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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, der zum Beispiel an einem Boiler angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher ein Resonanzpräventions-Leitelement aufweist, das zwischen einer Gruppe von Wärmeübertragungsrohren angeordnet ist.
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Hintergrund
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Ein Boiler oder Ähnliches hat einen Wärmetauscher, der in einem Kanalgehäuse, das einen Strömungsdurchgang von Brenngas bildet, angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher zum Beispiel einen Überhitzer, einen Wiedererhitzer, und einen Vorwärmer („economizer”) aufweist. Solch ein Wärmetauscher weist eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren auf, die im Inneren eines Kanalgehäuses angeordnet sind, und ein Medium wie beispielsweise Wasser, das durch die Wärmeübertragungsrohre strömt, wird durch Brenngas erwärmt, um in Dampf überführt zu werden. Der Dampf wird zu einer Dampfturbine befördert, um für die Energieerzeugung genutzt zu werden. Die Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren ist so angeordnet, dass die axiale Richtung von jedem Wärmeübertragungsrohr den Strömungsdurchgang des Brenngases quert bzw. kreuzt, und so dass sie parallel voneinander beabstandet sind.
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Die Wärmeübertragungsrohre sind in einer Richtung orthogonal zum Brenngas g im Inneren einer Kanalwand, die den Strömungsdurchgang für Brenngas bildet, angeordnet. 4 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Kanalwand 100, die einen Strömungsdurchgang des Brenngases g bildet, und von Wärmeübertragungsrohren 102, die in einem Gittermuster in dem Strömungsdurchgang des Brenngases g im Inneren der Kanalwand 100 angeordnet sind. 5 ist ein Diagramm eines Beispiels von Wärmeübertragungsrohren 102, die in einem versetzten Muster bzw. Zickzackmuster angeordnet sind.
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Wie in 6 dargestellt werden als Reaktion auf Brenngas g, das durch eine Gruppe von solchen Wärmeübertragungsrohren strömt, Karmanwirbel e periodisch stromabwärts von einem Wärmeübertragungsrohr 102 erzeugt. Eine Erzeugungsfrequenz fk (Hz) von Karmanwirbeln e kann durch folgenden Ausdruck bestimmt werden: Fk = St·V/D (1) wobei St eine Strouhal-Zahl ist, V eine minimale Spaltdurchflussmenge ist (Durchflussmenge zwischen Wärmeübertragungsrohren), und D ein äußerer Durchmesser eines Wärmeübertragungsrohrs ist.
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Eine Kanalwand, die orthogonal zu einem Strom von Brenngas, und die orthogonal zu der axialen Richtung der Wärmeübertragungsrohre ist, hat einen eindeutigen Schwingungsmodus, der durch eine physikalische Eigenschaft des Brenngases g bestimmt ist. Die eindeutige Schwingungsfrequenz fn (Hz) ist durch den folgenden Ausdruck bestimmt: Fn = n·c/2L (2) wobei n gleich 1, 2, 3, ..., ist und c die Schallgeschwindigkeit ist (abhängig von der Temperatur des Brenngases g), und L ein Abstand zwischen den Kanalwänden 100 ist.
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7 zeigt einen Schwingungsmodus in dem Primärmodus von n = 1, wo v eine Geschwindigkeitskomponente und p eine Druckkomponente darstellt. Wenn die Erzeugungsfrequenz fk einer der eindeutigen Schwingungsfrequenzen fn (n = 1, 2, 3, ...) entspricht, wird ein Resonanzzustand geschaffen und übermäßiger Lärm, sogenanntes Rohrsingen („tube singing”), wird erzeugt.
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Rohrsingen wird normalerweise durch Vermeiden von Resonanz durch Vorsehen eines Resonanzpräventions-Leitelements in einer Plattenform entlang einer Strömung von Brenngas zwischen einer Gruppe von Wärmeübertragungsrohren begegnet und vermieden, um die eindeutige Schwingungsfrequenz fn zu erhöhen.
