JP2002022370A - シングルエンド熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐用性を高め、かつ、熱交換率を上げ得るシ
ングルエンド熱交換器を提供する。 【解決手段】 被加熱流体が基端部から流入されるセラ
ミック製の内管３と、この内管を同心状に包囲し、か
つ、被加熱流体を基端部から流出すべく先端部が中空半
球状の閉鎖部５ａで閉鎖されているセラミック製の外管
５とを有するシングルエンド熱交換器において、前記外
管の内周面に母線と平行な凹部５ｂと凸部５ｃを周方向
へ波形をなさせて設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック製のシ
ングルエンド熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】シングルエンド熱交換器は、ボイラの燃
焼用空気を予熱するため、廃ガスからの熱回収等に用い
られるものであり、従来、例えば、図５、図６に示すよ
うに、被加熱流体が基端部（図５においては右端部）の
流入口３１から流入される内管３２と、この内管３２を
同心状に包囲し、かつ、被加熱流体を基端部の流出口３
３から流出すべく先端部（図５においては左端部）が中
空半球状の閉鎖部３４ａで閉鎖されているセラミック製
の外管３４とを有している。このシングルエンド熱交換
器においては、流入口３１から流入された流体は、内管
３２内を通って先端部に到達した後、内管３２と外管３
４の間を通って流出口３３から流出されるものであり、
この間に、適宜の熱源によって熱された外管３４からの
輻射熱によって熱された内管３２による熱伝達及び外管
３４による熱伝達で流体が暖められ、熱交換が行われる
ものである。外管３４を形成するセラミックスとして
は、ＳｉＣやＳｉ₃ Ｎ₄ 等が用いられるが、特に、Ｓｉ
含浸ＳｉＣや焼結ＳｉＣ等の熱伝導率が高く、耐食性に
優れたＳｉＣ質セラミックスが用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のシング
ルエンド熱交換器では、通常の使用に際し、外管の先端
部付近が最も高温になるため、先端部付近に孔が明いて
しまう不具合がある。特に、腐食性ガス雰囲気において
高温で使用する場合、外管を熱伝導率が高く、腐食に強
いＳｉＣ質セラミックスで形成したとしても、外管の温
度が１２００℃以上の温度になると、腐食性ガスによる
侵食が急激に進み、孔が明く。

【０００４】又、熱交換率向上の求めに応じるため、流
体の流入量を増やしたり、熱交換器の長さを長くするこ
とが考えられるが、周辺装置の関係上、流入量を増やし
たり、長さを長くすることが困難となる場合がある。か
かる不具合に対処するため、実公昭５２−５０４４２号
公報記載のラジアントチューブバーナの如く、図７、図
８に示すように、内管３２の外周面にフィン３５をスパ
イラル状に設けることが考えられている。このシングル
エンド熱交換器は、前述した図５、図６のものに比べ
て、内管３２の外周面の熱伝達面積が多くかつフィン３
５がスパイラル状に設けられているため、内管３２と外
管３４の間を通る流体への内管３２からの熱伝達量が増
え、熱交換率が高い。反面、外管３４から内管３２への
輻射伝熱量も多くなるため、内管３２内を通る流体の温
度も早期に高くなり、結果として外管３４の先端部付近
の温度が高くなって先端付近に孔が明いてしまう不具合
がある。

【０００５】そこで、本発明は、耐用性を高め、かつ、
熱交換率を上げ得るシングルエンド熱交換器を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１のシングルエンド熱交換器は、被加熱
流体が基端部から流入される内管と、この内管を同心状
に包囲し、かつ、被加熱流体を基端部から流出すべく先
端部が中空半球状の閉鎖部で閉鎖されているセラミック
製の外管とを有するシングルエンド熱交換器において、
前記外管の内周面に母線と平行な凹部と凸部を周方向へ
波形をなさせて設けたことを特徴とする。又、第２のシ
ングルエンド熱交換器は、第１のものにおいて、前記閉
鎖部の内面中央部にほぼ円錐体状の突出部を設けたこと
を特徴とする。

【０００７】第１のシングルエンド熱交換器において
は、外管における内周面の熱伝達面積が増える反面、外
管における内周面の内管の外周面と平行な面積が減る。
又、第２のシングルエンド熱交換器においては、第１の
ものの作用の他、閉鎖部の内面の熱伝達面積が増える。

【０００８】内管を形成する材料としては、熱伝導率が
低い材料を用いることが好ましい。又、外管を形成する
セラミックスとしては、熱伝導率が高いＳｉＣ質のセラ
ミックスを用いることが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１、図２は本発明に係る
シングルエンド熱交換器の第１の実施の形態を示す半截
縦断面図、図１におけるII−II線矢視断面図である。こ
のシングルエンド熱交換器１は、被加熱流体が基端部
（図１においては右端部）の流入口２から流入される内
管３と、Ｓｉ含浸ＳｉＣからなり、内管３を同心状に包
囲し、かつ、被加熱流体を基端部の流出口４から流出す
べく先端部（図１においては左端部）が中空半球状の閉
鎖部５ａで閉鎖されている外管５とを有しており、外管
５の内周面には、母線と平行な凹部５ｂと凸部５ｃが周
方向へ波形をなさせて設けられている。

