JPS60171387A - 換熱式熱交換器 - 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 本発明の温度約７００℃以上におけるガス対ガス熱交換
のための換熱式熱交換器（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｉｖｅｈ
ｅａｔ　ｅＸｃｌｌａｎ（ｌｅｒ）に関する。本明細書
において、ガスと蒸気間の熱交換は用ｉｎガス対ガス熱
交換並びにガスとガスとの間の熱交換の範囲内に含まれ
る。本発明は詳細には、頂部端及び下部端においてそれ
ぞれの端によって閉じられている垂直に延びている鋼製
のシェルを有している耐火物を裏張りした容器（ｖｅｓ
ｓｅｌ　）であって、該容器内の空間がそれぞれ頂部チ
ャンバと底部端チャンバに分割されでいる容器と、開孔
を有する頂部及び底部耐火プレート間にある熱交換チャ
ンバーとを具備しており、該喘チャンバーが該プレート
の間に延びている耐火セラミック材料の実質的に垂直な
複数の管によって連結され′Ｃいる熱交換器に関する。

従来の技術及び発明が解決しようとする問題点非常に高
い温度におけるカス対ガス熱交換のための熱交換器は例
えば高炉技術から公知である。

復熱型（ｒｅｇｅｎｅｒａｔ　ｉｖｅ　）の熱交換器が
使用されでおり、これでは排気ガスから出る熱がセラミ
ック材料内に貯えられ、そして高炉操業用燃焼空気が次
にこのレラミック材料を通過することによつＣ予熱され
る。熱風炉又は「カラパー（ｃｏｗｐｅｒ　）　」と呼
ばれるこのような交換器は非常に高い投資費用を必要と
し、この理由のため復熱型ではなく温度約７００℃で換
熱式熱交換器としＣ操作されることができるガス対ガス
熱交換器が博々求められていた。７００℃乃至１２５０
℃程度の温度において、金属は熱交換器用の構造材料と
して適しておらず、従ってこの温度範囲ではセラミック
材料の復熱式の熱交換器に常に頼ってきた。

英国特許△−１１０００３６は上記の最初の章に述べた
如き熱交換器について記述している。この換熱式熱交換
器は多数の直立セラミック管を有してあり、これを通っ
て高温燃焼ガスが下方に送られて、管の間を下方に通過
する加圧された空気を加熱する。導管は多数の相互に連
結された部分内にある。管は半球形（ｄｏｍｅｄ　）端
部を右しＣいる容器内で頂部及び底部プレートに取付け
られている。管の上部端は頂部プレートにシールされて
いるが頂部プレートを通り移動することができ加熱及び
冷却の際の熱膨張差を許容する。

本発明は熱交換ガス間に著しい圧力差があるときでも温
度範囲７００℃乃至１２５０℃でガス対ガス熱交換に適
している換熱式熱交換器のための構造体を提供する目的
を有し“Ｃいる。

問題点を解決するための手段 本発明は、熱交換器媒体の第１の媒体のそれぞれ供給及
び排出のための連結部（ｃｏｎｎｅｃｔ　ｉｏｎ　）が
該端部に設けられており、該鋼製シェルの１方側に垂直
及び周辺の双方に延びている領域に亘り分布さた第２の
熱交換媒体の供給のための複数の連結部があり、そし′
（鋼製シェルの他方の側にまた垂直及び周辺の双方に延
びている領域上に分布された第２の媒体の排出のための
複数の連結部があり、第２の媒体の供給及び排出のため
の連結部がそれぞれのマニホールドを経Ｃそれぞれ主供
給及び排出導管に連結され−Ｃいることからなる。

水平断面において、＃ｌｉＩ製シェルは好ましくは円形
であるが、正方形又は長方形の如き他の形状を有するこ
とができる。両端部は半球形ひあるが、例えば高炉及び
カラバー熱風炉（ｃｏｗｐｅｒｓｔｏｖｅｓ　）ぐ知ら
れている如き平らな底部端が好ましいこともある。

