JP3999966B2

JP3999966B2 - Shell and tube heat exchanger

Info

Publication number: JP3999966B2
Application number: JP2001396991A
Authority: JP
Inventors: 浩樹中山; 隆英高田; 健吾迫田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003130579A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シェルアンドチューブ式熱交換器に関するものであり、特に二重管板方式の高温側チューブシートの冷却方法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シェルアンドチューブ方式熱交換器は、熱源流体入口ヘッダ及び熱源流体出口ヘッダ間に連結する外筒内部に挿通する複数本の伝熱チューブに熱源流体を流通させ、この伝熱チューブを介して放熱される熱を、これら各伝熱チューブ間に供給する予熱流体に伝熱することにより熱交換を行う多管式熱交換器であって、高温側（熱源流体入口側）の管板（チューブプレート）を二重管板方式とし、この管板間の冷却空気通風空間（冷却層）に外部より冷却空気を導入しチューブシートを強制冷却することにより伝熱チューブと高温側のチューブシートの溶接部温度を低下させて、溶接部の強度の向上と構造的欠陥を改善し耐用年数の向上・補修頻度の削減を図っている。
【０００３】
図７は、従来のシェルアンドチューブ方式熱交換器の高温側チューブシート部を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。高温側チューブシートの構造は図７（ｂ）に示すように、予熱流体が流入する側の第１チューブシート１ａと熱源側の第２チューブシート１ｂで構成される二重管板方式が採用され、この二重管板により区画される部分が冷却層Ｅとなるように構成されている。そして、複数の伝熱チューブ３がチューブシート１ａおよび１ｂを貫通して、その開口部が熱源流体入口ヘッダ２の内部に臨んでいる。各伝熱チューブ３には冷却層Ｅの区間でカラーパイプ９が外装され、各カラーパイプ９とチューブシート１ａ及び１ｂとの貫通部が溶接によりシールされている。また、第２チューブシート１ｂの熱源流体入口ヘッダ２側には第２チューブシート１ｂの保護が目的の断熱材７とヘッダ耐火物８が施工されている。そして、冷却層Ｅの側壁Ｅａには複数本（図７（ａ）では６本）の冷却空気ノズル４が取り付けられ、各冷却空気ノズル４の先端４ａが伝熱チューブ群３の外周を取り囲むように配置されている。また、図７（ｂ）に示すように、伝熱チューブ群３の中心に位置する伝熱チューブ３が一本削除され、その代わりに冷却空気排出管６が配置されている。冷却空気排出管６は、その一端の開口部が冷却層Ｅの内部に臨むようにされ、かつ、図示していないが、他端の開口部が予熱流体入口近傍で予熱流体中に臨むようにされ、使用済みの冷却空気、すなわち冷却吸熱したホットエアーが冷却空気排出管６を介して予熱流体に合流する。
【０００４】
ところが、この冷却方式では、冷却層Ｅ外周部から冷却空気を吹き込み、冷却層Ｅの中心部から使用済みの冷却空気を排出するため、一般にチューブシート１ｂは中心部近傍で温度が高く、外周部で温度が低くなる。そのため、チューブシート１ｂの中心部近傍と外周部とで熱歪みの程度が異なることにより熱応力が発生する。また温度が高くなるほど材料強度が低下するので、最も温度の高い中心部近傍（特にカラーパイプ９との溶接部）においてチューブシート１ｂの寿命が左右されることになる。この冷却方式では、中心部近傍の温度を低下させて中心部近傍の材料強度の低下を防止する目的で冷却空気吹込み量を増加させても、チューブシート１ｂの外周部がさらに冷却されて中心部近傍と外周部との温度差は解消されず熱応力が除去されないので、寿命延長の効果は小さい。さらに、冷却空気吹込み量を増加させるためには、冷却空気吹込み圧を上昇させる必要があり、昇圧機の増強や電力使用量の増加などによってコストアップとなる不都合も生じる。
【０００５】
一方、特開平１１−５１５８８号に開示された発明は、冷却空気ノズルを上方から熱源流体入口ヘッダを貫通させて冷却層中心部に差し込んで冷却空気を冷却層中心部から吹込み、使用済みの冷却空気（ホットエアー）は冷却層の側壁に設けた複数の冷却空気排出口から排出するようにしたものであり、冷却層の中心部の温度を低下させてチューブシートの中心部と外周部との温度差を縮小することにより熱応力を低減させるというものである。しかしながら、冷却空気ノズルは熱交換器の最も高温部である熱源流体入口ヘッダ内を通過させる必要があり、その耐熱性を確保するため、冷却空気ノズルに高価な耐熱材料を用いたり、複雑な構造を施す必要があり、大幅なコスト増を要し実現性に乏しい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、過大なコスト増を招くことがなく、かつ簡易な構造でチューブシートの熱応力を大幅に低減して、耐用年数の延長・補修頻度の削減をしうるシェルアンドチューブ式熱交換器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、できるだけ従来のシェルアンドチューブ式熱交換器の構成を活かしつつ、最小限の設備変更により、上記の目的を達成するものであり、その要旨は以下の通りである。
【０００８】
請求項１の発明は、予熱流体の入出口を設けた外筒と、この外筒の一端に配置される高温側チューブシートと、この外筒の他端に配置される低温側チューブシートと、前記高温側チューブシートを介して連結される熱源流体入口ヘッダから前記低温側チューブシートを介して連結される熱源流体出口ヘッダへ連通する複数本の伝熱チューブとを有し、少なくとも前記高温側チューブシートを冷却層を有する二重管板方式とし、この冷却層内に、該冷却層の側壁部に設けられた複数本の冷却空気ノズルより冷却空気を供給するとともに、該冷却空気は冷却層に設けた冷却空気排出管を介して排出するように構成し、前記複数本の冷却空気ノズルのうち少なくとも１本の冷却空気ノズルの先端を前記複数本の伝熱チューブ群の内側まで延伸したことを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【０００９】
請求項２の発明は、予熱流体の入出口を設けた外筒と、この外筒の一端に配置される高温側チューブシートと、この外筒の他端に配置される低温側チューブシートと、前記高温側チューブシートを介して連結される熱源流体入口ヘッダから前記低温側チューブシートを介して連結される熱源流体出口ヘッダへ連通する複数本の伝熱チューブとを有し、少なくとも前記高温側チューブシートを冷却層を有する二重管板方式とし、この冷却層内に、該冷却層の側壁部に設けられた複数本の冷却空気ノズルより冷却空気を供給するとともに、該冷却空気は冷却層に設けた冷却空気排出管を介して排出するように構成し、前記冷却層内に前記複数本の伝熱チューブ群全体を取り囲む隔壁を設け、この隔壁内に前記複数本の冷却空気ノズルを連通させるように構成したことを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【００１０】
請求項３の発明は、予熱流体の入出口を設けた外筒と、この外筒の一端に配置される高温側チューブシートと、この外筒の他端に配置される低温側チューブシートと、前記高温側チューブシートを介して連結される熱源流体入口ヘッダから前記低温側チューブシートを介して連結される熱源流体出口ヘッダへ連通する複数本の伝熱チューブとを有し、少なくとも前記高温側チューブシートを冷却層を有する二重管板方式とし、この冷却層内に、該冷却層の側壁部に設けられた複数本の冷却空気ノズルより冷却空気を供給するとともに、該冷却空気は冷却層に設けた冷却空気排出管を介して排出するように構成し、前記冷却層の前記熱源流体入口ヘッダ側の内面のうち少なくとも外周部に断熱材を配したことを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【００１１】
