JP2006514733A - 不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管 - Google Patents

Abstract

本発明の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管は、増強熱交換及び熱交換器の分野に属するものであり、管の内面に、不連続で管軸線と所定の角度を有して両方向に傾斜するストリップ状の突起である両方向傾斜内部リブを備え、両方向傾斜内部リブは、その高さが０．２ｄ以下、周方向幅が０．５ｄ以下、長さが２ｄ以下である（前記ｄは、前記管の流体力学の内径である）。本発明の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管は、乱流に対しては、熱伝達係数を８０〜１５０％向上し、熱交換効果のよい横溝付管よりも３０％向上して流れ抵抗を２０〜５０％低下し、且つ、不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管は、増強熱交換効果が顕著で、流れ抵抗が小さく、成形が簡単で、生産効率が高いと言う利点があるとともに、両方向傾斜内部リブ付近に逆流を生じにくく、流れない領域がなく、よい汚れ防止効果を有する。

Description

発明の詳細な説明

技術分野
本発明は、不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管に関し、増強熱交換及び熱交換器の分野に属するものである。

背景技術
管状の熱交換器は、石油、化工、動力などの多数の分野で広くて大量に応用される。管状の熱交換器は、一般的に平滑で断面円形の管を用い、製造プロセスが簡単で、安全性がよく、コストが低いなどの利点があるが、平滑で断面円形の管の熱交換性能が不足の原因で、普通の管状の熱交換器は、体積が大きくなり、消耗材料が多いなどの欠点がある。このような状況を改変するために、普通の円形管の変わりに、各種の増強熱交換管が開発されて来た。三十年以来、壁面の流れ干渉増強技術に基づき、様々な対流熱交換増強素子が開発された。特に、ローリング工法により得られた表面粗い熱交換管、例えば螺旋状溝付管(spirally grooved tube)、横溝付管(transverse grooved tube)は、工程に広く成功裡に応用された。また、管内インサート（inserts）、例えば、ねじれたテープインサート（twisted-tape inserts）、スプリングインサート（spring inserts）なども広く応用されている。これら熱交換管は、流れ抵抗が大きく、内部リブまたは溝付近の逆流区域に汚れやすく、加工効率が低く、コストが高いという共通の欠点がある。

発明の内容
本発明は、管内に不連続で、軸線と所定の角度があって両方向に傾斜するストリップ状の突起、即ち両方向傾斜内部リブを備える新規な増強熱交換管である不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管（Discrete Bidirectionally Inclined ribs tube、以下、ＤＢＩＲ管と称する）を提供することを目的とする。多数の両方向傾斜内部リブによって、流体は、管内に、特に内面付近に、縦方向の渦巻き及び／または他の方式の管内径方向流れを生じるので、熱交換を顕著に増強させる。これは、「対流熱交換場協同原則」（Guo
Z.Y,Mechanism and Control of Convective Heat Transfer-Coordination of Velocity
and Heat Flow Field,Chinese Science Bulletin, 46(7):596-599 Apr 2001参照）に合致し、即ち、流速場及び温度勾配場の協同程度を高める限り、抵抗の増加が少なくて熱伝達過程をよく増強することができる。「対流熱交換場協同原則」に基づいて管内の流れ及び熱交換を理論的に解析することによって、縦方向の渦巻きは、管内の対流熱交換を増強させる有効な方式である。縦方向の渦巻き及び管内径方向の流れは、一般的に流速場及び温度勾配場の協同程度を顕著に改善させて、管内の対流熱交換過程をよく増強させることができる。本発明におけるＤＢＩＲ管は、螺旋状溝付管、横溝付管、ネジ付管及び粗いリブ付管よりも、乱流及び遷移区域によりよい増強熱交換効果及び低い抵抗損失を有し、従来の技術の欠点を克服または補うことができる。

本発明は、前記管の内面に、不連続で管軸線と所定の角度を有して両方向に傾斜するストリップ状の突起である両方向傾斜内部リブ、即ち左旋方向傾斜内部リブ及び右旋方向傾斜内部リブを備え、前記両方向傾斜内部リブは、その高さが０．２ｄ以下、周方向幅が０．５ｄ以下、長さが２ｄ以下である（前記ｄは、前記管の流体力学の内径である）ことを特徴とする不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管である。

