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発明の名称 多管式熱交換器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−139268(P2007−139268A)
公開日 平成19年6月7日(2007.6.7)
出願番号 特願2005−331561(P2005−331561)
出願日 平成17年11月16日(2005.11.16)
代理人 【識別番号】100107308
【弁理士】
【氏名又は名称】北村 修一郎
発明者 川島 勝
要約 課題
管板冷却用流体の供給管や供給装置を特に接続することなく、外筒部の内部構造の簡略化も図れるようにしながら、高温側管板部を効率良く冷却できるようにする。

解決手段
被加熱流体Bの流入口1aと流出口とを設けた外筒部3と、熱源流体の流入ヘッダ4と流出ヘッダと、両ヘッダを連通接続する伝熱管6とを備え、外筒部一端側に高温側管板部9を介して流入ヘッダを接続し、外筒部他端側に低温側管板部を介して流出ヘッダを接続し、高温側管板部に外筒部側第1管板11と流入ヘッダ側第2管板12とを設けて、その間に管板冷却用流体Dが通流可能な冷却用空間13を形成し、流入口を流出口よりも第1管板側に設け、冷却用空間と外筒部内部とを連通する貫通孔20を第1管板の略中央に設け、圧力差を利用して、被加熱流体を管板冷却用流体として貫通孔から冷却用空間に取り入れ、冷却用空間を通流させて、高温側管板部を冷却可能に構成してある。
特許請求の範囲
【請求項1】
被加熱流体の流入口と流出口とを設けてある外筒部と、熱源流体が流入する流入ヘッダと、熱源流体が流出する流出ヘッダと、前記流入ヘッダと前記流出ヘッダとを連通接続する複数の伝熱管とを備え、
前記外筒部の一端側に、高温側管板部を介して、前記流入ヘッダを接続するとともに、前記外筒部の他端側に、低温側管板部を介して、前記流出ヘッダを接続して、前記伝熱管を前記外筒部の内側に挿通し、
前記高温側管板部に、前記外筒部側の第1管板と前記流入ヘッダ側の第2管板とを設けて、前記第1管板と前記第2管板との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間を形成してある多管式熱交換器であって、
前記流入口を前記流出口よりも前記第1管板側に設け、
前記冷却用空間と前記外筒部の内部とを連通する貫通孔を前記第1管板の略中央に設けて、圧力差を利用して、前記流入口より流入した前記被加熱流体を前記管板冷却用流体として前記貫通孔から前記冷却用空間に取り入れるとともに、前記冷却用空間を通流させることで、前記高温側管板部を冷却可能に構成してある多管式熱交換器。
【請求項2】
前記冷却用空間を通過する管板冷却用流体の流量を調節可能な流量調節手段を設けてある請求項1記載の多管式熱交換器。
【請求項3】
前記高温側管板部の温度を測定可能な温度センサと、前記温度センサによる測定温度に基づいて、その測定温度が設定温度範囲になるように、前記流量調節手段の流量調節動作を制御可能な制御装置とを設けてある請求項2記載の多管式熱交換器。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、被加熱流体の流入口と流出口とを設けてある外筒部と、熱源流体が流入する流入ヘッダと、熱源流体が流出する流出ヘッダと、前記流入ヘッダと前記流出ヘッダとを連通接続する複数の伝熱管とを備え、前記外筒部の一端側に、高温側管板部を介して、前記流入ヘッダを接続するとともに、前記外筒部の他端側に、低温側管板部を介して、前記流出ヘッダを接続して、前記伝熱管を前記外筒部の内側に挿通し、前記高温側管板部に、前記外筒部側の第1管板と前記流入ヘッダ側の第2管板とを設けて、前記第1管板と前記第2管板との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間を形成してある多管式熱交換器に関する。
【背景技術】
【0002】
上記多管式熱交換器は、外筒部の内側に挿通してある複数の伝熱管に、流入ヘッダから流出ヘッダに向けて、熱源流体を通流させて、流入口から外筒部の内側に流入した被加熱流体をそれらの伝熱管から放熱される熱源流体の熱で加熱し、加熱後の被加熱流体を流出口から所望の被加熱流体利用機器などに供給できるように構成してある。
