JP3567000B2 - 熱交換チューブ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、チューブ本体とこのチューブ本体上に装着される表面拡大要素からなり、この表面拡大要素は、チューブ本体の外側に溶着されてチューブ本体から外向きに延在される多数のピンから構成されており、そして前記チューブ本体と前記ピンとが共に炭素鋼から構成されている形式の熱交換チューブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記形式の熱交換チューブ（ピンチューブとも称せられる）は、種々の形態のものがあり多数の異なる目的に使用されている。例えば、この種の熱交換チューブが可なりの範囲で使用されている１つの技術分野は円筒ボイラである。この種のボイラにおいて、上記形式の熱交換チューブは、排気ガスが排気ガスチューブ、すなわち煙道すなわちボイラ炉の上方に位置して蒸気および水スペースを形成する圧力容器を垂直方向上向きに貫通延在しているものを通過する間に、これから熱を回収すべく余程以前から使用されている。熱交換チューブは、排気ガスチューブ内に同心的に装着されると共に圧力容器に接続され、これにより前記容器内の流体へ熱を伝達するよう構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記形式の熱交換チューブは、従来は、ピンとチューブ本体間の溶接接合部或いはピンの隣接部分において亀裂形成の傾向を免れなかった。この傾向は、通常、ピンがチューブ本体に溶接された後で冷間屈曲加工される場合に殊に著しい。しかしながら、この傾向は別のピンと関連しても発生される。この亀裂形成の傾向は、実際問題として種々の異なる問題を誘発する。このため、最初は極めて小さくても、この小さな最初の亀裂が熱交換チューブの構成の間に次第に大きな亀裂に成長してピンを脆弱化し、ついにはこのピンが、例えば熱交換チューブが装着されている排気ガスチューブの煤除去に際して実質的な機械荷重にさらされると、チューブ本体から破断されるに至っていた。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、前記種類の亀裂形成のリスクを全て実質的に減少することができる前記形式の改良された熱交換チューブを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、前記目的のために、ピンが、チューブ本体を構成する材料よりは実質的に低い炭素含有量を有する材料から構成されていることを主要特徴とする、前記形式の熱交換チューブが提供される。
【０００６】
本発明は、この形式の公知の熱交換チューブに見られる亀裂形成の傾向は、溶接加工中に不可避的に発生される、ピンのチューブ本体に最近接する部分の加熱および冷却が、このピン部分に対する材料を反意図的に硬化して脆弱性を増大していた事実に起因していると言う知見に基づいている。本発明は、更にまた、前記反意図的な硬化は、ピンが、従来は、チューブ本体を構成する材料と少なくともほぼ同一の炭素含有量を有する一般工業用ベースの炭素鋼から構成されていた事実の結果であると言う知見にも基づいている。
【０００７】
チューブ本体は、通常は少なくとも約０．１％の炭素含有量を有する炭素鋼から構成されるが、本発明においては、ピンは、好適には約０．０５％未満の炭素含有量を有する材料から構成される。
【０００８】
殊に、ピンがチューブ本体に対する溶接工程の後で冷間屈曲加工される場合の熱交換チューブにおいては、ピンは、好適には僅かに約０．０３％だけの炭素含有量を有する材料から構成される。
【０００９】
【作用】
このように、極めて低い炭素含有量を有する鋼材をピンに使用することは、亀裂形成の前記リスクを減少するばかりでなく、更に別の好結果をももたらすことが判明した。すなわち、更に詳細には、低減された炭素含有量はピンの熱電導率を増大し、これによりピンの熱効率が改善され、ひいては熱交換チューブの全体的熱伝達効率が全般的に増大される。円筒ボイラに実際に適用した実施例に係わる熱交換チューブの熱伝達計数の計算によれば、０．１１％の炭素含有量を有する一般工業用ベースの炭素鋼からなるピンに代えて、僅かに約０．０３％だけの炭素含有量を有する特種鋼材からなるピンを使用することにより、前記係数を約４％増大できることが判明した。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１に全体的参照符号１０で部分的にのみ示されている円筒ポイラは、炉１１と、この炉の上部に位置してボイラの蒸気および水スペースを形成する圧力容器１２とを有する。複数の垂直排気ガスチューブ、すなわち煙道１３が、排気ガスを炉１１から圧力容器１２の頂部に位置する排気ガス溜り１４へ導出すべく圧力容器１２内を貫通延在し、そしてこの排気ガスは前記排気ガス溜りから排気ガス排出口１５を経て排出されている。
