WO2015098198A1 - 熱交換器 - Google Patents

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resonance
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貴寛 沖本
直樹 菅沼
工藤 敏文
山田 哲也
北田 昌司
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三菱日立パワーシステムズ株式会社
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    • F28F2265/00Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/30Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing vibrations

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger provided in a boiler or the like and provided with anti-resonance baffles between heat transfer tube groups.
  • a heat exchanger such as a superheater, a reheater, or an economizer is provided in a duct housing that forms a flow path of combustion gas.
  • a large number of heat transfer tubes are provided in the duct housing, and a medium such as water flowing through the heat transfer tubes is heated by the combustion gas and converted into steam.
  • the steam is sent to a steam turbine and used as a power for power generation.
  • the plurality of heat transfer tubes are arranged such that the axial direction crosses the flow path of the combustion gas, and they are arranged in parallel at intervals.
  • the heat transfer tube is disposed in a direction orthogonal to the combustion gas g inside a duct wall forming a flow path of the combustion gas.
  • FIG. 4 shows an example in which the heat transfer pipes 102 are arranged in a lattice shape in the flow path of the combustion gas g inside the duct wall 100 forming the flow path of the combustion gas g, and
  • FIG. It shows an example arranged in a staggered pattern.
  • a Karman vortex e is periodically generated in the downstream of the heat transfer tube 102.
  • FIG. 8 shows an example in which the anti-resonance baffle plate 104 is provided.
  • the duct wall 100 forms a flow path for the combustion gas g.
  • the heat transfer pipe 102 is disposed in the flow path of the combustion gas g in a direction orthogonal to the flow direction of the combustion gas g.
  • the anti-resonance baffle plate 104 is disposed between the heat transfer tubes 102 along the flow direction of the combustion gas g.
  • Patent Documents 1 and 2 in a heat exchanger in which a large number of heat transfer tubes are arranged in parallel in the flow path of the heat exchange gas, resonance is prevented along the flow direction of the heat exchange fluid between the heat transfer pipes.
  • An arrangement is disclosed in which a baffle plate is provided.
  • the conventional anti-resonance baffle plate has a large weight, and in order to fix the heavy anti-resonance baffle plate in the flow path of the heat exchange fluid, it takes a lot of man-hours and costs. is there.
  • a heat exchanger comprises a large number of heat exchangers arranged axially across the flow path of the heat exchange fluid and spaced from one another in parallel.
  • a heat exchanger comprising: a heat transfer tube; and a plate-like anti-resonance baffle provided along a flow direction of a heat exchange fluid between a plurality of heat transfer tubes, wherein the anti-resonance baffle is made of metal foil ing.
  • the anti-resonance baffle plate raises the natural vibration frequency fn generated between the duct walls forming the flow path of the heat exchange fluid, and is generated by the natural vibration frequency fn and the Karman vortex e generated in the wake of the heat transfer tube It has the effect of making it different from the frequency fk.
  • the anti-resonance baffle by configuring the anti-resonance baffle with metal foil, the anti-resonance baffle can be reduced in weight. Therefore, the material cost can be saved, and the work required for attaching and replacing the anti-resonance baffle plate can be simplified and the cost can be reduced.
  • One embodiment of the present invention further comprises a rigid frame fixed to the outer edge of the metal foil.
  • the metal foil may be deformed in response to the heat exchange fluid, so by fixing the rigid frame to the metal foil, the metal foil can be given rigidity.
  • deformation of the metal foil can be prevented, and the rigidity not to be deformed by the flow of the heat exchange fluid can be maintained without increasing the weight.
  • the anti-resonance baffle is secured to at least a portion of the plurality of heat transfer tubes by fasteners.
  • the anti-resonance baffle of the present invention can be reduced in weight, it can be easily attached to the heat transfer tube using a low-strength fixture.
  • the anti-resonance baffle is lightweight, it is sufficient to attach it to only a portion of the heat transfer tubes, and the installation work can be reduced.
  • the fixture is a U-shaped bolt arranged to surround the heat transfer tube and screwed at both ends to the anti-resonance baffle plate.
