JP2004537024A - 伝熱プレート、プレートパック及びプレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱プレート、プレートパック及びプレート式熱交換器を提供する。
【解決手段】プレート式熱交換器のための伝熱プレートは、第１のポート部（Ａ）と、第２のポート部（Ｂ）と、前記ポート部（Ａ、Ｂ）間に配置されている伝熱部とを備えている。第１のポート部（Ａ）は、該プレートの本質的に全幅にわたって広がる気化状態の第１の流体のための第（１）の流入ポート１を備えている。第２のポート部（Ｂ）は、凝縮された蒸気のための少なくとも一つの第１の流出ポート（２）を備えている。第１のポート部（Ａ）は、第２の流体のための、前記蒸気流入ポート（１）と第２のポート部（Ｂ）との間に配置された第２の流出ポート（４）を備えている。第２のポート部（Ｂ）は、前記第２の流体のための第２の流入ポート（３）を備えている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱プレートの一方の端部に配置された第１のポート部と、該伝熱プレートの第２の端部に配置された第２のポート部と、該ポート部間に配置された伝熱部とを備えているプレート式熱交換器のための伝熱プレートに関する。また、本発明は、プレートパック及びプレート式熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレート式熱交換器は、間にプレート間の間隔(plate interspace)を形成する多数の集成伝熱プレートからなるプレートパックを備えている。一般に、１つおきのプレート間の間隔は、第１の流入路及び第１の流出路と連通し、各プレート間の間隔は、フロー領域を画定し、かつ上記第１の流体の流れ(flow)を前記流入路と流出路との間に流すようになっている。それに応じて、他のプレート間の間隔は、上記第２の流体の流れのために、上記第２の流入路及び流出路と連通している。即ち、上記プレートは、その側面の一方を介して一方の流体と接触し、かつ他方の側面を介して他方の流体と接触しており、それにより、上記２つの流体間でのかなりの熱交換を可能にする。
【０００３】
現在のプレート式熱交換器は伝熱プレートを有し、該伝熱プレートは、たいていの場合、その最終形状を得るためにプレス及び穿孔されている金属薄板加工品で形成されている。各伝熱プレートは、通常、該プレートの４つの角部に穿孔されたスルーホールからなる４つまたはそれ以上の「ポート(port)」を備えている。上記角部に穿孔されたポートの間に位置するように、上記プレートの短辺に沿って、追加的なポートが穿孔されている場合もある。異なるプレートのポートは、前記流入及び流出流路を画定し、該流路は、該プレートの平面を横断するプレート式熱交換器の中に広がっている。ガスケットまたは他の形態のシーリング手段は、各第２のプレート間の間隔においては代替的にいくつかの上記ポートの周りに配置され、他のプレート間の間隔においては、それぞれ第１の流体及び第２の流体のための２つの別々の流路を形成するように他のポートの周りに設けられている。
【０００４】
上記熱交換器においては、動作中に、かなりの流体圧力レベルが得られるので、上記プレートは、流体圧力によって変形しないように、十分固いものである必要がある。金属薄板加工品で形成されたプレートの使用は、該プレートが何らかの手段によって支持されている場合のみに可能である。一般に、このことは、上記プレートが、多数の箇所で互いに支持されるようなある種の波形を備えた伝熱プレートによって実現される。
上記プレートは、「フレーム」内において２つの屈曲した固いエンドプレート（またはフレームプレート）間で一緒に固定されており、それによって、各プレート間の間隔内に流路を有する固いユニットを形成する。該エンドプレートは、多数の締め付けボルトによって一緒に締め付けられ、該ボルトは、各エンドプレートの周辺に沿って形成された凹部または穴部手段によって両プレートに係合する。
【０００５】
