JPH061156B2

JPH061156B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JPH061156B2
Application number: JP62050074A
Authority: JP
Inventors: 敏行 ▲高▼木; 菊男梅垣; 一克三木; 厳原田; 宏朋台; 元正布施; 文夫高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-08-22
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: JPS63153395A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、熱交換器に係り、特にシエルアンドチューブ
型で内部にシェルの軸方向からシェルの半径方向に流れ
方向を変えるシェル側流体通路を有する熱交換器に関す
る。

〔従来の技術〕

本発明の対称となる熱交換器は、スチレンモノマー反応
器等の科学プラントで用いられている熱交換器である。
このスチレンモノマー反応器の構造を第７図を用いて説
明する。燃焼ガスが、高温側流体として、円筒状の入口
配管１から、シェル２内に流入する。燃焼ガスは、シェ
ル２内でバッフル板３によって、シェル２の軸方向から
シェル２の半径方向に流れの向きを変えられる。エチル
ベンゼンが主成分であるプロセスガスが、低温側の流体
として、触媒４の詰められている複数の伝熱管５内を流
れている。多数の伝熱管５は、シェル２内でその軸方向
に配置されている。燃焼ガスは、伝熱管群の間をシェル
２の中心部から外側に放射状に広がって流れ、シェル２
とバッフル板３との間に形成されたギャップ６を通つて
下側に流れ、再び伝熱管群の間を外側からシェル中心に
向って流れ、シェル２の下部に設けられた出口配管７に
流入してシェル３の外部へ導かれる。

この熱交換器は、エチルベンゼンの吸熱反応である脱水
素反応により、伝熱管５内でスチレンモノマーを生成す
る。従って、燃焼ガスとプロセスガスとの熱交換効率を
向上させることがスチレンモノマーの生成効率の向上に
つながる。熱交換効率を向上させるためには、伝熱管群
の間を流れる燃焼ガスの流速分布を均一にし、偏流の少
ない流速分布を得ることが必要となる。

このような、流体の流れの向きを急変させた場合に生じ
る偏流を低減させる方法として、流路中に何らかの物体
を設置する方法が知られている。このような方法の第１
の従来例として、第５図に示すごとく、主流方向が変化
するＴ型分岐管において、Ｔ型分岐部の直角に交わる角
度を構成する部位から両側方向に延びた分岐管内に流線
形のガイドベーンを設けたものがある（特開昭58-39993
号公報）。

第２の従来例としては、伝熱管外の他の流体と熱交換す
る物体の導入管を囲んだ複数の伝熱管が、その両端をそ
れぞれのプレナムに開口して管板支持され、前記導入管
に導入された流体がその導入管末端側のプレナム部で反
転し、伝熱管内を逆流して他のプレナムから流出する熱
交換機構を備えるものにおいて、導入管末端側プレナム
内にリング状多孔板を設けたものがある（特公昭52-165
80号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第７図に示した従来の熱交換器では、燃焼ガスが円筒状
の配管からシェル２の半径方向部へ流れる際に直角にそ
の流れの向きを変えるため、シェル側流体通路の伝熱管
群領域入口付近で偏流が生じ熱交換効率を低下させる。
第８図に、熱交換器内の燃焼ガスの流速分布を、第９図
に、バッフル板３の上部の伝熱管群領域の燃料ガスの詳
細な流速分布を示す。この２つの図から判るように、シ
ェル２内の流れ方向が変わる部分で渦が生じ、その結果
としてシェル側流体通路の伝熱管群領域入口で大きな偏
流が生じる。

このような偏流を防止するために、第７図の熱交換器に
第１の従来例の構造を適用することも考えられる。しか
しながら第１の従来例は、第１０図に示すように、Ｔ型
分岐部の直角に交わる角度での境界層のはく離を防止す
るものであるが、流量の大小によらず整流効果を保つた
めには、流量に依存して形状を変更する必要がある。ま
た、既存の熱交換器に適用する場合には、シェル部を解
体せずにガイドベーンを設置することが困難であるとい
う問題もある。

また、第２の従来例の適用も考えられる。しかし、第２
の従来例の下部プレナム内の構造を第７図の熱交換器に
適用すると、第１１図に示すように、流体通路内で伝熱
管群領域の上流側に、入口配管１と同心円状にリング状
の多孔板１２を設けた構造になる。このリング状多孔板
１２は、円筒である。このような第２の従来例では、シ
ェル側流体通路中に抵抗を設置することになるので、圧
力損失が増加し、燃焼ガスのポンプやブロワー等の別の
動力源が必要となる場合もある。

