JP3939090B2 - Multi-tube heat exchanger - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第一流体が通過する内管(伝熱管)群と、第二流体が通過する外管(胴体)とを備え、複数本の伝熱管群が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板に保持させて配設されてなる多管式熱交換器に関する。特に、伝熱管群に高速の高温ガス(気体)を、胴体(外管)に冷却水(液体)を通過させて熱交換を行う熱交換器、例えば、内燃機関の排気ガスを冷却水により冷却する排気冷却器(高度の熱交換能が要求される)等に好適な発明である。
【0002】
【背景技術】
上記のごとく高度の熱交換が要求されるものには、図1・2に示すような多管式熱交換器12が多用されている。
【0003】
すなわち、第一流体(高温ガス)が通過する複数本の内管(伝熱管)14と、第二流体(冷却水)が通過する外管(胴体)16とを備え、複数本の伝熱管(伝熱管群)14、14…が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板18、20に保持させて配設されている。図例では、胴体16の内部に多数本の伝熱管群14、14…が、胴体16両端の導入側・排出側保持板(チューブシート)18、20を介して配設されている。胴体16の両端には円錐台状の導入側・排出側整流筒部(整流部)22、24を介してフランジ26a、28a付きの導入・排出口(接続パイプ)26、28を備えて、伝熱管群14、14…内を第一流体(高温ガス)が通過可能となっている。また、胴体16の上下には、導入・排出ノズル30、32を備え各伝熱管14の外側に第二流体(冷却水)が通過可能となっている。
【0004】
しかし、図1・2に示すような多管式熱交換器12は、熱交換効率を増大させようとして伝熱管14の数を増やすと、冷却水の流れ抵抗が大きくなったり、又は、ガス流速の低下とそれに伴う熱伝達率の低下等により、結果的に、熱交換効率の増大が図り難かった。
【0005】
また、上記多管式熱交換器12は、製造工数が嵩み、且つ、重量も増大傾向にあった。
【0006】
本発明者らは、上記にかんがみて、熱交換効率の増大が容易であり、且つ、製造工数を削減可能な多管式熱交換器を提供することを目的として、下記構成の多管式熱交換器を先に提案した(特願2000−061541号:出願時未公開)。
【0007】
「胴体の内部に複数本の伝熱管が配設されてなる多管式熱交換器において、 各伝熱管が、扁平断面の伝熱管本体と該伝熱管本体の長手方向の対向面間をつなぐ多数枚の伝熱フィンとからなることを特徴とする。」
本発明は、主として上記構成の多管式熱交換器の改良に係り、更なる製造工数の削減及び熱交換効率の増大が期待できる多管式熱交換器を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意開発に努力をした結果、下記構成の多管式熱交換器に想到した。
【0009】
第一流体が通過する内管(伝熱管)群と、第二流体が通過する外管(胴体)とを備え、複数本の伝熱管群が、それらの両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側・排出側保持板に保持させて配設されてなる多管式熱交換器において、
前記伝熱管が、扁平断面の伝熱管本体と該伝熱管本体の長手方向の対向面間をつなぐ、又は、該対向面の双方又は一方から突出する多数枚の伝熱フィンとからなり、前記伝熱フィンにより形成される伝熱管の各分割流路の壁面に、長手方向の所定間隔(所定ピッチ)で板状又は瘤状の突起部が形成されて、前記第一流体に渦流が発生可能とされていることを特徴とする。
【0011】
伝熱管の流路の壁面に所定ピッチで突起部が形成されていることにより、高速ガス等の第一流体が伝熱管を通過するに際して、渦流(縦渦流)が発生する。該渦流の存在により高速ガス等の第一流体がかく乱され相対的に熱伝達率(熱交換効率)が増大する。
【0012】
さらに、上記構成において、各伝熱管が、扁平管からなる伝熱管本体に、該伝熱管本体と別体の波板を挿入接合して伝熱フィンを形成した構成とするとともに、伝熱フィンの壁面の切り起こし(プレス抜き)又はスタンピングにより突起部が形成することが望ましい。波板をプレス加工等により製作する際に、同時に設計(仕様)に応じた任意形状の突起部を簡単に形成でき生産性が良好であるためである。
【0013】
突起部を板状とし、▲1▼その迎え角を20〜80°とすることが、▲2▼その高さ及び幅を流路高さ及び流路幅のそれぞれ0.1〜0.8倍とすることが、▲3▼その流れ方向ピッチを流路高さの1〜5倍とすることが、それぞれ、熱伝達率(熱交換効率)が増大して望ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図例に基づいて説明をする。既述例と対応する部分については、下二桁を同一数字として付した。
