JP2004069102A

JP2004069102A - 複筒式熱交換器

Info

Publication number: JP2004069102A
Application number: JP2002225824A
Authority: JP
Inventors: Mitsuro Takahama; 高浜　充郎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】特に、耐蝕性に富み、かつ、低廉な二重円筒式熱交換器を提供することである。
【解決手段】内部を予熱流体が流動する外筒１と、この外筒内に配設された内部を粉塵が含まれる腐蝕性ガスの熱源流体が流動する内筒２とを具備する複筒式熱交換器であって、
前記内筒２は、第１内筒２ａと、この第１内筒２ａの内面に接して設けられた第２内筒２ｂとを具備し、
前記第１内筒２ａはステンレススチールで構成されると共に、前記第２内筒２ｂはＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ−Ａｌ−Ｎｂ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｗ合金の群の中から選ばれる何れかの耐熱性・耐蝕性合金で構成されてなる熱交換器。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器、特に内部を予熱流体が流動する外筒と、この外筒内に配設された内部を熱源流体が流動する内筒とを具備する複筒式熱交換器に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
熱交換器には、内部を予熱流体が流動する外筒と、この外筒内に配設された内部を熱源流体が流動する内筒とを具備する複筒式（二重円筒式）熱交換器がある。
【０００３】
このタイプの熱交換器は、主として、廃棄物焼却プラントに使用されている。すなわち、粉塵が含まれる腐蝕性ガス（熱源流体）を内筒内を流動させると共に粉塵などは含まれてない清浄な空気（予熱流体）を外筒内（正確には、外筒と内筒との間の空間）を流動させ、これによって熱交換を行わせるものである。
【０００４】
ところで、これまでの外筒や内筒は、例えばＳＵＳ３１０ＳやＳＵＳ３０４等の厚さ４〜１４ｍｍ程度のステンレススチールで構成されている。
【０００５】
しかるに、上述した通り、内筒内を塩化物や硫化物などを含む腐蝕性ガスが流動するものであるから、内筒は腐蝕し易い問題が有る。
【０００６】
そこで、内筒内面に炭化珪素などのセラミック素材のブロックを張り付けることが考えられた。
【０００７】
しかしながら、炭化珪素のブロックを張り付けることにより腐蝕性ガスからの損傷を防ごうとすると、炭化珪素ブロックの厚さは５０ｍｍ程度も必要なものであった。そして、厚さが厚い炭化珪素ブロックが用いられている為、内筒内面に張り付けていても、脱落し易い。更には、運転中に、張り付けている炭化珪素ブロック間の隙間から腐蝕性ガスが侵入し易く、内筒の損傷防止効果が未だと言う段階であり、炭化珪素ブロックを用いる手法は普及していない。
【０００８】
すなわち、現実的に採用されている手法は、内筒の厚みを厚くして延命を図ったり、又、内筒の交換を頻繁に行うことが行われているに過ぎない。しかし、この手法は根本的な解決にはならない。
【０００９】
従って、本発明が解決しようとする課題は、上記問題点を解決することである。特に、耐蝕性に富み、かつ、低廉な複筒式（二重円筒式）熱交換器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の問題点に対する検討に際して、内筒の厚みを厚くして延命を図る手法や、内筒の交換を頻繁に行う手法は根本的なものでは無く、やはり、何らかの保護材を設けなければならないであろうとの結論に到達した。
【００１１】
そこで、二重円筒式熱交換器の内筒保護材に用いる材料として如何なるものが適しているかの検討を鋭意行うと共に、思考錯誤を繰り返しながら実験を押し進めて行った。
【００１２】
その結果、内筒の外面側をステンレススチール等の鋼材で構成すると共に、内筒の内面側を少なくともＮｉ及びＣｒを成分として含む耐熱性・耐蝕性合金で構成した場合、内筒の耐久性が優れていることが判明した。
【００１３】
上記知見に基づいて本発明が達成されたものであり、前記の課題は、
