(57)【要約】【課題】現状の仕様を変更せずに、気柱共鳴による騒音、振動の発生を抑制することができる多管式熱交換器を提供する。【解決手段】鉛直軸方向に配設され、被加熱流体が流入される複数の管群を収納する筒型容器１３と、前記筒型容器１３の上部側と下部側に設けられ、管群の周囲に導入される熱媒ガス１４を導入及び排出するガス導入手段１５及びガス排出手段１６とを有する熱交換器であって、前記ガス導入手段１５側の上部ガス空間ベルト部１７Ａ内側において、筒型容器１３の上部側壁１３ａの全周囲に、熱媒ガスのガス流入用の小径孔３１を複数設けると共に、前記ガス排出手段１６側の下部ガス空間ベルト部１７Ｂ内側において、筒型容器１３の下部側壁１３ｂの全周囲に、熱媒ガス１４のガス排出用の小径孔３１を複数設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直軸方向に配設され、被加熱流体が流入される複数の管群を収納する筒型容器と、
前記筒型容器の上部側と下部側に設けられ、管群の周囲に導入される熱媒ガスを導入及び排出するガス導入手段及びガス排出手段とを有する熱交換器であって、
前記ガス導入手段及びガス排出手段が、筒型容器の直径よりも大きな直径の上部ガス空間ベルト部及び下部ガス空間ベルト部とを各々有し、
前記ガス導入手段側の上部ガス空間ベルト部の側壁に、外部から熱媒ガスを導入するガス導入部を対向するように設け、
前記ガス排出手段側の下部ガス空間ベルト部の側壁に、外部へ熱媒ガスを排出するガス排出部を対向するように設け、
前記ガス導入手段側の上部ガス空間ベルト部内側において、筒型容器の上部側壁の全周囲に、熱媒ガスのガス流入用の小径孔を複数設けると共に、
前記ガス排出手段側の下部ガス空間ベルト部内側において、筒型容器の下部側壁の全周囲に、熱媒ガスのガス排出用の小径孔を複数設けることを特徴とする多管式熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、
前記ガス導入部の開口部に対向する側壁に形成する小径孔の開口率を低減すると共に、
前記ガス排出部の開口部に対向する側壁に形成する小径孔の開口率を低減することを特徴とする多管式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気柱共鳴による騒音、振動の発生を抑制することができる多管式熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えばメタノール等の流体を管群に導入して、管群の外部を加熱ガスにより加熱する多管式熱交換器が用いられている。
この多管式熱交換器は、筒状の容器の側面にガスの流入口及び排出口が、断面円の直径方向に対向するように設けており、それを覆う様に熱交換器より径の大きいガス空間ベルト部が設置されている。
ガス空間ベルト部への外部からの配管の接続部と、熱交換器側面のガス出入口は断面円の円周方向に約９０度ずれており、配管からの流体が直接熱交換器内の管群に当接するのを避けるようにしている。
【０００３】
このような多管式熱交換器を用いて、熱交換する場合、熱交換器内の管群を直交する方向に流れる熱媒ガスにより、管群後縁に発生するカルマン渦周波数が、熱交換器のガス出入口を横断しガス空間ベルト部の外径を波長とする気柱共鳴の周波数と一致すると、気柱共鳴による騒音、振動が発生する、という問題がある。
【０００４】
気柱共鳴の発生を防止する手段として、例えば多孔部材を配置することの提案がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１７４３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、例えばメタノール等の溶媒を加熱する管群は１５００本以上の管を筒状容器内部に充填しており、多孔部材を設置する余裕はないのが実情である。
また、既設の多管式熱交換器の場合、現状の熱媒ガスの流速や筒状容器を変更することは困難であるので、現状の仕様を変更せずに、気柱共鳴による騒音、振動の発生を抑制する対策が切望されている。
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑み、現状の仕様を変更せずに、気柱共鳴による騒音、振動の発生を抑制す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】
