JPS61285397A - セラミツクス製熱交換器 - Google Patents

セラミツクス製熱交換器

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Publication number
JPS61285397A
JPS61285397A JP60125990A JP12599085A JPS61285397A JP S61285397 A JPS61285397 A JP S61285397A JP 60125990 A JP60125990 A JP 60125990A JP 12599085 A JP12599085 A JP 12599085A JP S61285397 A JPS61285397 A JP S61285397A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tube
heat exchanger
heat transfer
tubes
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
JP60125990A
Other languages
English (en)
Inventor
Ryuichi Sugita
杉田 隆一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Power Ltd
Original Assignee
Babcock Hitachi KK
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Filing date
Publication date
Application filed by Babcock Hitachi KK filed Critical Babcock Hitachi KK
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Publication of JPS61285397A publication Critical patent/JPS61285397A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
    • 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
    • F28D7/10Heat-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 one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/12Heat-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 one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、セラミックス製熱交換器に関し、特に高温用
熱交換器に好適なセラミックス製熱交換器に関するもの
である。
〔発明の背景〕
セラミックス材料は、耐熱性及び耐摩耗性が−般に金属
よりすぐれているため、セラミックス自体の研究とあい
まって、セラミックス製熱交換器の開発研究が積極的に
進められており、特に高温用熱交換器として利用される
分野が広がってきている。
第4図は、セラミックスの応力と歪の特性を金属のそれ
と比較した応力−歪線図であるが、この図で明らかなよ
うに歪の小さいところでは、セラミックスは金属よりも
大きな力に耐えるが、金属が破断する歪の限界の1/4
から1/3程度の歪で破壊するという、いわゆる脆い特
性をもっている。したがって、セラミックスを温度差の
大きい条件下で使用する場合には、熱膨張係数の小さい
材料を使用して熱による伸縮を小さくするか、または伸
縮しても歪の発生を少なくすることが重要であり、これ
がセラミックス製熱交換器設計上の要点となる。
第5図は、鉄鋼加熱炉の廃ガス熱回収装置として開発が
進められているセラミックス製熱交換器の概略図、第6
図は、第5図に示すセラミックス製熱交換器の上部ケー
シング部分の拡大図である(旭硝子技術資料から引用)
。第5図、第6図において、セラミックス製Uベンドチ
ューブ10は、熱膨張係数の小さいβ−コーディエライ
トが使用されており、図示しない鉄鋼加熱炉の煙道天井
11と下部転換ボックス12との間に、支持板13によ
って支持されて配設されている。
冷風は冷風入口1から入り、Uベンドチューブ10を通
過する過程において高温の廃ガスから熱を奪うため、冷
風の温度は上昇し熱風出口2から出る。このような構成
においてUベンドチューブ10に熱歪を発生させないよ
うにするため、次の対策がなされている。
Uベンドチューブ10の一端18が冷風上部ケーシング
20内においてエキスパンション22により、またUベ
ンドチューブ10の他端19が熱風上部ケーシング21
内においてコロ機構23により、それぞれ支持されてい
る。エキスパンション22は、UベンドチューブlOの
軸方向の熱膨張による伸びを吸収するものであり、コロ
機構23は、廃ガスの流れる方向24に対するUベンド
チューブ10の熱膨張による伸びを吸収するものである
しかし、上記対策のため、上部ケーシング20及び21
の部分の構造が複雑になりコスト高となること、及び上
部ケーシング20.21の部分が寸法的に大きくなるた
め、複数のUベンドチューブを並設する必要がある場合
には空間を大きくとられるので、空間利用効率が悪くな
ること等の問題点があった。
第7図は、米国のE P RI (Electric 
PowerResearch I n5titute)