【0015】
図3・4に本実施形態を適用する多管式熱交換器112の一例を示す(前述の先願における図3・4から引用したものである。ただし、図符号は異なる。)。
【0016】
すなわち、両端に導入側・導出側保持板(チューブシート)118、120を備えた角筒胴体116内に、複数本の伝熱管114が固定管板118、120を介して配設されている。角筒胴体116の両端には四角錐台状の導入側・導出側整流筒部(整流部)122、124を介してフランジ126a、128a付きの第一流体導入口・排出口(接続パイプ)126、128を備えて、第一流体(高温ガス)が伝熱管群114、114…内を導通可能となっている。
【0017】
ここで、伝熱管114は、扁平管からなる伝熱管本体134と該伝熱管本体134の長手方向の対向面間をつなぐ波板からなる伝熱フィン136とからなる構成である。ここで、波板136は、図例では矩形波状であるが、三角山形波状、台形山形波状、半円形波状であってもよい。
【0018】
また、角筒胴体116の上下には、導入・排出側ノズル130、132を備え伝熱管114の外側に第二流体(冷却水)を導通可能となっている。
【0019】
なお、胴体を、図5(図3の4(5)−4(5)線部位に対応)に示す如く、円筒状胴体116Aとすることも可能であるが、角筒状の方が、前述の如く、部品の種類数を低減できる。すなわち、円筒状とした時、図例の如く、伝熱管として、幅の異なるもの114、114′、114′′を用意する必要がある。
【0020】
また、伝熱管の構成は、上記の如く、伝熱管本体と伝熱フィンとが別体でなくても、図6(a) 、(b) に示す如く、伝熱管本体134A、134Bの対向面の双方から又は一方から突出させて多数の伝熱フィン136A、136Bを形成させた伝熱管114A、114Bであってもよい。
【0021】
伝熱フィン136A、136Bを双方から突出させる場合は、略中央位置で必ずしも接合している必要はなく、図6(b) に示す如く、互い違いに突出していてもよく、さらには、隙間があってもよい。また、一方から突出させる場合は、通常、他方の対向面に当接させるが、成形性の見地から離隔させてもよい。
【0022】
これらの伝熱管は、一本の金属パイプから多段プレス加工や、図示しないが、一枚の板材(フープ材)からプレス加工やロールフォーミングにより順次形成する。
【0023】
さらに、各伝熱管は図例の如く、外形横断面が扁平断面でなくても、角パイプないし従来のような丸パイプであってもよい。角パイプの方が、後述の突起部を形成させるに際して、突起部を備えた帯板を挿入固定しやすくて望ましい。
【0024】
これらの場合は、パイプ内に所定ピッチで突起板ないし突起瘤を形成した薄帯板を、前述の伝熱フィンの場合と同様に固定すればよい。
【0025】
そして、上記構成において、本実施形態においては、伝熱管本体134と伝熱フィン136とで形成される分割流路137の壁面に長手方向(流れ方向)の所定間隔で突起部140を所定間隔で形成する(図7参照)。
【0026】
ここでは、図7は、説明の便宜上、分割流路が矩形断面(正方形)であり、突起部140を板状として、所定間隔で配置したものをモデル的に示したものである。
【0027】
突起部140は、通常、板状とするが、瘤状(半球状、角錐状、角柱状)であってもよい。板状とする場合は、切り起こし等により、瘤状とする場合は、スタンピング等によりそれぞれ形成する。切り起こしもスタンピングもプレス加工の範疇である。なお、板状とする場合、通常、図例の如く矩形とするが、台形、三角形状140B(図8(b) )、半円状等、平面形状は任意であり、更には、図8(a) に示す如く矢羽(カウンター)状に一対づつ140A、14OA配置させてもよい。すなわち、高温ガス等の流れに渦流を発生させて(ガスかく乱を発生させて)、伝熱率(熱交換効率)の向上に寄与すれば任意である。
【0028】
また突起部140は、図例では、波板の溝底部側ばかりでなく、側面でもよいが、加工上制限を受ける。通常、突起部140は、波板の波底部側から切り起こして形成するためである。
【0029】
そして、突起を矩形板状(突起板)としたとき、突起板の形態特性(▲1▼傾斜角、▲2▼迎え角、▲3▼高さ、▲4▼ピッチ)がそれぞれ下記範囲において、突起による伝熱率改善効果を奏することを、実験シミュレーションにより確認している(図9〜12参照)。
【0030】
なお、各形態要素は、図7の(a) 突起板迎え角α及び突起間ピッチp、(b) 突起板傾斜角β及び突起板高さh、(c) 突起板高さh及び流路高さHを、それぞれ示している。なお、積分平均熱伝達率(全周壁面における)は、傾斜角:90°、迎え角:45°、流路形状:4mm×4mm×220mmL、突起形状:1.5mm×1.5mm×0.5mmtを基準として、それぞれ各形態特性を振って、ガス流量:20g/s、ガス温度:400°の条件でシミュレーションしたものである。そして、各グラフにおける熱伝達率比(縦軸)は、上記条件において突起板がない場合における熱伝達率を1.0として表示してある。
