JPS6021319B2 - セラミック熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は放熱流体の流離と受熱流体の管路が互に交叉す
る熱交換器に関し、特に放熱流体の温度が８００〜１１
００『０の高温の場合に適する装置を提供するものであ
る。

すなわち耐熱性においても耐食性においてもすぐれた材
質である低膨脹性のセラミックパイプを熱交換ェレメン
トとして使用するもので、低膨脹材を用いることによっ
て発生する他の部材との間の熱堀彰脹差による漏洩その
他の問題点を高温流離の壁体との接続構成の改良によっ
て解決したシェルアンドチューブ式の熱交換器に関する
ものである。現在使用されている熱交換器は熱回収源が
熱風或は撚競排ガス等であるためその温度範囲は１００
〜１１００ｑ０と非常に幅が広いので、全部の温度に対
し安全に使用される材質の熱交換ェレメントはない状況
である。現在アルミニウムステンレス鋼、耐熱鋼等のェ
レメントが使用されているが、アルマイト加工した素材
は４００℃以下、ステンレス鋼、耐熱鋼でも８０び○以
下に制限され、これらの素材でもクリーンガスによる熱
交換であればかなり寿命はあるが、排ガス等の場合はガ
ス中に含まれるＳ０×、Ｎ０×、比ｓ等による腐食問題
や、熱による酸化や劣イ○現象があるためいずれも満足
できない現状である。まして工業炉で排出される８００
〜１１００ｑｏの高温排ガスに対しては全く使用できな
いものである。高温の８００〜１１００℃でＳＯ広、Ｎ
Ｏ洋等をふくむ排ガスに対し腐食に耐え、酸化も劣化も
生じない材料としてセラミックスが考えられるが、一般
のセラミックスは冷却、加熱の繰返いこ対し１００〜２
００ｑｏの温度差によって破壊する。特に熱膨脹係数が
２〜４×１０‐６／℃（２０〜８００℃）と小さいコー
ジライト（２Ｍｇ〇、２山２０３、＄ｉ０２）、ムライ
ト（ＳＡ１２〇３、奪ｊ０２）などのセラミックでもそ
の耐熱衝撃温度差は３００〜４００００以下であること
が知られている。さらに熱膨脹係数が０〜１×１０‐６
／（２０〜８００℃）と小さいリースポジューメンから
成る結晶化ガラスセラミックの場合はその耐熱衝撃温度
差は５００〜８００ｏｏと非常に良くなるので低膨脹性
セラミックを熱交換ェレメントパィプに用いることは熱
衝撃に対する安全性から有効である。しかし乍ら耐火物
などの熱膨ヒ眼係数は５〜８ｘｌｏ−６／℃（２０〜８
００ｑｏ）とかなり大きいので８００℃に加熱された場
合においての耐火物とコージラィト、結晶化ガラスの寸
法の常温の時との寸法の常温の時との寸法の差は１の長
さにおいてそれぞれ６．４柵と３．２肋、０．８柳とか
なり異つた値をとる。従ってこれらの組合せによって構
成された構造体は場合によってはその差が隙間となり、
逆の場合は熱膨脹材側が押しつぶされて破壊につながる
ことになる。このため膨脹率の異つたェレメント特にそ
の差の大きい場合例えば耐火物とコージライト、耐火物
と結晶化ガラスセラミック等の組合せを熱設備に使用す
る場合には特別の配慮を要することとなる。本発明はこ
のような熱膨脹差のあるヱレメントの組合せで温度の高
い場合すなわち８００〜１１００００のような高い温度
範囲で使用可能な熱交換器に関するものである。

以下本発明の実施例を図面にもとずし、て詳説すると、
第１図は本発明の熱交換器の要部の基本的な構成を示す
縦断面図で、第２図は本発明の熱交換器の一部切欠斜視
図である。

