JP2015021650A - 伝熱管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】セレーテッドフィンを備えたフィン付の伝熱管構造において、死水領域の熱伝達率を改善して伝熱管全体の熱伝達率向上を達成する。
【解決手段】伝熱管本体２１の外周面に鉄系素材よりなる板状のセレーテッドフィン２２が取り付けられている伝熱管構造において、セレーテッドフィン２２のフィン根元部２２ａに振幅（Ｈｗ）及びピッチ（Ｐｗ）の波形凹凸面３０を全周にわたって形成し、伝熱管本体２１の外径（ｄｏ）と、セレーテッドフィン２２のフィン板厚（ｔｆ）及び管軸方向のフィン間隔（Ｓ）とにより、振幅（Ｈｗ）は、フィン板厚（ｔｆ）以上でフィン間隔（ｓ）以下の範囲内（ｔｆ＜Ｈｗ＜Ｓ）に設定され、かつ、ピッチ（Ｐｗ）は、フィン板厚（ｔｆ）以上で外径（ｄｏ）の１／２以下の範囲内（ｔｆ＜Ｐｗ＜ｄｏ／２）に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、排熱回収ボイラ等に適用される伝熱管構造に係り、特に、優れた伝熱性能を有する伝熱管構造に関する。

従来、ガスタービンによる発電と、蒸気タービンによる発電とを組み合わせたコンバインドサイクル発電設備（以下、「複合発電設備」）が知られている。このような複合発電設備においては、ガスタービンから排出される高温の燃焼排ガスを導入して蒸気を生成し、この蒸気を蒸気タービンに供給する排熱回収ボイラを備えている。
排熱回収ボイラの内部には多数の伝熱管が配設され、伝熱管内部を流れる水と伝熱管外側を流れる燃焼排ガスとの熱交換により、伝熱管内部の水が加熱を受けて蒸気となる。

上述した排熱回収ボイラにおいては、排熱回収効率の向上が望まれており、従って、例えば下記の特許文献に開示されているように、伝熱管の外周面にセレーテッドフィンを取り付けて伝熱促進を図ることが行われている。また、下記の特許文献では、例えば図９に示すフィン付伝熱管１Ａのように、セレートされたフィン先端部３ｃの面に対して、伝熱面の拡大を狙って突起や模様等の小さな凹凸４を形成することが行われている。なお、図中の符号２は伝熱管本体、３ａはフィン根元部である。

特表平７−５０９７７４号公報

ところで、近年のフィン付伝熱管は、複合発電設備の高効率化を達成するため、より一層の伝熱性能向上及び低コスト化が求められている。
図７に示すフィン付伝熱管１０は、空調装置用の熱交換器に使用されるもので、伝熱管本体１１の外周面にアルミニウム製のフィン１２が取り付けられている。
図８に示すフィン付伝熱管１は、例えば排熱回収ボイラのように、空調用機器と比較して高温（例えば４００〜６００℃程度）の環境で使用される。このため、伝熱管本体２の外周面には、鉄系材料製のセレーテッドフィン３が取り付けられている。このセレーテッドフィン３は、フィン内周側で連続する板状のフィン根元部３ａと、フィン外周側を円周方向に分割して鋸歯状としたフィン先端部３ｂとにより構成される。

上述したフィン付伝熱管３は、図１０に示すように、鋸歯状としたフィン外周側のフィン先端部３ｂに局所熱伝達率の高い領域Ｈが存在する。一方、セレートされずに連続する板状となっているフィン内周側のフィン根元部３ａは、全体として局所熱伝達率がそれほど高くない。特に、ガス流れ方向においてフィン付伝熱管１の下流側となる位置にあるフィン根元部３ａには、すなわち、流れ方向から見て伝熱管本体２の裏側となる範囲に取り付けられているフィン根元部３ａには、他の領域と比較して一段と熱伝達率の低い領域Ｌが存在する。

この領域Ｌは、例えば図１０に示すように、セレーテッドフィン３の表面流れを可視化した試験結果によれば、伝熱管本体２の下流側で流れが淀んで伝熱管表面からの剥離を起こしている領域であり、この剥離が熱伝達率を低下させる原因と考えられる。このような剥離を生じる領域は死水領域と呼ばれ、加熱側の燃焼排ガスがセレーテッドフィン３の周囲をほとんど流れていない状況にあり、通常の流れ（図中の矢印ｆ）と異なり、伝熱管本体２から剥離した比較的大きな後方渦（図中の矢印ｆａ）が形成されている。