【0031】
シミュレーション結果を示す図9〜12から下記のことが分かる。
【0032】
▲1▼図9:突起板傾斜角は、30〜90°の範囲で、ほとんど伝熱率に影響はないため、製作上の見地からは略90°でもよいが、伝熱率をわずかでも改善したい場合は、45〜75°の範囲とする。
【0033】
▲2▼図10:突起板迎え角は、45°が一番望ましい。すなわち、迎え角が小さい程渦流が発生し易いが、圧力損失(流れ抵抗)が増大するためである(渦流発生と圧力損失のバランスからである。)。したがって、20〜70°、望ましくは30°〜60°の範囲で、流体の特性(流速、粘度等)、及び、突起板の形状に応じて、適宜決めることができる。なお、迎え角のシミュレーション結果は、45°以上を示していないが、45°を越えると、対称的に熱伝達率が漸減するものと推定される。
【0034】
▲3▼図11:突起板高さは、流路高さの0.1〜0.8、望ましくは0.2〜0.7、さらに望ましくは0.4〜0.6である。低過ぎると、渦流が発生し難く、高すぎると流れ抵抗の増大に対して、熱伝達率の上昇が僅かであるからである。
【0035】
▲4▼図12:突起板ピッチは、冷却性能を第1に考えた場合、流路幅の1.0〜2.0倍、望ましくは、1.5倍前後とする。余り、突起板ピッチが長すぎると、渦流れの減衰が顕著に発生するので冷却性能を効果的に上昇させ難くなる。ただし、突起板ピッチが上記のごとく短い場合、圧力損失の増大につながるので、冷却性能と圧力損失のバランスの面からピッチは決定される。なお、上記▲1▼〜▲3▼においても、冷却性能と圧力損失のバランスの面から、各数値範囲は決定される。
【0036】
さらに、本発明者らは、突起板を形成して流路、及び、図8(b) の形態(前述の基準形態に対して突起板の形状を内接三角形状に変えただけのもの)の流路について同様に、シミュレーション実験を行なった。その結果、図8(a) の形態は、突起が無い場合に対して概ね35%の熱伝達率向上、図8(b) の形態は、突起が無い場合に対して概ね53%の熱伝達率向上と、明らかに突起板を形成した場合、熱伝達率(熱交換率:高温ガス冷却効率)が向上することが分かる。
【0037】
次に、本実施形態の熱交換器の製造方法について、説明する。
【0038】
まず、図13に示す如く、伝熱管本体となる扁平管(図例では短冊断面)134と、伝熱フィンとなる金属製の波板136、及び、導入側・排出側保持板(チューブシート)118、120を用意する。ここで、扁平管134の断面は矩形筒状でも長円状であってもよい。また、波板136は、図例では、矩形波状であるが、三角山形波状、円形波状であってもよい。
【0039】
なお、扁平管(伝熱管本体)134、金属波板及び導入側・排出側保持板の各厚みは、使用材料及び耐用期間により異なるが、例えば、ステンレスの場合、前第一者:0.1〜1.0mm(望ましくは0.3〜0.8mm)、前第二者:0.01〜0.8mm(望ましくは0.05〜0.5mm)、後者:0.5〜3mm(望ましくは1〜2mm)とする。
【0040】
上記波板136の調製方法は、特に限定されず、慣用の方法で調製できる。例えば、引き抜きや、波型のダイ上を歯車状ポンチを転がしてコルゲーティング成形(プレス加工)してもよい。
【0041】
そして、この波板136の製作時(プレス加工)に、同時に、突起板140をプレス加工等により形成でき波板の製作工数が、突起板140を形成しない場合に比してほとんど増大しない。
【0042】
次に、波板136の各頂部に蝋材を付着させた状態で扁平管134に挿入した後、扁平管134を圧縮成形して波板136を仮固定して、蝋付け用加熱炉を通して各伝熱管114を調製する。なお、扁平管134(伝熱管114)の導入側端は、ろう付けクリアランスを調整すると共に、ろう付け長さを広くできることから、フレア加工して導入側保持板118に対する接合部強度を増大させておくことが望ましい。
【0043】
次に、上記実施形態における、各伝熱管114を挿入側・排出側保持板118、120に形成された伝熱管保持穴118a、120aに挿入・接合して伝熱管ユニット138を調製する。このときの接合の形態は、通常、ろう付け(ろう説)とする。このとき、使用するロウ材は、例えば、熱交換器の材質をステンレスとする場合、通常、銅ロウ又はニッケルロウを使用する。ロウ付け時の加熱・冷却条件は、ロウ材の種類及び熱容量を考慮して設定する。
【0044】
