JPS6360317B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は各種工業炉から排出される排ガスから
の熱回収などに使用されるシエルアンドチユーブ
型の熱交換器に関するものである。

（従来技術） 従来のシエルアンドチユーブ型の熱交換器は被
加熱流体を流通させる伝熱管として主にステンレ
ス鋼管が使用されているため、1000℃以上の高温
の排ガスとの熱交換には用いることができぬ欠点
があつた。そこで、特公昭57−51037号公報に示
されるように、耐熱性及び耐腐食性に優れたセラ
ミツク管を伝熱管に用いる試みもなされている
が、上記公報に示される熱交換器は複数のセラミ
ツク管の端部をＵ字型流路を備えた耐熱部材によ
り支持する構造とされているため、温度分布の不
均一等の原因により各セラミツク管に異なる熱膨
張が生ずると耐熱部材が破損したりガスリークを
生ずる虞れがあり、また、セラミツク管内を貫流
する被加熱流体は互いに混合されることがないの
で各流路毎に温度差を生じて熱交換効率が低下す
る等の欠点があつた。更にまた、上記のようなＵ
字型流路を内部に有する耐熱部材をセラミツク質
により製造することは困難であるため製造コスト
が極めて高くなる欠点もあつた。

（発明の目的） 本発明はこのような問題点を解決して1000℃以
上の高温度の排ガスにも使用することができるこ
とは勿論、セラミツク管等の破損やガスリークの
虞れがなく、熱交換効率が良好でしかも製造容易
な熱交換器を目的として完成されたものである。

（発明の構成） 本発明は高温加熱流体が貫流する枠体内に被加
熱流体が貫流する通孔を有するセラミツク管が多
数架設された直交流形の熱交換器において、前記
セラミツク管の両端部が該通孔と連通する透孔を
有する角柱状の壁面構成体を積重して構成した壁
体の各壁面構成体によつて支持され、一方の壁体
の各壁面構成体は前記枠体によつて支持されると
ともに他方の壁体の各壁面構成体は伸縮機構をは
さんで枠体に支持され、枠体の一方の外側部には
壁面構成体の透孔に連通されて所定の各セラミツ
ク管中を通過した被加熱流体を混合するとともに
残りのセラミツク管中へ循環導入する被加熱流体
混合室を設け、枠体の他方の外側部には前記所定
の各セラミツク管中へ被加熱流体を導入する流体
供給室と前記残りのセラミツク管中で更に加熱さ
れた被加熱流体を捕集する加熱流体室とを設けた
ことを特徴とするものであり、以下、図示の実施
例により詳細に説明する。

