JPH05118507A - 内面に多重ねじ形フインを備えた管とこれを用いた蒸気発生器 - Google Patents

内面に多重ねじ形フインを備えた管とこれを用いた蒸気発生器

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JPH05118507A
JPH05118507A JP4086495A JP8649592A JPH05118507A JP H05118507 A JPH05118507 A JP H05118507A JP 4086495 A JP4086495 A JP 4086495A JP 8649592 A JP8649592 A JP 8649592A JP H05118507 A JPH05118507 A JP H05118507A
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カストナー ウオルフガング
Wolfgang Koehler
ケーラー ウオルフガング
Eberhard Wittchow
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 内面上に多重ねじを形成するフィンを備える
管の形状を改善し、この管の使用をマスフロー密度と無
関係に可能であるようにする。 【構成】 フィンのリードｈ〔ｍ〕が最大で平均の管内
径ｄ〔ｍ〕の平方根の０．９倍に等しい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、内面上に多重ねじを
形成するフィンを備えた管並びに蒸気発生器及び伝熱装
置でのこの管の使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】内面フィン付き管は高い燃焼室熱負荷を
克服するために数年来蒸気発生器において用いられてい
る。ユーツィ（H. Juzi ）、ザレム（A. Salem）及びシ
ュトッケル（W. Stocker）の論文「垂直な燃焼室管配置
を備えた変圧運転用貫流ボイラ（Zwangdurchlaufkessel
fuer Gleitdruckbetrieb mit vertikaler Brennkammer
berohrung ）」ドイツ発電会社連盟・発電所技術（VGB
Kraftwerkstechnik ）第６４巻、第２９２〜３０２ペー
ジ特に第２９４ページには、高い燃焼室熱負荷の領域で
平滑な蒸気発生器管の場合に亜臨界圧力の広い領域にお
いて膜沸騰を考慮しなければならず、しかしながら他方
では内面フィン付き管の場合に膜沸騰が約２０６ｂａｒ
ないし臨界圧力の圧力範囲に制限されることが詳述され
ている。
【０００３】膜沸騰は金属の管壁と熱吸収媒体の液相と
の間の蒸気膜により熱伝達を妨げるので、膜沸騰の領域
では管壁温度が著しく上昇する。膜沸騰は冷却媒体の強
制貫流を行う蒸気発生器の場合に実際上、冷却媒体の液
相と蒸気相とが同時に生じる領域においてだけ現れる。
実験により、壁の滑らかな管の場合に既に低い蒸気含有
量で膜沸騰を考慮しなければならず、また膜沸騰は内面
フィン付き管を使用する場合に一層高い蒸気含有量の方
へ移動することが確かめられた。この移動により同時に
金属の管壁の望ましくない温度上昇の範囲が減少する。
【０００４】前記文献ばかりでなく「国際熱伝達会議、
東京、１９７４年９月の議事録」論文ＰＧＴＰ７３−５
４、第１４〜２１ページにも記載のように、市販の内面
フィン付き管の場合には膜沸騰の望ましい移動が比較的
大きいマスフロー密度及び高い冷却媒体速度の場合にだ
け起こる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、内面フィ
ン付き管の形状を改善し、この管の使用をマスフロー密
度と無関係に可能であるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題は内面上に多重
ねじを形成するフィンを備えた管においてこの発明に基
づき、フィンのリードが最大で平均の管内径の平方根の
