JPS6247032Y2 - - 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５ｂ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、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×Ｔ_１…(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。共鳴状態になつて、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
を定在数と呼ぶ。

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＝Ｖ_r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Ｖ_r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、
減衰が小さい場合には非常に広くなつて運転範囲
のほとんどをカバーしてしまうこともあり、この
区間を運転のやり方だけでは回避できなくなる場
合もありうる。

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、一般に鉄板等の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。又バツフル板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降の記述は千鳥配列の
場合に関しても同様である。

次にこのような対策の欠点について以下に述べ
る。

第４図に示したバツフル板８は、第２図に示し
た第１次モードのみを対象にしてｆ_k≒f₁の共鳴
を発生させない為に挿入したから一枚でよかつ
た。ところが、胴内流速Ｖが増加する等によりｆ
_k≒ｆ_o（ｎ2n：整数）での共鳴が問題になる場
合にはバツフル板８の挿入枚数はｎ＝２（第２次
モード）では３枚、ｎ＝３（第３次モード）では
５枚と順次増加する。ふつうはｎ＝１〜３位が主
対象になるが、最近の我々の経験によるとｎ＝５
〜10（第５次〜第10次モード）が問題になつたこ
とがある。こうなるとバツフル板は７〜12枚挿入
する必要があり、組立及び機器の保守管理上不利
であり、機器の重量増加を招くことになる。又、
バツフル板８は一般に管１の数本にＵボルトなど
で締結されることが多いが（図示していない）、
バツフル板と管との接触部近辺にダスト等が付着
残留し易く、熱効率の低下や腐食発生を招く等の
問題もあつた。したがつてバツフル枚数は少ない
方がよい。

本考案は上記の事情にもとづき、管群の中に挿
入するバツフル板の枚数を極力少なくして、胴内
気柱共鳴を防止することを目的としてなされたも
のである。

第４図に示したような従来のバツフル板８はそ
の表面で音波を反射させることにより、該バツフ
ル板８の裏側へ音波を伝えないことを特徴として
いた。したがつてバツフル板８の両側（表と裏）
の空間は原則として相互に干渉しない。

これに対して本考案に於ては、バツフル板に適
当な開口率の小孔を多数設け、バツフル板両面の
空間（音場ともいう）が相互にある程度干渉する
ようにし、上記の反射作用と同時に音波が小孔を
通る際にせん断抵抗による減衰作用を発生させる
ことでエネルギを熱エネルギに変えることを特徴
としている。すなわち、バツフル板挿入により新
たに空間が固定化されない。したがつて、特定の
モードに効果が限定されるのではなく、より多く
の（より高次の）モードにその挿入効果が及ぶこ
とになる。

以下本考案の一実施例を第５図および第６図を
参照して詳細に説明する。なお第５図において第
１図と同一部分には同一符号を附して示してあ
る。また、胴内流体は説明の都合で気体の場合に
ついて説明するが、本考案の構造そのものは胴内
流体が液体の場合にも適用しうるものである。

第５図は本考案の一実施例の要部を示したもの
であり、図中の各格子点には管１が存在するもの
である。９は孔明きバツフル板と称し、第４図に
示されているバツフル板８と同様に管群内に挿入
設置されるが、第６図ａ，ｂに拡大して詳細を示
したように、板９の表面上表から裏に貫通する小
孔１０を多数配したものである。

孔明きバツフル板９に配した貫通孔１０につい
ては、例えばバツフル板全面に一様に小さい丸孔
を配し、その開口率（バツフル板表面積に対する
孔部の総面積の比率）を10％以下にすることが多
い。たゞし丸孔１０の直径は必ずしも同一にする
必要はないし、バツフル板全面に一様とせず多少
片よることもある。孔の形状についても丸孔以外
の例えばスリツト状等であつても差しつかえな
い。また孔明きバツフル板９は管群入側や出側又
は何れか一方に突出させることもありうるものと
する。

また、管群内にバツフル板を２枚以上配設する
場合に於ては、孔明きバツフル板９と第４図のバ
ツフル板８（孔が明いていない）を併用すること
もある。

次に、本考案の作用を、第５図のように孔明き
バツフル板９を管群内に１枚挿入した場合につい
て説明する。いま孔明きバツフル板９をT3≒T4
すなわち第４図のバツフル板８と同じように胴２
の中央部に配設した場合、第２図により説明した
気柱共鳴の第１次モードに対しては空気の分子が
動く位置に挿入されることになるから、空気の分
子はバツフル板９で反射されると同時に一部はバ
ツフル板９に明けられた小孔１０の中を出入り
し、この時孔の部分に於ける剪断抵抗により空気
の分子の運動エネルギを減衰せしめる作用を有す
る。（第４図のバツフル板８は反射作用のみ有す
る。） このような作用により第４図のバツフル板８と
同様に第２図の第１次モードの気柱共鳴発生を押
さえ込むことができる。

次に第２図の第２次のモードに対してはT3≒
T4とすれば丁度節の位置に相当し上述の作用が
発生しない。こゝでT3≠T4として孔明きバツフ
ル板９を胴内中央から少し（例えば10％前後）ず
らしてやると上述の作用が生じ、第２次モードの
気柱共鳴を押さえ込むか又は第３図で説明した共
鳴発生区間ｅを実用上問題ない位に十分小さくす
ることができるのである。

一方第４図のバツフル板８の場合には、T3≠
T4になるような位置に一枚挿入した場合、反射
作用を有するのみであるから、新たにｍｃ／２×Ｔ３ （Hz）、ｍｃ／２×Ｔ４（Hz）（ｍ＝１，２，……）の
気柱 振動の固有振動が生じ、ｍ＝１の場合は第２図の
第２次モードに相当する固有振動数の前後に２つ
の共鳴が発生してしまう。したがつてバツフル板
８で第２次モードの発生を押え込むにはどうして
も前述のように３枚のバツフル板８が必要であ
る。

以上より判るように孔明きバツフル板９は、孔
を有しないバツフル板８に比べてその挿入枚数を
減少させることができ、前述の欠点を十分に補う
ことができる。

なお第２図の第３次以上のモードについては振
動数も大きくなり、空気分子の移動速度も振動数
に比例して大きくなるから前述の孔明きバツフル
板９の小孔１０の減衰能力は増々有効に作用する
のである。

しかしながら、波長の方は振動数に反比例して
短くなるから、孔明き板９の挿入位置も微妙なも
のになり、たつた一枚で例えば５〜10次の共鳴に
対応するのは困難になることもある。このような
場合には２枚以上の孔明きバツフル板を配設する
こともありうるが、このような場合に於ても第４
図のバツフル板８で対処する場合に比べてその挿
入枚数は十分少くできることは上述の説明からも
推定がつくであろう。

以上詳述したように本考案によれば、孔明きバ
ツフル板を管群内に挿入することにより、少ない
枚数で数次にわたるモードの胴内気柱共鳴を防止
することができ、その実用上の効果は大きい。

【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
鳴の防止策を示した図、第５図は本考案の一実施
例を示す要部断面図、第６図は本考案に用いられ
る孔明きバツフル板の一部を拡大して示したもの
でａは平面図、ｂは第６図ａの−線に沿う断
面図である。 １……管、２……胴、９……孔明きバツフル
板、１０……貫通孔。

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、前記胴内に
   導入される流体の流れ方向に沿う前記複数の管の
   間に、少なくとも配置されている管群の深さに相
   当する長さのバツフル板を設け、このバツフル板
   には板厚方向に多数の貫通孔が形成されているこ
   とを特徴とする多管式熱交換器。