(57)【要約】      （修正有）【課題】コンパクトかつ安価なシェルアンドチューブ形熱交換器を提供する。【解決手段】チューブ間隙間の流体の流れがチューブ外壁の境膜伝熱係数を向上させるべく、ひし形をベースにした形状のチューブを使用し、流体の流れの方向に対して直角方向に等間隔（Ｐ）に配列し、次の列はチューブ間ピッチの半分の寸法（Ｐ／２）だけ直角方向にずらし、それを交互に配列させたチューブ群を、出入口を設けた円筒または角筒のシェルに収めたシェルアンドチューブ形熱交換器とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
図１および図２のように、断面が図３に示す寸法条件でひし形をベースにした形状のチューブを、流体の流れの方向に対して直角方向に等間隔（Ｐ）に配列し、次の列はチューブ間ピッチの半分の寸法（Ｐ／２）だけ直角方向にずらし、それを交互に配列させたチューブ群を、出入口を設けた円筒または角筒のシェルに収めたシェルアンドチューブ形熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、シェルアンドチューブ形熱交換器に関するものであり、チューブ外壁の伝熱性能を丸形チューブと比較して向上を図った構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来のシェルアンドチューブ形熱交換器に使用されているチューブはそのほとんどが丸形状である。（非特許文献１、特許文献１、及び特許文献２参照）【０００３】  シェルアンドチューブ形熱交換器の形状は、代表的なものとして遊動頭形、Ｕ字管形、固定管板形、ケトル形とあり、流体の流速、流体の物性、温度条件、圧力条件により様々な形が設計され各用途に使用されている。ただ、チューブ内壁とチューブ外壁の伝熱面積がほぼ等しいと云う事からチューブ外壁を流れる流体の熱伝達率が小さい場合や、流量が少なくチューブ間流路の流速を上げる事が出来ない条件の用途には不適当とされている。
【非特許文献１】機械工学便覧、Ｂ８、熱交換器・空気調和・冷凍新版（第８頁、表６）
【特許文献１】特開２００３−１３０５７９（第７頁、図１，図２）
【特許文献２】特開平８−１９３７９５（第３頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  チューブ内壁に冷却水を流しチューブ外壁に燃焼排気ガスのような高温気体を流して熱回収を行う用途には、チューブにフィンを施し、チューブ外壁側の伝熱面積を増やしたフィンチューブ形が多く採用されている。しかし、フィンチューブ形のフィンは、燃焼排気ガスによる腐食がチューブ全体に比べて進行が速く、フィン間の目詰まりによる伝熱性能の低下も速いとされている。【０００５】  チューブ内壁に流れる流体の流量が十分あり、チューブ内壁の伝熱係数は大きく得られるにもかかわらず、チューブ外壁に流れる流体の流量が少なく、よってチューブ間流路の流速を上げる事が出来ないため、チューブ外壁の伝熱係数が小さく、熱交換器としての必要な総括伝熱係数が得られない設計条件で、伝熱能力を上げるにはチューブ本数を増やし伝熱面積を大きくする手段しかなく、大型化とコストアップにつながっている。【０００６】  本発明は、シェルアンドチューブ形熱交換器においてチューブ外壁側の境膜伝熱係数を大幅に向上させる事によって【０００４】および【０００５】で述べる問題を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  図１および図２のように、断面が図３に示す寸法条件でひし形をベースにした形状のチューブを流体の流れの方向に対して直角方向に等間隔（Ｐ）に配列し、次の列はチューブ間ピッチの半分の寸法（Ｐ／２）だけ直角方向にずらし、それを交互に配列させたチューブ群を、出入口を設けたシェルに収めてシェルアンドチューブ形熱交換器を構成する。【０００８】  図４〜図６は、本発明の性能を確認するために製作したテスト用熱交換器であり、図７〜図９は、丸形チューブを使用した同等仕様の熱交換器の実施例である。また、表１に各熱交換器の仕様を示す。【０００９】  表２にテスト用熱交換器で実施したテストデータと、表３に表２のテストデータから算出した伝熱流量、対数平均温度差、総括伝熱係数を示す。なお、伝熱流量は数１、対数平均温度差は数２、総括伝熱係数は数３にて算出した。表４は、テスト流体の種類、物性値を示す。
【数１】
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【数２】
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【数３】
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【記号の説明】