前記両方向傾斜内部リブの軸線と管軸線との間の角度は±（５〜８５）度であることが好ましい（「+」が左方向傾斜、「-」が右方向傾斜を示す）。

前記両方向傾斜内部リブの断面形状は、円弧形、矩形、三角形、扇形、流線形、幾つの曲線及び直線からなる任意の形状の一種または数種の組合せであることが好ましい。

前記両方向傾斜内部リブの軸線は、直線、折線、キャンバー、スパイラル線及び曲線の任意の一種または数種の組合せであることが好ましい。

前記増強熱交換管の内面は、平滑な表面、ネジ付表面及び低いリブ付表面の任意の一種または数種の組合せであることが好ましい。

前記増強熱交換管の外面は、溝付表面、平滑な表面、ネジ付表面、低いリブ付表面及びひれ付表面の任意の一種または数種の組合せであることが好ましい。

従来の技術と比べると、本発明は、増強熱伝達効果が顕著で、流れ抵抗が小さく、成形が簡単と言う利点がある。実施例１〜３の発明は、普通の円形管と比べると、乱流に対しては、一般的に熱伝達係数を８０〜１５０％向上し、熱伝達効果のよい横溝付管よりも３０％向上して流れ抵抗を２０〜５０％低下し、遷移区域対流熱交換については、その増強熱交換効果も顕著であるので、重要な工程実用価値がある。又、横溝付管及びネジリブ付管と比べると、本発明の両方向傾斜内部リブ付近に逆流（横方向の渦巻き）を生じにくく、管内に流れない領域がないことによって、よい汚れ防止効果がある。

発明の実施の形態
不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管は、熱交換管の内面に、不連続で軸線と所定の角度があって両方向に傾斜するストリップ状の突起である両方向傾斜内部リブを複数設置したものである。両方向傾斜内部リブは、一般的に、その高さが０．２ｄ以下、周方向幅が０．５ｄ以下、長さが２ｄ以下である（ｄは、前記管の流体力学の内径である）。「不連続」とは、螺旋状溝付管（螺旋連続）、ネジ付管（ネジ連続）、横溝付管（周方向連続）に対し、所定の長さを有する粗面のもの（ストリップ状の突起）である。不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管は、普通の円形管、低いリブ付管またはネジ付管をモールディングまたはローリングにより製造し、または継目なし管をローリングする時に成形され、または継ぎ目管を溶接する時に成形されてもよい。管内の流体は、管壁にある複数の両方向傾斜内部リブにより複数の縦方向の渦巻き及び／または他の２次流れを生じ、且つ、渦巻き及び／または他の２次流れが管壁面付近に集中することによって、乱流熱交換及び遷移区域の対流熱交換の過程がよく増加される効果を果たす。

実施例１
図１は不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管の構造を示す。この管の内側に不連続の両方向螺旋状突起（不連続の両方向螺旋状内部リブと略する）を備え、管の外側に不連続の両方向螺旋状溝を備える。

図１及び図２において、符号１は管の内側の不連続の両方向螺旋状リブ、符号２は管の外側の不連続の両方向螺旋状溝を示す。螺旋状リブ及び螺旋状溝は、加工中に同時に形成されたものである。図１における符号ｄは熱交換管の流体力学の内径、符号Ｐはそれぞれの両方向傾斜内部リブの軸方向の長さ、符号Ｃは両方向傾斜内部リブの螺旋角である。図３において、符号ｈは両方向傾斜内部リブの高さである。Ｐ＝０．３ｄ、ｈ＝０．０５ｄ、Ｃ≒±４５度（正値は右旋、負値は左旋を示す）である。

実施例２
図４は他の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管の一部が周方向に展開された構造を示す。この管の内面に不連続の両方向螺旋状突起（両方向傾斜内部リブ）を備え、管の外面は平滑な壁面である。