請求項４の発明は、さらに前記複数の冷却空気ノズルのうち少なくとも１つの冷却空気ノズル先端を前記複数本の伝熱チューブ群の内側まで延伸したことを特徴とする請求項２又は３に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【００１２】
請求項５の発明は、前記複数の冷却空気ノズルの先端部に複数の噴射孔を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【００１３】
本発明によれば、複数本の冷却空気ノズルのうち少なくとも１本の冷却空気ノズルの先端を前記複数本の伝熱チューブ群の内側まで延伸したことにより、冷却空気がこの延伸した冷却空気ノズル先端位置より中心側に集中的に吹き付けられ、チューブシートの中心近傍が効率的に冷却されるのでチューブシートの中心部近傍と外周部との温度差を縮小でき、熱応力を低減できる。
【００１４】
あるいは、冷却層内に伝熱チューブ群全体を取り囲む隔壁を設け、この隔壁内に複数本の冷却空気ノズルを連通させるようにしたことにより、伝熱チューブ群と冷却層側壁との間の空間部（チューブシート外周部）に流れる冷却空気量を少なくし、冷却空気が中心部に集中的に流れるようにしたので、上記と同様の効果が得られる。
【００１５】
あるいは、前記冷却層の前記熱源流体入口ヘッダ側の内面のうち少なくとも外周部に断熱材を配したことにより、チューブシートの少なくとも外周部の過冷却を防止するとともに、冷却空気が外周部で過度に加熱されないため中心部近傍の冷却を促進するので、チューブシートの中心部近傍と外周部との温度差を縮小でき、熱応力を低減できる。
【００１６】
また、冷却層内に伝熱チューブ群全体を取り囲む隔壁を設け、この隔壁内に複数の冷却空気ノズルを連通させるとともに、これらのノズル先端のうち少なくとも１つのノズル先端を伝熱チューブ群の内側まで延伸することにより、さらに集中的に中心近傍が冷却されるので、チューブシートの中心部近傍と外周部との温度差がより一層縮小でき、さらに熱応力を低減できる。
【００１７】
また、前記冷却層の内面のうち少なくとも前記熱源流体入口ヘッダ側の内面の外周部に断熱材を配するとともに、ノズル先端のうち少なくとも１つのノズル先端を伝熱チューブ群の内側まで延伸することにより、少なくとも外周部の過冷却を防止するとともに中心近傍がさらに効率的に冷却されるので、チューブシートの中心部近傍と外周部との温度差がより一層縮小でき、さらに熱応力を低減できる。
【００１８】
また、冷却空気ノズルの各先端部に複数の噴射孔を設けたことにより、冷却空気を分散噴射してノズル出口近傍の局所的な過冷却を防止でき、局所的な熱応力の発生をも防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明（請求項１）に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図２は、本発明（請求項２）に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図３は、本発明（請求項３）に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【００２０】
本発明に係るシェルアンドチューブ式熱交換器は、予熱流体の入出口（図示せず）を設けた外筒である熱交換器枠体１０と、この熱交換器枠体１０の一端に配置される高温側チューブシート１と、この熱交換器枠体１０の他端に配置される低温側チューブシート（図示せず）と、高温側チューブシート１を介して連結される熱源流体入口ヘッダ２から低温側チューブシートを介して連結される熱源流体出口ヘッダ（図示せず）へ連通する複数本の伝熱チューブ３とを有し、高温側チューブシート１を冷却層Ｅを有する二重管板方式としている。
【００２１】
そして、この冷却層Ｅの構造は、図１〜３に示すように、冷却空気ノズル４と隔壁５以外は前述の図７で説明した従来法の冷却層の構造と共通である。すなわち、図１（ｂ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）に示すように、冷却層Ｅは、高温側チューブシートの構造を予熱流体が流入する側の第１チューブシート１ａと熱源側の第２チューブシート１ｂで構成される二重管板方式とし、この二重管板により区画される部分として構成されている。そして、複数の伝熱チューブ３がチューブシート１ａおよび１ｂを貫通して、その開口部が熱源流体入口ヘッダ２の内部に臨んでいる。各伝熱チューブ３には冷却層Ｅの区間でカラーパイプ９が外装され、各カラーパイプ９とチューブシート１ａ及び１ｂとの貫通部が溶接によりシールされている。また、第２チューブシート１ｂの熱源流体入口ヘッダ２側には第２チューブシート１ｂの保護が目的の断熱材７とヘッダ耐火物８が施工されている。また、伝熱チューブ群３の中心に位置する伝熱チューブ３が一本削除され、その代わりに冷却空気排出管６が配置されている。冷却空気排出管６は、その一端の開口部が冷却層Ｅの内部に臨むようにされ、かつ、図示していないが、他端の開口部が予熱流体入口近傍で予熱流体中に臨むようにされ、使用済みの冷却空気、すなわち冷却吸熱したホットエアーが冷却空気排出管６を介して予熱流体に合流するように構成されている。
【００２２】
本発明の第１の実施の形態は、図１に示すように冷却空気ノズル４の先端４ａを伝熱チューブ群３の内側まで延伸させたものである。ところで、伝熱チューブ群３は通常、図１に示すように千鳥格子状に配置されるので、冷却空気ノズル４を冷却層Ｅの側壁Ｅａに従来法と同様に垂直に設置したのでは、伝熱チューブ群３の奥までノズル先端４ａを十分に差し込めない場合が多い。したがって、このような場合には、図１に示すように、伝熱チューブ３が最も密に一直線上に並ぶ方向（例えばＡＡ方向）に沿わせてノズル先端４ａを差し込めばよい。なお、ノズル先端４ａを伝熱チューブ群３の内部に差し込む際に伝熱チューブ３と緩衝しないように、ノズル先端４ａ部分の外径は、隣り合う一直線上の伝熱チューブ列（例えばＡＡ列とＢＢ列）の間隙ｄより少し小さ目にしておく。また、ノズル先端４ａの位置は、最も高温となる中心部近傍の伝熱チューブ３ａや３ｂ（後述の実施例参照）の部分に直接冷却空気が吹き付けられる位置とすることが好ましい。そして、従来法と同様、冷却層の側壁Ｅａ周方向に複数の冷却空気ノズル４を設置する（図１においては円周方向に等間隔に６本設置）ことが好ましい。また、これら複数のノズル４から吹き込まれた冷却空気が前記最も高温となる３ａ、３ｂの周辺部分に沿って円周方向に回転する（攪拌する）流れとなるようにしてこの部分の冷却効率を高めるため、ノズル先端４ａの向きを冷却層Ｅ中心から少し側壁Ｅａ側へずらして設置することが好ましい。さらに、冷却空気ノズル先端４ａ近傍におけるチューブシート１ｂの急冷を避けるため、例えば、図示していないが、ノズル４ａ最先端端面にノズル４ａ前方方向へ向かう噴射孔を複数個設けることやノズル４ａ先端部側面にノズル４ａ横方向へ向かう噴射孔を複数個設けること等が好ましい。なお、図１においては、複数本（６本）の冷却空気ノズル４の先端４ａのすべてを伝熱チューブ群３内に延伸しているが、必ずしもこれに限られるものではなく、チューブシート１ｂの冷却状況により、例えば、６本のうち３本のみを伝熱チューブ群３内側に延伸し、残りの３本は伝熱チューブ群３外側に残しておいてもよい。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施の形態は、図２に示すように伝熱チューブ群３全体を、円筒状の隔壁５で取り囲むように設置するとともに、隔壁５の側面から冷却空気ノズル先端４ａを差し込んでおくものである。ここで、隔壁５内周辺部への冷却空気の流れをできるだけ少なくするため、隔壁５の内径は伝熱チューブ群３全体が丁度入る程度にできるだけ小さくしておくことが好ましい。また、隔壁５の高さは冷却層Ｅの高さ内に容易に嵌め込めるよう冷却層Ｅの高さより少し低くしておくことが好ましい。なお、隔壁５とチューブシート１ａ、１ｂとの間に若干の隙間が存在しても少量の冷却空気が隔壁５の外側に漏れるだけであるので問題はなく、むしろ新たな熱応力の発生の回避やメンテナンスの容易さ等を考慮して隔壁５とチューブシート１ａ、１ｂとは溶接等により接合しない方がよい。また、冷却空気ノズル先端４ａが差し込まれた隔壁５の孔部にも同様の理由で溶接等を施す必要はない。また、隔壁５の形状は、必ずしも円筒形である必要はなく、水平断面が多角形状等であってもよい。さらに、冷却空気ノズル先端４ａを、図１と同様、伝熱チューブ群３の内部に差し込む構造とすることがより好ましい。また、冷却空気ノズル４ａ先端部に、上述と同様の複数の噴射孔を設けることが好ましい。なお、隔壁５は鉄、鋼、ステンレスや耐火物等が使用できる。また、隔壁５の外周側に断熱材を設置することも好ましい。
