JPS6045357B2 - ヘリカルコイル型高温熱交換器 - Google Patents

ヘリカルコイル型高温熱交換器

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JPS6045357B2
JPS6045357B2 JP387778A JP387778A JPS6045357B2 JP S6045357 B2 JPS6045357 B2 JP S6045357B2 JP 387778 A JP387778 A JP 387778A JP 387778 A JP387778 A JP 387778A JP S6045357 B2 JPS6045357 B2 JP S6045357B2
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JP
Japan
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tube
shell
temperature
heat exchanger
helical coil
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JP387778A
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JPS5497859A (en
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康彦 上野
宣弘 鈴木
敦 中川西
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPS5497859A publication Critical patent/JPS5497859A/ja
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1669Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having an annular shape; the conduits being assembled around a central distribution tube
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration

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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、原子炉主冷却系に使用するヘリカルコイ
ル型高温熱交換器に関するものであり、たて形円柱状を
なすシェルの中心部軸方向に内筒管を配設し、内筒管の
周囲に多数本の伝熱管をヘリカルコイル状に巻回して配
設したヘリカルコイル型高温熱交換器の熱応力の問題の
改善を目的としている。
原子炉主冷却系に使用する中間熱交換器は、900℃
〜1000℃の超高温域で運転されるので、シェルと伝
熱管との熱膨張差並びに個々の構造部材自身の急激な温
度差等に原因する熱応力の問題の解決に難渋している。
それは中間熱交換器の安全’性並びに耐用寿命を左右す
るからである。 シェルと伝熱管との熱膨脹差に係る問
題に関し、たて形円柱状をなすシェルの中に伝熱管をヘ
リカルコイル状に巻回して配設し、そのコイルバネに相
当する弾力性て熱膨脹差の吸収を試みたのがヘリカルコ
イル型高温熱交換器である。しかし、いまだヘリカルコ
イル型高温熱交換器に当初期待したほどの特色は発揮さ
れていない。その理由は、ヘリカルコイル状に巻回され
る伝熱管群は、相互に干渉し合うことがないように支持
板に貫通させその間隔を保持されるが、その支持板はシ
ェル若しくはシェルの中心部軸方向(ヘリカルコイル状
伝熱管群の中心部)に配設した内筒管に固定されるため
、支持板と伝熱管との間の相対伸び差(熱膨脹差)が拘
束され、ヘリカルコイル状伝熱管のせつかくのコイルバ
ネ特性も生かされず、依然として伝熱管と管板との連結
部に大きな熱応力を生じ、安全性並びに耐用寿命のネッ
クになつているからである。
この発明は、ヘリカルコイル型高温熱交換器の特色を発
揮させるには、結局支持板とヘリカルコイル状伝熱管と
の相対伸び差を解消しなければならないことに着眼し、
たて形円柱状をなすシェルの中心部軸方向に内筒管を配
設し、内筒管の周囲に多数本の伝熱管をヘリカルコイル
状に巻回して成るヘリカルコイル型高温熱交換器におい
て、内筒管の上部をシェルに固定し下端を自由に懸垂さ
せると共に同内筒管の下端部に1次流体出口を設けて内
筒管全体を高温1次流体の入口ノズルに形成したこと、
他方上部をシェルに固定し下部を自由に懸垂させた前記
内筒管と同心の円柱状をなす内筒管の下端部に高温側管
板を設けてこれに伝熱管の下端を連結したこと、同伝熱
管の上端はシェル上部に形成した低温側管板に連結した
こと、又伝熱管群の支持板はその上端のみをシェルに固