内部を予熱流体が流動する外筒と、この外筒内に配設された内部を熱源流体が流動する内筒とを具備する複筒式熱交換器であって、
前記内筒は、第１内筒と、この第１内筒の内面に接して設けられた第２内筒とを具備し、
前記第１内筒は鋼材で構成されると共に、前記第２内筒は少なくともＮｉ及びＣｒを成分として含む耐熱性・耐蝕性合金で構成されてなる
ことを特徴とする複筒式熱交換器によって解決される。
【００１４】
特に、内部を予熱流体が流動する外筒と、この外筒内に配設された内部を粉塵が含まれる腐蝕性ガスの熱源流体が流動する内筒とを具備する複筒式熱交換器であって、
前記内筒は、第１内筒と、この第１内筒の内面に接して設けられた第２内筒とを具備し、
前記第１内筒はステンレススチールで構成されると共に、前記第２内筒はＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ−Ａｌ−Ｎｂ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｗ合金の群の中から選ばれる何れかの耐熱性・耐蝕性合金で構成されてなる
ことを特徴とする複筒式熱交換器によって解決される。
【００１５】
すなわち、上記本発明の材料は、融点が約１６００Ｋと耐熱性に富むことから、流動する高温の熱源流体が接する内筒（第２内筒）構成材料として好都合である。
【００１６】
尚、高融点のみの観点からであれば、融点が約１９００Ｋのチタン合金なども考慮されるが、このチタン合金は熱伝導率が約７Ｗ／ｍ・Ｋと小さく、流動する熱源流体が接する内筒（第２内筒）構成材料としては適さない。更には、上記ニッケル系合金に比べて加工性が悪く、つまりチタン合金からなる板材を第１内筒の内面形状に加工するのは非常に厄介であった。
【００１７】
逆に、クロム銅合金は、熱伝導率が約３１５Ｗ／ｍ・Ｋと言った大きな値であることから、熱交換の観点からのみであれば、熱源流体が接する内筒（第２内筒）構成材料として考慮できるが、融点が１３００Ｋ程度であることから、高温の熱源流体が接する内筒（第２内筒）構成材料としては適さない。
【００１８】
ところが、上記本発明の材料は、高融点であって耐熱性に富むと共に熱伝導率もＳＵＳと同程度あり、熱源流体が接する内筒（第２内筒）構成材料として非常に適している。因みに、上記本発明の材料は、熱伝導率が約１１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって、ＳＵＳ３０４の熱伝導率１６Ｗ／ｍ・Ｋに比べれば小さいものの、セラミック素材に比べると熱伝導率は大きく、流動する熱源流体が接する内筒（第２内筒）構成材料として好都合である。
【００１９】
又、上記のニッケル系合金はチタン合金に比べて加工性が遥かに良く、第１内筒の内面形状に加工するのが容易であった。
【００２０】
又、上記本発明の材料は、塩化物や硫化物などを含む腐蝕性ガスに対しても腐蝕し難いものであった。
【００２１】
更には、上記本発明の材料の線膨張率とＳＵＳ３０４の線膨張率とは約１４×１０^−４Ｋ^−１と言ったように同程度であり、熱に対する変化度合いが同程度であるから、第１内筒の熱膨張・伸縮に第２内筒は追随して熱膨張・伸縮し、第２内筒が剥がれ難いものであった。
【００２２】
尚、第２内筒は、第１内筒の内面形状に沿った形状に形成された一辺の長さが１００〜３０００ｍｍの板体を第１内筒に対してプラグ熔接（栓熔接）により取り付けられて構成されたものであるのが好ましい。これは、第２内筒を一枚板で構成するよりも、複数枚の板材を第１内筒の内面に取り付けるようにしていると、仮に、第２内筒の何処かの部分が腐蝕性ガスによって腐蝕しても、その腐蝕した部分のみを交換できるから、ランニングコストが低廉なものになる。又、複数枚の板材を第１内筒の内面に取り付けるようにしている方が、初期費用も安くて済む。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明になる複筒式熱交換器は、内部を予熱流体が流動する外筒と、この外筒内に配設された内部を熱源流体が流動する内筒とを具備する複筒式熱交換器であって、前記内筒は、第１内筒と、この第１内筒の内面に接して設けられた第２内筒とを具備し、前記第１内筒は鋼材で構成されると共に、前記第２内筒は少なくともＮｉ及びＣｒを成分として含む耐熱性・耐蝕性合金で構成されてなる。