【００２４】
次に、本発明の第３の実施の形態は、図３に示すように冷却層Ｅの熱源流体入口ヘッダ２側の内面（すなわちチューブシート１ｂの下面）のうち外周部に断熱材１１を設置したものである。なお、断熱材１１の設置範囲は外周部のみに制限されるものではなく、必要に応じて冷却層Ｅの中心方向及び／又はチューブシート１ａ側へ範囲を広げて設置してもよい。断熱材１１の設置が容易でかつ周辺部の過冷却を効果的に防止できるよう、カラーパイプ９（冷却チューブ３）群と緩衝しない範囲でできるだけ広げて設置することが推奨される。断熱材１１の種類は特に限定されないが、設置の容易さを考慮して、グラスウールやキャスタブルを用いるのが好ましい。例えば断熱材１１としてグラスウールを用い、図３に示すように冷却層側壁Ｅａ内周に上向きコニカル状に取り付けた耐火物支持プレート１２で支持・固定することによって所定の部位に容易に設置することができる。さらに、冷却空気ノズル先端４ａを、図１と同様、伝熱チューブ群３の内部に差し込む構造とすることがより好ましい。また、冷却空気ノズル４ａ先端部に、上述と同様の複数の噴射孔を設けることが好ましい。
【００２５】
なお、上記第１〜第３の実施の形態においては、冷却空気排出管６がチューブシート１ａの中心部にあるものを説明したが、チューブシート１ａの周辺部から予熱流体に合流させてもよい。
【００２６】
【実施例】
本発明の効果を確認するため、従来法と本発明法とにおけるチューブシート１ｂの温度分布を伝熱計算により求め比較した。
【００２７】
従来法（比較例）は、図７に示す配置であり、内径６００ｍｍ、高さ８０ｍｍの冷却層Ｅ内に、外径５０ｍｍのカラーパイプ９（外径３５ｍｍの伝熱チューブ３）が中心間距離７０ｍｍで千鳥格子状に３重に配置されている。なお、冷却層Ｅの中心には、外径４０ｍｍの冷却空気排出管６が設けられている。チューブシート１ｂは厚さ１２ｍｍのステンレス鋼製で、その上面側（熱源流体入口ヘッダ２側）は厚さ５０ｍｍの断熱材７で覆われ、さらにその断熱材７の上面に厚さ１００ｍｍのヘッダ耐火物８が施されている。冷却空気ノズル４は冷却層側壁Ｅａに対して垂直に円周方向等間隔に６本設置され、ノズル先端４ａは伝熱チューブ群３の外側に位置し、各ノズル先端４ａには１２ｍｍ径の噴射孔が１個設けられている。伝熱計算は、熱源流体入口温度を８５０℃の気体、予熱流体出口温度を６５０℃の気体、冷却空気を入口温度５０℃とし、冷却空気吹込み量を冷却空気ノズル１本当たり３００ｍ³（標準状態）／ｈとして、カラーパイプ９（伝熱チューブ３）からチューブシート４ｂに伝わる熱量、熱源流体ヘッダ２内の熱源流体からヘッダ耐火物８および断熱材７を介してチューブシート１ｂに伝わる熱量、冷却層Ｅ下面のチューブシート１ａからその下方の予熱流体へ放熱される熱量、チューブシート側壁Ｅａから熱交換器枠体１０を介して外気へと散逸する熱量等を考慮した３次元定常伝熱方程式を数値解法で解くことにより行い、これからチューブシート１ｂの温度分布を求めた。
【００２８】
本発明としては、図１に示す構造のもの（本発明例１）、図２に示す構造のもの（本発明例２）、図３に示す構造のもの（本発明例３）のそれぞれについて、上記比較例と同様の伝熱計算を実施した。
【００２９】
本発明例１〜３はすべて、冷却層Ｅ、カラーパイプ８（伝熱チューブ３）、チューブシート１ｂの寸法・配置は比較例と同じとし、また冷却空気ノズル４ａ先端部の噴射ノズルの径および個数と冷却空気吹込み量も比較例と同じとした。
【００３０】
本発明例１の冷却空気ノズル４は、図１に示すように、各ノズル先端４ａの差し込み位置を、最も内側の六角形状に配置された６本のカラーパイプ９ａ（１重目のカラーパイプ）と、その外側を取り囲む六角形状に配置された１２本のカラーパイプ９ｂ（２重目のカラーパイプ）との間とし、かつ、各ノズル先端４ａの位置を２重目の隣り合うカラーパイプ９ｂの間に配した。
【００３１】
本発明例２は、内径２３５ｍｍ（高さは冷却層高さと同じ）の円筒状のステンレス鋼製隔壁５をカラーパイプ９（伝熱チューブ３）群全体を取り囲むように設置し、冷却空気ノズル４は、比較例と同様の冷却層Ｅの側壁Ｅａに垂直に設置したまま、ノズル先端４ａを隔壁５内部に突き出させた（ただし、カラーパイプ９（伝熱チューブ３）群の内部には差し込まない）配置としている。
【００３２】
本発明例３の断熱材１１はグラスウールとし、断熱材支持プレート１２はステンレス鋼製で、冷却層側壁Ｅａ内周部に上向き角度４５°でコニカル状に取り付けられ、冷却層側壁Ｅａから中心方向へ約３０ｍｍの範囲を断熱材１１で覆うようにしている。
【００３３】
伝熱計算の結果を図４〜６に示す。図４は、従来法（比較例）のチューブシート１ｂの温度分布を等温線図で表したものである。なお、カラーパイプ９（伝熱チューブ３）や冷却空気ノズル４等の機器の配置が中心角６０°ごとに同一であることから温度分布も中心角６０°ごとに同一であるので、その一部のみを示した。図４に示すように、白抜き部分のカラーパイプ９（伝熱チューブ３）群の外側部分（円周側部分）は４８５〜５２４℃程度と低い温度であるのに対し、カラーパイプ９（伝熱チューブ３）群の内部では中心に近づくにしたがい温度が上昇し、１重目のカラーパイプ９（伝熱チューブ３）と２重目のカラーパイプ９（伝熱チューブ３）との周辺（中心から約６０〜１５０ｍｍの範囲）で最高６０２℃以上に到達している。なお、さらに中心に近い中心から４０ｍｍ程度までの範囲では、冷却空気排出管６の影響で５７６〜５８９℃程度に温度低下することが認められる。
【００３４】
図４の温度分布より、チューブシート１ｂの中心から同一距離（すなわち同心円周上）における平均温度を求め、図５にチューブシート１ｂにおける中心からの距離と平均温度との関係を示した（なお、後述する理由により図６にも同じものを示した）。なお、平均温度を求める際、カラーパイプ９（伝熱チューブ３）の部分は除外して計算を行った。
【００３５】
本発明例１〜３についても、チューブシート１ｂの温度分布を求め（図示せず）、上記と同様にして中心からの距離と平均温度との関係を求めた。そして、図５に本発明例１および２の計算結果、図６に本発明例３の計算結果を分け、それぞれ比較例と併せてプロットした（図５と図６とに分けてプロットしたのは、本発明例１〜３の計算結果が相互に近似しており、同一の図にすべてをプロットすると判別しにくくなるためである）。
【００３６】
図５および図６に示すように、本発明例１〜３の場合においてはともに、中心近傍（中心から６０〜１５０ｍｍ）の平均温度は、従来法（比較例）に比べ、１０℃程度低下している一方、周辺部（中心から２４０〜３００ｍｍ）の平均温度は、逆に従来法（比較例）に比べ、４０℃程度上昇している。したがって、本発明により、チューブシート１ｂの内部温度差が従来法に比べ大きく縮小できることが確認された。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、チューブシートの内部温度差を大きく縮小できるので大幅に熱応力が低減でき、耐用年数の延長・補修頻度の削減を達成できる。また、高価な耐熱材料や複雑な構造を用いることがないので、過大なコスト増を招くことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明（請求項１）に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明（請求項２）に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図３】本発明（請求項３）に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の冷却層を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図４】従来法（比較例）のチューブシートの温度分布を表す等温線図である。
