JPS609239B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は熱交換器に関し、特に外筒シェル内の胴側流
体の回流効率の向上と胴側流体による内部構造材の腐食
の防止とを同時に果す熱交換器の改良に関する。

外筒シェル内に両端を鏡板で支えられた伝熱管東を格納
し、シェル内に胸側流体を、伝熱管内に′管側流体を流
通せしめて両流体間の熱交換を行なう熱交換器において
、例えば竪型邪魔板を有するものでは第１０ａ図に示す
ように外筒シェル１の内壁面に沿って伝熱管東２の外周
を矢印Ａの如く胴側流体が回り込み、また横型邪魔板を
有するものでは第１０ｂ図に示すように外筒シェル１の
内壁と横型邪魔板４の側縁との間隙から矢印Ｂの如く胴
側流体が短絡して流れ、いずれにせよ伝熱管東２の各伝
熱管間隙に月岡側流体を効率良く回流せしめて熱交換効
率を向上させることに対して多大な制約となっていた。

前記横型邪魔板４を有するものは、第１０ａ図の竪型邪
魔板３を有するものに比べて、例えば横型邪魔板４の両
緑をシェル１の内壁に接触固定せしめることによって前
記短絡流の発生を無くすることができて胴側流体の管東
２との伝熱効率の低下が防止しやすいが、このようにす
るには伝熱管東およびその両端の鏡板等のシェル内構造
部を横型邪魔板を境にして上下二分割構造とし、下半分
の管東横造体をシェル内に組込んでのち横型邪魔板を取
付け、最後に上半分の管東横造体をシェル内に挿入固定
するという手順をとらなければならず、材料および組立
のコストの増加が避けられない。このような構造上の問
題点ばかりでなく、従来の熱交換器では伝熱管をステン
レス鋼やネパール黄鋼等の材料で構成しても胸側流体に
安価な海水を利用しようとすると管東端等の溶接残留応
力による応力腐食、伝熱管外面の孔食による腐食疲労な
ど、胴側流体による腐食が大きな問題点としてクローズ
アップされてくる。

この発明は、流体の蒸発、加熱、冷却、凝縮などの操作
に適用する熱交換器において、主として胴側流体に海水
などの液体を、管側流体に蒸気などのガス体を用いる場
合に好適な胴側流体回流効率の向上および腕側流体によ
る腐食の防止効果の達成を同時に果す熱交換器を提供す
ることを主目的としている。

すなわちこの発明の熱交換器においては、伝熱管東外周
のシェル内壁との間隙部位に、シェル内流体（８同側流
体）中の自然電位列がシェル内面および伝熱管東表面金
属に比べて卑な金属材からなる防食陽極バーを伝熱管長
さ方向に添談しておきｔ該陽極バーをシェルおよび伝熱
管東など内部金属構造体と緋流点にて導通せしめ、かく
して排流点にて電気的に接続された陽極バーと、シェル
内面および管東表面などの内部金属構造体表面との間に
胴側流体を介して防食電流を流し、同時に陽極バーによ
って前記間隙部位に突条体を形成せしめてシェル内壁に
沿って回り込む流れや短絡流の周回を防止するものであ
る。

このように本発明において用いる陽極バーは、前記の如
き防食電極としての機能ばかりでなく、第１０ａ図の矢
印Ａの流れや第１０ｂ図の矢印Ｂの流れを阻止し、これ
らの流線を伝熱管東内方へ指向させて伝熱管表面への胴
側流体の回流を効率良く行なわせる機能を合わせ持つも
のである。さらにもうひとつの効果は前記陽極バーをシ
ェルおよび伝熱管東など内部金属構造体と排流点にて導
通せしめる前に、陽極バーとシェルおよび伝熱管東等内
部金属構造体との間に耳同側流体中における伝熱管束の
不動態域電位を一定時間印加して少なくとも伝熱管東表
面に不動態被覆を形成し、その後前記電位の印加を断っ
てから陽極バーとシェルおよび伝熱管東など内部金属構
造体とを排流点にて電気的に接続するものであり、一層
の防食効果の向上が可能である。

