JP2013024468A - 熱交換器の伝熱管配列構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の熱交換効率が向上し、熱交換器の省エネルギー化、エネルギー有効利用に貢献でき、コンパクト化を図るのにも有効な伝熱管の形状及び配列構造の提供を目的とする。
【解決手段】熱交換器の伝熱管であって、伝熱管は断面外形形状が略翼型形状であり、伝熱管の外側を流れる流体の流れ方向に沿って複数列配置し、且つ前列側に複数本配列した伝熱管の後列側に複数本の伝熱管を前列側の伝熱管と千鳥状に配列してあり、少なくとも一部の伝熱管は略翼型形状の本体部の前端又は／及び後端に流体の流れ方向に沿って延在する薄い板状のフィンを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱交換器に設けられている熱伝達のための伝熱管の形状及び配列構造に関する。

熱交換器の分野では熱交換効率向上には伝熱管の形状及び配列構造が重要な要因の１つとなる。
特許文献１はプレートフィン式熱交換器の伝熱フィンであって、フィンの内部に熱交換流体が流れる伝熱管ではないが、伝熱フィンの断面形状として翼型を採用した技術を開示する。
しかし、熱交換効率のさらなる改善の余地がある。

特開２００９−５２８７４号公報

本発明は、熱交換器の熱交換効率が向上し、熱交換器の省エネルギー化、エネルギー有効利用に貢献でき、コンパクト化を図るのにも有効な伝熱管の形状及び配列構造の提供を目的とする。

本発明は、熱交換器の伝熱管であって、伝熱管は断面外形形状が略翼型形状であり、伝熱管の外側を流れる流体の流れ方向に沿って複数列配置し、且つ前列側に複数本配列した伝熱管の後列側に複数本の伝熱管を前列側の伝熱管と千鳥状に配列してあり、少なくとも一部の伝熱管は略翼型形状の本体部の前端又は／及び後端に流体の流れ方向に沿って延在する薄い板状のフィンを有することを特徴とする。
ここで、伝熱管の本体が翼型形状を有するとは内部に熱媒体が流入する部分の形状をいい、フィンとはこの本体部の前端又は／及び後端に付設した整流板をいう。
従って、フィンは伝熱管の後部に偏向流が生じるのを抑える効果もあり、複数配列した全ての伝熱管に設ける必要はない。
本体部の前端又は／及び後端と表現したのは、本体部の前端又は後端の一方、あるいはその両方にフィンを付設してもよい趣旨である。
また、翼型形状は翼弦に対して非対称でも対称形でもよく、先端から徐々に厚みを増し、最大厚み部から後端に向けて薄く徐変する。

ここでフィンは、当該フィンの後端部がそれより後列側に位置する伝熱管同士の間に位置するように又は当該フィンの前端部がそれよりも前列側に位置する伝熱管同士の間に位置するように部分的に重なり配置されているのが好ましく、さらに伝熱管の本体部の長さＬ，フィンの長さＬ_ｆ，伝熱管の流体流れ方向のピッチＰ_Ｌ，とすると、０．４≦Ｐ_Ｌ／Ｌ≦１．５，Ｌ_ｆ／Ｌ≦１．５であるのが望ましい。
本発明は、流体の流れ方向に沿って２列以上の複数列に配置され、且つ流体の流れに直交する方向に２本以上の複数本の伝熱管が前列側と後列側とで千鳥状に配置されていれば、その流れ方向の列数及び流れに対して直交方向の本数に制限はない。

本発明は伝熱管の形状として、翼型形状の本体部の前端又は／及び後端に薄い板状のフィンを付設したので、伝熱面が拡大し、偏向流の出現を抑える効果もあり、流体の圧力損失の低減を図ることができ、熱交換効率が向上する。

解析するための計算領域を示す。 熱流動場を示す。 熱流動場を示す。 Ｒｅ_Ｄｈに対するｊ／ｆ値を示す。 ポンプ動力と伝熱量の関係を示す。 フィンを付設した場合の計算領域を示す。 温度場を示す。 平均した温度場を示す。 フィンの有無によるポンプ動力と伝熱量の関係を示す。