【図５】従来例と本発明例１および２について、チューブシートにおける中心からの距離と平均温度との関係を示すグラフ図である。
【図６】従来例と本発明例３について、チューブシートにおける中心からの距離と平均温度との関係を示すグラフ図である。
【図７】従来のシェルアンドチューブ方式熱交換器の高温側チューブシート部を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ…チューブシート、２…熱源流体入口ヘッダ、３，３ａ，３ｂ…伝熱チューブ、４…冷却空気ノズル、４ａ…冷却空気ノズル先端、５…隔壁、６…冷却空気排出管、７…断熱材、８…ヘッダ耐火物、９…カラーパイプ、１０…熱交換器枠体、１１…断熱材、１２…断熱材支持プレート
Ｅ…冷却層、Ｅａ…冷却層側壁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shell-and-tube heat exchanger, and more particularly to an improvement in a method for cooling a high-temperature side tube sheet of a double tube sheet system.
[0002]
[Prior art]
The shell-and-tube heat exchanger circulates the heat source fluid through a plurality of heat transfer tubes inserted into the outer cylinder connected between the heat source fluid inlet header and the heat source fluid outlet header, and heat is radiated through the heat transfer tubes. Is a multi-tube heat exchanger that exchanges heat by transferring heat to the preheating fluid supplied between these heat transfer tubes, and is a tube plate (tube plate) on the high temperature side (heat source fluid inlet side) The temperature of the welded part between the heat transfer tube and the high-temperature side tube sheet is reduced by introducing cooling air from the outside into the cooling air ventilation space (cooling layer) between the tube sheets and forcibly cooling the tube sheet. To improve the strength of welds and structural defects, improve the service life and reduce the frequency of repairs.
[0003]
7A and 7B are views showing a high-temperature side tube sheet portion of a conventional shell-and-tube heat exchanger, where FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a cross-sectional view. As shown in FIG. 7 (b), the structure of the high temperature side tube sheet employs a double tube sheet system composed of a first tube sheet 1a on the preheated fluid inflow side and a second tube sheet 1b on the heat source side. The portion partitioned by the double tube plate is configured as a cooling layer E. A plurality of heat transfer tubes 3 pass through the tube sheets 1 a and 1 b, and their openings face the inside of the heat source fluid inlet header 2. Each heat transfer tube 3 is covered with a color pipe 9 in the section of the cooling layer E, and a through portion between each color pipe 9 and the tube sheets 1a and 1b is sealed by welding. Further, a heat insulating material 7 and a header refractory 8 for protecting the second tube sheet 1b are provided on the heat source fluid inlet header 2 side of the second tube sheet 1b. A plurality of (six in FIG. 7A) cooling air nozzles 4 are attached to the side wall Ea of the cooling layer E, and the tip 4 a of each cooling air nozzle 4 surrounds the outer periphery of the heat transfer tube group 3. Is arranged. Moreover, as shown in FIG.7 (b), one heat-transfer tube 3 located in the center of the heat-transfer tube group 3 is deleted, and the cooling air exhaust pipe 6 is arrange | positioned instead. The cooling air discharge pipe 6 has an opening at one end facing the inside of the cooling layer E, and although not shown, the opening at the other end faces the preheating fluid near the preheating fluid inlet. Then, the used cooling air, that is, hot air that has cooled and absorbed heat, joins the preheated fluid through the cooling air discharge pipe 6.