Ｑ：伝熱流量（ｋｃａｌ／ｈ）                        ｔ１：シェル入口温度（℃）
Ｖｓ：シェル流量（Ｌ／分）                            ｔ２：シェル出口温度（℃）
Ｃｓ：シェル側流体の平均比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）    ｔ３：チューブ入口温度（℃）
ρ：流体の平均密度（ｋｇ／ｍ３）                    ｔ４：チューブ出口温度（℃）
Δｔｍ：対数平均温度差（℃）
Ｕ：総括伝熱係数（ｋｃａｌ／℃・ｍ２・ｈ）
Ｓ：伝熱面積（ｍ２）
【００１０】  つぎに、丸形チューブを使用した同等仕様の熱交換器の実施例で伝熱流量、総括伝熱係数等を計算し表３で算出した値と比較する事により本発明の効果を証明する。表５にその計算結果を示す。なお、チューブ内壁の境膜伝熱係数にはＨａｕｓｅｎの式を、チューブ外壁（シェル側）の境膜伝熱係数にはＫｅｒｎの式を使用し、数４〜数６にて計算した。
【数４】
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【数５】
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【数６】
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【記号の説明】
ｈｔ：チューブ内壁の境膜伝熱係数（ｋｃａｌ／℃・ｍ２・ｈ）    Ｈａｕｓｅｎの式
ｈｓ：チューブ外壁の境膜伝熱係数（ｋｃａｌ／℃・ｍ２・ｈ）    Ｋｅｒｎの式
ｋｔ：チューブ側流体の平均熱伝導率（ｋｃａｌ／℃・ｍ・ｈ）
ｋｓ：シェル側流体の平均熱伝導率（ｋｃａｌ／℃・ｍ・ｈ）
Ｄｉ：チューブの内径（ｍ）
Ｄｏ：チューブの外径（ｍ）
Ｄｅ：チューブ配列によって計算されるチューブの相当直径（ｍ）
Ｌ：チューブの長さ（ｍ）
Ｇｔ：チューブ内質量速度（ｋｇ／ｍ２・ｈ）
Ｇｓ：チューブ間隙間の質量速度（ｋｇ／ｍ２・ｈ）
（注釈：熱交換器の中心線または中心線に最も近いチューブ列での直交流れの質量        速度をいう。）
μｔ：チューブ側流体の平均温度における粘度（ｋｃａｌ／℃・ｍ・ｈ）
μｓ：シェル側流体の平均温度における粘度（ｋｃａｌ／℃・ｍ・ｈ）
μｗ：チューブ壁温度における粘度（ｋｃａｌ／℃・ｍ・ｈ）
Ｐｔ：チューブ配列ピッチ寸法（ｍ）
【発明の効果】
【００１１】  テスト用熱交換器で実施したテスト結果の表３−▲２▼伝熱流量および▲４▼総括伝熱係数と、丸形チューブを使用した同等仕様の熱交換器の実施例での計算値の表５−▲１７▼伝熱流量および▲１４▼総括伝熱係数を比較すると、本発明は平均で伝熱流量が７９％、総括伝熱係数が６６％優れている事がわかり、同一能力であれば従来品よりコンパクトかつ安価にて製作する事が出来る。
【産業上の利用可能性】
【００１２】  ボイラ、温水発生機、給湯機等燃焼機器の排ガス熱回収用熱交換器に利用出来る。【００１３】  ボイラ、温水発生機等で燃焼ガスにて直接加熱された温水から、給湯または暖房に供される温水をつくる熱交換器に利用出来る。【００１４】  蒸気ボイラより発生する高温蒸気から、給湯または暖房に供される温水をつくる熱交換器に利用出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の請求工項１の実施例で、円筒形シェルを使用したシェルアンドチューブ形熱交換器の断面図。
【図２】本発明の請求工項１の実施例で、角筒形シェルを使用したシェルアンドチューブ形熱交換器の断面図。
【図３】図１−項２−チューブ１の条件寸法図。
【図４】本発明の性能を確認するために製作した熱交換器の横断面図。
【図５】本発明の性能を確認するために製作した熱交換器の縦断面図。
【図６】図４−Ｃ部の詳細図。
【図７】従来技術の丸形チューブを使用した実施例のシェルアンドチューブ式熱交換器の横断面図。
【図８】従来技術の丸形チューブを使用した実施例のシェルアンドチューブ式熱交換器の縦断面図。
【図９】図７−Ｃ部の詳細図。
【符号の説明】
【００１６】１…チューブプレート、２…チューブ１、３…チューブ２、４…チューブ３、５…バッフルプレート、６…シェル、７…チューブ側出口、８…シェル側入口、９…チューブ側入口、１０…シェル側出口、１１…シェル入口温度センサー、１２…シェル出口温度センサー、１３…チューブ入口温度センサー、１４…チューブ出口温度センサー、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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