(57)【要約】【課題】チューブの外表面に異物が厚く堆積することを低減する。【解決手段】第１の流体Ｆ１が流入する流入部４と、流入部４から流入した第１の流体Ｆ１が流動する内部空間５と、内部空間５を流動した第１の流体Ｆ１が流出する流出部６とを有するシェル２と、シェル２の内部空間５を貫通するように延在し、第１の流体Ｆ１から第２の流体Ｆ２を隔てつつ第２の流体Ｆ２をその内部に流動させるチューブ３とを備え、第１の流体Ｆ１及び第２の流体Ｆ２との間で伝熱が行われる廃熱利用装置１で、チューブ３は流入部４から第１の流体Ｆ１が内部空間５に流入する方向Ｄの延長線上にチューブ３の外表面３ｓが交差しない位置に配置され、流入部４から流入した第１の流体Ｆ１がチューブ３に直接当たらず、流入部４の付近のチューブ３に第１の流体Ｆ１に含まれる異物が集中的に堆積することが防止され、チューブ３の外表面３ｓに異物が厚く堆積することを低減できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体が流入する流入部と、前記流入部から流入した前記第１の流体が流動する内部空間と、前記内部空間を流動した前記第１の流体が流出する流出部とを有するシェルと、
前記シェルの前記内部空間を貫通するように延在し、前記第１の流体から第２の流体を隔てつつ前記第２の流体をその内部に流動させるチューブと、
を備え、
前記第１の流体及び前記第２の流体との間で伝熱が行われ、
前記チューブは前記流入部から前記第１の流体が前記内部空間に流入する方向の延長線上に前記チューブの外表面が交差しない位置に配置されている、廃熱利用装置。
【請求項２】
前記シェルは、円柱形状を有し、前記円柱形状の一方の底面近傍の側面に配置された前記流入部と、前記円柱形状の前記側面に沿った前記シェルの内壁面により区画された前記内部空間と、前記円柱形状の他方の底面近傍の前記側面に配置された前記流出部とを有し、
複数の前記チューブが、前記シェルの前記円柱形状の前記一方の底面から前記他方の前記底面へと前記シェルの前記内部空間を貫通するように延在し、
前記シェルは、前記内部空間で前記内壁面と交差する方向に延在する邪魔板を有する、請求項１に記載の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記シェルは、前記流入部が連結される拡径部を有し、前記円柱形状の前記底面に平行な横断面において、前記拡径部は、前記拡径部に隣接した部位よりも断面積が大きい、請求項２に記載の廃熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器及び反応器等の廃熱利用装置において、排ガス等の流体が流動する内部空間を有するシェルと、シェルの内部空間を貫通するように延在し、排ガス等の流体をその内部に流動させることにより排ガス等の流体からシェルの内部空間へ伝熱させるチューブとを備えた装置が提案されている。チューブを多数備えた多管式熱交換器等の廃熱利用装置のシェルの側にダスト、ヒューム、ミスト、スモーク等の異物を含む排ガスを流した場合、チューブの外表面に付着した異物の洗浄が極めて困難である。そのため、特許文献１には、多管式熱交換器のチューブの中に突起又は突条のある帯状のねじり板を装着し、熱を交換する媒体をシェルの側に流し、ダスト等の異物を含む排ガスをチューブ側に流すようにし、チューブの中を流れる異物を含む排ガスに旋回流を与えて異物を除去する熱交換器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２‐４１５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の技術では、プロセスの都合上、ダスト等の異物を含む排ガスをチューブの側に流せない場合には対応することができない。シェルの側に排ガス等の粘着性のあるダスト等の異物を含む流体を流した場合、チューブの外表面に異物が厚く堆積することがある。チューブの外表面に異物が厚く堆積した場合には、熱交換器等の廃熱利用装置の運転を停止し、チューブの外表面の異物を洗浄により除去する必要がある。しかし、チューブの外表面に厚く堆積した異物を洗浄により除去することは困難であり、改善が望まれている。
【０００５】
そこで本発明は、チューブの外表面に異物が厚く堆積することを低減することができる廃熱利用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１の流体が流入する流入部と、流入部から流入した第１の流体が流動する内部空間と、内部空間を流動した第１の流体が流出する流出部とを有するシェルと、シェルの内部空間を貫通するように延在し、第１の流体から第２の流体を隔てつつ第２の流体をその内部に流動させるチューブとを備え、第１の流体及び第２の流体との間で伝熱が行われ、チューブは流入部から第１の流体が内部空間に流入する方向の延長線上にチューブの外表面が交差しない位置に配置されている廃熱利用装置である。
【０００７】