また、空調用の熱交換器に使用されるフィン付伝熱管１０は、展延性を有するアルミニウム製のフィン１２が使用される。このため、フィン付伝熱管１０に取り付けられたフィン１２は、根元にしわ（凹凸）を生じるようなことはない。
一方、排熱回収ボイラで使用するフィン付伝熱管１の場合、４００〜６００℃程度と空調用熱交換器よりかなり高い温度領域での使用となるため、セレーテッドフィン３やセレートされないソリッドフィンとして、鉄系材料の板材が一般的に使用されている。このような鉄製フィンは、アルミニウムのような展延性を有していない。

このため、特にフィン外周側がセレートされていない鉄系素材のソリッドフィンは、伝熱管本体２の外周面に巻き付けるように取り付けられたフィン根元部において、しわを生じやすいことが知られている。
これに対し、セレーテッドフィン３は、フィン先端部３ｂに鋸歯状の切り込みがあるので、切り込みのないフィン根元部３ａのフィン高さ（図１のｈｓを参照）が低くなる。この結果、セレーテッドフィン３のフィン根元部３ａでは、フィン全体のフィン高さ（図１のｈｆを参照）が同じであれば、ソリッドフィンのようなしわを生じることはない。

さて、本発明者等の試験研究によれば、鉄系素材のソリッドフィンを採用したフィン付伝熱管１の管群は、その熱伝達特性や圧力損失特性が、アルミニウム製のフィン１２を採用したフィン付伝熱管１０の管群を対象とした熱伝達特性予測式との間に、大きな誤差が存在するとの知見を得た。
さらに、本発明者等は、伝熱面の拡大を狙って設けた特許文献１の突起や模様等の凹凸４についても試験研究を行い、微細な凹凸加工を施すことによる熱伝達率の顕著な向上は認められないことを確認している。

このような背景から、鉄系素材のセレーテッドフィンを採用したフィン付伝熱管群の伝熱管構造について、伝熱管の熱伝達率を向上させることが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、セレーテッドフィンを備えたフィン付の伝熱管構造において、特に死水領域の熱伝達率を改善して伝熱管全体の熱伝達率向上を達成することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る伝熱管構造は、伝熱管本体の外周面に鉄系素材よりなる板状のセレーテッドフィンが取り付けられている伝熱管構造であって、前記セレーテッドフィンのフィン根元部に振幅（Ｈｗ）及びピッチ（Ｐｗ）の波形凹凸面を全周にわたって形成し、前記伝熱管本体の外径（ｄｏ）と、前記セレーテッドフィンのフィン板厚（ｔｆ）及び管軸方向のフィン間隔（ｓ）とにより、前記振幅（Ｈｗ）は、前記フィン板厚（ｔｆ）以上で前記フィン間隔（ｓ）以下の範囲内（ｔｆ＜Ｈｗ＜ｓ）に設定され、かつ、前記ピッチ（Ｐｗ）は、前記フィン板厚（ｔｆ）以上で前記外径（ｄｏ）の１／２以下の範囲内（ｔｆ＜Ｐｗ＜ｄｏ／２）に設定されていることを特徴とするものである。

このような伝熱管構造によれば、セレーテッドフィンのフィン根元部に対し、伝熱管本体の外径（ｄｏ）、セレーテッドフィンのフィン板厚（ｔｆ）及び管軸方向のフィン間隔（ｓ）により規定される範囲内（ｔｆ＜Ｈｗ＜ｓ，ｔｆ＜Ｐｗ＜ｄｏ／２）に設定された振幅（Ｈｗ）及びピッチ（Ｐｗ）の波形凹凸面を設けたので、セレーテッドフィンに沿って流れる流体は、波形凹凸面を設けたフィン根元部で流れを乱される。すなわち、伝熱管本体の下流側に形成される死水領域においては、フィン根元部の表面に形成されている波形凹凸面により流れが乱され、波形凹凸面に起因する比較的小さな渦が多数形成されることにより、流体の流入量を増して死水領域が低減される。なお、ここでの比較的小さな渦は、波形凹凸面がない場合に生じている後方渦との比較である。

