JP5964286B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラなどに設けられ、伝熱管群の間に共鳴防止バッフルが設けられた熱交換器に関する。

ボイラなどにおいては、燃焼ガスの流路を形成するダクトハウジングの中に過熱器、再熱器、節炭器等の熱交換器が設けられている。これらの熱交換器は多数の伝熱管がダクトハウジングの中に設けられ、該伝熱管を流れる水などの媒体は燃焼ガスで加熱されて蒸気に変わる。この蒸気は蒸気タービンに送られ、発電動力として用いられる。該多数の伝熱管は、軸方向が燃焼ガスの流路を横切る方向に配置され、かつ互いに間隔を置いて並列に配置されている。

伝熱管は、燃焼ガスの流路を形成するダクト壁の内部で燃焼ガスｇに対して直交する方向に配置されている。図４は、燃焼ガスｇの流路を形成するダクト壁１００の内部で、伝熱管１０２が燃焼ガスｇの流路中で格子状に配置された例を示し、図５は、伝熱管１０２が千鳥足状に配置された例を示している。

図６に示すように、このような伝熱管群に燃焼ガスｇを流すと、伝熱管１０２の後流にカルマン渦ｅが周期的に発生する。カルマン渦ｅの発生周波数ｆｋ（Ｈｚ）は次の式で表される。
ｆｋ＝Ｓt・Ｖ／Ｄ （１）
ここで、Ｓt：ストローハル数
Ｖ：最小隙間流速（伝熱管間の流速）
Ｄ：伝熱管の外径

一方、燃焼ガス流に直交しかつ伝熱管の軸方向に直交したダクト壁間には燃焼ガスｇの物性によって決まる固有の振動モードがある。その固有振動周波数ｆｎ（Ｈｚ）は次の式で表される。
ｆｎ＝ｎ・ｃ／２Ｌ （２）
ここで、ｎ＝１，２，３、・・・
ｃ：音速（燃焼ガスｇの温度に依存する。）
Ｌ：ダクト壁１００間の幅

図７は、ｎ＝１の１次モードのときの振動モード（ｖは速度成分を表し、ｐは圧力成分を表す。）を示している。そこで、発生周波数ｆｋが固有振動周波数ｆｎ（ｎ＝１，２，３、・・・）の何れかと一致すると、共鳴状態が発生し、缶鳴りと呼ばれる過大な騒音が発生する。

缶鳴り防止の一般的な対策は、板状の共鳴防止バッフルを伝熱管群の間で燃焼ガス流に沿って配置し、固有振動周波数ｆｎを上昇させることで、共鳴を回避することである。
図８は、かかる共鳴防止バッフル板１０４を設けた例を示している。図８において、ダクト壁１００によって燃焼ガスｇの流路が形成されている。伝熱管１０２は燃焼ガスｇの流路中に、燃焼ガスｇの流れ方向と直交する方向に配置されている。共鳴防止バッフル板１０４は伝熱管１０２の間で燃焼ガスｇの流れ方向に沿って配置されている。

特許文献１及び特許文献２には、被熱交換ガスの流路に多数の伝熱管が並列に配置された熱交換器において、伝熱管の間に被熱交換流体の流れ方向に沿って共鳴防止バッフル板が設けられた構成が開示されている。

特開昭５９−０１２２９３号公報 特開平０５−１４１８９１号公報

しかし、従来の共鳴防止バッフル板は大きな重量を有しており、重量が大きい共鳴防止バッフル板を被熱交換流体の流路中に固定するためには、多大な工数及び費用がかかるという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、共鳴防止バッフル板の構成及びその取付けに要する作業を簡便かつ低コスト化することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の一実施態様に係る熱交換器は、軸方向が被熱交換流体の流路を横切る方向に配置され、かつ互いに間隔を置いて並列に配置された多数の伝熱管と、多数の伝熱管の間で被熱交換流体の流れ方向に沿って設けられた板状の共鳴防止バッフルとを有する熱交換器であって、前記共鳴防止バッフルは金属箔で構成されている。

共鳴防止バッフル板は、被熱交換流体の流路を形成するダクト壁間で発生する固有振動周波数ｆｎを上昇させ、この固有振動周波数ｆｎと伝熱管の後流に発生するカルマン渦ｅにより発生する周波数ｆｋと異ならせる作用を有している。
固有振動周波数ｆｎを上昇させためには、被熱交換流体の流路を仕切り、被熱交換流体の粒子速度＝0の境界を形成すればよい。そのため、金属箔のような薄い仕切り板でも前記作用を得ることができる。

本発明の一実施態様によれば、共鳴防止バッフルを金属箔で構成することで、共鳴防止バッフルを軽量化できる。そのため、材料費を節減できると共に、共鳴防止バッフル板の取付け及び交換に要する作業を簡便化できかつ低コスト化できる。

