JPS61116292A - 気‐液熱交換方法および装置 - Google Patents

気‐液熱交換方法および装置

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JPS61116292A
JPS61116292A JP24730085A JP24730085A JPS61116292A JP S61116292 A JPS61116292 A JP S61116292A JP 24730085 A JP24730085 A JP 24730085A JP 24730085 A JP24730085 A JP 24730085A JP S61116292 A JPS61116292 A JP S61116292A
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JP
Japan
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tube
tubes
fluorine
diameter
containing polymer
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JP24730085A
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English (en)
Inventor
ロバート・トマス・ボズワース
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.)
EIDP Inc
Original Assignee
EI Du Pont de Nemours and Co
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies
    • F28F9/0131Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies formed by plates
    • 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
    • F28D7/0058Heat-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 for only one medium being tubes having different orientations to each other or crossing the conduit for the other heat exchange medium
    • 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
    • F28F21/06Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (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】 発明の背景 多種多様な熱交換装置がプロセス流からの排ガス、特に
燃焼ガスのような腐蝕性成分を含む排ガスの処理に使用
されてきた。そのような燃焼ガスは普通、非常に腐蝕性
の酸を形成しうる硫黄および窒素の酸化物を含有する。
それらの酸は、ガスが露点以下に冷却される1場合には
、熱交換装置において使用される材料を制限する。
そのようなガスの高度に腐蝕的な性質を補償するため、
過去において熱交換エレメントはガラスや銅、およびフ
ッ素含有重合体で被覆された銅により作製されてきた。
さらに、フッ素含有重合体製チューブを用いた非常に複
雑な装置も、例えばウイザーズ(wtt、hers)の
米国特許第3.455,893号明細書に示唆されてき
た。
燃焼工程からの排ガスから熱を回収する際、熱伝達効率
と気体流の圧力降下との間のバランスをとろうとしても
常に困難性を伜う。したがって、気体流用の熱交換装置
には耐腐蝕性材料と、良好な熱伝達効率を最小の圧力降
下でもたらす形状とを組合せることのたえざる必要性が
存在していた。
発明の要約 この発明は、気体流をその温度とは異なる温度に保たれ
た熱交換器に通し、熱伝達媒体を熱交換器に循環させる
ことによシ気体流の温度を変化させる方法において、熱
交換器が列設された直径約3〜10■のフッ素含有重合
体製チューブを含み、かつ各チューブ区画間の自由スパ
ンが約20〜90LMであるものであって、気体流は熱
伝達媒体が循環されるチューブの少なくとも5列(r 
OW)を横断して通過するものであり、該チューブは中
心から中心までの距離がチューブの直径の約1.25〜
6倍になるよう配設され、気体流が列設チューブを通過