上記の発明において、前記波形凹凸面は、前記セレーテッドフィンを前記伝熱管本体に巻き付けて取り付ける前の段階で、凹凸面ローラ間に前記板状の鉄系素材を通過させる塑性変形により形成されることが好ましい。
また、上記の発明において、前記波形凹凸面は、前記セレーテッドフィンを前記伝熱管本体に巻き付けて取り付ける前の段階で、凹凸面プレス機間に前記板状の鉄系素材を挟持してプレス成形されるものでもよいし、あるいは、前記板状の鉄系素材に対して両面からパルスレーザを照射して形成されるものでもよい。

上述した本発明によれば、鉄系素材のセレーテッドフィンを採用したフィン付の伝熱管構造においては、フィン根元部に形成した波形凹凸面が流れを乱して死水領域に比較的小さな渦を多数形成するので、死水領域の熱伝達率が改善される。この結果、熱伝達率の高いフィン先端部に加えてフィン根元部の熱伝達率も向上するので、フィン付伝熱管全体としての熱伝達率向上を達成することができる。従って、複合発電設備を構成する排熱回収ボイラの熱回収効率が向上するので、フィン付伝熱管の本数を減らすことができ、重量低減、コンパクト化が可能になる。

本発明に係る伝熱管構造の一実施形態を示す図で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）はセレーテッドフィンのフィン根元部に形成された波形凹凸面（しわ）の波形形状を示す断面図、（ｃ）はフィン付伝熱管の寸法記号を示す断面図である。 本発明に係るフィン付伝熱管を通過して流れるガス流れの説明図である。 セレーテッドフィンのフィン根元部に凹凸面ローラを用いて波形凹凸面を形成する説明図である。 セレーテッドフィンのフィン根元部に凹凸面プレス機を用いて波形凹凸面を形成する説明図である。 セレーテッドフィンのフィン根元部にパルスレーザを用いて波形凹凸面を形成する説明図である。 空調装置用の熱交換器に用いられるフィン付伝熱管の外観斜視図である。 排熱回収ボイラに用いられるセレーテッドフィンを備えたフィン付伝熱管の外観斜視図である。 フィン先端部に伝熱面拡大用の凹凸を多数設けたセレーテッドフィンを備えたフィン付伝熱管の断面図である。 従来のセレーテッドフィンを備えたフィン付伝熱管について、その断面形状及び伝熱管下流側に形成されるガス流れの死水領域を示す断面図である。 従来のセレーテッドフィンを備えたフィン付伝熱管について、フィン表面の平均熱伝達率分布図である。

以下、本発明に係る伝熱管構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示す実施形態のフィン付伝熱管２０は、例えば排熱回収ボイラの内部に多数配列されることにより、伝熱管内部を流れる水と伝熱管外部を流れる高温の燃焼排ガスとの熱交換に使用される。なお、伝熱管内部を流れる水は、燃焼排ガスによる加熱を受けて蒸気となり、排熱回収ボイラから蒸気タービンへ供給される。

排熱回収ボイラのフィン付伝熱管２０は、燃焼排ガスのガス流れ方向と略直角に交差する直線上に所定の軸間ピッチに配列してなる第１伝熱管列と、フィン付伝熱管２０を第１伝熱管列からガス流れ方向と交差する方向にずらして所定の軸間ピッチに配列してなる第２とが、全体として千鳥配置となるようにガス流れ方向へ交互に多数配列されている。
なお、第１伝熱管列及び第２伝熱管列のフィン付伝熱管数や、第１伝熱管列及び第２伝熱管列の配列数については、管列の本数が特に限定されることはない。

フィン付伝熱管２０は、伝熱管本体２１の外周面に鉄系素材よりなる板状のセレーテッドフィン２２を巻き付けるように取り付けた伝熱管構造を有している。このフィン付伝熱管２０は、伝熱管本体２１の外径がｄｏ、セレーテッドフィン２２の外径がｄｆ、セレーテッドフィン２２のフィン板厚がｔｆ、セレーテッドフィン２２のフィン間隔がｓとなっている。
セレーテッドフィン２２は、全周にわたって波形凹凸面（しわ）３０を形成した内周側のフィン根元部２２ａと、鋸歯状の切り込み２３を全周にわたって形成した外周側のフィン先端部２２ｂとにより構成される。なお、セレーテッドフィン２２は、フィン全体の高さがｈｆ、切り込みのないフィン根元部２２ａのフィン高さがｈｓとなる。

