WO2022044523A1 - フィンチューブ熱交換器 - Google Patents

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WO2022044523A1
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heat transfer
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heat exchanger
heat
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賢哲 安嶋
正道 岩崎
淳 中村
康弘 横山
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media

Definitions

  • the present invention relates to a fin tube heat exchanger.
  • Fin tube heat exchangers are generally used in industrial heat exchangers.
  • a plurality of heat transfer tubes arranged in a direction intersecting the flow direction of the heat exchange air, and a plurality of fins (heat transfer plates) arranged in the tube axial direction of these heat transfer tubes.
  • a liquid medium is passed through the heat transfer tube, and a gas body (heat exchange air) is applied to the outer peripheral surface of the heat transfer tube and the fins to exchange heat.
  • the plurality of fins contributes to an increase in the amount of heat transfer by expanding the heat transfer area.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-92306 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-237047 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-57944 Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-285395
  • the present invention has been made in view of this point, and one of the objects of the present invention is to provide a fin tube heat exchanger capable of reducing the pressure loss of the heat exchange air while maintaining the heat exchange performance.
  • the fin tube heat exchanger comprises a tube row in which a plurality of heat transfer tubes are arranged side by side at a predetermined pitch in a first direction intersecting the flow direction of heat exchange air, and the first direction and the above-mentioned first direction.
  • a fin tube heat exchanger in which a plurality of tube rows are arranged at predetermined intervals in a second direction intersecting the predetermined tube rows with respect to other adjacent tube rows in the second direction.
  • the heat transfer tubes of the predetermined tube row are arranged offset to the heat transfer tube side of the other adjacent tube rows when viewed from the flow direction of the heat exchange air. There is.
  • FIG. 1 It is a schematic perspective view of the fin tube heat exchanger which concerns on this embodiment. It is a partially enlarged view of the fin tube heat exchanger which concerns on this embodiment. It is sectional drawing of the fin tube heat exchanger which concerns on a comparative example. It is sectional drawing of the fin tube heat exchanger which concerns on 1st Embodiment. It is a graph which shows the heat exchange performance ratio and the pressure loss ratio according to the position of a heat transfer tube. It is sectional drawing of the fin tube heat exchanger which concerns on 1st modification. It is sectional drawing of the fin tube heat exchanger which concerns on 2nd Embodiment.
  • the fin tube heat exchanger according to the present invention is suitably used for, for example, a radiator such as a condenser installed in a geothermal power generation facility.
  • a radiator such as a condenser installed in a geothermal power generation facility.
  • the fin tube heat exchanger according to the present invention is not limited to this, and any heat exchange such as an air-cooled heat exchanger of a petrochemical factory or an refinery factory, an air-cooled condenser of an incinerator, etc. Can be applied to vessels.
  • the first direction in which a plurality of heat transfer tubes are lined up is defined as the X direction
  • the second direction in which a plurality of tube rows are lined up is defined as the Y direction
  • the axial direction (extending direction) of the heat transfer tubes is defined as the Z direction. I will do it.
  • the illustrated X, Y, and Z axes are orthogonal to each other. Further, depending on the case, the X direction may be referred to as a left-right direction, the Y direction may be referred to as a vertical direction, and the Z direction may be referred to as a front-back direction.
  • the directions are words used for convenience of explanation, and the correspondence with each of the XYZ directions may change depending on the mounting posture of the fin tube heat exchanger.
  • the side on which the intake air (heat exchange air) is sucked into the fin tube heat exchanger is referred to as the lower surface side
  • the side on which the intake air is blown out is referred to as the upper surface side.
  • the plan view means the case where the upper surface of the fin tube heat exchanger is viewed from the positive side in the Y direction
  • the cross-sectional view means the axial direction (Z direction) of the heat transfer tube. It shall mean the cross section when viewed from the entanglement.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the fin tube heat exchanger according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of the fin tube heat exchanger according to the present embodiment.