特に、内部を予熱流体が流動する外筒と、この外筒内に配設された内部を粉塵が含まれる腐蝕性ガスの熱源流体が流動する内筒とを具備する複筒式熱交換器であって、前記内筒は、第１内筒と、この第１内筒の内面に接して設けられた第２内筒とを具備し、前記第１内筒はステンレススチールで構成されると共に、前記第２内筒はＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ−Ａｌ−Ｎｂ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｗ合金の群の中から選ばれる何れかの耐熱性・耐蝕性合金で構成されてなる。第２内筒は、第１内筒の内面形状に沿った形状に形成された一辺の長さが１００〜３０００ｍｍの板体を第１内筒に対してプラグ熔接により取り付けられて構成されたものである。
【００２４】
以下、図面を用いて更に詳しく説明する。
【００２５】
図１は本発明になる複筒式熱交換器全体の概略図、図２は要部の断面図、図３は第２内筒の一部展開図である。
【００２６】
各図中、１は二重円筒式熱交換器における円筒形の外筒、２は外筒１内に配設されている円筒形の内筒である。３は内筒２への熱源流体の前ダクト、４は熱源流体の後ダクトである。従って、塩化物や硫化物などの腐蝕性ガスを含む熱源流体は、前ダクト３から内筒２を通って後ダクト４から排出される。５は清浄空気である予熱流体の入口部、６は予熱流体の出口部である。従って、予熱流体は、入口部５から外筒１内に入り、外筒１と内筒２との間の空間を通って出口部６から排出される。そして、外筒１と内筒２との間の空間を通る間に、予熱流体は、内筒２内を通る熱源流体から熱を奪い、その分だけ温度が上昇する。つまり、熱交換が行われる。尚、このような構成は公知であるから詳細は省略される。尚、７は上部コニカルプレート、８は下部コニカルプレート、９は煙道コンペンセータである。
【００２７】
ところで、内筒２は、厚さが４〜１４ｍｍのＳＵＳ３０４（熱伝導率１６．０Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張率１３．６×１０^−６Ｋ^−１）製の円筒形状の第１内筒２ａと、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ−Ａｌ−Ｎｂ合金（熱伝導率１２．０Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張率１２．６×１０^−６Ｋ^−１、融点１７７０Ｋ）製の第２内筒２ｂとで構成されている。尚、この第２内筒２ｂは、第１内筒２ａの内面の曲率に合わせて円筒形状に加工した厚さが２〜６ｍｍで、一辺の長さが３００〜１０００ｍｍの正方形状のＮｉ−Ｃｒ合金板をプラグ熔接により第１内筒２ａの内面に取り付けたものである。従って、第２内筒２ｂの外面が第１内筒２ａの内面に密接している。
【００２８】
上記のように内筒２、つまり二重円筒式熱交換器を構成させていると、腐蝕性ガスを含む熱源流体が接する第２内筒２ｂは、その融点が１７７０Ｋと耐熱性に富むことから、優れた耐久性が確保される。又、塩化物や硫化物などを含む腐蝕性ガスに対しても腐蝕し難いものであった。すなわち、耐蝕性にも優れている。更には、第１内筒２ａの線膨張率と第２内筒２ｂの線膨張率とは同程度であり、従って第１内筒２ａの熱膨張・伸縮と第２内筒２ｂの熱膨張・伸縮とに大きなズレが無く、よって第２内筒２ｂの板をプラグ熔接の手段で第１内筒２ａに取り付けただけでも剥離し難いものであった。つまり、熱膨張率に大きな差があると、これを全面熔接と言った手法によらなければ剥がれてしまう危険性が有るものの、上記のような材料で構成されていると、プラグ熔接の手段でも剥離の問題が無かった。このことは組立コストが低廉なことを意味する。かつ、組立が容易であることをも意味する。更に、第２内筒２ｂの熱伝導率１２．０Ｗ／ｍ・Ｋはセラミック材料に比べて大きな値のものであり、従って熱源流体の熱を第１内筒２ａ、引いては予熱流体に伝えることが出来、熱交換効率に優れていた。又、上記のニッケル系合金はチタン合金に比べて加工性が遥かに良く、第１内筒２ａの内面形状に加工するのが容易であった。
【００２９】
そして、第２内筒２ｂは一枚の板を円筒形状に曲げて加工したものでは無く、図３にも示される通り、３００〜１０００ｍｍの板体を複数枚組み合わせて構成したものである。従って、一部が腐蝕しても、全てを交換する必要は無く、腐蝕した部分の板のみを交換するだけで済むから、そのメンテナンスコストが低廉である。
【００３０】