そして、流入ヘッダには被加熱流体と熱交換する前の熱源流体が流入するので、流入ヘッダを接続してある高温側管板部が高温に加熱され、管板部の材料強度が劣化し易いとともに、高温側管板部と伝熱管との接続部や高温側管板部と流入ヘッダとの接続部などに熱応力による変形やクラックなどが発生し易く、高温側管板部の温度を低下させて耐久性を高めるために、高温側管板部に外筒部側の第1管板と流入ヘッダ側の第2管板とを設けて、第1管板と第2管板との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間を形成してある。
従来の多管式熱交換器では、冷却用空間に管板冷却用流体を通流させるために、被加熱流体の流入口を流出口よりも流出ヘッダ側に設けるとともに、その流入口から流入した被加熱流体を管板冷却用流体として冷却用空間に供給できるように、一端側が流入口近くに開口する供給管を外筒部の内側に挿通して冷却用空間に連通接続し、この供給管を通して冷却用空間に供給した被加熱流体で高温側管板部を冷却できるようにしたり(以下、第1従来技術という)、管板冷却用流体を冷却用空間に供給するための供給管を高温側管板部の外周側から冷却用空間に連通接続して、この供給管を通してブロワなどの供給装置で冷却用空間に供給した管板冷却用流体で高温側管板部を冷却できるようにしている(以下、第2従来技術という)(例えば、特許文献1,2参照)。
【0003】
【特許文献1】特開平10−325688号公報(図1,図5)
【特許文献2】特開2003−130579号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記第1従来技術では、流出口よりも流出ヘッダ側に設けてある流入口から流入した被加熱流体を管板冷却用流体として冷却用空間に供給するために、一端側が流入口近くに開口する供給管を外筒部の内側に挿通して冷却用空間に連通接続してあり、冷却用空間に供給された管板冷却用流体は再度外筒部内に戻されるので、被加熱流体が供給管を通過する際に生じる圧力損失と、管板冷却用流体の供給管への入り口と冷却用空間からの出口とが共に外筒部内に連通していることによる被加熱流体の搬送駆動力としての圧力差不足とにより、高温側管板部を冷却するに十分な流量の管板冷却用流体を冷却用空間に流入させ難いとともに、供給管内の被加熱流体が冷却用空間に流入する前に高温に加熱されてしまうおそれもある。
また、上記第2従来技術では、第1従来技術に比べて外筒部の内部構造の簡略化を図り易いとともに、高温側管板部を冷却し易いが、管板冷却用流体の供給管を高温側管板部の外周側から冷却用空間に連通接続し、その供給管を通して管板冷却用流体を供給するために、高温側管板部が最も高温となる中央部を十分に冷却できないとともに、供給管や供給装置の接続構造が煩雑化する欠点がある。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、高温側管板部に対してその外周側に管板冷却用流体の供給管や供給装置を特に接続することなく、外筒部の内部構造の簡略化も図れるようにしながら、高温側管板部を効率良く冷却できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の第1特徴構成は、被加熱流体の流入口と流出口とを設けてある外筒部と、熱源流体が流入する流入ヘッダと、熱源流体が流出する流出ヘッダと、前記流入ヘッダと前記流出ヘッダとを連通接続する複数の伝熱管とを備え、前記外筒部の一端側に、高温側管板部を介して、前記流入ヘッダを接続するとともに、前記外筒部の他端側に、低温側管板部を介して、前記流出ヘッダを接続して、前記伝熱管を前記外筒部の内側に挿通し、前記高温側管板部に、前記外筒部側の第1管板と前記流入ヘッダ側の第2管板とを設けて、前記第1管板と前記第2管板との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間を形成してある多管式熱交換器であって、前記流入口を前記流出口よりも前記第1管板側に設け、前記冷却用空間と前記外筒部の内部とを連通する貫通孔を前記第1管板の略中央に設けて、圧力差を利用して、前記流入口より流入した前記被加熱流体を前記管板冷却用流体として前記貫通孔から前記冷却用空間に取り入れるとともに、前記冷却用空間を通流させることで、前記高温側管板部を冷却可能に構成してある点にある。
