JP5829597B2 - フィンチューブ式熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収ボイラ（Heat Recovery Steam Generator：HRSG）等に備わるフィンチューブ式熱交換装置等に関する。

排熱回収ボイラ等に使用される熱交換器は、従来のボイラに比べてガス温度が低く、熱回収は接触伝熱に期待せざるを得なく、熱伝導効率の良いフィンチューブ型熱交換器が多く使用されている。フィンチューブ型熱交換器は、伝熱管の外周面に板状フィンを直立させて表面積を増大させたフィンチューブが複数本、それぞれ平行となるように、Ｕ字管を介して直列に接続させて、鉛直方向に多段に配列させることにより構成される。そして、伝熱管の内部を流通する冷媒と、フィン間を流れる高温ガスとの間で熱交換が行なわれる。

また、各フィンチューブは、フィンチューブの外径と略同じ大きさの孔部が形成された多孔板により、各フィンチューブが平行に配列するように鉛直方向に支持されている。フィンチューブを安定させて支持するために、フィンチューブが挿通される孔部の下側に、半円状の切り欠きを有する帯板を介して、フィンチューブを支持する支持部材が特許文献１に開示されている。

特開昭６０−１５９５９４号公報

フィンチューブ型熱交換器として、フィンの表面積を増大させて熱伝導率を向上させ、かつ装置のコンパクト化を実現するために、HRSGでは、セレーション（鋸歯状切欠き）形状のセレートフィンチューブが使用されることが多い。しかしながら、HRSGの過熱器、再熱器に使用されるフィンチューブは、高温環境下で使用されているため、起動停止時に熱延びが発生して、多孔板に対して軸方向に移動することがある。それによって、セレートフィンが多孔板の孔部との摩擦力により、セレートフィンの根元に局所的に応力が働いて、セレートフィンの折損が多数発生し、熱伝導効率が低減することが問題となっている。特に、フィンチューブの下側外周面に設けられているセレートフィンは、フィンチューブの自重等の影響により折損し易いので、フィンチューブ本体と多孔板が直接接して、フィンチューブ本体が摩耗により減肉して蒸気漏れすることが懸念される。

本発明は、従来のフィンチューブ式熱交換装置が有する上記課題に鑑みてなされたものであり、起動停止時にフィン根元に働く応力を低減してフィン折損を防止することの可能な、新規かつ改良されたフィンチューブ式熱交換装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、伝熱管の外周面に複数のセレートフィンを並列させたセレートフィンチューブと、前記セレートフィンチューブが挿通される孔部が形成され、前記セレートフィンチューブを支持する多孔板とを備えたフィンチューブ式熱交換装置であって、前記セレートフィンチューブの外周面の略下側半分と前記孔部との間には、スリーブ部材が介在し、前記スリーブ部材は、前記セレートフィンチューブの軸方向の両端側にそれぞれ設けられ、前記外周面の略下側半分と前記孔部との間に介在するスペーサと、前記スペーサを前記軸方向に延在するように接続する接続部材と、前記スペーサを前記セレートフィンチューブに挟持するために前記スペーサの端部に形成される挟持部と、前記セレートフィンチューブの外周面を露出させる露出空間と、を備え、前記スリーブ部材は、前記多孔板より前記伝熱管に熱膨張率が近い材質で一体成形されることを特徴とするフィンチューブ式熱交換装置に関係する。

本発明の一態様によれば、起動停止時等にセレートフィンチューブが熱延びした際に、セレートフィンが多孔板の孔部と接触しないようになるので、セレートフィンの根元に働く応力を低減することができる。

このとき、本発明の一態様では、前記接続部材は、前記軸方向に対する両側が前記露出空間となるように、前記外周面の略下側半分の中心線上に設けられることとしてもよい。

このようにすれば、セレートフィンチューブの熱伝導率を低減させずに、セレートフィンチューブが熱延びした際のセレートフィンの根元に働く応力を低減することができる。

また、本発明の一態様では、前記接続部材は、前記スペーサのそれぞれを接続する第１接続部材と第２接続部材から構成され、前記第１接続部材と前記第２接続部材は、前記外周面の略下側半分が前記露出空間となるように、間隔を空けて設けられることとしてもよい。