上記実施の形態では、第１内筒２ａがＳＵＳ３０４製のものであったが、これは、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレススチールであっても良い。又、第２内筒２ｂはＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ−Ａｌ−Ｎｂ合金製のものであったが、これは、例えばＮｉ−Ｃｒ合金（熱伝導率１７．４Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張率１３．２×１０^−６Ｋ^−１、融点１６６８Ｋ）、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金（熱伝導率１４．８Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張率１３．３×１０^−６Ｋ^−１）、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ合金（熱伝導率１１．５Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張率１４．２×１０^−６Ｋ^−１）、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｗ合金（熱伝導率１１．１Ｗ／ｍ・Ｋ、線膨張率１１．３×１０^−６Ｋ^−１、融点１５７８Ｋ）であっても良い。
【００３１】
【発明の効果】
腐蝕性ガスを含む熱源流体が接する第２内筒は、高融点材料で構成されているから、優れた耐久性が確保される。又、塩化物や硫化物などを含む腐蝕性ガスに対しても腐蝕し難いものであることから、耐蝕性にも優れている。更には、第１内筒の線膨張率と第２内筒の線膨張率とは同程度であり、従って第１内筒の熱膨張・伸縮と第２内筒の熱膨張・伸縮とに大きなズレが無く、よって第２内筒の板をプラグ熔接の手段で第１内筒に取り付けただけでも剥離し難い。つまり、熱膨張率に大きな差があると、これを全面熔接と言った手法によらなければ剥がれてしまう危険性が有るものの、上記のような材料で構成されていると、プラグ熔接の手段でも剥離の問題が無い。このことは組立コストが低廉なことになる。かつ、組立が容易である。更に、第２内筒の熱伝導率はセラミック材料に比べても大きく、従って熱源流体の熱を予熱流体に伝えることが出来、熱交換効率に優れている。又、加工性が良く、第１内筒の内面形状に加工するのが容易である。
【００３２】
そして、第２内筒は、一枚の板を円筒形状に曲げて加工したものでは無く、所定の大きさの板体を複数枚組み合わせて構成したものであるから、一部が腐蝕しても、全てを交換する必要は無く、腐蝕した部分の板のみを交換するだけで済み、メンテナンスコストが低廉である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる二重円筒式熱交換器の全体概略図
【図２】本発明になる二重円筒式熱交換器の要部の断面図
【図３】本発明になる二重円筒式熱交換器の第２内筒の一部展開図
【符号の説明】
１　　　外筒
２　　　内筒
２ａ　　第１内筒
２ｂ　　第２内筒
３　　　前ダクト
４　　　後ダクト
５　　　予熱流体入口部
６　　　予熱流体出口部

Claims

内部を予熱流体が流動する外筒と、この外筒内に配設された内部を熱源流体が流動する内筒とを具備する複筒式熱交換器であって、
前記内筒は、第１内筒と、この第１内筒の内面に接して設けられた第２内筒とを具備し、
前記第１内筒は鋼材で構成されると共に、前記第２内筒は少なくともＮｉ及びＣｒを成分として含む耐熱性・耐蝕性合金で構成されてなる
ことを特徴とする複筒式熱交換器。
第１内筒はステンレススチールで構成され、第２内筒はＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｔｉ−Ａｌ−Ｎｂ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｗ合金の群の中から選ばれる何れかの合金で構成されてなることを特徴とする請求項１の複筒式熱交換器。
第２内筒は、第１内筒の内面形状に沿った形状に形成された一辺の長さが１００〜３０００ｍｍの板体を第１内筒に対してプラグ熔接により取り付けられて構成されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２の複筒式熱交換器。