JPH05231793A - 平行流形熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 胴側流体の入口部および出口部において、伝
熱管への流体力による振動および腐蝕などの悪影響を除
きつつ、流量分配の不均一をなくすこと。 【構成】 胴側流体用入口ノズル４ａは本体胴１よりも
直径を大きく形成されたノズル部胴２ａに設けられる。
ノズル部胴２ａは本体胴１の軸芯に対して偏心させて取
り付けられる。入口ノズル１ａは本体胴１を偏芯させた
方向と反対の方向に設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱交換に供される胴側流
体が伝熱管に沿って平行に流れる形式の熱交換器に係
り、特に伝熱管に沿う胴側流体の流れを本体胴断面内で
偏流なく形成するのに好適な平行流形熱交換器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】シェルアンドチューブ形熱交換器では伝
熱管内を流れる流体に対して本体胴側流体が蛇行流を保
持して流動する形式が多用されているが、この他に胴側
流体が平行流を保って流動する形式のものも用いられ
る。この流動形式においては伝熱管群内の胴側流体の流
れをできるだけ均一にすることが伝熱性能を確保する上
で特に重要である。したがって、伝熱管は胴断面内でな
るべく均一になるように配列される。さらに、本体胴は
伝熱管群との隙間を最小限とするような直径で製作され
る。

【０００３】このような構成の熱交換器では、胴側流体
の入口および出口部において伝熱管を直角または略直角
方向に通過する流れが存在する。この流れは伝熱管が密
に配列されていて流速が高い場合には伝熱管の振動を引
き起こし、あるいは伝熱管の表面に腐蝕を生じさせて非
常に有害である。そこで、これを避けるために従来より
図７に示すように、本体胴11の胴側流体ノズル14が設け
られる部分だけはその他の部分よりも直径の大きいノズ
ル部胴12を設け、伝熱管13に当たる流体の流速を下げて
いた。また、ノズル14は対向する部分に伝熱管保護用の
じゃま板15を併用するケースもある。なお、図中、符号
16は管板、符号17は管側流体ノズルを示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような構造を採用
することにより伝熱管の振動および腐蝕の問題は概ね回
避することが可能であった。しかしながら、胴側流体の
分配については依然として伝熱管群の断面内に均一に分
配することができない。

【０００５】すなわち、平行流形熱交換器では胴側流体
の流動抵抗のかなり大きい部分がノズル14などの入口部
および出口部に存在しているので、入口部または出口部
で流体の偏流があると、伝熱管長さ方向の相当広範囲に
わたり偏流状態が残ってしまい、なかなか消滅しない。
流体の偏流は熱交換器の効率に悪影響を及ぼし、実質的
な熱交換効率を低下させる原因となる。なぜならば、偏
流があると、流量の多い部分は熱伝達係数は大きくなる
けれども、流量に比例するほどの増大率ではないので、
温度効率は逆に低下する。つまり、その部分を流れた流
体は、例えば、加熱の場合には温度上昇の程度が低く、
一方、冷却の場合には温度低下の程度が低いといった具
合に出口温度が期待されるほどには変化しない。また、
流量の少ない部分では熱伝達係数は低下するが、出口温
度はかえって流量が少ないため加熱の場合には大きく上
昇し、冷却の場合には大きく低下する。そして、管側流
体との間の温度差が小さくなり、熱交換が余り進まなく
なる。その結果、胴側流体の出口において得られる全体
平均温度を理想的につくられた熱交換器の場合と比較す
ると、常に加熱または冷却が不足しがちとなる。また、
胴側流体の断面内温度分布がこのようになると、本体胴
１と伝熱管３の温度差が拡大し、熱応力の増大から破壊
に至ることもある。

【０００６】そこで、本発明の目的は胴側流体の入口お
よび出口部において、伝熱管への流体力による振動およ
び腐食などの悪影響を除きつつ、流量分配の不均一をな
くすようにした平行流形熱交換器を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は胴側流体が本体胴内の伝熱管に沿って平行に
流れるように入口ノズルをーのノズル部胴に、出口ノズ
ルを他のノズル部胴に設けてなる平行流形熱交換器にお
いて、入口および出口ノズルが設けられるノズル部胴の
胴直径を本体胴の要部胴直径よりも大きくし、かつノズ
ル部胴を本体胴軸芯に対して偏心させて設けたことを特
徴とする。また、好ましくは本体胴に対して偏芯させた
方向と反対の方向のノズル部胴に入口および出口ノズル
を設ける。