次に解析手順及び結果について説明する。

＜１＞熱流動解析
熱流動解析はＡＮＳＹＳ ＦＬＵＥＮＴ １２．１を用いて行った。
数値解析を行う際に流体は非圧縮性ニュートン流体、粘性消散・重力の影響は無視、物性値は一定とする仮定を設けた。
基礎方程式は、非圧縮性流体に対する２次元の連続の式，非定常Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ式，およびエネルギー式である。
基礎方程式の離散化法として有限体積法を用いた。
また、方程式の差分化にあたり、拡散項には２次精度中心差分、対流項には３次精度の風上差分（ＱＵＩＣＫ法）、圧力項の補正にはＳＩＭＰＬＥを用いた。
さらに、計算領域内のメッシュは、伝熱管近傍に非構造格子を、伝熱管近傍を除く全領域に不等間隔構造格子を配置した。
＜２＞解析条件
図１に計算領域を示す。
空気は入口から速度Ｕ_ｉｎ、温度Ｔ_ｉｎで一様流入、出口から自由流出し、ｙ方向に周期境界条件、さらに壁温Ｔ_ｗ一定の等温条件とした。
また、翼弦に対して非対称な形状のＮＡＣＡ６６翼型と対称な形状のＮＡＣＡ６３−０１０翼型を採用した（ＮＡＣＡはアメリカ航空宇宙局を示す）。
これらの翼型伝熱管は伝熱管長さをＬとすると、最大厚み位置は先端から０．３４５０１Ｌであり、最大厚みはそれぞれ０．１１９Ｌ，０．０９９９８Ｌである。
翼型伝熱管は流れ方向に２列の千鳥配列とし、伝熱管スパン方向ピッチＰ_Ｔ／Ｌ＝０．２−０．３、伝熱管流れ方向ピッチＰ_Ｌ／Ｌ＝０．４−１．５とした。
ここで、Ｐ_Ｌ／Ｌ＜１．０の条件は伝熱管１列目の隙間に２列目が入る状態である。
さらに、ＮＡＣＡ６６では伝熱管２列目を迎角α＝０°−１５°と変化させ、迎角の影響も検討した。
なお、代表長さＬ、Ｕ_ｉｎに基づくレイノルズ数Ｒｅ_Ｌ＝１０００−２０００の条件で検討を行っている。
また、伝熱管長さＬ、伝熱管径０．１Ｌのフラット伝熱管の場合と比較することで、翼型伝熱管の伝熱性能を評価した．

＜３＞性能の評価方法
水力直径は以下の式（１）で定義され、Ｌ_ｃは熱交換器長さを、Ａは伝熱面積を表す。
ここで、ＮＡＣＡ６６翼型とＮＡＣＡ６３−０１０翼型の伝熱面積は、それぞれフラット伝熱管の約０．９７５倍，０．９５７倍であり、同程度である。
また、最小流路断面積Ａ_ｍｉｎはフラット伝熱管の場合では伝熱管のスパン方向の隙間、翼型伝熱管の場合では翼の最大厚み位置における隙間である。
ただし、Ｐ_Ｌ／Ｌ＜１．０の条件においてもＡ_ｍｉｎは変化しないものとした。
さらに、水力直径Ｄ_ｈ基準のレイノルズ数Ｒｅ_Ｄｈを以下の式（２）より定義する。
ここで、Ｕ_ｍａｘはＡ_ｍｉｎを流れる断面平均流速である。
さらに、熱伝達と圧力損失の性能評価指標として、Ｃｏｌｂｕｒｎのｊ因子とＦａｎｎｉｎｇの摩擦係数ｆを用いた。
定義式を以下に記述する。
式（３）において、Ｑは伝熱量、ΔＴ_ＬＭは対数平均温度差、λは熱伝導率、Ｐｒはプラントル数をそれぞれ示す。
式（４）においてΔＰは流入口と流出口における圧力損失を示す。
また、単位体積当たりのポンプ動力Ｗ／Ａ_ｉｎＬ_ｃに対する単位体積・単位温度差当たりの伝熱量Ｑ／Ａ_ｉｎＬ_ｃΔＴ_ＬＭを評価するため、Ｗを以下の式で算出した。
ここで、Ａ_ｉｎは自由流路幅である。