  • a part of the fin tube is excerpted and shown, and a cross section of the part of the fin tube is shown.
  • the fin tube heat exchanger 1 (hereinafter, simply referred to as a heat exchanger) according to the present embodiment is composed of, for example, a radiator for air-cooled geothermal binary power generation. Although the details will be described later, the heat exchanger 1 realizes heat exchange between the refrigerant flowing inside the heat transfer tube 20 and the air flowing outside the heat transfer tube 20.
  • the heat exchanger 1 is formed in a flat shape having a predetermined thickness in the vertical direction (Y direction) in a rectangular shape in a plan view.
  • the heat exchanger 1 is configured by arranging a plurality of heat transfer tubes 20 extending in the Z direction side by side in the X and Y directions, and connecting both ends of the heat transfer tubes 20 in the Z direction with a pair of header portions 3. ..
  • FIG. 1 for convenience of explanation, only the header portion 3 on one end side (negative side in the Z direction) of the pair of header portions 3 is shown.
  • the heat transfer tube 20 has a hollow cylindrical shape (circular tube shape) having a predetermined outer diameter D (see FIG. 4), and extends in the Z direction, which is the front-rear direction.
  • a fluid serving as a refrigerant can flow inside the heat transfer tube 20.
  • hot water can be used as the refrigerant introduced into the heat transfer tube 20.
  • the refrigerant is not limited to hot water, and other fluids (pentane, CFC substitutes, etc.) may be used. Although the details will be described later, the surface temperature of the heat transfer tube 20 changes according to the temperature of the refrigerant flowing inside.
  • a plurality of fins 21 are provided on the outer peripheral surface of the heat transfer tube 20.
  • the fin 21 is formed of a plate-like body having a generally annular shape and a thickness in the Z direction when viewed from the axial direction (Z direction) of the heat transfer tube 20.
  • the fins 21 may be joined to the outer peripheral surface of the heat transfer tube 20 by, for example, a tube expansion process for expanding a part or all of the outer diameter of the heat transfer tube 20.
  • a plurality of fins 21 are arranged on the outer peripheral surface of the heat transfer tube 20 at predetermined intervals in the Z direction.
  • the plurality of fins 21 have the same shape.
  • the heat transfer tube 20 and the plurality of fins 21 may be collectively referred to as a fin tube 2.
  • a plurality of heat transfer tubes 20 (fin tubes 2) configured in this way are arranged in the X direction (first direction) at a predetermined pitch P1 to form one tube row 22 (see FIG. 4). .. More specifically, the plurality of heat transfer tubes 20 constituting one tube row 22 are arranged side by side in the direction (X direction) intersecting the flow direction (vertical direction) of the heat exchange air. Further, in the heat exchanger 1, a plurality of tube rows 22 are arranged side by side in the Y direction (second direction) with a predetermined interval P2. The layout of the plurality of tube rows 22 and the plurality of heat transfer tubes 20 will be described later. Further, a plurality of tube rows 22 may be collectively referred to as a tube bundle. It is preferable that the predetermined outer diameters D of the plurality of heat transfer tubes 20 are all the same size.
  • a pair of header portions 3 are connected to the shaft end of the heat transfer tube 20.
  • the header portion 3 has a rectangular parallelepiped shape corresponding to the widths of the tube bundle in the X direction and the Y direction, and is composed of a tank having a hollow inside. Shaft ends of a plurality of heat transfer tubes 20 penetrate through the side surface of the header portion 3. The internal space of the heat transfer tube 20 communicates with the internal space of the header portion 3. Further, a refrigerant inlet / outlet 30 is provided on the upper surface and the lower surface of the header portion 3. That is, the internal space of the header portion 3 and the internal space of the heat transfer tube 20 form a flow path for the refrigerant.
  • a blower (not shown) is arranged facing each other on the upper surface side of the heat exchanger 1 configured in this way.
