，６ の上端部から下端部まで（同各伝熱管
の全体）に対し直交させるので、熱伝達率な著しく向上
できる。

また各伝熱管６，６’、６“は直管であり、渦電流探傷
子等を挿入して行う伝熱管内面の腐食、亀裂等の欠陥検
査を容易に行うことができるものである。

□なお上記実施例の場合はは上記効果の外に次の効果も
ある。

即ち、Ｉ４ 、Ｕターン部な形成しないので、管外流Ａ
の圧力損失な最小限できる。

■伝熱管６（または６′、６“な仕切板への挿入が容易
な領域（水平の仕切板９ｂ 、９ｄ 、９ｆが存在する
垂直の領域）には設けても、挿入が面倒な領域（斜めの
仕切板９ ａ 、９ ｃ ｔ ９ ｅ ｔ ９ ｇが存
在する垂直の領域）には設けないので、仕切板９ａ〜９
ｇの製作及び同各仕切板と各伝熱管６との組付けが容易
になる。

■上記■項による伝熱管本数の不足は、環状組立体１（
または２，３）の径を大きくする一方、適正な伝熱管本
数な同環状体１の仕切板９ｂ、９ａ、９ｆ領域に組込ん
で、管内流速な最適値に保持することにより解決できる
。

■また各環状組立体１，２．３の径を適当に変えて伝熱
管６．６’、６“の本数な同一にすれば各環状組立体１
，２，３の管内重量速度を同一にできるし、各環状組立
体１．２，３内の平均温度（絶対温度）に比例して伝熱
管６，６′、６“の本数を変えれば管内平均流速を同一
にできる。

■また管内流速が上述のように決定してから各仕切板９
ａ〜９ｇの間隔（管外流路の高さ）を決めると、管外流
Ａを最適の流速に維持できる。

なお上記■項からは仕切板の製作及び取付けが容易にな
るという効果を、上記ｉ 、ｍ、ｉｖ、ｖ項からは熱伝
達率がさらに向上するという効果を生ずる。

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種の設計の改変を施し
うるものである。

例えば管外流Ａと管内流Ｂとが向流の場合には、それぞ
れを第４図のように、同各流Ａ、Ｂが平行流の場合には
、管外流Ａを出口１２ から入口１１へ、それぞれ導け
ばよい。

また前記第４図乃至第７図の実施例は、各環状組立体１
，２．３が円環状で垂直の場合を示しているが、楕円環
状、角環状でも、水平でも差支えない。

また仕切板９ａ〜９ｇは、第８，９図のようにしても差
支えない。

但し第８図の場合は、下段の旋回通路から上段の旋回通
路に移るときにＵターンして、圧力損失が第４図乃至第
１図の場合よりも若干増加するし、第９図の場合は、伝
熱管と仕切板との交差部が斜めになって、仕切板の製作
及び取付けが若干面倒になるが、； 他の性能は従来の
熱交換器に比べると遥かに優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の直管型熱交換器を示す側面図、第２図は
従来のループ型熱交換器を示す側面図、９ 第３図は従
来のコイル型熱交換器を示す側面図、第４図は本発明に
係る熱交換器の一実施例を示す縦断側面図、第５図は第
４図矢視ｖ−Ｖ線に沿う横断平面図、第６図は第４図矢
視■−■線に沿う縦断側面図、第７図は同熱交換器の旋
回通路を示５ す説明図、第８，９図は同旋回通路の他
の実施例を示す説明図である。 １．２，３・・・・・・環状組立体、４，５，４’、５
’。 ４／Ｉ、 ５／／・・・・・・環状管板、６，６’、６
’仁・・・・・伝熱管、７ 、７’、 ？’仁・・・・
・内胴、ａ、ａ／、ａ／／・・・・・・外胴、９ ９ａ
〜９ ｇ 、 ９ ａ’−９ｇ’、９ ａ”〜９ｇ／′
・・・・・・仕切板、１０，１０′、１０″・・・・・
・旋回通路、１３，１４・・・・・・ダクト、１６，１
７・・・・・・ケーシング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 所定の距離を置いて対向する一対の環状管板と、両
   端部が同各管板に整列状態に設けられた多数の孔に嵌挿
   固定された多数の伝熱管と、両端部が同各管板の内周縁
   に固定された内胴と、両端部が同各管板の内周縁に固定
   された内胴と、両端部が同各管板の外周縁に固定された
   外胴と、同内外胴間の上記各伝熱管外を上記各管板の方
   向に延びた旋回通路に仕切る仕切板とにより、それぞれ
   が構成された複数個の環状組立体を同心円状に配設し、
   同各組立体の各伝熱管内を所定方向への管内流通路にす
   るケーシングを隣接する組立体の同じ側の管板間に設け
   、同各組立体の旋回通路内な所定方向への管外流通路に
   するダクｔｆ隣接する組立体の管板近くの内外胴間に設
   けたことな特徴とする熱交換器。