本発明の熱交換器の構造は双方のガスが既に温度約７Ｃ
）０℃以上である２つのガス間の熱交換に特に適してい
る。例えば、熱交換媒体の１方が温度約１２２５℃から
約９３０℃に冷却し、これによって他方の熱交換媒体に
その温度約７００℃から約ｉ　ｏｏｏ℃に上昇するため
熱を伝えることができる。最高圧力を有する熱交換媒体
は好ましくはこの場合には垂直な管を通過させる。

しかし乍ら、多くの場合に装置は２つのガス間で熱交換
のために必要とされ、この場合低い温度は例えば１５０
℃乃至３５０℃程度で、非常に低い。その場合には、直
列に連結された複数の熱交換器より成っている熱交換器
システムが好ましく、これでは高温レベルにおける熱交
換は上記°の如き本発明の熱交換器で行ない、一方各他
の熱交換器は金属型式でよい。温度８００℃乃至９００
℃まひのガス対ガス熱交換のための金属熱交換器は当業
者に入手可能Ｃある。従つ（このような金属熱交換器の
構造をより詳細に論述する必要はない。

耐火セラミック管は市場で入手可能であるが、通常制限
された長さである。この理由のため、しかしまた管の異
なる熱膨張を許容するため、熱交換器の管はレクション
に作られており、且つ頂部プレー１−を通り延びており
、−六相対的垂直運動を許容する手段によって実質的に
頂部プレートにシールされるのが推奨される。最近の耐
火設備ひはこのような膨張能力の組み入れは周知の技術
であり、そしＣ使用されるセラミック要素の寸法の精度
及び互に相対的にこれ等が移動する間隙は適切なよいガ
スしまりばめが得られるのに充分である。

この寸法の精度は、管に対する開孔を有している１又は
それ以上の横の仕切り板又は支持フロワーを端部プレー
ト間に組み入れることによって、熱交換器の大きな実施
態様に特に細い管を使用するときより改良されることが
できる。管は垂直に配置されるので、これ等はそれ等の
自重により曲がる傾向は少ない。しかし乍ら、第２の熱
交換媒体の横の流れの影響を補償するため、仕切板が１
又はそれ以上の高さにおいで側部で管を支持することが
ひきる。

本発明の熱交換器は鋼製シェル内Ｃ第２の熱交換媒体の
流れの良い分布を達成することがＣ゛きるのぐ、垂直管
の周りにこの第２の熱交換媒体の最も効果的な可能な流
れがある。この目的のため第２の交換媒体の供給及び排
出のための連結部は各々の場合に鋼製シェルの表面上に
亘り垂直及び周辺に分布される。好ましくはマニホール
ドの各々は１方側の中心点に主供給又は排出導管を連結
し、そして他方側にセグメントの長さに沿って間隔をへ
た一Ｃた点に配置された支管を経て第２の媒体の供給又
は排出のための該連結部に連結されたリングセグメント
を具備している。このｌｌ３１は高炉構造体の熱風用リ
ング導管に多少類似性を有しているが、その適用はこれ
とは全く異なっている。

熱交換器の構造的形状及び連結部の位置によって、マニ
ホールドにおける直径及びその直径の分布は管に伝わる
最適の熱が得られるように適切に選択されることができ
る。

鋼製シェル及び底部端の耐火ライニングはこれがカラパ
ー（ｃｏｗｐｅｒ　）の技術と類似の技術を必要とする
ので、いかなる特殊な技術問題も提起されない。しかし
乍らこのような問題は頂部端の耐火ライニングによって
隼することがある。このための適切な構造は上部端が上
方に半球状（ｄｏｍｅ　）であり、そし−Ｃ＃記銅鋼製
シェル半径方向外方へのその周辺部を有しＣおり、上部
端が耐火ライニングを有し−Ｃおり、これは鋼製シェル
の最内部ライニング層の半径方向外方のそのベースに支
持されている自己支持ドームである。この種の自己支持
ドームはそれ自身公知である。この構造は鋼製シェルの
ライニングの最内部層におけるいがなる熱膨服も頂部端
内の半球状の構造の支持に影響を与えないという効果を
有している。