【００１２】
各排気ガスチューブ１３内には、全体的に参照符号１６で示されているように、チューブ本体１７とこのチューブ本体上に装着される表面拡大要素とからなる熱交換チューブが設けられている。図２乃至４に最も良く示されているように、前記表面拡大要素は多数のピン１８からなり、そしてこのピンは、チューブ本体１７の外側に溶着されそしてチューブ本体から外向きに延在されている。各熱交換チューブ１７は、その下端部に入口導管１９を有し、そして囲繞する排気ガスチューブ１３の壁部内開口部２０を介して、圧力容器１２で形成される蒸気および水スペースに連通されると共に、その下端部には出口導管２１を有し、排気ガスチューブ１３の壁部内開口部２２を介して圧力容器１２に連通されている。
【００１３】
以上簡単に説明したボイラのより詳細な構造および機能は、それ自体は公知であるので、ここではこれ以上は説明されない。従って、適宜な装置（図示せず）を設けて炉１１周りのダクト２３内に水を連続して循環させることにより、熱が炉から、この炉の壁部を通して圧力容器１２内の水へ伝達される、と説明すれば充分であろう。付加的な熱が、排気ガスチューブ１３内を流れる排気ガスから前記水に対して、排気ガスチューブの壁部を通る熱伝導および熱交換チューブ１６装置（これには、水が絶えず循環されている）の双方を介して伝達される。圧力容器１２内では上記熱伝達により蒸気が発生され、そしてこの蒸気は、適宜の装置（図示せず）を介して圧力容器から導出される。
【００１４】
熱交換チューブ１６には、図２、図３および図４に示すように、チューブ本体１７から正確に半径方向へ延在すると共に少なくともチューブ本体の大部分に亘って互いに同じ長さを有するピン１８を設けることができる。しかしながら、このピン１８の長さは、チューブ本体１７の下部部分では、図３に示すようにむしろチューブ本体の下端部へ向けて減少し、これにより、ピンが許容不能な高温度まで加熱されないようにすることができる。また所望によっては、チューブ本体１７の上部部分には増大した長さのピンを設けることができるが、この場合には、前記ピンはチューブ本体に溶接された後で屈曲される。このような増大された長さのピン１８′の１つが、図２に点線で示されている。
【００１５】
チューブ本体１７は、ピン１８と同様に炭素鋼から構成される。公知の方法では、チューブ本体１７は、このチューブ本体を所望の強度に設定するのに適し且つ好適には少なくとも約０．１％の炭素含有量を有する材料から構成されている。従来技術においては、ピン１８もまた、少なくとも約０．１％の炭素含有量を有する一般工業品質の炭素鋼、すなわち、チューブ本体を構成する材料とほぼ同じ炭素含有量を有する材料から構成されていた。しかるに、本発明においては、ピン１８は、チューブ本体１７を構成する材料より実質的に低い炭素含有量を有する材料から構成されなければならない。この結果、ピン１８とチューブ本体１７間の溶接接合部或いは前記ピンの隣接部分における、従来からの亀裂形成のリスクが可なり減少されることができる。また更に、ピン１８の熱効率が改善されることにより、各熱交換チューブ１６の全体的熱伝達効率が全般的に増大される。
【００１６】
ピン１８を構成する材料は、好適には約０．０５％未満の炭素含有量を有しなければならない。しかしながら、若しピンが、図２におけるピン１８′に関して説明したようにチューブ本体に溶接された後で冷間屈曲される場合には、これらのピンは、好適には僅かに約０．０３％だけの炭素含有量を有する材料から構成されなければならない。
【００１７】
本発明は、上述し且つ図１乃至図４に示す態様の熱交換チューブに限定されるものではなく、その他多くの態様の熱交換チューブに同様に適用されることができる。例えば、図５、図６および図７には、その他の用途に意図され且つ本発明が適用される熱交換チューブ１６′、１６″および１６″′がそれぞれ図示されている。
【００１８】
