(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源装置から高温排ガスを導入する排ガス導入室と、
前記排ガス導入室に上端が接続されると共に内部に熱交換室を形成する外筒と、
前記外筒の下端に接続される排ガス排出室と、
前記排ガス導入室と前記熱交換室を隔てる高温側管板と、
前記排ガス排出室と前記熱交換室を隔てる低温側管板と、
前記熱交換室内に配管されると共に前記排ガス導入室内に流入する高温排ガスを前記排ガス排出室に流通させる多数本の伝熱管と、
前記熱交換室内に予熱用低温空気を導入する予熱空気導入口と、
前記熱交換室から予熱用高温空気を排出して前記熱源装置に供給する予熱空気排出口と、
前記高温側管板の前記熱交換室側に設置されると共に前記予熱用低温空気の一部を導入する副室と、
前記副室と前記熱交換室の間に設置される下側の管板と、
前記副室に前記予熱用低温空気の一部を導入する冷却空気導入口と、を備える多管式熱交換器において、
前記外筒の上部に固定されると共に、前記高温側管板である前記副室の上側の管板の周囲を保持する、上方に拡がった裁頭円錐状に形成される第１のコニカルリングと、
前記外筒の上部に固定されると共に、前記副室の下側の管板の周囲を保持する、下方に拡がった裁頭円錐状に形成される第２のコニカルリングと、を更に備え、
前記第１及び第２のコニカルリングの間には、前記副室に連通する、環状の空間である冷却空気整流部が形成され、
前記冷却空気導入口の排出口は、前記冷却空気整流部内に配置されることを特徴とする、多管式熱交換器。
【請求項２】
前記第１及び第２のコニカルリングにより、前記上側の管板および前記下側の管板を、それぞれ独立して保持せしめるように構成したことを特徴とする、請求項１記載の多管式熱交換器。
【請求項３】
前記冷却空気導入口の排出口は、前記予熱用低温空気の一部を前記冷却空気整流部内に周方向に噴出するように形成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の多管式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温側の管板（チューブシート）に冷却装置を有する多管式熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、下水汚泥焼却設備における流動用空気の予熱を目的として使用される多管式熱交換器は、８５０℃〜９００℃の焼却炉からの排ガスを利用して、該焼却炉用の予熱空気を６５０℃〜７００℃に予熱するようになっている。このような環境で使用される多管式熱交換器には、特開２００５−１１４２１８公報に記載されているように、管板の高温化に伴う材料強度の低下による損傷や、熱疲労による割れ等が発生し易い。そのために、この種の設備において使用される多管式熱交換器には、特許第３２９６２５７号公報に開示されるような管板を冷却する構造が採用されることが多い。
【０００３】
しかしながら、上記多管式熱交換器でも、排ガスの入口温度や予熱空気の出口温度が、更に高温化した場合など、管板の周辺の温度環境が更に高温化すると、材料の温度上昇に伴う強度低下により、機器の耐久性の維持が困難となり、多管式熱交換器による温度回収は、多管式熱交換器を単独で使用した場合で、焼却炉からの排ガスの温度が８５０℃〜９００℃である条件において約６００℃〜６８０℃程度、輻射型の排ガス冷却器を併用して、多管式熱交換器の排ガスの入口温度を約８００℃程度に冷却した場合においても、管板に発生する応力の増大と高温化で材料強度が著しく低下することから、７００℃が限界と認識されている。
【０００４】
一方、実際の運転においては、負荷変動等によって排ガスの入口温度が設計値以上の高温状態で空気予熱器に投入されることもあり、この時には、空気予熱器の入口の排ガス温度を強制的に下げる処置が行われるが、その場合、シェルアンドチューブ型空気予熱器の伝熱面積（熱回収性能）は一定であるため、排ガス温度の変化により予熱空気温度が変動してしまう等の問題点があった。