本発明の目的は、伝熱管群領域入口における流体の偏流
を防止し、低い圧力損失で流体を伝熱管群領域へ均一に
流量配分できる熱交換器を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］上記の目的は、シェルと、該シェル内でその軸方向に設
けられて内部に第１流体が流れる複数の伝熱管と、該複
数の伝熱管を配置して構成した伝熱管群領域と、前記シ
ェルの軸方向から前記複数の伝熱管と交差する方向に流
れ方向を変えて前記第１流体と熱交換する第２流体を導
く前記シェル内の流体通路と有する熱交換器において、
前記流体通路内の前記流れ方向が変わる部分に、前記第
２流体を分流させると共に、該分流させた第２流体を前
記伝熱管群領域の上流側で合流させる手段を配置するこ
とにより達成できる。

［作用］本発明では、流体通路内におけるシェルの軸方向から複
数の伝熱管と交差する方向に流れ方向が変わる部分に、
第２流体を分流させる手段を配置しているので、該手段
の整流作用により、流れ方向が変わる部分より下流側の
流体通路において第２流体の偏流を防止し、低い圧力損
失で伝熱管群領域へ均一に流量配分できる。また、伝熱
管群領域の上流側で第２流体を合流させる手段を配置し
ているので、この合流により第２流体を更にミキシング
でき、伝熱管群領域への流量配分を更に均一化できる。

〔実施例〕

本発明の好適な一実施例を化学プラント等に用いられる
スチレンモノマー反応器を例にとって説明する。本実施
例の熱交換器１０は、第１図に示されるように、シェル
２，バッフル板３，伝熱管５及びリング状の分配板８を
有している。シェル２の軸心部に上部及び下部に入口配
管１及び出口配管７が設けられる。上部管板９Ａは、シ
ェル２内に設けられて入口配管１を取囲むように入口配
管１に取付けられる。入口配管１，シェル２及び上部管
板９Ａに囲まれた内部が、上部プレナム１３である。下
部管板９Ｂは、シェル２内に設けられて出口配管７を取
囲むように出口配管７に取付けられる。シェル２，出口
配管７及び下部管板９Ｂに取囲まれた内部に、下部プレ
ナム１４が形成される。伝熱管５の両端は、上部管板９
Ａ及び下部管板９Ｂにそれぞれ取付けられている。伝熱
管５の軸方向中央部で伝熱管５と交差するようにバッフ
ル板３が設置されている。伝熱管５は、バッフル板３を
貫通している。多数の伝熱管５が、シェル２内でシェル
２の周辺部に配置され、環状の伝熱管群領域を形成して
いる。伝熱管５，上部プレナム１３及び下部プレナム１
４内に、触媒４が充填されている。下部プレナム１４内
に設けられた多孔板１５Ｂにより触媒４の落下が防止さ
れる。上部プレナム１３内の触媒層の上面付近に多孔板
１５Ａが設置され、触媒４の流体による差上げを防止し
ている。

入口配管１，バッフル板３と上部管板９Ａとの間に形成
される通路１６Ａ，シェル２とバッフル板３との間に形
成される通路１６Ｂ，バッフル板３と下部管板９Ｂとの
間に形成される通路１６Ｃ、及び出口配管７によって形
成される燃焼ガス通路１６が、シェル２内に形成され
る。通路１６Ａ及び１６Ｃは、伝熱管群領域の各伝熱管
５相互間に形成される空間である。燃焼ガス通路１６の
シェル２の軸方向に延びる入口配管１からシェル２の半
径方向に延びる通路１６Ａへと流れ方向が変わる曲り部
１６Ｄ内に円形のリング状板８が配置される。リング状
板８は、通路１６Ａの上下方向の真中に位置しており、
バッフル板３に取付けられたサポート１７上に設置され
る。リング状板８は、中央部に開口１９を有し、環状の
伝熱管群領域と同心円状に配置されるとともに、シェル
２の軸心と垂直になるように配置されている。環状間隙
１８が、リング状板８の外周と伝熱管群領域の最内周に
位置する各伝熱管５との間に形成される。

エチルベンゼンが主成分であるプロセスガスが、入口２
０Ａから上部プレナム１３内に流入し、伝熱管５及び下
部プレナム１４内を通過して出口２０Ｂより流出する。
プロセスガスは、上部プレナム１３，伝熱管５及び下部
プレナム１４内を通過する間に触媒４と接触する。

