JPS5852984A - 多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本兄明は、流体の尋人される胴内に、この流体を横切る
方向に平行に配置され、その内部に第２の流体が導入さ
れる複数の管がら成り、餉（ハ）に導入される流体と管
内に導入される流体との両流体間で熱交換を行なうよう
にした多管式熱交換器に関する。

まず、従来の多管式熱交換器について説明する一第１図
（ａ）ないしｆｃ）は従来の多管式熱交換器を示したも
のである。図中（１）は管であり平行に多数配列されて
管群を形成している。（２）は管（１）を囲んでいる胴
であり、この胴（１）内を管肝入側空胴部（３）から管
群、出側空胴部（４）へ向けて流体が流れる。管（１）
はこの１ｊｌｉｌ（１１内を流れる流体を横切る方向に
平行に配置されるもので、胴（１）の一方の外壁側に設
けられた入口（５ａ）を有するドラム（６ａ）と、これ
と対称な８１す（１）の他方の外壁側に設けられた出口
（５ｂ）を有するドラム（６ｂ）との間に設けられてい
る。

管（１）は中空で両端は各ドラム（６ａ）、（６ｂ）内
に開口しており、入口（５ａ）から導入された流体は管
（］ンを通り出口（５ａ）から排出される。そして、胴
（１）内に導入された流体が管（１，）の外側を流れて
管群な通り抜ける際に、管（１３内を流れる流体と熱交
換が行なわれる。

なお、第１図（Ｃ）には管群の説明をする場合の３つの
方向と、管列、舌打の定義を示した。

サテ、以上のような多管式熱交換器に於て、胴内流体の
流速が増加すると（言い替えると管間流速Ｖが増加する
と）容管の後流側に後流渦が発生スル。この後流渦の代
表例としてカルマン渦ト称せられる渦があるが、この渦
の発生振動数ｆ、　（Ｈｚ）は一般に次式より求塘る。

υ こ＼に、Ｖ（ｍ／Ｓ）は第１図（ａｌに示した管間流速
であり、Ｄ（ｍ）は’Ｉｆ　（１）の外径、Ｓはストロ
ーノ・ル数と称する無次元数であり、一般に管群の配列
により決まるものである。

一方、胴内流体も弾性体としてふるまい疎密波状の振動
をする能力を有している。い捷胴内流体が気体の場合こ
のような振動を気柱振動と称している。（音は気柱振動
の一柚である。）第１図（ａ）の胴（２）の内、胴中Ｔ
ｌ（ｍ＋）を隔てて互に平行に対向した壁面間の１次元
気柱倣動を考えてみる。（第２図参照〕このような壁に
はさまれた空間に於ては、気柱振動の固有振動数ｔ　　
（Ｈｚ）が存在する・　　　　　　　°□ １’ｎは次式より求まる。ただしＣは上記空間における
音速（ｍ／ｓ）である。

この振動数ｆｎ近傍で励振されると非常に大きなレベル
の気柱振動が誘起され、いわゆる気柱共鳴状態になる。

共鳴状態になって、第２図に例示したような各モードが
胴内に発生したとき、これを定在波と呼ぶ。

第２図にこの固有撮動数ｆ１〜ｆ３の３ケースに相当す
る変位モードを示す。（実際には疎密波であるが、判り
易いように横波状に模擬して表示している。）　（ｆｎ
に相当するモードは第０次モードという）。

なお、上記の壁にはさまれた空間には、部分的又は全体
的に管群が存在するが、ｎか１〜３位の場合に於てはｆ
ｎへの影響は小さいようである。

以上より、ｆｋ４＝稲（ｎ−１，２，３、・・・〕にな
ると、第１図ｆａ）の胴中Ｔ□方向に気柱共鳴を生じる
ことが判る。気柱共鳴が発生すると、例えば胴（２）に
大きな撮動を生じて疲労破壊を招くこともあり、同時に
大きな音を発生してオペレータ不安や騒音公害を誘発す
るケースが多々見られる。

次に、多管式熱交換器において実際に問題になることの
多いところの第１次の固有撮動数ｆ１　とカルマン渦振
動数ｆｋの共鳴の発生例を第３図を用いて説明する。

第３図は横軸に管間流速Ｖをとり、縦軸にはｆａ）図で
は振動数をｆｂ１図では胴内の音圧レベルをトラて発生
状況を例示している。管群配置が定まると。

式（ＡＩに於て管外径りとストロ−ハル数Ｓ二α（αは
定数）が定まるから、ｆｋは第３図の直線（７）で示さ
れる。直Ａｍ（７Ｊｃ！：　ｆ、との交点に相当する管
間流速■二Ｖｒ近辺で前述の共鳴現象が発生することに
なるが、実際にはこのＶｒを囲むもっと広い■１〜■２
の区間ｅで共Ｑｉ６現象が発生することが多い（第３図
（ａ）中太縁参照）。区間ｅの広さは胴内部や、管群内
部の気柱振動の減衰特性等に依存するが、場合によって
は非常に広（なって運転範囲のほとんどをカバーしてし
まうこともあり、この区間°を凹かした運転かできなく
なる場合もありうる。

