JPH0241503Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は熱交換器に関し、特に排ガスで燃焼用
空気等を予熱するために設置される垂直形の熱交
換器に関するものである。

〔従来の技術〕

例えば、第３図及び第４図に示すように、焼鈍
炉３１の輻射管３２の排ガスを利用して燃焼用空
気を予熱するようにした燃焼用空気予熱設備にお
いては、個別熱交換器３３、部分集合熱交換器３
４、及び図示しない集合熱交換器に排ガスを通す
ことによつて熱回収をなし得るように構成されて
いる。即ち、空気供給管３６からこれら熱交換器
３３，３４を通つて予熱された燃焼用空気は、バ
ーナ３５に供給され、燃料を燃焼させて輻射管３
２内に高温排ガスを送出し、この輻射管３２を高
温にしてその輻射熱で焼鈍炉３１内を加熱し、輻
射管３２を出た排ガスは前記個別熱交換器３３、
部分集合熱交換器３４を通り、排ガス出口本管３
７を通つて集合熱交換器に供給されるようになさ
れている。

上記のような部分集合熱交換器３４を構成し得
る熱交換器として、例えば実開昭54−60351号公
報記載のものを挙げることができる。その熱交換
器は、垂直な筒状体の両端面側をそれぞれ上部端
板と下部端板とで覆つて両端板間を熱交換室とし
て形成すると共に、両端板間に上方から下方へと
排ガスを上記熱交換室内を通して流すための複数
の中空状伝熱チユーブを縦設する一方、上記熱交
換室内を上方から下方へと被加熱空気を流すため
に、この熱交換室の上部側に空気流入管を、また
下部側に空気流出管をそれぞれ接続している。ま
た、この熱交換室内を高温ガスが流れる際の筒状
体の熱伸縮を吸収するために、下部端板は、ベロ
ーズ等の伸縮管を介して筒状体の下部側に接続さ
れると共に、筒状体と伝熱チユーブとの熱伸縮量
の差を吸収するために、各伝熱チユーブの下端側
はそれぞれ伸縮管部を介装して下部端板に取付け
られている。

しかしながら、上記のように各伝熱チユーブ毎
に伸縮管部を介装する構成においては、製作コス
トが極めて高くなり、また、製作期間が長くかか
ること、さらにメインテナンス性が悪く、補修が
困難であるという問題を生じる。

そこで、各伝熱チユーブ毎に伸縮管部を設ける
構造に替えて、筒状体に伸縮管部を介装し、これ
にて筒状体と伝熱チユーブとの熱伸縮量の差を吸
収する構造も採用されており、その一例につい
て、第５図を参照して説明する。

第５図において、垂直な筒状体４１の下部は下
部管板４２で区画されて排ガス流入室４３が形成
され、伸縮管部４４を備えた排ガス入口管４５が
接続されている。前記下部管板４２とその上方に
配設された上部管板４６との間には、排ガスが通
過する複数の伝熱チユーブ４７が配設されかつ空
気入口管４８と空気出口管４９が上下端部に接続
された熱交換室５０が形成され、上部管板４６上
には排ガス流出室５１が形成されている。この熱
交換器４０は、前記筒状体４１の上端に設けられ
たフランジ５２にて支持されている。そして、熱
交換室５０の中間部と排ガス流入室４３の上部と
に伸縮管部５３，５４が設けられ、高温の排ガス
が流通する際に生じる筒状体４１の熱伸縮を排ガ
ス流入室４３の上部の伸縮管部５４にて吸収する
と共に、筒状体４１と伝熱チユーブ４７との熱伸
縮量の差を熱交換室５０の中間部の伸縮管部５３
にて吸収するようになつている。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記第５図に示した構造の熱交
換器４０においては、排ガス流入室４３側に設け
られている伸縮管部４４，５４に損傷を生じ易い
という問題を生じている。つまり、この排ガス流
入室４３周辺位置では、被加熱空気との熱交換前
の高温温度状態の排ガスが直接的に接するため
に、これらの伸縮管部４４，５４も高温の温度状
態となる。このような熱的負荷の大きい状態、す
なわち、強度の低下した状態での伸縮動作が繰返
されるために、亀裂等の損傷が生じ易いものとな
つているのである。