[0004]
However, in this cooling method, since cooling air is blown from the outer periphery of the cooling layer E and used cooling air is discharged from the center of the cooling layer E, the tube sheet 1b generally has a high temperature near the center, and the outer periphery. At low temperature. Therefore, thermal stress is generated due to the difference in thermal strain between the vicinity of the center portion of the tube sheet 1b and the outer peripheral portion. In addition, since the material strength decreases as the temperature increases, the life of the tube sheet 1b is influenced in the vicinity of the center portion where the temperature is highest (particularly the welded portion with the color pipe 9). In this cooling method, even if the cooling air blowing amount is increased for the purpose of reducing the temperature in the vicinity of the center portion and preventing the decrease in the material strength in the vicinity of the center portion, the outer peripheral portion of the tube sheet 1b is further cooled to the center. Since the temperature difference between the vicinity of the portion and the outer peripheral portion is not eliminated and the thermal stress is not removed, the effect of extending the life is small. Furthermore, in order to increase the cooling air blowing amount, it is necessary to increase the cooling air blowing pressure, and there is a disadvantage that the cost is increased due to an increase in the booster or an increase in the amount of electric power used.
[0005]
On the other hand, in the invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-51588, the cooling air nozzle is inserted through the heat source fluid inlet header from above and inserted into the center of the cooling layer, and the cooling air is blown from the center of the cooling layer. Cooling air (hot air) is discharged from a plurality of cooling air discharge ports provided on the side wall of the cooling layer, and reduces the temperature of the central portion of the cooling layer to reduce the central and outer peripheral portions of the tube sheet. The thermal stress is reduced by reducing the temperature difference. However, the cooling air nozzle must pass through the heat source fluid inlet header, which is the hottest part of the heat exchanger, and in order to ensure its heat resistance, an expensive heat-resistant material is used for the cooling air nozzle or a complicated structure is used. It is necessary to apply, and it requires a significant cost increase and is not feasible.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is a shell-and-tube type which does not cause an excessive increase in cost and can greatly reduce the thermal stress of the tube sheet with a simple structure, thereby extending the service life and reducing the repair frequency. It is to provide a heat exchanger.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention achieves the above-mentioned object with the minimum equipment change while utilizing the configuration of a conventional shell-and-tube heat exchanger as much as possible, and the gist thereof is as follows.
[0008]
The invention of claim 1 is an outer cylinder provided with a preheating fluid inlet / outlet, a high temperature side tube sheet disposed at one end of the outer cylinder, a low temperature side tube sheet disposed at the other end of the outer cylinder, A plurality of heat transfer tubes communicating from the heat source fluid inlet header connected via the high temperature side tube sheet to the heat source fluid outlet header connected via the low temperature side tube sheet, and at least the high temperature side tube The sheet is a double tube sheet system having a cooling layer, and cooling air is supplied into the cooling layer from a plurality of cooling air nozzles provided on the side walls of the cooling layer, and the cooling air is supplied to the cooling layer. The cooling air discharge pipe is configured to be discharged, and the tip of at least one cooling air nozzle of the plurality of cooling air nozzles is extended to the inside of the plurality of heat transfer tube groups. A shell and tube heat exchanger according to claim.
[0009]
The invention of claim 2 includes an outer cylinder provided with a preheating fluid inlet / outlet, a high temperature side tube sheet disposed at one end of the outer cylinder, a low temperature side tube sheet disposed at the other end of the outer cylinder, A plurality of heat transfer tubes communicating from the heat source fluid inlet header connected via the high temperature side tube sheet to the heat source fluid outlet header connected via the low temperature side tube sheet, and at least the high temperature side tube The sheet is a double tube sheet system having a cooling layer, and cooling air is supplied into the cooling layer from a plurality of cooling air nozzles provided on the side walls of the cooling layer, and the cooling air is supplied to the cooling layer. The cooling air discharge pipe is configured to discharge, and a partition wall is provided in the cooling layer so as to surround the plurality of heat transfer tube groups, and the plurality of cooling air nozzles are communicated with the partition wall. A shell and tube heat exchanger, characterized in that the sea urchin configuration.
[0010]
The invention of claim 3 is an outer cylinder provided with a preheating fluid inlet / outlet, a high temperature side tube sheet disposed at one end of the outer cylinder, a low temperature side tube sheet disposed at the other end of the outer cylinder, A plurality of heat transfer tubes communicating from the heat source fluid inlet header connected via the high temperature side tube sheet to the heat source fluid outlet header connected via the low temperature side tube sheet, and at least the high temperature side tube The sheet is a double tube sheet system having a cooling layer, and cooling air is supplied into the cooling layer from a plurality of cooling air nozzles provided on the side walls of the cooling layer, and the cooling air is supplied to the cooling layer. A shell-and-tube characterized in that it is discharged through a provided cooling air discharge pipe, and a heat insulating material is arranged on at least the outer peripheral portion of the inner surface of the cooling layer on the heat source fluid inlet header side. It is a heat exchanger.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, the tip of at least one of the plurality of cooling air nozzles is extended to the inside of the plurality of heat transfer tube groups. It is a shell and tube heat exchanger.
[0012]
A fifth aspect of the present invention is the shell and tube heat exchanger according to any one of the first to fourth aspects, wherein a plurality of injection holes are provided at tip portions of the plurality of cooling air nozzles.
[0013]
According to the present invention, the front end of at least one cooling air nozzle among the plurality of cooling air nozzles is extended to the inside of the plurality of heat transfer tube groups, so that the cooling air is extended to the front end of the cooling air nozzle. It is sprayed intensively toward the center from the position, and the vicinity of the center of the tube sheet is efficiently cooled, so that the temperature difference between the vicinity of the center of the tube sheet and the outer periphery can be reduced, and the thermal stress can be reduced.
[0014]
Alternatively, by providing a partition wall that surrounds the entire heat transfer tube group in the cooling layer and communicating a plurality of cooling air nozzles in the partition wall, a space between the heat transfer tube group and the cooling layer side wall is provided. Since the amount of cooling air flowing to the (outer peripheral portion of the tube sheet) is reduced so that the cooling air flows intensively in the central portion, the same effect as described above can be obtained.
