高温熱交換器
【課題】 熱交換効率を高めることができ、伝熱管の耐久性を向上させることができる。【解決手段】 本発明は、高温流体と低温流体との間で熱交換を行うように構成された高温熱交換器１１であって、丸チューブ１４から成る第１熱交換部１２と、扁平チューブ１５とフィン１６，１７とから成る第２熱交換部１３とを備えており、第１熱交換部１２は前記高温流体の上流側に配置され、第２熱交換部１３は前記高温流体の下流側に配置されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの流体間において熱交換を行う熱交換器に関し、特に、高温流体と低温流体との間で熱交換を行う高温熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービンから排出される高温ガスの排熱を回収する場合や、燃料電池において燃料となる水素を生成する場合等において、高温熱交換器が使用されている。
【０００３】
図４は、この種の高温熱交換器を発電プラントにおいて使用した例を示すものである。この発電プラントは、ガスタービン１と、排気管２を介してこのガスタービン１に接続された排熱回収用の高温熱交換器３と、高温熱交換器３内に設けられた蒸発器４及びエコノマイザ５とを備えている。そして、蒸発器４及びエコノマイザ５は蛇行して形成された伝熱管６，７により構成されており、これらの伝熱管６，７内にはそれぞれ蒸気及び水が流通するようになっている。
【０００４】
このような構成において、ガスタービン１から排出された高温の排気ガスは、排気管２を介して排熱回収用の高温熱交換器３に送られ、この高温熱交換器３において、各伝熱管６，７内をそれぞれ流通する蒸気及び水と熱交換され、排気ガスの排熱が回収される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭５８−２０３３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した従来の高温熱交換器では、熱交換部が蛇行する伝熱管６，７により構成されていると共に熱交換を行う２つの流体が全体的に同方向に流れるようになっているため、熱交換効率を高めることが難しいといった問題があった。
【０００６】
また、伝熱管６，７が高温ガスにより熱膨張し、応力の発生を抑制することが難しいため、伝熱管６，７が劣化し易いといった問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、熱交換効率を高めることができ、さらに、伝熱管の耐久性を向上させることのできる高温熱交換器を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、高温流体と低温流体との間で熱交換を行うように構成された高温熱交換器１１であって、丸チューブ１４から成る第１熱交換部１２と、扁平チューブ１５とフィン１６，１７とから成る第２熱交換部１３とを備えており、第１熱交換部１２は前記高温流体の上流側に配置され、第２熱交換部１３は前記高温流体の下流側に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
そして、好ましくは、前記低温流体はチューブ１４，１５内を流通し、前記高温流体はチューブ１４，１５の外側を流通し、前記低温流体と前記高温流体とは全体的に直交且つ対向して流通するように構成されているのがよい。
【００１０】
また、第１熱交換部１２の丸チューブ１４には耐高温酸化材料が使用されているのがよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低温流体と高温流体の温度差の小さい高温流体の下流側に伝熱効率の高い第２熱交換部が配置され、両流体の温度差の大きい高温流体の上流側に流体抵抗の小さい第１熱交換部が配置されているため、熱交換効率と流体抵抗とのバランスが改善され、全体として効率の良い高温熱交換器を提供することができる。
【００１２】
また、低温流体と高温流体とが全体的に直交且つ対向して流れるように構成されている場合には、熱交換効率をさらに高めることができる。
【００１３】
さらに、第１熱交換部の丸チューブに耐高温酸化材料が使用されている場合には、温度変化による劣化を防止することができ、耐久性の向上を図ることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１は本発明の実施の形態に係る高温熱交換器を示す分解斜視図、図２はその第２熱交換部を示す斜視図、図３は高温熱交換器の作用を示す概略説明図である。
【００１５】
この高温熱交換器１１は、第１熱交換部１２と第２熱交換部１３の２つの熱交換部を備えている。第１熱交換部１２はＵ字状に屈曲された複数の丸チューブ１４により構成されており、丸チューブ１４には耐高温酸化材料が使用されている。また、第２熱交換部１３は複数並設された扁平チューブ１５と、扁平チューブ１５内に挿入された波形インナーフィン１６と、各扁平チューブ１５間に介装されたコルゲートオフセットフィン１７とから構成されており、扁平チューブ１５には一般的な低コスト材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６，３０４）が使用されている。そして、丸チューブ１４及び扁平チューブ１５の内部を低温流体が流通し、その低温流体と全体的に直交且つ対向するように高温流体が丸チューブ１４及び扁平チューブ１５の外側を流通するようになっており、第１熱交換部１２は高温流体の上流側に配置され、第２熱交換部１３は高温流体の下流側に配置されている。