特に、上記従来構成においては、伸縮管部４
４，５４のうち、排ガス入口管４５に介装されて
いる伸縮管部４５に、より顕著に損傷が生じ易
い。それは、筒状体４１が上部で支持し固定され
ているため、下方へと伸びる熱膨張が全体に生
じ、この伸び変形を吸収すべく伸縮管部５４が設
けられている訳であるが、この伸縮管部５４の下
側の排ガス流入室４３は固定されていないため
に、上記伸縮管部５４には熱膨張の吸収動作を殆
ど生じないためである。この結果、排ガス流入室
４３が下方へと変位し、これにより、排ガス入口
管４５の伸縮管部４４に曲げ応力が作用する。こ
うして、曲げの合成された応力が作用するため
に、この伸縮管部４４に特に損傷を生じ易いもの
となつている。

本考案は、上記に鑑みなされたものであつて、
その目的は、熱伸縮を吸収すべく介装される伸縮
管部の破損を抑制し、これにより、長寿命化を図
り得る熱交換器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本考案の熱交換器は、略垂直な筒状体
の内部が下部管板と上部管板とで区画されて下部
管板の下側に排ガス流入室、下部管板と上部管板
との間に熱交換室、上部管板の上側に排ガス流出
室がそれぞれ形成され、また、上記排ガス流入室
から排ガス流出室へと熱交換室を通して排ガスを
流すための複数の中空状伝熱チユーブが両管板間
に縦設されると共に、筒状体における熱交換室を
囲繞する部位の上部側に空気入口管が、下部側に
空気出口管がそれぞれ接続され、さらに、上記筒
状体における排ガス流入室を囲繞する部位に固定
部が設けられると共に、この筒状体には、上部管
板と下部管板との間、及び上部管板よりも上方に
それぞれ伸縮管部が介装されていることを特徴と
している。

〔作用〕

上記の構成によれば、熱交換器全体の熱伸縮は
上部管板より上方位置の伸縮管部（以下、第１伸
縮管部という）によつて吸収され、また、筒状体
と伝熱チユーブとの熱伸縮の差は、下部管板と上
部管部の間の伸縮管部（以下、第２伸縮管部とい
う）にて吸収されるが、これら第１・第２伸縮管
部は熱負荷の小さい領域に配置されている。つま
り、熱交換室内の温度分布は、水平方向の断面内
では、排ガスが流れる伝熱チユーブ近辺の内方側
が高く、熱交換室を囲繞する筒状体側が低い温度
勾配を生じ、また、縦方向には、排ガスの流れる
方向に沿つて排ガス流入室側が高く、排ガス流出
室側が低い。さらに、上記では、被加熱空気は排
ガス流出側から熱交換室内へと流入されるので、
排ガス流出側はより低温の温度状態となる。そし
て、上記の第１・第２伸縮管部は、それぞれ水平
断面方向において最も低温温度状態となる筒状体
に沿つて設けられると共に、さらに縦方向におい
ても、温度の高い排ガス流入室側の位置ではな
く、特に第１伸縮管部は最も温度の低い排ガス流
出室側に設けられている。このように、各伸縮管
部は、より温度の低い領域にそれぞれ設けられ、
温度上昇に伴う強度の低下が抑制された状態での
熱伸縮の吸収動作を生じるようになつているの
で、亀裂等の破損を生じにくく、これにより、長
寿命化を図ることができる。

また、上記では、熱交換器の全体は排ガス流入
室外面の固定部で支持し固定されるので、熱伸縮
時にこの領域の変位は殆ど生じず、そのため、例
えば、この排ガス流入室に、前記従来例のよう
に、伸縮管部が介装されている排ガス入口管が側
方から接続される場合においても、上記排ガス入
口管の伸縮管部には曲げ応力は作用せず、この排
ガス入口管の熱膨張による軸方向の単純な引張圧
縮が作用するだけとなる。このように、上記排ガ
ス流入室に接続される排ガス入口管に対しても、
より損傷の生じにくい接続構造とすることができ
る。