する際にレイノルズ数が約800〜6000になる速度
を有し、自由スパンのチューブ直径に対する比が約50
〜150であるように改良した方法を提供する。
さらにこの発明は、流路とその流路を横切って配設され
た熱交換器を有する所定速度の気体流の温度を変化させ
る之めの装置罠おいて、熱交換器が列設された直径約3
〜10mのフッ素含有重合体製チューブ、および約20
〜90cmの各チューブ区画間の自由スパンからなり、
該流路が熱伝達媒体の循環されるチューブの少なくとも
5列と交差し、チューブが中心から中心までの距離がチ
ューブ直径の約t25〜5:O倍になるように配設され
、自由スパンのチューブ直径に対する比が約50〜15
0であって、ノ4ラメータが気体流の速度で列設チュー
ブを通る際のレイノルズ数が約800〜3000になる
ように選択されるように改良された装置を提供するもの
である。
発明の詳細な記述 この発明は第1図に示すように、気体流1が入口2およ
び膨張部3を通って熱交換器を通過する。熱交換器のチ
ューブ4はチューブの各地部に位置するチューブシート
5および5Aの間に張設される。チューブはスペーサ乙
により2つの目的のために分離される。そのひとつは、
スは−サ間に約20〜9(1mの距離を有する各チュー
ブ区画の自由スパンを形成するためであり、もう1つの
目的はチューブの連続した列をチューブ直径の約1.2
5〜!1.0倍づつ分離させるためである。熱交換器を
通過した後、気体流は続いて出口8へと向う。
各チューブ区画の自由スパンを約20〜905+にする
と、チューブが低周波数、高振幅の振動を起すことがわ
かった。これは自己清浄機能とチューブの熱伝達係数の
増加という2つの利点を生ずる。チューブとスペーサは
、′1Ic2図により詳細に図示されている。スペーサ
6はスペーサ間に所望の自由スパンが保持されるよう、
ロッド9と共に用いられる。チューブはスペーサに設け
た開口部10を貫通している。
スは−サは流れ方向に少なくとも5列のチューブからな
る列設チューブを形成する。それは任意の所望形状、例
えば図示の如く、正方形状にも、また三角形状にも配置
しうる。一般的には正方形状は気体流の圧力降下が少な
く、一方、三角形状は熱伝達が大きい。
重合体製チューブは広範囲の種類のフッ素含有重合体か
ら製造しうるが、それらは望ましい熱伝達性、気体流の
腐蝕効果に対する抵抗性、およびすぐれた耐汚染性を合
せ持ったものとして知られてきた。特に好適なものは、
テトラフルオロエチレン重合体、米国特許第2,946
,765号明細書に記載されているようなテトラフルオ
ロエチレンとへキナフルオロプロヒレントノ共重合体、
および米国特許第3,132,123号明細書に記載さ
れているようなテトラフルオロエチレンとパーフルオロ
プロピルビニルエーテルとの共重合体である。なお、こ
の発明において使用しうる他のフッ素含有重合体には、
ポリビニリデンジフルオライド、およびポリテトラフル
オロエチレンとクブロートリフルオロエチレンの共重合
体も含まれる。
さらに、ことに参考文献として挙げるレイリー (Re
illy)等の米国特許第3,718,1 s 1号明
細書に記載されているように、熱伝達特性をより改善す
るためにフッ素含有重合体に伝導性粒子を混入すること
もできる。黒鉛粒子が特に好適である。
熱交換ユニットの端部で用いられるチューブシートは、
同じくここに参考文献として挙げるウイザーズ(Wit
hers)の米国特許第4315,740号明細書に記
載されているような既知技術によって作製できる。
この熱交換装置の操作時には、水または同様の熱伝達流
体が熱交換器を通って循環される一方、同時に気体流が
熱交換チューブを横切るように通過する。列設チューブ
を通過する気体流のレイノルズ数は好ましくは約100
0〜2000である。レイノルズ数は公知の如く、最小
横断空間面積にチューブ直径と気体密度を掛けて、気体
粘度で割ったものに基づくものである。必要なレイノル
ズ数は、列設チューブに進入する気体速度を調整するか
、チューブの寸法や配置を調整するか、あるいはそれら
2つの方法を組合せるかして得られる。
この発明において熱伝達がなぜ改善されるのか、十分K
ll解されているわけではないが、レイノルズ数が約8
00より低いと、他の構造条件が満たされていても、気
体速度が小さすぎて可撓性チューブに何の動きも発生す
ることができず、チューブが剛性のものであるかのよう
に作用するものと考えられる。空気速度が増加するとチ
ューブは前後左右にばたつき動き始める。
これが渦流形成を促進し、チューブ壁と気体流との間の
熱伝達速度を増加させる。この動きを生ずるのに必要な
エネルギーはそれ自体、剛性チューブの同様な列で生ず
るチューブ束による圧力降下より大きな圧力降下として
表われる。
気体流の速度をさらに上げると、圧力降下と熱伝達速度
