JPH08136177A - スパイラルフィンチューブを用いた熱交換器 - Google Patents

スパイラルフィンチューブを用いた熱交換器

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JPH08136177A
JPH08136177A JP27910194A JP27910194A JPH08136177A JP H08136177 A JPH08136177 A JP H08136177A JP 27910194 A JP27910194 A JP 27910194A JP 27910194 A JP27910194 A JP 27910194A JP H08136177 A JPH08136177 A JP H08136177A
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雅幸 深川
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聡樹 甕
Setsu Yabune
節 薮根
Takayuki Maeda
隆之 前田
Arihiko Sorada
有彦 空田
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    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 伝熱特性に優れた、安価なスパイラルフィン
チューブを用いた熱交換器を提供する。 【構成】 本発明は、スパイラルフィンチューブを1.
T /SL 1.4、1.6D /de 2.2
の範囲の千鳥配列にした熱交換器において、スパイラル
フィンチューブを構成するベアチューブの外周面に巻
回、固着するスパイラルフィンの形状を、 0.36S/hf 0.6 0.29f /do 0.35 とした。これにより、スパイラルフィンによる熱伝達効
率を上げることができ、等価直径のベアチューブの管外
熱伝達の1.2倍以上の管外熱伝達率とすることがで
き、ドラフトロス一定、熱吸収率一定としたときの、熱
交換率の容積、重量および伝熱面積を大幅に低減でき、
低廉な熱交換器を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、排ガスボイラ等に使用
される、スパイラルフィンチューブを用いた熱交換器に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来熱交換器に、伝熱管(以下、ベアチ
ューブという)の外周面にスパイラルフィン(以下単に
フィンという)を巻回、固着して伝熱効率を上げるよう
に構成したスパイラルフィンチューブを、千鳥配列して
伝熱面としたものがある。このような熱交換器を製作す
る場合、まず、ベアチューブの配列のピッチを決定した
後、上記ピッチ配列のベアチューブに適したフィン仕様
にしたスパイラルフィンチューブを用いて製作されてい
る。
【0003】この場合の一般的な考え方としては、ベア
チューブの間隔を少くする程、ベアチューブの外側を流
れる流体の圧力損失、いわゆる多数のスパイラルフィン
チューブで形成される管群のドラフトロスが増大し、全
体としてのスパイラルフィンチューブを採用するメリッ
トが少ないものであった。
【0004】また、スパイラルフィンチューブのピッチ
配列およびフィン仕様は次のように定められていた。
【0005】hf /d o 0.45 SD /d e 2.0 但し、hf はベアチューブの外周面に巻回、固着される
フィンの高さ、do はベアチューブの外径、SD は数1
で示す、ガスの流れ方向に対し、斜めに隣り合うスパイ
ラルフィンチューブの間隔、すなわち、ガス流れ方向に
斜めの管ピッチ、de はスパイラルフィンチューブを、
フィンを持たない等価のベアチューブに換算するための
数2で算出される等価直径である。
【0006】
【数1】
【0007】
【数2】
【0008】しかし、この様にして定まる、ベアチュー
ブ配列とフィン仕様にした熱交換器では、管群のドラフ
トロス及び熱吸収量を一定としたときの伝熱面積を現在
より大幅に低減し、熱交換器を小さくすることはでき
ず、製造コストが高額になるという不具合がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、スパイラル
フィンチューブを単位伝熱面積当りの熱交換率が向上す
るような配列にして、ドラフトロス、および熱吸収量が
一定のときの、伝熱面積、熱交換器の容積、重量を低減
して、小さくできる伝熱特性に優れた、安価なスパイラ
ルフィンチューブを用いた熱交換器を提供することを課
題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】このため、本発明のスパ
イラルフィンチューブを用いた熱交換器は、次の手段と
した。 (1) ガスの流れ方向と直角な方向に配設されたスパ
イラルフィンチューブのピッチST と、ガスの流れ方向
に配設されたスパイラルフィンチューブのピッチSL