本発明の一実施態様は、金属箔の外縁部に固定された剛性枠体をさらに備えている。金属箔は被熱交換流体を受けて変形することもあるため、金属箔に剛性枠体を固定することで、金属箔に剛性を付与できる。これによって、金属箔の変形を防止できると共に、あまり重量を増加させることなく被熱交換流体の流れで変形しない剛性を保持できる。

本発明の一実施態様において、共鳴防止バッフルは多数の伝熱管の少なくとも一部に固定具によって固定されている。
前述のように、本発明の共鳴防止バッフルは軽量化が可能になるので、低強度の固定具を用いて簡単に伝熱管に取り付けることができる。また、共鳴防止バッフルは軽量であるため、一部の伝熱管のみに取り付ければ足り、取付け作業を軽減できる。

本発明の一実施態様において、前記固定具は、伝熱管を囲繞するように配置され両端が前記共鳴防止バッフル板に螺着されたＵ字ボルトである。かかる構成のＵ字ボルトを用いることで、取付け作業をさらに簡便化できる。

本発明の一実施態様において、多数の伝熱管は被熱交換流体の流れ方向に沿って直線状に配列され、共鳴防止バッフルは平板状に形成され、被熱交換流体の流れ方向に沿って配置されている。
これによって、共鳴防止バッフル板を既製の伝熱管の間に容易に挿入でき、所定位置に配置できる。そのため、既製の伝熱管を取り外すことなく、共鳴防止バッフルの取付け作業又は交換作業を行うことができる。さらに、伝熱管の設置を共鳴防止バッフルの取り付けた後にする必要がなくなり、取付け作業及び交換作業の工数を大幅に低減できる。

本発明の一実施態様によれば、金属箔で構成された軽量の共鳴防止バッフルを用いたことで、共鳴防止バッフルの取付けに要する作業を簡便かつ低コスト化することができる。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の正面視断面図である。 前記熱交換器の共鳴防止バッフル板の組立前の斜視図である。 前記共鳴防止バッフル板の組立後の斜視図である。 一般の熱交換器の伝熱管の格子状配置を示す正面視断面図である。 一般の熱交換器の伝熱管の千鳥足配置を示す正面視断面図である。 伝熱管の後流に発生するカルマン渦ｅの説明図である。 熱交換器のダクト壁間に発生する固有振動の説明図である。 従来の熱交換器の正面視断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

本発明の一実施形態に係る熱交換器を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態は、火力発電プラントなどに組み込まれた蒸気ボイラに設けられた過熱器、再熱器、節炭器等の熱交換器、又は排熱回収ボイラ等に本発明の一実施形態に係る熱交換器１０を適用した例である。

図１において、本実施形態に係る熱交換器１０を構成するダクトハウジングによって、燃焼ガスｇの流路が形成されている。ダクトハウジングを構成するダクト壁１２の内部に多数の伝熱管１４が配置されている。該ダクトハウジングは、例えば、角形断面又は円形断面を有している。

多数の伝熱管１４は互いに間隔を置いて並列に配置され、かつその軸方向が燃焼ガスｇに対して直交する方向に配置されている。多数の伝熱管１４は格子状に配列されている。即ち、複数の伝熱管１４で構成された各列は燃焼ガスｇの流れ方向に直線状に配置され、かつ燃焼ガスｇの流れ方向と直交する方向に対しても直線上に配列されている。
燃焼ガスｇは各伝熱管１４の間を通るとき各伝熱管１４の内部を流れる水などの媒体と熱交換し、水などの媒体は燃焼ガスｇで加熱されて蒸気に変わる。該蒸気は蒸気タービンに送られ、発電動力として用いられる。

伝熱管１４の間には２個の共鳴防止バッフル１６が挿入され、伝熱管１４に固定されている。共鳴防止バッフル１６は平坦面を有する金属箔１８で構成され、燃焼ガスｇの流れ方向に沿って配置されている。このように、共鳴防止バッフル１６を配置することで、燃焼ガスｇの流路を仕切り、共鳴防止バッフル板１６によって燃焼ガスｇの流速の境界を形成する。これによって、ダクト壁１２間で発生する共鳴周波数ｆｎを上昇させることができる。

こうして、燃焼ガスｇの流れによってダクト壁１２間で形成される固有の振動モードの固有振動周波数ｆｎと、各伝熱管１４の後方で発生するカルマン渦ｅの発生周波数ｆｋとを異ならせることで、過大な騒音の発生を防止できる。