  • the blower sucks air (heat exchange air) from below the heat exchanger 1 and sends it out to the upper external space. That is, the heat exchange air circulates in the vertical direction of the heat exchanger 1.
  • the sucked up heat exchange air is warmed by heat exchange in the heat exchanger 1 and then released to the outside. That is, the lower surface side of the heat exchanger 1 is the upstream side and the upper surface side of the heat exchanger 1 is the downstream side with respect to the flow direction of the heat exchange air.
  • the flow direction of the heat exchange air is from the negative side in the Y direction to the positive side in the Y direction.
  • the first direction, the X direction intersects the flow direction of the heat exchange air.
  • the Y direction, which is the second direction is orthogonal to the first direction and coincides with the flow direction of the heat exchange air.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the fin tube heat exchanger according to the comparative example.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the fin tube heat exchanger according to the first embodiment.
  • the heat exchanger configuration according to the comparative example of FIG. 3 is shown by the same reference numerals as the existing configurations because the fin tube layout is different.
  • the predetermined tube row 22 is arranged so as to be offset in the X direction with respect to the other tube rows 22 adjacent to each other in the Y direction. More specifically, the predetermined tube row 22 is arranged at a position (hereinafter referred to as a reference position) deviated in the X direction by a pitch P1 / 2 which is half of the predetermined pitch P1 with respect to the other tube row 22. Such an arrangement of the tube rows 22 may be referred to as a staggered arrangement. In the staggered arrangement, the plurality of tube rows 22 are staggered with a half pitch P1 / 2 offset. Further, in FIG. 3, for example, the outer surface of the heat transfer tube 20 of the predetermined tube row 22 and the outer surface of the heat transfer tube 20 of another adjacent tube row 22 are separated by a distance X1 from the flow direction of the heat exchange air. ..
  • the blower used for the radiator of air-cooled geothermal binary power generation as described above is driven by the power generated by the system. Therefore, if the pressure loss is high, the power consumption of the blower increases, and as a result, the transmitted power decreases. Therefore, it is required to reduce the pressure loss and increase the transmitted power.
  • the inventors of the present invention focused on the arrangement of the heat transfer tube 20 which is a component of the heat exchanger 1 and came up with the present invention.
  • the tube row 22 is formed by arranging a plurality of heat transfer tubes 20 side by side at a predetermined pitch P1 in the X direction. Further, a plurality of tube rows 22 are arranged side by side with a predetermined interval P2 in the Y direction.
  • the predetermined tube rows 22 are arranged so as to be offset in the X direction with respect to the other tube rows 22 adjacent to each other in the Y direction.
  • the heat transfer tube 20 of the predetermined tube row 22 is arranged unevenly on the heat transfer tube 20 side of another adjacent tube row 22 when viewed from the flow direction of the heat exchange air.
  • the predetermined tube row 22 is located on one side in the X direction (for example, the positive side) of the reference position shifted in the X direction by the pitch P1 / 2 which is half of the predetermined pitch P1 with respect to the other tube row 22. ) Is biased by the distance X2. That is, the predetermined tube row 22 is arranged at a position deviated from the other tube row 22 by a distance (P1 / 2 ⁇ X2).
  • the predetermined tube rows 22 are arranged slightly offset from the staggered arrangement, so that the heat exchange air flowing in from the lower surface side of the heat exchanger 1 is directly directed toward the center of the heat transfer tube 20. There is no collision and it is possible to reduce the pressure loss. Further, even if the predetermined tube row 22 is slightly displaced from the staggered arrangement, the heat exchange air flowing through the upstream side (negative side in the Y direction) tube row 22 is predetermined in the downstream side tube row 22 due to the Coanda effect. It flows so as to be attracted to the outer peripheral surface of the heat transfer tube 20. Therefore, in the tube row 22 on the downstream side, the heat exchange air can be divided into two left and right in the X direction without flowing unevenly. As a result, it is possible to reduce the pressure loss of the heat exchange air while maintaining the heat exchange performance.
