JP2002005592A - 多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多管式熱交換器の製造コストの大幅増加を避
けながら特別な設計技術を要することなく簡単な構造の
下で伝熱チューブに対する熱応力の効果的な低減を図
る。 【解決手段】 シェルアンドチューブ式熱交換器等の多
管式熱交換器において、伝熱チューブ７が溶接接合によ
り高温側チューブシート３に固定されてなる一方、耐熱
材管の熱源流体案内チューブ９が、伝熱チューブ７に対
し離間して保持されるとともに、その出口側端部を伝熱
チューブ７内に介挿して高温側ヘッダー５内に配設され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シェルアンドチュ
ーブ式熱交換器と称される多管式熱交換器に関するもの
であり、特に高温の熱源流体が流入する高温側ヘッダー
における伝熱チューブの配管構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年になって、熱源流体、予熱流体共に
高圧域、高温域での両流体相互間の熱交換を堅牢構造の
下で効率的に行わせることを可能とする多管式熱交換器
に対する要求が頓に多くなっている。このような要求に
応え得る多管式熱交換器に関する典型的な先行技術が、
特開平10− 62079号公報及び特開平11− 51588号公報に
挙示される。

【０００３】この種のシェルアンドチューブ式熱交換器
においては高温の熱源流体と低温の予熱流体を分離して
いる境界部分であるチューブシート近辺、特に伝熱チュ
ーブとチューブシートを固定する溶接部に温度差による
熱応力が原因となる破損の発生が問題となっている。そ
れは、伝熱チューブは高温の熱源流体が流れ込むことに
より温度が上昇し、一方、チューブシートは低温流体と
接しているため、温度上昇が抑えられることに起因して
いる。

【０００４】特開平10− 62079号公報に開示されている
第１の先行技術は予熱空気の流速をコントロールするこ
とで熱応力を緩和する手段を採用したものであり、特開
平11− 51588号公報に開示されている第２の先行技術は
図５に示されるように、チューブシートを１５a 及び１
５b の二重に配置して溶接部を冷却する手段を採用した
ものであって、何れも溶接部の温度差による熱応力の低
減を図ったものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、何れの
技術も溶接部で温度差がつくことによる熱応力を完全に
除去することはできない。また、加工コストが極端に高
くついたり、設計が非常に困難性を伴う等の難点を抱え
ている。

【０００６】また、第２の先行技術に関しては溶接部に
ついても熱応力の緩和を図らせる工夫が成されている。
これを図５及びその要部拡大図である図６に基づいてチ
ューブシート近辺部分の構造につき説明すると、各伝熱
チューブ１６の開口部近傍での熱源からの断熱効果を上
げ、かつ冷却効果を高めるためとして、カラー管１７及
び断熱ボード１９を装備しており、特にチューブシート
１５b と伝熱チューブ１６の固定はカラー管１７を介し
て溶接による溶着部１８で行われている。しかし、高温
流体に熱せられた伝熱チューブ１６から溶着部１８を通
して熱伝導が行われる結果、カラー管１７とチューブシ
ート１５b との溶着部１８を頂点にカラー管１７自体に
大きな温度勾配がつき、この部分で熱応力が発生する。
また、カラー管１７はチューブシート１５b の高温ガス
側にあり、従って、熱応力は非常に大きいためにこれが
原因となる破損の発生が十分懸念される。

【０００７】本発明は、このような従来の問題点の解消
を図るために成されたものであり、従って本発明の目的
は、熱交換器の製造コストの大幅増加を避けながら特別
な設計技術を要することなく簡単な構造の下で伝熱チュ
ーブに対する熱応力の効果的な低減を図ることが可能な
多管式熱交換器を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため以下に述べる構成としたものである。すな
わち本発明における請求項１の発明は、予熱流体の入・
出口を有する管体、該管体の両端部に塞がせてそれぞれ
設けられる高温側チューブシート及び低温側チューブシ
ート、前記各チューブシートを挟んで前記管体の両側に
それぞれ設けられる熱源流体の入口を有する高温側ヘッ
ダー及び熱源流体の出口を有する低温側ヘッダー、前記
両チューブシートにチューブ端を貫挿し前記両ヘッダー
に開口部を臨ませて前記管体内に延設される複数本の伝
熱チューブを含み、それら伝熱チューブに流通させた熱
源流体の熱を、該伝熱チューブを介して前記予熱流体に
伝達させる多管式熱交換器において、前記伝熱チューブ
が溶接接合により高温側チューブシートに固定されてな
る一方、耐熱材の管からなる熱源流体案内チューブが、
前記伝熱チューブに対し離間して保持されるとともに、
その出口側端部を該伝熱チューブ内に介挿して高温側ヘ
ッダー内に配設されてなることを特徴とする熱源流体案
内チューブを有する多管式熱交換器である。