第１図において耐熱低膨脹性のセラミックパィプーは熱
回収源となる放熱流体Ａが通る流路５を形成する断熱耐
火物から成る壁体２，３で両端を支持され、前記流路５
を貫通する。管路４を流れる受熱流体Ｂは前記セラミッ
ク／ぐィプーの入口６から入り、放熱流体Ａの流路５を
横断する間にセラミックパイプ１の管壁を通して伝達さ
れる熱を吸収し、出口７から流出する。セラミックパイ
プ１は壁体２，３の貫通孔によって支持されるが、入口
側の壁体２の貫通孔はセラミック／ぐィプーの外径より
梢大きい内側部分８と段部１７を経て拡大部分９から成
り関口側に通じる。拡大部分９とセラミック／ぐィプー
の間には管状の空隙部を形成し、この部分に耐熱性且つ
複元性を有する無機質繊維状の材料例えば１２００００
以上の耐熱性を有するアルミナセラミツクウールやアル
ミナ・シリケートセラミツクウールなどを充填し、その
充填層を保護し前記材料の脱落を防ぐため閉口側に耐熱
無機硬化接着剤例えば１２ｏぴ○以上の耐熱性を有する
アルミナセメント、スミセラム（商品名）、アロンセラ
ミツク（商品名）等を薄い層として塗布又は充填して硬
化させ封止部１１とする。出口側の壁体３とセラミック
パイプ１の取付け手段としては貫通孔の外側部分１２は
セラミックパイプ１の内径にほべ等しい貫通孔とし、段
部１６と前記流路５に通ずる拡大部分１３を達成する。
段部１６は挿入されるセラミックパイプ１の端緑に当接
してその位置を確定して、管長方向の一方に抜け出さな
いようストッパーの役目をさせる。拡大部分１３とセラ
ミック／ゞィプーの間に形成する空隙部には前記性質の
耐熱低性セラミックウールの充填層１４を設けその流路
５側の閉口部には入口側開口部と同様の前記耐熱性無機
硬化接着剤を薄い層として塗布するか又は充填して封止
部１５を形成する。このような構成で複数本のセラミッ
クパイプを放熱流体Ａの流路５を貫通して設けることに
よりシェルァンドチューブ熱交換器が得られる。パイプ
の設置本数は必要とする流量、温度によってさめるもの
で勿論設計上の事項である。本発明の熱交換器において
は８００〜１１００００の高温域において熱交換或は熱
回収を行うため管材としては少くとも１１００００の連
続使用温度に耐え、しかも軟化、変形、熱による組成変
化のないことと、排ガス中に混入のおそれある酸性或は
塩基性のガス体に腐食されないことが必要であり、又低
温の時急に高温ガスが流れたり高温時に低温ガスが流れ
たり、空気、水蒸気、水等による洗液を行うときの大き
な温度差、一般には５００〜８００午○の温度差を生ず
る場合があるが、この温度の急変による温度差に耐える
材質が要求される。このような条件をみたす材料として
工業的に実用に供し得るものはＢースポジューメン（Ｌ
ｉ２０、ＡＩ２０３、４Ｓｉ０２）の固溶体を主成分と
する低膨脹性結晶化ガラスセラミック（市販商品名ネオ
セラム・パイロセラム）に限られる。その特性は次に示
す如きものであってその熱膨脹率、耐熱性、耐熱衝撃性
、耐化学性等が前記の条件をみたすものである。この際
注意を要することは熱交換器を構成する他の材料とこの
耐熱性ガラスセラミックパイプの熱膨脹係数が非常に差
があることで、そのため単なる組合せの構成では膨脹差
により空隙を生‐じて漏れが発生したり圧縮されて破壊
されることになる。

第２図は本発明のシェルアンドチューブ形式の熱交換器
の一実施例を示すもので、熱源の放熱流体Ａの流路５を
横断して受熱流体を流す複数本の低膨脹性ガラスセラミ
ックパィプーが壁体２，３で支持されている。