高温の燃焼ガスは、入口配管１からシェル２内に導入さ
れ、曲り部１６，通路１６Ａ，１６Ｂ及び１６Ｃを通
り、出口配管７よりシェル２外へ流出する。燃焼ガス
は、通路１６Ａ及び１６Ｃを通過する間に伝熱管５内を
流れるプロセスガスを加熱する。

曲り部１６Ｄにおける燃焼ガスの流れを詳細に説明す
る。入口配管１から流入した燃焼ガスの一部は、リング
状板８によってシェル２の半径方向に流れの向きが変更
され、リング状板８の上面に沿いながら通路１６Ａに向
かって流れる。残りの燃焼ガスは、リング状板８の開口
１９を通過した後、バッフル板３によってシェル２の半
径方向に流れの向きが変更され、リング状板８の下方を
通路１６に向って流れる。このような燃焼ガスのリング
状板８の上方，下方への流量配分は、リング状板８の開
口１９の面積と入口配管１の断面積との比である開口比
に依存する。リング状板８によって上下に分流された燃
焼ガスの一部は、環状間隙１８にて再び合流されて分流
された燃焼ガスが混合される。すなわち、入口配管１内
を流れる燃焼ガスが前述のようにリング状板８の上下に
流量配分されるが、燃焼ガスの流量の変化により開口比
が最適からずれた場合には、リング状板８の上下の流量
比が１からずれる。しかし、このような場合には、リン
グ状板８の上下での燃焼ガス流量配分の差によって生じ
る圧力差により上下の燃焼ガスの流れが環状間隙１８で
ミキシングされるので燃焼ガスの上下の流量配分の差が
小さくなり整流化が促進される。

本実施例における燃焼ガス通路１６内の流動を３次元の
熱流動解析プログラムを用いてシミュレートした。その
シミュレーションを第２図、第３図及び第４図に基づい
て説明する。シミュレーションの対象にした燃焼ガス通
路１６及びリング状板８の形状パラメータを第２図に示
す。本シミュレーションは、円板の開口面積Ａｉと円筒
状配管の断面積Ａｐの比である開口比と、円板の外径Ｄ
ｏと管群領域の内径Ｄｔとの比をパラメータとして解析
した。第３図に、数値解析に用いた燃焼ガス通路１６の
座標格子の鳥瞰図を示した。伝熱管群領域での流れに対
する伝熱管群の影響は、流れに対する流動抵抗として取
り扱った。第４図及び第５図に、Ａｉ／Ａｐ＝０．８，
Ｄｏ／Ｄｔ＝０．９、円筒状の入口配管１での平均レイ
ノルズ数＝１０^６とした場合の流速分布を示した。第４
図と第８図，第５図と第９図を比較することにより、リ
ング状板８を曲り部１６Ｄに設けることにより伝熱管群
領域入口部の偏流が改善され、最大速度（Ｖ_max）と平
均速度（Ｖ_av）の比が、伝熱管群領域の全ての位置で減
少していることがわかる。第６図に、リング状板８開口
比と燃焼ガス流量比との関係を、横軸を熱交換器のｒ方
向として示した。Ｗ_upはリング状板８の上方を流れる燃
焼ガス流量、Ｗｔは全燃焼ガス流量である。ここで、燃
焼ガス流量比とは、リング状板８と上部管板９Ａとの間
を流れる燃焼ガス流量（Ｗ_up）と全燃焼ガス流量（Ｗ
ｔ）の比（Ｗ_up／Ｗｔ）である。従って、燃焼ガス流量
比が０．５になることが、整流比の条件となる。第６図
中のリング状板８のない場合の結果は、従来例に対する
解析結果を示している。第６図より、Ａｉ／Ａｐ＝０．
８の場合が最も整流化の効果が大きいことがわかる。ま
た、圧力損失は、リング状板８のない場合を100％とす
ると、Ａｉ／Ａｐ＝０．５の場合は９９％，Ａｉ／Ａｐ
＝０．６の場合９５％，Ａｉ／Ａｐ＝０．８の場合８８
％となることがわかった。

本実施例によれば、リング状板８の設置により、伝熱管
群領域入口部分での偏流を低減し、熱交換効率を向上さ
せ、しかも、圧力損失も低下させることができる。新設
の熱交換器に適用する際には、従来の構造を大幅に変更
することなく、リング状板８だけを追加して設置すれば
良い。また、既設の熱交換器には、リング状板８を分割
して入口配管１から挿入した後、内部で溶接してリング
状板８を製作し、設置すれば良く、シェル２を解体する
必要がない。

