JPS61153388A

JPS61153388A - 熱交換装置

Info

Publication number: JPS61153388A
Application number: JP27959084A
Authority: JP
Inventors: Kazu Igarashi; 五十嵐　和; Tetsuji Nishiyama; 西山　哲司; Koji Nakamura; 康治中村; Kenichi Mase; 間瀬　健一; Ryozo Echigo; 越後　亮三
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1984-12-26
Filing date: 1984-12-26
Publication date: 1986-07-12

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】〔産業上の利用分野〕この発明は、供給ヘッダと排出ヘッダに両端を個別に直
結してなる伝熱管を備え、この伝熱管の外側に流通抵抗
体を配置した熱交換装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、被加熱流体と加熱流体との間で熱交換を行う所
謂熱交換装置は、これによる熱交換効率を向上させるた
めに不断の研究がなされている。

その熱交換効率の向上のために、受熱部や放熱部を形成
する伝熱管に多数のフィンを設けることが一般に行われ
ている。例えば、実公昭３８−２５１８１号公報に開示
されている熱交換板は単位面積当たりの放熱面積を大き
くし、熱交換の効率を向上させるために、蛇行状に折曲
させた金属製蛇管の各直管部に、金属製の細長い帯状の
放熱ひれを籠の目状に編み込んだものである。また、実
開昭５１−９３５９号公報や実開昭５２−９５９５９号
公報に開示されたものも、放熱管の放熱効果を向上又は
調整できるフィンの例が開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、これらの形式の伝熱管にあっては、伝熱管とフ
ィンとを密接又は固着させて伝熱管とフィンとの間相互
の伝熱効果を利用するものであるために、熱交換の効率
はあまり高くないという問題点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、多数の伝熱管の夫々の一端を流体の供給ヘ
ッダに直結するとともに、その他端を流体の排出ヘッダ
に直結し、伝熱管外側の流体の流れに抵抗を与えてその
向きを変えることによりこの流体を伝熱管に充分接触す
るようにした流通抵抗体を、前記伝熱管の外側に接触さ
せ、且つ各伝熱管と交差する方向に延在させて配置した
ことにより、前記従来技術の問題点を解決する。

〔作用〕

この発明の流通抵抗体は、伝熱管外側を通過する加熱流
体又は被加熱流体の流れに抵抗を与えてその向きを変え
ることにより、流体の流れを、伝熱管表面で、軸方向及
び周方向に沿わせて、流体が伝熱管表面に接触する面積
及び時間を大にする。

これによって、流体と伝熱管との間の熱伝達を充分に行
わせるものである。特に、流通抵抗体は細線からなるも
のであるため、この細線と伝熱管との接触面積は極めて
小さくなるから、細線が伝熱管表面と流体との接触面積
を減少させることがない。このため、流体と伝熱管との
間の前記熱伝達作用は有効に行われる。また、細線の断
面が円形又は楕円形である場合のように、断面の輪郭の
うち少なくとも伝熱管に接する部分が弧状をしているも
のであれば、細線と伝熱管との接触は、線接触又は点接
触になるから、流体と伝熱管表面との接触面積を細線が
減少させることがなくなる。

〔実施例〕

図面はこの発明の一実施例を示すものである。

第１〜７図はこの発明の第１実施例を示すものであり、
特に、第１．２図は、伝熱管１と供給ヘッダ２と排出ヘ
ッダ３とを示す図である。伝熱管１は、第１図に示すよ
うに供給ヘッダ２と、これに平行な排出ヘッダ３との間
に連結されており、多数の伝熱管１が両ヘッダ２，３間
に並列に且つ平面的に配置されている。供給ヘッダ２か
ら各伝熱管１を通過して排出ヘッダ３に至る流体として
は、この実施例では被加熱流体としての液体を用い、ま
た伝熱管１を介して前記被加熱流体を加熱する加熱流体
としては気体を用いて、この気体により液体を加熱する
ようにした。

伝熱管１としては、腐食を防止し且つ耐圧にするために
、耐腐食性の金属管１例えばステンレス。

チタン、インコネル、ｉｐｌ等の細管を用いる。またこ
の伝熱管１は、流路抵抗による圧力損失を生じないよう
に直管や湾曲した管とする。この湾曲の曲率は、流路抵
抗による圧力損失が、直管の場合と大差ない程度とする
。

各伝熱管１の間には第３〜６図に示す通り伝熱管１の表
面を横切るように細線からなる流通抵抗体５を配設した
。この流通抵抗体５をなす細線には、伝熱管１に対する
加熱流体の接触状態を調整できるよう、直径０．５　＊
＊＊の断面円形の針金を用い、伝熱管ｌを縦糸、細線を
横糸として畳織状に編込んで構成したものである。そし
て、この細線は好ましくは耐腐食、耐熱性のもの、例え
ばステンレス、チタン、インコネル、銅、セラミックフ
ァイバー、硝子繊維、炭素繊維等を用いるのがよい。