０．９倍に等しいことにより解決される。
【０００７】この発明に基づく管の合目的的な実施態様
によれば、フィンの半径方向高さが最小で平均の管内径
の０．０４倍に達し、平均の管内径が２７ｍｍより大き
く、フィンの側面が半径方向において管軸線と８０〜９
０°の角度を成し、フィンの側面から管壁への移行部が
それぞれ丸められ、また管の内部空間中に自由に置かれ
たフィンの縁が角張っており、また管がフェライト系材
料から成る。
【０００８】この発明の別な有利な実施態様によれば、
管がフィンを除いて断面で円形の空間を囲み、同時に管
外面が断面で楕円形又は多角形であるか、あるいは管外
面が少なくとも一つの長手方向リブを支持し、この長手
方向リブが隣接管又は隣接管の長手方向リブ又は他の部
材と溶接される。この発明の別の有利な実施態様によれ
ば、管軸線に対し垂直な平面とフィンの側面との間のリ
ード角が６０°より小さいか、又は３０〜４０ｍｍの平
均内径特に４０ｍｍの平均内径の場合にリード角が５５
°である。
【０００９】この発明に基づき構成された管を化石燃料
だき蒸気発生器に使用するためには、同様に働く多数の
管が燃焼室の壁となるように溶接されて蒸気発生器の一
部を形成し、その際管が垂直に配置される。
【００１０】太陽熱蒸気発生器にこの発明に基づく管を
使用する場合には、管が水平に又は傾けて配置されるの
が有利である。
【００１１】この発明に基づく管の別の用途は請求項１
４に記載されている。
【００１２】
【作用効果】この発明に基づき構成され組み込まれた管
は、有害な膜沸騰の発生無しに低い軸線方向流速を可能
にし、その結果形状による圧力損失がほぼ不変であって
摩擦による管中の冷却媒体の圧力損失が非常に小さいの
で非常に有利である。それにより同時に意外にも有利
に、空間的に並列な管の間で不可避の不均一な熱入力の
ために生じる管端部での温度差の低下が起こる。実験結
果によればこの効果は、１ｍ／ｓの軸線方向流速の場合
にフィン形状に理想的に追従する冷却媒体が、この媒体
に強制された旋回運動により媒体の外面で重力加速度の
２．５倍の大きさの計算上の遠心力加速度を受けると
き、満足な程度に現れる。
【００１３】
【実施例】次にこの発明に基づく内面フィン付き管の複
数の実施例を示す図面により、この発明を詳細に説明す
る。
【００１４】図１の管軸線方向断面図に示すように、望
ましくはフェライト系の鋼から成る管がその内面上にフ
ィンを備え、各フィンが螺旋上に配置されている。フィ
ンは管の長手軸線に垂直な平面と角度αを成す。更にフ
ィンは半径方向に管の平均内径ｄの少なくとも０．０４
倍に等しい高さＨを有し、その際平均直径ｄはフィンの
半径方向高さの約半分の位置を通る。フィンがたどる螺
旋はリードｈを有する。
【００１５】図２に示す実施例の場合には、管内壁から
フィンの側面への移行部ばかりでなくフィンの側面から
自由な管内部空間に向かう面への移行部もほぼ角張って
いる。管外面はこの実施例の場合には断面が内壁と同様
に円形であるので、管は断面で円リングとなる。
【００１６】図３に示す実施例は、管内壁からフィンの
側面への移行部がそれぞれ丸められているということだ
けが図２に示すものと異なっている。
【００１７】図４ないし図６に示す実施例は、図２に示
す実施例と同様にフィンの角張った形状を有する。しか
しながら図４に示す実施例の外面は断面で楕円形であ
り、図５に示す外面は断面で七角形である。外面が円形
と異なることは、隣接して垂直又は水平に並ぶ管がその
全長にわたり密に相互に溶接されるような二、三の用途
において有利である。図６に示す実施例の場合には、外
面がこの理由から少なくとも一つの長手方向リブを支持
し、この長手方向リブが隣接管又は隣接管の長手方向リ
ブ又は他の部材と溶接可能である。
【００１８】この発明に基づき構成された管の実際例は
直径ｄ＞２７ｍｍを有し、フィンの側面が半径方向にお
いて望ましくは管軸線と８０〜９０°の角度を成す。ま
た角度αはこの発明に基づく管の場合に６０°より小さ
く、４０ｍｍの平均内径ｄの場合に望ましくは約５５°
である。
【００１９】多数の同一作用の管が燃焼室の壁となるよ