海水は淡水に比べて腐食性が大きいが〜大量にしかも安
価に供給できるので工業用冷却水として利用範囲が大き
い。

本発明によればこの海水を腕側流体に利用しても熱交換
器のシェル内面、伝熱管東表面、仕切板、邪魔板などの
内部金属構造体の腐食を効果的に防止でき、長期にわた
って安定な作動を確保することができるものである。Ｂ
両側流体に海水を用いた場合、本発明における防食系の
回路内抵抗に対して特に管東の孔食ないし応力腐食割れ
を有効に防止するに充分な防食電流を得るため、例えば
シェルをＳＳ４１「管東をＳＵＳ３０山製としたとき陽
極バーは海水自然電位でＳＵＳ３０４よりも少なくとも
２００ｍＶ以上卑な金属材製のものとし、陽極バーの胴
側流体中での露出表面積は管東の露出表面積の１／２０
０以上とすることが望ましい。もっとも管束表面に予じ
め不動態被膜を形成する場合はこの表面積比は１／４０
０以上でも相当の防食効果が得られる。陽極バーは前述
のように防食電極としての機能と８同側流体の流れの方
向を規制する機能とを果さなければならないので、その
断面形状を適宜設計してシェル内壁に沿う周方向の流れ
を滑めらかに管東内方へ向けるようにし、同時に防食電
流による陽極作用によって表面から消耗しても功摸しな
いように長さ方向に連続した例えば鋼シートなどの芯金
を陽極金属材により包絡することにより形成することが
望ましく、これにより長期間にわたって回流規制と防食
作用との複合機能を効果的に果すものである。陽極バー
とシェル内面との間、および該バーとそれが貫通する支
持板や邪魔板貫通部は「バーに絶縁スリーブをはめるな
ど電気的に絶縁し、また前記排流点はバーが有効に防食
回路を形成する位層にて月岡側構成部材に設け、電気的
接続はバーの芯金との結線により行なうものとする。

この発明を実施例図面と共に詳述すれば以下の通りであ
る。

第１図は竪型邪魔板３を有する熱交換器の例を示す切欠
縦断面図で、１は一端が頭部カバー５で閉鎖された外筒
シェルであり、該シェルには８同側流体入口６と胴側流
体出口７とが設けられると共に内部には一方の鏡板８が
ヘッドカバー９で閉鎖されて遊動頭１０を構成した伝熱
管東２が挿入配置され、該管東２の他端の鏡板１１がシ
ェル１の開ロ端を閉鎖している。

すなわち伝熱管東２はその熱膨長による伸縮に対して遊
動頭１０側へ自由度をもっている。鏡板１１の伝熱管開
□端側には管側流体入口１２と同出口１３を有し内部に
仕切壁１４を持った端カバー１５が被せられ、かくして
図中破線矢印で示すように入口１２から管東２の下半分
の伝熱管、そして遊動頭１０内をめぐって上半分の伝熱
管を介し出口１３へ至る一連の管側流体流路が形成され
ている。腕側流体流路は図中実線矢印で示す如く入口６
からシェル内を上下に曲りくねって出口７へ至り、この
ために管東２には竪型邪魔板３が複数配置されている。
１６は遊動頭１０近くで管東２の怪方向位置を安定させ
るための支持板であり、この支持板１６は邪魔板３のよ
うな流路壁を構成するものではない。

これら支持板１６および邪魔板３は例えばＳＵＳ３０４
の如き管東２と同等材からなる金属板である。さて第２
図にも示すようにシェル１内の両サイド部においてシェ
ル内壁と管東２と外周部との間の間隙部位には防食陽極
バー１７が３本ずつ中間高さ位置にて管東２と同方向へ
添設され、管東外周の周回流を図中矢印の如く管東内方
へ指向せしめるようになされている。この陽極バー１７
はその両端が絶縁キャップ１８で被覆され、また支持板
１６および邪魔板３との交叉位置にも絶縁スリーブ１９
がかぶされてこれらと絶縁されており、シェル内部金属
構造体との電気的接続は最も有効な防食回路を形成する
位置に定められた排流点にてリード線２１により行なわ
れるようになされている。尚、第３図には邪魔板３の側
部における陽極バー挿通用孔部２０の様子が示されてお
り、支持板１９の側部にもこれと同様の孔部が設けられ
ていることは述べるまでもない。第４図および第５図に
は、横型邪魔板４を有する熱交換器の例が示され、第１
図および第２図と同一符号は同効部分を示している。

第４図および第５図において横型邪魔板４がシェルー内
を上下に二分しており、鏡板１１寄りに設けられた胴側
流体入口６と出口７間に遊動頭１０寄りを介して連絡す
る上下流路を構成し、従って且両側流体は殆んどの距離
を実線矢印で示すように伝熱管の長さ方向に沿って流れ
ることになる。