同一の伝熱管１の表裏いずれかに表れて隣接している細
線同士の間隔Ｗ（細線の芯から芯まで）は、少なくとも
細線の径相当の距離（直径の２倍）〜直径の４倍程度が
好ましい。間隔Ｗが細線の直径の２倍ということは、伝
熱管１の表裏いずれか一方に表れている２本の細線の間
隔が、ちょうど細′ａ１本分の間隔であることを意味し
、その間隔に、２本の伝熱管１同士の中間で、表裏の他
方に表れる１本の細線が入り込み、第４図に表れるよう
に交差することになる。

隣接する細線の間隔が大きすぎると、流体の流通抵抗が
低くなるため、流通抵抗体としての機能が低下する。第
３．５．６図においては、理解しやすいように流通抵抗
体５の間隔を広げて、流通抵抗体５相互間の間隔が大き
く示されている。なお、第３図に示す４は加熱流体の流
線を示す。

発明者らの実施に際しては、加熱流体として燃焼ガス、
被加熱流体としては水を用い、伝熱管１としてステンレ
ス製の直管を用いて、初めに、細線の流通抵抗体５を配
設しない状態、即ち、第１図に示す状態で次の実験をし
た。この実験では伝熱管１の外径りを種々変化させ、こ
れに対応して内径ｄも変化させた。また多数の伝熱管１
のうち相互に隣接する伝熱管１どうしの間隔についても
これを変化させて実験した。第１表、第９，１０図にそ
の結果が示される。なお、伝熱管１の径の変化と熱交換
効率との関係を調べる実験（結果が第１表、第９図に表
される実験）においては伝熱管１相互の間隔は２龍とし
、次の条件で実験した。

○条件・供給ヘッダ２及び排出ヘッダ３の径外径Ｄ＝２０１内径ｄ＝９ｍＡ・伝熱管１の径（単位ｍｓ）外径Ｄ　＝１．０．２．０．３．０．４．０．５．０．
６．０↓　　↓　↓　　↓　↓　　↓ 内径ｄ　＝０．７．１．５．２．５．３．５．４．５．
５．５・加熱流体　　燃焼ガス温度＝８００℃ ・被加熱流体・　水これらの結果から、特に第９図から明らかなように、伝
熱管１の外径りが３ｆｌ以下になると、熱交換の効率（
％）が飛躍的に増大することが理解できる。但し、ここ
での効率は燃焼ガスの発生熱量に対する水の得た熱量の
割合とした。また、給水圧力を第１表のように臨界圧力
状態とした場合は、伝熱管１内の水の温度も高温の液状
で得ることができ、この水が径の大なる排出へラダ３に
至って蒸気になった状態で、高圧の蒸気として回収した
。

さらに、超臨界圧力の状態で実験した条件及びその結果
を第２表に示す。これでわかるごとく、この発明の伝熱
管によれば高圧に耐えられ、しかも伝熱管内の被加熱流
体を液状のまま保持することができるということがわか
った。さらにまた、排出ヘッダ内も高圧に保持すれば、
排出ヘッダ内でも液状のまま保持できることも分かった
。

○条件　・供給ヘッダ２及び排出へラダ３の径外径Ｄ＝
２０ｍｍ、内径ｄ　＝　９　ｍｍ・伝熱管１の径外径Ｄ＝１．０ｍ、内径ｄ　＝　０．７鰭・伝熱管１の
長さ　１ｍ　　２ｍ・加熱流体　燃焼ガス　温度＝１４００°Ｃ・被加熱流
体　高圧熱水・被加熱流体の流速　０．７２ｍ／Ｓ力が、伝熱管１内の水と伝熱管１管壁との間の熱伝達力
や伝熱管１肉厚内の熱伝達力よりも極めて小さく、加熱
ガスと被加熱水との間の熱交換効率は、加熱ガスと管壁
との間の熱伝達力によって律則されるので、伝熱管１の
径については、外径を規定すれば充分である。かくして
伝熱管１の材料を決めてしまえば、内径ｄや肉厚Ｃは熱
伝達力に大きな影響を与えないものであるから、内径ｄ
や肉厚Ｃは耐圧性、圧力損失などの条件に応じて適宜設
定すればよい。