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8 ist ein Diagramm eines Beispiels mit einer solchen Resonanzpräventions-Leitelementplatte 104. In 8 wird ein Strömungsdurchgang von Brenngas g durch eine Kanalwand 100 gebildet. Wärmeübertragungsrohre 102 sind in einer Richtung orthogonal zu einer Richtung der Strömung des Brenngases g in dem Strömungsdurchgang des Brenngases g angeordnet. Die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 104 ist zwischen den Wärmeübertragungsrohren 102 und entlang einer Richtung der Strömung des Brenngases g angeordnet.
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Patentschriften 1 und 2 offenbaren einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren, die parallel in einem Strömungsdurchgang eines Wärmetausch-Zielgases angeordnet sind, und eine Resonanzpräventions-Leitelementplatte, die entlang einer Richtung der Strömung eines Wärmetausch-Zielfluids zwischen den Wärmeübertragungsrohren angeordnet ist.
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Patentliteratur
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- Patentschrift 1: JPS59-012293A
- Patentschrift 2: JPH05-141891A
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Zusammenfassung
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Zu lösende Probleme
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Eine typische Resonanzpräventions-Leitelementplatte hat ein hohes Gewicht und es können eine signifikante Menge an Arbeitsstunden und Kosten nötig sein, um eine Resonanzpräventions-Leitelementplatte mit einem hohen Gewicht in einem Strömungsdurchgang eines Wärmetausch-Zielfluids zu befestigen.
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Aus der Sicht des obigen Problems von konventionellen Techniken ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Konfiguration und die Installationsarbeit einer Resonanzpräventions-Leitelementplatte einfach und weniger teuer durchzuführen.
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Lösungen für die Probleme
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Um den obigen Zweck zu erreichen umfasst ein Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren, die parallel und voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei eine axiale Richtung von jedem Wärmeübertragungsrohr mit einen Strömungsdurchgang eines Wärmetausch-Zielfluids quert bzw. kreuzt, und ein Resonanzpräventions-Leitelement, das eine Plattenform aufweist und das entlang einer Strömungsrichtung des Wärmetausch-Zielfluids und zwischen der Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren angeordnet ist, wobei das Resonanz-Prävention-Leitelement eine Metallfolienlage umfasst.
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Eine Resonanzpräventions-Leitelementplatte hat eine Funktion, eine eindeutige Schwingungsfrequenz fn, die im Inneren einer Kanalwand, die den Strömungsdurchgang des Wärmetausch-Zielfluids bildet, erzeugt wird, zu erhöhen und die eindeutige Schwingungsfrequenz fn von einer Frequenz fk, die durch Karmanwirbel e stromabwärtig von den Wärmeübertragungsrohren erzeugt wird, zu differenzieren.
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Die eindeutige Schwingungsfrequenz fn kann durch Partitionieren des Strömungsdurchgangs des Wärmetausch-Zielfluids und Bilden einer Grenze, wo die Partikelgeschwindigkeit des Wärmetausch-Zielfluids Null ist, erhöht werden. Somit kann der obige Zweck selbst durch eine dünne Partitionswand wie beispielsweise einer Metallfolienlage erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Resonanzpräventions-Leitelement eine Metallfolienlage auf und kann somit im Gewicht reduziert werden. Somit können Materialkosten reduziert werden und Arbeiten, die benötigt werden, um die Resonanzpräventions-Leitelementplatte zu montieren und auszuwechseln, können vereinfacht und weniger teuer durchgeführt werden.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindungumfasst ferner ein starres Rahmenelement, das an einem äußeren Umfangsabschnitt der Metallfolienlage befestigt ist. Eine Metallfolienlage kann sich als Reaktion auf ein Wärmetausch-Zielfluid verformen. Somit kann mit dem starren Rahmenelement, das an der Metallfolienlage befestigt ist, die Metallfolienlage mit einer Festigkeit bzw. einer Steifigkeit bereitgestellt werden. Dementsprechend können eine Verformung der Metallfolienlage verhindert und Festigkeit bzw. Steifigkeit beibehalten werden, so dass die Metallfolienlage sich nicht als Reaktion auf eine Strömung eines Wärmetausch-Zielfluids verformt, ohne das Gewicht sehr zu erhöhen.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Resonanzpräventions-Leitelement an mindestens einem Teil der Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren durch ein Befestigungselement befestigt.
