JPS6042292Y2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は管板部が改良された多管式熱交換器に関する
ものである。

近時、エネルギー節約の必要性から、熱交換器による熱
の有効利用の重要性が増大してきている。

これらに使用される熱交換器として最も多く使用される
ものは多管式熱交換器であるが、熱交換すべき２種の流
体間の温度差あるいは圧力差が大なる場合あるいは、特
に、その大型品を使用する必要がある場合の多管式熱交
換器には、まだ多くの技術的諸問題がある。

まず、添附の縦断面図によって説明する。

第１図はこの考案の熱交換器であり、第２図は通常の多
管式熱交換器を示す。

各図中において記号１は第１流体の入口であり、記号２
．２ａ、 ２ｂ、および２ｃは、第１流体の出口であ
り、出口は、それぞれ、管群５．管群５′あるいは管群
５および管群６によって連通している。

管群５が熱交換用の伝熱面を提供する。

記号３９３’！ ３ａｔ ３ａ’ｔ ３ｂ＊およ
び３ｂ′は、第２流体の入口であり、記号４．４’、４
ａ、４ａ’、４ｂおよび４ｂ’は、第２流体の出口であ
る。

管群５および管群５′の管外空間によってこれらの入口
と出口は連通している。

記号１０および１１は第１流体の導入管と導出管が、そ
れぞれ接続されるためのカバ一部分である。

記号９は第１流体が特別に高温である場合に、カバ一部
分１０および管板７あるいは管板７ｂが高温となり構成
材料の強度の低下することを防止するための断熱材であ
る。

第２図において、このような通常型の多管式熱交換器で
は使用状態において第１流体と第２流体との間に温度差
があるため、胴部８と管群５との間には熱膨張または収
縮の差があり、この熱膨張差の結果、管板７および管板
７と胴部８の接合部附近に応力が発生する。

この応力は第１流体と第２流体の温度差大なる場合ある
いは熱交換器が大型であって管群５の長さが大である場
合に、使用材料あるいは接合部の保有強度の見地から設
計に支障を生じる程度の大きさとなる。

更に、第１流体と第２流体との間に圧力差がある場合は
、第１流体と第２流体の温度および圧力の両状態の組合
せにより異なるが、圧力差による応力が前記の熱膨張差
による応力の上に重加され、第２流体の圧力が特に高い
場合など伸縮接手の使用が不可能であるため応力の大き
さ、方向および分布が複雑となり、その結果、管板７お
よび管板７と胴部８の接合部附近の構造を複雑化させ、
製作、点検、修理などの諸作業を困難煩雑にする。

また、例えば、第２図に示すように、断熱材９を内張す
することにより管板７の温度上昇による強度低下を防止
するか、あるいは管群の容管の入口部分と管板７を被覆
するフェルールを挿入する方法が実施されている。

これらの方法により、ある程度の効果は生じるが、前記
の多管式熱交換器の基本的問題の解決には不充分である
。

この考案は上記の基本的問題を解決する。

この考案を第１図によって説明する。

第１図において、部分記号の説明は既述の通りであるが
、理解を容易にするために、第１流体が第２流体よりも
高温であり、第２流体の圧力が第１流体の圧力よりも高
い場合について説明する。

この場合、最も高温の第１流体は入口１より管群６の管
内部に流入し、管群６の第１流体の入口の反対側の端部
より管群５の内部に入り、その一部は第２流体と熱交換
後、他の一部は出口２ｃより、また他の一部は管群５′
の内部に入り第２流体とさらに熱交換後、出口２ａより
流出する。

残部は管群６の容管と管群５の容管それぞれが形成する
二重管部の環状隙間を通過しつつ第２流体と熱交換後、
出口２ｂより流出する。

このように第１流体の流路が構成されることにより、 まず、第１点として第１図管板７ａの両側において、圧
力差は略々第１流体が管６および管６と管５よりなる二
重管部の環状隙間を通過する際の圧力損失に等しく僅か
なものとなり、さらに温度差は第１流体が管６と管５よ
りなる二重管部分を通過する際におこなった熱交換量に
見合う温度降下量に略々等しく、圧力差、温度差とも第
２図の場合に同一条件の第１および第２流体を通過させ
た場合の管板７の両側における圧力差および温度差に比
較しはるかに小となり、管板の肉厚を小とし、使用材料
あるいは製作手間の節減ができる。

