JP2012189248A

JP2012189248A - シェルアンドチューブ式熱交換器

Info

Publication number: JP2012189248A
Application number: JP2011052251A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kanno; 博徳管野
Original assignee: Ishikawa Energy Research Co Ltd
Current assignee: Ishikawa Energy Research Co Ltd
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-10-04

Abstract

【課題】チューブの高密度化、管路の長尺化により伝熱面積の増大を図り、熱効率に優れるとともに、チューブの特別な保持手段が不要で、組立作業性、生産性に優れたシェルアンドチューブ式熱交換器を提案する。
【解決手段】シェル１０内に複数のチューブ１を軸方向に沿って収納し、熱交換する一方の流体がチューブ１内を流通し、他方の流体がシェル１０とチューブ１の間隔内を流通し、二種類の流体が熱交換を行うシェルアンドチューブ式熱交換器において、チューブ１をスパイラル加工して螺旋状に形成し、複数のチューブ１を、各チューブ１が離間した状態で同軸的に束ね、シェル１０内に配置したことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、各種の熱関連装置に用いられるシェルアンドチューブ式熱交換器に関するものである。

シェルアンドチューブ式熱交換器は、筒状のシェル（胴体）内に複数のチューブ（伝熱管）をシェルの軸方向に沿って収納し、熱交換する一方の流体がチューブ内を流通し、他方の流体がシェルとチューブの間隔内を流通し、チューブの管壁を介して二種類の流体が熱交換を行うものである。シェルアンドチューブ式熱交換器は、構成が簡単で信頼性が高く、メンテナンスも容易であり、加熱・冷却・蒸発・凝縮等、様々な用途に適用し、各種の熱関連装置に用いられている。

シェルアンドチューブ式熱交換器の一例として、特許文献１に示す構造のものがある。この熱交換器は、多数のチューブをバッフルコイルで巻装してシェル内に収納し、チューブ内を高温・高圧ガスが流通し、シェルとチューブの間隔内を水が流通し、水を加熱して給湯を得るものである。チューブをバッフルコイルで巻装することで、各チューブが離間した状態を維持するとともに、バッフルコイルにより水流の乱流を生じさせ、熱効率の向上を図ったものである。

特許第４５０５７７８号公報

シェルアンドチューブ式熱交換器は、プレートフィンアンドチューブ式熱交換器に比べて伝熱面積が小さく、熱効率に劣り、能力の増大に伴って熱交換器が大型化、重量化、長尺化する課題がある。また、チューブが長尺化するとチューブの自重で撓みを生じ、各チューブが当接した塊状となり、熱交換に寄与する伝熱面積の減少を招く。これを防止するため、特許文献１に示すバッフルコイルその他、各チューブが離間した状態を維持するための保持手段が必要とされ、構造が複雑となる課題もある。

この発明は、こうした課題を解決することを目的とするもので、チューブの高密度化、管路の長尺化により伝熱面積の増大を図り、熱効率に優れた新規構成のシェルアンドチューブ式熱交換器を提案することを目的とするものである。また、チューブの特別な保持手段が不要で、組立作業性、生産性に優れたシェルアンドチューブ式熱交換器を提案することを目的とするものである。

こうした目的を達成するため、この発明は、シェル１０内に複数のチューブ１を軸方向に沿って収納し、熱交換する一方の流体がチューブ１内を流通し、他方の流体がシェル１０とチューブ１の間隔内を流通し、二種類の流体が熱交換を行うシェルアンドチューブ式熱交換器において、チューブ１をスパイラル加工して螺旋状に形成し、複数のチューブ１を、各チューブ１が離間した状態で同軸的に束ね、シェル１０内に配置したことを特徴とするものである。

また、この発明のシェルアンドチューブ式熱交換器は、熱交換する一方の流体が燃焼排気であり、他方の流体が水であり、燃焼排気の潜熱を回収する廃熱回収用熱交換器に適用するものである。

この発明のシェルアンドチューブ式熱交換器は、チューブ１をスパイラル加工して螺旋状に形成し、複数のチューブ１を、各チューブ１が離間した状態で同軸的に束ね、シェル１０内に配置したので、従来の直管状のチューブを用いたシェルアンドチューブ式熱交換器に比べ、各チューブ１の管路が長尺化されるとともに、複数のチューブ１は束ねられて高密度に配置され、伝熱面積が大幅に増大される。また、シェル１０とチューブ１の間隔内を流通する流体は、各チューブ１間のスパイラル状の間隙内を畝るように乱流を生じて流通し、伝熱面積の増大と相奏功し、極めて熱効率に優れるものである。