【0006】
〔作用及び効果〕
被加熱流体の流入口を流出口よりも第1管板側に設けてあるので、被加熱流体の流入口への流入圧で、熱源流体と熱交換する前の低温の被加熱流体を第1管板に沿って移動させ易く、その低温の被加熱流体で高温側管板部を外筒部の内側から冷却し易い。
また、冷却用空間と外筒部の内部とを連通する管板冷却用流体の取り入れ用貫通孔を第1管板の略中央に設けて、圧力差を利用して、流入口より流入した被加熱流体を管板冷却用流体として貫通孔から冷却用空間に取り入れるとともに、冷却用空間を通流させることで、高温側管板部を冷却可能に構成してあるので、第1管板に沿って移動している低温の被加熱流体を、その取り入れ用貫通孔を通して、圧力損失が少ない状態で、管板冷却用流体として冷却用空間に供給できる。
従って、高温側管板部に対してその外周側に管板冷却用流体の供給管や供給装置を特に接続することなく、外筒部の内部構造の簡略化も図れるようにしながら、低温の被加熱流体で高温側管板部を効率良く冷却できる。
【0007】
本発明の第2特徴構成は、前記冷却用空間を通過する管板冷却用流体の流量を調節可能な流量調節手段を設けてある点にある。
【0008】
〔作用及び効果〕
冷却用空間を通過する管板冷却用流体の流量を調節可能な流量調節手段を設けてあるので、流出口から流出させる加熱済みの被加熱流体の量を確保できるように、流入口に流入した被加熱流体のうちの、管板冷却用流体として使用する被加熱流体の流量を調節できる。
【0009】
本発明の第3特徴構成は、前記高温側管板部の温度を測定可能な温度センサと、前記温度センサによる測定温度に基づいて、その測定温度が設定温度範囲になるように、前記流量調節手段の流量調節動作を制御可能な制御装置とを設けてある点にある。
【0010】
〔作用及び効果〕
温度センサによる測定温度に基づいて、その測定温度が設定温度範囲になるように、流量調節手段の流量調節動作を制御して、高温側管板部の温度が高温になり過ぎることを防止し、かつ、その温度が必要以上に低下しないように、冷却用空間を通過する管板冷却用流体の流量を調節できるので、流入口に流入した被加熱流体のうちの、管板冷却用流体として使用する被加熱流体の量が必要以上に増大することを防止でき、流出口から流出させる加熱済みの被加熱流体の量を確保し易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、例えば下水汚泥などの被焼却物を焼却して処理する循環流動層炉から排出される800〜850℃程度の燃焼排ガスAを熱源流体とし、予熱用空気Bを非加熱流体として、その空気Bを燃焼排ガスAで650〜700℃程度に加熱した予熱空気Cを燃焼用空気として、循環流動層炉に供給できるように構成してある本発明による多管式熱交換器を示している。
【0012】
前記多管式熱交換器は、予熱用空気Bの流入口1a,1bと予熱空気Cの流出口2とを設けてある上下方向に長い略円筒形の外筒部3と、燃焼排ガスAが流入する流入ヘッダ4と、燃焼排ガスAが流出する流出ヘッダ5と、流入ヘッダ4と流出ヘッダ5とを連通接続する複数の伝熱管(図1では二本のみを示して、残りの伝熱管は省略してある)6とを備えている。
【0013】
前記外筒部3の内側は、複数枚のバッフルプレート7を備えた空気流路8に形成してあり、外筒部3の上端側に、その上端側を塞ぐ平面視で略円形の高温側管板部9を介して、流入ヘッダ4を固定するとともに、外筒部3の下端側に、その下端側を塞ぐ平面視で略円形の低温側管板部10を介して、流出ヘッダ5を固定して、各伝熱管6を外筒部3の空気流路8に挿通し、各伝熱管6とバッフルプレート7とを互いに固定してある。
【0014】
前記高温側管板部9は、図2に示すように、外筒部3側の第1管板11と流入ヘッダ4側の第2管板12とを設けてある二重管板方式で構成して、第1管板11と第2管板12との間に、管板冷却用流体が通流可能な冷却用空間13を形成し、第2管板12の流入ヘッダ4側を断熱材層14で覆い、断熱材層14を貫通させて伝熱管6を接続してある。
【0015】