リング状板の他の実施例を第１２図に示す。本実施例の
リング状板８Ａは、円形をしており、外周部に多数の孔
２１を設けたものである。第１図の熱交換器でリング状
板８の代りにリング状板８Ａを用いた場合には、外周部
付近でリング状板８Ａの上下の燃焼ガス流量がアンバラ
ンスになる場合、燃焼ガス流量が多い方から少ない方へ
燃焼ガスが孔２１を通して流入し、これにより上下の流
れのミキシングが起こり、第５図に示した流量分布がさ
らに均一化される効果がある。また同じ効果は、第１３
図に示したリング状板８Ｂをリング状板８の代りに用い
た熱交換器においても得られる。リング状板８Ｂは、外
周部に歯車状の切欠き２２を設けたものである。

本発明の他の実施例を第１４図に示す。第１図の実施例
と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の
熱交換器２５は、３枚の円形のリング状板８を燃焼ガス
通路１６の曲り部１６Ｄに配置した点において熱交換器
１０と相違している。３枚のリング状板８は、通路１６
Ａに向って互いに並行でシェル２の軸心に垂直に配置さ
れている。各リング状板８は、バッフル板３から入口配
管１の方向に向うに伴って、外径及び内径とも大きくな
っている。また、下方に位置するリング状板８の外径
は、そのすぐ上に隣接するリング状板８の内径よりも大
きい。このため、隣接して配置されているリング状板８
は、シェル２の軸方向で一部が互いに重なり合ってい
る。図示されていないが各リング状板８はサポート１７
によってバッフル板３にそれぞれ固定されている。最上
部に配置されたリング状板８の外径は、入口配管１の内
径よりも大きい。中央に位置する開口１９の開口面積を
最下方のリング状板８より1/4，2/4及び3/4としてリン
グ状板８相互の間隔を等しくしている。各リング状板８
の外周と伝熱管群領域の最内周に位置する伝熱管との間
に、熱交換器１０と同様に環状間隙１８Ａがそれぞれ形
成されている。各環状間隙１８Ａの半径方向の幅は、下
方のリング状板８に対応するほど広くなっている。

リング状板８を曲り部１６Ｄに配置した本実施例の熱交
換器２５は、熱交換器１０と同じ機能を奏することがで
き同じ効果を得ることができる。さらに、本実施例は、
複数のリング状板８を曲り部１６Ｄに配置しているの
で、熱交換器１０よりも伝熱管群領域の入口部で一様な
燃焼ガスの速度分布が得られ、最も望ましい整流状態が
得られる。

本発明の他の実施例である熱交換器２６を第１５図に示
す。本実施例の熱交換器２６は、２枚のリング状板８を
燃焼ガス通路１６の曲り部１６Ｄに配置したものであ
る。２枚のリング状板８は、外径が等しく内径が異なっ
ている。上方のリング状板８の内径は、下方のリング状
板８のそれよりも大きくなっている。本実施例は、熱交
換器２５と同様な効果を生じる。

本発明の他の実施例である熱交換器２７を第１６図に示
す。本熱交換器２７は、熱交換器２５の３枚のリング状
板８を３枚のリング状体８Ｄに置替えたものである。各
リング状体８Ｄは、リング状板部８Ｅ及び円筒部８Ｆと
からなっている。リング状板部８Ｅは、中央部に開口１
９Ａを有する円形のリング状板である。円筒部８Ｆは、
リング状板部８Ｅに開口１９Ａを取囲むように取付けら
れている。３枚のリング状体８Ｄは、燃焼ガス通路１６
の曲り部１６Ｄ（バッフル板３より上方）にリング状板
部８Ｅが垂直に配置されている。各円筒部８Ｆは、シェ
ル２の軸方向を向いている。３枚のリング状体８Ｄは、
互いに隣接しているリング状板部８Ｅ相互間の間隔が等
しくなっている。３枚のリング状体８Ｄの外径は同一で
ある。しかし、開口１９Ａの内径、すなわち円筒部８Ｆ
の内径は、上方に位置するリング状体８Ｄほど大きくな
っている。

本実施例の熱交換器２７も、前述した各実施例と同様に
伝熱管群領域よりも外側にある燃焼ガス通路１６の曲り
部１６Ｄに、シェル２の軸心と垂直、すなわち伝熱管５
と交差する方向（具体的には伝熱管５にも垂直）に、リ
ング状板部８Ｅを配置し、リング状板部８Ｅの外周と伝
熱管群領域の内周面との間に環状間隙１８を形成してい
るので、熱交換器２５と同じ効果を得ることができる。
さらに、本実施例は、リング状体８Ｄが円筒部８Ｆを有
しているので、伝熱管群領域への燃焼ガスの流量配分が
シェル２の軸方向でより均一化される。