この構成によれば、第１の流体が流入する流入部と、流入部から流入した第１の流体が流動する内部空間と、内部空間を流動した第１の流体が流出する流出部とを有するシェルと、シェルの内部空間を貫通するように延在し、第１の流体から第２の流体を隔てつつ第２の流体をその内部に流動させるチューブとを備え、第１の流体及び第２の流体との間で伝熱が行われる廃熱利用装置において、チューブは流入部から第１の流体が内部空間に流入する方向の延長線上にチューブの外表面が交差しない位置に配置されているため、流入部から流入した第１の流体がチューブの外表面に直接当たらなくなり、流入部の付近のチューブの外表面に第１の流体に含まれるダスト等の異物が集中的に堆積することが防止され、チューブの外表面に異物が厚く堆積することを低減することができる。
【０００８】
この場合、シェルは、円柱形状を有し、円柱形状の一方の底面近傍の側面に配置された流入部と、円柱形状の側面に沿ったシェルの内壁面により区画された内部空間と、円柱形状の他方の底面近傍の側面に配置された流出部とを有し、複数のチューブが、シェルの円柱形状の一方の底面から他方の底面へとシェルの内部空間を貫通するように延在し、シェルは、内部空間で内壁面と交差する方向に延在する邪魔板を有することが好適である。
【０００９】
この構成によれば、シェルは円柱形状を有し、円柱形状の一方の底面近傍の側面に配置された流入部と、円柱形状の側面に沿ったシェルの内壁面により区画された内部空間と、円柱形状の他方の底面近傍の側面に配置された流出部とを有し、複数のチューブが、シェルの円柱形状の一方の底面から他方の底面へとシェルの内部空間を貫通するように延在し、シェルは、内部空間で内壁面と交差する方向に延在する邪魔板を有するため、第１の流体が内部空間をチューブと交差して流動することが促され、チューブ内を流動する第２の流体と第１の流体との間でより偏り無く互いの熱を交換することができる。
【００１０】
この場合、シェルは、流入部が連結される拡径部を有し、円柱形状の底面に平行な横断面において、拡径部は、拡径部に隣接した部位よりも断面積が大きいことが好適である。
【００１１】
この構成によれば、シェルは、流入部が連結される拡径部を有し、円柱形状の底面に平行な横断面において、拡径部は、拡径部に隣接した部位よりも断面積が大きいため、第１の流体がチューブの外表面に直接当たり、流入部の付近のチューブの外表面に異物が付着することをより確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の廃熱利用装置によれば、チューブの外表面に異物が厚く堆積することを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（Ａ）は実施形態に係る廃熱利用装置の平面図であり、（Ｂ）は実施形態に係る廃熱利用装置の側面図である。
【図２】（Ａ）は図１（Ｂ）のβ線による横断面図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）のα線による縦断面図である。
【図３】（Ａ）は従来の廃熱利用装置を示す横断面図であり、（Ｂ）は従来の廃熱利用装置を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、本発明の実施形態に係る廃熱利用装置１は、シェル２とチューブ３とを備える。なお、以下に説明する図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）並びに従来の廃熱利用装置を示す図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において、説明の便宜のため、チューブ３は、実物と異なり本数を少なくし、チューブ径、チューブピッチを拡大して記載する。本実施形態の廃熱利用装置１は、廃熱を含む排ガスから熱を交換する熱交換器及び廃熱を含む排ガスの熱により物質を反応させる反応器として用いられる。以下の説明では、本実施形態の廃熱利用装置１において、シェル２の側にダスト等の異物を含む排ガスが流動させられてチューブ３内を流動する排ガスの廃熱により予熱させられ、チューブ３の側にシェル２の側で予熱された後に助燃ガスと混合されて触媒により燃焼させられる排ガスが流動させられる態様を中心に説明する。
【００１５】
シェル２は、排ガス等の第１の流体Ｆ１が流入する流入部４と、流入部４から流入した第１の流体Ｆ１が流動する内部空間５と、内部空間５を流動した第１の流体Ｆ１が流出する流出部６とを有する。より詳細には、シェル２は、円柱形状を有し、円柱形状の上部における一方の底面である上面９近傍の側面１１に配置された流入部４と、円柱形状の側面１１に沿ったシェル２の内壁面２ｗにより区画された内部空間５と、円柱形状の下部における他方の底面である下面１０近傍の側面１１に配置された流出部６とを有する。
【００１６】