図中１は上下両面に開口部を有し、その内部を
排ガス等の高温加熱流体が矢印方向に貫流する流
路に形成した金属製の枠体であり、２は該枠体１
内に高温加熱流体の貫流方向と直角方向に多数架
設されたセラミツク管である。セラミツク管２は
炭化珪素のような耐熱性と耐腐食性に優れたセラ
ミツク材料から成るもので、その内部には空気等
の被加熱流体が貫流する通孔３が形成され、ま
た、その表面には多数のフイン４が形成されて伝
熱面積を拡大している。これらのセラミツク管２
の両端部は、その通孔３と連通する透孔５を中央
に有し積重されることにより第２図のように連続
した壁体を構成する角柱状の壁面構成体６によつ
てそれぞれ支持されている。壁面構成体６もセラ
ミツク管２と同様に炭化珪素のようなセラミツク
材料から成り、その外形状は第７図に示すように
例えば六角柱状をなし、セラミツク管２との接合
部７は球面状に凹ませて仮にセラミツク管２に熱
歪によるわん曲が生じてもセラミツク管２の半球
状の両端部との間に気密性が保持されるようにし
ている。これらの壁体のうち一方の壁体の各壁面
構成体６は第１図及び第５図に示すように、枠体
１の左側の壁面８にアダプター９を介して支持さ
れ、他方の壁体の各壁面構成体６は第１図及び第
６図に示されるように枠体１の右側の壁面１０に
伸縮機構１１をはさんで滑動自在に支持されてい
る。伸縮機構１１は長尺のアダプター１２とその
外周に設けられたコイルスプリング１３とから構
成されるもので、以上の構造によつて各セラミツ
ク管２は個別に枠体１の内部に伸縮自在に支持さ
れ、熱膨張差が生じても積重された壁面構成体６
相互間がスライドするのみでセラミツク管２等に
過大の応力がかかることが防止されている。な
お、各アダプター９，１２と壁面構成体６との接
合面も球面状に形成したうえ、シール材１４を塗
布して気密性を維持させガスリークを防止するこ
とが好ましい。第１図に示されるようにアダプタ
ー１２によつてセラミツク管２の通孔３及び壁面
構成体６の透孔５と連通されている枠体１の右側
の外側部には所定のセラミツク管２中を通過して
きた被加熱流体を混合したうえ残りのセラミツク
管２中へ循環導入する被加熱流体混合室１５が形
成され、また、枠体１の他方の外側部には所定の
セラミツク管２中へ被加熱流体を導入するための
流体供給室１６が設けられ、さらにその外側部に
加熱された被加熱流体を捕集する加熱流体室１７
が形成されている。本実施例においてセラミツク
管２の総数は30本であり、第３図に示されるよう
に枠体１内の高温加熱流体の排出側に位置する総
数の30〜50％に相当するセラミツク管２が流体供
給室１６に連結されて第１パスを形成しており、
高温加熱流体の導入側に位置する残りのセラミツ
ク管２は第５図に明示される金属管１８の内面に
セラミツク断熱材１９を挿入した導通管２０によ
りその外側部の加熱流体室１７に連通されて第２
パスを形成している。流体供給室１６には多数の
透孔２１を有する金属板２２が第３図に示すよう
に斜めに、且つ枠体１の壁面８と垂直に立設され
ており、また、被加熱流体混合室１５にもその約
半分の高さまでの多数の金属製の整流板２３が枠
体１の壁面１０と垂直に立設されている。金属板
２２と整流板２３はいずれも金属製の枠体１に直
接溶接され、枠体１がセラミツク管２の熱膨張に
より外方へ変形することを防止する補強リブとし
て使用するとともに、被加熱流体を整流して流体
供給室１６及び加熱流体混合室１５の内部で均一
な撹拌混合を生じさせる役割を果たすものであ
る。なお、２４は被加熱流体を流体供給室１６へ
導く導入口、２５は加熱された被加熱流体の取出
口、また、第８図に示される２６はセラミツク管
２及び壁面構成体６の内部に挿入されるセラミツ
ク製の分流体であつて中心孔２７と放射状の壁面
２８とを備え、セラミツク管２等の内部を流れる
被加熱流体を細かく分流させて内部の境膜伝熱係
数を増大させ、熱交換効率を更に増大させるため
のものである。

このように構成されたものは、枠体１の内部に
各種の工業炉から排出された排ガス等の高温加熱
流体を供給するとともに枠体１の外側部に設けら
れた流体供給室１６へ被加熱流体を供給すれば、
被加熱流体は流体供給室１６に連通する所定のセ
ラミツク管２に流入しその壁面を介して高温の加
熱流体から熱を受けて加熱された後に枠体１の他
方の外側部に設けられた被加熱流体混合室１５へ
流入し、ここで第１パスの各セラミツク管２を通
過してきた被加熱流体が互いに混合されて温度差
をなくされたうえ残りのセラミツク管２中へ循環
導入される。その後、被加熱流体は第２パスを形
成する残りのセラミツク管２中を通過する間に更
に加熱されたうえ被加熱流体を捕集する加熱流体
室１７に集められ取外されることとなる。このよ
うに本発明の熱交換器は２つのパスを有しその途
中で被加熱流体が互いに混合されて温度を均一化
されるので優れた熱交換効率が得られるものであ
り、また、伝熱管として耐熱性及び耐腐食性に優
れたセラミツク管２を使用しているために1000℃
を越える高温の排ガスとの間で熱交換を行なわせ
ることができ、1000℃以下の排ガスにしか用いる
ことのできなかつた従来の熱交換器に比較しては
るかに優れた温度効率を得ることができるうえに
金属製の伝熱管を使用した熱交換器によつては行
なうことができなかつた腐食性のガスからの熱回
収をも行なうことができる。また、このような高
温の排ガスが枠体１内に導入されると各セラミツ
ク管２は不均一に著しく熱膨張することとなる
が、セラミツク管２の両端部は積重されることに
より連続した壁体を構成する摺動自在な壁面構成
体６によつて支持されるとともに、壁面構成体６
の一方は伸縮機構１１をはさんで枠体１に支持さ
れているので、各セラミツク管２の熱膨張は壁面
構成体６の相互間の移動により吸収されてセラミ
ツク管２等を破損する虞れがない。しかも、壁面
構成体６は摺動しても依然として気密な壁面を構
成しているので枠体１内の高温加熱流体が外部へ
リークすることは完全に防止されるとともに伸縮
機構１１が熱劣化をうけることも防止されてい
る。なお、流体供給室１６に連通される第１パス
のセラミツク管２を全体の30〜50％とし、これら
のセラミツク管２内で加熱され膨張した被加熱流
体を被加熱流体混合室１５から加熱流体室１７へ
導く第２パスのセラミツク管２を全体の50〜70％
としておけば、被加熱流体の体積膨張に伴う圧力
損失を最小限にとどめることができる効果があ
る。