近年、プレート式熱交換器は、少なくとも一つの流体が相変化（凝縮または蒸発）を受ける用途において使用されるようになってきている。多くのプロセスにおいて、蒸気は、２つの理由のため、即ち、一方において蒸気は凝縮時に放出される多くのエネルギを含み、他方において加熱温度が本質的に一定であるという理由から、加熱目的で利用される。１００℃を超える凝縮温度の場合、該温度は、例えば、放出された凝縮液の圧力を調節するいわゆる蒸気トラップによって調節することができない。１００℃以下の温度の場合には、蒸気トラップは、当然の理由、即ち、大気圧以下の圧力は実現できないという理由から機能しない。その代わり、残留蒸気が凝縮される蒸発器を用いなければならない。
【０００６】
従来のプレート式熱交換器は、その対称的なデザイン、即ち同じサイズのポート及び両流路において同じ流路特性であるため、この課題にはうまく適合していない。一般的な用途においては、蒸気の流れと冷却水の流れとの関係は、上記蒸気流入ポートの径が、冷却水ポートの径の２倍の大きさとなるようになっている。また、上記プレート間の間隔内の流路は、高度に非対称でなければならない。蒸気は、最少化すべき圧力低下のため、大きな断面積及び低摩擦抵抗を有する流路を必要とし、冷却水は、激しい乱流を引き起こす大きな摩擦抵抗を有する細い流路を必要とする。
【０００７】
この種の用途においては、上記プレートは、上記熱交換器の効率に対して有害な影響を及ぼす可能性がある、上記ポートにおける蒸気相の圧力低下が大きくなりすぎるのを避けるために、比較的大きな蒸気ポートを有するのが当然である。上述したタイプのプレート式熱交換器にポートを装備することを可能にするためには、該プレートは、広くなければならない。このことは、上記金属薄板の不十分な活用を意味し、それにより、上記プレート式熱交換器を高価なものしてしまう。
【０００８】
このような状況においては、独国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９７１６２００号明細書に記載されているようなタイプのプレート式熱交換器についても述べなければならない。この公報は、全てのポート、すなわち、異なる流体のためのポートが、一つの同じラインに沿って位置しているプレート式熱交換器について開示している。該独国公報に述べられている目的は、伝熱プレートの幅にわたる流れの改善された分散を得ることが望ましいことである。該プレートの形状は、本質的に長くかつ細い長方形であり、流体の一方のための２つのポートは、該プレートの各短辺の外端部に位置しており、他の流体のための２つのポートは、該短辺の内側に位置している。
【０００９】
また、英国特許第２１２１５２５号明細書は、各々が、各第２のプレート間の間隔へ流れる第１の流体のための、長く細い上方ポートと、長く細い下方ポートとをそれぞれ有するプレートで構成された蒸発器または凝縮器について開示している。該２つのポートは、該プレートの全幅にわたって広がっている。該プレートは、該プレートの幅の外側に配置され、かつそれぞれ、対応するポートを囲む薄い金属薄板リングからなる多数の突出部をさらに備えている。それらのポートは、第２の流体を他のプレート間の間隔へ流そうとする。しかし、この構造においては、フレームプレートは、上記プレート及び上記突出部の全幅にわたって広がっている必要があるため、かなりのサイズでなければならない。
【００１０】
米国特許第４，５２３，６３８号明細書で開示されたデザインもまた、上記金属薄板の有効な活用に関する上記のデザイン上の要求を満たさない。また、この米国公報においては、上記ポートは従来のように配置され、すなわち、一つのポートが各角部に設けられている。請求項１のプリアンブルは、このような従来の凝縮器に基づいている。
最後に、欧州特許第４１１，１２３号明細書は、液体のための流入ポート及び流出ポートが、下縁部に近接して配置されている特定のタイプの流下液膜式凝縮器(falling film condenser)について開示している。この特定のタイプの凝縮器は、フルーツジュース、精製されていない砂糖溶液等の熱に敏感な製品を含むプロセスのためのものであり、上述したことに関連する問題に対していかなる解決法ももたらさない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、上述した問題に対する解決法を提供することである。