【０００８】さらに、好ましくは本体胴の端部をノズル
部胴の内部にまで延長して延長部を形成し、または別の
円筒あるいは円錐筒を本体胴の端部に設けてノズル部胴
の内部に突出せしめ、ノズル部胴に露出する伝熱管の一
部を囲むように形成する。

【０００９】また、好ましくは本体胴のノズル部胴に突
出させた延長部または円筒あるいは円錐筒の入口および
出口ノズルに対向する部分にノズル断面の投影面を完全
に包含する広がりを持たせ、それ以外の部分は任意の形
状に切り欠いて胴側流体の伝熱管群内部と連通する通路
を形成する。

【００１０】

【作用】本発明の構成を採ることにより、ノズル部胴の
内部には大きい空間が形成され、入口ノズルから内部へ
入る流体または出口ノズルから出ていく流体の流速がこ
こで一旦低下する。つまり、入口ノズルから入ってくる
流体に対しては、入口ノズルの部分におけるジェット状
の流体流れを本体胴の円筒または別の円筒あるいは円錐
筒で受けとめ、流れの方向をノズル部胴の全方位へと曲
げさせることができる。これにより伝熱管への流体力が
減衰される。そして、その円筒または円錐筒の切り欠き
部で形成された伝熱管群内部との連通通路から、徐々に
流体を伝熱管群内部へと導く。胴側流体は円筒または円
錐筒外面を周方向に流れて行くにしたがって伝熱管群内
部へと導かれて行くので流量が少なくなる。しかし、ノ
ズル部胴は本体胴に対して偏心して取り付けられている
ので、流量が少ない場所でも流速が高く保たれ、伝熱管
群内部へ入る流体の流量が均一化される。胴側流体の伝
熱管群の出口から出口ノズルに至る部分については、胴
側流体入口部と流動方向が逆になるのみで、作用は全く
同じである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図４を
参照して説明する。図１は本発明の平行流形熱交換器の
胴側流体入口付近の断面の一部を示している。また、図
２は図１と同じ部分を略45度方向から見た斜視図であ
り、分かりやすくするために一部は断面としている。図
１および図２において、伝熱管３は管群として構成され
るので、多数あるが、分かりやすくするためにその一部
または全部を省略してある。

【００１２】図１において、胴側流体用入口ノズル４ａ
は本体胴１よりも直径を大きく形成されたノズル部胴２
ａに設けられている。また、ノズル部胴２ａは本体胴１
の軸芯に対して偏心させて取り付けられている。入口ノ
ズル４ａは本体胴１を偏芯させた方向と反対の方向に設
けられている。さらに、本体胴１はノズル部胴２ａの内
部にまで延長されて延長部５ａとして突き出し、ノズル
部胴２ａに露出する伝熱管３の一部を囲むように形成さ
れている。そして、ノズル部胴２に突き出した延長部５
ａの入口ノズル４ａに対向する部分には、ノズル断面の
投影面を完全に包含する広がりがあり、それ以外の部分
は切り欠かれていて胴側流体の伝熱管群内部と連通する
通路８ａを形成している。以上の構造は立体的かつ模式
的に描かれた図２を見るとよく理解される。なお、これ
らの図中、符号６ａは伝熱管のため管孔９を多数穿った
管板を、また符号７ａは管側流体入口ノズルをそれぞれ
示している。一方、図３は胴側流体出口付近の断面の一
部を示しており、また図４は同じ部分の斜視図である。
ノズル部胴２ｂ、出口ノズル４ｂ、延長部５ｂおよび通
路８ｂは図示のように入口付近と反対の並びを保ってい
る。なお、図中、符号６ｂは管板を、また７ｂは管側流
体出口ノズルをそれぞれ示している。

【００１３】胴側流体入口および出口部上記のとおり構
成した本実施例は、ノズル部胴２ａ，２ｂの内部には本
体胴１に比べてはるかに大きい空間が形成され、入口ノ
ズル４ａから内部へ入る流体または出口ノズル４ｂを通
って出ていく流体の流速がここで一旦低下する。つま
り、一例として入口ノズル４ａから流体が入ってくる場
合には、図２の破線で示すようにノズル出口の部分にお
けるジェット状の流れを本体胴１の延長部５ａで受けと
め、流れの方向をノズル部胴２ａの全方位へと曲げて流
体の動圧を均一化させる。この際の流体の流路断面積は
入口ノズル４ａのそれに比べてはるかに大きいので流速
は十分低くなる。そして、流体はその延長部５ａの表面
に沿って流れながら、伝熱管群内部と連通された通路８
ａから徐々に伝熱管群内部へと流入していく、胴側流体
は延長部５ａの外面を周方向に流れて行くにしたがって
伝熱管群内部へと導かれて行くので流量が少なくなる。
しかし、ノズル部胴２ａと本体胴１とは偏心して取り付
けられているので、流量が少ない場所でも流速が高く保
たれ、伝熱管群内部へ入る流体の流量が均一化される。
胴側流体の流れが伝熱管群内から出口ノズル４ｂを通っ
て出ていく場合については、前述の説明と流体のながれ
方向が逆になるのみで作用は全く同じである。