また、何らかの要因、例えば焼却炉に投入される汚泥ケーキの成分が計画時と異なる場合など、予熱空気と排ガスの流量バランスが計画値と異なった場合にも、空気予熱器の空気出口温度は、その時の運転条件に成り行きの形でしか確保できず、条件によっては、計画された回収温度（例えば７００℃）を確保できないことや、逆に、計画値を超えた回収温度となることもあり、熱交換器の耐久性にも大きな影響を与えてしまう。
【０００５】
これらの問題を解決するために、空気予熱器の後段に空気冷却器を設置する方式や、特開２００８−２２４１７３号公報に記載されているように、シェルアンドチューブ型熱交換器を一部バイパスして予熱空気出口温度を制御する方式が開発されているが、これらの方式の場合、複数の熱交換器を要し、また、前段の熱交換器が輻射型であるため、輻射型熱交換器の付近における排ガス側の温度条件と空気側の温度条件が拮抗し、望ましい平均温度差を得られないことから、輻射型熱交換器が大型化してしまい、設備費が嵩むという副作用が発生する。
【０００６】
図３および図４は、上述のような複数の熱交換器を要しない従来の多管式熱交換器を示すものであり、
焼却炉Ｓ等の熱源装置の高温排ガスＦ１（例えば、８５０〜９００℃）を導入する排ガス導入室１と、外筒２′内に形成されると共に高温排ガスＦ１と予熱用低温空気Ｐ１を熱交換する熱交換室２と、熱交換された低温排ガスＦ２を排出する排ガス排出室３から成り、上記排ガス導入室１と熱交換室２を隔てる上側の管板４と、上記熱交換室２と排ガス排出室３を隔てる低温側管板５と、上下端部が上記高温側管板４と低温側管板５にそれぞれ接続されて、上記排ガス導入室１および上記排ガス排出室３に連通する複数の伝熱管６と、上記熱交換室２に予熱用低温空気Ｐ１を導入する予熱空気導入口９と、上記熱交換室２から予熱用高温空気Ｐ３（例えば、６５０〜７００℃）を排出して上記焼却炉Ｓに供給する予熱空気排出口１１ａと、上記高温側管板４の上記熱交換室２側に設置される副室１３から構成され、上記排ガス導入室１に導入される上記高温排ガスＦ１は、上記伝熱管６を通って上記排ガス排出室３から低温排ガスとして排出され、一方、送風器Ｖ１により上記予熱空気導入口９ａから上記熱交換室２に導入される予熱用低温空気Ｐ１は、該熱交換室２において上記伝熱管６内を流れる高温排ガスと熱交換されて昇温され、予熱用高温空気Ｐ３として上記予熱空気排出口１１から上記焼却炉Ｓ等の熱源装置に供給される。なお、上記熱交換室２には数枚のバッフルプレート（邪魔板）１４が設置されていて、導入された予熱用低温空気Ｐ１を上記伝熱管６に対して直交および並行の流れに整流して、熱交換効率を高めるようにしている。
【０００７】
図５は、上記副室１３および管板４付近の図４の拡大図であって、該副室１３は、上側の管板４と、下側の管板４′と、それらの周囲を取り巻くコニカルリング１６により形成されている。該コニカルリング１６の上部は、上記熱交換室２を形成する外筒２′の上部に一体的に取り付けられている。上記副室１３には、上記予熱用低温空気Ｐ１から分岐される予熱用低温空気Ｐ２が、その導入口１７から送り込まれるようになっている。該副室１３内に送り込まれた予熱用低温空気（冷却空気）は、多数の上記伝熱管６の間を通過しながら、これを冷却し、下側の管板４′の中央部に設けられたリターンパイプ１５を通って上記熱交換室２内に流出し、上記予熱用低温空気Ｐ１と合流する。
【０００８】
しかしながら、上記従来の構造では、次のような問題点があった。
１）     副室を構成する上下２つの管板に温度差が生じ、この温度差によって、管板に発生する内部応力が大きくなるという、問題点があった。
上下２つの管板は、それぞれ排ガスと予熱空気に接している。このため管板の温度は、排ガスと予熱空気の両流体の温度と冷却空気の温度に支配される。熱交換器である以上、これら２つの流体には、少なからず温度差が生じるため、２つの管板の温度は、同一とはならず、排ガス側に接している管板の温度が、予熱空気側に接している管板に比べて温度が高くなる。この温度差によって、２つの管板には熱膨張量に差が生じるが、管板の周方向をコニカルリングで拘束しているため、管板同士の熱膨張差を吸収することができなくなり、管板には大きな応力が発生する。特に、従来の汚泥焼却炉において使用される多管式熱交換器だけの回収温度は、６５０℃〜６８０℃が限界とされていたが、これは管板の熱膨張の拘束によって発生する応力値が高くなることが原因と考えられている。
