JP6109716B2 - フィンチューブ式熱交換器 - 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器に関するものである。

排熱回収ボイラ等に使用される熱交換器（過熱器、再熱器等も含む）は、従来のボイラに比べて排ガス温度が低く、排ガスからの熱回収は接触伝熱に期待せざるを得ないため、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、伝熱管の外周面に複数の鍔状フィンを軸方向に連装して表面積を増大させたフィンチューブが複数本、それぞれ平行且つ水平となるように、Ｕ字管を介して直列に接続され、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水等の伝熱媒体と、鍔状フィンの間を流れる排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱エネルギーが伝熱媒体に吸収されて他部署で有効利用される。

火力発電所等で用いられる大型の熱交換器では、その内部に配設されるフィンチューブの直線部の長さが約２０メートルにもなるため、フィンチューブの中間部が下方に撓むことを防止するために、フィンチューブの中間部が所定の間隔で保持される。具体的には、特許文献１に記載されているように、フィンチューブの外径と略同じ内径の挿通孔が多数形成された多孔板状の中間保持部材にフィンチューブが挿通され、この中間保持部材が熱交換器の容器の上部から吊り下げられることによってフィンチューブの撓みが防止される。

図７に示すように、伝熱管５の外周面に鍔状フィン６が連装された複数のフィンチューブ３が中間保持部材１１の挿通孔１２に挿通されて纏められたものが熱交換モジュールＡ，Ｂとされ、これらの熱交換モジュールＡ，Ｂが連結金具１６とボルト１７により横並びに連結されたユニットが、熱交換器の内部において上下に複数段設置される。

多孔板状の中間保持部材１１は、フィンチューブ３が挿通される挿通孔１２が千鳥状（ハニカム状）に穿設されており、中間保持部材１１に挿通されるフィンチューブ３の配置密度が高くなるようになっている。これにより、限られた容量の熱交換器の内部により多くのフィンチューブ３を配設して熱交換効率を高めることができる。

特開昭６０−１５９５９４号公報

このような熱交換器の内部において、各フィンチューブ３は排ガスの流動を受けて振動するため、中間保持部材１１の挿通孔１２に対して細かく衝突する運動を繰り返す。中間保持部材１１の挿通孔１２が円形であれば、上記のようにフィンチューブ３が挿通孔１２の内部で振動しても特に問題無いが、前述のように挿通孔１２は千鳥状に配列されているため、中間保持部材１１の端部においては挿通孔１２の一部が切断され、Ｃ字状に開放された形状となる。

このようにＣ字状に開放された形状の挿通孔１２にフィンチューブ３が挿通されると、挿通孔１２の下顎状の先端部分１２ａ（エッジ）がフィンチューブ３の鍔状フィン６の外周部に小さい面積で接触（角当たり）し、擦れて鍔状フィン６を異常摩耗させるという問題があった。このような異常摩耗は、ひいては伝熱管５の破損および伝熱媒体の漏洩を招くため、確実に防止しなければならない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡素な構成により、フィンチューブが中間保持部材の挿通孔の中で振動して異常摩耗を起こすことを防止することのできるフィンチューブ式熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。

本発明に係るフィンチューブ式熱交換器は、伝熱管の外周面に複数の鍔状フィンが軸方向に連装されて表面積を増大された複数のフィンチューブと、前記フィンチューブが挿通される複数の挿通孔が形成された中間保持部材とを備え、前記中間保持部材に複数の前記フィンチューブが挿通されて纏められた複数の熱交換モジュールが互いに連結されるフィンチューブ式熱交換器であって、複数の前記熱交換モジュールは、連結金具及びボルトのみによって連結され、前記熱交換モジュールの連結部において、前記中間保持部材の端部に位置する前記挿通孔は、一部が切断されてＣ字状に開放された形状とされ、前記フィンチューブの軸方向視で、前記熱交換モジュールの前記連結部を跨ぎ、且つ複数の前記フィンチューブの間を斜めに通る直線状のチューブ防振部材を設け、前記チューブ防振部材は、前記熱交換モジュールの前記連結部を覆う面積でＸ字状に交差するように複数本設けられるとともに、前記Ｘ字状に交差する範囲は、前記中間保持部材の合わせ目において、前記挿通孔がＣ字形状に開放されている範囲のみとすることを特徴とする。