【発明の効果】
本発明に係る熱交換チューブは、極めて低い炭素含有量を有する鋼材をピンすなわち表面拡大要素に使用することにより、亀裂形成のリスクを減少するばかりでなく、低減された炭素含有量がピンの熱電導率を増大し、これによりピンの熱効率が改善され、ひいては熱交換チューブの全体的熱伝達効率を全般的に増大することができる。従って、円筒ボイラに実際に適用した実施例での熱交換チューブの熱伝達計数の計算によれば、０．１１％の炭素含有量を有する一般工業用ベースの炭素鋼からなるピンに代えて、僅かに約０．０３％だけの炭素含有量を有する特種鋼材からなるピンを使用することにより、前記係数を約４％増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る形式の複数の熱交換チューブを備えた円筒ボイラを示す部分断面図である。
【図２】前記１つの熱交換チューブの上部部分を示す拡大長手方向部分断面図である。
【図３】前記１つの熱交換チューブの下部部分を示す長手方向部分断面図である。
【図４】前記１つの熱交換チューブを示す横断面図である。
【図５】特種な用途のための変形態様に係る熱交換チューブを示す横断面図である。
【図６】特種な用途のための変形態様に係る熱交換チューブを示す横断面図である。
【図７】特種な用途のための変形態様に係る熱交換チューブを示す横断面図である。
【符号の説明】
１０ 円筒ボイラ
１１ 炉
１２ 圧力容器
１３ 排気ガスチューブ（煙道）
１４ 排気ガス溜り
１５ 排気ガス排出口
１６、１６′、１６″、１６″′ 熱交換チューブ
１７ チューブ本体
１８、１８′ ピン
１９ 入口導管
２０ 開口部
２１ 出口導管
２２ 開口部
２３ ダクト
【産業上の利用分野】
本発明は、チューブ本体とこのチューブ本体上に装着される表面拡大要素からなり、この表面拡大要素は、チューブ本体の外側に溶着されてチューブ本体から外向きに延在される多数のピンから構成されており、そして前記チューブ本体と前記ピンとが共に炭素鋼から構成されている形式の熱交換チューブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記形式の熱交換チューブ（ピンチューブとも称せられる）は、種々の形態のものがあり多数の異なる目的に使用されている。例えば、この種の熱交換チューブが可なりの範囲で使用されている１つの技術分野は円筒ボイラである。この種のボイラにおいて、上記形式の熱交換チューブは、排気ガスが排気ガスチューブ、すなわち煙道すなわちボイラ炉の上方に位置して蒸気および水スペースを形成する圧力容器を垂直方向上向きに貫通延在しているものを通過する間に、これから熱を回収すべく余程以前から使用されている。熱交換チューブは、排気ガスチューブ内に同心的に装着されると共に圧力容器に接続され、これにより前記容器内の流体へ熱を伝達するよう構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記形式の熱交換チューブは、従来は、ピンとチューブ本体間の溶接接合部或いはピンの隣接部分において亀裂形成の傾向を免れなかった。この傾向は、通常、ピンがチューブ本体に溶接された後で冷間屈曲加工される場合に殊に著しい。しかしながら、この傾向は別のピンと関連しても発生される。この亀裂形成の傾向は、実際問題として種々の異なる問題を誘発する。このため、最初は極めて小さくても、この小さな最初の亀裂が熱交換チューブの構成の間に次第に大きな亀裂に成長してピンを脆弱化し、ついにはこのピンが、例えば熱交換チューブが装着されている排気ガスチューブの煤除去に際して実質的な機械荷重にさらされると、チューブ本体から破断されるに至っていた。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、前記種類の亀裂形成のリスクを全て実質的に減少することができる前記形式の改良された熱交換チューブを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、前記目的のために、ピンが、チューブ本体を構成する材料よりは実質的に低い炭素含有量を有する材料から構成されていることを主要特徴とする、前記形式の熱交換チューブが提供される。
【０００６】