２）     また、冷却空気導入口と管群との距離が近すぎるため、冷却空気が管板全体に均一に流れないという問題点があった。
従来の構造の場合、冷却空気は、ノズル上の導入口によって管近傍もしくは管群の中央部に直接導入されている。そのため、管導入口近傍と導入口からある程度の距離のある範囲には、冷却空気の影響を受けやすいか、そうでないかによって、必ず温度差が生じ、この温度差によって管板には内部応力が発生する。
３） ２つの管板に損傷が生じた場合、管板のみを取り換えることが困難であるという問題点があった。
管板における損傷の発生頻度は、管板以外の部位における損傷確率に比べて非常に高いが、上の管板と下の管板とを保持するコニカルリングが、管群を溶接によって支えている構造上、これを取り換えることは非常に困難であり、大掛かりな復旧工事となってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１１４２１８公報
【特許文献２】特許第３２９６２５７号公報
【特許文献３】特開２００８−２２４１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点を解決して、上下２つの管板が他方の管板の影響を受けることなく、管板同士の熱膨張差によって管板に応力が発生することがなく、また、副室内の管群に冷却空気を均等に流入せしめて管板の温度差を少なくすることができ、さらに、上下の管板を独立して取り換えることができる多管式熱交換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の多管式熱交換器は、焼却炉等の熱源装置から高温排ガスを導入する排ガス導入室と、該排ガス導入室に上端が接続されると共に内部に熱交換室を形成する外筒と、該外筒の下端に接続される排ガス排出室と、上記排ガス導入室と熱交換室を隔てる高温側管板と、上記排ガス排出室と熱交換室を隔てる低温側管板と、上記熱交換室内に配管されると共に上記排ガス導入室内に流入する高温排ガスを上記排ガス排出室に流通させる多数本の伝熱管と、上記熱交換室内に予熱用低温空気を導入する予熱空気導入口と、上記熱交換室から予熱用高温空気を排出して上記熱源装置等に供給する予熱空気排出口と、上記高温側管板の上記熱交換室側に設置されると共に上記予熱用低温空気の一部を導入する副室と、該副室と熱交換室の間に設置される管板と、から構成される多管式熱交換器において、上記外筒の上部に固定されると共に上記高温側管板であって上記副室の上側の管板の周囲を保持するコニカルリングと、上記外筒の上部に固定されると共に上記副室の下側の管板の周囲を保持する別のコニカルリングと、から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の多管式熱交換器は、下記の効果を奏する。
１）上下２つの管板を、２つのコニカルリングにより、それぞれ保持せしめることにより、それぞれの管板が他方の管板の影響を受けることなく、自由に周方向へ膨張することができ、そのため、管板同士の熱膨張差によって管板に応力が発生しない。
２）コニカルリングをテーパー状とし、２つに分けて構成したことで、２つのコニカルリングと管群の間に、大きな空隙が形成されている。この空隙に一定のピッチで冷却空気導入口を配置すると、空隙を通過する冷却空気は低速となり、ヘッダー効果により、冷却空気が整流される。この空隙によって整流された冷却空気は、管群に均等に流入することができるようになり、管板の温度差は少なくなる。
３）上下２つの管板を、２つのコニカルリングにより、それぞれ保持せしめることにより、損傷の発し頻度が高い上部の管板の取り換えが容易になる。上部の管板を保持するコニカルリングと空気ヘッダーとの接合をフランジ構造としてことで、上部の管板に損傷が発生した場合には、この上部の管板と管とを繋いでいるカラーを全部取り外し、コニカルリングと空気ヘッダーとを繋ぐフランジを外すことで、上部の管板を上方に容易に取り外すことが可能になる。なお、下部の管板にも、上述の構造を採用すれば、下部の管板も、上部の管板と同様に容易に取り換えることができる。
４）コニカルリングを２つに分けて熱応力を低減させると共に、管板の温度を均等にしたことで、管板の発生応力が低くなり、多管式熱交換器単独で７００℃以上の高温回収が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の多管式熱交換器の一実施例を示す拡大断面図である。