第２点としては第１図における管板７ｂの両側において
圧力差は第２図の管板７の場合と略々等しいが、温度差
は管６と管５て構成される二重管の環状隙間を第１流体
が流れる際の熱交換量に見合った第１流体の温度降下量
分が小となり、管板７ｂの温度低下をもたらすため、管
板７ｂおよび管板７ｂと胴部８の接合部附近の使用材料
を第２図の管板７の場合に比較し、より高強度の状態で
使用することができ、結果として管板の肉厚を薄くして
柔構造とし、熱応力の発生を軽減し、併せて製作の手間
や使用材料の節減をすることができる。

上記第１点および第２図の効果は、前記第２図のような
通常の多管式熱交換器において２流体間にある温度差あ
るいは圧力差大なる場合に起る前記のような管板および
管板と胴部の接合部附近の設計上の困難を解決するため
には大きな効果を有する。

また、例えば、本例の場合管板７ａと管６の接合部は管
板の両側の圧力差が小でかつ同一流体が流れているため
、溶接構造を採用する必要性がなく、拡管加工でよい。

またさらに、第１図のようにカバ一部分１０の適当な個
所にフランジを設置することにより、点検、保守、修理
の際フランジ部において、カバ一部分１０、管板７ａｓ
管群６よりなる部分を熱交換器の本体部分から切離し、
諸作業を容易にすることが可能であり、第２図において
複雑な管板構造を有する公知の多管式熱交換器ではほと
んど不可能なことも、この考案により容易に実施できる
等の利点をも併せ持つものである。

またカバ一部分１１および中間部分１５のそれぞれの適
当な個所にもフランジを設置することができる。

本熱交換器の基本的な考え方は、温度、圧力が高く、温
度差および圧力差（特に温度および温度差）の大きい２
流体間に熱交換を行わせる場合、熱交換器を２つの部分
に分けて、第１の部分は温度および圧力に特に強い構造
とし、第１の部分によって温度を低下せしめて、それに
続く第２の部分は通常の構造が可能とし、全体としてコ
ストを最小に、性能を最大に発揮させる、という考え方
に基すいている。

即ち最初の部分は構造材質共に最高級のものとなるので
コストがかさむが、この部分で冷却される程度は、第２
の部分が耐えられる限りにおいて最小のものとし、大部
分の熱交換は第２の通常の構造材質の熱交換器にて行う
ようにするものである。

第１図において左側が特殊構造材質の第１の部分、右側
が通常の熱交換器の第２の部分である。

第１の熱交換器は入口部が二重管部であるので、流速制
限を守るために管を大きくする必要がある。

即ち一般の熱交換器に比べてチューブ配列が疎になる。

第２の熱交換器は一般の熱交換器並にチューブを密に配
列することができる。

従って第１の熱交換器の部分の伝熱面積は必要最小限と
して、第２の熱交換器にて効率のよい熱交換をさせるこ
とができる。

次にこのような高温ガスの熱交換器においてしばしば遭
遇するのは、ガスの汚れやプロセス条件の変化に応じて
、出口温度を所望の温度に一定に保つという必要である
。

このため通常行われる方法は第３図に示すような高温ガ
スのバイパスを設ける方法である。

即ち熱交換器の内部に弁を設け、それを外部から操作す
る方法である。

本考案においてはノズル２ｂ、２Ｃがこのバイパスを与
える。

即ちこれらの通路にはバイパス弁が設けられており、こ
れらの弁により全体のバイパス量および各々のバイパス
量が任意にコントロールできるのである。

本考案によって予め冷却されたガスは通常のガスより低
温となる上、バイパス弁が熱交換器の外部にあるので、
構造材質上経済的なものとなり、かつメンテナンスも容
易で、信頼性の高いものとなるのである。

以上説明したように本熱交換器は高温および高温度差、
高圧力および高圧力差に最も良く耐え、かつ経済的なも
のであり、また高温ガスの温度コントロールも容易なも
のである。

上記説明は、温度では第１流体が高（、圧力では第２流
体の方が高い場合の例についてのものであるが、この考
案の適用は二説明例に限られるものではなく、第１およ
び第２流体間にある圧力差が実質的にないが、温度差が
大なる場合、また第１流体と第２流体間の温度および圧
力の相対関係が上記例とは異なった条件にある場合にも
適用することができる。