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Wie oben beschrieben kann, da das Gewicht des Resonanzpräventions-Leitelement der vorliegenden Erfindung reduziert werden kann, das Resonanzpräventions-Leitelement an den Wärmeübertragungsrohr durch Verwendung eines Befestigungselements mit geringere Festigkeit einfach befestigt werden. Da das Resonanzpräventions-Leitelement ein geringeres Gewicht hat, ist es ausreichend, wenn das Resonanzpräventions-Leitelement an nur einem Teil der Wärmeübertragungsrohre befestigt ist, was die Belastung mit Befestigungsarbeit reduziert.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Befestigungselement einen U-förmigen Bolzen, der so angeordnet ist, dass er das Wärmeübertragungsrohr umgibt und der an entgegengesetzten Enden an dem Resonanzpräventions-Leitelement angeschraubt ist. Mit dem U-förmigen Bolzen mit der obigen Konfiguration kann die Befestigungsarbeit weiter vereinfacht werden.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren linear entlang der Strömungsrichtung des Wärmetausch-Zielfluids angeordnet und das Resonanzpräventions-Leitelement ist in einer flachen Plattenform ausgebildet und entlang der Strömungsrichtung des Wärmetausch-Zielfluids angeordnet.
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Somit kann die Resonanzpräventions-Leitelementplatte zwischen die Wärmeübertragungsrohre, die Fertigelemente sind, einfach eingefügt werden, und die Resonanzpräventions-Leitelementplatte kann an einer vorbestimmten Position angeordnet werden. Somit kann das Resonanzpräventions-Leitelement montiert oder ausgewechselt werden, ohne die Wärmeübertragungsrohre, die Fertigelemente sind, zu entfernen. Ferner ist es nicht länger notwendig, die Wärmeübertragungsrohre nach dem Montieren des Resonanzpräventions-Leitelements zu installieren, wodurch eine beachtlichen Menge von Mannstunden für das Montieren und Auswechseln gespart werden kann.
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Vorteilhafte Effekte
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Resonanzpräventions-Leitelement eine Metallfolienlage und hat somit ein geringeres Gewicht, was es möglich macht, die Befestigungsarbeit des Resonanzpräventions-Leitelements einfach und weniger teuer durchzuführen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist eine vordere Querschnittsansicht von einem Wärmetauscher gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine perspektivische Ansicht einer Resonanzpräventions-Leitelementplatte des Wärmetauschers vor der Montage.
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3 ist eine perspektivische Ansicht der Resonanzpräventions-Leitelementplatte nach der Montage.
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4 ist eine vordere Querschnittsansicht einer allgemeinen Gittermusteranordnung von Wärmeübertragungsrohren.
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5 ist eine vordere Querschnittsansicht einer generellen gestaffelten Anordnung bzw. einer Zickzackanordnung von Wärmeübertragungsrohren.
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6 ist ein Diagramm zum Beschreiben der Karmanwirbel e, die stromabwärtig von einem Wärmeübertragungsrohr erzeugt werden.
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7 ist ein Diagramm zum Beschreiben der eindeutigen Schwingung, die im Inneren einer Kanalwand eines Wärmetauschers erzeugt wird.
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8 ist eine vordere Querschnittsansicht eines typischen Wärmetauschers.
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Detaillierte Beschreibung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in Detail mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass, solange nicht anders bezeichnet, insbesondere die Größen, Materialien, Formen, und relative Anordnung oder Ähnliches von konstituierenden Komponenten, die in diesen Ausführungsformen beschrieben werden, nicht dazu gedacht sind, den Umfang dieser Erfindung zu begrenzen.
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Ein Wärmetauscher gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 und 3 beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem ein Wärmetauscher 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einen Wärmetauscher wie beispielsweise einem Überhitzer, einen Wiedererhitzer, und einen Vorwärmer, oder beispielsweise auf einen Abwärme-Rückgewinnungsboiler angewendet ist, der an einem Dampfboiler angeordnet ist, der in einer thermischen Energieerzeugungsanlange eingebunden ist.
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In 1 ist ein Strömungsdurchgang von Brenngas g durch ein Kanalgehäuse, das den Wärmetauscher 10 der vorliegenden Ausführungsform bildet, gebildet. Eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren 14 ist im Inneren einer Kanalwand 12, die das Kanalgehäuse bildet, angeordnet. Das Kanalgehäuse hat zum Beispiel einen vierseitigen oder runden Querschnitt.