図２に、Ｐ_Ｌ／Ｌ＝１．５の条件での、各伝熱管形状におけるある瞬間の熱流動場を示す。
図２（ａ），（ｂ）から、フラット伝熱管やＮＡＣＡ６６の場合において、流路の縮小拡大により逆圧力勾配が生じ、伝熱管壁面から流れが剥離することで、各伝熱管後流においてカルマン渦が発生していることが見て取れる。
さらに、この渦の影響で２列目周りに非定常な流れ場が形成されている。
一方、図２（ｃ）から、ＮＡＣＡ６３−０１０の場合は伝熱管後流に渦が生じていないことが見て取れる。
このことから、ＮＡＣＡ６３−０１０は、流れが壁面に沿いやすい形状を取っており、他の伝熱管形状と比較して圧力抗力が小さくなると考えられる。
図３に、Ｐ_Ｌ／Ｌ＝１．０の条件におけるＮＡＣＡ６６の場合、Ｐ_Ｌ／Ｌ＝０．７５の条件におけるＮＡＣＡ６６の迎角がない場合とα ＝ １０°の場合、およびＮＡＣＡ６３−０１０の場合におけるある瞬間の熱流動場をそれぞれ示す。
ＮＡＣＡ６６の場合、図２（ｂ）と図３（ａ）を比較すると、Ｐ_Ｌ／Ｌ＝１．０の条件では、伝熱管２列目周りが定常な流れ場である様子が見て取れる。
これは、ｘ／Ｌ ＝ １．０において伝熱管１列目と２列目の隙間は小さく、翼型伝熱管上面背面部の壁面に沿った流れが生じ、前述の流れの剥離が抑えられたためである。
また、図３（ｂ）では、Ｐ_Ｌ／Ｌ＝０．７５の条件において、伝熱管１列目の隙間に２列目が入り込むことで、１列目背面部からの流れの剥離が抑制されている。
さらに、０．７５≦ｘ／Ｌ≦１．０における流路の狭小化により、流路断面内の流速が増大し、伝熱管壁面の境界層が薄膜化している。
しかし、狭小化した流路を通過した流れは２列目下面の壁面に沿って流れていない様子も見て取れる。
一方、図３（ｃ）から伝熱管２列目に迎角を付けることで、２列目の下面が１列目背面部に沿うため、流路の急激な縮小拡大による剥離を抑えられており、壁面に沿う良好な流れが形成されていることが分かる。
また、図３（ｄ）から、ＮＡＣＡ６３−０１０の場合、Ｐ_Ｌ／Ｌ＝１．５の条件と同様に伝熱管２列目後流で渦が生じていないことが分かる。
また、ＮＡＣＡ６３−０１０の場合は最大翼厚位置から伝熱管後端に向かって、伝熱管厚みが薄くなっていくために、Ｐ_Ｌを小さくとっても流路が狭小化しにくく、流路が確保されやすい形状であることも見て取れる。
これより、他の伝熱管形状と比較して、ＮＡＣＡ６３−０１０形状はＬ_ｃを短くでき、コンパクト化に適していると考えられる。

図４に、Ｐ_Ｔ／Ｌ＝０．３の条件での、各伝熱管形状におけるｊ／ｆ値をＲｅ_Ｄｈに対して示す。
図４から、翼型伝熱管のｊ／ｆ値はフラット伝熱管のそれを、全てのＲｅ_Ｄｈ範囲において上回っていることが分かる。
すなわち、翼型伝熱管はフラット伝熱管より、圧力損失と熱伝達のバランスが優れているといえる。
また、ＮＡＣＡ６６翼型において、Ｒｅ_Ｄｈが低い（Ｐ_Ｌが小さい）条件では、伝熱管２列目に迎角を付けた場合の方が付けない場合に比べ、圧力損失がかなり低減されるため伝熱性能が向上している。
また、ＮＡＣＡ６３−０１０の場合は、前述の熱流動特性で分かるように、圧力損失が低く抑えられるため、ＮＡＣＡ６６の場合を上回るｊ／ｆ値を示しており、伝熱性能の最も高い伝熱管形状といえる．
図５に、各伝熱管形状におけるＰ_Ｔ／Ｌ＝０．３の条件での、単位体積当たりのポンプ動力Ｗ／Ａ_ｉｎＬ_ｃ［Ｗ／ｍ^３］と伝熱量Ｑ／Ａ_ｉｎＬ_ｃΔＴ_ＬＭ［Ｗ／ｍ^３Ｋ］の関係を示す。
ＮＡＣＡ６３−０１０の場合は、Ｐ_Ｔ／Ｌ＝０．２，０．２５の条件での値もプロットした。
図５から、ＮＡＣＡ６６の場合、伝熱管２列目に迎角を付けた場合の方が、ポンプ動力が大きくなると同一ポンプ動力で大きい伝熱量が得られることがわかる。
また、ＮＡＣＡ６３−０１０の場合は、すべてのポンプ動力範囲でフラット伝熱管より小さいポンプ動力で大きい伝熱量が得られている。
さらに、Ｐ_Ｔを小さくすると、ポンプ動力が大きくなるにつれＰ_Ｔが大きい場合より伝熱量が大きくなっていることが分かる。
また、Ｌ_ｃが小さくよりコンパクトな形状となる条件において、単位体積当たりの熱交換量が高いことから、コンパクト性に優れた形状をしていることもわかる。