本発明の特定の目的は、上記伝熱プレートの材料の改善された活用を可能にするデザインを提供することである。また、該デザインは、上記プレートの幅にわたる流体の流れの十分な分散が得られるようになっていなければならない。さらに、本発明の目的及び効果は、以下の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、上述したタイプであって、第１のポート部が、プレートの本質的に全幅にわたって広がる気化状態の第１の流体のための第１の蒸気流入ポートを備え、第２のポート部が、凝縮された蒸気のための少なくとも一つの第１の流出ポートを備え、第１のポート部が、上記蒸気流入ポートと上記第２のポート部との間に配置された第２の流体のための第２の流出ポートを備え、上記第２のポート部が、上記第２の流体のための第２の流入ポートを備えていることを特徴とする伝熱プレートによって実現される。このポートの構成は、相変化を受ける流体が、蒸気から凝縮液へ変化する、すなわち熱交換器が凝縮器として作用する用途での使用のためのものである。
【００１３】
また、本発明は、反対方向の相変化、すなわち、液体から蒸気への相変化に用いることもできる。この場合、熱交換器は、蒸発器として作用する。上記プレートは、どちらの場合にも、本質的に同じデザインを有する。上述した目的は、上述したタイプのプレートであって、第１のポート部が、該プレートの本質的に全幅にわたって広がる気化状態の第１の流体のための第１の蒸気流出ポートを備え、第２のポート部が、液状の前記第１の流体のための少なくとも一つの第１の流入ポートを備え、上記第１のポート部が、前記蒸気流出ポートと上記第２のポート部との間に配置された第２の流体のための第２の流入ポートを備え、上記第２のポート部が、前記第２の流体のための第２の流出ポートを備えていることを特徴とする液体から蒸気への相変化のためのプレートによって実現される。
【００１４】
上記伝熱プレートをこのようにデザインすることにより、金属薄板の極めて有利な活用が、凝縮器又は蒸発器の非常に高度な効率と共に得られる。本質的に上記プレートの全幅にわたって広がる大きな蒸気ポートは、本質的に圧力低下が起きない蒸気流を生成する。上記第２の流体のための蒸気ポートを、上記蒸気ポートと上記第２のポート部との間の第１のポート部に配置することにより、相変化に関しては、比較的短い距離のみを、熱交換が起きる流れの方向に要するという事実から成果を得ることができる。上記ポートを、２つの対向するポート部に設けることにより、中間のプレート領域が、所望の熱交換を実現するために最適に活用される。
【００１５】
本発明の好適な実施形態は、従属項から明らかである。
好適な実施形態によれば、前記第２の流入ポート及び前記第２の流出ポートは、本質的に同じポート面積を有する。それらのポートを通過する流体中においては、相変化が起きないので、流速は、該２つのポート中において同じである。この実施形態は、最低の圧力低下を可能にし、即ち、最も効率的である。
【００１６】
有利には、前記第２の流入ポートは、前記蒸気流入ポートまたは蒸気流出ポートの対応するポート面積の約１０〜５０％、好ましくは１５〜４０％、および最も好ましくは２０〜３０％のポート面積を有する。これにより、蒸気の形態で供給または吐出される蒸気と、液体の形態で供給または吐出される流体との間の特に良好な関係が可能になり、それによって、高度の効率のプレート式熱交換器が得られる。また、大きな蒸気ポートにより、該蒸気流は、いかなるかなりの圧力低下も受けることがない。
【００１７】
好適な実施形態によれば、凝縮された蒸気のための前記少なくとも一つの第１の流出ポートまたは液状の第１の流体のための第１の流入ポートは、上記伝熱プレートの２つの角部に配置された２つのポートを備えている。このようにして、どちらかといえば活用されていなかった、上記プレートの小さな角部の活用が可能になる。液体への相変化の間、蒸気は、単位重量当たり大量の熱を上記第２の流体に放出するが、それは、上記凝縮された状態で測定したときに、比較的小さい流速を用いることが可能であることを意味する。これにより、上記金属薄板の表面の最良の可能な活用が可能であるように配置することができる比較的小さなポートの利用が可能になる。
【００１８】