  • the plurality of heat transfer tubes are linearly arranged along the flow direction of the heat exchange fluid, and the anti-resonance baffle is formed in a flat plate shape and disposed along the flow direction of the heat exchange fluid It is done.
  • the anti-resonance baffle plate to be easily inserted between the prefabricated heat transfer tubes and to be in place. Therefore, the installation operation or the replacement operation of the anti-resonance baffle can be performed without removing the existing heat transfer tube.
  • the heat transfer tubes need not be installed after the anti-resonance baffles are installed, and the number of installation and replacement operations can be significantly reduced.
  • the work required for attaching the anti-resonance baffle can be simplified and reduced in cost.
  • FIG. 5 is a perspective view of the anti-resonance baffle plate after assembly.
  • FIG. 1 A heat exchanger according to an embodiment of the present invention will be described based on FIGS. 1 to 3.
  • FIG. The present embodiment relates to a superheater, a reheater, a heat exchanger such as a economizer, a waste heat recovery boiler or the like according to an embodiment of the present invention, which is provided in a steam boiler incorporated in a thermal power plant or the like. It is an example to which heat exchanger 10 is applied.
  • the flow path of the combustion gas g is formed of the duct housing which comprises the heat exchanger 10 which concerns on this embodiment.
  • a large number of heat transfer tubes 14 are disposed inside a duct wall 12 constituting a duct housing.
  • the duct housing has, for example, a square or circular cross section.
  • a large number of heat transfer tubes 14 are arranged in parallel spaced apart from one another, and their axial directions are arranged in a direction perpendicular to the combustion gas g.
  • the large number of heat transfer tubes 14 are arranged in a grid. That is, the respective rows constituted by the plurality of heat transfer pipes 14 are arranged linearly in the flow direction of the combustion gas g, and are also arranged linearly in the direction orthogonal to the flow direction of the combustion gas g.
  • the combustion gas g exchanges heat with the medium such as water flowing inside the heat transfer tubes 14 as it passes between the heat transfer tubes 14, and the medium such as water is heated by the combustion gas g and converted to steam.
  • the steam is sent to a steam turbine and used as a power for power generation.
  • the anti-resonance baffle 16 is formed of a metal foil 18 having a flat surface and is disposed along the flow direction of the combustion gas g.
  • the anti-resonance baffle plate 16 is formed of a square metal foil 18 made of a thin high-temperature stainless steel (SUH409L) having a thickness of 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m, for example, 20 ⁇ m.
  • the material of the metal foil 18 is selected based on the temperature of the heat exchange fluid, and the thickness of the metal foil 18 is selected based on the hardness, viscosity, etc. of the selected material.
  • the length of one side of the metal foil used in the present invention is determined by the length of the boiler casing and the number of stages of the heat exchanger, and is, for example, 20 m (duct width) x 2 m (the number of heat exchanger stages).
  • the metal foil 18 is deformed in response to the combustion gas flow. Therefore, the outer edge part of the metal foil 18 is clamped by the rigid frame 20,20 from both sides.
  • the two frames 20 and 20 are fastened at the necessary points with bolts 22 and nuts 24.
  • the head of the bolt 22 and the nut 24 are made to sink to the frames 20, 20 as much as possible so as not to disturb the combustion gas flow.
  • the anti-resonance baffle plate 16 is fixed to the heat transfer tube 14 using a U-shaped bolt 26. That is, the U-shaped bolt 26 is disposed so as to surround the heat transfer tube 14 by using the U-shaped bolt 26 having male threads formed at both ends, and the male threads at both ends of the U-shaped bolt 26 are Screw into the formed female screw hole. Alternatively, both ends are inserted into the round holes formed in the anti-resonance baffle plate 16, and the anti-resonance baffle plate 16 is fixed to the heat transfer tube 14 by screwing the nut 28 into the male thread.
  • the attachment point using the U-shaped bolt 26 may be an attachment point necessary to obtain the necessary fixed strength of the anti-resonance baffle 16.