  • the heat transfer tube 20 of the predetermined tube row 22 is located on the outer surface of the heat transfer tube 20 of another adjacent tube row 22 when viewed from the flow direction of the heat exchange air. It is preferably arranged so as to be in contact with each other. That is, it is preferable that the distance X1 between the outer surface of the heat transfer tube 20 of the predetermined tube row 22 shown in FIG. 3 and the outer surface of the heat transfer tube 20 of another adjacent tube row 22 is zero.
  • the heat exchange air flowing through the upstream tube row 22 does not flow unevenly to one side in the downstream tube row 22 due to the Coanda effect, and air flows to both the left and right sides. ..
  • the heat exchange air flowing through the tube row 22 on the downstream side is increased, it is possible to reduce the pressure loss.
  • the deviation amount of the predetermined tube row 22 with respect to the staggered arrangement is within a predetermined range.
  • the distance between the centers of the heat transfer tube 20 of the predetermined tube row 22 and the heat transfer tube 20 of the other adjacent tube row 22 when viewed from the flow direction of the heat exchange air is S, and the outer diameter of the heat transfer tube 20 is set to S.
  • Is D it is preferable to satisfy the relationship of 0.95 ⁇ S / D ⁇ 1.38.
  • FIG. 5 is a graph showing a heat exchange performance ratio and a pressure loss ratio according to the position of the heat transfer tube 20.
  • the horizontal axis shows the ratio S / D of the above-mentioned center-to-center distance S and the outer diameter D of the heat transfer tube
  • the vertical axis shows the heat exchange performance ratio or the pressure loss ratio.
  • the solid line represents the heat exchange performance ratio
  • the broken line represents the pressure loss ratio.
  • the staggered arrangement shown in FIG. 3 is given as an example.
  • the heat exchange performance ratio and the pressure loss ratio in the staggered arrangement will be described as "1" as a reference.
  • the amount of deviation of the predetermined tube row 22 is increased from the staggered arrangement, that is, the heat transfer tube 20 of the predetermined tube row 22 is brought closer to the heat transfer tube 20 of another adjacent tube row 22 (the center-to-center distance S is reduced). Then, the S / D gradually becomes smaller.
  • the pressure loss ratio gradually decreases as the S / D decreases. Further, in the range of 0.95 ⁇ S / D ⁇ 1.38, the heat exchange performance ratio is almost constant at “1”. When the S / D is less than 0.95, the heat exchange performance ratio gradually decreases. That is, in the range of 0.95 ⁇ S / D ⁇ 1.38, it is possible to reduce the pressure loss ratio while maintaining the heat exchange performance ratio at the same level as the conventional staggered arrangement.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the fin tube heat exchanger according to the first modification.
  • the heat transfer tube 20 of the predetermined tube row 22 is at least a part away from the heat transfer tube 20 of another adjacent tube row 22 when viewed from the flow direction of the heat exchange air. It is arranged so that only X3 overlaps. In this case, it is preferable that the distance X3 is set so as to be within the above-mentioned S / D range (more specifically, 0.95 ⁇ S / D ⁇ 1). Even with such a configuration, it is possible to reduce the pressure loss ratio while maintaining the heat exchange performance ratio equivalent to that of the conventional staggered arrangement.
  • the predetermined tube row 22 is X with respect to the other tube row 22 with respect to the reference position shifted in the X direction by half the pitch P1 / 2 of the predetermined pitch P1.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the fin tube heat exchanger according to the second embodiment.
  • the predetermined tube row 22 is staggered with respect to the staggered arrangement.
  • the second embodiment shown in FIG. 7 differs from the first embodiment in that the plurality of tube rows 22 are staggered, while the entire heat exchanger 1 is tilted by a predetermined angle. Therefore, the above-mentioned configurations are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted as appropriate.
