JPH08261679A - 多管式熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

多管式熱交換器及びその製造方法

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JPH08261679A
JPH08261679A JP6989795A JP6989795A JPH08261679A JP H08261679 A JPH08261679 A JP H08261679A JP 6989795 A JP6989795 A JP 6989795A JP 6989795 A JP6989795 A JP 6989795A JP H08261679 A JPH08261679 A JP H08261679A
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JP
Japan
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tube
heat transfer
heat exchanger
transfer tube
sheet
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Application number
JP6989795A
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English (en)
Inventor
Keiichiro Watanabe
敬一郎 渡邊
Yoshinobu Goto
義信 後藤
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1684Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits having a non-circular cross-section

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Abstract

(57)【要約】 【構成】 平行に並んだ複数の伝熱管2の両端部に、該
伝熱管を支持するための管板1a、1bが接合されてな
る多管式熱交換器において、上記伝熱管2が略楕円状の
断面を有し、更にその内部に管の長手方向と平行に延び
る1枚以上のリブを有するものであることを特徴とする
多管式熱交換器。 【効果】 略楕円状の断面を有する伝熱管を用いること
により、伝熱管の外側を流れる管外流体の流れが伝熱管
から剥離しにくくなり、この結果、熱伝達率が向上する
という効果が得られる。また、円管を伝熱管に用いた場
合に比して、管外流体の流動抵抗が小さく、管外圧損が
小さくなる。更に、伝熱管の内部にリブを有することに
より、伝熱面積が増大して管内熱交換量が大きくなると
ともに強度も向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、多管式熱交換器及びそ
の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】高温流体から低温流体へ熱を伝達させる
ために用いられる熱交換器のうちの代表的なものとし
て、多管式熱交換器が知られている。この多管式熱交換
器においては、通常、平行に並んだ複数の伝熱管の両端
部に、これら伝熱管を支持するための管板が接合されて
伝熱管群が構成され、伝熱管の内部を流れる流体と外部
を流れる流体との間で伝熱管の壁を介して熱の授受が行
われる。最近は、通常の金属材料からなるものの他、セ
ラミック材料からなる多管式熱交換器の開発も進められ
ている。ところで、従来の多管式熱交換器は、その伝熱
管として円形の断面を有する円管が用いられてきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、円管を
伝熱管に用いた従来の多管式熱交換器では、伝熱管の外
側を流れる管外流体が伝熱管と直角に流れる場合、図9
に示すように、流体の流れ方向に対する伝熱管2の後方
部において流体の流れが伝熱管から剥離しやすい。そし
て、このような剥離域が生じることによって、熱伝達率
が低下するという問題があった。また、円管を伝熱管に
用いると、管外流体の流動抵抗が大きく、管外圧損が大
きいという問題もあった。本発明は、このような従来の
問題を考慮してなされたものであり、管外流体の流れが
伝熱管から剥離しにくく熱伝達率に優れるとともに、管
外圧損も少ない多管式熱交換器を提供することをその目
的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、平行に
並んだ複数の伝熱管の両端部に、該伝熱管を支持するた
めの管板が接合されてなる多管式熱交換器において、上
記伝熱管が略楕円状の断面を有し、更にその内部に管の
長手方向と平行に延びる1枚以上のリブを有するもので
あることを特徴とする多管式熱交換器、が提供される。
【0005】また、本発明によれば、略楕円状の断面を
有し、更にその内部に管の長手方向と平行に延びる1枚
以上のリブを有する伝熱管を押し出し法にて成形して予
め作製し、これを別途作製した伝熱管の断面外周形状と
相似の透孔を有する管板と組み合わせて接合することを
特徴とする多管式熱交換器の製造方法、が提供される。
【0006】
【作用】上記のように、本発明の多管式熱交換器は、伝
熱管として略楕円状の断面(伝熱管の軸方向と直角に切
ったときの断面)を有するものを用いている。この伝熱
管を、その略楕円状断面における長軸が管外流体の流れ
方向と平行になるように配置することにより、図5のよ
うに、管外流体の流れが伝熱管2から剥離せず、この結
果、優れた熱伝達率が得られる。また、円管を伝熱管に
用いた場合に比べ、管外流体の流動抵抗が小さく、管外
圧損が小さくなる。
【0007】なお、本発明において「略楕円状の断面を
有するもの」には、図5に示す伝熱管2のように、その
断面形状が完全な楕円のもののみならず、楕円に類する
断面形状のもの、例えば図6に示す伝熱管2のような小
判形の断面形状のものや、図7に示す伝熱管2のような
流線形断面形の断面形状のものも含まれるものとする。
【0008】また、伝熱管は、その内部に伝熱管の長手
方向(軸方向)と平行に延びるリブを有する。このよう
にリブを設けることにより伝熱管内を流れる管内流体と
の接触面積(伝熱面積)が増大し、また伝熱管の強度が
向上する。リブの枚数には特に制限はないが、そのうち
の少なくとも1枚は、略楕円状の断面における短軸と平
行に形成されることが、管内熱伝達率向上の観点から好
ましい。例えば図5〜図7のように、短軸と平行なリブ
4のみを形成してもよいし、図8のようにハニカム状の
リブ4を設けるようにしてもよい。
【0009】本発明では、伝熱管の略楕円状の断面にお
ける、長軸と短軸の長さの比(長軸の長さ/短軸の長
さ)が2以上であることが好ましい。この比が2より小
さいと、伝熱管が円管である場合に近くなって、管外流
体の伝熱管からの剥離防止や管外圧損低下の効果が不十
分となる。
【0010】リブの肉厚は管の肉厚と同等かそれ以下で