シェル２は、流入部４が連結される拡径部７と流出部６が連結される拡径部８とを有する。上面９及び下面１０に平行な横断面において、拡径部７，８は、拡径部７，８に隣接した部位よりも半径及び断面積が大きい。より詳細には、拡径部７は、上面９及び下面１０に平行な断面において拡径部７に隣接した部位よりも流入部４の流路の幅以上に大きい半径を有する。また、拡径部８は、上面９及び下面１０に平行な断面において拡径部８に隣接した部位よりも流出部６の流路の幅以上に大きい半径を有する。
【００１７】
なお、シェル２の流出部６が連結される部位における拡径部８は必須ではない。また、上面９及び下面１０には、複数の廃熱利用装置１の上面９及び下面１０を互いに連結するためのチャンネルを備えていてもよい。
【００１８】
チューブ３は、シェル２の内部空間５を貫通するように延在し、排ガス等の第１の流体Ｆ１から排ガス等の第２の流体Ｆ２を隔てつつ第２の流体Ｆ２をその内部に流動させる。より詳細には、円管状の複数のチューブ３が、シェル２の円柱形状の一方の上面９から他方の下面１０へとシェル２の内部空間５を貫通するように延在している。第２の流体Ｆ２は、チューブ３の下面１０の側からチューブ３の上面９の側へと流動する。第１の流体Ｆ１及び第２の流体Ｆ２との間で伝熱が行われる。
【００１９】
本実施形態では、図２（Ａ）に示すように、チューブ３は流入部４から第１の流体Ｆ１が内部空間５に流入する方向の延長線上にチューブ３の外表面３ｓが交差しない位置に配置されている。なお、チューブ３が流入部４から第１の流体Ｆ１が内部空間５に流入する方向の延長線上にチューブ３の外表面３ｓが交差しない位置に配置されているとは、例えば、流入部４の流路の中心において第１の流体Ｆ１が内部空間５に流入する方向の延長線が、チューブ３の外表面３ｗと交差することなく、シェル２の内壁面２ｗに最も近いチューブ３の外表面３ｗとシェル２の内壁面２ｗとの間を通ることを意味する。上面９及び下面１０に平行な断面においてシェル２の拡径部７に隣接した部位の半径よりも流入部４の流路の幅以上に大きい半径を有する拡径部７に流入部４は連結されている。このため、流入部４からシェル２の内部空間５に流入した第１の流体Ｆ１は、チューブ３の外表面３ｓに直接当たらなくなる。
【００２０】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、シェル２は、内部空間５で内壁面２ｗと交差する方向に延在する邪魔板１２，１３を有する。より具体的には、シェル２は、内部空間５で、内壁面２ｗ近傍のチューブ３が貫通する邪魔板１２と、邪魔板１２を貫通するチューブ３よりも内部空間５の中央の側に位置するチューブ３が貫通する邪魔板１３とを有する。
【００２１】
上面９及び下面１０に垂直な方向からの平面視で邪魔板１２は円環状の形状を有する。邪魔板１２の外縁と内壁面２ｗとの間には、数ｍｍのわずかな隙間が空いている。邪魔板１２によって、第１の流体Ｆ１は、内部空間５の中央に向けられて内部空間５の下方に流動させられる。
【００２２】
上面９及び下面１０に垂直な方向からの平面視で邪魔板１３は円板状の形状を有する。邪魔板１３によって、邪魔板１２により内部空間５の中央に向かった第１の流体Ｆ１は、図２（Ｂ）に示すように、内部空間５の内壁面２ｗの側に向けられて内部空間５の下方に流動させられる。内部空間５の下端まで流動した第１の流体Ｆ１は、流出部６よりシェル２の外部に流出させられる。
【００２３】
なお、邪魔板１２，１３の形状、大きさ、数量及び位置は適宜変更可能である。３枚以上の邪魔板１２，１３が配置される場合において、内壁面２ｗ近傍のチューブ３が貫通する邪魔板１２と、邪魔板１２を貫通するチューブ３よりも内部空間５の中央の側に位置するチューブ３が貫通する邪魔板１３とは、シェル２の内部空間５において交互に配置されていることが、第１の流体Ｆ１を内部空間５に滞留させないために好ましい。
【００２４】
従来、化学プラントにおいて製造能力の増強を行ったときに、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すような多管式熱交換器である廃熱利用装置２０のシェル２の第１の流体Ｆ１の異物が、シェル２の流入部４近傍のチューブ３の外表面３ｓに付着し、伝熱面積が減少し、伝熱の阻害に繋がった。また、シェル２の流入部４近傍のチューブ３の外表面３ｓに異物が堆積し、流路の閉塞による運転の停止を余儀なくされた。これに対して、電気集塵機、またはベンチュリースクラバーを使用して、シェル２の第１の流体Ｆ１の異物を除去することを検討したが、配置上の制約があり、適用できなかった。そこで、本実施形態では、廃熱利用装置１において、シェル２の形状変更及び流入部４のシェル２への連結位置の変更を行い、シェル２の内部空間５における第１の流体Ｆ１の流れを変えて、第１の流体の異物のチューブ３への付着を防止することを考えた。
【００２５】