図２及び図３に示すように、共鳴防止バッフル板１６は、例えば、厚さ２０μｍの薄い高温用ステンレス鋼（ＳＵＨ４０９Ｌ）などで構成された四角形の金属箔１８で構成されている。なお、金属箔１８の材質は被熱交換流体の温度に基づいて選定され、金属箔１８の厚さは選定された材料の硬さ、粘性等に基づいて選定される。
なお、本発明で使用する金属箔の一辺の長さは、ボイラケーシングの長さ、熱交換器の段数によって決まり、例えば、２０ｍ（ダクト幅）×２ｍ（熱交換器段数）である。

金属箔１８は燃焼ガス流を受けて変形する。そのため、金属箔１８の外縁部を両側から剛性の枠体２０，２０で挟持する。２枚の枠体２０，２０は、必要箇所をボルト２２及びナット２４で締結される。なお、ボルト２２の頭部及びナット２４は、燃焼ガス流を乱さないように、なるべく枠体２０，２０に沈頭させるようにする。

図１に示すように、共鳴防止バッフル板１６は、Ｕ字ボルト２６を用いて伝熱管１４に固定する。即ち、両端部にオネジが形成されているＵ字ボルト２６を用い、Ｕ字ボルト２６を伝熱管１４を囲繞するように配置され、Ｕ字ボルト２６の両端部のオネジを共鳴防止バッフル板１６に形成されたメネジ孔に螺合させる。あるいは共鳴防止バッフル板１６に形成した丸孔に両端部を挿入し、オネジ部にナット２８を螺合させることで、共鳴防止バッフル板１６を伝熱管１４に固定する。
なお、Ｕ字ボルト２６を用いた取付け箇所は、共鳴防止バッフル１６の必要固定強度を得るのに必要な取付け箇所とすればよい。

本実施形態によれば、共鳴防止バッフル板１６を金属箔１８で構成することで軽量化できる。そのため、材料費を節減できると共に、共鳴防止バッフル板１６の取付け及び交換に要する作業を簡便化できかつ低コスト化できる。
また、２枚の剛性の枠体２０，２０で金属箔１８の外縁部を両側から締結したため、あまり重量を増加させることなく燃焼ガス流に対して変形しない剛性を保持できる。

また、共鳴防止バッフル板１６は軽量化が可能になるため、低強度の固定具を用いて簡単に伝熱管１４に取り付けることができる。そのため、低コストな固定具を用いて共鳴防止バッフル板１６を強固に固定することができる。
また、共鳴防止バッフル板１６は軽量であるため、一部の伝熱管１４のみに取り付ければ足り、取付け作業を軽減できる。
また、共鳴防止バッフル板１６の固定手段としてＵ字ボルト２６を用いているため、取付け作業をさらに簡便化できる。

さらに、伝熱管１４は格子状に配列され、かつ共鳴防止バッフル板１６は平板状に形成されているため、共鳴防止バッフル板１６を既製の伝熱管１４の間に容易に挿入でき、所定位置に配置できる。
そのため、既製の伝熱管１４を取り外すことなく、あるいは伝熱管１４の設置を共鳴防止バッフル板１６を取り付けた後ですることなく、共鳴防止バッフル板１６の取付け作業又は交換作業を行うことができる。

なお、前記実施形態では、格子状に配列された伝熱管を有する熱交換器に本発明を適用した例であるが、本発明は、金属箔の固定方法を工夫することで、千鳥足状又はジグザグに配列された伝熱管を有する熱交換器に対しても適用可能である。

本発明によれば、多数の伝熱管が並列配置され、該伝熱管の間に鳴防止バッフル板を有する熱交換器において、共鳴防止バッフル板の構成及びその取付けに要する作業を簡便かつ低コスト化することができる。

１０ 熱交換器
１２，１００ ダクト壁
１４，１０２ 伝熱管
１６，１０４ 共鳴防止バッフル板
１８ 金属箔
２０ 枠体
２２ ボルト
２４、２８ ナット
２６ Ｕ字ボルト
ｅ カルマン渦
ｇ 燃焼ガス

Claims (4)

1. 軸方向が被熱交換流体の流路を横切る方向に配置され、かつ互いに間隔を置いて並列に配置された多数の伝熱管と、
   前記多数の伝熱管の間で被熱交換流体の流れ方向に沿って設けられた板状の共鳴防止バッフルとを有する熱交換器であって、
   前記共鳴防止バッフルは金属箔で構成され、
   前記金属箔の外縁部に固定された剛性枠体をさらに備えている
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記共鳴防止バッフルは前記多数の伝熱管の少なくとも一部に固定具によって固定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記固定具は、前記伝熱管を囲繞するように配置され両端が前記共鳴防止バッフルに螺着されたＵ字ボルトであることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記多数の伝熱管は被熱交換流体の流れ方向に沿って直線状に配列され、
   前記共鳴防止バッフルは平板状に形成され、被熱交換流体の流れ方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

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