【０００９】また、本発明における請求項２の発明は、
上記請求項１に記載の多管式熱交換器に関して、前記伝
熱チューブが、溶接接合の際における溶着部の所要長に
対応する長さ分のチューブ端を前記高温側ヘッダー内に
突出させて溶接接合により高温側チューブシートに固定
されてなる構成としたことを特徴とする。

【００１０】また、本発明における請求項３の発明は、
上記請求項１又は２に記載の多管式熱交換器に関して、
前記高温側チューブシートと前記伝熱チューブとの溶着
部及び前記熱源流体案内チューブを取巻く断熱材が張設
されてなる構成としたことを特徴とする。

【００１１】また、本発明における請求項４の発明は、
上記請求項１、２又は３に記載の多管式熱交換器に関し
て、前記伝熱チューブと前記熱源流体案内チューブとの
間に断熱材が介設されてなる構成としたことを特徴とす
る。

【００１２】また、本発明における請求項５の発明は、
上記請求項４に記載の多管式熱交換器に関して、前記断
熱材が、断熱特性を高温側から低温側に至り低下させて
変化するように設けられたものである構成としたことを
特徴とする。

【００１３】また、本発明における請求項６の発明は、
上記請求項５に記載の多管式熱交換器に関して、前記断
熱材の厚みが、高温側から低温側に至り漸減してなる構
成としたことを特徴とする。

【００１４】また、本発明における請求項７の発明は、
上記請求項１、２、３、４、５又は６に記載の多管式熱
交換器に関して、前記熱源流体案内チューブがステンレ
ス鋼の管からなる構成としたことを特徴とする。

【００１５】このような本発明によれば、新たに熱源流
体案内チューブを設けて、これを伝熱チューブとチュー
ブシートとの何れとも固定させない構造としたから、高
温部での溶接を回避できてこれにより溶着部での熱応力
を緩和し得る。

【００１６】また、熱源流体案内チューブをチューブシ
ートより低温側に延ばし、伝熱チューブと熱源流体案内
チューブの間に空気層等の断熱材を介設した構成とする
ことにより、例えば高温ガスの熱交換をチューブシート
から離れた個所で行わせることができて、これによりチ
ューブシートと伝熱チューブとの溶着部における熱応力
を緩和し得る。

【００１７】なお、本発明においては、熱交換運転時に
おける過渡状態、即ち、熱交換装置の機器内での温度上
昇が激しい状態において、発生しやすいことが十分予想
される熱応力を格段に低減できるものであり、長時間運
転で機器内温度変化がなくなった定常状態では伝熱チュ
ーブと熱源流体案内チューブで輻射により熱交換が行わ
れることよりして、過渡状態の下での優れた効果が期さ
れる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を、添付図面を参照しながら具体的に説明する。図１
は、本発明が適用される多管式熱交換器の断面示正面図
であり、図２は、本発明の第１の実施の形態に係る多管
式熱交換器のチューブシート近辺部分の断面図である。

【００１９】図１図示の多管式熱交換器１は、予熱流体
の入口２A と出口２B を両側端寄り部にそれぞれ有する
管体２と、管体２の両端部に塞がせてそれぞれ設けられ
る高温側チューブシート（管板）３及び低温側チューブ
シート（管板）４と、高温側チューブシート３を挟んで
管体２の直上部に一体に取付けられた熱源流体の入口５
A を有する高温側ヘッダー５と、低温側チューブシート
４を挟んで管体２の直下部に一体に取付けられた熱源流
体の出口６A を有する低温側ヘッダー６と、両チューブ
シート３、４にチューブ端を貫挿し両ヘッダー５、６に
開口部を臨ませて管体２内に延設される複数本の伝熱チ
ューブ７とを含んで構成される。なお、図１中におい
て、８は、管体２の一端から他端に向かって内壁面に等
間隔かつ食い違い状に配設された複数枚のバッフル板で
ある。