  • the weight can be reduced. Therefore, the material cost can be saved, and the work required for attaching and replacing the anti-resonance baffle plate 16 can be simplified and the cost can be reduced. Moreover, since the outer edge part of the metal foil 18 is fastened from both sides by the two rigid frames 20, 20, the rigidity which does not deform
  • the anti-resonance baffle plate 16 can be reduced in weight, it can be easily attached to the heat transfer tube 14 using a low-strength fixing tool. Therefore, the anti-resonance baffle plate 16 can be firmly fixed using a low cost fixing tool. Further, since the anti-resonance baffle plate 16 is light in weight, it is sufficient to attach it only to a part of the heat transfer tubes 14, and the installation work can be reduced. Moreover, since the U-shaped bolt 26 is used as a fixing means of the anti-resonance baffle plate 16, the mounting operation can be further simplified.
  • the anti-resonance baffle plate 16 can be easily inserted between the heat transfer tubes 14 already manufactured. It can be arranged. Therefore, the installation operation or the replacement operation of the anti-resonance baffle plate 16 can be performed without removing the heat transfer tube 14 already manufactured or without installing the heat transfer tube 14 after the anti-resonance baffle plate 16 is attached.
  • the present invention is applied to a heat exchanger having heat transfer tubes arranged in a grid, but the present invention is a zigzag or zigzag shape by devising a method of fixing metal foils.
  • the present invention is also applicable to a heat exchanger having heat transfer tubes arranged in.
  • the configuration of the resonance preventing baffle plate and the work required for its installation are simplified and cost reduced. can do.

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Abstract

多数の伝熱管の間に共鳴防止バッフル板設けられた熱交換器において、共鳴防止バッフル及びその取付けに要する作業を簡便かつ低コスト化することを目的とし、ボイラなどの燃焼ガスの流路に設けられた熱交換器(10)は、燃焼ガス(g)の流路を形成するダクト壁(12)の内部で、軸方向が燃焼ガス(g)を横切る方向に配置され、かつ互いに間隔を置いて並列に配置された多数の伝熱管(14)と、多数の伝熱管(14)の間で燃焼ガス(g)に沿って設けられた板状の共鳴防止バッフル(16)とを有している。共鳴防止バッフル(16)は、金属箔(18)で構成されている。