リング状体の他の実施例を第１７図に示す。このリング
状体８Ｇは、リング状板部８Ｅと陣笠状をしたテーパ部
８Ｈからなっている。テーパ部８Ｈは、上方から下方に
向って内径及び外径とも増大している。テーパ部８Ｈの
上端に開口が形成される。熱交換器２７が３枚のリング
状体８Ｄの代りにリング状体８Ｇを用いても、熱交換器
２７と同じ効果を得ることができる。

〔発明の効果〕本発明によれば、伝熱管群領域の上流側で流体を分流さ
せた後に合流させることによって、伝熱管群領域入口に
おける流体の偏流を防止し、低い圧力損失で流体を伝熱
管群領域へ均一に流量配分できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である熱交換器の縦断面図、
第２図は第１図の熱交換器のリング状板の形状パラメー
タを示す説明図、第３図は３次元の解析に用いた第１図
の燃焼ガス通路の座標格子鳥瞰図、第４図は第１図の実
施例の熱交換器内の流体の流速ベクトルを示す説明図、
第５図は第１図の熱交換器内の伝熱管群領域の流速ベク
トル説明図、第６図はリング状板の開口比と流量比の関
係を表わす特性図、第７図は従来の熱交換器の縦断面
図、第８図は第７図に示す従来の熱交換器内の流体の流
速ベクトルを示す説明図、第９図は第７図の熱交換器内
の伝熱管群領域の流速ベクトルを示す説明図、第１０図
は従来のＴ型分岐管でのガイドベーンを示す構成図、第
１１図は従来のリング状多孔板を第７図の熱交換器を適
用して得られた熱交換器の縦断面図、第１２図及び第１
３図は第１図のリング状板の他の実施例の平面図、第１
４図，第１５図及び第１６図は本発明の他の実施例であ
る熱交換器の縦断面図、第１７図は第１６図のリング状
体の他の実施例である縦断面図である。１…入口配管、２…シェル、３…バッフル板、４…触
媒、５…伝熱管、７…出口配管、８，８Ａ，８Ｂ…リン
グ状板、８Ｄ…リング状体、９Ａ…上部管板、９Ｂ…下
部管板、１６…燃焼ガス通路、１８…環状間隙。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原田厳茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者台宏朋山口県下松市東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者布施元正茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者高橋文夫茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献特開昭54−24353（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−39993（ＪＰ，Ａ) 特公昭49−30181（ＪＰ，Ｂ１) 特公昭52−16580（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シェルと、該シェル内でその軸方向に設け
られて内部に第１流体が流れる複数の伝熱管と、該複数の伝熱管を配置して構成した伝熱管群領域と、前記シェルの軸方向から前記複数の伝熱管と交差する方
向に流れ方向を変えて前記第１流体と熱交換する第２流
体を導く前記シェル内の流体通路とを有する熱交換器に
おいて、前記流体通路内の前記流れ方向が変わる部分に、前記第
２流体を分流させると共に、該分流させた第２流体を前
記伝熱管群領域の上流側で合流させる手段を配置したこ
とを特徴とする熱交換器。
【請求項２】シェルと、軸心が前記シェルの軸心と並行
になるように前記シェル内の周辺部に配置されて内部に
第１流体が流れる複数の伝熱管と、前記シェルの中央部に配置されて周辺部を前記複数の伝
熱管が貫通するバッフル板と、前記シェルの中央部で前記バッフル板に沿って該シェル
の軸方向から半径方向に流れ方向を変え前記第１流体と
熱交換する第２流体を前記複数の伝熱管の間隙に導く流
体通路とを有する熱交換器において、前記シェルの軸心に垂直な部分を少なくとも下流側の部
分に有する偏流防止手段を、前記複数の伝熱管が配置さ
れた伝熱管群領域の内側との間に間隙を形成するよう
に、前記流体通路内の前記流れ方向の変わる部分に配置
したことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】前記偏流防止手段はリング状の板であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の熱交換器。
【請求項４】複数の前記リング状板を前記流れ方向の変
わる部分に並行に配置し、該リング状板の外周と前記伝
熱管群領域との間の間隙が大きいほど該リング状板の内
径を小さくし、隣接する該リング状板は前記シェルの軸
方向で互いの一部が重なることを特徴とする特許請求の
範囲第３項記載の熱交換器。