[0015]
Alternatively, by providing a heat insulating material on at least the outer peripheral portion of the inner surface of the cooling layer on the heat source fluid inlet header side, at least the outer peripheral portion of the tube sheet is prevented from being overcooled, and the cooling air is excessively increased at the outer peripheral portion. Since it is not heated, cooling in the vicinity of the center portion is promoted, so that the temperature difference between the vicinity of the center portion of the tube sheet and the outer peripheral portion can be reduced, and thermal stress can be reduced.
[0016]
In addition, a partition surrounding the entire heat transfer tube group is provided in the cooling layer, and a plurality of cooling air nozzles are communicated with the partition, and at least one of the nozzle tips is connected to the inside of the heat transfer tube group. By stretching, the vicinity of the center is further intensively cooled, so that the temperature difference between the vicinity of the center portion of the tube sheet and the outer peripheral portion can be further reduced, and thermal stress can be further reduced.
[0017]
In addition, by disposing a heat insulating material on at least an outer peripheral portion of the inner surface of the cooling layer on the heat source fluid inlet header side, and extending at least one nozzle tip of the nozzle tips to the inside of the heat transfer tube group Since at least the outer periphery is prevented from being overcooled and the vicinity of the center is more efficiently cooled, the temperature difference between the vicinity of the center of the tube sheet and the outer periphery can be further reduced, and thermal stress can be further reduced.
[0018]
In addition, by providing a plurality of injection holes at each tip of the cooling air nozzle, cooling air can be dispersed and injected to prevent local overcooling near the nozzle outlet and prevent the occurrence of local thermal stress. it can.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a shell and tube heat exchanger according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cooling layer of a shell and tube heat exchanger according to the present invention (Claim 1), wherein (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view. FIG. 2 shows a cooling layer of a shell and tube heat exchanger according to the present invention (Claim 2), wherein (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view. FIG. 3 shows a cooling layer of a shell and tube heat exchanger according to the present invention (Claim 3), wherein (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view.
[0020]
A shell-and-tube heat exchanger according to the present invention is disposed at a heat exchanger frame 10 that is an outer cylinder provided with an inlet / outlet (not shown) for a preheating fluid, and at one end of the heat exchanger frame 10. From the high-temperature side tube sheet 1, the low-temperature side tube sheet (not shown) disposed at the other end of the heat exchanger frame 10, and the heat source fluid inlet header 2 connected via the high-temperature side tube sheet 1. A double tube plate system having a plurality of heat transfer tubes 3 communicating with a heat source fluid outlet header (not shown) connected through a low temperature side tube sheet, and the high temperature side tube sheet 1 having a cooling layer E It is said.
[0021]
The structure of the cooling layer E is the same as that of the conventional cooling layer described with reference to FIG. 7 except for the cooling air nozzle 4 and the partition wall 5, as shown in FIGS. That is, as shown in FIG. 1B, FIG. 2B, and FIG. 3B, the cooling layer E includes the first tube sheet 1a on the side into which the preheating fluid flows in the structure of the high temperature side tube sheet and the heat source. The double tube sheet system is configured by the second tube sheet 1b on the side, and is configured as a portion partitioned by the double tube sheet. A plurality of heat transfer tubes 3 pass through the tube sheets 1 a and 1 b, and their openings face the inside of the heat source fluid inlet header 2. Each heat transfer tube 3 is covered with a color pipe 9 in the section of the cooling layer E, and a through portion between each color pipe 9 and the tube sheets 1a and 1b is sealed by welding. Further, a heat insulating material 7 and a header refractory 8 for protecting the second tube sheet 1b are provided on the heat source fluid inlet header 2 side of the second tube sheet 1b. Further, one heat transfer tube 3 located in the center of the heat transfer tube group 3 is deleted, and a cooling air discharge pipe 6 is disposed instead. The cooling air discharge pipe 6 has an opening at one end facing the inside of the cooling layer E, and although not shown, the opening at the other end faces the preheating fluid near the preheating fluid inlet. The used cooling air, that is, hot air that has absorbed and absorbed heat is joined to the preheated fluid via the cooling air discharge pipe 6.
[0022]
In the first embodiment of the present invention, the tip 4a of the cooling air nozzle 4 is extended to the inside of the heat transfer tube group 3 as shown in FIG. By the way, since the heat transfer tube group 3 is usually arranged in a staggered pattern as shown in FIG. 1, if the cooling air nozzle 4 is installed vertically on the side wall Ea of the cooling layer E as in the conventional method, In many cases, the nozzle tip 4a cannot be fully inserted into the heat transfer tube group 3. Therefore, in such a case, as shown in FIG. 1, the nozzle tip 4a may be inserted along the direction in which the heat transfer tubes 3 are most closely aligned (for example, the AA direction). In addition, the outer diameter of the nozzle tip 4a portion is set to an adjacent straight heat transfer tube row (for example, an AA row and the like) so that the nozzle tip 4a is not buffered with the heat transfer tube 3 when the nozzle tip 4a is inserted into the heat transfer tube group 3. It is set slightly smaller than the gap d in the (BB row). Moreover, it is preferable that the position of the nozzle tip 4a is a position where the cooling air is directly blown to the portion of the heat transfer tubes 3a and 3b (see examples described later) in the vicinity of the center portion where the temperature is highest. And like the conventional method, it is preferable to install a plurality of cooling air nozzles 4 in the circumferential direction of the side wall Ea of the cooling layer (in FIG. 1, six nozzles are installed at equal intervals in the circumferential direction). In addition, the cooling air blown from the plurality of nozzles 4 becomes a flow that rotates (stirring) in the circumferential direction along the peripheral portions of the highest temperatures 3a and 3b so that the cooling efficiency of this portion is increased. In order to increase, it is preferable to install the nozzle tip 4a while being slightly shifted from the center of the cooling layer E toward the side wall Ea. Furthermore, in order to avoid the rapid cooling of the tube sheet 1b in the vicinity of the cooling air nozzle tip 4a, for example, although not shown, a plurality of injection holes directed in the forward direction of the nozzle 4a are provided on the nozzle 4a front end surface, or the tip of the nozzle 4a It is preferable to provide a plurality of injection holes directed in the lateral direction of the nozzle 4a on the side surface. In addition, in FIG. 1, although all the front-end | tips 4a of the multiple (6) cooling air nozzle 4 are extended | stretched in the heat-transfer tube group 3, it is not necessarily restricted to this, The tube sheet 1b Depending on the cooling condition, for example, only three of the six may be extended inside the heat transfer tube group 3 and the remaining three may be left outside the heat transfer tube group 3.