また、チューブ１をスパイラル加工して螺旋状に形成したので、チューブ１自体が剛性を有し、各チューブ１が離間した状態を維持可能で、チューブ１の特別な保持手段が不要となり、組立作業性、生産性に優れるものである。

また、この発明のシェルアンドチューブ式熱交換器を廃熱回収用熱交換器に適用すれば、熱効率の向上により、従来品に比べ、小型、軽量、短尺の廃熱回収用熱交換器を製作することができる。

この発明の実施例のチューブの（Ａ）平面図、（Ｂ）正面図。正面図。図２中、Ａ−Ａ線断面図。平面図。端板の平面図。図５中、Ｂ−Ｂ線断面図。

以下に、この発明の具体的な実施形態を図面を用いて説明する。
図面はこの発明の実施例で、エンジンやボイラー等の燃焼排気をそのまま廃棄することなく、これに含まれる潜熱を回収する廃熱回収用熱交換器に本発明のシェルアンドチューブ式熱交換器を適用したものである。廃熱回収用熱交換器は、高温の燃焼排気と水との間で熱交換を行い、熱エネルギーの二次利用、燃焼排気の低温下、システム全体としての熱効率の向上を図るものである。

最初に、この廃熱回収用熱交換器の構成を説明する。
チューブ１は、スパイラル加工されて螺旋状に形成され（図１参照）、４本のチューブ１を同軸的に束ねた状態で、筒状のシェル１０内に軸方向に沿って収納し、全体が構成されている。

シェル１０の両開口端は端板１２を接合して封止され、図５に示すように、端板１２に９０度の間隔で４個の孔１３が開孔されている。孔１３には突縁１３ａが形成され、各チューブ１の両管端部が孔１３を貫通し、突縁１３ａに接合されている。このようにして、各チューブ１の両管端部を端板１２に接合することで、４本のチューブ１が、各チューブ１が離間した状態で同軸的に束ねられ、シェル１０内に配置されている。

シェル１０の両開口端には、端板１２とヘッダー空間１７を保って蓋体１５が接合され、一方の蓋体１５に流体の入口１６ａ、他方の蓋体１５に流体の出口１６ｂが開孔している。各チューブ１の開口端はヘッダー空間１７内に開口し、各チューブ１と両ヘッダー空間１７が連通し、入口１６ａから各チューブ１を分流して出口１６ｂへ至る、熱交換する一方の流体の流通路が形成されている。

シェル１０の側壁に、一方の端部に近接して入口１１ａ、他方の端部に近接して出口１１ｂが開孔し、入口１１ａから各チューブ１とシェル１０との間隔内を流通して出口１１ｂへ至る、熱交換する他方の流体の流通路が形成されている。燃焼排気は、熱交換の過程で低温下して浸食性の結露を生じるので、各部材の素材として、耐食性に優れたステンレス鋼が用いられ、各部材は気密、液密に接合され、流体の漏洩が防止されている。

次に、この廃熱回収用熱交換器の作動を説明する。
エンジンやボイラー等の燃焼排気は、入口１６ａから一端のヘッダー空間１７内へ流入し、各チューブ１を分流して流通し、水は、入口１１ａからシェル１０内へ流入し、各チューブ１間のスパイラル状の間隙内を畝るように流通する。そして、各チューブ１の管壁を介して燃焼排気と水との間で熱交換が行われ、低温下された燃焼排気が出口１６ｂから排気され、加熱された高温水が出口１１ｂから吐出され、燃焼排気に含まれる潜熱が回収される。

以上、実施例について説明したが、この発明のシェルアンドチューブ式熱交換器は、加熱・冷却・蒸発・凝縮等、様々な用途に適用し、チューブ１の径、スパイラルのピッチ、適用本数等を流体の流量や特性に応じて設定することで、各種の熱関連装置に用いる熱交換器に適用可能である。なお、この発明の明細書及び請求の範囲の記載で、複数のチューブ１を同軸的に束ねるとは、必ずしも各チューブ１のスパイラルの軸心が完全一致することを意味するものではなく、偏心状態も含む広義の意味である。

１チューブ
１０シェル

Claims

シェル１０内に複数のチューブ１を軸方向に沿って収納し、熱交換する一方の流体がチューブ１内を流通し、他方の流体がシェル１０とチューブ１の間隔内を流通し、二種類の流体が熱交換を行うシェルアンドチューブ式熱交換器において、
チューブ１をスパイラル加工して螺旋状に形成し、複数のチューブ１を、各チューブ１が離間した状態で同軸的に束ね、シェル１０内に配置したことを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器。
熱交換する一方の流体が燃焼排気であり、他方の流体が水であり、燃焼排気の潜熱を回収する廃熱回収用熱交換器である請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。