セレーテッドフィン２２のフィン根元部２２ａに形成された波形凹凸面３０は、フィン振幅Ｈｗ及びピッチＰｗの波形が、伝熱管本体２１の外周を取り囲むようにして、全周にわたって形成されたものである。
図１（ｂ）に示すように、好適な波形凹凸面３０は、伝熱管本体２１の外径ｄｏと、セレーテッドフィン２２のフィン板厚ｔｆ及び管軸方向のフィン間隔ｓとにより、下記のように規定される。

振幅Ｈｗは、フィン板厚ｔｆ以上でフィン間隔ｓ以下の範囲内（ｔｆ＜Ｈｗ＜ｓ）となるように設定される。また、ピッチＰｗは、フィン板厚ｔｆ以上で外径ｄｏの１／２以下の範囲内（ｔｆ＜Ｐｗ＜ｄｏ／２）となるように設定される。すなわち、波形凹凸面３０は、フィン高さがｈｓであるフィン根元部２２ａに対して、フィン高さｈｓの略全域にわたって振幅Ｈｗ及びピッチＰｗの波形に形成されている。

このような伝熱管構造のフィン付伝熱管２０によれば、セレーテッドフィン２２のフィン根元部２２ａに対し、伝熱管本体２１の外径ｄｏ、セレーテッドフィン２２のフィン板厚ｔｆ及び管軸方向のフィン間隔ｓにより規定される範囲内（ｔｆ＜Ｈｗ＜ｓ，ｔｆ＜Ｐｗ＜ｄｏ／２）に設定された振幅Ｈｗ及びピッチＰｗの波形凹凸面３０を設けたので、セレーテッドフィン２２に沿って流れる燃焼排ガス（流体）は、波形凹凸面３０を設けたフィン根元部２２ａで流れを乱される。

これを具体的に説明すると、伝熱管本体２１の下流側に形成される死水領域近傍では、フィン根元部２２ａの表面に形成されている波形凹凸面３０により、通常の燃焼ガス流れｆが乱されて渦を形成する。この結果、死水領域においては、略形成されている波形凹凸面３０毎に、波形凹凸面３０がない場合に生じていた後方渦ｆａと比較して、小さな渦ｆｂが多数形成されるようになる。
このような小さな渦ｆｂは、燃焼ガスの流れを死水領域に導く作用をするので、死水領域の流入燃焼排ガス量が増加する。すなわち、波形凹凸面３０により形成される比較的小さな渦ｆｂは、死水領域への流入ガス量を増すので、波形凹凸面３０は死水領域の低減に有効である。

ところで、上述したピッチＰｗは、伝熱管本体２１の外径ｄｏとセレーテッドフィン２２のフィン板厚ｔｆとにより規定するが、１／２ｄｏより大きなピッチＰｗの波形凹凸面３０は、燃焼排ガスの流れを乱す作用がなくなるため好ましくない。また、ピッチＰｗがフィン板厚ｔｆより小さくなると、特許文献１と同様の微細な凹凸加工になるため、伝熱促進効果を得ることができなくなる。
一方、振幅Ｈｗは、セレーテッドフィン２２のフィン板厚ｔｆとフィン間隔ｓとにより規定するが、振幅Ｈｗは、物理的にフィン間隔ｓより小さくなる。また、振幅Ｈｗがフィン板厚ｔｆより小さいと、特許文献１と同様の微細な凹凸加工になるため、伝熱促進効果を得ることができなくなる。

上述したフィン付伝熱管２０のセレーテッドフィン２２は、例えば図３に示す概略の製造工程により、伝熱管本体２１に波形凹凸面３０を形成したセレーテッドフィン２２をスパイラル状に巻き付けて、溶接により取り付けられる。なお、図中の符号５０は、セレーテッドフィン２２となる板状の鉄系素材２２´に対して、波形凹凸面３０を形成する波形形成部である。