はレイノルズ数的8000で流れが乱流となるまで増加
する。
この発明で材質、寸法および速度の限定が必要であるの
はこの振動のためであり、この振動により剛性チューブ
の熱交換器から普通に期待される以上の大きな熱交換速
度が得られる。
この発明によシ加熱されたり冷却される気体流は、腐蝕
性酸を形成しうる硫黄や窒素の酸化物を含む、さまざま
な腐蝕性成分を含有しうる。
気体流の温度は約80〜240℃でなければならない。
温度が240℃を越えるとフッ素含有重合体チューブに
好ましくない影響を与えるし、一方80℃未満に気体流
を処理しても実用的利点はほとんどない。というのはこ
の温度よりかなり低く気体温度を下げても、昇温しよう
とする気体の自然的傾向により温度上昇してしまうから
である。
この発明を次の具体例によりさらに詳しく説明する。
実施例および比較例 ナト2フルオロエチレンーパーフルオロビニルエーテル
共重合体製の約650本の中空可撓性チューブの試験束
を、高さ46a1幅46cpaの透明アクリル展箱体の
頂部と底部にある孔を通してチューブ群を張設すること
により作製した。これらのチューブは直径4.75−で
、試験箱体内部の同一の透明アクリル樹脂製のスペーサ
を貫通している。これらのスば一すは試験室の頂部の空
気流流路からはずれ念位置に取り除くことができるよう
になっており、チューブの軸方向長さに沿って各チュー
ブ区画の自由スパンが15〜46αになるように配設さ
れる。チューブは正方形状に穴が並ぶよう配置された。
熱交換エレメントは20列のチューブで作られた。
チューブはチューブ直径の約2.0倍の距離づつ離して
設置された。その端部は一緒に結合され、米国特許第3
,315,740号明細書に記載されたようにチューブ
シートを形成した。
モジュールは風洞中に置かれ、圧力降下測定が約400
〜10,000の範囲のレイノルズ数に対応する空気流
速の中で行なわれた。
風洞中に設置後、30 psigまでの圧力の飽和水蒸
気が空気を加熱するためにチューブ束に導入されるよう
、水蒸気供給管を上流チューブシートに接続した。チュ
ーブ束から出た凝縮水蒸気はドレイントラップを介して
排出した。圧力、流れおよび温度の測定は、総体的熱伝
達係数およびチューブ束を横切る際の圧力降下がいろい
ろ々空気速度条件のもとて決定できるように行なわれた
圧力測定は傾斜マノメータ(油密度=829Kf/ml
)を用いて行なった。チューブ束を横切る空気速度は、
DI8A科学用恒温風速計で較正した工業用風速計で測
定した。チューブから空気へ。
の熱流動は空気流の温度をJ型態電対で熱交換モジュー
ルの前後で測定することによシ検知した。加熱水蒸気圧
力は7 paigと15 paigを用いた。空気流速
は層流、遷移状態流および乱流状態にまたがる範囲で変
化させた。
圧力降下は次の式による無次元数として計算された: ここでΔ9は圧力低下、パスカル Nは流れ方向にあるチューブ列の数 Pは空気密度、KIl/m5 ■はチューブ束内の最小横断面に基づ いた空気流速、m7sec 総体的熱伝達係数、UOlは各条件下で実験的に求めら
れた。それから外部空気薄膜係数を逆算するために次の
式が用いられた: Q = UOA (LMTD) ==WCpΔTここで
Aは熱伝達面積、m2 LMrDは対数平均温度差、C Wは空気流量、tbAr g Cpは空気熱容量、1丁・℃ ΔTはチューブ束内外での空気温度の差にはチューブ装
態伝導度 twは壁厚さ Do、D1ijチューブの外径および内径hiは既知の
工学的相互関係から計算される内部薄膜係数 終始一貫したSIユニットが上記計算のすべてに使用さ
れている。
外部薄膜係数、hOlは無次元数Jbとして表わされる
f′およびJbはレイノルズ数・Reの関数として゛第
3.4および5図に示されている。
−DoVP Re  −− μ チューブの振動は、空気流のレイノルズ数が約800以
上になったとき、観察された。振動の振幅は目に見える
ほど大きく、多くの場合チューブ直径の2倍以上であっ
た。
試験の結果は第3〜5図にまとめられている。
観察された圧力降下と振動しているチューブ束を横切る
熱伝達速度は、遷移状態領域(Re=800〜5000
)において、剛性金属チューブに基づいて文献の相互関
係により予想された値より高い。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の熱交換装置の横断面図である。第2
図は第1図の装置で用いることのできるチューブ束の斜
視図である。 第3図はこの発明の熱交換装置における圧力降下と気体
速度との間の関係を図示したものである。 第4.5図はこの発明の熱交換装置における熱伝達と気
体速度との間の関係を図示したもので、チューブの自由
スパン長さの重要性を示す。 外2名 Re 気イ本 速 度 Fig。4 /?e 気体速度