管側流体流路を画定する端部カバー１５は内部に一つの
仕切壁１４ａ，１４ｂを有し、またヘッドカバー９も中
央部分にひとつの仕切壁２２を有し、これらによって図
中破線矢印のような一連の管側流体流路を形成している
。この例において陽極バー１７は横型邪魔板４の両側縁
近傍に集中配設され、横型邪魔板４の両側緑のシェル内
壁との間隙に上又は下から流れようとする胴側流体の短
絡流を阻止し、この流線を第５図に矢印で示すように管
束内方へ指向させるものである。前記陽極バー１７は、
第６図に拡大して示すように長さ方向に連続した芯金２
３を陽極材料２４によって包絡してなり、この陽極材料
には、シェル１、管東２、邪魔板３又は４、支持板１６
などの内部金属構造体、特に伝熱管東２さらに望ましく
はそれに加えてシェルーと比べて、それらの胴側流体中
で自然電位列よりも卑な金属材を用いるものである。

例えば眼側流体が海水の場合、シェル内部金属構造体を
ＳＳ４１（海水中自然電位−５５０のＶ）やＳＵＳ３０
４（同じく一１００のＶ）などで構成するなら、陽極バ
ー１７の陽極材２４としてアルミニウム９５％、亜鉛５
％のＡＩ−Ｚｎ合金（同じく一９２０ｍＶ）が充分卑な
材料として使用可能である。陽極バーとしてはシェル内
部金属構造体に対して８同側流体中での自然電位が２０
０肌Ｖ以上卑であることが好ましく、またキャップ１８
やスリーブ１９で被覆される部分を除く８同側流体中で
の露出表面積は、防食対象のシェル内部金属構造体の腕
側流体中の露出表面積の１／２００以上であることが望
ましい。尚、第６図において陽極バー１７はその芯金２
３にリード線２１が結線され、このリード線２１の他端
は近傍の邪魔板３（又は支持板１６でもよい。

）に選ばれた貴Ｅ流点２５で電気的に接続されている。
このように陽極バー１７と排流点との接続をバーの芯金
２３により行なうことで、バーの陽極材２４が防食電流
による陽極作用によって表面から消耗しても、バーが長
さ方向に損して電気的に分断されるのを防止でき、また
切損片がシェル内流路中ないし出口７内管路中などに落
ち込むのも防止可能である。第９図は前記陽極バー１７
と伝熱管東２との胴側流体（海水）内露出表面積比（縦
軸）と、伝熱管東２の孔食発生時間（横髄）との実測結
果を示す線図であり、陽極バー１７を配置しない従釆例
では前記表面積比零の横軸上に白丸印で示すように１０
独特間で孔食が生じたのに対し、陽極バー１７を配設す
る本発明では黒丸印で示すように表面積比１／２００で
従釆の１ぴ音の１０００時間、同じく１／１００で５０
０加時間、１／５０で１０００脚時間まで孔食の発生は
見られなかった。

また同時に本発明では陽極バー１７が管東外周の周回流
を良く管東内方へ指向させ、従って熱交換効率が向上し
て腕側流体出口での海水温度が従来例の４チ○から５５
ｑｏに上昇したことも観測されている。第７図は陽極バ
ー１７を排流点に接続する前に予じめ管東表面等のシェ
ル内部金属構造体表面に不動態被覆を形成し、さらに防
食効果を高める場合を示す説明図で、陽極バー１７の芯
金２３と結線されたりード線２１はシェル１を絶縁封止
端子２６によって貫通して外部へ引出され、直流電源２
７およびスイッチ２８を経てシェル１に接続している。