【００２０】上記多管式熱交換器１は、高温側ヘッダー
５を経て各伝熱チューブ７に流通させた熱源流体と、入
口２A から管体２内の各伝熱チューブ７周りの空間部に
流通させた予熱流体との間で熱交換を行わせて、熱源流
体の熱を各伝熱チューブ７を介して予熱流体に伝達させ
ることにより、予熱流体を所定温度に加熱して出口２B
から取り出させるようになっている。

【００２１】この多管式熱交換器１において、チューブ
シート、特に高温側チューブシート３の近辺部分での構
造を図２を参照して説明すると、耐熱性に優れた例えば
ステンレス鋼製の管からなる伝熱チューブ７は、溶接接
合の際における溶着部１２の所要長に対応する長さ分の
チューブ端を、高温側チューブシート３の対応するチュ
ーブ挿通孔から高温側ヘッダー５内に突出させて、その
端部外周壁面を溶接接合になる溶着部１２により高温側
チューブシート３に固定させている。

【００２２】なお、図示を省略するが多管式熱交換器１
において高温側チューブシート３が２段などの複数段で
設けられる構造のものがあるが、この場合、伝熱チュー
ブ７は下段側のチューブシート３に対しては貫通させて
上・下両方に突出した個所で溶接接合になる溶着部１２
により当該チューブシート３に固定させる一方、高温側
ヘッダー５に臨んで設けられてなる最上段の高温側チュ
ーブシート３に対しては、その対応するチューブ挿通孔
から高温側ヘッダー５内に突出させずに僅かに引き込ま
せた状態にて溶接接合により高温側チューブシート３に
固定させるようにしたものもある。

【００２３】一方、図１図示の多管式熱交換器１におい
て、耐熱材の例えばステンレス鋼製の管により伝熱チュ
ーブ７の内径に比して僅かに小さい外径を持つ短管に形
成されてなる熱源流体案内チューブ９が、伝熱チューブ
７に対し離間して保持されていて、好ましくは伝熱チュ
ーブ７に対し伝熱しにくい程度の僅かな隙間を存し保持
されて、その出口側端部を該伝熱チューブ７内に略々外
径に見合う長さでラップするように介挿して高温側ヘッ
ダー５内に、伝熱チューブ７に同軸の配列で設けられて
いる。この場合の熱源流体案内チューブ９における出口
側端部は、溶着部１２と高温側チューブシート３とを通
り越して低温流体側に迄至って延ばされている。この場
合、高温側チューブシート３に接触している伝熱チュー
ブ７と熱源流体案内チューブ９との間には、空気対流を
起こさない程度の極く薄い空気層からなる断熱層１１を
形成して、所謂断熱状態に保持されている。

【００２４】そして、高温側チューブシート３と伝熱チ
ューブ７との溶着部１２及び熱源流体案内チューブ９を
取巻かせて断熱ボード等の断熱材１０が張設されてい
て、高温側ヘッダー５内の高温熱源流体が直接に接する
ことにより溶着部１２及び熱源流体案内チューブ９が加
熱されないように断熱処理を施している。

【００２５】このように構成される本発明の第１の実施
の形態に係る多管式熱交換器１において、高温側ヘッダ
ー５内に入り熱源流体案内チューブ９を経て伝熱チュー
ブ７に流れ込む高温熱源流体（図２の白抜き矢示線）に
直接接触して温度上昇する熱源流体案内チューブ９は伝
熱チューブ７には固定されることなく、両チューブ７、
９のラップする部分では、空気対流が起きない程度の隙
間が保持されて断熱層１１が設けられているため、その
温度の影響が伝熱チューブ７に直接的には及ばなく、熱
源流体案内チューブ９から高温側チューブシート３の溶
着部１２への熱伝達は、熱放射のみに抑えられる。その
ため、伝熱チューブ７は低温流体の温度、熱源流体案内
チューブ９は高温熱源流体の温度でそれぞれ均衡を取る
ようになる。ここで、伝熱チューブ７の温度分布は熱源
流体案内チューブ９の切れ目（出口側端部）付近で高温
熱源流体が直接吹き込む点が最高温度位置となり、高温
側チューブシート３に近づくにつれて低くなる。熱源流
体案内チューブ９のラップ長さを適当に選定すれば高温
側チューブシート３の溶着部１２の温度は低く抑えられ
る上、温度差も略無くなり、溶着部１２における熱応力
は著しく緩和されて、この熱応力による破損は防止され
る。