垂直管がその間に延びている頂部プレー１〜及び底部プ
レートの安定が重要である。これ等のプレートは関連す
る温度範囲においてそれ等の自重又は管の重量によって
影響されてはならない。され等のプレートはこの目的の
ため僅かに凸状に作られるへきであることが考えられら
るが、本発明によって提起されている如く、頂部プレー
ト及び底部プレー１〜が耐火材料によって上部側及び下
部側の双方において外方Ｃ裏張りされた金属ボックスを
具備していて、ボックスの内部が冷却液の流れのための
通路を形成するようにすればより大きい安全性を得られ
ることができる。熱交換器が２つ又はそれ以上の直列に
接続された熱交換器を有していて、その中に比較的冷た
いガスがその直列熱交換器の最も冷たい端に導入される
システムの１部を形成していれば、この冷たいガスは頂
部プレーｉ〜及び底部プレー１−のための冷却液として
使用されることができる。

添付図面を参照して、限定しない実施例により本発明の
好ましい実施態様を説明する。

実　施　例 本発明を具体化しているガス対ガス熱交換のための熱交
換器が第１図及び第２図に示されており、これでは垂直
な軸線を有する円筒状の銅製シェル又はジャケラｈ　２
はその頂部及び底部端において外方へ半球形に作られた
１！ｉ製端部３及び４によつ’Ｕ　ｒＪ］じられＣいる
。第１の熱交換媒体は供給ライン５から底部端４におけ
る連結部を通り導入され、そしにの媒体は排出連結部６
を経−Ｃ頂部端３を去る。頂部端３は円筒状のシェル２
の周辺よりも更に半径方向外方に配置されＣその周辺に
延びＣいる形状を有している。付いた転位片（ｔ＋’ａ
ｎｓｔ　−ｔｉｏｎａｌ　ｐｅｉｃｅ）　７が頂部端３
を円筒状のシェル２に連結するのに役立っている。

第２の熱交換媒体は供給導管８を経−Ｃリングセグメン
ト９内に導入され、リングセグメント９は中心点におい
て１方側で供給導管８に結合している。複数の支管１０
．１１及び１２は他方の側（内側）にセグメント９に沿
って間隔をへたてられている。連結部（ｃｏｎｎｅｔ　
ｉｏｎ　）によって、これ等が媒体を円筒状の容器２内
に入れ、従って第２の熱交換媒体は図示の場合ではシェ
ル２０垂直及び周辺に延びている領域に分布された合計
１２の入口開口を通っていくつかのレベルで導入される
。

類似の、且つ対称的な方法で第２の熱交換媒体は容器か
ら連結部を経て垂直に、且つ水平に間隔をへだてた支管
１５．１６．１７内へ、従ってリング導管セグメント１
４及び排出管１３内へ排出される。

第４図を参照して説明すると、頂部及び底部端３及び４
の内側に開放チャンバ１８及び１９があり、これ等は頂
部プレート２０及び底部プレート２１によって円筒状の
シェル２内のチャンバーから分離されている。チャンバ
ー１８及び１９はセットの管２４によって一緒に連結さ
れており、その中明確化のために４つのみがこの図に示
されている。管２４は底部プレート２１の開孔内で底部
プレート上に支持されており、そしてそれに固定されて
おり、一方これ等の管２４は膨張差に対するいくらかの
公差をもつＣ頂部プレートの開口を通り突出しＣいる。

第２の熱交換媒体の横の流れの影響により管２４の歪み
を防ぐため水平に支持れている仕切板又はフロワー２２
及び２３が頂部プレートと底部プレートとの間の中間に
設けられでおり、フロワー２２．２３は管２４がその中
で移動できる開孔を有している。