【００１４】かくして、本実施例の構成によるならば、
胴側流体は伝熱管群の周囲全周から均等に流入または流
出し、伝熱管群断面内の流量分布が均一化されるので、
平行流となる本体胴１部において最大の熱交換効率を実
現することができる。また、胴側流体の断面内温度分布
が均一となり、本体胴１と伝熱管３との熱膨張差による
熱応力も最小となる。さらに、胴側流体の入口部におけ
る高速度の流体ジェットによる伝熱管３への振動あるい
は腐蝕等の悪影響も解消されるという効果もあって、信
頼性の高い熱交換器となる。

【００１５】次に、本発明の他の実施例を図５を参照し
て説明する。図２に示される実施例の本体胴１の延長部
５ａの一部に多数の透孔10を穿ったものである。本実施
例によれば、入口ノズル４ａから伝熱管群に流入する流
体、または伝熱管群から出口ノズル４ｂへと出ていく流
体の伝熱管群周方向の流量分布をより均一にすることが
できる。

【００１６】さらに、本発明の上記のものと異なる実施
例を図６を参照して説明する。ノズル部胴２ａ内に突き
出した延長部５ａを円錐の一部で形成し、取り付けたも
のである。円錐の切り欠き線は本実施例では滑らかな曲
線で形成してある。これらは伝熱管群にはいる流体また
はそこから流出する流体をスムーズに加速または減速し
て、より均一な流量分配を可能にするものである。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、胴
側流体は動圧を均一化され、伝熱管群の周囲全周から均
等に流入または流出する。これにより、平行流部の管群
断面内の流量分布が偏ることなく、均一化されるので、
圧力損失の不均一による流れの横断がなくなり、平行流
部での最大の熱交換効率を実現することができる。ま
た、胴側流体の入口または出口部における流体力による
伝熱管への振動および腐蝕等影響が完全に排除されるの
で、信頼性の高い熱交換器が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による平行流形熱交換器の一実施例を示
す断面図。

【図２】図１と同じ部分を示す斜視図。

【図３】図１の熱交換器の別な部分を示す断面図。

【図４】図３と同じ部分を示す斜視図。

【図５】本発明の他の実施例を示す斜視図。

【図６】本発明の他の実施例を示す斜視図。

【図７】従来の平行流形熱交換器を示す断面図。

【符号の説明】

１…本体胴 ２ａ，２ｂ…ノズル部胴 ３…伝熱管 ４ａ…入口ノズル ４ｂ…出口ノズル ５ａ，５ｂ…延長部 ８ａ，８ｂ…通路 10…透孔

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 胴側流体が本体胴内の伝熱管に沿って平
   行に流れるように入口ノズルをーのノズル部胴に、出口
   ノズルを他のノズル部胴に設けてなる平行流形熱交換器
   において、前記入口および出口ノズルが設けられるノズ
   ル部胴の胴直径を該本体胴の要部胴直径よりも大きく
   し、かつ前記ノズル部胴を本体胴軸芯に対して偏心させ
   て設けたことを特徴とする平行流形熱交換器。
2. 【請求項２】 本体胴に対して偏芯させた方向と反対の
   方向の該ノズル部胴に該入口および出口ノズルを設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の平行流形熱交換器。
3. 【請求項３】 前記本体胴の端部を前記ノズル部胴の内
   部にまで延長して延長部を形成し、または別の円筒ある
   いは円錐筒を該本体胴の端部に設けて該ノズル部胴の内
   部に突出せしめ、該ノズル部胴に露出する前記伝熱管の
   一部を囲むように形成したことを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の平行流形熱交換器。
4. 【請求項４】 前記本体胴の該ノズル部胴に突出させた
   延長部または前記円筒あるいは前記円錐筒の前記入口お
   よび出口ノズルに対向する部分にノズル断面の投影面を
   完全に包含する広がりを持たせ、それ以外の部分は任意
   の形状に切り欠いて胴側流体の伝熱管群内部と連通する
   通路を形成したことを特徴とする請求項１または２また
   は３記載の平行流形熱交換器。