すなわちこの場合勺系の使用前にスイッチ２８を閉じて
胴側流体中における管東２をはじめとするシェル内部金
属構造体にその材質等により定まる不動態城電位を印加
し、シェル内部金属構造体表面に酸化物塩などの不動態
被膜を形成させた後にスイッチ２８を関成し、系の電位
を不活性城に導びくためリード線２１を、シェルなどの
前記金属構造体へ、選ばれた位置の排流点にて接続し、
被防食系を不活性城電位にて供用するものである。例え
ば第８図には一般的なステンレス鋼の電位−ＰＨ平衡線
が示されているが、前記金属構造体がＳＵＳ３０４など
のステンレス鋼製の場合、胴側流体に海水を用いてこれ
をシェル内に満し、第７図のように外部へ導出したりー
ド線２１を介してシェル側が正電位となるようにシェル
と陽極バー間に例えば４斑時間程度にわたりＩＶ程度以
上の電圧を印加する（第８図１の操作）。これによって
シェル内面および構造的に該シェルと電気的に接続され
ている管東２や邪魔板３又は４などのステンレス製内部
金属構造体の表面に不動態被覆が形成され、その後第８
図の川こ示すように前記電圧印加を解除してから陽極バ
ー１７を排流点にて前記金属構造体と接続することによ
り被防食系の内部金属構造体表面の電位を不活性城にし
たうえで熱交換器としての用途に供するものである。こ
のような不動態被膜を形成することにより、管東の孔食
や応力腐食に対する防食効果が一層高まり、第９図中に
三角印で示したように同一条件の比較結果で前述表面積
比が１／４００でも従来法に比べて１針音の１０００時
まで孔食の発生が防止でき、少ない陽極面積で効果的な
防食効果をあげ得ることが明らかである。以上に述べた
ようにこの発明によれ‘ま竪型および横型いずれの邪魔
板をもつ熱交換器においてもシェル内部にて管東外周を
周回しようとする胴側流体の流れを陽極バーが効果的に
阻止してそれを管東内方へ指向させることができ、従っ
て伝熱すなわち熱交換効率の一層の改善が可能であると
共に、陽極バーがその芯金によって保持されるので長期
間にわたる効果的な防食機能が果されるなど、熱交換器
、特に胴側流体として海水など腐食性の高い流体を用い
る熱交換器に利用して熱交換効率の向上と防食性の同上
を同時に達成できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る熱交換器の切欠縦断
面図、第２図は第１図０ーロ線矢視断面図、第３図は竪
型邪魔板の部分構造を示す部分端面図、第４図は別の実
施例に係る熱交換器の切欠縦断面図、第５図は第４図Ｖ
−Ｖ線矢視断面図、第６図は防食陽極バーの部分拡大斜
視図、第７図は不動態被膜形成法を説明するための結線
図を含む拡大部分断面図、第８図はステンレス鋼管東面
の電位−ｐＨ平衡線図。 第９図は陽極バー対伝熱管東露出表面積比と孔食発生時
間との実測結果を示すグラフ、第１０ａ図および第１０
ｂ図は従来の熱交換器の横断面図である。１：外筒シェ
ル、２：伝熱管東、３：竪型邪魔板、４：横型邪魔板、
５：頭部カバー、６：胴側流体入口、７：胴側流体出口
、８，１１：鏡板、９：ヘッドカバー、１０：遊動頭、
１２：管側流体入口、１３：管側流体出口、１４，１４
ａ，１４ｂ，２２：仕切壁、１５：端部カバー、１６：
支持板、１７：防食陽極バー、１８：絶縁キャップ、１
９：絶縁スリーブ、２０：バー挿通用孔部、２１：ＩＪ
「ド線、２３：芯金、２４：陽極材、２５：排流点、２
６：絶縁封止端子、２７：直流電源、２８：スイッチ。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図ａ 第１０図ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 伝熱管束が外筒シエル内に配置された各伝熱管内に
   流れる流体と外筒シエル内を流れる流体との間で熱交換
   を行なうようになされた熱交換器において、陽極材料の
   胴側流体中での自然電位がシエル内部金属構造体に対し
   ２００ｍＶ以上卑であり、かつ陽極バーの露出表面積が
   シエル内部の金属構造体の胴側流体中の露出表面の１／
   ４００〜１／５０となるように長さ方向に連続した芯金
   に陽極材料を包絡した複数の陽極バーを伝熱管束外周と
   シエル内壁との間隙部位であってシエル内壁の両側に管
   束と同方向へ添設したことを特徴とする熱交換器。 ２ 上記熱交換器の伝熱管束の表面に予め不動態被膜を
   形成しない場合であって、陽極バーの露出表面積がシエ
   ル内部の金属構造体の胴側流体中の露出表面積の１／２
   ００〜１／５０であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の熱交換器。 ３ 上記長さ方向に連続した芯金に陽極材料を包絡した
   陽極バーの断面形状をシエル内壁に沿う周方向の流れを
   滑らかに管束内方へ向けるような形状にしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の熱交換器。