さらに、この考案を実施するに当り管６と管５により形
成される二重管における環状隙間の形状を均一に保つた
めに、この隙間に例えば管６の外部に適当な大きさの突
起を適当な間隔で附属させるなどのような各種の手段を
使用することができるし、また、第１流体の圧力が第２
流体の圧力より高い場合に管群５が座屈することを防止
するため、第２流体の通路空間において管５と垂直方向
に適当な厚みと適当な相互間隔を有し、かつ大部分の孔
が管５によつり貫通された多孔支持板（通常、サポート
プレートと称される）を設置するなどの公知の方法を組
み込むことも可能である。

この考案において、管板７ａおよび７ｂの両側に生ずる
温度差は、管５の長さに対する二重管部の長さの比率を
変更する方法と、入口１より流入した第１流体の２ａお
よび２ｂ両流出口への分配比を変更する方法との両手段
により調節可能であり、第１流体および第２流体の温度
、圧力などの条件により適宜選択することができる。

さらに、この考案の大きな効果の一つとして、第１流体
と第２流体の間の温度差、圧力差に関する使用可能範囲
が通常型多管式熱交換器に比較し大巾に拡大できること
になったため、第１図における管群５，５′および６の
内部に適宜化学反応用の触媒を充填し、反応熱の供給や
除去を行なわせる反応器兼用の熱交換器として使用する
ことが挙げられる。

また、例えば、第１流体が高温または低温のため第１図
におけるカバ一部分１０あるいは管板７ａなどの高温ガ
スまたは低温流体に接触する部分に断熱材を内張りに腰
使用材料の温度上昇または低下による強度低下を防止す
ることができるなどの公知方法の適用も可能である。

この考案を応用して大きな効果を得る具体的応用例とし
ては、炭化水素の改質反応器から流出する高温ガスから
熱回収する廃熱ボイラーなどの熱交換器、液化天然ガス
、液体窒素などのような液化ガスを一方の流体とする熱
交換器、アンモニア合皮などの高圧反応器より流出する
液体用の熱交換器など数多くのものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案が実施された多管式熱交換器の縦断面
図であり、第２図は通常に使用されている多管式熱交換
器の縦断面図、第３図はバイパス弁を持った通常の熱交
換器断面図である。 １−−−−−−第１流体入口、２ｔ ２ａｖ ２ｂ、
２ｃ。 ・・・・・・第１流体出口、３ｔ ３’ｔ ３ａｔ
３ａ’ｔ ３ｂ、 ３ｂ’−−−−−−第２流体
入口、４． ４’、 ４ａｔ ４ａ’９ ４ ｂ、
４ｂ’、−−−−−−第２流体出口、５，５’−・
・・・・管群、６ ＊＊＊＊ｅ＊＊＊＊？、 ７ａ、
７ｂ？ １２？ １４．１４’・・・・・・管板、
８，８ａ、８ｂ・・・・・・胴部、９・・・・・・断熱
材、１０．１１・・・・・・カバ一部分、１５・・・・
・・中間部分。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 多管式熱交換器において、殻を形成するカバ一部分１０
   の側方部に第１流体人口１、該カバ一部分１０の下方部
   に第１流体出口２ｂがそれぞれ設けられ、該カバ一部分
   １０とともに殻を形成する胴部８ａの下方部に、第２流
   体人口３ａと３ａ’がそれぞれ間隔をもって設けられ、
   該胴部８ａ上方部に該第２流体人口３ａと３ａ’それぞ
   れに対応する第２流体出口４ａと４ａ’が設けられ、該
   第１流体入口１部分の殻の内面に断熱材９が内張すされ
   、殻の内部は該第１流体人口１側の端部が管板７ａに支
   持固定され該第１流体入口１の反対側端部には管群５の
   管内の中途部分で開口する管群６が設けられ、管群５が
   両端を管板７ｂおよび管板１２にそれぞれ支持固定され
   、該管群５は第１流体出口２ｂと第２流体入口３ａの間
   まで延長され、管板１２附近の中間部分１５の下方部に
   第１流体出口２ｃが設けられ、殻を形成する胴部８ｂの
   下方部は第２流体人口３ｂと３ｂ’がそれぞれ間隔をも
   って設けられ、該胴部８ｂの上方部は該第２流体入口３
   ｂと３ｂ’それぞれに対応する第２流体出口４ｂと４ｂ
   ’が設けられ、該胴部８ｂの内部は両端を管板１４と１
   ４′に支持固定された管群５′が設けられ、管板１４′
   附近の殻カバ一部分１１で形成され、該カバ一部分１１
   側方部に第１流体出口２ａが設けられ、該胴部８ａおよ
   び８ｂはそれぞれ管板１２および１４の附近にて該中間
   部分１５によって支持固定されたことを特徴とする熱交
   換器。