比ST /SL が、1.0から1.4の範囲で、ガス流れ
方向と斜め方向に隣接するスパイラルフィンチューブの
ピッチSD と、数式2で算出される、スパイラルフィン
チューブの等価直径de との比SD /de が、1.6か
ら2.2の範囲で配列される、ベアチューブの外周面に
巻回され、固着されるフィンのベアチューブ軸心方向の
間隔Sと、伝熱管の外周面上のフィンの高さhf の比S
/h f を0.36以上で0.65以下の範囲になるよう
にした。 (2) また、前記フィンの高さhf と伝熱管の外径d
o の比hf /do を0.29以上で0.35以下の範囲
になるようにした。
【0011】
【作用】排ガスボイラ用に使用されるスパイラルフィン
チューブは、一般の空調用熱交換器に用いるスパイラル
フィンチューブと比較すると、フィンの高さhf が低
く、フィンの間隔Sを大きくしているため、ベアチュー
ブの伝熱特性に近い特性を示す。また、フィン形状のパ
ラメータS/hf 、hf /do に関して、以下理由によ
り、ベアチューブの伝熱特性を大きく上回る最適な領域
があることがわかる。
【0012】パラメータS/hf に関して、S/hf
大きいと、ベアチューブに近い状態になり、フィン近傍
の流速は大きくなり、フィンによる伝熱特性が上昇し、
また、S/hf が小さいと、フィン根本部に加熱ガスが
流れにくくなり、結果として、フィンによる伝熱特性が
低下する。よって、S/hf について、伝熱特性に最適
な領域があると予測されること。
【0013】パラメータhf /do に関して、hf /d
o に関しても、hf が低いと、ベアチューブに近い状態
になり、フィン近傍の流速は増加してフィンによる伝熱
特性が良くなり、hf が高いと、フィン根本部に加熱ガ
スが流れなくなり、結果として、フィンによる伝熱特性
が低下し、パラメータS/hf と同様に、hf /do
ついても最適な領域があることが予測されること。
【0014】このように最適な領域は、フィン根本部の
加熱ガスの流れが伝熱特性に大きく関係すると予測され
ることから、ST /SL の範囲を1.0〜1.4、SD
/d e の範囲を1.6〜2.2にして、スパイラルフィ
ンチューブを千鳥配列にして、表1に示す要目のケース
Noについて実験を行った結果、フィンの間隔とフィンの
高さの比S/hf に対する熱伝達率比h/ho の関係に
ついては、図2に、フィンの高さとベアチューブ外径と
の比hf /do に対する熱伝達率比h/ho の関係につ
いては、図3が得られた。
【0015】但し、hは管外全表面積基準のスパイラル
フィンチューブの管外熱伝達率(kcal/m2h℃)、ho
は、スパイラルフィンチューブ形状を、数式2で算出さ
れる等価直径に換算したベアチューブにおける、管外熱
伝達率(kcal/m2h℃)を示す。
【0016】これらの図から、0.36≦S/hf
0.65、かつ0.29≦hf /do≦0.35の条件
を満すフィンを具える、ケースNo16、17、19、2
6のスパイラルフィンチューブの伝熱特性が良好となる
ことがわかる。
【0017】従って、この範囲になるようにしたフィン
を具えるスパイラルフィンチューブを用いた熱交換器に
すれば、管群のドラフトロス、及び熱吸収量を一定とし
たときの伝熱面積を大幅に低減でき、熱交換器容積を小
さくして、製造コストを下げることができる。
【0018】
【実施例】以下、本発明のスパイラルフィンチューブを
用いた熱交換器の実施例を図面にもとづき説明する。図
1は、本発明のスパイラルフィンチューブを用いた熱交
換器に使用する、スパイラルフィンチューブの一実施例
を示す図で、図1(A)は部分断面図、図1(B)は部
分側面図である。
【0019】図に示すように、外径do のベアチューブ
1の外周面には、板厚tf 、高さh f のフィン2が軸方
向に間隔Sで螺旋状に巻回されて、その基端が溶接等に
より固着されて、スパイラルフィンチューブ3が構成さ
れている。
【0020】また、このスパイラルフィンチューブ3
を、フィンを持たないベアチューブに換算する等価直径
e は、上記ベアチューブ1の外径do 、フィンの板厚
f 、高さhf 、外径df および軸方向のインチ当りの
フィン枚数nf (nf =25.4/S)と、数2により
算出できる。
【0021】スパイラルフィンチューブ3は、熱交換器
における加熱ガスFの流入方向と直交する方向に配列さ
れ、ガス流れ方向と直交する方向の管ピッチをST 、ガ
ス流れ方向の管ピッチをSL 、ガス流れ方向に斜めの管
ピッチをSD としたとき、 1.0T /S L 1.4 1.6D /d e 2.2 の範囲の千鳥配列で熱交換器に収容されている。
【0022】上記において、流速5〜10kg/m2Sの加
熱ガスを流したとき、それぞれ設計条件を、管群のドラ
フトロスは30mmAq以内、熱吸収量20.79×106
kcal/h、管取付方向の幅は、7.3mとしたときの実
験結果を、表1および図2、図3に示す。
【0023】
【表1】
【0024】表1および図2、図3に示すように、0.