[0023]
Next, in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, the entire heat transfer tube group 3 is installed so as to be surrounded by the cylindrical partition wall 5, and the cooling air nozzle tip is provided from the side surface of the partition wall 5. 4a is inserted. Here, in order to minimize the flow of the cooling air to the peripheral part in the partition wall 5, it is preferable to keep the inner diameter of the partition wall 5 as small as possible so that the entire heat transfer tube group 3 can be entered. Moreover, it is preferable that the height of the partition wall 5 is slightly lower than the height of the cooling layer E so that the partition wall 5 can be easily fitted in the height of the cooling layer E. Even if there is a slight gap between the partition wall 5 and the tube sheets 1a and 1b, there is no problem because only a small amount of cooling air leaks to the outside of the partition wall 5, but rather avoids the generation of new thermal stress. In consideration of the ease of maintenance and the like, the partition wall 5 and the tube sheets 1a and 1b should not be joined by welding or the like. Moreover, it is not necessary to weld the hole part of the partition wall 5 into which the cooling air nozzle tip 4a is inserted for the same reason. Moreover, the shape of the partition wall 5 is not necessarily cylindrical, and the horizontal cross section may be a polygonal shape or the like. Furthermore, it is more preferable that the cooling air nozzle tip 4a is configured to be inserted into the heat transfer tube group 3 as in FIG. Further, it is preferable to provide a plurality of injection holes similar to those described above at the tip of the cooling air nozzle 4a. The partition wall 5 can be made of iron, steel, stainless steel, refractory, or the like. It is also preferable to install a heat insulating material on the outer peripheral side of the partition wall 5.
[0024]
Next, in the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the heat insulating material 11 is installed on the outer peripheral portion of the inner surface of the cooling layer E on the heat source fluid inlet header 2 side (that is, the lower surface of the tube sheet 1b). It is a thing. In addition, the installation range of the heat insulating material 11 is not restricted only to an outer peripheral part, You may expand and install the range to the center direction of the cooling layer E and / or the tube sheet 1a side as needed. It is recommended that the heat insulating material 11 be installed as wide as possible within a range not to be buffered with the color pipe 9 (cooling tube 3) group so that the heat insulating material 11 can be easily installed and the peripheral portion can be effectively prevented from being overcooled. The type of the heat insulating material 11 is not particularly limited, but it is preferable to use glass wool or castable in consideration of ease of installation. For example, glass wool is used as the heat insulating material 11, and as shown in FIG. 3, it can be easily installed at a predetermined site by supporting and fixing with a refractory support plate 12 mounted conically upward on the inner periphery of the cooling layer side wall Ea. it can. Furthermore, it is more preferable that the cooling air nozzle tip 4a is configured to be inserted into the heat transfer tube group 3 as in FIG. Further, it is preferable to provide a plurality of injection holes similar to those described above at the tip of the cooling air nozzle 4a.
[0025]
In addition, in the said 1st-3rd embodiment, although the cooling air exhaust pipe 6 demonstrated what has the center part of the tube sheet 1a, you may make it join a preheating fluid from the peripheral part of the tube sheet 1a. .
[0026]
【Example】
In order to confirm the effect of the present invention, the temperature distribution of the tube sheet 1b in the conventional method and the present invention method was obtained by heat transfer calculation and compared.
[0027]
The conventional method (comparative example) is the arrangement shown in FIG. 7, in which a color pipe 9 (heat transfer tube 3 having an outer diameter of 35 mm) having an outer diameter of 50 mm is located in the cooling layer E having an inner diameter of 600 mm and a height of 80 mm. It is arranged in a triple pattern in a staggered pattern at 70 mm. In the center of the cooling layer E, a cooling air discharge pipe 6 having an outer diameter of 40 mm is provided. The tube sheet 1b is made of stainless steel having a thickness of 12 mm, and the upper surface side (the heat source fluid inlet header 2 side) is covered with a heat insulating material 7 having a thickness of 50 mm. Further, a header fireproof having a thickness of 100 mm is formed on the upper surface of the heat insulating material 7. Object 8 is given. Six cooling air nozzles 4 are installed at equal intervals in the circumferential direction perpendicular to the cooling layer side wall Ea, the nozzle tips 4a are located outside the heat transfer tube group 3, and each nozzle tip 4a is sprayed with a diameter of 12 mm. One hole is provided. In the heat transfer calculation, the heat source fluid inlet temperature is 850 ° C., the preheating fluid outlet temperature is 650 ° C., the cooling air is the inlet temperature 50 ° C., and the cooling air blowing amount is 300 m ³ per cooling air nozzle (standard) State) / h, the amount of heat transferred from the color pipe 9 (heat transfer tube 3) to the tube sheet 4b, the amount of heat transferred from the heat source fluid in the heat source fluid header 2 to the tube sheet 1b via the header refractory 8 and the heat insulating material 7, A three-dimensional steady-state heat transfer equation that takes into account the amount of heat radiated from the tube sheet 1a on the lower surface of the cooling layer E to the preheating fluid below it, the amount of heat dissipated from the tube sheet side wall Ea through the heat exchanger frame 10 to the outside air, etc. Was solved by a numerical solution method, and the temperature distribution of the tube sheet 1b was determined therefrom.
[0028]
The present invention has the structure shown in FIG. 1 (Invention Example 1), the structure shown in FIG. 2 (Invention Example 2), and the structure shown in FIG. 3 (Invention Example 3). The heat transfer calculation similar to the said comparative example was implemented.
[0029]
In Examples 1-3 of the present invention, the dimensions and arrangement of the cooling layer E, the color pipe 8 (heat transfer tube 3), and the tube sheet 1b are the same as those in the comparative example, and the diameter of the injection nozzle at the tip of the cooling air nozzle 4a and The number and cooling air blowing amount were also the same as in the comparative example.
[0030]
As shown in FIG. 1, the cooling air nozzle 4 of Example 1 of the present invention has six color pipes 9 a (first color pipes) in which the nozzles 4 a are inserted into the innermost hexagonal shape. And 12 color pipes 9b (second color pipes) arranged in a hexagonal shape surrounding the outside, and the position of each nozzle tip 4a is between the second adjacent color pipes 9b. Arranged in between.
[0031]
In the present invention example 2, a cylindrical stainless steel partition wall 5 having an inner diameter of 235 mm (the height is the same as the cooling layer height) is installed so as to surround the entire group of the color pipes 9 (heat transfer tubes 3), and the cooling air nozzle 4 The nozzle tip 4a protrudes into the partition wall 5 while being installed perpendicularly to the side wall Ea of the cooling layer E similar to the comparative example (however, it is not inserted into the color pipe 9 (heat transfer tube 3) group. ) Arrangement.
[0032]
The heat insulating material 11 of the present invention example 3 is made of glass wool, the heat insulating material support plate 12 is made of stainless steel, is attached in a conical shape at an upward angle of 45 ° to the inner peripheral portion of the cooling layer side wall Ea, and extends from the cooling layer side wall Ea toward the center. The range of about 30 mm is covered with the heat insulating material 11.