上記構成のフィンチューブ式熱交換器によれば、熱交換モジュールの連結部付近に配置されたフィンチューブと、他の複数のフィンチューブとの間にチューブ防振部材が介在することにより、モジュール連結部付近のフィンチューブが径方向へ動くことが規制される。このため、モジュール連結部付近のフィンチューブが中間保持部材の挿通孔の中で振動することが防止され、フィンチューブの異常摩耗が抑制される。

特に、熱交換モジュールの連結部では、中間保持部材の端部に位置する挿通孔がＣ字状に開放された形状となっているが、この挿通孔の中に挿通されたフィンチューブの振動がチューブ防振部材によって規制される。このため、Ｃ字形状の挿通孔の下顎状の先端部分（エッジ）がフィンチューブの鍔状フィンの外周部に擦れて鍔状フィンを異常摩耗させることが回避される。チューブ防振部材は直線状であるため、簡素な構成によってフィンチューブの異常摩耗を防止できる。

また、上記構成のフィンチューブ式熱交換器によれば、熱交換モジュールの連結部に臨む全てのフィンチューブがチューブ防振部材によって径方向への動きを規制される。このため、中間保持部材の端部においてＣ字状に開放された形状となっている挿通孔の内部でフィンチューブが異常摩耗することを抑制することができる。

さらに、上記構成のフィンチューブ式熱交換器によれば、中間保持部材の挿通孔に挿通されたフィンチューブが、交差するチューブ防振部材によって径方向への動きをさらに確実に規制される。このため、フィンチューブの異常摩耗をより効果的に防止することができる。

また、本発明に係るフィンチューブ式熱交換器は、前記チューブ防振部材に、前記フィンチューブに係合することによって自重による落下を防止する落下防止部が形成されていることを特徴とする。

上記構成のフィンチューブ式熱交換器によれば、落下防止部によってチューブ防振部材が定位置に保持され、排ガスの流動に伴う熱交換モジュールの振動によってチューブ防振部材がずり落ちてしまうことが防止される。このため、チューブ防振部材によるフィンチューブの防振作用を永続させることができる。

以上のように、本発明に係るフィンチューブ式熱交換器によれば、熱交換モジュールの連結部を跨ぎ、且つ複数の前記フィンチューブの間を斜めに通る直線状のチューブ防振部材を設けるという簡素な構成により、フィンチューブが中間保持部材の挿通孔の中で振動することを防止し、フィンチューブが挿通孔に擦れることによって異常摩耗することを防止することができる。

本発明を適用可能フィンチューブ式熱交換器の概略構成を示す縦断面図である。 フィンチューブの構造例を示す斜視図である。 図１のIII-III線に沿う縦断面図である。 図３のIV-IV線に沿う縦断面図である。 図３のＶ部を拡大して本発明の一実施形態を示す図である。 チューブ防振部材に設けられた落下防止部を示す図である。 従来の技術を示すフィンチューブと中間保持部材の縦断面図である。

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。
図１は、本発明を適用可能フィンチューブ式熱交換器の概略構成を示す縦断面図である。このフィンチューブ式熱交換器１は、排熱回収ボイラ（HRSG）等のボイラに設けられ、その熱交換容器２の内部に、水平な複数のフィンチューブ３がＵ字管４を介して接続されて、複数列、多数段に配列された構成となっている。

図２にも示すように、フィンチューブ３は、ステンレス鋼等で形成された伝熱管５の外周面に多数の鍔状フィン６が軸方向に短い間隔を開けて直立するように固定された構造である。伝熱管５の内部には、例えばボイラに供給される水が流される。なお、ここでの鍔状フィン６は、その外周縁部に歯車状の凹凸が形成されたセレートフィンとなっているが、凹凸が無い円板状のものとしてもよい。