【００２６】図３には、本発明の第２の実施の形態に係
る多管式熱交換器のチューブシート近辺部分の断面図が
示される。この第２の実施の形態に係る多管式熱交換器
に関して、前記第１の実施の形態に係る多管式熱交換器
に類似し、対応する各部材には同一の参照符号を付して
重複を避け説明を省く。この第２の実施の形態におい
て、特徴とされる構成は、伝熱チューブ７の内径に比し
て僅かに小さい外径を持つ短管に形成されてなる熱源流
体案内チューブ９が、伝熱チューブ７に対し空気対流が
生じなく伝熱しにくい程度の隙間を保持してその出口側
端部を該伝熱チューブ７内に僅かな長さでラップするよ
うに介挿して高温側ヘッダー５内に、伝熱チューブ７に
同軸の配列で設けられていることである。この場合の熱
源流体案内チューブ９における出口側端部は、高温の熱
源流体の流通方向を基準に溶着部１２と略等レベルに位
置して低温流体側までは延ばされていない。

【００２７】このような構成になる第２の実施の形態に
おいては、熱源流体案内チューブ９が、伝熱チューブ７
に対し空気対流が生じなく伝熱しにくい程度の隙間を保
持して僅かなラップ長さで介挿されてなることによっ
て、その温度の影響が伝熱チューブ７に直接的には及ば
ない。一方、高温側チューブシート３の溶着部１２は伝
熱チューブ７内の高温熱源流体に該チューブ７壁を介し
て曝されることから熱源流体案内チューブ９の端部との
温度差はなく高温になる。しかし、伝熱チューブ７と熱
源流体案内チューブ９とは前述した通り伝熱しにくい状
態であるから、従って溶着部１２における熱応力は緩和
されて、この熱応力による破損は防止される。

【００２８】図５には、本発明の第３の実施の形態に係
る多管式熱交換器のチューブシート近辺部分の断面図が
示される。この第３の実施の形態に係る多管式熱交換器
に関して、前記第１及び第２の実施の形態に係る多管式
熱交換器に類似し、対応する各部材には同一の参照符号
を付して説明を省く。この第３の実施の形態において、
特徴とされる構成は、前記断熱層１１が空気層に代えて
断熱材を介設している点である。

【００２９】このような構成になる第３の実施の形態に
おいては、断熱層１１の断熱材によって熱放射を抑えら
れるため、断熱材の厚みを含む断熱特性次第では第２の
実施の形態以上の熱応力緩和効果が得られる。この場
合、必要に応じて断熱層１１の断熱材の厚みを高温側か
ら低温側に至り漸減させるなどの手段により、断熱特性
を高温側から低温側に至り低下させて変化するようにす
れば、伝熱チューブ７の温度分布を適宜コントロールす
ることが可能である。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の各実施例について、従来技術
例（図６図示のもの）及び比較例（図７図示のもの）を
対比の上、各部における熱応力Ｐa を調べたところ、下
記表１のような結果が得られた。ここで、図７図示の比
較例は、上記従来技術例に対して改良を加えた参考例で
あって、カラー管１７を低温流体側に延ばすことによ
り、伝熱チューブ１６との溶着部１８を低温流体側に位
置させて設けた構造に特徴を有する。なお、各部の使用
材料をステンレス鋼とし、高温流体を入口での温度８５
０℃の気体、低温流体を出口温度６５０℃の気体として
各部についての熱応力Ｐa を調べた。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１から明らかなように、実施例１の場
合、伝熱チューブでの熱応力を従来技術例に比し少しし
か下げられないが、溶接個所を伝熱チューブ１本当たり
１個所に抑えられることから、熱応力を比較的緩和しな
がらコストダウンが図れている。一方、実施例２、３の
場合、伝熱チューブでの熱応力を従来技術例の２／５程
度に抑えて熱応力の緩和に著しく寄与していることが表
されている。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。本発明
は、新たに熱源流体案内チューブを設けて、これを伝熱
チューブとチューブシートとの何れとも固定させない構
造としたから、高温部での溶接を回避できてしかも溶接
個所を半減することが可能となり、これにより溶着部で
の熱応力を緩和し得るとともに、溶接加工コストの低減
並びに生産性の向上が図れる。