〔実施例〕

以下、本考案の一実施例を第１図及び第２図に
基づいて説明する。

第１図において、垂直な筒状体１の下部が下部
管板２で区画されて排ガス流入室３が形成され、
伸縮管部４を備えた排ガス入口管５が接続されて
いる。下部管板２とその上方に配設された上部管
板６との間には熱交換室１０が形成され、排ガス
が通過する複数本の伝熱チユーブ７（図では１本
のみ表示）が配設されるとともに、その両端部が
下部管板２と上部管板６を貫通して溶接し固定さ
れている。また、この熱交換室１０の上下端部に
空気入口管８と空気出口管９が接続され、かつこ
れらの間に蛇行状の空気通路を形成するために邪
摩板１１が配設されている。前記上部管板６上に
は排ガス流出室１３が形成され、その上端外周に
フランジ１２が設けられている。前記排ガス流入
室３外面には固定部１６が設けられ、この固定部
１６と前記フランジ１２にてこの熱交換器２０の
全体を支持するように構成されている。一方、前
記熱交換室１０の中間部と上部管板６より上の排
ガス流出室１３外面に伸縮管部１４，１５が設け
られている。

なお、前記伝熱チユーブ７の下端部と下部管板
２の溶接取付部においては、第２図に示すよう
に、伝熱チユーブ７の下部管板２からの突出量を
ｈとし、伝熱チユーブ７の中心間距離（配置ピツ
チ）をｐとし、伝熱チユーブ７の外径をｄとし
て、伝熱チユーブ７の突き出し角度θを、 tanθ＝ｈ／（ｐ−ｄ）で定義して、このtanθが
0.291〜0.971の範囲となるように設定されてい
る。

以上の構成によると、熱交換器２０の全体が排
ガス流入室３の外面の固定部１６で支持し固定さ
れているので、熱伸縮時に下方に膨張せず、その
ため最も高温で熱負荷の大きい排ガス入口管５の
伸縮管部４には単純な引張圧縮が作用するだけ
で、曲げと引張圧縮の合成外力が作用することは
なく、破損しにくくなる。なお、熱交換器２０の
全体の熱伸縮は排ガス流出室１３に設けられた伸
縮管部１５の単純引張圧縮変形によつて応力吸収
され、また熱交換室１０における筒状体１と伝熱
チユーブ７との熱伸縮の差は、伸縮管部１４にて
吸収される。またこれら伸縮管部１４，１５は熱
負荷の小さい空気入口管８の近傍に配置されてい
るので、その寿命が著しく延長される。

一方、前記第５図に基いて説明した従来の熱交
換器４０においては、排ガス流入室４３でアフタ
ーバーニングによる溶損事故が発生するという問
題も生じていた。これは、下部管板４２と伝熱チ
ユーブ４７の取付部における伝熱チユーブ４７の
突出量ｈが20mm程度ありかつ伝熱チユーブ４７の
配列が密になつているため溶接時の作業性が悪
く、両者の溶接が溶込不良等の欠陥によつて不完
全となる。そのため熱負荷を受けると破損し易
く、破損すると熱交換室５０の燃焼用空気が排ガ
ス流入室４３に流入するためにバーナ３５への空
気の供給量が少なくなり、これにより不完全燃焼
を起こし、未燃焼ガスが排ガス流入室４３に入
り、そこで漏れ出した空気で燃焼するために生ず
るものであると考察された。

そこで、上記実施例における熱交換器２０にお
いては、下部管板２と伝熱チユーブ７の取付溶接
部において、伝熱チユーブ７の突出量ｈを前記の
ように設定し、これによつて、その溶接の作業性
等が改善され、このため、隅肉部の溶込み、両脚
長の均一性、溶接内部品質が良好となつて溶接が
完全なものとなり、熱負荷を受けても破損の虞れ
が無く、この結果、前記のようなアフターバーニ
ングを生じることがないことからも、熱交換器全
体の寿命が向上するものとなつている。