こうして調製した伝熱管ユニット138の導入側・排出側保持板118、120の外周にロウ材を塗布した後、胴体を形成する角筒体116に部分挿入後、整流部118を形成する角錐台筒の大径側に挿入し、また、他方、フランジ126a、128aが一体化された導入口・排出口(接続パイプ)126、128を小径側に挿入して、それぞれ接合(本固定)する。
【0045】
これらの接合(本固定)手段は、酸化劣化が少なく接合強度も確保し易いTIG溶接やレーザ溶接が望ましいが、他のアーク溶接や、抵抗溶接、さらには、耐熱性接着剤による接合であってもよい。
【0046】
なお、上記において、胴体(外管)116を半割にして後付けすることも可能である。この場合は、胴体116以外の部分を前記抵抗溶接/ロウ接等により一体化した後、別工程で抵抗溶接で胴体116を一体化する。このため、製造工数は、嵩むが、ロウ接熱効率及びロウ接後における表面側と内側との冷却速度の格差に基づく金属割れの問題が発生し難く望ましい。
【0047】
以上の説明では、ストレート状の伝熱管(内管)群に高速の高温ガス(気体)を、胴体(外管)に冷却水(液体)を通過させて熱交換を行う熱交換器を例に採ったが、第一流体と第二流体の組み合わせは熱交換可能な温度差さえあれば任意である。なお、熱交換器に通過させる自動車の排気ガスは、通常、ガス流速:0〜50m/s、ガス温度:120〜700℃である。
【0048】
しかし、通常、第一流体(内管通過)と第二流体(外管通過)の選択は、下記基準に基づいて行なうことが望ましい。(化学工学協会編「化学工学辞典」(昭和49年5月30日)丸善、p365〜366参照)
内管(管内)を通すべき流体:腐食性流体、管壁の汚れの大きい流体、高圧流体、特殊材質を要求するような高温流体。
【0049】
外管(管外)を通すべき流体:流量の小なる流体、粘度の大なる流体、許容圧力損失の小なる流体。
【0050】
また、伝熱管群は、途中でベンデング(屈曲)していても、さらには、U字形に屈曲して同一側に両端が位置しているものにも本発明は適用可能である。
【0051】
当然、整流部(整流室)を一端のみに設け仕切り板で仕切って導入・導出口が同一側にある熱交換器等、あらゆる形式の多管式熱交換器に、本発明は適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の多管式熱交換器の一例を示す縦断面図
【図2】図1の2−2線矢視断面図
【図3】本発明の一実施形態と適用する多管式熱交換器の一例を示す縦断面図
【図4】図3の4(5)−4(5)線部位における一形態の横断面図
【図5】同じく他の形態における横断面図
【図6】本発明を適用可能なパイプ材から形成する一体成形伝熱管の各形態を示す横断面図
【図7】突起板を形成した伝熱管流路の説明用モデル図及び突起板の各形態要素を表示するモデル図
【図8】突起板の他の配置形態(a) 及び他の形状(b) の各例を示すモデル図
【図9】シミュレーション実験における熱伝達率に対する突起板傾斜角の影響を示すグラフ図
【図10】同じく熱伝達率に対する突起板迎え角の影響を示すグラフ図
【図11】同じく熱伝達率に対する突起板高さの影響を示すグラフ図
【図12】同じく熱伝達率に対する突起板ピッチの影響を示すグラフ図
【図13】本発明を適用する多管式熱交換器における伝熱管ユニットの製造工程図
【符号の説明】
12、112 多管式熱交換器
14、114 伝熱管
16、116 外管(胴体)
18、118 導入側保持板
20、120 排出側保持板
22、122 導入側整流筒部
24、124 排出側整流筒部
26、126 導入口(接続パイプ)
28、128 排出口(接続パイプ)
134 扁平管(伝熱管本体)
136 波板(伝熱フィン)
137 分割流路(高温ガス流路)
138 伝熱管ユニット
140 突起部(突起板)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention includes an inner tube (heat transfer tube) group through which a first fluid passes and an outer tube (fuselage) through which a second fluid passes, and a plurality of heat transfer tube groups introduce the first fluid at both ends thereof. The present invention relates to a multi-tubular heat exchanger that is disposed while being held by an introduction side / discharge side holding plate respectively positioned on the side and the first fluid