JPS6229831Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、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、胴内に導
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。

第１図ａないしｃ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２内を管群入側空胴部３か
ら管群出側空胴部４へ向けて流体が流れる。管１
はこの胴２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２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
な胴２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１を通り出
口５ａから排出される。そして、胴２内に導入さ
れた流体が管１の外側を流れて管群を通り抜ける
際に、管１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、管行の定義を示した。

さて、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）各管の後流側に後流渦が発生
する。この後流渦の代表例としてカルマン渦と称
せられる渦があるが、この渦の発生振動数ｆ_k
（Hz）は一般に次式より求まる。

ｆ_k＝ＳＶ／Ｄ ……(A) こゝに、Ｖ（ｍ／ｓ）は第１図ａに示した管間
流速であり、Ｄ（ｍ）は管１の外径、Ｓはストロ
ーハル数と称する無次元数であり、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
状の振動を行う能力を有している。いま胴内流体
が気体の場合このような振動を気柱振動と称して
いる。（音は気柱振動の一種である。） 第１図ａの胴２の内、胴巾T1（ｍ）を隔てて
互に平行に対向した壁面間の１次元気柱振動を考
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ｆ_o
（Hz）が存在する。

ｆ_oは次式より求まる。たゞし、Ｃは上記空間
における音速（ｍ／ｓ）である。

ｆ_o＝ｎＣ／２×Ｔ１ ……(B)（ｎ＝１，２，……） この振動数ｆ_o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。

第２図にこの固有振動数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。）（ｆ_oに相当するモードは第ｎ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が１〜３位の
場合に於てはｆ_oへの影響は小さいようである。

以上より、ｆ_k≒ｆ_o（ｎ＝１，２，３，……）
になると、第１図ａの胴巾T1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に大きな振動を生じて胴２に疲労破壊を招
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
ることの多い第１次の固有振動数f₁とカルマン渦
振動数ｆ_k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ａ
図では振動数をｂ図では胴内の音圧レベルをとつ
て発生状況を例示している。管群配置が定まる
と、式(A)に於て管外径Ｄとストローハル数Ｓ＝α
（αは定数）が定まるから、ｆ_kは第３図の直線７
で示される。直線７とf₁との交点に相当する管間
流速Ｖ＝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を囲むもつと広い
V₁〜V₂の区間ｅで共鳴現象が発生することが多
い（第３図ａ中太線参照）。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、場合によつては区間ｅが運転範囲全域をカバ
ーしてしまうこともあり、この区間を運転方法だ
けで回避することが不可能な場合が多い。

したがつて、基本的にこのような共振を回避す
るよう胴内気柱振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１が存
在することを示している。第４図に於て８はバツ
フル板と称する板で、一般に１〜９mm厚のものを
用いて、管群深さ相当かつ管長手方向に隙間なく
挿入されることが多い。バツフル板８の管群巾方
向の挿入位置は、第２図に示した気柱振動モード
の内回避すべき最大次数のモードの腹と節の位置
が妥当である。第４図では第１次のモードを対象
にしているからその変位モードの腹の位置に一枚
だけ挿入している。

なお、図では管１は格子配列の場合についての
み示しているが、以上及び以下の説明は千鳥配列
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バツフル板８を
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次固有振動数はバツフル板８を挿入す
る前の２倍になつているはずであるが、実際に運
転してみるとバツフル板８は挿入する前の１次の
固有振動数との第３図に示したような共鳴が依然
として残つていることが経験された。実験の結
果、これは管群入側及び出側の空胴部分３，４の
気柱振動特性が管群内の渦発生を刺激しているこ
とに起因していると判明した。そして、このよう
な刺激は管群出側空胴部４からの方が格段に大き
いことが明きらかになつた。

管群出側空胴部の影響を絶つには、この部分へ
もバツフル板８を延長すればよいが、こうすると
次のような難点がある。

(1) 管群挿入後に管群出側空洞部のバツフル板を
別途施工する必要がありコストが高くなる。

(2) 高次のモード（式(B)でｎが大）が問題になる
場合にはバツフル板挿入ピツチが小さくなつて
バツフル板枚数が増え、保守や点検がむづかし
くなる。

(3) 管表面に付着するすす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こと
があるが、このときはその通路に穴が明きバツ
フル板挿入効果が小さくなる。