鋼製シェル２、頂部端３及び底部端４は断熱耐火材料２
５．２６．２７の層ですべて裏張りされている。対応す
る方法で、導管５．６及び８乃至１７は公知ぐある方法
で耐火材利く図示せず）により裏張りされでいる。

セラミック管２４は、図示された場合では、高品質の耐
火材料、例えばシリコンカーバイドから作ら（いる。こ
の材料の管は種々の長さで入手可能ｒる。大きな設備の
場合には長い管の製造の代りに管２４はいくらかの膨張
がある時には相対的に移動できる部分から組立てられな
ければならないが、しかしこれはガス−気密に影響を与
えることなく配置されなければならないことがある環境
では推奨されることができる。第５図はこれに関連して
、どのようにし°Ｃ管２４の２つの部分　２８．２９が
ガス−気密を維持しながら相互に嵌合ぐきるかを拡大尺
度Ｃ示しくいる。

第６図は頂部プレート２０の構造の１部分を拡大尺度で
断面で示し°Ｃいる。原則的にはこのプレートはボック
ス形状のボディ３０より成っており、その内部空間は冷
却液のための供給及び排出導管３１に連結されている。

ボックス形状のボディ３０は耐火材料３２の層によって
上部及び底部上をおおわれている。この構造によって頂
部プレート及び下部プレートに対して冷却された剛性の
構造体が得られ、これひはそれでも断熱耐火ライニング
３２の層は冷却液が熱交換器の効率に不必要な好ましく
ない影響を石しないように保証ツる。