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)気体流をその温度とは異なる温度に保たれた熱交換
    器に通し、熱伝達媒体を熱交換器に循環させることによ
    つて、気体流の温度を変化させる方法において、熱交換
    器が列設された直径約3〜10mmのフッ素含有重合体
    製チューブを含み、かつ各チューブ区画間の自由スパン
    が約20〜90cmであるものであつて、気体流は熱伝
    達媒体が循環されるチューブの少なくとも5列を横断し
    て通過するものであり、該チューブは中心から中心まで
    の距離がチューブの直径の約1.25〜5倍になるよう
    配設され、気体流が列設チューブを通過する際のレイノ
    ルズ数が約800〜3000になる速度を有し、自由ス
    パンのチューブ直径に対する比が約50〜150である
    ことを特徴とする方法。 2)フッ素含有重合体がテトラフルオロエチレンとヘキ
    サフルオロプロピレンの共重合体である特許請求の範囲
    第1項記載の方法。 3)フッ素含有重合体がテトラフルオロエチレンとパー
    フルオロプロピルビニルエーテルの共重合体である特許
    請求の範囲第1項記載の方法。 4)チューブがさらにフッ素含有重合体より実質的に高
    い熱伝導率を有する充填剤粒子を約5〜45重量%含む
    ものである特許請求の範囲第1項記載の方法。 5)伝導性充填剤粒子が黒鉛である特許請求の範囲第4
    項記載の方法。 6)各チューブ区画間の自由スパンが約40〜60cm
    である特許請求の範囲第1項記載の方法。 7)チューブの直径が約4.0〜6.5mmである特許
    請求の範囲第1項記載の方法。 8)流路とその流路を横切つて配設された熱交換器を有
    する所定速度の気体流の温度を変化させるための装置に
    おいて、熱交換器が列設された直径約3〜10mmのフ
    ッ素含有重合体チューブおよび約20〜90cmの各チ
    ューブ区画間の自由スパンからなり、該流路が熱伝達媒
    体の循環されるチューブの少なくとも10列を横断し、
    チューブが中心から中心までの距離がチューブ直径の約
    1.25〜3.0倍になるよう配設され、気体流がチュ
    ーブ列を通過する際に約800〜3000のレイノルズ
    数を有するような速度をもち、自由スパンのチューブ直
    径に対する比が約50〜150であつて、パラメータは
    気体流の速度で列設チューブを通る際のレイノルズ数が
    約800〜3000になるように選択されることを特徴
    とする装置。 9)フッ素含有重合体がテトラフルオロエチレンとヘキ
    サフルオロプロピレンの共重合体である特許請求の範囲
    第8項記載の装置。 10)フッ素含有重合体がテトラフルオロエチレンとパ
    ーフルオロプロピルビニルエーテルの共重合体である特
    許請求の範囲第8項記載の装置。 11)チューブがさらにフッ素含有重合体より実質的に
    高い熱伝導率を有する充填剤粒子を約5〜45重量%含
    むものである特許請求の範囲第8項記載の装置。 12)伝導性充填剤粒子が黒鉛である特許請求の範囲第
    11項記載の装置。 13)各チューブ区画の自由スパンが約40〜65cm
    である特許請求の範囲第11項記載の装置。 14)チューブの直径が約4.0〜6.5mmである特
    許請求の範囲第11項記載の装置。
JP24730085A 1984-11-07 1985-11-06 気‐液熱交換方法および装置 Pending JPS61116292A (ja)

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US66897284A 1984-11-07 1984-11-07
US668972 1984-11-07

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ID=24684505

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EP (1) EP0181614A1 (ja)
JP (1) JPS61116292A (ja)

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