で開発が進められているガスタービン用セラミックス製
熱交換器の概要を示す平面図であって、セラミックスl
1lUベンドチユーブ10には、熱膨張係数の小さい炭
化けい素が用いられている。複数個のUベンドチューブ
10は層状に並設し、入口側直線部10iの端末は管寄
せ25において、また出口側直線部10dの端末は管寄
せ26において、それぞれ集束するように構成されてい
る。この熱交換器は、Uベンドチューブ10を高温雰囲
気中に位置させ、管寄せ25.26を固定して設置する
。流体は管寄せ25から入り、複数のUベンドチューブ
10の管壁を介して前記高温雰囲気から熱を奪い、温度
が上昇し高温流体となって管寄せ26から出る。Uベン
ドチューブ10内部を通過する流体は次第にその温度が
上昇するため、入口側直線部10iの伸びと出口側直線
部10dとの間には温度差による伸び差が生じ、管寄せ
25.26が固定されているので、熱歪が吸収される余
地がなく、ついに熱破壊するに至る。特にUベンドチュ
ーブの場合、寸法が長くなるほど上記の温度差も大きく
なり、破壊に対する安全上、チューブの長さを制限せざ
るを得す、熱交換効率のよい高温用熱交換器を設計する
上で不利となる。またUベンドチューブを使用した熱交
換器において、部分的に金属チューブを接合して使用す
る必要がある場合も考えられるが、金属とセラミックス
の熱膨張係数の差が大きいため、このような熱交換器の
製作は不可能である。
上述のとおり、セラミックス製熱交換器の開発研究は積
極的に進められ、試作品も種々あるが、まだ満足できる
ものがないのが現状である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、セラミックスチューブに発生する熱歪
を少なくすることができるセラミックス製熱交換器を提
供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、上記目的を達成するために、内管と外管とか
ら成る複合管構造とし、内管の一端から入った流体を内
管の他端から外管へ導き、外管を通って出ていくように
なされた。またはその逆に流体を外管から内管へ流すよ
うになされたセラミックス製熱交換器である。
〔発明の実施例〕
第一1図(a)は1本発明によるセラミックス製熱交換
器の一実施例で鉄鋼加熱炉用のものであって、セラミッ
クス製外部伝熱管3とセラミックス製内部伝熱管4との
複合管構造から成る熱交換器を加熱炉ケーシング7内に
取付けた状態を示す図である。
流体は、内部伝熱管4の一端冷風人口1から入り、内部
伝熱管4の他端を経由し、外部伝熱管3の閉鎖端におい
て方向転換し、内部伝熱管4と外部伝熱管3との間隙1
4において形成した通路を通過して、外部伝熱管3の上
部側面に設けた熱風出口2から出る。内部伝熱管4と外
部伝熱管3の上端及び外部伝熱管3のケーシング7を貫
通する部分は、それぞれセラミックスファイバ6とシー
ルブロック5とによって密封されている。
以上のように構成したセラミックス製熱交換器において
、冷風入口1から入った冷風は、内部伝熱管4内を通過
する過程では内部伝熱管4の管壁を介して外部伝熱管3
の温風から熱を奪い、また外部伝熱管3の底部において
風が方向転換して後、間隙14を通過する過程では、外
部伝熱管3の管壁を介して外部伝熱管3、ケーシング7
内の高温気体から熱を奪いつつ次第に温度が上昇し熱風
出口2から出る。
この熱交換器において、冷風入口1から入って次第に温
度が上昇する流体に接している内部伝熱管4と、常時高
温ガスに接している外部伝熱管3との間には温度差が存
在するから伸び差が生ずるが、内部伝熱管4と外部伝熱
管3とはそれぞれ自由に第1図(a)において下方に伸
びるようになっているので、互いに拘束されることはな
く、内部伝熱管4、および外部伝熱管3に歪を生ずるこ
とがない、したがって、内部伝熱管4と外部伝熱管3に
対し熱膨張係数の小さいβ−コーディエライト等の特殊
なセラミックスを使用する必要もなく、セラミックスチ
ューブが破壊することもない。
次に内部伝熱管の一部に金属管を接合して使用する必要
のある場合においては、第1図(b)に示すように上部
管4uを金属製チューブ、下部管4Qをセラミックス製
チューブとし中間をジゴイント15にて接合すればよく
、材質の相違による熱膨張係数に差があっても、長手方
向のそれぞれの伸びを互いに拘束しないから湾曲したり
破壊することはない。上部管4uをセラミックス製チュ
ーブ、下部管4Qを金属製チューブとしてもよいことは
もちろんである。さらにチューブの長さに関しても、長
手方向に必要な空間が存在する限り自由に長尺物のチュ
ーブを使用することも可能である。
熱交換器の容量を増す必要がある場合、内部伝熱管4及
び外部伝熱管3の伝熱面積を増さなければならないが、
通常用いられる手段としては、これら内部伝熱管4及び
外部伝熱管3の個数を増すことにより目的を達している
。第2図はこのような実施例の一つとして複数個(図は
2個)の内部伝熱管及び外部伝熱管を使用しているもの
を示す図である。
第3図は、さらに大容量のセラミックス製熱交換器の実
施例を示す図であって、外管チャンバ8と内管チャンバ
9とを設け、多数個(図は3個)の内部伝熱管4は、開
放された一端が内管取付口17においてそれぞれ内管チ
ャンバ9にシールブロック5を用いて密封して取付けら
れ、内部伝熱管と同数の外部伝熱管3は、開放部が外管
取付口16においてそれぞれ外管チャンバ8にシールブ
ロック5を用いて取付けられている。また外管チャンバ
8と内管チャンバ9とは上端部において、シールブロッ
ク5を用いて密封されている。さらに外管チャンバ8の
ケーシング7を貫通する部分は、シールブロック5を用
いて密封されている。このような構成において、流体は