次に、波形成形部５０について、具体例を図４〜図６に示して説明する。
図４に示す波形成形部５０は、厚さが０．８〜２．０ｍｍ程度の板状部材に、セレーテッドフィン２２を伝熱管本体２１に巻き付けて溶接する（取り付ける）前の段階で、上述した形状の波形凹凸面３０を形成するものである。この波形形成部５０は、対向配置されて互いに逆方向へ回転する凹凸面ローラ５１，５２間に、セレーテッドフィン２２となる板状の鉄系素材２２´を通過させて波形凹凸面３０を形成する。この場合、凹凸面ローラ５１，５２間を通過した鉄系素材２２´は、ローラ面の凹凸により塑性変形をして波形凹凸面３０となるため、連続した製造が可能である。

また、図５に示す波形成形部５０Ａは、セレーテッドフィン２２を伝熱管本体２１に巻き付けて溶接する前の段階で、凹凸面プレス機５３，５４間に板状の鉄系素材２２´を挟持してプレス成形するものである。このような構成の波形成形部５０Ａは連続成形することができず、従って、鉄系素材送り方向（矢印Ｙ）における凹凸面プレス機５３，５４の有効長さに応じて断続的な製造となる。

また、図６に示す波形成形部５０Ｂは、セレーテッドフィン２２を伝熱管本体２１に巻き付けて溶接する前の段階で、板状の鉄系素材２２´に対して両面からパルスレーザを照射して波形凹凸面３０を形成するレーザ照射装置５５としてもよい。この場合、波形凹凸面３０は、パルスレーザ照射による連続した製造が可能である。

上述した本実施形態の伝熱管構造によれば、鉄系素材のセレーテッドフィン２２を採用したフィン付伝熱管２０は、フィン根元部２２ａに形成した波形凹凸面３０が流れを乱して死水領域に比較的小さな渦ｆｂを多数形成するので、死水領域の熱伝達率を改善することができる。この結果、熱伝達率の高いフィン先端部２２ｂに加えてフィン根元部２２ａの熱伝達率も向上するので、フィン付伝熱管２０は全体の熱伝達率が向上する。
従って、複合発電設備を構成する排熱回収ボイラの熱回収効率が向上するので、複合発電設備の高効率化が可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、例えば排熱回収ボイラに類似する他の熱交換器にも適用可能であるなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

２０ フィン付伝熱管
２１ 伝熱管本体
２２ セレーテッドフィン
２２ａ フィン根元部
２２ｂ フィン先端部
３０ 波形凹凸面（しわ）
５０ 波形成形部
５１，５２ 凹凸面ローラ
５３，５４ 凹凸面プレス機
５５ レーザ照射装置

Claims (4)

1. 伝熱管本体の外周面に鉄系素材よりなる板状のセレーテッドフィンが取り付けられている伝熱管構造であって、
   前記セレーテッドフィンのフィン根元部に振幅（Ｈｗ）及びピッチ（Ｐｗ）の波形凹凸面を全周にわたって形成し、
   前記伝熱管本体の外径（ｄｏ）と、前記セレーテッドフィンのフィン板厚（ｔｆ）及び管軸方向のフィン間隔（Ｓ）とにより、
   前記振幅（Ｈｗ）は、前記フィン板厚（ｔｆ）以上で前記フィン間隔（ｓ）以下の範囲内（ｔｆ＜Ｈｗ＜Ｓ）に設定され、かつ、
   前記ピッチ（Ｐｗ）は、前記フィン板厚（ｔｆ）以上で前記外径（ｄｏ）の１／２以下の範囲内（ｔｆ＜Ｐｗ＜ｄｏ／２）に設定されていることを特徴とする伝熱管構造。
2. 前記波形凹凸面は、前記セレーテッドフィンを前記伝熱管本体に巻き付けて取り付ける前の段階で、凹凸面ローラ間に前記板状の鉄系素材を通過させる塑性変形により形成されることを特徴とする請求項１に記載の伝熱管構造。
3. 前記波形凹凸面は、前記セレーテッドフィンを前記伝熱管本体に巻き付けて取り付ける前の段階で、凹凸面プレス機間に前記板状の鉄系素材を挟持してプレス成形されることを特徴とする請求項１に記載の伝熱管構造。
4. 前記波形凹凸面は、前記セレーテッドフィンを前記伝熱管本体に巻き付けて取り付ける前の段階で、前記板状の鉄系素材に対して両面からパルスレーザを照射して形成されることを特徴とする請求項１に記載の伝熱管構造。
   

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