【００３４】また、熱源流体案内チューブを伝熱チュー
ブ内においてチューブシートより低温側に延ばし、伝熱
チューブと熱源流体案内チューブの間に空気層等の断熱
材を介設した構成とすることにより、例えば高温ガスの
熱交換をチューブシートから離れた個所で行わせること
ができて、これによりチューブシートと伝熱チューブと
の溶着部における熱応力を大きく緩和し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】多管式熱交換器の断面示正面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る多管式熱交換
器のチューブシート近辺部分の断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る多管式熱交換
器のチューブシート近辺部分の断面図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態に係る多管式熱交換
器のチューブシート近辺部分の断面図である。

【図５】従来の多管式熱交換器の例のチューブシート近
辺部分の断面図である。

【図６】図５に対応する要部拡大図である。

【図７】本発明に対する比較例の多管式熱交換器のチュ
ーブシート近辺部分の断面図である。

【符号の説明】

１…多管式熱交換器 ２…筒体 ２A …入口 ２
B …出口 ３…高温側チューブシート ４…低温側チューブシー
ト ５…高温側ヘッダー ６…低温側ヘッダー ７…伝
熱チューブ ８…バッフル板 ９…熱源流体案内チューブ １０
…断熱材 １１…断熱層 １２…溶着部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予熱流体の入・出口を有する管体、該管
   体の両端部に塞がせてそれぞれ設けられる高温側チュー
   ブシート及び低温側チューブシート、前記各チューブシ
   ートを挟んで前記管体の両側にそれぞれ設けられる熱源
   流体の入口を有する高温側ヘッダー及び熱源流体の出口
   を有する低温側ヘッダー、前記両チューブシートにチュ
   ーブ端を貫挿し前記両ヘッダーに開口部を臨ませて前記
   管体内に延設される複数本の伝熱チューブを含み、それ
   ら伝熱チューブに流通させた熱源流体の熱を、該伝熱チ
   ューブを介して前記予熱流体に伝達させる多管式熱交換
   器において、 前記伝熱チューブが溶接接合により高温側チューブシー
   トに固定されてなる一方、耐熱材の管からなる熱源流体
   案内チューブが、前記伝熱チューブに対し離間して保持
   されるとともに、その出口側端部を該伝熱チューブ内に
   介挿して高温側ヘッダー内に配設されてなることを特徴
   とする熱源流体案内チューブを有する多管式熱交換器。
2. 【請求項２】 前記伝熱チューブが、溶接接合の際にお
   ける溶着部の所要長に対応する長さ分のチューブ端を前
   記高温側ヘッダー内に突出させて溶接接合により高温側
   チューブシートに固定されてなる請求項１記載の熱源流
   体案内チューブを有する多管式熱交換器。
3. 【請求項３】 前記高温側チューブシートと前記伝熱チ
   ューブとの溶着部及び前記熱源流体案内チューブを取巻
   く断熱材が張設されてなる請求項１又は２に記載の熱源
   流体案内チューブを有する多管式熱交換器。
4. 【請求項４】 前記伝熱チューブと前記熱源流体案内チ
   ューブとの間に断熱材が介設されてなる請求項１、２又
   は３に記載の熱源流体案内チューブを有する多管式熱交
   換器。
5. 【請求項５】 前記断熱材が、断熱特性を高温側から低
   温側に至り低下させて変化するように設けられたもので
   ある請求項４記載の熱源流体案内チューブを有する多管
   式熱交換器。
6. 【請求項６】 前記断熱材の厚みが、高温側から低温側
   に至り漸減してなる請求項５記載の熱源流体案内チュー
   ブを有する多管式熱交換器。
7. 【請求項７】 前記熱源流体案内チューブがステンレス
   鋼の管からなる請求項１、２、３、４、５又は６に記載
   の熱源流体案内チューブを有する多管式熱交換器。