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Die Wärmeübertragungsrohre 14 sind parallel und voneinander beabstandet angeordnet und die axiale Richtung von jedem Wärmeübertragungsrohr 14 ist orthogonal zu dem Brenngas g. Die Wärmeübertragungsrohre 14 sind in einem Gittermuster angeordnet. Insbesondere sind die Wärmeübertragungsrohre 14 in Linien, die sich linear in einer Richtung der Strömung des Brenngases g erstrecken, angeordnet und ebenso in einer Richtung orthogonal zu der Richtung der Strömung des Brenngases g.
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Das Brenngas g tauscht Wärme mit einem Medium wie beispielsweise Wasser aus, das im Inneren jedes Wärmeübertragungsrohrs 14 strömt, während es zwischen den Wärmeübertragungsrohren 14 strömt, und das Medium wie beispielweise Wasser wird durch das Brenngas g erwärmt, um sich in Dampf umzuwandeln. Der Dampf wird zu einer Dampfturbine befördert, um zur Energieerzeugung genutzt zu werden.
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Zwei Resonanzpräventions-Leitelemente 16 sind zwischen die Wärmeübertragungsrohre 14 eingesetzt und an den Wärmeübertragungsrohren 14 befestigt. Das Resonanzpräventions-Leitelement 16 weist eine Metallfolienlage 18 auf, die eine flache Oberfläche hat und entlang der Richtung der Strömung des Brenngases g angeordnet ist. Wie oben beschrieben ist das Resonanzpräventions-Leitelement 16 angeordnet, um den Strömungsdurchgang des Brenngases g zu partitionieren, wodurch eine Grenze in einer Durchflussmenge des Brenngases g gebildet ist. Dementsprechend kann eine Resonanzfrequenz, die im Inneren der Kanalwand 12 erzeugt wird, erhöht werden.
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Wie oben beschrieben ist die eindeutige Schwingungsfrequenz fn von dem eindeutigen Schwingungsmodus, der im Inneren der Kanalwand 12 durch die Strömung des Brenngases g gebildet wird, unterschiedlich zu der Erzeugungsfrequenz fk von Karmanwirbeln e, die hinter jedem Wärmeübertragungsrohr 14 erzeugt werden, was es möglich macht, die Erzeugung von übermäßigem Lärm bzw. Geräusch zu vermeiden.
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Wie in 2 und 3 dargestellt weist die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 eine Metallfolienlage 18 mit einer vierseitigen Form auf, die aus Hochtemperatur-Edelstahl (SUH 409L) mit einer Dicke von 10 bis 1000 μm, zum Beispiel 20 μm, hergestellt ist. Es sollte beachtet werden, dass das Material der Metallschichtlage 18 auf der Basis der Temperatur eines Wärmetausch-Zielfluids ausgewählt ist und die Dicke der Metallfolienlage 18 auf der Basis der Härte, Viskosität oder vor Ähnlichem des ausgewählten Materials ausgewählt ist.
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Ferner ist die Länge einer Seite der Metallfolienlage, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, auf der Basis der Länge eines Boilergehäuses und der Anzahl von Stufen von einem Wärmetauscher bestimmt, und ist zum Beispiel 20 m (Kanalbreite) × 2 m (Anzahl von Stufen eines Wärmetauschers).
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Die Metallfolienlage 18 verformt sich als Reaktion auf eine Strömung von Brenngas. Somit ist ein äußerer Umfangsabschnitt der Metallfolienlage 18 durch Rahmenelemente 20, 20 mit einer Festigkeit bzw. Steifigkeit von beiden Seiten eingeklemmt. Die beiden Rahmenelemente 20 sind durch Schrauben 22 und wo benötigt mit Muttern 24 befestigt. Es sollte beachtet werden, dass Kopfabschnitte der Schrauben 22 und die Muttern 24 in den Rahmenelementen 20, 20 soweit als möglich verborgen sein sollten, um nicht eine Turbulenz in der Strömung des Brenngases zu erzeugen.