熱交換容器２の底部と頂部には、それぞれ排ガス流入ダクト８と排ガス流出ダクト９とが設けられ、図示しない燃焼器で燃焼を終えた燃料の高温な排ガスが排ガス流入ダクト８から流入して熱交換容器２の内部を下方から上方に通過し、排ガス流出ダクト９から流出する。そして、鍔状フィン６により表面積を増大されたフィンチューブ３の周囲を高温な排ガスが流れることにより、伝熱管５の内部を流れる水が排ガスと熱交換して加熱される。こうして排気ガスの熱が効率良く回収されて有効に利用される。

フィンチューブ３の直線部の長さは２０メートルにも達するため、重量のあるフィンチューブ３の中間部が下方に撓むことを防止するべく、所定の間隔で設置された複数の中間保持部材１１によってフィンチューブ３の中間部が保持される。中間保持部材１１は所定の厚みを備えた平板状の部材であり、フィンチューブ３が挿通される多数の挿通孔１２が穿設され、熱交換容器２の天井構造材１３等から吊持具１４によって吊り下げられ、これによりフィンチューブ３中間部の撓みが防止される。

図３は図１のIII-III線に沿う縦断面図である。また、図４は図３のIV-IV線に沿う縦断面図である。さらに、図５は図３のＶ部拡大図である。
中間保持部材１１に形成されている多数の挿通孔１２は千鳥状（ハニカム状）に穿設されており、中間保持部材１１に挿通されるフィンチューブ３の配置密度が高められて熱交換効率の向上が図られている。

図３に示すように、中間保持部材１１に複数のフィンチューブ３が挿通されて纏められたものが熱交換モジュールＡ，Ｂとされ、これらの熱交換モジュールＡ，Ｂが連結金具１６とボルト１７により横並びに連結されたユニットＵが、熱交換容器２の内部において上下多段に設置される。さらに、複数のユニットＵが連結部材１８を介して横並びにも連結される。

図５に示すように、各熱交換モジュールＡ，Ｂの連結部においては、中間保持部材１１の端部に位置する挿通孔１２の一部が切断されてＣ字状に開放された形状となっている。このようにＣ字状に開放された挿通孔１２にもフィンチューブ３が挿通されており、熱交換モジュールＡ側のフィンチューブ３と、熱交換モジュールＢ側のフィンチューブ３とが千鳥状に交互に噛み合うように配置されている。

そして、熱交換モジュールＡ，Ｂの連結部には、各フィンチューブ３が挿通孔１２の中で径方向に移動することを規制するためにチューブ防振部材２０が設けられている。このチューブ防振部材２０は、直線状に形成されており、フィンチューブ３の軸方向視で、熱交換モジュールＡ，Ｂの連結部、即ち中間保持部材１１の合わせ部１１ａを跨ぎ、且つ複数のフィンチューブ３の間を斜めに通るように配設されている。

また、チューブ防振部材２０は、熱交換モジュールＡ，Ｂの連結部（中間保持部材１１の合わせ部１１ａ）を広く覆う面積で複数本設けられ、Ｘ字状に交差するように設けられている。具体的な設置方法は、２つの熱交換モジュールＡ，Ｂが連結された後に、上方（または下方）からチューブ防振部材２０を各フィンチューブ３の間に差し込む。各チューブ防振部材２０は、図４に示すように、中間保持部材１１に近接するように配置するのが好ましい。

このように、熱交換モジュールＡ，Ｂの連結部付近にチューブ防振部材２０を設けることにより、モジュール連結部付近に配置されたフィンチューブ３と、他の複数のフィンチューブ３との間にチューブ防振部材２０が介在し、モジュール連結部付近のフィンチューブ３がその直径方向へ動くことが規制される。このため、フィンチューブ３が中間保持部材１１の挿通孔１２の中で振動することが防止され、これによってフィンチューブ３の異常摩耗を抑制することができる。

特に、熱交換モジュールＡ，Ｂの連結部では、中間保持部材１１の端部に位置する挿通孔１２がＣ字状に開放された形状となっているが、この挿通孔１２の中に挿通されたフィンチューブ３の振動がチューブ防振部材２０によって規制される。このため、Ｃ字形状の挿通孔１２の下顎状の先端部分（エッジ）１２ａがフィンチューブ３の鍔状フィン６の外周部に角当たりして鍔状フィン６が異常摩耗することを防止できる。チューブ防振部材２０は直線状であるため、簡素な構成によってフィンチューブ３（鍔状フィン６）の異常摩耗を防止することができる。