Description

熱交換器
 本発明は、ボイラなどに設けられ、伝熱管群の間に共鳴防止バッフルが設けられた熱交換器に関する。
 ボイラなどにおいては、燃焼ガスの流路を形成するダクトハウジングの中に過熱器、再熱器、節炭器等の熱交換器が設けられている。これらの熱交換器は多数の伝熱管がダクトハウジングの中に設けられ、該伝熱管を流れる水などの媒体は燃焼ガスで加熱されて蒸気に変わる。この蒸気は蒸気タービンに送られ、発電動力として用いられる。該多数の伝熱管は、軸方向が燃焼ガスの流路を横切る方向に配置され、かつ互いに間隔を置いて並列に配置されている。
 伝熱管は、燃焼ガスの流路を形成するダクト壁の内部で燃焼ガスgに対して直交する方向に配置されている。図4は、燃焼ガスgの流路を形成するダクト壁100の内部で、伝熱管102が燃焼ガスgの流路中で格子状に配置された例を示し、図5は、伝熱管102が千鳥足状に配置された例を示している。
 図6に示すように、このような伝熱管群に燃焼ガスgを流すと、伝熱管102の後流にカルマン渦eが周期的に発生する。カルマン渦eの発生周波数fk(Hz)は次の式で表される。
          fk=St・V/D           (1)
 ここで、St:ストローハル数
     V:最小隙間流速(伝熱管間の流速)
     D:伝熱管の外径
 一方、燃焼ガス流に直交しかつ伝熱管の軸方向に直交したダクト壁間には燃焼ガスgの物性によって決まる固有の振動モードがある。その固有振動周波数fn(Hz)は次の式で表される。
          fn=n・c/2L          (2)
 ここで、n=1,2,3、・・・
     c:音速(燃焼ガスgの温度に依存する。)
     L:ダクト壁100間の幅
 図7は、n=1の1次モードのときの振動モード(vは速度成分を表し、pは圧力成分を表す。)を示している。そこで、発生周波数fkが固有振動周波数fn(n=1,2,3、・・・)の何れかと一致すると、共鳴状態が発生し、缶鳴りと呼ばれる過大な騒音が発生する。
 缶鳴り防止の一般的な対策は、板状の共鳴防止バッフルを伝熱管群の間で燃焼ガス流に沿って配置し、固有振動周波数fnを上昇させることで、共鳴を回避することである。
 図8は、かかる共鳴防止バッフル板104を設けた例を示している。図8において、ダクト壁100によって燃焼ガスgの流路が形成されている。伝熱管102は燃焼ガスgの流路中に、燃焼ガスgの流れ方向と直交する方向に配置されている。共鳴防止バッフル板104は伝熱管102の間で燃焼ガスgの流れ方向に沿って配置されている。
 特許文献1及び特許文献2には、被熱交換ガスの流路に多数の伝熱管が並列に配置された熱交換器において、伝熱管の間に被熱交換流体の流れ方向に沿って共鳴防止バッフル板が設けられた構成が開示されている。
特開昭59-012293号公報 特開平05-141891号公報
 しかし、従来の共鳴防止バッフル板は大きな重量を有しており、重量が大きい共鳴防止バッフル板を被熱交換流体の流路中に固定するためには、多大な工数及び費用がかかるという問題がある。
 本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、共鳴防止バッフル板の構成及びその取付けに要する作業を簡便かつ低コスト化することを目的とする。
 前記目的を達成するため、本発明の一実施態様に係る熱交換器は、軸方向が被熱交換流体の流路を横切る方向に配置され、かつ互いに間隔を置いて並列に配置された多数の伝熱管と、多数の伝熱管の間で被熱交換流体の流れ方向に沿って設けられた板状の共鳴防止バッフルとを有する熱交換器であって、前記共鳴防止バッフルは金属箔で構成されている。
 共鳴防止バッフル板は、被熱交換流体の流路を形成するダクト壁間で発生する固有振動周波数fnを上昇させ、この固有振動周波数fnと伝熱管の後流に発生するカルマン渦eにより発生する周波数fkと異ならせる作用を有している。
 固有振動周波数fnを上昇させためには、被熱交換流体の流路を仕切り、被熱交換流体の粒子速度=0の境界を形成すればよい。そのため、金属箔のような薄い仕切り板でも前記作用を得ることができる。
 本発明の一実施態様によれば、共鳴防止バッフルを金属箔で構成することで、共鳴防止バッフルを軽量化できる。そのため、材料費を節減できると共に、共鳴防止バッフル板の取付け及び交換に要する作業を簡便化できかつ低コスト化できる。