好適な実施形態においては、上記第２のポート部に配置された上記第２の流体のためのポートは、前記第１の流体のための少なくとも一つのポートと、上記第１のポート部との間に配置されている。このことは、上記第２の流体のためのポートが、該ポートに隣接して流れる際に、それ自体により、流れを分散させるので、上記プレートの全幅にわたって、凝縮した蒸気または蒸発させるべき液体の十分な流れの分散が得られることを意味する。
【００１９】
別の好適な実施形態によれば、上記第２のポート部の前記第１の流体及び第２の流体のためのポートは、上記第１のポート部から本質的に同じ距離のところに互いに隣接して配置されている。このデザインは、上記プレート表面の有利な活用を意味する。
さらに別の好適な実施形態によれば、上記第１のポート部の前記第２の流体のためのポートは、上記プレートの縁部に沿って位置するように、上記蒸気流入ポートまたは蒸気流出ポートに対してずれている。したがって、上記第１のポート部に形成された蒸気ポートに対して、最少の圧力低下が実現されることを保証することが可能であり、それにより、上記プレート式熱交換器において高度な効率を得ることが可能になる。
【００２０】
好適な実施形態によれば、上記プレートは、その長手方向軸線に関して対称である。このことは、１つおきのプレート(every second plate)を、その対称軸線の周りに半回転させることにより、単一のプレートタイプを交互に用いることができるため、製造の観点から好適である。
また、上記の目的は、上述したタイプの複数の伝熱プレートを備えているプレートパックによって実現される。
【００２１】
該プレートパックにおいては、前記伝熱プレートの第１の流入ポートは、該プレートパックを通る第１の流入路を形成し、前記第１の流出ポートは、該プレートパックを通る第１の流出路を形成し、前記伝熱プレートの第２の流入ポートは、該プレートパックを通る第２の流入路を形成し、前記伝熱プレートの第２の流出ポートは、該プレートパックを通る第２の流出路を形成し、上記第１の流入路及び第１の流出路は、第１の組のプレート間の間隔を介して互いに連通し、上記第２の流入路及び第２の流出路は、第２の組のプレート間の間隔を介して互いに連通している。
【００２２】
有利には、上記第１の組のプレート間の間隔の各々は、上記第２の組のプレート間の間隔の各々よりも高い流路高さ又は容積を有する。このことは、高度な効率を得ることを可能にする。蒸気の圧力低下は小さく、大量の蒸気を供給することができ、このことは、蒸気が液体よりもかなり大きな体積を有するので、好ましいことである。また、上記第２の流体は、大きな圧力低下を受けることになり、該第２の流体の流れはより乱流になり、該熱伝達はより効率的になる。
また、上述した目的は、上述したタイプの多数の伝熱プレートを備えているプレート式熱交換器によって、および上述したタイプの多数のプレートパックを備えているプレート式熱交換器によっても実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を、本発明の概して好適な実施形態を例証として示す添付の概略図を参照して詳細に説明する。
図１、２に示すように、好適な実施形態による伝熱プレートは、長くかつ細い、本質的に長方形形状を有する。ポート部Ａ、Ｂは、両短辺上に設けられている。上記各ポート部には、ポート１〜４と呼ばれるスルーホールが形成されている。これらの伝熱プレートは、上記各ポートが、上記プレート式熱交換器（図示せず）の上記プレートパックを通って伸びる流路を形成するように、従来の方法で組立てられて該プレートパックになるようになっている。
【００２４】
簡略化のため、以下に説明する伝熱プレートは、相変化を受ける流体が、蒸気から凝縮液に変化する用途において用いられるようになっているものとする。換言すれば、該伝熱プレートは、凝縮器に用いるようになっている。反対の相変化、すなわち、液体から蒸気への相変化（蒸発器）の場合、上記伝熱プレートは、本質的に同じデザインを有する。
【００２５】