前記予熱用空気Bの流入口1a,1bは、外筒部3の上下両端部の夫々に設けてあり、上部流入口1aを囲む環状の上部予熱用空気入り口ヘッダ15と、下部流入口1bを囲む環状の下部予熱用空気入り口ヘッダ16とを外筒部3の外周に設けて、ブロワ(図示せず)から送り出された予熱用空気Bが各予熱用空気入り口ヘッダ15,16を介して各流入口1a,1bから外筒部3の空気流路8に流入するように構成してあり、下部予熱用空気入り口ヘッダ16には伸縮部17を設けてある。
【0016】
前記予熱空気Cの流出口2は、外筒部3の上下方向中間部に設けてあり、流出口2を囲む環状の予熱空気出口ヘッダ19を外筒部3の外周に設けて、外筒部2内で加熱した後の予熱空気Cが流出口2から予熱空気出口ヘッダ19に流入するように構成して、上部流入口1aを流出口2よりも第1管板11側に設けてある。
【0017】
前記流出口2は、上部流入口1aから流入した予熱用空気Bも、下部流入口1bから流入した予熱用空気Bも、略同じ温度に加熱された状態で予熱空気出口ヘッダ19に流入するように、上部流入口1aと下部流入口1bとの間の高さ位置に設けてある。
【0018】
そして、図2に示すように、冷却用空間13と外筒部3の内部とを連通する管板冷却用流体Dの取り入れ用貫通孔20を第1管板11の略中央に設けるとともに、管板冷却用流体Dを高温側管板部9の外周側から外部に排出するために、放射状に配置してある複数の排出管21を冷却用空間13に連通接続して、上部流入口1aから流入した予熱用空気Bが管板冷却用流体Dとして取り入れ用貫通孔20を通して冷却用空間13に流入し、冷却用空間13を通過した管板冷却用流体Dが、予熱用空気Bの押し込みによる加圧状態の外筒部3の内部と、大気圧である多管式熱交換器の外部との圧力差により、排出管21を通して外部に排出されるように構成し、予熱用空気Bが管板冷却用流体Dとして取り入れ用貫通孔20から冷却用空間13に効率良く流入するように案内可能な案内部材22を、取り入れ用貫通孔20周りの外筒部3側に設けてある。
【0019】
前記案内部材22は、円筒部材の長手方向一端側を切欠いて、上部流入口1aから流入した予熱用空気Bを横方向から受け止め可能な半割円筒状の受け面23を備えた受け部24と、その受け面23に受け止めた予熱用空気Bを取り入れ用貫通孔20に向けて案内可能な円筒状の案内部25とを形成し、受け面23を上部流入口1a側に向けた姿勢で、案内部25を取り入れ用貫通孔20に嵌入して、第1管板11に溶接固定してある。
【0020】
従って、第1管板11に沿って移動している予熱用空気Bを受け面23で受け止め、その受け止めた予熱用空気Bを案内部25で取り入れ用貫通孔20に向けて案内して、取り入れ用貫通孔20を通して、冷却用空間13に流入させ易い。
【0021】
また、各排出管21から排出される管板冷却用流体Dの流量を均等化して集める環状ヘッダ18と、その環状ヘッダ18に集めた管板冷却用流体Dを外部に排出するための外部排出管32とを設けて、冷却用空間13を通過する管板冷却用流体Dの流量を調節可能なバルブ(流量調節手段の一例)Vを外部排出管32の途中に接続するとともに、第2管板12の径方向略中央部の温度を測定可能な温度センサSを設け、温度センサSによる測定温度に基づいて、その測定温度が600℃以下の設定温度になるように、バルブVの流量調節動作を制御可能な制御装置26を設けてある。
【0022】
つまり、制御装置26は、測定温度が設定温度範囲を下回ると、バルブVの開度を小さくして、外部排出管32を通過する管板冷却用流体Dを少なくすることにより、取り入れ用貫通孔20から管板冷却用流体Dとして流入する予熱用空気Bの量が減少し、測定温度が設定温度範囲を上回ると、バルブVの開度を大きくして、外部排出管32通過する管板冷却用流体Dを多くすることにより、取り入れ用貫通孔20から管板冷却用流体Dとして流入する予熱用空気Bの量が増大するように、バルブVの流量調節動作を制御する。
【0023】
〔第2実施形態〕
図3は、本発明による多管式熱交換器の別実施形態を示し、第1実施形態で示した排出管21に代えて、冷却用空間13を通過した管板冷却用流体Dを上部流入口1aよりも上流位置、つまり、上部予熱用空気入り口ヘッダ15に還流させる還流路27を設けてある。
【0024】