あることが好ましい。リブの肉厚があまりに厚すぎる
と、リブによって管内流体の流動抵抗が大きくなり、伝
熱管内の圧損が増加する。また、伝熱管には、その外面
にフィンを設けて管外流体との接触面積を大きくするよ
うにしてもよい。
【0011】図1のように、伝熱管2の両端はそれぞれ
管板1a、1bに設けられた透孔に挿入された状態で接
合固定されるが、図2のように、これら伝熱管2の両端
に接合された2枚の管板1aと1bの間に、更に少なく
とも1枚以上の伝熱管固定用の管板(中間管板)1cを
設けてもよい。このように中間管板を設けることにより
流体中での耐振性や強度信頼性を向上できる他、薄い中
間管板を多数設けることにより上記フィンを設けた場合
と同様の効果を得ることもできる。
【0012】伝熱管及び管板の材質としては、従来より
一般的に用いられている金属材の他、セラミックス材を
用いてもよい。この場合、伝熱管及び管板を全てセラミ
ックスで構成してもよいし、伝熱管をセラミックスで構
成し、管板を金属製としてもよい。また、伝熱管の両端
部に接合される2枚の管板のうち、1枚の管板が金属製
で、もう1枚の管板がセラミックスからなるものとして
もよい。セラミックスとしては、高強度・高耐熱性の窒
化珪素、炭化珪素、アルミナ、あるいは耐食性に優れる
ガラス等が好適に用いられる。
【0013】次に、本発明の多管式熱交換器の製造方法
について説明する。本発明の多管式熱交換器は、代表的
には以下のような方法により作製される。まず、上記の
ような金属やセラミックス材料を用いて、略楕円状の断
面を有し、その内部に管の長手方向と平行に延びる1枚
以上のリブを有する伝熱管を押し出し法にて成形し、こ
れを必要に応じて焼成するなどして予め作製しておく。
また、図3のように、この伝熱管の断面外周形状と相似
の透孔3を有する管板1をプレス成形等により別途に作
製する。こうして作製された伝熱管と管板とを組み合わ
せて接合し一体化する。伝熱管と管板との接合の方法と
しては、ガラス材による接合等を用いることもできる
が、次のように管板の焼結収縮を利用した接合でもよ
い。
【0014】この場合、管板をセラミックス又は金属の
焼結性の粉末で成形し、その透孔に上記のように予め作
製した伝熱管を挿入して組み合わせる。図4のように、
固定用治具5を用いるなどして、伝熱管2の所定位置
(伝熱管の両端部及び中間管板を設ける場合には更に所
定の中間部)に管板1a、1bを位置決めし、この状態
で管板部を加熱焼成する。こうして、管板を焼結させ、
その際の焼結収縮を利用して管板と伝熱管とを一体的に
接合する。すなわち、伝熱管の管板の透孔に挿入された
部分が、焼結に伴う透孔の収縮により締め付けられ抱持
された状態となる。焼結による収縮量等を考慮して、適
切な締め代を設定することにより、強固で気密性の良い
接合状態を得ることができる。
【0015】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に
説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。
【0016】断面形状が楕円形でその内部に管の長手方
向と平行に延びるリブを有する管(リブ付き楕円管)と
円管をそれぞれ伝熱管とした2種の多管式熱交換器を作
製し、両者の伝熱特性を比較した。なお、伝熱管の形状
による効果のみを比較するため、円管(内径5mm、外径
7mm)とリブ付き楕円管(長軸内径7.7mm、短軸内径
3.85mm、管の肉厚1mm)の相当水力直径を同じとし
た(内径5mm、外径7mm)。管の長さは両方とも500
mmとし、また、リブ付き楕円管のリブは、その断面にお
ける短軸と平行に9枚(リブ厚0.2mm)設けた。管の
材質は窒化珪素とし、管の両端部に、管と同材質からな
る管板を上述したような焼結収縮を利用した方法にて接
合した。管の配列は、それぞれ図10(a)、(b)に示す
ような千鳥配列とし、配列ピッチはS1=9.8mm、S
2=9.1mmとした。管外流体は入口温度900℃の高
温ガス(管外流のレイノルズ数Re=40000)と
し、管内流体は入口温度500℃の空気(管内流のレイ
ノルズ数Re=8000)とした。
【0017】[管外熱交換量の比較]:リブ付き楕円管
回りのガスの流れは円管と異なり剥離がないため、伝熱
管の列数による管外熱伝達率の低下はない。円管の管外
熱伝達率α01とリブ付き楕円管の管外熱伝達率α02を比
較すると下表のようになる。
【0018】
【表1】
【0019】上流側は高温流体(ガス)と低温流体(空
気)との温度差が大きいため熱交換量が多く、円管の管
外熱交換量Q01とリブ付き楕円管の管外熱交換量Q02
比較すると下表のようになると予想される。
【0020】
【表2】
【0021】したがって、トータル列数で考えた総合熱
交換量はリブ付き楕円管の方が10〜20%程度高いと
考えられる。更に、管の外側にフィンを付けて伝熱面積
を拡大することで、熱交換量は2倍程度まで大きくなる
と予想される。
【0022】[管外圧損の比較]:計算の結果、リブ付
き楕円管群の管外圧損ΔP02は、円管群の管外圧損ΔP
01の約1/4と予想される。
【0023】[管内熱交換量の比較]:リブによるフィ
ン効果(伝熱面積拡大)が特に大きく(その他に管とリ
ブのふく射熱伝達効果)、リブ付き楕円管の管内熱交換
量Q12は、円管の管内熱交換量Q11の2倍以上と計算さ
れる。
【0024】[管内圧損の比較]:リブによる流動抵抗
が大きくなるため、計算の結果、リブ付き楕円管の管内
圧損ΔP12は、円管の管内圧損ΔP11の約2倍以下と予
想される。
【0025】上記各比較結果より、円管よりもリブ付き
楕円管を伝熱管に用いた方が好ましいと判断される。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、略楕円状の断面を有する伝熱管を用いることによ
り、伝熱管の外側を流れる管外流体の流れが伝熱管から
剥離しにくくなり、この結果、熱伝達率が向上するとい
う効果が得られる。また、円管を伝熱管に用いた場合に
比して、管外流体の流動抵抗が小さく、管外圧損が小さ
くなる。更に、伝熱管の内部にリブを有することによ
り、伝熱面積が増大して管内熱交換量が大きくなるとと
もに強度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る多管式熱交換器の一例を示す側面
概要図である。
【図2】本発明に係る多管式熱交換器の一例を示す側面
概要図である。
【図3】管板の平面図である。
【図4】本発明に係る多管式熱交換器の製造方法の一例
を示す説明図である。
【図5】本発明に係る多管式交換器の伝熱管の一例を示
す断面図である。
【図6】本発明に係る多管式交換器の伝熱管の一例を示
す断面図である。
【図7】本発明に係る多管式交換器の伝熱管の一例を示
す断面図である。
【図8】本発明に係る多管式交換器の伝熱管の一例を示
す断面図である。
【図9】従来の多管式交換器の伝熱管の一例を示す断面
図である。
【図10】実施例における伝熱管の配列を示す説明図で
ある。
【符号の説明】
1,1a,1b,1c…管板、2…伝熱管、3…透孔、4
…リブ、5…固定用治具