第１のポート１は、第１の流体のための第１の流入路を形成するのに対して、第２のポート２は、前記流体のための第１の流出路を形成する。第３のポート３は、第２の流体のための第２の流入路を形成し、第４のポート４は、前記流体のための第２の流出路を形成する。一般に、１つおきのプレート間の間隔は、第１の流入路及び第１の流出路と連通し、各プレート間の間隔は、フロー領域を画定し、かつ上記第１の流体の流れを前記流入路と流出路との間に流すようになっている。それに応じて、他のプレート間の間隔は、上記第２の流体の流れのために、上記第２の流入路及び流出路と連通している。即ち、該プレートは、その側面の一方を介して一方の流体と接触し、かつ他方の側面を介して他方の流体と接触しており、それにより、上記２つの流体間でのかなりの熱交換を可能にする。
【００２６】
図１、２において、第２の流入ポート３及び第２の流出ポート４の周りに広がるシーリングガスケット５を実線で示す。同様のガスケットが、上記プレートパックの全ての第２の伝熱プレート上に設けられている。上記伝熱プレートの中間部上には、第１の流入ポート１及び第１の流出ポート２の周りに広がるガスケットが設けられている。これらのガスケットは、上記プレート式熱交換器の中を通る別々の流路の形成に寄与し、一方は上記第１の熱交換流体のためのものであり、他方は上記第２の熱交換流体のためのものである。
【００２７】
特定の実施形態が特に考慮されていない上記の説明は、別途、各実施形態の説明に関連して述べられていない限り、以下に説明する実施形態に適用できる。
図１に示す実施形態においては、上記伝熱プレートは、上方ポート部Ａに第１の蒸気流入ポート１を備えている。蒸気流入ポート１は、気化状態の第１の流体のためのものであり、上記伝熱プレートの本質的に全幅にわたって広がっている。また、ポート部Ａは、第２の流出ポート４を備え、該ポートは、蒸気流入ポート１と同じ幾何学的中心線に沿って配置され、かつ第１の蒸気流入ポート１と下方ポート部Ｂとの間に配置されている。
【００２８】
下方ポート部Ｂは、第２の流入ポート３を備え、該ポートは、前記幾何学的中心線に沿って配置されている。図１に示すように、前記第２の流入ポート３及び前記第２の流出ポート４は、本質的に同じポート面積を有する。ポート３、４は、蒸気流入ポート１の対応するポート面積の約１０〜５０％、好ましくは１５〜４０％、および最も好ましくは２０〜３０％のポート面積を有する。
下方ポート部Ｂは、さらに、上記伝熱プレートの２つの角部に配置されている２つの第１の流出ポート２を備えている。流出ポート２は、上記プレートパックを通る凝縮液のための流出路を形成する。
【００２９】
図２は、図１に示す伝熱プレートの第２の実施形態を示す。図１に示すように、上記伝熱プレートは、蒸気流入ポート１を備え、該流入ポートは、上方ポート部Ａ内に配置されている。ポート部Ａは、第２の流出ポート４をさらに備え、該流出ポートは、この第２の実施形態においては、前記蒸気流入ポート１に対してずれている。第２の流出ポート４は、上記伝熱プレートの一方の側部に沿って配置されている。
下方ポート部Ｂは、第１の流出ポート２及び第２の流入ポート３を備えている。前記流出及び流入ポート２、３は、互いに隣接して上記伝熱プレートの２つの角部に配置されている。
【００３０】
第２の流入ポート３及び第２の流出ポート部４は、この第２の実施形態においても、本質的に同じポート面積を有する。前記ポートのサイズは、上記第１の実施形態で説明したサイズに一致する。
上述した本発明の実施形態の様々な変更例が、添付クレームによって定義された本発明の範囲内で可能であることは、認識されるであろう。例えば、上記伝熱プレート上のポートの位置及びそれらの相対的サイズは、異なる用途においてわずかに調整してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態による伝熱プレートを示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による伝熱プレートを示す図である。

Claims (13)

1. 伝熱プレートの一方の端部に配置された第１のポート部（Ａ）と、
   前記伝熱プレートの第２の端部に配置された第２のポート部（Ｂ）と、
   前記ポート部（Ａ、Ｂ）の間に配置された伝熱部とを備えているプレート式熱交換器、好ましくは凝縮器のための伝熱プレートであって、
   第１のポート部（Ａ）が、前記プレートの本質的に全幅にわたって広がる気化状態の第１の流体のための第１の蒸気流入ポート（１）を備え、