discharge side. In particular, heat exchangers that exchange heat by passing high-speed high-temperature gas (gas) through the heat transfer tube group and cooling water (liquid) through the body (outer tube), for example, cooling the exhaust gas of an internal combustion engine with cooling water It is an invention suitable for an exhaust cooler (which requires a high degree of heat exchange capability).
[0002]
[Background]
As described above, a
[0003]
In other words, a plurality of inner pipes (heat transfer pipes) 14 through which the first fluid (hot gas) passes and an outer pipe (fuselage) 16 through which the second fluid (cooling water) passes are provided. .. (Heat transfer tube group) 14, 14... Are disposed with their both ends held by the introduction side / discharge
[0004]
However, when the number of
[0005]
Further, the
[0006]
In view of the above, the inventors of the present invention have provided a multi-tube heat exchanger having the following configuration in order to provide a multi-tube heat exchanger that can easily increase the heat exchange efficiency and can reduce the number of manufacturing steps. An exchange was previously proposed (Japanese Patent Application No. 2000-061541: unpublished at the time of filing).
[0007]
“In a multi-tube heat exchanger in which a plurality of heat transfer tubes are arranged inside the fuselage, each heat transfer tube is connected between the heat transfer tube main body having a flat cross section and the opposing surfaces in the longitudinal direction of the heat transfer tube main body. It consists of a single heat transfer fin. "
The present invention mainly relates to an improvement of a multi-tube heat exchanger having the above-described configuration, and an object of the present invention is to provide a multi-tube heat exchanger that can be expected to further reduce manufacturing steps and increase heat exchange efficiency. is there.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent efforts to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conceived a multitubular heat exchanger having the following configuration.