【０００８】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、鉛直軸方向に配設され、被加熱流体が流入される複数の管群を収納する筒型容器と、前記筒型容器の上部側と下部側に設けられ、管群の周囲に導入される熱媒ガスを導入及び排出するガス導入手段及びガス排出手段とを有する熱交換器であって、前記ガス導入手段及びガス排出手段が、筒型容器の直径よりも大きな直径の上部ガス空間ベルト部及び下部ガス空間ベルト部とを各々有し、前記ガス導入手段側の上部ガス空間ベルト部の側壁に、外部から熱媒ガスを導入するガス導入部を対向するように設け、前記ガス排出手段側の下部ガス空間ベルト部の側壁に、外部へ熱媒ガスを排出するガス排出部を対向するように設け、前記ガス導入手段側の上部ガス空間ベルト部内側において、筒型容器の上部側壁の全周囲に、熱媒ガスのガス流入用の小径孔を複数設けると共に、前記ガス排出手段側の下部ガス空間ベルト部内側において、筒型容器の下部側壁の全周囲に、熱媒ガスのガス排出用の小径孔を複数設けることを特徴とする多管式熱交換器にある。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記ガス導入部の開口部に対向する側壁に形成する小径孔の開口率を低減すると共に、前記ガス排出部の開口部に対向する側壁に形成する小径孔の開口率を低減することを特徴とする多管式熱交換器にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ガス空間ベルト部の外径を波長とする気柱共鳴による騒音、振動の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施例１に係る多管式熱交換器の正面概略図である。
【図２】図２は、図１の筒型容器内部に管群を配置した図である。
【図３】図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図４は、図３における気柱共鳴の状態を示す図である。
【図５】図５は、実施例２に係る多管式熱交換器の正面概略図である。
【図６】図６は、従来技術に係る多管式熱交換器の正面概略図である。
【図７】図７は、図６のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１３】
本発明による実施例１に係る多管式熱交換器について、図面を参照して説明する。図１は、本実施例に係る多管式熱交換器の正面概略図である。ここで、図１においては、内部に配置する管群を省略している。図２は、図１の筒型容器内部に管群を配置した図であり、図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。図４は、図３における気柱共鳴の状態を示す図である。なお、図１及び２は、図３のＸ方向からみた図である。
【００１４】
図１乃至図４に示すように、本実施例に係る多管式熱交換器１０Ａは、鉛直軸方向に配設され、被加熱流体１１が流入される複数の管群１２を収納する筒型容器１３と、前記筒型容器１３の上部側と下部側に設けられ、管群の周囲に導入される熱媒ガス１４を導入及び排出するガス導入手段１５及びガス排出手段１６とを有する熱交換器であって、前記ガス導入手段１５及びガス排出手段１６が、筒型容器１３の直径よりも大きな直径の上部及び下部ガス空間ベルト部１７Ａ、１７Ｂを各々有している。
なお、図中、符号２０は被加熱流体１１の流入口、２１は被加熱流体１１の排出口を図示する。
そして、前記ガス導入手段１５側の上部ガス空間ベルト部１７Ａの側壁１７ａに、外部から熱媒ガス１４を導入するガス導入部１８、１８を対向するように設けると共に、前記ガス排出手段１６側の下部ガス空間ベルト部１７Ｂの側壁１７ｂに、外部へ熱媒ガス１４を排出するガス排出部１９、１９を対向するように設けている。
【００１５】
本実施例では、前記ガス導入手段１５側の上部ガス空間ベルト部１７Ａ内側において、筒型容器１３の上部側壁１３ａの全周囲に、熱媒ガスのガス流入用の小径孔３１を複数設けると共に、前記ガス排出手段１６側の下部ガス空間ベルト部１７Ｂ内側において、筒型容器１３の下部側壁１３ｂの全周囲に、熱媒ガス１４のガス排出用の小径孔３１を複数設けるものである。
なお、本実施例では、円筒型の筒型容器としているが、断面形状が矩形状の筒容器としてもよい。
【００１６】
次に、図２において、筒型容器１３内部に複数の管群１２を配置した際における熱交換について説明する。
図２に示すように、本実施例に係る筒型容器１３は、例えばメタノール（ＣＨ3ＯＨ）等の被加熱流体１１が容器下部側から導入され、管板３２に垂下された管群１２内部を通過・上昇して容器上部側から排出されている。
そして、管群１２を通過する際に、被加熱流体１１と異なる方向から導入され、流下された熱媒ガス１４により、被加熱流体１１が加熱されて熱交換がなされる。
【００１７】
図３に示すように、複数の小径孔３１は、上部ガス空間ベルト部１７Ａ内において、筒型容器１３の上部側壁１３ａの全周囲に亙って複数形成している。なお、下部ガス空間ベルト部１７Ｂ内においも同様であるので、図示は省略する。
これにより、図６及び図７に示す従来のような多管式熱交換器１００における筒型容器１３の側壁の一部に長方形型のガス流入口１０１Ａ、１０２Ａ（１０１Ｂ、１０２Ｂ）を対向するように設けた場合に比べ、ガス空間ベルト部の外径を波長とする気柱共鳴が発生することがなくなる。なお、図６中、符号１１１Ａ、１１２Ａはガス排出口を図示する。
【００１８】
図４及び図７にガス流入側のガス空間ベルト部の断面を示す。
図４は、本実施例にかかる断面図であり、図７は従来例にかかる断面図である。
先ず、図４に示すように、本実施例にかかる多管式熱交換器では、筒型容器１３の上部側壁１３ａの周囲に亙って小径孔３１を複数形成しているので、対向する小径孔３１との径Ｄ2は、筒型容器１３の内径Ｄ1と、略同じようなみかけ状の内径とすることができる。