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Wie in 1 dargestellt ist die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 an den Wärmeübertragungsrohren 14 durch Verwendung eines U-förmigen Bolzen 26 befestigt. Insbesondere hat der U-förmige Bolzen 26 Außengewinde, die an gegenüberliegenden Enden ausgebildet sind, und ist so angeordnet, dass er das Wärmeübertragungsrohr 14 umgibt, und die Außengewinde der gegenüberliegenden Enden des U-förmigen Bolzen 26 sind mit Innengewindelöchern, die an der Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 ausgebildet sind, im Eingriff. Alternativ können die entgegengesetzten Enden durch Löcher, die an der Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 ausgebildet sind, eingeführt sein, und die Außengewinde können mit Muttern 28 im Eingriff sein, um die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 an dem Wärmeübertragungsrohr 14 zu befestigen.
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Es sollte beachtet werden, dass eine Montageposition unter Verwendung des U-förmigen Bolzen 26 eine Position sein kann, die benötigt wird, um eine nötige Befestigungskraft des Resonanzpräventions-Leitelements 16 zu erreichen.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 die Metallfolienlage 18 und kann somit im Gewicht reduziert sein. Somit können Materialkosten reduziert und Arbeiten, die benötigt werden um die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 zu montieren und zu ersetzen, einfacher und weniger teuer durchgeführt werden.
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Ferner kann mit dem äußeren Umfangsabschnitt der Metallfolienlage 18, der von beiden Seiten durch die zwei Rahmenelemente 20, 20 mit Festigkeit bzw. Steifigkeit befestigt ist, Festigkeit bzw. Steifigkeit so beibehalten werden, dass sie sich als Reaktion auf eine Strömung von Brenngas nicht verformt, ohne das Gewicht sehr zu erhöhen.
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Ferner kann, da die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 im Gewicht reduziert ist, die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 an dem Wärmeübertragungsrohr 14 unter Verwendung eines Befestigungselements mit geringerer Kraft einfach befestigt werden. Somit kann die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 unter Verwendung eines weniger teuren Befestigungselements befestigt werden.
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Außerdem ist es ausreichend, da die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 ein geringeres Gewicht hat, wenn die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 nur an einem Teil von den Wärmeübertragungsrohren 14 befestigt ist, was die Belastung mit Befestigungsarbeit reduziert.
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Ferner kann, da der U-förmige Bolzen 26 als eine Befestigungseinheit der Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 verwendet wird, die Befestigungsarbeit noch weiter vereinfacht werden.
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Ferner sind die Wärmeübertragungsrohre 14 in einem Gittermuster angeordnet und die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 ist in einer flachen plattenförmigen Form ausgebildet, was es möglich macht, die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 einfach zwischen die Wärmeübertragungsrohre 14 einzusetzen, die Fertigelemente sind, und die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 in einer vorbestimmten Position anzuordnen.
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Somit kann die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 ohne Entfernen der Wärmeübertragungsrohre 14, die Fertigelemente sind, oder ohne Montieren der Wärmeübertragungsrohre 14 nachdem die Resonanzpräventions-Leitelementplatte 16 montiert worden ist, befestigt oder ausgewechselt werden.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf einen Wärmetauscher mit Wärmeübertragungsrohren, die in einem Gittermuster angeordnet sind, angewendet. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch an einem Wärmetauscher mit Wärmeübertragungsrohren, die in einen gestaffelten Muster oder einem Zickzackmuster angeordnet sind, durch Anpassen einer Methode des Befestigens einer Metallfolienlage angewendet werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann für einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren, die parallel angeordnet sind, und einer Resonanzpräventions-Leitelementplatte, die zwischen den Wärmeübertragungsrohren angeordnet ist, Konfigurationsarbeit und Installationsarbeit einer Resonanzpräventions-Leitelementplatte einfach und weniger teuer durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmetauscher
- 12, 100
- Kanalwand
- 14, 102
- Wärmeübertragungsrohr
- 16, 104
- Resonanzpräventions-Leitelementplatte
- 18
- Metallfolienlage
- 20
- Rahmenelement
- 22
- Bolzen
- 24, 28
- Mutter
- 26
- U-förmiger Bolzen
- e
- Karmanwirbel
- g
- Brenngas