このようにすれば、鉛直方向下側から高温ガスが流れる場合に、セレートフィンチューブの熱伝導率を低減させずに、セレートフィンチューブが熱延びした際のセレートフィンの根元に働く応力を低減することができる。

また、本発明の一態様では、前記スリーブ部材は、摺動性及び耐磨耗性を有する材質で形成されることとしてもよい。

このようにすれば、セレートフィンチューブが熱延びした際に、多孔板に対してスリーブ部材が摺動した場合のスリーブ部材の磨耗を低減することができる。

以上説明したように本発明によれば、セレートフィンチューブの外周面と多孔板に形成された孔部との間にスリーブ部材を介在させたので、起動停止時等にセレートフィンチューブが熱延びした際に、セレートフィンの根元に働く応力を低減することができる。これによって、セレートフィン折損によるセレートフィンチューブの熱伝導率低減のリスクを軽減するので、フィンチューブ式熱交換装置の熱交換率の低減を防止できる。

本発明のフィンチューブ式熱交換装置の第１の実施形態の概略構成図である。 同実施形態のフィンチューブ式熱交換装置に備わるセレートフィンチューブの斜視図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は図３（ａ）の破線部に囲まれた要部拡大図である。 図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。 同実施形態のフィンチューブ式熱交換装置に備わるスリーブ部材の斜視図である。 同実施形態のスリーブ部材をセレートフィンチューブに取り付けた状態の斜視図である。 同実施形態のスリーブ部材を介在させたことによる作用・効果を示すグラフである。 本発明のフィンチューブ式熱交換装置の第２の実施形態におけるスリーブ部材の斜視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（第１の実施形態）
まず、本発明のフィンチューブ式熱交換装置の第１の実施形態の構成について、図面を用いながら説明する。図１は、本発明のフィンチューブ式熱交換装置の第１の実施形態の概略構成図であり、図２は、本実施形態のフィンチューブ式熱交換装置に備わるセレートフィンチューブの斜視図である。また、図３（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の破線部に囲まれた要部の拡大図であり、図４は、図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。

本実施形態のフィンチューブ式熱交換装置１００は、排熱回収ボイラ（HRSG）等のボイラ１０に設けられ、図１に示すように、伝熱管となるセレートフィンチューブ１０２がＵ字管１０４を介して接続されて、複数列、多数段に配列した構成となっている。セレートフィンチューブ１０２は、ＳＵＳ等で形成され、図２に示すように、内部に水等の流体が流れる管路１０２ａの外周面側に複数のセレートフィン１０２ｂを並列させたセレーション形状の伝熱管である。セレートフィンチューブ１０２は、管路１０２ａの内部に水等の流体が流れ、ボイラ１０中に流れる高温の排ガスにより、内部に流れる水が加熱されて蒸気となり、その蒸気が不図示の蒸気タービン等の他系統に送られる。このようにして、セレートフィンチューブ１０２の内部を流通する水と、セレートフィン１０２ｂ間を流れる高温ガスとの間で熱交換が行なわれる。なお、以下の説明では、ボイラ１０に流れる排ガスが鉛直方向下側から上側に流れる場合について説明しているが、本実施形態のフィンチューブ式熱交換装置１００は、排ガスの流れが他の方向（左右）に流れる場合にも適用できる。