また、隣接する伝熱管１相互の間隔については、外径が
１．３．５ｍｍの伝熱管１を用いて実験したが、その結
果を示す第１０図から明らかなように、外径がｌ　ｍ＋
ｓと３順の伝熱管１については、間隔が３鰭を超えると
熱交換効率が大きく低下し、３　ｍｍ以下にあってはそ
の効率が高く維持されることが分かった。また外径が５
＋ｎの伝熱管については、間隔が狭いほうが広いよりも
熱交換効率が高いものの、外径３１■以下の伝熱管ｌと
比較すると、外径５龍の伝熱管は間隔の広狭を問わず熱
交換効率が低いことが理解できる。このように伝熱管１
の間隔が３龍以下になると熱交換効率が高くなるのは、
伝熱管１間を通過する加熱流体に抵抗が生じて流れに乱
れが発生することにより、加熱流体が伝熱管１に接触す
る時間が長くなり且つ接触面積も増大するためであると
認められる。

かくして、伝熱管１に流通抵抗体５を配設しない場合は
、第９．１０図の結果から、伝熱管１の外径が３ｗｌ以
下であり、且つ隣接する伝熱管１どうしの間隔が３鰭以
下である場合に、熱交換効率が顕著に向上することが理
解できる。

次に、この発明者らは、前記伝熱管１に細線からなる流
通抵抗体５を、前記説明のように配設して、熱交換効率
を比較する実験をした。この実験は、流通抵抗体５の有
無による熱交換効率の差を、伝熱管ｌ外径１，３．５鶴
の場合について行い、前記実験と同様に加熱流体として
燃焼ガス、被加熱流体として水を用いて供給ヘッダ２．
伝熱管１を経て、排出ヘッダ３から温水を取り出す例に
ついて行った。なお、効率は燃焼ガスの発生熱量に対す
る水の得た熱量とした。また各伝熱管１の間隔（隙間）
は２．５酊とした。その結果は、第１１図に、Ｎ１〜Ｎ
３で示す流通抵抗体５を用いた場合と、ｎｌ−ｎ３で示
す流通抵抗体５を用いない場合とで比較して示されるよ
うに流通抵抗体５の有無よって、熱交換効率に大きな差
が認められる。

とりわけ、流通抵抗体５を用いた場合の伝熱管１の外径
が３　ｍｌ以下の伝熱管ｌについては、Ｎｌ。

Ｎ２で示すようにその効率が９０％を超える値となって
おり、その効果は顕著である。

かくして、細線からなる流通抵抗体５が伝熱管１に配設
された場合においては、伝熱管１の外径が３＋１１１以
下になると、熱交換効率が高いことが判明した。また、
これらの結果、流通抵抗体５を配設した場合は、隣接す
る伝熱管１相互の間隔が３龍以下の場合に、第１０図に
示した、真通抵抗体５を用いない場合の結果に対応して
、熱交換効率は向上するものと認められる。

細線からなる流通抵抗体５の配設が熱交換効率を向上さ
せる理由について次に説明する。即ち、第４，７図は、
実施例の加熱流体の流れを示しているが、同図において
、加熱流体は流通抵抗体５たる細線によって流線が乱さ
れ、細線直下の加熱流体は矢印に示すように、細線に当
たってその左右に分けられながら、細線に沿って伝熱管
１表面を上昇する流れも発生し、結果として加熱流体と
伝熱管１との接触時間が長くなる。

また、流通抵抗体５は細線からなるものであるため、こ
の細線と伝熱管１との接触面積は極めて小さくなるから
、細線が伝熱管１表面と流体との接触面積を減少させる
ことがない。このため、流体と伝熱管１との間の前記熱
伝達作用は有効に行われる。特にこの実施例は、細線の
断面が円形又は楕円形である場合のように、断面の輪郭
の少なくとも伝熱管１に接する部分が弧状をしているも
のであるから、細線と伝熱管１との接触は、線接触又は
点接触になるから、流体と伝熱管１表面との接触面積を
細線が減少させることがなくなるので、それだけ熱交換
の効率が向上するものである。

これに対して第８図は従来例の加熱流体の流れを一部拡
大して示したものであり、従来の実公昭３８−２５１８
１号公報記載のフィンや、実開昭５１−９３５９号公報
に記載されるフィンでは、第８図の如く、フィン６と伝
熱管１表面とを面接触させているため、加熱流体はフィ
ン６で一部が遮られて伝熱管１表面に接することができ
ず、他はそのまま上昇気流となって放出される。また実
開昭５２−９５９５９号公報記載のものは、伝熱管夫々
に線状物質を巻きつけ又は密着させて伝熱面積を増大さ
せたものであり、この実施例のように加熱流体の流れを
調整するには至っていない。