【００１６】
また、高温熱交換器１１には、第１熱交換部１２及び第２熱交換部１３の両端側にそれぞれ上流側ヘッダ部材１８及び下流側ヘッダ部材１９が設けられていると共に、第１熱交換部１２及び第２熱交換部１３の両側にそれぞれサイドカバー２０，２１が設けられている。
【００１７】
上流側ヘッダ部材１８は、扁平チューブ１５の上流側端部２２が貫設される上流側ヘッダプレート２３と、上流側ヘッダプレート２３に取り付けられる箱状のヘッダ本体部２４と、ヘッダ本体部２４に取り付けられる低温流体取入れ部２５とから構成されている。一方、下流側ヘッダ部材１９は、扁平チューブ１５の下流側端部２７と丸チューブ１４の上流側端部２８及び下流側端部２９が貫設される下流側ヘッダプレート３０と、扁平チューブ１５の下流側端部２７と丸チューブ１４の上流側端部２８とを連通させるように下流側ヘッダプレート３０に取り付けられる第１ヘッダ本体部３１と、下流側ヘッダプレート３０の丸チューブ１４の下流側端部２９側に取り付けられる第２ヘッダ本体部３２と、第２ヘッダ本体部３２に取り付けられる低温流体排出部３３とから構成されている。
【００１８】
サイドカバー２０，２１はそれぞれ、板状部材の上下端部をそれぞれ内側に折曲させた形状を成しており、第１熱交換部１２及び第２熱交換部１３の各側面を覆うように形成されている。そして、サイドカバー２０，２１は、自由に熱膨張又は熱収縮可能なように、一端のみが固定され、他端はフリーになっている。
【００１９】
次に、主に、図３を参照しつつ、高温熱交換器１１における作用について説明する。
【００２０】
低温流体は、低温流体取入れ部２５からヘッダ本体部２４を通って、第２熱交換部１２の扁平チューブ１５内に流入し、下流側ヘッダ部材１９の第１ヘッダ本体部３１を通って、第１熱交換部１３の丸チューブ１４内に流入する。そして、丸チューブ１４内に流入した低温流体は、丸チューブ１４の形状に沿って折り返し、下流側ヘッダ部材１９の第２ヘッダ本体部３２を通って低温流体排出部３２から外部に排出される。
【００２１】
一方、高温流体は、全体的に低温流体の流れの方向と直交且つ対向する向き（図３では下から上方の向き）に、第１熱交換部１２の丸チューブ１４の外側を流通した後、第２熱交換部１３の扁平チューブ１５の外側を流通する。そして、その高温流体と丸チューブ１４及び扁平チューブ１５内を流通する低温流体との間で熱交換が行われる。この時、熱により丸チューブ１４は伸長するが、丸チューブ１４は下流側ヘッダプレート３０にのみ固定されており、曲がり部によってその伸びを吸収し、熱応力を緩和することができるため、丸チューブ１４の上流側及び下流側端部２８，２９と下流側ヘッダプレート３０との接合箇所に負荷が掛かることはない。したがって、耐久性の向上を図ることができる。
【００２２】
このように、本発明の実施の形態によれば、低温流体と高温流体の温度差の小さい高温流体の下流側に伝熱効率の高い第２熱交換部１３が配置され、両流体の温度差の大きい高温流体の上流側に流体抵抗の小さい第１熱交換部１２が配置されているため、熱交換効率と流体抵抗とのバランスが改善され、全体として効率の良い高温熱交換器を提供することができる。また、低温流体と高温流体とは直交且つ対向して流れるように構成されているため、熱交換効率をさらに高めることができる。さらに、第１熱交換部１２の丸チューブ１４には耐高温酸化材料が使用されているため、温度変化による劣化を防止することができ、耐久性の向上を図ることができると共に、第２熱交換部１３の扁平チューブ１５には低コスト材料が使用されているため、製造コストの低減化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る高温熱交換器を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る高温熱交換器の熱交換部を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る高温熱交換器を示す概略説明図である。
【図４】従来例を示す系統図である。
【符号の説明】
【００２４】
１１ 高温熱交換器
１２ 第１熱交換部
１３ 第２熱交換部
１４ 丸チューブ
１５ 扁平チューブ
１６ 波形インナーフィン
１７ コルゲートオフセットフィン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの流体間において熱交換を行う熱交換器に関し、特に、高温流体と低温流体との間で熱交換を行う高温熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービンから排出される高温ガスの排熱を回収する場合や、燃料電池において燃料となる水素を生成する場合等において、高温熱交換器が使用されている。
【０００３】
図４は、この種の高温熱交換器を発電プラントにおいて使用した例を示すものである。この発電プラントは、ガスタービン１と、排気管２を介してこのガスタービン１に接続された排熱回収用の高温熱交換器３と、高温熱交換器３内に設けられた蒸発器４及びエコノマイザ５とを備えている。そして、蒸発器４及びエコノマイザ５は蛇行して形成された伝熱管６，７により構成されており、これらの伝熱管６，７内にはそれぞれ蒸気及び水が流通するようになっている。