本考案は上記のような事情にもとづき、バツフ
ル板は管群内部に挿入することにとどめて、管群
出側空洞部の気柱振動特性が管群内の渦発生に与
える刺激を無く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８図を参
照して詳細に説明する。

第５図は本考案の一実施例を示したものであ
り、第１図と同様部分には同一符号を附してあ
る。なお管１は各格子点に存在している。

第５図に示したように、管１により構成されて
いる管群に近接させて、管群出側空洞４部に、管
１とは異径の管９からなる管列を追設する。８は
管群内バツフル板である。第５図では管９は中空
とし、管１と同種又は異種の管内流体を通すこと
も可能である。

第５図では管９は２列配しているが２列以上に
することもありうるものとする。又管９を千鳥配
列にする場合もありうる。

管９の外径は式(A)に於て管９によるｆ_kが運転
範囲に入らないように決める。

このような構成にすると、管９よりなる管列の
存在は、管１の管群の後流渦が管群出側空洞４に
伝播する際にこれを反射し、同空洞内における共
鳴を作らないか又は十分に弱めうる。

又同時に同空洞内の気柱振動特性が管１の管群
の後流渦形成を刺激することを抑制する。なお管
９を２列以上としたのは以上の作用を十分ならし
める為であり、場合によつては１列でもよい。

第６図は本考案の他の実施例を示したものであ
り、第５図と同様部分には同一符号を附してあ
る。なお、管１は各格子点に存在している。

この実施例では、管１で構成されている管群に
近接させて、該管群出側空洞部４に、山形断面の
梁１０を管長手方向に平行に挿入し、これら複数
個の梁を管群巾方向に一列並べて設置している。

梁１０の設置方法に関しては、第６図で示した
構成のほかに次のような変更がありうるものとす
る。

二列以上の場合もありうる（二列以上の場合
は千鳥配列にすることもありうる）。

管長手方向（管軸方向に）に対して平行でな
い場合もありうる。

管群内部に１本以上混入させることもありう
る（この場合はバツフル板８は必ずしも必要と
しない）。

管群入側空洞部に、管群に近接させて設置す
ることもありうる。

梁１０は第７図に示すように、同図中矢印で
示した胴内流体の流れ方向に対して角度θだけ
傾斜させることもありうるものとする（０θ
180゜）。

上記のように梁１０を第５図に示したように洞
内流体の管群出側に設置した場合も、管１の管群
の後流渦により発生した圧力波が管群出側空洞部
４に伝播する際にこれを反射し、該空洞内に於け
る共鳴を作らないか又は十分に弱めうる。

また同時に、同空洞内の気柱振動特性が、管１
の管群の後流渦形成を刺激することを抑制する。

管群入側に梁１０を設置した場合においても、
管群入側空洞部３との間に上記と同様の作用を発
揮する。

梁１０を管１からなる管群内部に混入させた場
合に於ては、管１の渦発生が、管群全体にわたつ
て同一周期で発生することを阻止し、気柱共鳴の
励振そのものを弱める作用を有する。

なお、梁１０の形状としては、第８図ａ〜ｄに
示すように種々のものが使用できる。またこれら
は内部を中空にしたものであつてもよい。

以上述べたように本考案によれば、胴内におけ
る気柱共鳴を回避した実用上の効果の大きな多管
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し、ａは要
部の縦断面図、ｂは第１図ａの−線に沿う断
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ａ，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
鳴の防止等を示した図、第５図は本考案の一実施
例を示す要部断面図、第６図は本考案の他の実施
例を示す要部断面図、第７図は第６図における梁
の配置について別の配置方法を説明した図、第８
図は梁の他の形状を示した図である。 １……管、２……胴、３……管群入側空洞部、
４……管群出側空洞部、８……バツフル板、９…
…管、１０……梁。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
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、前記複数の管
   から構成される管群の間に、前記流体の流れ方向
   に沿つて少なくとも前記管群の深さに相当する長
   さのバツフル板を設けるとともに、前記管群の表
   面を流れた前記流体の出側に、前記管とは異径も
   しくは断面形状の異なる部材を前記管に近接させ
   て配置したことを特徴とする多管式熱交換器。