チューブ防振部材２０は、熱交換モジュールＡ，Ｂの連結部を覆う面積で複数本設けられているため、熱交換モジュールＡ，Ｂの連結部に臨む全てのフィンチューブ３がチューブ防振部材２０によって径方向への動きを規制される。このため、中間保持部材１１の端部においてＣ字状に開放された形状となっている挿通孔１２の内部でフィンチューブ３が異常摩耗することを確実に抑制することができる。

また、各チューブ防振部材２０は、Ｘ字状に交差するように設けられている。このようにＸ字状に交差する範囲は、中間保持部材１１の合わせ部１１ａの、挿通孔１２がＣ字形状に切断されている範囲をカバーできればよい。これにより、中間保持部材１１の挿通孔１２に挿通されたフィンチューブが、交差するチューブ防振部材２０によって径方向への動きをさらに規制され、フィンチューブ３の異常摩耗をより効果的に防止することができる。

ところで、各チューブ防振部材２０は、複数のフィンチューブ３の間に挿し込まれることによって各フィンチューブ３の鍔状フィン６に適度な力で当接し、これによって下方に脱落しにくくなっている。しかし、排ガスの流動に伴う熱交換モジュールＡ，Ｂの振動により、チューブ防振部材２０がその自重により下方にずり落ちてしまう懸念がある。

そこで、図６に示すように、各チューブ防振部材２０の上端部に、フィンチューブ３に係合するフック形状２０ａ（落下防止部）を設けるのが好ましい。これにより、チューブ防振部材２０が定位置に保持され、伴う熱交換モジュールＡ，Ｂの振動によって下方にずり落ちてしまうことが防止される。このため、チューブ防振部材２０によるフィンチューブ３の防振作用を永続させることができる。この落下防止部は必ずしもフック形状でなくてもよく、チューブ防振部材２０が自重により脱落することを防止できる形状であればよい。

以上説明したように、前記各実施形態に係るフィンチューブ式熱交換器１によれば、フィンチューブ３の軸方向視で、熱交換モジュールＡ，Ｂの連結部、即ち中間保持部材１１の合わせ部１１ａを跨ぎ、且つ複数のフィンチューブ３の間を斜めに通る直線状のチューブ防振部材２０を設けるという簡素な構成により、フィンチューブ３が中間保持部材１１の挿通孔１２の中で振動して異常摩耗を起こすことを効果的に防止することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。

１ フィンチューブ式熱交換器
３ フィンチューブ
５ 伝熱管
６ 鍔状フィン
１１ 中間保持部材
１１ａ 中間保持部材の合わせ部（熱交換モジュールの連結部）
１２ 挿通孔
２０ チューブ防振部材
２０ａ フック形状（落下防止部）
Ａ，Ｂ 熱交換モジュール

Claims (2)

1. 伝熱管の外周面に複数の鍔状フィンが軸方向に連装されて表面積を増大された複数のフィンチューブと、前記フィンチューブが挿通される複数の挿通孔が形成された中間保持部材とを備え、
   前記中間保持部材に複数の前記フィンチューブが挿通されて纏められた複数の熱交換モジュールが互いに連結されるフィンチューブ式熱交換器であって、
   複数の前記熱交換モジュールは、連結金具及びボルトのみによって連結され、
   前記熱交換モジュールの連結部において、前記中間保持部材の端部に位置する前記挿通孔は、一部が切断されてＣ字状に開放された形状とされ、
   前記フィンチューブの軸方向視で、前記熱交換モジュールの前記連結部を跨ぎ、且つ複数の前記フィンチューブの間を斜めに通る直線状のチューブ防振部材を設け、
   前記チューブ防振部材は、前記熱交換モジュールの前記連結部を覆う面積でＸ字状に交差するように複数本設けられるとともに、前記Ｘ字状に交差する範囲は、前記中間保持部材の合わせ目において、前記挿通孔がＣ字形状に開放されている範囲のみとすることを特徴とするフィンチューブ式熱交換器。
2. 前記チューブ防振部材に、前記フィンチューブに係合することによって自重による落下を防止する落下防止部が形成されてい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器。

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