セレートフィンチューブ１０２は、多孔板１０６により、各セレートフィンチューブ１０２が略平行となるように複数列、多数段に配列するように支持されている。多孔板１０６は、クロムモリブデン鋼（ＣｒＭｏ）等により形成され、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、セレートフィンチューブ１０２の外径より幾分大きい内径を有する孔部１０８が形成されている。そして、多孔板１０６は、各孔部１０８にセレートフィンチューブ１０２を挿通し、それぞれが略平行となるように支持している。なお、多孔板１０６は、本実施形態の形状に限定されず、セレートフィンチューブ１０２が複数列、多数段に支持される構成となっていれば、例えば、セレートフィンチューブ１０２を挿通させて支持することが可能な切欠等が設けられるような構成としてもよい。

本実施形態では、図３（ｂ）及び図４に示すように、セレートフィンチューブ１０２の外周面１０２ｃの略下側半分と孔部１０８との間には、スリーブ部材１１０が介在することを特徴とする。すなわち、起動停止時等にセレートフィンチューブ１０２が熱延びした際に、セレートフィン１０２ｂが多孔板１０６の孔部１０８と接触しない構成となっている。具体的には、スリーブ部材１１０は、図４に示すように、多孔板１０６の幅よりも幾分長さが大きい構成で、セレートフィンチューブ１０２の外周面１０２ｃの略下側半分と多孔板１０６の孔部１０８との間に介在している。なお、本明細書中における「セレートフィンチューブの外周面」とは、セレートフィン１０２ｂの先端側によって構成されるセレートフィンチューブ１０２の外周側面領域を指すものとする。また、「セレートフィンチューブの外周面の略下側半分」とは、水平方向に延在しているセレートフィンチューブの外周面うち、鉛直方向に対して略下側半分側の領域を指すものとする。

次に、スリーブ部材１１０の構成について、図面を使用しながら説明する。図５は、本実施形態のスリーブ部材の斜視図であり、図６は、本実施形態のスリーブ部材がセレートフィンチューブに設置した状態の斜視図である。なお、図５、図６においては、説明の便宜上、セレートフィンチューブ１０２の外周面の略下側半分側が上向きとなるように、スリーブ部材を図示している。

スリーブ部材１１０は、図５に示すように、スペーサ１１２と、接続部材１１４が略Ｉ字形状となるようにＳＵＳ等で一体成形されている。スペーサ１１２は、セレートフィンチューブ１０２の軸方向の両端側にそれぞれ設けられ、セレートフィン１０２ｂと孔部１０８が直接接触しないように、セレートフィンチューブ１０２の外周面１０２ｃの略下側半分と孔部１０８との間に介在する。このようにスペーサ１１２を設けることによって、セレートフィン１０２ｂの根元１０２ｄ（図３（ｂ）、図６参照）に作用する応力を緩和させ、セレートフィン１０２ｂの折損を防止することができる。

スペーサ１１２は、セレートフィンチューブ１０２の軸方向に延在するように、接続部材１１４で接続されている。また、スペーサ１１２の端部には、スペーサ１１２をセレートフィンチューブ１０２に挟持するための挟持部１１６が形成されている。このような構成とすることにより、起動停止時等にセレートフィンチューブ１０２が熱延びした際に、セレートフィンチューブ１０２の熱延びと連動して、スリーブ部材１１０が移動できるようになる。このため、セレートフィン１０２ｂが多孔板１０６の孔部１０８と直接接触しないようになるので、セレートフィンの曲りが少なくなり、セレートフィン１０２ｂの根元１０２ｄに働く応力を低減し、セレートフィン折損によるセレートフィンチューブ１０２の熱伝導率の低減を防止できる。

また、スリーブ部材１１０がセレートフィンチューブ１０２の外周面１０２ｃを覆う面積が大きいと、排ガスのセレートフィンチューブ１０２への熱伝達率が著しく低下する。このため、本実施形態では、セレートフィンチューブ１０２の外周面１０２ｃを露出させるための露出空間１１８がスリーブ部材１１０に設けられている。本実施形態では、接続部材１１４の軸方向に対する両側が露出空間１１８となるように、接続部材１１４がセレートフィンチューブ１０２の外周面１０２ｃの略下側半分の中心線上に設けられる。このように、露出空間１１８を設けることによって、セレートフィンチューブ１０２の熱伝導率を低減させずに、セレートフィンチューブ１０２が熱延びした際のセレートフィン１０２の根元１０２ｄに働く応力を低減することができる。なお、本明細書中における「セレートフィンチューブの外周面の略下側半分の中心線上」とは、水平方向に延在しているセレートフィンチューブの外周面の略下側半分側の領域の最下部側となる中央領域を指すものとする。