定.して懸垂状態にし、該支持板にヘリカルコイル状伝
熱管を通して巻回し、伝熱管と支持板は下向きに自由に
同程度の熱膨脹を可能に構成したことを第1の要旨とし
、さらに高温域部分の伝熱管は直管状とし、それを管外
流体を通すガイドチューブ.で被覆し熱効率の向上を図
つたことをも要旨に包含するものである。
以下にこの発明を図示の実施例により説明する。
図中1はたて形円柱状をなす耐圧密閉容器構造クのシェ
ルである。
これは上部の低温側板管6並びに低温1次流体の出口ノ
ズル14のところを除き、外管1″並びにそれと同心で
相似形の上部内管1A1下部内管1Bとにより2重壁構
造として構成されている。そして各々の隙間2A,2B
へは、300℃〜400℃程度の低温流体が充満され、
外管「の冷却が行なわれるようになつている。即ち、下
側の隙間2Bへは、その下部の入口ノズル3Bから低温
1次流体が流入され、隙間2Bを上昇する間に内管1B
にまで達した1次流体の熱を奪つて冷却作用をし、上部
の出口ノズル3B″,3B″に達する。念のためにいえ
ば、出口ノズル3B″,3B″を出た低温1次流体は、
低温側板管6を)有する入口ノズルに導かれる。他方、
前記上側の隙間2Aへは、シェル1内の熱交換室12内
を上昇する間に熱交換により降温した低温2次流体が、
シェル1の上部内管1Aに設けられたノズル14から流
入され、同隙間2Aの上部に形成された出口ノズル1C
から出て原子炉へ向う。次に、図中4はヘリカルコイル
状に巻回して配設された伝熱管、5はヘリカルコイル状
に巻回された伝熱管群4の中心部であつてたて形円柱状
をなすシェル1の中心部軸方向に位置し1次流体の短絡
流を防ぐための内筒管である。
内筒管5は、その上部をシェル1と一体的に接合して固
定され、下部は自由な状態に懸垂されている。内筒管5
の内面には断熱材5″が内張りされ、高温流体が直接内
筒管5と接触しないように構成され、断熱材5″の内側
が流体通路13″に形成されていると共に、その下端部
に横向きの1次流体出口5a,5aが設けられ、さらに
同内筒管5の上端部は入口ノズル13に接続されて内筒
管5の全体(流体通路130が高温1次流体の入口ノズ
ルとして形成されている。次に、シェル1の内壁面であ
つて実質的には下部内管1Bによつて大部分を占められ
る高温域部の内面は、高温1次流体の高い温度がそのま
ま内管1B″並びに外管1″へ作用しないようにするた
め、断熱材11で内張りされている。
さらに、断熱材11の内側に、有底筒状でシェル1と同
心の円柱状をなす内壁管15が設置され、該内壁管5の
内側の空間が熱交換室12に形成されている。内壁管1
5は、その上端のフランジ部15″をシェル1と一体的
に接合して固定され、下部を自由な状態に懸垂されてい
る。有底筒状の内壁管15は、その下端の底部(水平面
部)を若干厚肉の高温側管板8に形成され、ここに前記
伝熱管4の下端が連結されている。次に内壁管15の下
部外面と、前記の如くシェル1の内壁面に内張りされた
断熱材11との間に設けられた若干大きい間隙は、高温
2次流体の滞留室16として形成されている。
この滞留室16に、伝熱管4を出た高温2次流体が流入
する。滞留室16は、前記内筒管5の下端部に設けられ
た1次流体出口5aと同等の高さまで形成され、その範
囲において内壁管15の内外面にほぼ同じ温度の1次流
体と2次流体が接触するようにされ、これにより内壁管
5の下部特に高温側管板8の肉厚方向に急激な温度勾配
を生じないようにされている。若干厚肉の高温側管板8
の肉厚方向に急激な温度勾配を生すると、過大な内部せ
ん断応力(熱応力)を生じて破損の要因となるからであ
る。滞留室16の上部に、高温2次流体の出口ノズル9
が設けられている。次に、図中10は伝熱管4の支持板
であり、これは、第1図Bに示す通り熱交換室12内に
放射状に等配されている。
支持板10は、その上端の支持腕1『を前記内壁管15
のフランジ部15″の上に載せて固定され、下端を自由
な状態に懸垂されている。伝熱管4は、この支持板10
に通してヘリカルコイル状に巻回され支持されている。
支持板10は、熱交換室12内の1次流体の温度が85
0〜900′Cに維持される高温域に届かない長さとさ
れ、低温域の範囲にだけ存在する構成とされ、必然伝熱
管4は低温域においてのみヘリカルコイル状に巻回され
ている。上述の次第て伝熱管4は高温域において直管状
とされている。
即ち、第3図に詳しく示している通り、下端を下方の高
温側管板8に連結された伝熱管4は、円筒管5の1次流
体出口5aから上方に一定の距離までの高温域において
直線状に垂直に立上げられ直管状とされている。この直
管状の部分は、1次流体を通すガイドチューブ18で被
覆されている。即ち、各伝熱管4と同心的配置でそれに
被覆したガイドチューブ18の上端は、第3図に詳細を
示す通り、前記高温域の上限位置に内壁管15と一体的
にフランジ状に形成された上部管寄せ17に固着されて
いる。又ガイドチューブ18の下端は、内筒管5の1次
流体出口5aの直上付近に位置する下部管寄せ17″に
固着されている。ただし下部管寄せ1『は、内筒管5及