  • the predetermined tube row 22 is arranged at a reference position shifted in the first direction by a pitch P1 / 2, which is half of the predetermined pitch P1 with respect to the other tube row 22. Further, the first direction is inclined at a predetermined angle ⁇ with respect to the direction (X direction) orthogonal to the flow direction (Y direction) of the heat exchange air. Also in this case, the heat transfer tubes 20 of the predetermined tube row 22 are arranged unevenly toward the heat transfer tubes 20 side of the other adjacent tube rows 22 when viewed from the flow direction of the heat exchange air.
  • the inclination angle ⁇ of the heat exchanger 1 is preferably, for example, 9 degrees. At this angle, as shown in FIG. 7, the heat transfer tube 20 of the predetermined tube row 22 comes into contact with the outer surface of the heat transfer tube 20 of another adjacent tube row 22 when viewed from the flow direction of the heat exchange air. Is placed in. As a result, even in the second embodiment, it is possible to reduce the pressure loss ratio while maintaining the heat exchange performance ratio at the same level as the conventional one.
  • the inclination angle ⁇ of the heat exchanger 1 is not limited to this, and can be changed as appropriate. Further, by inclining the entire heat exchanger 1 at an angle, the number of heat transfer tubes 20 (fin tubes 2) arranged can be increased, and the heat exchange performance can be improved. Furthermore, since it is only necessary to incline the heat exchanger 1, the existing configuration can be effectively utilized and the design man-hours can be reduced.
  • the shape, number of arrangements, layout, etc. of the heat transfer tubes 20 are not limited to this, and can be appropriately changed. Similarly, the number of tube rows 22 and the amount of shift can be appropriately changed.
  • the present embodiment is not limited to the above-described embodiment and modification, and may be variously changed, replaced, or modified without departing from the spirit of the technical idea. Further, if the technical idea can be realized in another way by the advancement of the technology or another technology derived from it, it may be carried out by the method. Therefore, the claims cover all embodiments that may be included within the scope of the technical idea.
  • the fin tube heat exchanger includes a tube row in which a plurality of heat transfer tubes are arranged side by side at a predetermined pitch in a first direction intersecting the flow direction of the heat exchange air, and has the same as the first direction.
  • a fin tube heat exchanger in which a plurality of tube rows are arranged at predetermined intervals in a second direction intersecting the predetermined tube rows with respect to other adjacent tube rows in the second direction.
  • the heat transfer tubes of the predetermined tube row are arranged offset to the heat transfer tube side of the other adjacent tube rows when viewed from the flow direction of the heat exchange air. There is.
  • the predetermined tube row is the first from the reference position deviated in the first direction by half the pitch of the predetermined pitch with respect to the other tube row. It is unevenly arranged on one side in the direction of 1.
  • the predetermined tube row is arranged at a reference position shifted in the first direction by half the pitch of the predetermined pitch with respect to the other tube row.
  • the first direction is inclined at a predetermined angle with respect to the direction orthogonal to the flow direction of the heat exchange air.
  • the predetermined angle is 9 degrees.
  • the heat transfer tube of the predetermined tube row is in contact with the outer surface of the heat transfer tube of the other adjacent tube row when viewed from the flow direction of the heat exchange air. Have been placed.
  • the heat transfer tube of the predetermined tube row is at least partially overlapped with the heat transfer tube of the other adjacent tube rows when viewed from the flow direction of the heat exchange air. Is located in.
  • the distance between the centers of the heat transfer tube of the predetermined tube row and the heat transfer tube of the other adjacent tube row is S, and the outer diameter of the heat transfer tube is D. Then, the relationship of 0.95 ⁇ S / D ⁇ 1.38 is satisfied.
  • the present invention has the effect of reducing the pressure loss of the heat exchange air while maintaining the heat exchange performance, and in particular, the fin tube heat used as a radiator for geothermal binary power generation. Useful for exchangers.