[0009]
An inner tube (heat transfer tube) group through which the first fluid passes and an outer tube (fuselage) through which the second fluid passes, and a plurality of heat transfer tube groups are connected to the first fluid introduction side and the first In the multi-tube heat exchanger that is arranged to be held by the introduction side / discharge side holding plate respectively positioned on the fluid discharge side,
The heat transfer tube is composed of a heat transfer tube main body having a flat cross section and a plurality of heat transfer fins connecting between the opposing surfaces in the longitudinal direction of the heat transfer tube main body or projecting from both or one of the opposing surfaces. Plate-like or knob-like protrusions are formed at predetermined intervals (predetermined pitches) in the longitudinal direction on the wall surfaces of the respective divided flow paths of the heat transfer tubes formed by the heat fins , and eddy currents can be generated in the first fluid. It is characterized by being.
[0011]
Since the protrusions are formed at a predetermined pitch on the wall surface of the flow path of the heat transfer tube, a vortex flow (longitudinal vortex flow) is generated when the first fluid such as high-speed gas passes through the heat transfer tube. Due to the presence of the vortex, the first fluid such as high-speed gas is disturbed, and the heat transfer coefficient (heat exchange efficiency) is relatively increased.
[0012]
Further, in the above configuration, each heat transfer tube has a structure in which a heat transfer fin is formed by inserting and joining a corrugated plate separate from the heat transfer tube main body to a heat transfer tube main body formed of a flat tube, It is desirable that the protrusions be formed by cutting (pressing out) or stamping the wall surface. This is because, when the corrugated plate is manufactured by press working or the like, a protrusion having an arbitrary shape according to the design (specification) can be easily formed at the same time, and the productivity is good.
[0013]
The protrusion is plate-shaped, and (1) the angle of attack is 20 to 80 °. (2) The height and width are 0.1 to 0.8 times the channel height and channel width, respectively. (3) It is desirable that the pitch in the flow direction is 1 to 5 times the height of the flow path in order to increase the heat transfer coefficient (heat exchange efficiency).
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. About the part corresponding to the above-mentioned example, the last two digits were attached | subjected as the same number.
[0015]
FIGS. 3 and 4 show an example of the
[0016]
That is, a plurality of
[0017]
Here, the
[0018]
In addition, the inlet /
[0019]
As shown in FIG. 5 (corresponding to the portion 4 (5) -4 (5) in FIG. 3), the body can be a
[0020]
In addition, as described above, the heat transfer tube is configured so that the heat transfer tube
[0021]
When the
[0022]
These heat transfer tubes are sequentially formed from a single metal pipe by multi-stage pressing or, although not shown, from a single plate material (hoop material) by pressing or roll forming.
[0023]
Further, each heat transfer tube may be a square pipe or a conventional round pipe as shown in the figure, even if the outer cross section is not a flat cross section. The square pipe is desirable because it is easier to insert and fix the band plate provided with the protrusion when forming the protrusion described later.
[0024]
In these cases, it is only necessary to fix a thin strip plate in which a projection plate or a protrusion is formed at a predetermined pitch in the pipe in the same manner as in the case of the heat transfer fin described above.
[0025]
In the above configuration, in the present embodiment, the
[0026]
Here, for convenience of explanation, FIG. 7 shows a model in which the divided flow path has a rectangular cross section (square), and the
[0027]
The
[0028]
Further, in the illustrated example, the
[0029]
And, when the projection is a rectangular plate shape (projection plate), the shape characteristics ((1) inclination angle, (2) angle of attack, (3) height, (4) pitch) of the projection plate are within the following ranges respectively. It has been confirmed by an experimental simulation that the heat transfer rate is improved by the protrusions (see FIGS. 9 to 12).
[0030]
In addition, each form element is shown in FIG. 7 (a) projection plate attack angle α and projection pitch p, (b) projection plate inclination angle β and projection plate height h, (c) projection plate height h and flow path. The height H is shown respectively. The integral average heat transfer coefficient (on the entire peripheral wall surface) is as follows: inclination angle: 90 °, angle of attack: 45 °, channel shape: 4 mm × 4 mm × 220 mmL, protrusion shape: 1.5 mm × 1.5 mm × 0. The simulation was performed under the conditions of gas flow rate: 20 g / s and gas temperature: 400 °, with each form characteristic varied with 5 mmt as a reference. The heat transfer coefficient ratio (vertical axis) in each graph is displayed with 1.0 as the heat transfer coefficient when there is no protruding plate under the above conditions.