   第２のポート部（Ｂ）が、凝縮された蒸気のための少なくとも一つの第１の流出ポート（２）を備え、
   第１のポート部（Ａ）が、前記蒸気流入ポート（１）と第２のポート部（Ｂ）との間に配置された第２の流体のための第２の流出ポート（４）を備え、
   第２のポート部（Ｂ）が、前記第２の流体のための第２の流入ポート（３）を備えていることを特徴とする伝熱プレート。
2. 伝熱プレートの一方の端部に配置された第１のポート部（Ａ）と、
   前記伝熱プレートの第２の端部に配置された第２のポート部（Ｂ）と、
   前記ポート部（Ａ、Ｂ）の間に配置された伝熱部とを備えているプレート式熱交換器、好ましくは凝縮器のための伝熱プレートであって、
   第１のポート部（Ａ）が、前記プレートの本質的に全幅にわたって広がる気化状態の第１の流体のための第１の蒸気流出ポート（１）を備え、
   第２のポート部（Ｂ）が、液状の前記第１の流体のための少なくとも一つの第１の流入ポート（２）を備え、
   第１のポート部（Ａ）が、前記蒸気流出ポート（１）と第２のポート部（Ｂ）との間に配置された第２の流体のための第２の流入ポート（４）を備え、
   第２のポート部（Ｂ）が、前記第２の流体のための第２の流出ポート（３）を備えていることを特徴とする伝熱プレート。
3. ポート（３）及びポート（４）が、本質的に同じポート面積を有する請求項１または２に記載の伝熱プレート。
4. ポート（３）が、前記蒸気流入ポートまたは前記蒸気流出ポート（１）の対応するポート面積の１０〜５０％、好ましくは１５〜４０％、および最も好ましくは２０〜３０％であるポート面積を有することを特徴とする先行する請求項のうちのいずれか１項に記載の伝熱プレート。
5. 凝縮された蒸気のための前記少なくとも一つの第１の流出ポートまたは液状の第１の流体のための第１の流入ポート（２）が、前記伝熱プレートの２つの角部に配置された２つのポートを備えている先行する請求項のうちのいずれか１項に記載の伝熱プレート。
6. 第２のポート部（Ｂ）に配置された前記第２の流体のためのポート（３）が、前記第１の流体のための少なくとも一つのポートと、前記第１のポート部との間に配置されている先行する請求項のうちのいずれか１項に記載の伝熱プレート。
7. 第２のポート部（Ｂ）の前記第１の流体及び第２の流体のためのポート（２、３）が、第１のポート部（Ａ）から本質的に同じ距離のところに互いに隣接して配置されている先行する請求項のうちのいずれか１項に記載の伝熱プレート。
8. 第１のポート部（Ａ）に配置された前記第２の流体のためのポートが、前記プレートの縁部に沿って位置するように、蒸気流入ポートまたは蒸気流出ポート（１）に対してずれている先行する請求項のうちのいずれか１項に記載の伝熱プレート。
9. その長手方向軸に関して対称である請求項１〜７のいずれか１項に記載の伝熱プレート。
10. プレート式熱交換器のためのプレートパックであって、請求項１〜９のいずれか１項に述べたタイプの複数の伝熱プレートを備えていることを特徴とするプレートパック。
11. 前記伝熱プレートの第１の流入ポートが、前記プレートパックを通る第１の流入路を形成し、前記第１の流出ポート（２）が、前記プレートパックを通る第１の流出路を形成し、前記伝熱プレートの第２の流入ポート（３）が前記プレートパックを通る第２の流入路を形成し、前記伝熱プレートの第２の流出ポート（４）が前記プレートパックを通る第２の流出路を形成し、前記第１の流入路及び第１の流出路が、第１の組のプレート間の間隔を介して互いに連通し、前記第２の流入路及び第２の流出路が、第２の組のプレート間の間隔を介して互いに流体的に連通し、前記第１の組のプレート間の間隔の各々が、前記第２の組のプレート間の間隔の各々よりも高い流路高さを有する請求項１０に記載のプレートパック。
12. 請求項１〜９のいずれか１項に述べたタイプの多数の伝熱プレートを備えていることを特徴とするプレート式熱交換器。
13. 請求項１０で述べたタイプの多数のプレートパックを備えていることを特徴とするプレート式熱交換器。

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