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平行に並んだ複数の伝熱管の両端部に、
    該伝熱管を支持するための管板が接合されてなる多管式
    熱交換器において、上記伝熱管が略楕円状の断面を有
    し、更にその内部に管の長手方向と平行に延びる1枚以
    上のリブを有するものであることを特徴とする多管式熱
    交換器。
  2. 【請求項2】 略楕円状の断面における長軸と短軸の長
    さの比(長軸の長さ/短軸の長さ)が2以上である請求
    項1記載の多管式熱交換器。
  3. 【請求項3】 伝熱管のリブのうちの少なくとも1枚
    が、略楕円状の断面における短軸と平行に形成されてい
    る請求項1又は2に記載の多管式熱交換器。
  4. 【請求項4】 伝熱管のリブの肉厚が管の肉厚と同等か
    それ以下である請求項1ないし3のいずれかに記載の多
    管式熱交換器。
  5. 【請求項5】 伝熱管がセラミックスからなる請求項1
    ないし4のいずれかに記載の多管式熱交換器。
  6. 【請求項6】 伝熱管の両端部に接合された2枚の管板
    の間に、更に少なくとも1枚以上の伝熱管固定用の管板
    を有する請求項1ないし5のいずれかに記載の多管式熱
    交換器。
  7. 【請求項7】 全ての管板がセラミックスからなる請求
    項1ないし6のいずれかに記載の多管式熱交換器。
  8. 【請求項8】 伝熱管の両端部に接合された2枚の管板
    のうち、1枚の管板が金属製で、もう1枚の管板がセラ
    ミックスからなる請求項1ないし7のいずれかに記載の
    多管式熱交換器。
  9. 【請求項9】 略楕円状の断面を有し、更にその内部に
    管の長手方向と平行に延びる1枚以上のリブを有する伝
    熱管を押し出し法にて成形して予め作製し、これを別途
    作製した伝熱管の断面外周形状と相似の透孔を有する管
    板と組み合わせて接合することを特徴とする多管式熱交
    換器の製造方法。
  10. 【請求項10】 管板をセラミックス又は金属の焼結性
    の粉末で成形し、この管板の透孔に、予め作製した伝熱
    管を挿入して組み合わせ、伝熱管の所定位置に管板を位
    置決めした状態で管板部を加熱焼成し、その際の管板の
    焼結収縮を利用して管板と伝熱管とを一体的に接合する
    請求項9記載の製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Legal Events

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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 19981013