うに溶接され蒸気発生器の一部を形成するような貫流ボ
イラの構築のためにこの発明に基づく管を用いる場合に
は、管は垂直に隣接して並びその全長にわたり気密に相
互に溶接される。燃焼室中で生じた熱の大部分を吸収す
るために管は冷却媒体としての水により貫流される。こ
の水は規定のように蒸発させるべきであるので、強制的
に管の内部に同一温度及び同一圧力の水及び水蒸気が併
存するような領域が作り出される。その際この混合体中
の蒸気含有量は０％から１００％まで上昇する。
【００２０】管の内面上に設けられたフィンにより流水
が角運動量を与えられ、それにより固有の軸線を中心と
する水柱の回転が軸線方向の流れに重畳される。従来の
通常の使用法の場合には冷却媒体の軸線方向流速が数ｍ
／ｓに調節され、それにより管内壁と水柱との間の蒸気
膜の形成が混合体の蒸気含有量の高い方向へ移動させら
れる。この高い軸線方向流速の場合に、膜沸騰とも呼ば
れるこの種の蒸気膜は例えば冷却媒体混合体が８０％だ
け蒸気から成り２０％だけ水から成るような領域で発生
する。しかしながら高い軸線方向流速のために、管壁で
の冷却媒体の相応に高い摩擦による高い圧力損失が、管
への冷却媒体の供給個所と管からの蒸気の出口との間で
発生する。このことは非常に不利であることが判明して
いる。なぜならば摩擦のために生じる圧力損失により、
個々の管から流出する蒸気流の温度差が増大するからで
ある。
【００２１】意外にも、比較的低い軸線方向流速の場合
に、また１ｍ／ｓの計算上の流速の場合に生じる重力加
速度の２．５倍程度の流体の計算上の遠心力加速度の場
合に、管中で摩擦により引き起こされる圧力損失が小さ
く、その結果形状により引き起こされる圧力損失がほぼ
不変であって個々の管から流出する蒸気流の温度差が予
想外に小さいということが判明した。
【００２２】ここで、 ｖ〔ｍ／ｓ〕＝軸線方向流速 ｈ〔ｍ〕＝フィンのリード Ｕ〔１／ｓ〕＝流れる冷却媒体の回転速度 ω〔１／ｓ〕＝流れる冷却媒体の角速度 ｄ〔ｍ〕＝平均内径 ａz 〔ｍ／ｓ2 〕＝遠心力加速度 ｇ〔ｍ／ｓ2 〕＝重力加速度 とすれば、ｖ＝１ｍ／ｓの速度及び約２．５ｇの遠心力
加速度ａz を想定して、リードｈに対する所定の関係領
域を関数ｆ（ｄ）として求めることができる。
【００２３】滑りを無視して、 ｖ＝ｈ・Ｕ ここでＵ＝ω／（２π） 従って、 ｖ＝ｈ・ω／（２π） ω＝２πｖ／ｈ ａz ＝ｄω2 ／２ ＝ｄ（２πｖ）2 ／（２ｈ2 ） であるので、ａz ≧２．５ｇ及びｖ＝１〔ｍ／ｓ〕なら
ば、 ２．５ｇ≦ｄ（２π・１）2 ／（２ｈ2 ）＝４ｄπ2 ／
（２ｈ2 ） ｈ2 ≦４ｄπ2 ／（２・２．５ｇ） ｈ≦２πｄ0.5 （５ｇ）-0.5＝０．８９７ｄ0.5 ≒０．
９ｄ0.5
【００２４】従ってフィンのリードｈが最大で平均の管
内径ｄの平方根の０．９倍に等しいような管を用いる場
合に、１ｍ／ｓの軸線方向流速のとき２５ｍ／ｓ2 の程
度の計算上の遠心力加速度ａz を期待することができ、
それによりリード及び管直径により与えられるこの関係
を維持する場合に前記の有利な効果が生じる。
【００２５】管のこの形状により、蒸気発生器中の冷却
媒体の低い流速を有する化石燃料だき蒸気発生器にこの
管を使用することもできる。
【００２６】更にこの発明に基づく管の有利な特性は太
陽熱蒸気発生器にも利用することができ、その際管は特
に通常水平に又は傾けて配置される。
【００２７】廃熱蒸気発生器又は熱交換器又は原子力発
電所での残留崩壊熱の吸収のための蒸気発生器に、この
発明に基づく管を用いることもしばしば有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に基づく管の一実施例の長手方向断面
図である。
【図２】図１に示す管の横断面図である。
【図３】管の異なる実施例の横断面図である。
【図４】管の異なる実施例の横断面図である。
【図５】管の異なる実施例の横断面図である。
【図６】管の異なる実施例の横断面図である。
【符号の説明】
ｄ 管内径 ｈ フィンのリード Ｈ フィンの半径方向高さ α リード角