具体例を示すと、伝熱チユーブ７は、外径が
21.7mm、材質がSUS−304、チユーブ本数が45本、
伝熱面積が2.2m²であり、下部管板２は、板厚が
６mm、材質がSUS−309であり、チユーブ突出量
ｈは５mm（tanθ＝0.485）であり、筒状体１は、
外径が250mm、スケジユール５で、その材質は上
部がSUS−304、下部がSUS−309であり、上部
の伸縮管部１５は、材質がSUS−304、板厚0.6
mm、２山溶接タイプ、中間部の伸縮管部１４は、
材質がSUS−316、板厚0.6mm、２山溶接タイプと
した熱交換器20を構成し、これを従来より溶損事
故を生じがちであつた部分集合熱交換器３４に適
用したところ、溶損事故は皆無となつた。

尚、本考案の熱交換器は、上記個別熱交換器３
３と部分集合熱交換器３４と集合熱交換器の３段
階で熱回収する熱回収設備の部分集合熱交換器３
４に適用したものに限らず、１段階で熱回収する
熱交換器等、各種の熱交換器にも適用が可能であ
る。

〔考案の効果〕

本考案の熱交換器は、以上のように、略垂直な
筒状体の内部が下部管板と上部管板とで区画され
て下部管板の下側に排ガス流入室、下部管板と上
部管板との間に熱交換室、上部管板の上側に排ガ
ス流出室がそれぞれ形成され、また、上記排ガス
流入室から排ガス流出室へと熱交換室を通して排
ガスを流すための複数の中空状伝熱チユーブが両
管板間に縦設されると共に、筒状体における熱交
換室を囲繞する部位の上部側に空気入口管が、下
部側に空気出口管がそれぞれ接続され、さらに、
上記筒状体における排ガス流入室を囲繞する部位
に固定部が設けられると共に、この筒状体には、
上部管板と下部管板との間、及び上部管板よりも
上方にそれぞれ伸縮管部が介装されている構成で
ある。

これにより、筒状体全体の熱伸縮、及び筒状体
と伝熱チユーブとの熱伸縮をそれぞれ吸収する伸
縮管部は、熱負荷の小さい領域に配置されている
ので、温度上昇に伴う強度の低下が抑制された状
態での熱伸縮の吸収動作を生じ、この結果、亀裂
等の破損を生じにくい。また、熱交換器の全体が
排ガス流入室の外面の固定部で支持し固定されて
いるので、熱伸縮時にこの領域の変位は殆ど生じ
ず、そのため、例えば、この排ガス流入室に、前
記従来例のように、伸縮管部が介装されている排
ガス入口管が側方から接続される場合において
も、この排ガス入口管の伸縮管部には曲げ応力は
作用せず、軸方向の単純な引張圧縮が作用するだ
けとなるので、この部位における伸縮管部の損傷
も抑制される。このように、各伸縮管部の損傷が
抑制される結果、長寿命化を図ることができると
いう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の縦断正面図、第２
図は要部の拡大断面図、第３図と第４図は焼鈍炉
における熱交換器の配置を示す正面図と部分断面
側面図、第５図は従来例の縦断正面図である。 １は筒状体、２は下部管板、３は排ガス流入
室、４，１４，１５は伸縮管部、５は排ガス入口
管、６は上部管板、７は伝熱チユーブ、８は空気
入口管、９は空気出口管、１０は熱交換室、１３
は排ガス流出室、２０は熱交換器である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 略垂直な筒状体の内部が下部管板と上部管板と
   で区画されて下部管板の下側に排ガス流入室、下
   部管板と上部管板との間に熱交換室、上部管板の
   上側に排ガス流出室がそれぞれ形成され、また、
   上記排ガス流入室から排ガス流出室へと熱交換室
   を通して排ガスを流すための複数の中空状伝熱チ
   ユーブが両管板間に縦設されると共に、筒状体に
   おける熱交換室を囲繞する部位の上部側に空気入
   口管が、下部側に空気出口管がそれぞれ接続さ
   れ、さらに、上記筒状体における排ガス流入室を
   囲繞する部位に固定部が設けられると共に、この
   筒状体には、上部管板と下部管板との間、及び上
   部管板よりも上方にそれぞれ伸縮管部が介装され
   ていることを特徴とする熱交換器。