本発明は、この形式の公知の熱交換チューブに見られる亀裂形成の傾向は、溶接加工中に不可避的に発生される、ピンのチューブ本体に最近接する部分の加熱および冷却が、このピン部分に対する材料を反意図的に硬化して脆弱性を増大していた事実に起因していると言う知見に基づいている。本発明は、更にまた、前記反意図的な硬化は、ピンが、従来は、チューブ本体を構成する材料と少なくともほぼ同一の炭素含有量を有する一般工業用ベースの炭素鋼から構成されていた事実の結果であると言う知見にも基づいている。
【０００７】
チューブ本体は、通常は少なくとも約０．１％の炭素含有量を有する炭素鋼から構成されるが、本発明においては、ピンは、好適には約０．０５％未満の炭素含有量を有する材料から構成される。
【０００８】
殊に、ピンがチューブ本体に対する溶接工程の後で冷間屈曲加工される場合の熱交換チューブにおいては、ピンは、好適には僅かに約０．０３％だけの炭素含有量を有する材料から構成される。
【０００９】
【作用】
このように、極めて低い炭素含有量を有する鋼材をピンに使用することは、亀裂形成の前記リスクを減少するばかりでなく、更に別の好結果をももたらすことが判明した。すなわち、更に詳細には、低減された炭素含有量はピンの熱電導率を増大し、これによりピンの熱効率が改善され、ひいては熱交換チューブの全体的熱伝達効率が全般的に増大される。円筒ボイラに実際に適用した実施例に係わる熱交換チューブの熱伝達計数の計算によれば、０．１１％の炭素含有量を有する一般工業用ベースの炭素鋼からなるピンに代えて、僅かに約０．０３％だけの炭素含有量を有する特種鋼材からなるピンを使用することにより、前記係数を約４％増大できることが判明した。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１に全体的参照符号１０で部分的にのみ示されている円筒ポイラは、炉１１と、この炉の上部に位置してボイラの蒸気および水スペースを形成する圧力容器１２とを有する。複数の垂直排気ガスチューブ、すなわち煙道１３が、排気ガスを炉１１から圧力容器１２の頂部に位置する排気ガス溜り１４へ導出すべく圧力容器１２内を貫通延在し、そしてこの排気ガスは前記排気ガス溜りから排気ガス排出口１５を経て排出されている。
【００１２】
各排気ガスチューブ１３内には、全体的に参照符号１６で示されているように、チューブ本体１７とこのチューブ本体上に装着される表面拡大要素とからなる熱交換チューブが設けられている。図２乃至４に最も良く示されているように、前記表面拡大要素は多数のピン１８からなり、そしてこのピンは、チューブ本体１７の外側に溶着されそしてチューブ本体から外向きに延在されている。各熱交換チューブ１７は、その下端部に入口導管１９を有し、そして囲繞する排気ガスチューブ１３の壁部内開口部２０を介して、圧力容器１２で形成される蒸気および水スペースに連通されると共に、その下端部には出口導管２１を有し、排気ガスチューブ１３の壁部内開口部２２を介して圧力容器１２に連通されている。
【００１３】
以上簡単に説明したボイラのより詳細な構造および機能は、それ自体は公知であるので、ここではこれ以上は説明されない。従って、適宜な装置（図示せず）を設けて炉１１周りのダクト２３内に水を連続して循環させることにより、熱が炉から、この炉の壁部を通して圧力容器１２内の水へ伝達される、と説明すれば充分であろう。付加的な熱が、排気ガスチューブ１３内を流れる排気ガスから前記水に対して、排気ガスチューブの壁部を通る熱伝導および熱交換チューブ１６装置（これには、水が絶えず循環されている）の双方を介して伝達される。圧力容器１２内では上記熱伝達により蒸気が発生され、そしてこの蒸気は、適宜の装置（図示せず）を介して圧力容器から導出される。
【００１４】
熱交換チューブ１６には、図２、図３および図４に示すように、チューブ本体１７から正確に半径方向へ延在すると共に少なくともチューブ本体の大部分に亘って互いに同じ長さを有するピン１８を設けることができる。しかしながら、このピン１８の長さは、チューブ本体１７の下部部分では、図３に示すようにむしろチューブ本体の下端部へ向けて減少し、これにより、ピンが許容不能な高温度まで加熱されないようにすることができる。また所望によっては、チューブ本体１７の上部部分には増大した長さのピンを設けることができるが、この場合には、前記ピンはチューブ本体に溶接された後で屈曲される。このような増大された長さのピン１８′の１つが、図２に点線で示されている。
【００１５】