したがって、基本的にこのような共振を回赴するよう１
Ｊｌｐｌ内気柱倣動特性そのものを変える対策が必要で
ある。第１次の胴内気柱共鳴対策例を第４図に示した。

なお第４図の各格子点には管（旬が存在することを示し
ている。第４図に於て（８）はパンフル板と称する板で
、一般に１〜ｓ　ｍｍ厚のものを用いて、管３Ｆ深さ相
当かつ管長手方向に隙間な（挿入されることが多い。又
、パンフル板（８）の管群１４］方向の挿入位置は、第
２図に示した気柱振動モードの内回赴すべき最大次数の
モードのすべての腹と節の位置が妥当である。第４図で
は第１次のモートを対象にしているからその変位モート
の腹の位置に一枚だけ挿入している。

なお、図では當（１）は格子配列の場合についてのみ示
しているか、以上及び以降の記述は千鳥配列の場合に関
しても同様である。

このような対策の欠点について以下に述べる。

第４図のように管群深さ相当のパンフル＆　（８）　ヲ
挿入したものに於ては、管群部分の管群巾方向気柱振動
の１次固有撮動数はパンフル板（８）を挿入するＡ＋１
の２倍になっているはずであるが、実際に運転してみる
とバッフル板（８）を挿入する前の１次の固治振動数と
の第３図に示したような共鳴が依然として残っているこ
とがある。実験の結果、これは１・群入側及び出側の空
洞部分（３）、　（ａの気柱撮動特性が管胛内の渦発生
を刺激していることが判明した。管群入゛側及び出側空
洞部の影響を杷っには、この部分へもバッフル板（８）
を延長すればよいか、こうすると次のような難点がある
。

（１）管群挿入後に管群入側及び出側空洞部のパンフル
板を別途施工する必要がありコストが高くなる。

（２１高次のモード（式ＴＢＩでｎが大）が問題になる
場合にはバッファ仮挿入ビッーチが小さくなってバッフ
ル板枚数が増え、保守や点検の時に邪魔になる。

（３）管表面に付着する１１やダストを落とす為にスー
ツブロアを管群出側空洞部に挿入する場合には、その通
路に穴が明き空洞部をパンフル板で元金におおうことが
できず、パンフル板を押入した効果が小さくなる。

本発明は上記のような事情にもとすき、パンフル板を用
いることなく、胴内に気柱振動の定在波が発生しないよ
うにすることを目的としてなされたものである。

以下本発明の実施例を第５図ないし第１０図を参照して
詳細に説明する。

第５図は本発明の一実施例を示したものであり、第１図
と同様の部分には同一符号を附しである。

なお肯（１）は各格子点に存在している。

すなわち、本発明では、管（１）、を間にして対向する
）ｌｌｉｉ］　ｆ２）の壁面が平行とならないように、
、　Ｉｌｌ＋’］（２）を。

第５図件矢印で示した胴内流体の流れ方向に、角／ｆ０
＋（第５図柄（２Ｊの左側〕、θ２　（第５図１１１＋
１１　（２）の右ｆｊｌ！ｌ　）だけ傾けて形成、する
。θ１、ｏ２は特に仝じ値である必要はない。又、第５
図では胴（２）は末広がりに示しているが、逆の形も９
粍である。

傾斜栄件としては　１θｌ十０２１　＞　１０〜１５°
力ｇｔＬ、ｙ・（この場合Ｍ）述の胴内気柱共鳴をは輩
完全に消してしまうことができるンが、θｌ十０２二〇
の場合（第１図は０１　＝　（Ｊ２＝　Ｏでありこの場
合に相当する。）に比べて胴内気柱共鳴を起こりにくく
するという立場からは１θｉ＋０２１＞０　　てあれば
よい。

なお、胴（２）を以上のような構造にする区間は、第１
図にもどって示すと、最小限Ｌ１部分は必要であり、Ｌ
３、Ｌ５　（又はＬ２、Ｌ４　）へも通用する方が望ま
しい。