従って、伝熱面積を増大させるというフィンの効果はあ
っても、加熱流体の流れまでは調整することができない
から、加熱流体が伝熱管１表面に接触する時間１面積を
多くすることはできない。

しかし、この実施例の場合は、第７図に示すように、加
熱流体は細線によって遮られることはなく、むしろ伝熱
管ｌの周方向に沿って加熱流体が流れ、恰も伝熱管１表
面を舐めるが如く作用するので、前述した如く伝熱管１
との接触時間及び接触面積も大となり、且つ伝熱管と細
線からなる緻密な空隙が渦流や乱流を惹起せしめ、境界
層をリフレッシュしやすくする作用も働いて、熱交換効
率を飛躍的に増大せしめるものである。しかも、前記境
界層のリフレッシュ効果に関しては、細線の熱伝導率に
左右されるものではなく２．細線が熱伝導率の低いセラ
ミックファイバー、硝子繊維。

炭素繊維等の場合でもその効果は顕著である。

なお、流通抵抗体５は細線を第１２〜１４図に示す第２
実施例のように配設して構成してもよい。

この場合の細線は、伝熱管１の上と下に個別に配置され
、上下の細線で伝熱管１を挾むようにしたものである。

ここでは細線をプレス成型等により波型に形成したもの
を、伝熱管ｌの上下に配置し、これを溶接等により支持
させる。この場合の加熱流体の流れも前記第７図と同様
になり、その熱交換効率は高い。流通抵抗体５の間隔Ｗ
は、前記第１実施例における説明と同様である。またこ
の第２実施例においては、伝熱管１の長手方向の一部に
のみ流通抵抗体５を配設したが、これは説明の便宜のた
めであって、発明者の実施例では流通抵抗体５は伝熱管
１の全長にわたって配設されている。ところで、伝熱管
１に対する流通抵抗体５の配設の形態は、前記２通りを
説明したが、これらを縦糸、横糸に見立てて、各種の織
物１編み物、例えば平織り、綾織り、絞量織り等のよう
にしてもよいし、また各種金網状にしてもよい。

また、前記両実流力においては、被加熱流体を伝熱管１
内に流通させたが、逆に加熱流体を伝熱管１に流通させ
、伝熱管１外に被加熱流体を通過させた場合（例えばラ
ジェータ）も同様の作用。

効果があることは勿論であり、さらに伝熱管内の流体を
水辺外の流体にしてもよいことは勿論である。

さらにまた、前記各実施例では伝熱管１として直管を用
いたが、各伝熱管１を、いずれも同一の曲率で湾曲させ
れば、熱交換装置全体としてカマボコ型や筒型にするこ
とも可能である。

因に、流通抵抗体５を、外径が８鶴のボイラー用火炉伝
熱管に適用した場合も、従来の約２倍の熱交換効率の向
上をみることができた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明の熱交換装置によれば、
従来のような伝熱効果を意図したフィン効果ではなく、
伝熱管と接触する加熱流体又は加熱流体の流れを、伝熱
管の周方向及び長手方向に向けて充分に調整し、流体と
伝熱管との接触時間及び接触面積を増大することができ
るとともに、境界層をリフレッシュしやすくする効果が
大きいから、熱交換効率を飛躍的に高めることができる
効果がある。因に、従来例の熱交換効率は６０％程度が
限界であるに対し、この発明のそれは９０％程度または
それ以上も可能であるように、熱交換効率を飛躍的に増
大することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例に用いる伝熱管と供給ヘ
ッダと排出ヘッダとの斜視図、第２図は伝熱管の拡大断
面図、第３図はこの発明の第１実施例の斜視図、第４図
は第３図のＩＶ−ＩＶ線断面拡大図、第５図は第３図の
部分平面拡大図、第６図は第３図の部分斜視拡大図、第
７図（ａ）は第１実施例における加熱流体の流れを示す
斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の上端における断面図
、第８図（ａ）は従来技術における加熱流体の流れを示
す斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の上端における断面
図、第９図は伝熱管径と熱交換効率との関係を示すグラ
フ、第１０図は伝熱管間隔と熱交換効率との関係を示す
グラフ、第１１図は流通抵抗体の有無と熱交換効率との
関係を示すグラフ、第１２図はこの発明の第２実施例を
示す斜視図、第１３図は第１２図の部分断面拡大図、第
１４図は第１２図の部分平面拡大図である。

Claims

【特許請求の範囲】

　多数の伝熱管の夫々の一端を流体の供給ヘッダに直結
するとともに、その他端を流体の排出ヘッダに直結し、
細線からなる流通抵抗体を、前記伝熱管の外側に接触さ
せ、且つ各伝熱管と交差する方向に延在させて配置した
ことを特徴とする熱交換装置。