冷風入口1から入り。
内管チャンバ9から多数の内部伝熱管4に分かれ、それ
ぞれ外部伝熱管3にひき継がれ外管チャンバ8を経て熱
風出口2から出る。
以上の各実施例第1図(a)、第1図(b)、第2図、
第3図に示すものは、いずれもUベンドチューブを使用
する代りに、内部伝熱管4と外部伝熱管3とから成る複
合管構造にしたものであって、流体は内部伝熱管4の一
端から外部伝熱管へと導かれるように構成したセラミッ
クス製熱交換器である。
また内部伝熱管4と外部伝熱管3は伝熱面積を増すため
に、フィン付チューブとしたり、多角形や変形断面をも
ったチューブの使用も可能であって、第1図(c)はこ
のような態様で使用するセラミックスチューブの断面の
一例を示す図である。
さらにまた上述の実施例は下記に示す態様で使用するこ
とも可能である。
(1)入口と出口を逆にして冷風を出口2から入れ、熱
風を入口1から出す使用。
(2)高温雰囲気中から流体を加熱して取り出す上記各
実施例とは逆に、低温雰囲気中から流体を冷却して取り
出すセラミックス製熱交換器としての使用。
〔発明の効果〕
この発明によるセラミックス製熱交換器は、冷風入口か
ら入って次第に温度上昇する流体に接している内管と、
常に高温雰囲気に接している外管との複合管構造から成
っている。したがって内管と外管との温度差により、両
者の間に伸び差が生じても相互に拘束されることなく、
自由にそれぞれ長手方向に伸びることが可能な構造とな
っているので、熱歪を生じることなく、また破壊するお
それもない。
また熱膨張係数の大きい金属チューブと熱膨張係数の小
さいセラミックスチューブを接合して使用する必要のあ
る場合においても熱歪を発生しないから、シミインドを
用いて接合することができる。
さらに熱歪による破壊を防ぐためチューブの長さを制限
する必要がなくなり、設計上有利である。
次にこの発明による熱交換器は、Uベンドチューブを使
用せず直線チューブのみの構成であるから製造が容易で
コスト低減をはかることができる。
上述のとおり、この発明の実施による効果は顕著である
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明の一実施例を示す図、第1図(b
)は本発明の他の実施例を示す図であって、セラミック
スチューブと金属チューブとを接合した例を示す図、第
1図(C)はチューブの変形断面の例を示す図、第2図
はこの発明の他の実施例を示す図、第3図はこの発明の
さらに他の実施例を示す図、第4図はセラミックスと金
属の応力−歪特性の比較図、第5〜7図は、公開されて
いる技術例の図である。 1・・・冷風人口     2・・・熱風出口3・・・
外部伝熱管    4・・・内部伝熱管5・・・シール
ブロック 6・・・セラミックスファイバ 7・・・ケーシング    8・・・外管チャンバ9・
・・内管チャンバ   14・・・間11t4u・・・
上部管     4Q・・・下部管15・・・ジヨイン
ト    16・・・外管取付口17・・・内管取付口

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)一端が開放され、他端が閉鎖され、側面に開口部
    を有する外管と該外管内に側面において密封して挿入さ
    れ、一端が該外管の閉鎖された他端と通路を形成するよ
    うに間隙を有して位置した両端が開放した内管とから成
    るセラミックス複合管を少なくとも1個具有してなるこ
    とを特徴とするセラミックス製熱交換器。
  2. (2)特許請求の範囲第1項記載のセラミックス製熱交
    換器において、上記複合管を複数個具有し上記外管の開
    放部が隣接する外管と互いに接続されていることを特徴
    とするセラミックス製熱交換器。
  3. (3)特許請求の範囲第1項記載のセラミックス製熱交
    換器において、複数個の複合管は内管の開放された一端
    がそれぞれ内管チャンバに開放的に取付けられ、かつ外
    管の開放部がそれぞれ外管チャンバに開放的に取付けら
    れていることを特徴とするセラミックス製熱交換器。
  4. (4)特許請求の範囲第1項記載のセラミックス製熱交
    換器において、上記内管ならびに外管がフィン付チュー
    ブであることを特徴とするセラミックス製熱交換器。
  5. (5)特許請求の範囲第1項記載のセラミックス製熱交
    換器において、上記内管ならびに外管が変形断面をもっ
    たチューブであることを特徴とするセラミックス製熱交
    換器。
  6. (6)特許請求の範囲第1項記載のセラミックス製熱交
    換器において、上記内管の一部が金属管であることを特
    徴とするセラミックス製熱交換器。
JP60125990A 1985-06-12 1985-06-12 セラミツクス製熱交換器 Pending JPS61285397A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3561425A1 (de) * 2018-04-27 2019-10-30 Evonik Degussa GmbH Vorrichtung zum temperieren eines reaktors

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3561425A1 (de) * 2018-04-27 2019-10-30 Evonik Degussa GmbH Vorrichtung zum temperieren eines reaktors
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