本実施形態によれば、第１の流体Ｆ１が流入する流入部４と、流入部４から流入した第１の流体Ｆ１が流動する内部空間５と、内部空間５を流動した第１の流体Ｆ１が流出する流出部６とを有するシェル２と、シェル２の内部空間５を貫通するように延在し、第１の流体Ｆ１から第２の流体Ｆ２を隔てつつ第２の流体Ｆ２をその内部に流動させるチューブ３とを備え、第１の流体Ｆ１及び第２の流体Ｆ２との間で伝熱が行われる廃熱利用装置１において、チューブ３は流入部４から第１の流体Ｆ１が内部空間５に流入する方向の延長線上にチューブ３の外表面３ｓが交差しない位置に配置されているため、流入部４から流入した第１の流体Ｆ１がチューブ３の外表面３ｓに直接当たらなくなり、流入部４の付近のチューブ３の外表面３ｓに第１の流体Ｆ１に含まれるダスト等の異物が集中的に堆積することが防止され、チューブ３の外表面３ｓに異物が厚く堆積することを低減することができる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、チューブ３の伝熱面積の減少、流入部４の異物による詰まりを防止し、廃熱利用装置１の機能低下を防ぐことができる。このように、本実施形態の廃熱利用装置１の流入部４近傍のチューブ３の外表面３ｓに異物が付着しにくくなる。そのため、付着物除去のための運転停止回数が減少する。また、本実施形態では、第１の流体Ｆ１に含まれる異物のチューブ３の外表面３ｓへの集中的な付着に起因する運転停止と洗浄による生産量の低下、洗浄費用の発生が低減される。
【００２７】
また、本実施形態によれば、シェル２は、円柱形状を有し、円柱形状の一方の上面９近傍の側面１１に配置された流入部４と、円柱形状の側面１１に沿ったシェル２の内壁面２ｗにより区画された内部空間５と、円柱形状の他方の下面１０近傍の側面１１に配置された流出部６とを有し、複数のチューブ３が、シェル２の円柱形状の一方の上面９から他方の下面１０へとシェル２の内部空間５を貫通するように延在し、シェル２は、内部空間５で内壁面２ｗと交差する方向に延在する邪魔板１２，１３を有するため、第１の流体Ｆ１が内部空間５をチューブ３と交差して流動することが促され、チューブ３内を流動する第２の流体Ｆ２と第１の流体Ｆ１との間でより偏り無く互いの熱を交換することができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、シェル２は、流入部４が連結される拡径部７を有し、円柱形状の上面９及び下面１０に平行な横断面において、拡径部７は、拡径部７に隣接した部位よりも断面積が大きいため、第１の流体Ｆ１がチューブ３の外表面３ｓに直接当たり、流入部４の付近のチューブ３の外表面３ｓに異物が付着することをより確実に防止することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。例えば、上記実施形態では、チューブ３が垂直方向に延在している縦型の廃熱利用装置１について説明したが、チューブ３が水平方向に延在している横型の廃熱利用装置１にも、本発明は適用可能である。また、シェル２を流動する第１の流体Ｆ１が熱を与える側であり、チューブ３を流動する第２の流体Ｆ２が熱を受け取る側でもよい。
【００３０】
（実施例）
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すような改善前の従来の廃熱利用装置２０が用意された。廃熱利用装置２０においては、シェル２の側にダスト等の異物を含む排ガスが第１の流体Ｆ１として流動させられてチューブ３内を流動する排ガスの廃熱により予熱させられ、チューブ３の側にシェル２の側で予熱された後に助燃ガスと混合されて触媒により燃焼させられる排ガスが第２の流体Ｆ２として流動させられる。廃熱利用装置２０での運転では、６ヵ月程度の周期で洗浄が必要であった。
【００３１】
次に、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すような従来の廃熱利用装置２０に対して、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すような本実施形態の廃熱利用装置１への改装が行われた。流入部４及び流出部６が取り外された廃熱利用装置２０のシェル２に拡径部７，８が設けられた。また、廃熱利用装置２０のシェル２の内部空間５において、邪魔板１２，１３が取り付けられた。さらに、拡径部７に流入部４が連結され、拡径部８に流出部６が連結され、廃熱利用装置１への改装が完了した。
【００３２】
改装後の廃熱利用装置１により、廃熱利用装置２０での運転と同じ条件で実証運転が行われた。その結果、改装後の廃熱利用装置１では、実証運転により１年以上の周期の洗浄での運転が可能になることが判った。以上より、本実施形態の廃熱利用装置１によれば、従来の廃熱利用装置２０に対して簡単な改装を実施することにより、チューブ３の外表面３ｓに異物が厚く堆積することを低減することができることが判った。
【符号の説明】
【００３３】
１…廃熱利用装置、２…シェル、２ｗ…内壁面、３…チューブ、３ｓ…外表面、４…流入部、５…内部空間、６…流出部、７，８…拡径部、９…上面、１０…下面、１１…側面、１２，１３…邪魔板、２０…廃熱利用装置、Ｆ１，Ｆ２…流体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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