36S/h f 0.65かつ0.29f /d o
0.35の範囲の本実施例では、h/h o 1.23の
管外熱伝達率比が得られることがわかった。
【0025】これに対して、0.36S/h f 0.
65の範囲にあっても、hf /do=0.22のケースN
o18、および0.29f /d o 0.35の範囲
にあっても、S/hf =0.34のケースNo24又はS
/hf =0.35のケースNo30の如く、一方の範囲が
逸脱するケースにおいては、h/ho が略1.0程度と
良好な伝熱特性が得られないことがわかった。
【0026】また、本実施例のケースNo16、17とベ
アチューブ1の外径が一致している比較例ケースNo30
を比較したところ、ケースNo16、17のドラフトロス
は、ケースNo30のものに比べ、増加しないことがわか
った。
【0027】このように、本実施例の範囲のフィン2を
具えるスパイラルフィンチューブを使用する場合には、
単位伝熱面積当りの熱交換率が向上する。一方、このよ
うに、熱交換率が高まり伝熱面積を減少させることがで
きれば、熱交換器に設けるスパイラルフィンチューブ3
の本数を減少させることができるため、熱交換器の奥行
きを短縮でき、またフィン2の高さも縮小できる。
【0028】その結果、伝熱面積、フィン2とベアチュ
ーブ1の合計重量および熱交換器容積について、ケース
No16、17の本実施例と比較例ケースNo30を比較し
た、表2に示すように、本実施例のものは比較例のもの
に対して、大幅に低減できることがわかった。
【0029】
【表2】
【0030】以上述べたように、本実施例のスパイラル
フィンチューブを用いた熱交換器は、伝熱面積、熱交換
器の容積、フィンとチューブ重量共に大幅に低減できる
ようになったため、大幅なコスト低減が可能となった。
【0031】また、本実施例においては、ベアチューブ
1およびフィン2材質を炭素鋼(SPCC)としたが、
材質を1〜3%Cr鋼等低合金鋼、又はSUS材を使用
した場合も、相対的に同様な効果が得られることがわか
った。
【0032】
【発明の効果】以上述べたように、本発明のスパイラル
フィンチューブを用いた熱交換器によれば、特許請求の
範囲に示す構成により、熱交換器の容積、重量共に、大
幅に低減させ、低ドラフトロスで、伝熱特性の優れた、
スパイラルフィンを用いた熱交換器とすることができる
ようになり、従来のものに比べて、大幅なコストダウン
が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスパイラルフィンチューブを用いた熱
交換器に使用するスパイラルフィンチューブの一実施例
を示す図で、図1(A)は配列を示すための部分断面
図、図1(B)は部分側面図、
【図2】S/hf に対するh/ho の関係を示す図、
【図3】hf /do に対するh/ho の関係を示す図で
ある。
【符号の説明】
1 ベアチューブ 2 フィン 3 スパイラルフィンチューブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前田 隆之 長崎市飽の浦町1番1号 三菱重工業株式 会社長崎造船所内 (72)発明者 空田 有彦 広島市西区観音新町四丁目6番22号 三菱 重工業株式会社広島製作所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スパイラルフィンチューブを、1.0
    T /S L 1.4、1.6D /d e 2.2の千
    鳥配列にした、スパイラルフィンチューブを用いた熱交
    換器において、前記スパイラルフィンチューブが 0.36S/h f 0.6 0.29f /d o 0.35 で形成されるスパイラルフィンを、ベアチューブの外周
    面に固着して形成されていることを特徴とするスパイラ
    ルフィンチューブを用いた熱交換器。但し、 ST ;ガス流れ方向に直交方向の管ピッチ(mm) SL ;ガス流れ方向の管ピッチ(mm) SD ;ガス流れ方向に斜めの管ピッチ(mm) de ;スパイラルフィンチューブの等価直径(mm) S ;スパイラルフィンの間隔(mm) hf ;スパイラルフィンの高さ(mm) do ;ベアチューブの外径(mm)
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