（発明の効果） 本発明は以上の説明からも明らかなように、金
属製の伝熱管を使用した従来のシエルアンドチユ
ーブ型の熱交換器によつては熱回収を行なうこと
ができなかつた1000℃以上の高温の排ガスや腐食
性のガスからも効率良く熱回収を行なうことがで
き、しかも、各セラミツク管に生ずる不均一な熱
膨張や収縮をセラミツク管の両端部を支持させた
壁面構成体により個別に吸収できるので、その破
損を防止することができるとともにガスリークを
も防止することができるものである。また、被加
熱流体を途中の流体混合室において混合撹拌する
ので温度の均一化が行われ、優れた熱交換効率が
得られるものである。更にまた、本発明の熱交換
器は従来のような特殊形状の耐熱部材を必要とし
ないから製造が容易で製作コストが低い利点をも
有するから、在来のこの種熱交換器の問題点を解
消したものとして業界の発展に寄与するところ極
めて大なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す一部切欠正面
図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は同
じくＢ−Ｂ断面図、第４図は同じくＣ−Ｃ断面
図、第５図は流体供給室部分の拡大断面図、第６
図は伸縮機構部分の拡大断面図、第７図は壁面構
成体の一部切欠斜視図、第８図は分流体の斜視図
である。 １：枠体、２：セラミツク管、３：通孔、４：
フイン、５：透孔、６：壁面構成体、１５：加熱
流体混合室、１６：流体供給室、１７：加熱流体
室、２６：分流体、２７：中心孔、２８：隔壁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温加熱流体が貫流する枠体１内に被加熱流
   体が貫流する通孔３を有するセラミツク管２が多
   数架設された直交流形の熱交換器において、前記
   セラミツク管２の両端部が該通孔３と連通する透
   孔５を有する角柱状の壁面構成体６を積重して構
   成した壁体の各壁面構成体６によつて支持され、
   一方の壁体の各壁面構成体６は前記枠体１によつ
   て支持されるとともに他方の壁体の各壁面構成体
   ６は伸縮機構１１をはさんで枠体１に支持され、
   枠体１の一方の外側部には壁面構成体６の透孔５
   に連通されて所定の各セラミツク管２中を通過し
   た被加熱流体を混合するとともに残りのセラミツ
   ク管２中へ循環導入する被加熱流体混合室１５を
   設け、枠体１の他方の外側部には前記所定の各セ
   ラミツク管２中へ被加熱流体を導入する流体供給
   室１６と前記残りのセラミツク管２中で更に加熱
   された被加熱流体を捕集する加熱流体室１７とを
   設けたことを特徴とする熱交換器。 ２ 流体供給室１６に連通される所定のセラミツ
   ク管２を全セラミツク管の30〜50％とした特許請
   求の範囲第１項記載の熱交換器。 ３ 流体供給室１６より被加熱流体混合室１５に
   通ずるセラミツク管２が高温加熱流体の排出側に
   位置し、被加熱流体混合室１５より加熱流体室１
   ７に通ずるセラミツク管２が高温加熱流体の導入
   側に位置する特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の熱交換器。 ４ 壁面構成体６を六角柱状にした特許請求の範
   囲第１項または第２項または第３項記載の熱交換
   器。 ５ 壁面構成体６とセラミツク管２とを炭化珪素
   質とした特許請求の範囲第１項または第２項また
   は第３項または第４項記載の熱交換器。 ６ セラミツク管２を表面にフイン４が形成さ
   れ、内部に分流体２６が挿入されたものとした特
   許請求の範囲第１項または第２項または第３項ま
   たは第４項または第５項記載の熱交換器。 ７ 分流体２６を中心孔２７と放射状の隔壁２８
   とを備えたものとした特許請求の範囲第６項記載
   の熱交換器。