[0033]
The results of the heat transfer calculation are shown in FIGS. FIG. 4 is an isotherm diagram showing the temperature distribution of the tube sheet 1b of the conventional method (comparative example). Since the arrangement of the devices such as the color pipe 9 (heat transfer tube 3) and the cooling air nozzle 4 is the same for every 60 ° central angle, the temperature distribution is also the same for every 60 ° central angle. Only shown. As shown in FIG. 4, the outer portion (circumferential side portion) of the white colored portion of the color pipe 9 (heat transfer tube 3) group has a low temperature of about 485 to 524 ° C. Inside the heat tube 3) group, the temperature rises as it approaches the center, and the periphery (center) of the first color pipe 9 (heat transfer tube 3) and the second color pipe 9 (heat transfer tube 3). In the range of about 60 to 150 mm), the temperature reaches a maximum of 602 ° C. or higher. In addition, in the range from the center closer to the center to about 40 mm, it is recognized that the temperature drops to about 576 to 589 ° C. due to the influence of the cooling air discharge pipe 6.
[0034]
From the temperature distribution of FIG. 4, the average temperature at the same distance (that is, on the concentric circle) from the center of the tube sheet 1b was obtained, and the relationship between the distance from the center of the tube sheet 1b and the average temperature is shown in FIG. The same is shown in FIG. 6 for the reason described later). In addition, when calculating | requiring average temperature, the part of the color pipe 9 (heat-transfer tube 3) was excluded and calculated.
[0035]
For the inventive examples 1 to 3, the temperature distribution of the tube sheet 1b was obtained (not shown), and the relationship between the distance from the center and the average temperature was obtained in the same manner as described above. FIG. 5 shows the calculation results of Examples 1 and 2 of the present invention, and FIG. 6 shows the calculation results of Example 3 of the present invention. The calculation results are plotted together with the comparative examples (FIG. 5 and FIG. 6 are plotted separately) This is because the calculation results of Examples 1 to 3 of the present invention are close to each other and are difficult to discriminate if all are plotted in the same figure).
[0036]
As shown in FIG. 5 and FIG. 6, in the case of Invention Examples 1 to 3, the average temperature in the vicinity of the center (60 to 150 mm from the center) decreased by about 10 ° C. compared to the conventional method (Comparative Example). On the other hand, the average temperature in the peripheral part (240 to 300 mm from the center) is, on the contrary, increased by about 40 ° C. compared to the conventional method (comparative example). Therefore, according to the present invention, it was confirmed that the internal temperature difference of the tube sheet 1b can be greatly reduced as compared with the conventional method.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the internal temperature difference of the tube sheet can be greatly reduced, so that the thermal stress can be greatly reduced, and the service life can be extended and the repair frequency can be reduced. Moreover, since an expensive heat-resistant material or a complicated structure is not used, an excessive increase in cost is not caused.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a cooling layer of a shell and tube heat exchanger according to the present invention (Claim 1), wherein (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view.
FIG. 2 shows a cooling layer of a shell and tube heat exchanger according to the present invention (Claim 2), wherein (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view.
FIG. 3 shows a cooling layer of a shell and tube heat exchanger according to the present invention (Claim 3), wherein (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view.
FIG. 4 is an isotherm representing a temperature distribution of a tube sheet of a conventional method (comparative example).
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the distance from the center of the tube sheet and the average temperature for the conventional example and Examples 1 and 2 of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the distance from the center of the tube sheet and the average temperature for the conventional example and Example 3 of the present invention.
7A and 7B are views showing a high-temperature side tube sheet portion of a conventional shell-and-tube heat exchanger, where FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a cross-sectional view.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b ... Tube sheet, 2 ... Heat source fluid inlet header, 3, 3a, 3b ... Heat transfer tube, 4 ... Cooling air nozzle, 4a ... Cooling air nozzle tip, 5 ... Partition, 6 ... Cooling air discharge pipe, DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 ... Heat insulating material, 8 ... Header refractory material, 9 ... Color pipe, 10 ... Heat exchanger frame, 11 ... Heat insulating material, 12 ... Heat insulating material support plate E ... Cooling layer, Ea ... Cooling layer side wall

Claims

An outer cylinder provided with a preheating fluid inlet / outlet, a high temperature side tube sheet disposed at one end of the outer cylinder, a low temperature side tube sheet disposed at the other end of the outer cylinder, and the high temperature side tube sheet A plurality of heat transfer tubes communicating from the heat source fluid inlet header connected through the low temperature side tube sheet to the heat source fluid outlet header connected through the low temperature side tube sheet, and at least the high temperature side tube sheet having a cooling layer. In this cooling layer, cooling air is supplied from a plurality of cooling air nozzles provided on the side wall of the cooling layer, and the cooling air is supplied to a cooling air discharge pipe provided in the cooling layer. And a tip of at least one of the plurality of cooling air nozzles is extended to the inside of the plurality of heat transfer tube groups. And-tube heat exchanger.

An outer cylinder provided with a preheating fluid inlet / outlet, a high temperature side tube sheet disposed at one end of the outer cylinder, a low temperature side tube sheet disposed at the other end of the outer cylinder, and the high temperature side tube sheet A plurality of heat transfer tubes communicating from the heat source fluid inlet header connected through the low temperature side tube sheet to the heat source fluid outlet header connected through the low temperature side tube sheet, and at least the high temperature side tube sheet having a cooling layer. In this cooling layer, cooling air is supplied from a plurality of cooling air nozzles provided on the side wall of the cooling layer, and the cooling air is supplied to a cooling air discharge pipe provided in the cooling layer. A partition that surrounds the plurality of heat transfer tube groups in the cooling layer, and the cooling air nozzles communicate with each other in the partition. Shell and tube heat exchanger according to claim.

An outer cylinder provided with a preheating fluid inlet / outlet, a high temperature side tube sheet disposed at one end of the outer cylinder, a low temperature side tube sheet disposed at the other end of the outer cylinder, and the high temperature side tube sheet A plurality of heat transfer tubes communicating from the heat source fluid inlet header connected through the low temperature side tube sheet to the heat source fluid outlet header connected through the low temperature side tube sheet, and at least the high temperature side tube sheet having a cooling layer. In this cooling layer, cooling air is supplied from a plurality of cooling air nozzles provided on the side wall of the cooling layer, and the cooling air is supplied to a cooling air discharge pipe provided in the cooling layer. A shell and tube heat exchanger characterized in that a heat insulating material is disposed on at least the outer peripheral portion of the inner surface of the cooling layer on the heat source fluid inlet header side.

The shell and tube heat exchanger according to claim 2 or 3, wherein a tip of at least one of the plurality of cooling air nozzles extends to the inside of the plurality of heat transfer tube groups. .

The shell and tube type heat exchanger according to any one of claims 1 to 4, wherein a plurality of injection holes are provided at tip portions of the plurality of cooling air nozzles.