前記受熱流体入口側の封止部１１および放熱流体流路側
の封止部１５によって放熱流体Ａと受熱流体Ｂは完全に
遮断封止される。受熱流体はフランジ２１によって接続
される送風機或は吸入孔より入口６に送入され、ヘッダ
ー１８に入り複数本の結晶化ガラスセラミックパイプ１
を通過する間に熱の伝達を受け出口７から出口側のへッ
ダー１９に入り昇温流体として送出される。一方放熱流
体Ａは流路５を通り結晶化ガラスセラミックパイプーの
周囲を加熱し、温度が下って矢印Ｙ−Ｙの方向に放出さ
れれる。このとき系全体が高温例えば１０００ｏ０の排
ガスが流路５を通過してセラミックパイプ１群や壁体２
，３を加熱し、排ガスの通路の壁面を形成する耐火物２
０も含めて同時に加熱され、排ガスに接する部分は１０
００００或はそれに近い温度に上昇する。このため各部
材は熱膨脹を生ずる。パイプは熱衝撃に耐えるため膨脹
の小さいものを用いているから系全体の膨脹に対しセラ
ミックパイプ１は追従しない。従ってセラミックパイプ
１と壁体２，３の間にはパイプ軸方向に滑りを生じ、洩
れの原因となる。若し洩れを生じないように固定すると
パイプは高温において大きな引張りを受け固定部が破壊
するかパイプが破断することになる。又放熱流路の流れ
方向に対する膨脹はパイプに対し横圧をかける原因とな
りパイプを圧嬢することになる。本発明のセラミック熱
交換器においては壁体の断熱耐火物とセラミックパイプ
の大きな熱膨脹差に対し無機質繊維剤から成るセラミッ
クウール層で貫通孔の管の外周面を被覆充填したので、
軸方向に滑りを生じても洩れを防ぐシール材としての機
能を果すとともにその複元性により横圧による破壊に対
し緩衝材の役割をも受持つことにより、８００〜１１０
０午０の高い温度範囲での熱交換が可能であり、かつ耐
蝕性を有する。

とくに８−スポジューメンの固漆体よりなる結晶化ガラ
スを使用した場合、５００〜８００００の急激な温度差
に対し、充分に耐える優れた効果がある。なお、入口出
口のそれぞれの関口端はセラミック接着剤で充填封止し
たのでセラミックウール充填材の保護と脱落を防止する
。出入口の貫通孔には夫々段部を形成したのでセラミッ
クパイプの抜け落ちを防ぎ且つセラミックウール充填材
の充填を容易確実にするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミック熱交換器の一実施例の要部
の縦断面図、第２図は同じく一部切欠斜視図である。 Ａ・・・・・・放熱流体、Ｂ・・・・・・受熱流体、１
・・・・・・セラミックパイプ、２，３・・・・・・壁
体、５・・・・・・流路、６……入口、７…・・・出口
。 鰭１図 鰭２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 断熱耐火物の壁体で形成された放熱流体の流路を耐
   熱低膨張性セラミツクパイプから成る受熱流体の管路が
   貫通横断する熱交換器において、該セラミツクパイプの
   前記流路に対する出入口部を前記壁体における貫通孔で
   支持し、出口側の該貫通孔は前記セラミツクパイプの内
   径にほヾ等しい外側部分とセラミツクパイプ外側面との
   間にセラミツクウールの充填層を介設した拡大部分を段
   設連成して前記流路側の開口端を無機硬化接着剤で封止
   するとともに、入口側の該貫通孔にはセラミツクパイプ
   に近接する内側部分とセラミツクパイプ外側面との間に
   セラミツクウールの充填層を介設した拡大部分を連成段
   設してその開口端に無機硬化接着剤を充填封止して成る
   セラミツク熱交換器。 ２ 前記耐熱低膨張性セラミツクパイプとして主構成物
   質が主としてβ−スポジユーメン（Ｌｉ＿２Ｏ．Ａｌ＿
   ２Ｏ＿３・４ＳｉＯ＿２）の固溶体よりなる結晶化ガラ
   スセラミツクパイプを用いたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のセラミツク熱交換器