び内壁管15に対し自由な関係とされ、故にガイドチュ
ーブ18の下向への熱膨脹は自由であるように構成され
ている。図中19,19″はスペーサである。伝熱管4
は、シェル1の上部に形成された低温側管板6へ連結さ
れている。
図中20は内壁管15の下部内面特に高温側管板8の内
面側へ内張りして断熱材であり、これは1次流体と2次
流体との温度差を是正し、内壁管15並びに高温側管板
8の内外面に接する1次流体と2次流体の温度を同じく
するためのものである。上記のヘリカルコイル型高温熱
交換器において、約980℃程度の高温1次流体は、入
口ノズル13から内壁管15の流体通路13″を通り1
次流体出口5aを経て熱交換室12内へ入る。
1次流体は、熱交換室12内を上昇する間に2次流体に
熱を与え、約400′Cに降温してのちにシェル上部の
出口ノズル14を出て、上記隙間2Aから出口ノズル1
4″を経て原子炉へ戻つてゆく。
他方、約300℃程度の2次流体は、シェル下部の入口
ノズル3Bから隙間2B内へ入り、シェル上部の出口ノ
ズル3B″,3B″を出てさらにシェル上部の低温側管
板6のところに至り、伝熱管4に分流して伝熱管4内を
下降する。伝熱管4内を下降する2次流体は、1次流体
と対向流の関係で熱を奪い約930℃に昇温して下方の
高温側管板8に至る。伝熱管4の下端を出た高温2次流
体は、一旦滞留室16に入り、それから若干上方の出口
ノズル9を経て外部へ流出する。上記のヘリカルコイル
型高温熱交換器は、伝熱管4、内筒管5、支持板10、
内壁管15、ガイドチューブ18はいずれも下向きの熱
膨脹が自由であるように構成されているから、各々の熱
膨脹を無理に拘束されることがなく、熱応力の発生は著
るしく低減てきるか場合によつては零にも等しくなる。
故にそれら個々の若しくは相互関係における熱応力に原
因する負荷の増大ないし破損を防ぐことができ、その分
安全性が格段に向上する。又、伝熱管4を出た高温1次
流体は一旦滞留室16に入り、内壁管15並びに高温側
管板8の内ノ外面に接する1次流体と高温2次流体とが
ほぼ同温度であるようにされているので、内壁管15及
び高温側管板8の肉厚方向の温度勾配を零に等しくでき
、その肉厚方向の内部せん断応力(熱応力)の被害を解
消し、安全性の向上が達成されている。さらに、伝熱管
4は高温域において直管状とされかつガイドチューブで
被覆され、1次流体はガイドチューブ18内を高速で流
れるようにされているので、熱伝達率が増大され、高い
熱効率を得られるのである。
【図面の簡単な説明】
第1図Aはこの発明のヘリカルコイル型高温熱交換器の
垂直断面図、第1図Bは第1図A(7)I−I断面図、
第2図は熱交換器下部の拡大詳細図、第3図は第1図A
の■部拡大図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 たて形円柱状をなすシェルの中心部軸方向に内筒管
    を配設し、内筒管の周囲に多数本の伝熱管をヘリカルコ
    イル状に巻回して配設して成るヘリカルコイル型高温熱
    交換器において、伝熱管は上部をシェルに固定され下部
    を自由な状態に懸垂された支持板に通してヘリカルコイ
    ル状に巻回され、内筒管はその上部をシェルに固定され
    下部を自由な状態に懸垂され、その下端部に横向きに1
    次流体出口が設けられ、内筒管が高温1次流体の入口ノ
    ズルとして形成されていると共に、熱交換室は、シェル
    と同心で上部をシェルに固定され下部を自由な状態に懸
    垂された円柱状の内壁管により形成され、その内壁管の
    下端部が高温側管板に形成され、該高温側管板に伝熱管
    の下端が連結されており、前記内壁管とシェルの内壁面
    に内張りされた断熱材との間に高温2次流体の滞留室が
    前記内筒管の下端部に設けられた1次流体出口と同等の
    高さまで形成され、該滞留室と連通する高温2次流体の
    出口ノズルがシェルの下部に設けられ、シェル上部に形
    成された低温側管板に伝熱管の上端が連結され、シェル
    上部に低温1次流体の出口ノズルが形成されていること
    を特徴とするヘリカルコイル型高温熱交換器。 2 伝熱管は、高温側板管と連結された下端から内筒管
    下端部の高温1次流体出口より上方に一定の距離の高温
    域において直管状とされ、該直管状の部分は1次流体を
    通すガイドチューブで被覆されていることを特徴とする
    第1項記載のヘリカルコイル型高温熱交換器。
JP387778A 1978-01-18 1978-01-18 ヘリカルコイル型高温熱交換器 Expired JPS6045357B2 (ja)

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JPS5497859A JPS5497859A (en) 1979-08-02
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