次に上記のように桐成した本発明の詳細な説明する。

第６図に示したような胴（２）の内部を矢印の方向に流
れる胴内流体の場に単管（ＩＡ〕が置かれている場合に
ついて説明する。

単管の後流側には前述の後流渦（９）が形成される。

いまこの渦の１つであるＦ点から出た弾性波の内組６図
中胴内を左方向に伝わるものに着目してみる。

第６図（ａｔは桐（２）の左右の内壁が互に平行な場合
である。（従来の０１十０２二〇に相当する。）この場
合にはＦ点から左に出た弾性波は矢印（１０）のように
胎内流体内をその流体の音速で伝わり、胴（２］の左側
内壁で反射して回を通り、胴（２）の右側内壁で反射し
てＦ点にもどってくる。（なお、胴内流体の流速は該流
体内の音速に比べて十分小さい場合が多いので無視して
説明している。）このように、ある点Ｆから出発した弾
性波が、反射をくり返した後に再び元のＦ点にもどる時
その経路にそって第２図で示したような定在波か発生し
気柱共鳴が問題になる。

一方第６図（ｂｌは５本発明の場合を示し、胴（２）の
対向する内面が平行ではないので、Ｆ点から出た弾性波
は反射をくり返す毎にＦ点から遠ざかり元のＦ点にはも
どって来ない。したがって原則として気柱共鳴の問題は
なくなる。

以上の作用は管群に関しても全（同様に言えるから、第
５図に示した本発明の実施例とし℃述べたような構造に
於ては、気柱共鳴問題の発生を回赳しうると考えること
かできる。

なお、第７図に示したように円筒状の８１＋１Ｆ２１の
中に管群が挿入されている場合が熱交換器ではしばしば
見られ、前述と同様な気柱共鳴の問題が経験されている
。この場合には対向する胴（２）は曲面であるが、第６
図の場合と同様に弾性波の反射を考えてみるとＦ→ｉｏ
→１１→１２→Ｆとなり気柱共鳴発生が裏付けられる。

したがってこのような餉形状の場合にも前述の構造案は
拡張して適用できるわけで、対向する胴（２）の内壁の
曲率を変えてやることにより、気柱共鳴の発生を防止す
ることができる。

第８図は本発明の他の実施例を示したもので、胴（２）
の外壁は平行であるが、胴（２）の内壁を胴内流体の流
れ方向にθ１、θ２だげ傾けて、１θ１＋０２１〉０と
した構造であり、他は第５図の場合と同様である。

なお、この場合、第８図では胴（２）を中実として示し
ているが、中空にする場合もありうるものとする。

第９図は本発明の史に他の実施例を示したもので、胴（
２）の内在側に示すように、１１１ａ］（２）又は胴（
２）の内壁表面を一平面とせず凹凸を有するように形成
したものである。

第１０図は本発明の他の実施例を示したものである。胴
（２）又ｃ’ｚ　１１＋ａｌ（２＋の内壁を管長手方向
に０３．０４だけ傾けて１θ３＋０４１〉０としたもの
で、他は第５図の場合と同じである。たソし、第１０図
中口は仕切板で、胴（２）を管長手方向に傾けることに
よって生じた開口部をふさぐためのものであり、　Ｃ１
４１は流路面積の拡大を防止するガイド板であり、ガイ
ド板ａ割こは例えば開口率１５〜２０％以上の小さい孔
（形状は円形等）が−面にあけである。このようにする
と、ガイド板σ弔は胴内流体が空洞Ｃｌ５１に入り込む
時の抵抗体になるが、管群内の弾性波は何の障害もなく
通り抜ける為第５図の実施例と仝様の作用効果が生じる
ことになる。

なお、この実施例の構成は、前述の他の実施例の何れか
１つ又は複数個と組み合わせて適用することもできるも
のである。

以上述べたように本発明によれは、胴内の管群の幅方向
に気柱振動の定在波の発生を防止することのできる多管
式熱交換器が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の多管式熱交換器を示す、（ａ）は要部の
縦断面図、（ｂ）は第１図（ａ）のｌ−ｌ−線に＆５断
面図、（Ｃ）は管群の説明図、第２図は胴内に生ずる気
柱振動の説明図、第３図（ａｌ、　（ｂ）は気柱振動の
発生状況を示す特性図、第４図は従来の胴内気柱共鳴の
防止策を示した図、第５図は本発明の一実施例を示す要
部断面図、第６図（ａ）、（ｂ）は本発明の作用を従来
のものと比較して説明するために示した説明図、第７図
ないし第１０図は大々本発明の他の実施例を説明するた
めに示した断面図である。 （１）・・管、（２）・・胴、（３）・・管群出側空胴
部、（４）・・管群出側空胴部、Ｔ１　　・・胴幅、■
・・管間流速。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 流体の導入される胴内に、この流体を横切る方向に平行
   に配置献されその内部に第２の流体が導入される複数の
   管から成り、前記両流体間で熱交換を行なう多管式熱交
   換器において、前記官を間に１２て対向する＾り記ｌ１
   １ｕｒの内壁面が平行とならないように形成したことを
   特徴とする多管式熱交換器。