さらに、フィンチューブ式熱交換装置１００が起動停止時に、スリーブ部材１１０がセレートフィンチューブ１０２の熱延びと連動して移動できるようにするために、スリーブ部材１１０は、セレートフィンチューブ１０２と同材質のＳＵＳ等で形成されている。なお、スリーブ部材１１０の材質は、上記の作用・効果を奏するためには、セレートフィンチューブ１０２と同材質のＳＵＳ等に限定されず、多孔板１０６よりセレートフィンチューブ１０２に熱膨張率が近い材質で形成されていればよい。

また、セレートフィンチューブ１０２の熱延びや流体力による振動によって、スリーブ部材１１０が多孔板１０６に対して摺動して、スリーブ部材１１０が摩耗することが懸念されている。このため、スリーブ部材１１０の磨耗を低減するために、スリーブ部材１１０は、ＳＵＳ等の摺動性、及び耐摩耗性を有する材質で形成されることが好ましい。

次に、本実施形態のスリーブ部材を介在させたことによる作用・効果について、図面を使用しながら説明する。図７は、本実施形態のスリーブ部材を介在させたことによる作用・効果を示すグラフであり、使用材料のセレートフィンの根元に働く弾性応力範囲（縦軸）とセレートフィンの破損に至る繰返し数（横軸）との関係(疲労線図)を示す。

本実施形態のスリーブ部材をセレートフィンチューブの外周面と多孔板の孔部との間に介在させない場合には、実線Ａで示されるように、全般的に弾性応力範囲が高く、図７に示す破線Ｃと本材料の疲労線図となる実線Ａとの交わる点Ｄの寿命でセレートフィンが破損する。一方、本実施形態のスリーブ部材をセレートフィンチューブの外周面と多孔板の孔部との間に介在させる場合には、実線Ｂで示されるように、全般的にセレートフィン根元に作用する応力がかなり低減する。このため、セレートフィン根元に作用する応力では、セレートフィンが未破損のままであるか、又はセレートフィンが破損に至るまでにかなりの作用回数が必要となる。このように、セレートフィンチューブの外周面と多孔板に形成された孔部との間にスリーブ部材を介在させることによって、起動停止時等にセレートフィンチューブが熱延びした際に、セレートフィン根元に働く応力が低減され、セレートフィンの破損寿命が大幅に増加することがわかる。

（第２の実施形態）
次に、本発明のフィンチューブ式熱交換装置の第２の実施形態の構成について、図面を用いながら説明する。図８は、本発明のフィンチューブ式熱交換装置の第２の実施形態におけるスリーブ部材の斜視図である。

本実施形態では、第１の実施形態とスリーブ部材の形状が異なる。すなわち、本実施形態では、スリーブ部材２１０は、図８に示すように、軸方向の両端側に設けられるスペーサ２１２のそれぞれを接続する接続部材２１４が第１接続部材２１４ａと第２接続部材２１４ｂから構成される。そして、第１接続部材２１４ａと第２接続部材２１４ｂは、セレートフィンチューブ１０２の外周面１０２ｃの略下側半分が露出空間２１８となるように、間隔を空けて設けられていることを特徴とする。