チューブ本体１７は、ピン１８と同様に炭素鋼から構成される。公知の方法では、チューブ本体１７は、このチューブ本体を所望の強度に設定するのに適し且つ好適には少なくとも約０．１％の炭素含有量を有する材料から構成されている。従来技術においては、ピン１８もまた、少なくとも約０．１％の炭素含有量を有する一般工業品質の炭素鋼、すなわち、チューブ本体を構成する材料とほぼ同じ炭素含有量を有する材料から構成されていた。しかるに、本発明においては、ピン１８は、チューブ本体１７を構成する材料より実質的に低い炭素含有量を有する材料から構成されなければならない。この結果、ピン１８とチューブ本体１７間の溶接接合部或いは前記ピンの隣接部分における、従来からの亀裂形成のリスクが可なり減少されることができる。また更に、ピン１８の熱効率が改善されることにより、各熱交換チューブ１６の全体的熱伝達効率が全般的に増大される。
【００１６】
ピン１８を構成する材料は、好適には約０．０５％未満の炭素含有量を有しなければならない。しかしながら、若しピンが、図２におけるピン１８′に関して説明したようにチューブ本体に溶接された後で冷間屈曲される場合には、これらのピンは、好適には僅かに約０．０３％だけの炭素含有量を有する材料から構成されなければならない。
【００１７】
本発明は、上述し且つ図１乃至図４に示す態様の熱交換チューブに限定されるものではなく、その他多くの態様の熱交換チューブに同様に適用されることができる。例えば、図５、図６および図７には、その他の用途に意図され且つ本発明が適用される熱交換チューブ１６′、１６″および１６″′がそれぞれ図示されている。
【００１８】
【発明の効果】
本発明に係る熱交換チューブは、極めて低い炭素含有量を有する鋼材をピンすなわち表面拡大要素に使用することにより、亀裂形成のリスクを減少するばかりでなく、低減された炭素含有量がピンの熱電導率を増大し、これによりピンの熱効率が改善され、ひいては熱交換チューブの全体的熱伝達効率を全般的に増大することができる。従って、円筒ボイラに実際に適用した実施例での熱交換チューブの熱伝達計数の計算によれば、０．１１％の炭素含有量を有する一般工業用ベースの炭素鋼からなるピンに代えて、僅かに約０．０３％だけの炭素含有量を有する特種鋼材からなるピンを使用することにより、前記係数を約４％増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る形式の複数の熱交換チューブを備えた円筒ボイラを示す部分断面図である。
【図２】前記１つの熱交換チューブの上部部分を示す拡大長手方向部分断面図である。
【図３】前記１つの熱交換チューブの下部部分を示す長手方向部分断面図である。
【図４】前記１つの熱交換チューブを示す横断面図である。
【図５】特種な用途のための変形態様に係る熱交換チューブを示す横断面図である。
【図６】特種な用途のための変形態様に係る熱交換チューブを示す横断面図である。
【図７】特種な用途のための変形態様に係る熱交換チューブを示す横断面図である。
【符号の説明】
１０ 円筒ボイラ
１１ 炉
１２ 圧力容器
１３ 排気ガスチューブ（煙道）
１４ 排気ガス溜り
１５ 排気ガス排出口
１６、１６′、１６″、１６″′ 熱交換チューブ
１７ チューブ本体
１８、１８′ ピン
１９ 入口導管
２０ 開口部
２１ 出口導管
２２ 開口部
２３ ダクト
Claims (3)
- チューブ本体（１７）とこのチューブ本体上に設けられた表面拡大要素からなる熱交換チューブ（１６）であって、この表面拡大要素は、チューブ本体の外側に溶着されてチューブ本体から外向きに延在する多数のピン（１８）から構成されており、前記チューブ本体と前記ピンとが共に炭素鋼から構成されている熱交換チューブ（１６）において、
ピン（１８）が、チューブ本体（１７）を構成する材料よりは実質的に低い炭素含有量を有する材料から構成されていることを特徴とする熱交換チューブ。 - ピン（１８）は、約０．０５％以下の炭素含有量を有する材料から構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換チューブ。
- ピン（１８）は、約０．０３％の炭素含有量を有する材料から構成されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換チューブ。
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