フロントページの続き (72)発明者 ウオルフガング ケーラー ドイツ連邦共和国 8501 カルクロイト レツケンホーフアー ハウプトシユトラー セ 22 (72)発明者 エバーハルト ウイトコウ ドイツ連邦共和国 8520 エルランゲン シユローンフエルト 96

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内面上に多重ねじを形成するフィンを備
    えた管において、フィンのリード（ｈ〔ｍ〕）が最大で
    平均の管内径（ｄ〔ｍ〕）の平方根の０．９倍に等しい
    ことを特徴とする内面に多重ねじ形フィンを備えた管。
  2. 【請求項２】 フィンの半径方向高さ（Ｈ）が最小で平
    均の管内径（ｄ）の０．０４倍に達することを特徴とす
    る請求項１記載の管。
  3. 【請求項３】 平均の管内径（ｄ）が２７ｍｍより大き
    いことを特徴とする請求項１又は２記載の管。
  4. 【請求項４】 フィンの側面が半径方向において管軸線
    と８０〜９０°の角度を成すことを特徴とする請求項１
    ないし３の一つに記載の管。
  5. 【請求項５】 フィンの側面から管壁への移行部がそれ
    ぞれ丸められ、また管の内部空間中に自由に置かれたフ
    ィンの縁が角張っていることを特徴とする請求項１ない
    し４の一つに記載の管。
  6. 【請求項６】 管がフィンを除いて断面で円形の空間を
    囲み、管外面が断面で楕円形又は多角形であるか、ある
    いは管外面が少なくとも一つの長手方向リブを支持し、
    この長手方向リブが隣接管又は隣接管の長手方向リブ又
    は他の部材と溶接されることを特徴とする請求項１ない
    し５の一つに記載の管。
  7. 【請求項７】 管がフェライト系材料から成ることを特
    徴とする請求項１ないし６の一つに記載の管。
  8. 【請求項８】 管軸線に対し垂直な平面とフィンの側面
    との間のリード角（α）が６０°より小さいことを特徴
    とする請求項１ないし７の一つに記載の管。
  9. 【請求項９】 平均の管内径（ｄ）が３０〜４０ｍｍで
    あることを特徴とする請求項１ないし８の一つに記載の
    管。
  10. 【請求項１０】 ４０ｍｍの平均内径の場合にリード角
    （α）が５５°であることを特徴とする請求項１ないし
    ９の一つに記載の管。
  11. 【請求項１１】 同様に働く多数の管が燃焼室の壁とな
    るように溶接されて蒸気発生器の一部を形成することを
    特徴とする請求項１ないし１０の一つに記載の内面フィ
    ン付き管を備えた化石燃料だき蒸気発生器。
  12. 【請求項１２】 管が垂直に配置されていることを特徴
    とする請求項１１記載の化石燃料だき蒸気発生器。
  13. 【請求項１３】 管が水平に又は傾いて配置されている
    ことを特徴とする請求項１ないし１０の一つに記載の内
    面フィン付き管を備えた太陽熱蒸気発生器。
  14. 【請求項１４】 蒸気発生器が廃熱蒸気発生器又は熱交
    換器として働くか、又は残留崩壊熱の吸収のために原子
    力発電所に設けられることを特徴とする内面フィン付き
    管を備えた蒸気発生器。
JP4086495A 1991-03-13 1992-03-09 内面に多重ねじ形フインを備えた管とこれを用いた蒸気発生器 Pending JPH05118507A (ja)

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EP91103866A EP0503116B2 (de) 1991-03-13 1991-03-13 Rohr mit auf seiner Innenseite ein mehrgängiges Gewinde bildenden Rippen sowie Dampferzeuger zu seiner Verwendung

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