また、第１の実施形態と同様に、スペーサ２１２は、セレートフィンチューブ１０２の軸方向の両端側にそれぞれ設けられ、セレートフィン１０２ｂと孔部１０８が直接接触しないように、セレートフィンチューブ１０２の外周面１０２ｃの略下側半分と孔部１０８との間に介在する。さらに、セレートフィンチューブ１０２が熱延びに連動して、スリーブ部材２１０が移動できるようにするために、スペーサ２１２の端部には、スペーサ２１２をセレートフィンチューブ１０２に挟持するための挟持部２１６が形成されている。

このようにすれば、ボイラ内に流れる高温排ガスが鉛直方向下側から流れる場合に、排ガスが最も当たるセレートフィンチューブ１０２の外周面１０２ｃの略下側半分の軸方向の中心線側に直接排ガスが当たるようになる。すなわち、第１の実施形態のスリーブ部材１１０では、排ガスが最も当たるセレートフィンチューブ下面にスリーブ部材１１０の接続部材１１４が設置されるため、熱伝達率が低下することが懸念される。

一方、本実施形態では、スリーブ部材２１０の接続部材２１４と多孔板１０６との接触位置をセレートフィンチューブ下面からずらした両サイドに設けることで、セレートフィンチューブの熱伝達率の低下を防止する構造としている。そして、第１の実施形態と同様に、起動停止時等にセレートフィンチューブ１０２が熱延びした際に、セレートフィン１０２ｂが多孔板１０６の孔部１０８と接触しないようになるので、セレートフィン１０２ｂの根元１０２ｄに働く応力を低減することができる。このため、セレートフィンチューブ１０２による熱伝導率を低減させずに、セレートフィンチューブ１０２が熱延びした際のセレートフィン１０２ｂの根元１０２ｄに働く応力を低減することができる。

なお、上記のように本発明の第１及び第２の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、フィンチューブ式熱交換装置の構成、動作も本発明の第１及び第２の実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０ ボイラ
１００ フィンチューブ式熱交換装置
１０２ セレートフィンチューブ
１０２ａ 管路
１０２ｂ セレートフィン
１０２ｃ 外周面
１０２ｄ 根元
１０４ Ｕ字管
１０６ 多孔板
１０８ 孔部
１１０、２１０ スリーブ部材
１１２、２１２ スペーサ
１１４、２１４ 接続部材
２１４ａ 第１接続部材
２１４ｂ 第２接続部材
１１６、２１６ 挟持部
１１８、２１８ 露出空間

Claims (4)

1. 伝熱管の外周面に複数のセレートフィンを並列させたセレートフィンチューブと、前記セレートフィンチューブが挿通される孔部が形成され、前記セレートフィンチューブを支持する多孔板とを備えたフィンチューブ式熱交換装置であって、
   前記セレートフィンチューブの外周面の略下側半分と前記孔部との間には、スリーブ部材が介在し、
   前記スリーブ部材は、
   前記セレートフィンチューブの軸方向の両端側にそれぞれ設けられ、前記外周面の略下側半分と前記孔部との間に介在するスペーサと、
   前記スペーサを前記軸方向に延在するように接続する接続部材と、
   前記スペーサを前記セレートフィンチューブに挟持するために前記スペーサの端部に形成される挟持部と、
   前記セレートフィンチューブの外周面を露出させる露出空間とを備え、
   前記スリーブ部材は、前記多孔板より前記伝熱管に熱膨張率が近い材質で一体成形されることを特徴とするフィンチューブ式熱交換装置。
2. 前記接続部材は、前記軸方向に対する両側が前記露出空間となるように、前記外周面の略下側半分の中心線上に設けられることを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ式熱交換装置。
3. 前記接続部材は、前記スペーサのそれぞれを接続する第１接続部材と第２接続部材から構成され、前記第１接続部材と前記第２接続部材は、前記外周面の略下側半分が前記露出空間となるように、間隔を空けて設けられることを特徴とする請求項１に記載のフィンチューブ式熱交換装置。
4. 前記スリーブ部材は、摺動性及び耐摩耗性を有する材質で形成されることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のフィンチューブ式熱交換装置。

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