第１図、第２図、第４図、第５図及び第６図によるセラ
ミック熱交換器１が設備の１部分を形成してい−Ｃ１こ
の中ぐガスが７００℃よりかなり低い温度まで冷却され
なければならないか、又は７００℃よりも低いガスが加
熱されなければならないとき、第３図が２つの金属熱交
換器３３及び３４と一緒に熱交換器１の可能な直列回路
を示している。この直列回路はまた、この見地におい゛
Ｃ１本発明の実施態様である。図解のため多数の温度及
び圧力が２つの熱交換器媒体に対して、この図上に指示
された。点Ａにおいて温度１２２３℃及び圧力１．７７
ａｔｍのガスがセラミック熱交換器１に導入され、そし
て左から右え３つ熱交換器を通り移動後、点已において
３５１℃の温度で排出される。初温度１３２℃及び過圧
力フ、４４ａｔｍを有する冷いガスが０点において熱交
換器３４に供給され、最後にＤ点において温度１００５
℃ぐ設備を去るように３つの熱交換器を通り向流でジグ
ザクに流れる。図示の圧力及び温度は純然たる例示のた
めであって、それ自身重要ではない。この図は非常に広
い温度範囲内のガス間の熱交換実施の可能性を例示して
おり、最高温度レベルにおける熱交換が本発明による第
１図の新前交換器で行なわれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化している熱交換器を側面図で概
略的に示している、 第２図は第１図の熱交換器の頂部図ぐある、第３図は本
発明を具体化しＣいる熱交換器を含んＣいる一連の熱交
換器のための概略的回路ひある、 第４図は第１図の熱交換器を長手方向断面Ｃ概略的に示
しでいる、 第５図は第１図の熱交換器の垂直管の断面詳細を示して
いる、 第６図は第１図の熱交換器の冷却された頂部プレートの
詳細を示している。 ２・・・鋼製シェル又はジャケット ３・・・頂部端 ４・・・底部端 ８・・・供給導管 ９・・・リングセグメント １０．１１．１２・・・支管 １３・・・排出管 １５．１６．１７・・・支管 ２０・・・頂部プレー１〜 ２１・・・底部プレート ２４・・・管 ２５．２６．２７・・・断熱耐火材料 ３０・・・ボディ ３３．３４・・・金属熱交換器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、それぞれの端部（３，４）によって頂部及び底部端
   で閉じられている垂直に延びている鋼製シェル（２）を
   有している耐火物を裏張りした容器であって該容器内の
   空間が開孔を有す、る頂部耐火プレート及び開孔を有す
   る底部耐火プレート（２０，，２１＞によってそれぞれ
   頂部端チャンバー及び底部端チャンバ−（１８，１９＞
   及びその間にある熱交換チャンバーに分割された該容器
   を具備しており、該端チャンバー（，１８，１９＞が該
   プレー１〜間に延びている耐火セラミック材料の複数の
   実質的に垂直な管（２４）によって連結されている温度
   約７００℃以上においてガス対ガス熱交換するための換
   熱式熱交換器において、熱交換媒体の第１の媒体のそれ
   ぞれの供給及び排出のための連結部（５，６＞が該端（
   ３，４）に設けられており、該鋼製シェルの１方側に垂
   直及び周辺の双方に延びている領域に亘り分布された熱
   交換媒体の該第２の媒体の供給のための複数の連結部（
   １０）があり、該鋼製シェルの他方の側に垂直及び周辺
   の双方に延びている領域に亘り分布された該第２の媒体
   の排出のための複数の連絡部（１５）があり、該第２の
   媒体の供給及び排出のための該連結部（１０，１５＞が
   それぞれのマニホールド（９，１４）を経てそれぞれ主
   供給及び排出導管（８，１３＞に連結されていることを
   特徴とする熱交換器。 ２、該垂直な管（２４〉が各々複数の部分（２８゜２９
   ）で形成されており、且つ該頂部プレート（２０）の開
   口を通り延びていて、実質的に該頂部プレートにシール
   されているが、異なる熱膨張の際にそれに対して相対的
   移動が可能である特許請求の範囲第１項記載の熱交換器
   。 ３、導管（２４）が通過し、且つ導管（２４）を側部で
   支持している開口を有している該端部プレート（２０，
   ２１＞間に配置された少くとも１つの横の仕切板（２２
   ，２３）を有している特許請求の範囲第１項又は第２項
   記載の熱交換器。 ４、該マニホールド（’９．１４）の各々が一方側の中
   心点において主供給又は排出導管に連結され、且つ他方
   側で該セグメント（９，１４＞の長さに沿って間隔をへ
   たでた点に配置された支管を経て該第２の媒体の供給又
   は排出のための該連結部（１０，１５＞に連結されたリ
   ングセグメントを具備している特許請求の範囲第１〜３
   項のいづれか１つの項に記載の熱交換器。 ５、該上部端（３）が外方に半球形になっており、且つ
   その周辺においＣ該鋼製シェル（２）の半径方向外方に
   延び（−おり、該上部端が耐火ライニングを有しており
   、該耐火ライニーングが該鋼製シェルの最内方ライニン
   グの半径方向外方でそのベースに支持された自己支持ド
   ームである特許請求の範囲第１〜４項のいづれか１つの
   項に記載の熱交換器。 ６、該頂部プレート及び該底部プレート（２０゜２１）
   が耐火材料（３２）によって上部側及び下部側の双方に
   おいて外部を裏張りされた金属ボックス（３０）を具備
   していで、該ボックスの内部が冷却液の流れのための通
   路を形成している特許請求の範囲第１〜５項のいづれか
   １つの項に記載の熱交換器。 ７、直列に接続された複数の熱交換器を有している熱交
   換器システムにおいて、 最高温度で熱交換が行なわれる熱交換器（１）が特許請
   求の範囲第１〜６項のいづれか１つの項の熱交換器であ
   ることを特徴とする熱交換システム。 ８、熱交換が最高温度で行なわれる熱交換器以外の熱交
   換器（３３，３４）が金属でできている特許請求の範囲
   第７項記載の熱交換システム。