[0031]
The following can be understood from FIGS.
[0032]
(1) Fig. 9: Projection plate inclination angle is in the range of 30 to 90 °, and there is almost no effect on the heat transfer rate, so it may be about 90 ° from a manufacturing standpoint, but the heat transfer rate is slightly improved. If it is desired, the range is 45 to 75 °.
[0033]
(2) FIG. 10: The projection plate angle of attack is most preferably 45 °. That is, the smaller the angle of attack, the easier the vortex to occur, but the pressure loss (flow resistance) increases (because of the balance between vortex generation and pressure loss). Therefore, it can be appropriately determined in the range of 20 to 70 °, preferably 30 ° to 60 °, according to the characteristics of the fluid (flow velocity, viscosity, etc.) and the shape of the protruding plate. In addition, although the simulation result of the angle of attack does not indicate 45 ° or more, when it exceeds 45 °, it is estimated that the heat transfer coefficient gradually decreases in a symmetrical manner.
[0034]
(3) FIG. 11: The height of the protruding plate is 0.1 to 0.8, preferably 0.2 to 0.7, more preferably 0.4 to 0.6 of the flow path height. If it is too low, it is difficult for eddy currents to be generated, and if it is too high, the heat transfer coefficient is only slightly increased against the increase in flow resistance.
[0035]
(4) FIG. 12: The projection plate pitch is 1.0 to 2.0 times the flow path width, preferably about 1.5 times, when the cooling performance is considered first. If the protruding plate pitch is too long, the vortex flow is significantly attenuated, and it is difficult to effectively increase the cooling performance. However, when the protrusion plate pitch is short as described above, the pressure loss is increased. Therefore, the pitch is determined in terms of the balance between the cooling performance and the pressure loss. In the above (1) to (3), each numerical range is determined from the viewpoint of the balance between the cooling performance and the pressure loss.
[0036]
Furthermore, the present inventors have formed a protruding plate to form the flow path and the form of FIG. 8 (b) (only the protruding plate is changed to an inscribed triangle shape with respect to the above-described reference shape). Similarly, a simulation experiment was performed on the flow paths. As a result, the form of FIG. 8 (a) improves the heat transfer rate by about 35% with respect to the case without protrusions, and the form of FIG. 8 (b) has a heat transfer of about 53% with respect to cases without protrusions. It can be seen that the heat transfer rate (heat exchange rate: high-temperature gas cooling efficiency) is improved when the rate plate is improved and the protruding plate is clearly formed.
[0037]
Next, the manufacturing method of the heat exchanger of this embodiment is demonstrated.
[0038]
First, as shown in FIG. 13, a flat tube (a strip cross section in the illustrated example) 134 serving as a heat transfer tube main body, a metal corrugated
[0039]
The thicknesses of the flat tube (heat transfer tube main body) 134, the metal corrugated plate, and the introduction side / discharge side holding plate vary depending on the material used and the service life. For example, in the case of stainless steel, the former first party: 0.1 -1.0 mm (preferably 0.3-0.8 mm), former second: 0.01-0.8 mm (preferably 0.05-0.5 mm), latter: 0.5-3 mm (preferably 1 to 2 mm).
[0040]
The method for preparing the
[0041]
When the
[0042]
Next, after being inserted into the
[0043]
Next, the heat
[0044]
After the brazing material is applied to the outer periphery of the introduction side / discharge
[0045]
These joining (main fixing) means are preferably TIG welding or laser welding which is easy to secure joining strength with little oxidation deterioration, but other arc welding, resistance welding, and further joining with a heat resistant adhesive. Also good.