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Abstract

熱交換性能を維持しながら、熱交換空気の圧力損失を低下させること。フィンチューブ熱交換器（１）は、熱交換空気の流通方向と交差する第１の方向に所定ピッチ（Ｐ１）で複数の伝熱管が並べて配置されたチューブ列（２２）を備える。第１の方向と交差する第２の方向に複数のチューブ列が所定間隔（Ｐ２）を空けて配置されている。所定のチューブ列は、第２の方向で隣り合う他のチューブ列に対して第１の方向にずれて配置されている。熱交換空気の流通方向からみて、所定のチューブ列の伝熱管は、隣接する他のチューブ列の伝熱管側に偏って配置されている。

Description

フィンチューブ熱交換器
　本発明は、フィンチューブ熱交換器に関する。
　産業用の熱交換器では、フィンチューブ熱交換器が一般的に用いられている。フィンチューブ熱交換器では、熱交換空気の流通方向と交差する方向に配列された複数本の伝熱管と、これらの伝熱管の管軸方向に配置される複数枚のフィン（伝熱板）とを有し、伝熱管内に液媒体を流し、伝熱管の外周面とフィンにガス体（熱交換空気）を当てて熱交換させる。複数枚のフィンは、伝熱面積を拡大することで、熱移動量の増大に寄与する。
　従来、このようなフィンチューブ熱交換器において、通風抵抗の増大を抑えつつ、熱交換効率を向上する各種の提案が行われている（例えば、特許文献１－４参照）。この種のフィンチューブ熱交換器では、複数の伝熱管が所定ピッチで並べられて１つのチューブ列を形成し、更にこのチューブ列が所定方向に複数並んで配置されている。
特開２０１３－９２３０６号公報 特開２０１１－２３７０４７号公報 特開２００８－５７９４４号公報 特開昭６１－２８５３９５号公報
　ところで、上記のようなフィンチューブ熱交換器においては、複数の伝熱管が所定ピッチで規則的に並んで配置されている。このため、伝熱管の外径とピッチによっては、伝熱管外を流れる熱交換空気の流通抵抗が大きくなり、圧力損失が高くなってしまうという問題があった。
　本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、熱交換性能を維持しながら、熱交換空気の圧力損失を低下させることができるフィンチューブ熱交換器を提供することを目的の一つとする。
　本発明の一態様のフィンチューブ熱交換器は、熱交換空気の流通方向と交差する第１の方向に所定ピッチで複数の伝熱管が並べて配置されたチューブ列を備え、前記第１の方向と交差する第２の方向に複数のチューブ列が所定間隔を空けて配置されたフィンチューブ熱交換器であって、所定のチューブ列は、前記第２の方向で隣り合う他のチューブ列に対して前記第１の方向にずれて配置されており、前記熱交換空気の流通方向からみて、前記所定のチューブ列の伝熱管は、隣接する前記他のチューブ列の伝熱管側に偏って配置されている。
　本発明によれば、熱交換性能を維持しながら、熱交換空気の圧力損失を低下させることができる。
本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器の概略斜視図である。 本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器の部分拡大図である。 比較例に係るフィンチューブ熱交換器の断面模式図である。 第１実施形態に係るフィンチューブ熱交換器の断面模式図である。 伝熱管の位置に応じた熱交換性能比及び圧力損失比を示すグラフである。 第１変形例に係るフィンチューブ熱交換器の断面模式図である。 第２実施形態に係るフィンチューブ熱交換器の断面模式図である。
　以下、本発明の複数の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。本発明に係るフィンチューブ熱交換器は、例えば、地熱発電設備内に設置される凝縮器等の放熱器に好適に利用される。しかしながら、本発明に係るフィンチューブ熱交換器は、これに限定されるものではなく、石油化学工場や精油工場の空冷式熱交換器や、焼却炉の空冷式復水器等の任意の熱交換器に適用することができる。