ＮＡＣＡ６３−０１０翼型伝熱管をＰ_Ｔ／Ｌ＝０．５で２列配列し、伝熱管１列目後端に長さ０．５Ｌ，厚さ０．０１Ｌのフィンを付設したモデル（以下、ＮＡＣＡ６３−０１０＋ｆｉｎと呼ぶ）を、伝熱管長さＬと流入速度Ｕｉｎ基準のＲｅ_Ｌ＝２０００の条件で２Ｄ解析を行った。
図６に計算領域と幾何パラメータを示す。
今回の幾何形状ではＬ_１／Ｌ＝１．５，Ｌ_２／Ｌ＝１．０である。
ここで、Ｌ_１は伝熱管本体部の長さＬとフィンの長さＬ_ｆの合計であり、Ｌ_２は伝熱管本体部の長さＬに相当する。
（ａ）フィン無しの場合、（ｂ）フィン有りの場合について、ある瞬間の温度場を図７に、時間平均した温度場を図８にそれぞれ示す。
フィン無しの（ａ）では、ｙ軸下向きの偏向流が観察されるが、フィンを付設した（ｂ）では、伝熱管１列目後縁に付設したフィンの影響により偏向流が発生していないことが見て取れる。
偏向流が生じていないために、伝熱管周辺の温度場は上下対称となっている。
また、フィン部に着目すると、下流に進むにつれて境界層が発達している様子が見て取れるが、伝熱管１列目後縁部近傍では境界層が比較的薄いと考えられる。
さらに、図７と図８を比較すると、フィンを付設した（ｂ）では定常な温度場となっていることがわかり、流れの剥離抑制による圧力損失低減が期待される。
フィンの有無による性能の違いを図９に示す。
横軸は単位体積当たりのポンプ動力、縦軸は単位体積、単位温度当たりの伝熱量である。
図を見ると、ポンプ動力一定条件における伝熱量では、フィンを付設した場合が最も多いことがわかり、フィン付設の効果があるといえる。

Claims (3)

1. 熱交換器の伝熱管であって、
   伝熱管は断面外形形状が略翼型形状であり、伝熱管の外側を流れる流体の流れ方向に沿って複数列配置し、且つ前列側に複数本配列した伝熱管の後列側に複数本の伝熱管を前列側の伝熱管と千鳥状に配列してあり、少なくとも一部の伝熱管は略翼型形状の本体部の前端又は／及び後端に流体の流れ方向に沿って延在する薄い板状のフィンを有することを特徴とする熱交換器用伝熱管の配列構造。
2. 前記フィンは、当該フィンの後端部がそれより後列側に位置する伝熱管同士の間に位置するように又は当該フィンの前端部がそれよりも前列側に位置する伝熱管同士の間に位置するように部分的に重なり配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器用伝熱管の配列構造。
3. 前記伝熱管の本体部の長さＬ，フィンの長さＬ_ｆ，伝熱管の流体流れ方向のピッチＰ_Ｌ，とすると、０．４≦Ｐ_Ｌ／Ｌ≦１．５，Ｌ_ｆ／Ｌ≦１．５であることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器用伝熱管の配列構造。