[0046]
In the above, the body (outer tube) 116 can be halved and retrofitted. In this case, after the parts other than the
[0047]
In the above description, a heat exchanger that performs heat exchange by passing high-speed high-temperature gas (gas) through a group of straight heat transfer tubes (inner tubes) and cooling water (liquid) through a body (outer tube) is taken as an example. The combination of the first fluid and the second fluid is arbitrary as long as there is a temperature difference capable of heat exchange. In addition, the exhaust gas of the automobile passed through the heat exchanger is usually gas flow rate: 0 to 50 m / s, and gas temperature: 120 to 700 ° C.
[0048]
However, it is usually desirable to select the first fluid (passing through the inner tube) and the second fluid (passing through the outer tube) based on the following criteria. (See Chemical Engineering Association, “Chemical Engineering Dictionary” (May 30, 1974) Maruzen, p. 365-366)
Fluid that should be passed through the inner pipe (pipe): Corrosive fluid, fluid with large dirt on the pipe wall, high-pressure fluid, and high-temperature fluid that requires special materials.
[0049]
Fluid to be passed through the outer tube (outside the tube): Fluid with a small flow rate, fluid with a large viscosity, fluid with a small allowable pressure loss.
[0050]
Moreover, even if the heat transfer tube group is bent (bent) in the middle, the present invention can also be applied to a tube bent in a U shape and having both ends positioned on the same side.
[0051]
Naturally, the present invention can be applied to all types of multi-tubular heat exchangers such as a heat exchanger in which a rectifying section (rectifying chamber) is provided only at one end and partitioned by a partition plate and the inlet / outlet port is on the same side. is there.
[Brief description of the drawings]
1 is a longitudinal sectional view showing an example of a conventional multi-tube heat exchanger. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 in FIG. 1. FIG. 3 is a multi-tube type applied to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view showing an example of a heat exchanger. FIG. 4 is a cross-sectional view of one embodiment taken along the line 4 (5) -4 (5) in FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing each form of an integrally formed heat transfer tube formed from a pipe material to which the present invention can be applied. FIG. 7 is a model diagram for explaining a heat transfer tube flow path formed with a projection plate and each form element of the projection plate. Model diagram to be displayed [Fig. 8] Model diagram showing examples of other arrangements of projection plate (a) and other shapes (b) [Fig. 9] Effect of projection plate inclination angle on heat transfer coefficient in simulation experiment FIG. 10 is a graph showing the influence of the angle of attack of the projection plate on the heat transfer coefficient. FIG. 11 is also the heat transfer coefficient. FIG. 12 is a graph showing the influence of the protrusion plate pitch on the heat transfer coefficient. FIG. 13 is a manufacturing process of the heat transfer tube unit in the multi-tube heat exchanger to which the present invention is applied. Figure [Explanation of symbols]
12, 112
18, 118 Inlet
28, 128 outlet (connection pipe)
134 Flat tube (heat transfer tube body)
136 Corrugated sheet (heat transfer fin)
137 Split channel (hot gas channel)
138 Heat
Claims (7)
前記伝熱管が、扁平断面の伝熱管本体と該伝熱管本体の長手方向の対向面間をつなぐ、又は、該対向面の双方又は一方から突出する多数枚の伝熱フィンとからなり、前記伝熱フィンにより形成される伝熱管の各分割流路の壁面に、長手方向の所定間隔(所定ピッチ)で板状又は瘤状の突起部が形成されて、前記第一流体に渦流が発生可能とされていることを特徴とする多管式熱交換器。An inner tube (heat transfer tube) group through which the first fluid passes and an outer tube (fuselage) through which the second fluid passes, and a plurality of heat transfer tube groups are connected to the first fluid introduction side and the first In the multi-tube heat exchanger that is arranged to be held by the introduction side / discharge side holding plate respectively positioned on the fluid discharge side,
The heat transfer tube is composed of a heat transfer tube main body having a flat cross section and a plurality of heat transfer fins connecting between the opposing surfaces in the longitudinal direction of the heat transfer tube main body or projecting from both or one of the opposing surfaces. Plate-like or knob-like protrusions are formed at predetermined intervals (predetermined pitches) in the longitudinal direction on the wall surfaces of the respective divided flow paths of the heat transfer tubes formed by the heat fins, and eddy currents can be generated in the first fluid. A multi-tube heat exchanger characterized by being made .
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