すなわち、本実施例は、所定孔径の小径孔３１を複数設けることにより、気柱共鳴の波長λ1は、筒型容器１３の内径Ｄ1と同じ径Ｄ2となる。この結果、筒型容器１３の内径Ｄ1において、設計当初から気柱共鳴対策を施しているので、気柱共鳴による騒音、振動が発生することが抑制される。
【００１９】
これに対し、図７に示すように、従来例では、長方形型の開口の大きいガス流入口１０１Ａ、１０２Ａ（１０１Ｂ、１０２Ｂ）を対向するように設けた場合には、ガス流入口１０２Ａ、１０１Ｂの開口を突き抜け、ガス空間ベルト部１７の直径Ｄ3を半波長とする定在波が発生し、気柱共鳴による騒音、振動が発生することとなる。
【００２０】
ここで、側壁１３ａに設ける複数の小径孔３１は大きすぎると、その孔３１を通過した気柱共鳴が発生してしまうため、あまり大きすぎるのは好ましくない。小径孔３１の直径は、筒型容器１３内に設置される複数の管群１２における管と管との隙間の半分以下程度とするのが好ましい。
例えば管と管の隙間が例えば２０ｍｍ程度であれば、小径孔３１の直径は、例えば５〜１０ｍｍ程度とするのが良い。
【００２１】
また、ガス導入の開口率は、従来技術における流入及び流出口の開口率（約３０％程度）と同じとなるように、小径孔３１の設置割合を調整している。
【００２２】
また、小径孔３１による開口面積及び設置個数の調整により、従来例のような長方形型の流入口及び流出口よりも、ガス通過面積を広げることが可能となる。この結果、従来よりガス流速を下げることができる。この流速を下げることにより、管群後流で発生するカルマン渦周波数を低下させることができることとなる。
【００２３】
また、本実施例によれば、複数の小径孔３１は側壁の周囲に亙って、均等に設けるので、周囲から熱媒ガス１４の導入が均一となり、従来のような対向する大きな開口の大きいガス流入口１０１Ａ、１０２Ａ（１０１Ｂ、１０２Ｂ）の場合よりも、熱交換の偏りが防止され、熱交換効率の向上を図ることができる。
【００２４】
本実施例によれば、上部ガス空間ベルト部１７Ａ及び下部ガス空間ベルト部１７Ｂ内において、筒型容器１３の上部側壁１３ａ及び下部側壁の全周囲に亙って小径孔３１を複数形成することにより、ガス空間ベルト部１７の径に対して波の進行を妨げるため、ガス空間ベルト部１７の径での定在波の発生を妨げることができ、現状の仕様を変更せずに、気柱共鳴による騒音、振動の発生を防止することとなる。
【００２５】
本実施例では、複数の小径孔を上部側壁１３ａ、下部側壁１３ｂの周囲に設けるようにしているが、小径孔の代わりに、複数のスリット部を周囲に亙って形成するようにしてもよい。
【実施例２】
【００２６】
本発明による実施例２に係る多管式熱交換器について、図面を参照して説明する。図５は、実施例２に係る多管式熱交換器の概略図である。ここで、図５は、図３のＹ方向からみた図である。なお、実施例１に係る多管式熱交換器１０Ａと同一の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
本実施例に係る多管式熱交換器１０Ｂでは、実施例１と同様に、流入口及び流出口は多数の小径孔３１により構成するが、熱交換器に入るガス導入管であるガス導入部１８の開口部に対向する側壁に形成する小径孔の開口率を低減すると共に、
前記ガス排出管であるガス排出部１９の開口部に対向する側壁に形成する小径孔の開口率を低減するようにしている。
【００２７】
実施例１のように、側壁の全周囲に亙って小径孔３１を周方向に同じ割合で開けた場合、熱交換器に入るガス管に最も近い周方向位置の小径孔からのガス通過流量が最も多くなり、熱交換効率が偏ってしまう。これに対し、実施例２のように、ガス管差込位置の小径孔３１の設置割合を減らすことにより、周方向の流入量の偏りが緩和され、熱交換効率が均一化され、熱交換効率が向上する。
【００２８】
具体的には、ガス管がある付近の開口率はガス管がない位置の約１／４とするのが好ましい。これは、ガス管がある付近の流速はないところに比べ約４倍程度速く、開口率を１／４に減少することで、ガス流量がガス管のある箇所と無い箇所とで略同等となる。これにより、分散効果が発揮されることとなる。
【００２９】
このように、実施例２によれば、ガス流入排出口を通過して、ガス空間ベルト部のベルト外径で発生する気柱共鳴の周波数を高くすることができると共に、熱交換効率の向上も図ることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０Ａ、１０Ｂ  多管式熱交換器
１１  被加熱流体
１２  管群
１３  筒型容器
１３ａ  上部側壁
１３ｂ  下部側壁
１４  熱媒ガス
１５  ガス導入手段
１６  ガス排出手段
１７Ａ  上部ガス空間ベルト部
１７Ｂ  下部ガス空間ベルト部
１８  ガス導入部
１９  ガス排出部
３１  小径孔
【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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