【０００４】
このような構成において、ガスタービン１から排出された高温の排気ガスは、排気管２を介して排熱回収用の高温熱交換器３に送られ、この高温熱交換器３において、各伝熱管６，７内をそれぞれ流通する蒸気及び水と熱交換され、排気ガスの排熱が回収される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭５８−２０３３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した従来の高温熱交換器では、熱交換部が蛇行する伝熱管６，７により構成されていると共に熱交換を行う２つの流体が全体的に同方向に流れるようになっているため、熱交換効率を高めることが難しいといった問題があった。
【０００６】
また、伝熱管６，７が高温ガスにより熱膨張し、応力の発生を抑制することが難しいため、伝熱管６，７が劣化し易いといった問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、熱交換効率を高めることができ、さらに、伝熱管の耐久性を向上させることのできる高温熱交換器を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、高温流体と低温流体との間で熱交換を行うように構成された高温熱交換器１１であって、丸チューブ１４から成る第１熱交換部１２と、扁平チューブ１５とフィン１６，１７とから成る第２熱交換部１３とを備えており、第１熱交換部１２は前記高温流体の上流側に配置され、第２熱交換部１３は前記高温流体の下流側に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
そして、好ましくは、前記低温流体はチューブ１４，１５内を流通し、前記高温流体はチューブ１４，１５の外側を流通し、前記低温流体と前記高温流体とは全体的に直交且つ対向して流通するように構成されているのがよい。
【００１０】
また、第１熱交換部１２の丸チューブ１４には耐高温酸化材料が使用されているのがよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低温流体と高温流体の温度差の小さい高温流体の下流側に伝熱効率の高い第２熱交換部が配置され、両流体の温度差の大きい高温流体の上流側に流体抵抗の小さい第１熱交換部が配置されているため、熱交換効率と流体抵抗とのバランスが改善され、全体として効率の良い高温熱交換器を提供することができる。
【００１２】
また、低温流体と高温流体とが全体的に直交且つ対向して流れるように構成されている場合には、熱交換効率をさらに高めることができる。
【００１３】
さらに、第１熱交換部の丸チューブに耐高温酸化材料が使用されている場合には、温度変化による劣化を防止することができ、耐久性の向上を図ることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１は本発明の実施の形態に係る高温熱交換器を示す分解斜視図、図２はその第２熱交換部を示す斜視図、図３は高温熱交換器の作用を示す概略説明図である。
【００１５】
この高温熱交換器１１は、第１熱交換部１２と第２熱交換部１３の２つの熱交換部を備えている。第１熱交換部１２はＵ字状に屈曲された複数の丸チューブ１４により構成されており、丸チューブ１４には耐高温酸化材料が使用されている。また、第２熱交換部１３は複数並設された扁平チューブ１５と、扁平チューブ１５内に挿入された波形インナーフィン１６と、各扁平チューブ１５間に介装されたコルゲートオフセットフィン１７とから構成されており、扁平チューブ１５には一般的な低コスト材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６，３０４）が使用されている。そして、丸チューブ１４及び扁平チューブ１５の内部を低温流体が流通し、その低温流体と全体的に直交且つ対向するように高温流体が丸チューブ１４及び扁平チューブ１５の外側を流通するようになっており、第１熱交換部１２は高温流体の上流側に配置され、第２熱交換部１３は高温流体の下流側に配置されている。
【００１６】
また、高温熱交換器１１には、第１熱交換部１２及び第２熱交換部１３の両端側にそれぞれ上流側ヘッダ部材１８及び下流側ヘッダ部材１９が設けられていると共に、第１熱交換部１２及び第２熱交換部１３の両側にそれぞれサイドカバー２０，２１が設けられている。
【００１７】
上流側ヘッダ部材１８は、扁平チューブ１５の上流側端部２２が貫設される上流側ヘッダプレート２３と、上流側ヘッダプレート２３に取り付けられる箱状のヘッダ本体部２４と、ヘッダ本体部２４に取り付けられる低温流体取入れ部２５とから構成されている。一方、下流側ヘッダ部材１９は、扁平チューブ１５の下流側端部２７と丸チューブ１４の上流側端部２８及び下流側端部２９が貫設される下流側ヘッダプレート３０と、扁平チューブ１５の下流側端部２７と丸チューブ１４の上流側端部２８とを連通させるように下流側ヘッダプレート３０に取り付けられる第１ヘッダ本体部３１と、下流側ヘッダプレート３０の丸チューブ１４の下流側端部２９側に取り付けられる第２ヘッダ本体部３２と、第２ヘッダ本体部３２に取り付けられる低温流体排出部３３とから構成されている。
【００１８】