前記還流路27は、冷却用空間13と上部予熱用空気入り口ヘッダ15とを連通する戻り管28を、高温側管板部9の外周部と予熱用空気供給ダクト(図示せず)の接続用短管部29の管壁とに亘って連通接続して設けてあり、戻り管28の先端側を短管部29の内側に入り込ませるとともに、その排出30を予熱用空気流入方向下流側に向けて短管部29の管軸心と略同芯状に固定して、短管部29内を通過する予熱用空気Bによるエントレイメント効果で、戻り管28内の管板冷却用流体Dを予熱用空気Bよりも負圧状態にすることで短管部29内に引き込んで、上部予熱用空気入り口ヘッダ15を介して、上部流入口1aより上流位置に還流させるように構成してある。
【0025】
従って、冷却用空間13を通過した管板冷却用流体Dを外部に排出するような場合に比べて、上部流入口1aから流入した予熱用空気Bの略全量を活用できるとともに、高温側管板部9の冷却時において熱交換された熱を有効に活用できる。
その他の構成は第1実施形態と同様である。
【0026】
〔第3実施形態〕
図4は、本発明による多管式熱交換器の別実施形態を示し、第1実施形態で示した排出管21に代えて、伝熱管6の流入ヘッダ4側の端部を冷却用空間13内で上向きに開口させて、伝熱管6の内側を冷却用空間13に連通接続するとともに、外径が伝熱管6の内径よりも小径の排ガス流出管6aを流入ヘッダ4に連通接続して、その排ガス流出管6aの下流側端部を伝熱管6の内側に同芯状に入り込ませ、伝熱管6の内周面と排ガス流出管6aの外周面との間に環状の管板冷却用流体流路31を形成してある。
【0027】
そして、予熱用空気Bの押し込み圧力と燃焼排ガスAの誘引圧力による圧力差との作用によって、冷却用空間13内の管板冷却用流体Dを、管板冷却用流体流路31を通して、伝熱管6内に吸引して、燃焼排ガスAと共に、流出ヘッダ5から排出できるように構成してある。
【0028】
本実施形態によれば、冷却用空間13から管板冷却用流体Dを排出するための外部配管を特に設けることなく、管板冷却用流体Dを排出することができる。
尚、管板冷却用流体流路31は、各伝熱管6毎に設けても、一部の伝熱管6にのみ設けても良い。
その他の構成は第1実施形態と同様である。
【0029】
〔その他の実施形態〕
1.本発明による多管式熱交換器は、流入口を流出口よりも第1管板側に設けてあれば、外筒部に設ける流入口は単一であっても良い。
2.本発明による多管式熱交換器は、その管板部の温度分布特性に合わせて効率良く管板部を冷却できるように、冷却用空間と外筒部の内部とを連通する複数の管板冷却用流体の取り入れ用貫通孔を第1管板に設けてあっても良い。
3.本発明による多管式熱交換器は、管板冷却用流体の取り入れ用貫通孔周りに、第1実施形態や第2実施形態で示した案内部材を設けていないものであっても良い。
4.本発明による多管式熱交換器は、冷却用空間を通過する被加熱流体の流量を調節可能な流量調節手段としてのダンパを設けてあっても良い。
5.本発明による多管式熱交換器は、排出管21から排出された管板冷却用流体Dを、より圧力の低い予熱空気Cに合流させても良い。
6.本発明による多管式熱交換器は、第2実施形態で示した戻り管に、冷却用空間を通過する被加熱流体の流量を調節可能なバルブ(流量調節手段の一例)を接続し、高温側管板部の温度を測定可能な温度センサと、温度センサによる測定温度に基づいて、その測定温度が設定温度範囲になるように、バルブの流量調節動作を制御可能な制御装置とを設けてあっても良い。
7.本発明による多管式熱交換器は、外筒部を筒軸芯が横向き或いは斜めになるように設置するものであっても良い。
8.本発明による多管式熱交換器は、流出口から流出する加熱済みの被加熱流体を暖房用熱媒などに使用するために設置するものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】多管式熱交換器の縦断面図
【図2】要部の縦断面図
【図3】第2実施形態を示す要部の縦断面図
【図4】第3実施形態を示す要部の縦断面図
【符号の説明】
【0031】
1a 流入口
2 流出口
3 外筒部
4 流入ヘッダ
5 流出ヘッダ
6 伝熱管
9 高温側管板部
10 低温側管板部
11 第1管板
12 第2管板
13 冷却用空間
20 貫通孔
22 案内部材
23 受け面
24 案内部
26 制御装置
27 還流路
A 熱源流体
B 被加熱流体
D 管板冷却用流体
S 温度センサ
V 流量調節手段




 

 


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