【図２】図１のイ−イ線に沿った断面図である。
【図３】従来の多管式熱交換器を焼却炉に組み合わせた説明図である。
【図４】図３の多管式熱交換器の断面図である。
【図５】図４の多管式熱交換器の要部の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の多管式熱交換器の一実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１において、２は熱交換室、２′は外筒、４は上側の管板（高温側管板とも称する）、４′は下側の管板、６は伝熱管、１１ａは予熱空気排出口、１３は副室、１４はバッフルプレート、１５はリターンパイプ、Ｐ２は予熱用低温空気、Ｐ３は予熱用高温空気であって、上記従来の部材等とほぼ同じ構造および機能を有する。
【００１５】
上記上側の管板４の周囲は、コニカルリング１８に固定保持されている。該コニカルリング１８は、上方に拡がったコーン状（裁頭円錐状）に形成されていて、その外周端縁は、上記熱交換室２を形成する外筒２′の上部に一体的に取り付け固定されている。
【００１６】
一方、上記下側の管板４′の周囲は、コニカルリング１９に固定保持されている。該コニカルリング１９は、下方に拡がったコーン状（裁頭円錐状）に形成されていて、その外周端縁も、上記熱交換室２を形成する外筒２′の上部に一体的に取り付け固定されている。
【００１７】
上記上側の管板４と下側の管板４′の間には、環状の空間である冷却空気整流部２０が形成されていて、上記副室１３に連通している。
【００１８】
図２に示すように、上記環状の冷却空気整流部２０には、複数（本実施例では８個）の冷却空気導入口２１がほぼ均等に配設されている。該冷却空気導入口２１の排出口は左右方向に向いていて、冷却空気を上記冷却空気整流部２０の周方向に噴出するようになっている。
【００１９】
本実施例の多管式熱交換器は以上のように構成されているので、上記上側の管板４と下側の管板４′は、それぞれのコニカルリング１８，１９により独立して保持されているので、各管板４，４′の熱応力は相互に影響し合う恐れはない。また、破損等による修理においても、それぞれ独立して取り換えることができ、修理期間が短く、コスト等も安価となる利点がある。
【００２０】
さらに、上記副室１３内に入る冷却空気は、上記冷却空気整流部２０で均等に整流されるので、副室１３内の管群に均等に流入するので、上下それぞれの管板４、４′を均質に冷却することができる利点がある。
【００２１】
なお、図４（副室およびその周囲の構造は、図１および図２）に示す装置の排ガス導入室と排ガス排出室を上下逆に位置せしめると共に、低温側予熱空気導入口と予熱空気排出口を逆に配置し、その結果、下方に位置する副室を形成する高温側管板（上記上側の管板）を該副室の下側に、下側の管板を副室の上側に位置せしめ、これら上下の管板をそれぞれコニカルリングにより支持せしめる構造（第２実施例という）でも、上記第１実施例と同じように機能し使用することができる。従って、本願特許請求の範囲の解釈において、本発明の各構成要素を上記第１実施例と第２実施例に対応させて読み替えて解釈する。
【符号の説明】
【００２２】
１    排ガス導入室
２    熱交換室
２′  外筒
３    排ガス排出室
４    上側の管板（高温側管板）
４′  下側の管板
５    低温側管板
６    伝熱管
９    低温側予熱空気導入口
１１  予熱空気排出口
１３  副室
１４  バッフルプレート
１５  リターンパイプ
１６  コニカルリング
１７  導入口
１８  コニカルリング
１９  コニカルリング
２０  冷却空気整流部
２１  冷却空気導入口
Ｆ１  高温排ガス
Ｆ２  低温排ガス
Ｐ１  予熱用低温空気
Ｐ２  予熱用低温空気
Ｐ３  予熱用高温空気
Ｓ    焼却炉
Ｖ１  送風器
【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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