図４において、符号３は対称に配置された不連続の両方向螺旋状リブを示す。一つの右旋傾斜リブと、それと周方向に隣接する左旋傾斜リブで一つの渦発生器を構成し、同一の断面において、周方向に沿って四つの傾斜リブで二つの渦発生器を構成する。図４の符号Ｃは両方向傾斜内部リブの弦巻角で、Ｃ≒±５０度（正値は右旋、負値は左旋を示す）であり、同図におけるＣは右旋角である。図４において、符号４は、流体が不連続の両方向螺旋状内部リブによって内面付近に生じた縦方向の渦巻きを概略に示す。両方向傾斜内部リブによる縦方向の渦巻きは主に壁面付近に存在しているので、乱流の場合の熱交換強化の効果に優れた。不連続かつ所定の傾斜角度を有する両方向傾斜内部リブは、流体に横方向の渦巻きを生じさせにくいとともに、管内の流通面積の減少を少なくさせるので、このような管は、螺旋状溝付、横溝付及びネジ付熱交換管より、流れ抵抗がずっと小さい。

実施例３
図５はさらに他の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管の一部が周方向に展開された構造を示す。この管の内面に不連続の両方向螺旋状突起（両方向傾斜内部リブ）を備え、管の外面に不連続の両方向螺旋状溝を備える。

図５において、符号５は、管内に不対称に配置された不連続の両方向螺旋状リブ、符号６は管外に不対称に配置された不連続の両方向螺旋状溝を示す。管内に、一つの右旋傾斜リブと、それと周方向に隣接する左旋傾斜リブで一つの渦発生器を構成し、小さい部分の管（０．５ｄよりも小さい）の内面には、六つの傾斜リブで三つの渦発生器を構成する。

不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管がローリングまたはモールディングにより成形されることは最適な製造方法である。不連続の管内両方向螺旋状リブ/管外両方向螺旋状溝付き熱交換管のローリング成形プロセスは、ロールの成型表面に不連続の扁平な突起（low-profile protrusions）を設置し、熱交換管がロールでローリングされる場合に、熱交換管の外面が扁平な突起で押し出されて不連続の両方向螺旋状溝に成形され、その管内に不連続の両方向螺旋状リブが成形される。管内に不連続の両方向螺旋状のリブを備えて管の外面が平滑である熱交換管については、その製造プロセスの一つは、管内にネジを備えて管外が平滑である管と類似であり、その製造プロセスのもう一つは、ローリングまたはモールディングにより成形された不連続の管内両方向螺旋状リブ/管外両方向螺旋状溝付き熱交換管を再加工する（冷間引抜など）。不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管のローリングまたはモールディング成形方法について、通常の螺旋状溝、横溝、ネジ表面付熱交換管より、製造効率が５〜１０倍高く、これは、傾斜リブの不連続による利点であるので、その製造コストもそれに応じて低下される。

不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管の構造の概略図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図２におけるＢ部分の一部拡大図である。 他の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管の一部が周方向に展開された構造の概略図である。 さらに他の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管の一部が周方向に展開された構造の概略図である。

Claims (6)

1. 内部リブを備える不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管であって、管の内面に、不連続で管軸線と所定の角度を有して両方向に傾斜するストリップ状の突起であって、両方向傾斜内部リブである左旋方向傾斜内部リブ及び右旋方向傾斜内部リブを備え、前記両方向傾斜内部リブは、その高さが０．２ｄ以下、周方向幅が０．５ｄ以下、長さが２ｄ以下である（前記ｄは、前記管の流体力学の内径である）ことを特徴とする不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管。
2. 前記両方向傾斜内部リブの軸線と管軸線との間の角度は±（５〜８５）度であり、「+」が左旋方向傾斜、「-」が右旋方向傾斜を示すことを特徴とする請求項１記載の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管。
3. 前記両方向傾斜内部リブの断面形状は、円弧形、矩形、三角形、扇形、流線形、幾つの曲線及び直線からなる任意の形状の一種または数種の組合せであることを特徴とする請求項１記載の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管。
4. 前記両方向傾斜内部リブの軸線は、直線、折線、キャンバー、スパイラル線及び曲線の任意の一種または数種の組合せであることを特徴とする請求項１記載の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管。
5. 前記増強熱交換管の内面は、平滑な表面、ネジ付表面及び低いリブ付表面の任意の一種または数種の組合せであることを特徴とする請求項１記載の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管。
6. 前記増強熱交換管の外面は、溝付表面、平滑な表面、ネジ付表面、低いリブ付表面及びひれ付表面の任意の一種であることを特徴とする請求項１に記載の不連続の両方向傾斜内部リブ付き増強熱交換管。

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