　また、以下の図において、複数の伝熱管が並ぶ第１の方向をＸ方向、複数のチューブ列が並ぶ第２の方向をＹ方向、伝熱管の軸方向（延在方向）をＺ方向と定義することにする。図示されたＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交している。また、場合によっては、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を上下方向、Ｚ方向を前後方向と呼ぶことがある。これらの方向（前後左右上下方向）は、説明の便宜上用いる文言であり、フィンチューブ熱交換器の取付姿勢によっては、ＸＹＺ方向のそれぞれとの対応関係が変わることがある。例えば、フィンチューブ熱交換器に対して吸入空気（熱交換空気）が吸入される側を下面側とし、その反対側である空気の吹き出し側を上面側と呼ぶことにする。また、本明細書においては、特に断りがない限り、平面視は、フィンチューブ熱交換器の上面をＹ方向正側からみた場合を意味し、断面視は、伝熱管の軸方向（Ｚ方向）からみた場合の断面を意味するものとする。
　図１は、本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器の概略斜視図である。図２は、本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器の部分拡大図である。図２では、説明の便宜上、フィンチューブの一部を抜粋して示すと共に、一部のフィンチューブの断面を示している。
　本実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器１（以下、単に熱交換器と呼ぶ）は、例えば空冷式地熱バイナリー発電の放熱器で構成される。詳細は後述するが、熱交換器１は、伝熱管２０内を流れる冷媒と伝熱管２０外を流れる空気との間で熱交換を実現する。
　図１及び図２に示すように、熱交換器１は、平面視矩形で上下方向（Ｙ方向）に所定の厚みを有する扁平形状に形成されている。具体的に熱交換器１は、Ｚ方向に延びる複数の伝熱管２０をＸ方向及びＹ方向に並べて配置し、伝熱管２０のＺ方向の両端を一対のヘッダー部３で連結して構成される。なお、図１では、説明の便宜上、一対のヘッダー部３のうち、一端側（Ｚ方向負側）のヘッダー部３のみ図示している。
　伝熱管２０は、所定外径Ｄ（図４参照）の中空円筒形状（円管形状）を有しており、前後方向であるＺ方向に延びている。伝熱管２０の内部は、冷媒となる流体が流通可能となっている。伝熱管２０内に導入される冷媒には、例えば温水を用いることが可能である。なお、冷媒には、温水に限らず、他の流体（ペンタンや代替フロン等）が用いられてもよい。詳細は後述するが、伝熱管２０の表面温度は、内部を流通する冷媒の温度に応じて変化する。
　伝熱管２０の外周面には、複数枚のフィン２１（伝熱板）が設けられている。フィン２１は、伝熱管２０の軸方向（Ｚ方向）からみて、概して円環形状を有し、Ｚ方向に厚みを有する板状体で形成される。フィン２１は、例えば伝熱管２０の外径の一部又は全部を拡張する拡管加工により伝熱管２０の外周面に接合されてもよい。また、伝熱管２０の外周面には、複数枚のフィン２１が、Ｚ方向に所定間隔を空けて配置されている。複数のフィン２１は、同一の形状を有している。なお、伝熱管２０と複数枚のフィン２１とを合わせてフィンチューブ２と呼んでもよい。
　このように構成された伝熱管２０（フィンチューブ２）は、Ｘ方向（第１の方向）に所定ピッチＰ１で複数本並べられることにより、１つのチューブ列２２（図４参照）が形成される。より具体的には、１つのチューブ列２２を構成する複数の伝熱管２０は、熱交換空気の流通方向（上下方向）と交差する方向（Ｘ方向）に並べて配置されている。また、熱交換器１では、複数のチューブ列２２がＹ方向（第２の方向）に所定間隔Ｐ２を空けて並んで配置されている。なお、これら複数のチューブ列２２及び複数の伝熱管２０のレイアウトについては後述する。また、複数のチューブ列２２をまとめてチューブバンドルと呼んでもよい。なお、複数の伝熱管２０の所定外径Ｄは、全て同じ大きさであることが好ましい。