サイドカバー２０，２１はそれぞれ、板状部材の上下端部をそれぞれ内側に折曲させた形状を成しており、第１熱交換部１２及び第２熱交換部１３の各側面を覆うように形成されている。そして、サイドカバー２０，２１は、自由に熱膨張又は熱収縮可能なように、一端のみが固定され、他端はフリーになっている。
【００１９】
次に、主に、図３を参照しつつ、高温熱交換器１１における作用について説明する。
【００２０】
低温流体は、低温流体取入れ部２５からヘッダ本体部２４を通って、第２熱交換部１２の扁平チューブ１５内に流入し、下流側ヘッダ部材１９の第１ヘッダ本体部３１を通って、第１熱交換部１３の丸チューブ１４内に流入する。そして、丸チューブ１４内に流入した低温流体は、丸チューブ１４の形状に沿って折り返し、下流側ヘッダ部材１９の第２ヘッダ本体部３２を通って低温流体排出部３２から外部に排出される。
【００２１】
一方、高温流体は、全体的に低温流体の流れの方向と直交且つ対向する向き（図３では下から上方の向き）に、第１熱交換部１２の丸チューブ１４の外側を流通した後、第２熱交換部１３の扁平チューブ１５の外側を流通する。そして、その高温流体と丸チューブ１４及び扁平チューブ１５内を流通する低温流体との間で熱交換が行われる。この時、熱により丸チューブ１４は伸長するが、丸チューブ１４は下流側ヘッダプレート３０にのみ固定されており、曲がり部によってその伸びを吸収し、熱応力を緩和することができるため、丸チューブ１４の上流側及び下流側端部２８，２９と下流側ヘッダプレート３０との接合箇所に負荷が掛かることはない。したがって、耐久性の向上を図ることができる。
【００２２】
このように、本発明の実施の形態によれば、低温流体と高温流体の温度差の小さい高温流体の下流側に伝熱効率の高い第２熱交換部１３が配置され、両流体の温度差の大きい高温流体の上流側に流体抵抗の小さい第１熱交換部１２が配置されているため、熱交換効率と流体抵抗とのバランスが改善され、全体として効率の良い高温熱交換器を提供することができる。また、低温流体と高温流体とは直交且つ対向して流れるように構成されているため、熱交換効率をさらに高めることができる。さらに、第１熱交換部１２の丸チューブ１４には耐高温酸化材料が使用されているため、温度変化による劣化を防止することができ、耐久性の向上を図ることができると共に、第２熱交換部１３の扁平チューブ１５には低コスト材料が使用されているため、製造コストの低減化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る高温熱交換器を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る高温熱交換器の熱交換部を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る高温熱交換器を示す概略説明図である。
【図４】従来例を示す系統図である。
【符号の説明】
【００２４】
１１ 高温熱交換器
１２ 第１熱交換部
１３ 第２熱交換部
１４ 丸チューブ
１５ 扁平チューブ
１６ 波形インナーフィン
１７ コルゲートオフセットフィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温流体と低温流体との間で熱交換を行うように構成された高温熱交換器であって、
丸チューブから成る第１熱交換部と、扁平チューブとフィンとから成る第２熱交換部とを備えており、前記第１熱交換部は前記高温流体の上流側に配置され、前記第２熱交換部は前記高温流体の下流側に配置されていることを特徴とする高温熱交換器。
【請求項２】
前記低温流体は前記チューブ内を流通し、前記高温流体は前記チューブの外側を流通し、前記低温流体と前記高温流体とは全体的に直交且つ対向して流通するように構成されている請求項１に記載の高温熱交換器。
【請求項３】
前記第１熱交換部の丸チューブには耐高温酸化材料が使用されている請求項１又は２に記載の高温熱交換器。
【請求項１】
高温流体と低温流体との間で熱交換を行うように構成された高温熱交換器であって、
丸チューブから成る第１熱交換部と、扁平チューブとフィンとから成る第２熱交換部とを備えており、前記第１熱交換部は前記高温流体の上流側に配置され、前記第２熱交換部は前記高温流体の下流側に配置されていることを特徴とする高温熱交換器。
【請求項２】
前記低温流体は前記チューブ内を流通し、前記高温流体は前記チューブの外側を流通し、前記低温流体と前記高温流体とは全体的に直交且つ対向して流通するように構成されている請求項１に記載の高温熱交換器。
【請求項３】
前記第１熱交換部の丸チューブには耐高温酸化材料が使用されている請求項１又は２に記載の高温熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−３８３３６（Ｐ２００６−３８３３６Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１８２９８（Ｐ２００４−２１８２９８）
【出願日】平成１６年７月２７日（２００４．７．２７）
【出願人】（０００２２２４８４）株式会社ティラド (289)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２７日（２００４．７．２７）
【出願人】（０００２２２４８４）株式会社ティラド (289)
【Ｆターム（参考）】
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