 本発明の一実施態様は、金属箔の外縁部に固定された剛性枠体をさらに備えている。金属箔は被熱交換流体を受けて変形することもあるため、金属箔に剛性枠体を固定することで、金属箔に剛性を付与できる。これによって、金属箔の変形を防止できると共に、あまり重量を増加させることなく被熱交換流体の流れで変形しない剛性を保持できる。
 本発明の一実施態様において、共鳴防止バッフルは多数の伝熱管の少なくとも一部に固定具によって固定されている。
 前述のように、本発明の共鳴防止バッフルは軽量化が可能になるので、低強度の固定具を用いて簡単に伝熱管に取り付けることができる。また、共鳴防止バッフルは軽量であるため、一部の伝熱管のみに取り付ければ足り、取付け作業を軽減できる。
 本発明の一実施態様において、前記固定具は、伝熱管を囲繞するように配置され両端が前記共鳴防止バッフル板に螺着されたU字ボルトである。かかる構成のU字ボルトを用いることで、取付け作業をさらに簡便化できる。
 本発明の一実施態様において、多数の伝熱管は被熱交換流体の流れ方向に沿って直線状に配列され、共鳴防止バッフルは平板状に形成され、被熱交換流体の流れ方向に沿って配置されている。
 これによって、共鳴防止バッフル板を既製の伝熱管の間に容易に挿入でき、所定位置に配置できる。そのため、既製の伝熱管を取り外すことなく、共鳴防止バッフルの取付け作業又は交換作業を行うことができる。さらに、伝熱管の設置を共鳴防止バッフルの取り付けた後にする必要がなくなり、取付け作業及び交換作業の工数を大幅に低減できる。
 本発明の一実施態様によれば、金属箔で構成された軽量の共鳴防止バッフルを用いたことで、共鳴防止バッフルの取付けに要する作業を簡便かつ低コスト化することができる。
本発明の一実施形態に係る熱交換器の正面視断面図である。 前記熱交換器の共鳴防止バッフル板の組立前の斜視図である。 前記共鳴防止バッフル板の組立後の斜視図である。 一般の熱交換器の伝熱管の格子状配置を示す正面視断面図である。 一般の熱交換器の伝熱管の千鳥足配置を示す正面視断面図である。 伝熱管の後流に発生するカルマン渦eの説明図である。 熱交換器のダクト壁間に発生する固有振動の説明図である。 従来の熱交換器の正面視断面図である。
 以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
 本発明の一実施形態に係る熱交換器を図1~図3に基づいて説明する。本実施形態は、火力発電プラントなどに組み込まれた蒸気ボイラに設けられた過熱器、再熱器、節炭器等の熱交換器、又は排熱回収ボイラ等に本発明の一実施形態に係る熱交換器10を適用した例である。
 図1において、本実施形態に係る熱交換器10を構成するダクトハウジングによって、燃焼ガスgの流路が形成されている。ダクトハウジングを構成するダクト壁12の内部に多数の伝熱管14が配置されている。該ダクトハウジングは、例えば、角形断面又は円形断面を有している。
 多数の伝熱管14は互いに間隔を置いて並列に配置され、かつその軸方向が燃焼ガスgに対して直交する方向に配置されている。多数の伝熱管14は格子状に配列されている。即ち、複数の伝熱管14で構成された各列は燃焼ガスgの流れ方向に直線状に配置され、かつ燃焼ガスgの流れ方向と直交する方向に対しても直線上に配列されている。
 燃焼ガスgは各伝熱管14の間を通るとき各伝熱管14の内部を流れる水などの媒体と熱交換し、水などの媒体は燃焼ガスgで加熱されて蒸気に変わる。該蒸気は蒸気タービンに送られ、発電動力として用いられる。
 伝熱管14の間には2個の共鳴防止バッフル16が挿入され、伝熱管14に固定されている。共鳴防止バッフル16は平坦面を有する金属箔18で構成され、燃焼ガスgの流れ方向に沿って配置されている。このように、共鳴防止バッフル16を配置することで、燃焼ガスgの流路を仕切り、共鳴防止バッフル板16によって燃焼ガスgの流速の境界を形成する。これによって、ダクト壁12間で発生する共鳴周波数fnを上昇させることができる。
 こうして、燃焼ガスgの流れによってダクト壁12間で形成される固有の振動モードの固有振動周波数fnと、各伝熱管14の後方で発生するカルマン渦eの発生周波数fkとを異ならせることで、過大な騒音の発生を防止できる。
 図2及び図3に示すように、共鳴防止バッフル板16は、厚さ10μm~1000μm、例えば厚さ20μmの薄い高温用ステンレス鋼(SUH409L)などで構成された四角形の金属箔18で構成されている。なお、金属箔18の材質は被熱交換流体の温度に基づいて選定され、金属箔18の厚さは選定された材料の硬さ、粘性等に基づいて選定される。
 なお、本発明で使用する金属箔の一辺の長さは、ボイラケーシングの長さ、熱交換器の段数によって決まり、例えば、20m(ダクト幅)×2m(熱交換器段数)である。