【００１０】上記構成のシングルエンド熱交換器１にお
いては、流入口２から流入された流体は、内管３内を通
って先端部に到達した後、内管３と外管５の間を通って
流出口４から流出されるものであり、この間に、適宜の
熱源によって熱された外管５からの輻射熱によって熱さ
れた内管３による熱伝達及び外管５による熱伝達で、流
体が内管３内及び内管３と外管５の間で順次暖められて
熱交換が行われるものであるが、外管５における内周面
の熱伝達面積が増えるので、内管３と外管５の間を通る
流体に対する熱伝達量を増加することができる反面、外
管５における内周面の内管３の外周面と平行な面積が減
るので、上記熱伝達によって外管５の温度が低下するこ
とも相俟って、外管５から内管３への輻射伝熱量が減
り、内管３内を通る流体の温度上昇が防止され、外管の
先端部付近の温度上昇を防止することができる。又、外
管５の製造をＣＩＰ又は鋳込み成形で容易に行うことが
できる。この結果、熱交換率を上げることができ、か
つ、外管５の耐用性を高めることができ、又、製造性を
高めることができる。

【００１１】図３、図４は本発明に係るシングルエンド
熱交換器の第２の実施の形態を示す半截縦断面図、図３
におけるIV−IV線矢視断面図である。このシングルエン
ド熱交換器１′は、外管５における閉鎖部５ａの内面中
央部にほぼ円錐体状の突出部５ｄを設けたものである。
他の構成は、第１の実施の形態のものと同様であるの
で、同一の構成部材等には同一の符号を付してその説明
を省略する。

【００１２】上記構成のシングルエンド熱交換器１′に
おいては、第１の実施の形態のシングルエンド熱交換器
１と同様の作用効果が得られる他、外管５における閉鎖
部５の内面の熱伝達面積が増えるので、外管５の先端部
の温度上昇を抑制することができ、耐用性を一層高める
ことができる。

【００１３】ここで、内管を外径５０ｍｍ、長さ１５５
０ｍｍ、外管を外径９０ｍｍ、長さ１６００ｍｍとした
シングルエンド熱交換器を図１、図２のもの（本発明品
１）、図３、図４のもの（本発明品２）、図５、図６の
もの（従来品１）及び図７、図８のもの（従来品２）の
ように作製し、これらを１３５０℃の温度の炉内に設置
して、流入口より５００℃の温度の空気を６０Ｎｍ³ ／
ｈの量送り込み、図１においてＡ（外管の閉鎖部の外面
中央）、Ｂ（Ａから軸方向へ４５ｍｍ離隔）、Ｃ（Ａか
ら軸方向へ１５０ｍｍ離隔）及びＤ（Ａから軸方向へ４
５０ｍｍ離隔）で示す外管における外表面の各点の温度
及び流出口での空気の温度を測定したところ、表１に示
すようになった。

【００１４】

【表１】

【００１５】表１から分るように、本発明品１，２で
は、外管の先端部付近の温度を下げることができ、か
つ、熱交換率を上げることができる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１のシ
ングルエンド熱交換器によれば、外管における内周面の
熱伝達面積が増えるので、内管と外管の間を通る流体に
対する熱伝達量を増加することができる反面、外管にお
ける内周面の内管の外周面と平行な面積が減るので、上
記熱伝達によって外管の温度が低下することも相俟っ
て、外管から内管への輻射伝熱量が減り、内管内を通る
流体の温度上昇が防止され、外管の先端部付近の温度上
昇を防止することができる。又、外管の製造をＣＩＰ又
は鋳込み成形で容易に行うことができる。この結果、熱
交換率を上げることができ、かつ、耐用性を高めること
ができ、又、製造性を高めることができる。

【００１７】又、第２のシングルエンド熱交換器によれ
ば、第１のものと同様の作用効果が得られる他、外管に
おける閉鎖部の内面の熱伝達面積が増えるので、外管の
先端部の温度上昇を抑制することができ、耐用性を一層
高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシングルエンド熱交換器の第１の
実施の形態を示す半截縦断面図である。

【図２】図１におけるII−II線矢視断面図である。

【図３】本発明に係るシングルエンド熱交換器の第２の
実施の形態を示す半截縦断面図である。

【図４】図３におけるIV−IV線矢視断面図である。

【図５】従来のシングルエンド熱交換器の半截縦断面図
である。

【図６】図５におけるVI−VI線矢視断面図である。

【図７】従来の他のシングルエンド熱交換器の半截縦断
面図である。

【図８】図７におけるVIII−VIII線矢視断面図である。

【符号の説明】

２ 流入口 ３ 内管 ４ 流出口 ５ 外管 ５ａ 閉鎖部 ５ｂ 凹部 ５ｃ 凸部 ５ｄ 突出部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加熱流体が基端部から流入される内管
   と、この内管を同心状に包囲し、かつ、被加熱流体を基
   端部から流出すべく先端部が中空半球状の閉鎖部で閉鎖
   されているセラミック製の外管とを有するシングルエン
   ド熱交換器において、前記外管の内周面に母線と平行な
   凹部と凸部を周方向へ波形をなさせて設けたことを特徴
   とするシングルエンド熱交換器。
2. 【請求項２】 前記閉鎖部の内面中央部にほぼ円錐本状
   の突出部を設けたことを特徴とする請求項１記載のシン
   グルエンド熱交換器。