 金属箔18は燃焼ガス流を受けて変形する。そのため、金属箔18の外縁部を両側から剛性の枠体20,20で挟持する。2枚の枠体20,20は、必要箇所をボルト22及びナット24で締結される。なお、ボルト22の頭部及びナット24は、燃焼ガス流を乱さないように、なるべく枠体20,20に沈頭させるようにする。
 図1に示すように、共鳴防止バッフル板16は、U字ボルト26を用いて伝熱管14に固定する。即ち、両端部にオネジが形成されているU字ボルト26を用い、U字ボルト26を伝熱管14を囲繞するように配置され、U字ボルト26の両端部のオネジを共鳴防止バッフル板16に形成されたメネジ孔に螺合させる。あるいは共鳴防止バッフル板16に形成した丸孔に両端部を挿入し、オネジ部にナット28を螺合させることで、共鳴防止バッフル板16を伝熱管14に固定する。
 なお、U字ボルト26を用いた取付け箇所は、共鳴防止バッフル16の必要固定強度を得るのに必要な取付け箇所とすればよい。
 本実施形態によれば、共鳴防止バッフル板16を金属箔18で構成することで軽量化できる。そのため、材料費を節減できると共に、共鳴防止バッフル板16の取付け及び交換に要する作業を簡便化できかつ低コスト化できる。
 また、2枚の剛性の枠体20,20で金属箔18の外縁部を両側から締結したため、あまり重量を増加させることなく燃焼ガス流に対して変形しない剛性を保持できる。
 また、共鳴防止バッフル板16は軽量化が可能になるため、低強度の固定具を用いて簡単に伝熱管14に取り付けることができる。そのため、低コストな固定具を用いて共鳴防止バッフル板16を強固に固定することができる。
 また、共鳴防止バッフル板16は軽量であるため、一部の伝熱管14のみに取り付ければ足り、取付け作業を軽減できる。
 また、共鳴防止バッフル板16の固定手段としてU字ボルト26を用いているため、取付け作業をさらに簡便化できる。
 さらに、伝熱管14は格子状に配列され、かつ共鳴防止バッフル板16は平板状に形成されているため、共鳴防止バッフル板16を既製の伝熱管14の間に容易に挿入でき、所定位置に配置できる。
 そのため、既製の伝熱管14を取り外すことなく、あるいは伝熱管14の設置を共鳴防止バッフル板16を取り付けた後ですることなく、共鳴防止バッフル板16の取付け作業又は交換作業を行うことができる。
 なお、前記実施形態では、格子状に配列された伝熱管を有する熱交換器に本発明を適用した例であるが、本発明は、金属箔の固定方法を工夫することで、千鳥足状又はジグザグに配列された伝熱管を有する熱交換器に対しても適用可能である。
 本発明によれば、多数の伝熱管が並列配置され、該伝熱管の間に鳴防止バッフル板を有する熱交換器において、共鳴防止バッフル板の構成及びその取付けに要する作業を簡便かつ低コスト化することができる。
 10                  熱交換器
 12,100              ダクト壁
 14,102              伝熱管
 16,104              共鳴防止バッフル板
 18                  金属箔
 20                  枠体
 22                  ボルト
 24、28               ナット
 26                  U字ボルト
 e                   カルマン渦
 g                   燃焼ガス

Claims (5)

  1.  軸方向が被熱交換流体の流路を横切る方向に配置され、かつ互いに間隔を置いて並列に配置された多数の伝熱管と、
     前記多数の伝熱管の間で被熱交換流体の流れ方向に沿って設けられた板状の共鳴防止バッフルとを有する熱交換器であって、
     前記共鳴防止バッフルは金属箔で構成されていることを特徴とする熱交換器。
  2.  前記金属箔の外縁部に固定された剛性枠体をさらに備えていることを特徴とする請求項
    1に記載の熱交換器。
  3.  前記共鳴防止バッフルは前記多数の伝熱管の少なくとも一部に固定具によって固定されていることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  4.  前記固定具は、前記伝熱管を囲繞するように配置され両端が前記共鳴防止バッフルに螺着されたU字ボルトであることを特徴とする請求項3に記載の熱交換器。
  5.  前記多数の伝熱管は被熱交換流体の流れ方向に沿って直線状に配列され、
     前記共鳴防止バッフルは平板状に形成され、被熱交換流体の流れ方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
     
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