　上記したように、伝熱管２０の軸端には、一対のヘッダー部３が連結されている。ヘッダー部３は、チューブバンドルのＸ方向及びＹ方向の幅に対応した直方体形状を有し、内部が中空のタンクで構成される。ヘッダー部３の側面には、複数の伝熱管２０の軸端部が貫通している。伝熱管２０の内部空間は、ヘッダー部３の内部空間に連通している。また、ヘッダー部３の上面及び下面には、冷媒の出入口３０が設けられている。すなわち、ヘッダー部３の内部空間及び伝熱管２０の内部空間は、冷媒の流通経路を構成する。
　このように構成された熱交換器１の上面側には、例えば送風機（不図示）が対向配置されている。送風機は、熱交換器１の下方から空気（熱交換空気）を吸い上げ、上方の外部空間に送り出す。すなわち、熱交換空気は、熱交換器１の上下方向に流通する。吸い上げられた熱交換空気は、熱交換器１で熱交換されることで暖められた後、外部に放出される。すなわち、熱交換空気の流通方向に対して、熱交換器１の下面側は上流側であり、熱交換器１の上面側は下流側である。
　すなわち、熱交換空気の流通方向は、Ｙ方向負側からＹ方向正側に向かっている。第１の方向であるＸ方向は、熱交換空気の流通方向と交差している。また、第２の方向であるＹ方向は、第１の方向と直交しており、熱交換空気の流通方向と一致している。
　ここで、比較例を参照して、第１実施形態に係るフィンチューブ熱交換器について説明する。図３は、比較例に係るフィンチューブ熱交換器の断面模式図である。図４は、第１実施形態に係るフィンチューブ熱交換器の断面模式図である。なお、図３の比較例に係る熱交換器の構成は、フィンチューブのレイアウトが異なるだけであるため、既出の構成と同一の符号で示している。
　従来の熱交換器１では、図３の比較例に示すように、所定のチューブ列２２がＹ方向で隣り合う他のチューブ列２２に対してＸ方向にずれて配置されている。より具体的に所定のチューブ列２２は、他のチューブ列２２に対して所定ピッチＰ１の半分のピッチＰ１／２だけＸ方向にずれた位置（以下、基準位置と呼ぶ）に配置されている。このようなチューブ列２２の配置は、千鳥配置と呼ばれてもよい。千鳥配置では、複数のチューブ列２２が半ピッチＰ１／２ずれて互い違いに配置されている。また、図３では、例えば、所定のチューブ列２２の伝熱管２０の外面と、隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０の外面は、熱交換空気の流通方向からみて距離Ｘ１だけ離れている。
　図３に示すように千鳥配置の場合、熱交換器１の下面側から流入する熱交換空気が伝熱管２０の中心に向かってダイレクトに衝突する。このため、圧力損失が高くなってしまうという問題があった。また、上流側に比べて下流側の伝熱管２０において熱交換が十分に行われず、熱交換性能が低下してしまうおそれもある。
　特に上記したような空冷式地熱バイナリー発電の放熱器に用いられる送風機は、システムの発電電力を用いて駆動されている。このため、圧力損失が高いと送風機の消費電力が増大する結果、送電電力が低下することになる。したがって、圧力損失を低減して送電電力の増大が求められている。
　そこで、本件発明者等は、熱交換器１の構成部品である伝熱管２０の配置に着目し、本発明に想到した。具体的に本実施の形態では、図４に示すように、Ｘ方向に所定ピッチＰ１で複数の伝熱管２０が並べて配置されることにより、チューブ列２２が形成される。また、複数のチューブ列２２が、Ｙ方向に所定間隔Ｐ２を空けて並んで配置されている。
　複数のチューブ列２２のうち、所定のチューブ列２２は、Ｙ方向で隣り合う他のチューブ列２２に対してＸ方向にずれて配置されている。特に、所定のチューブ列２２の伝熱管２０は、熱交換空気の流通方向からみて、隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０側に偏って配置されている。
　より具体的には、所定のチューブ列２２は、他のチューブ列２２に対して所定ピッチＰ１の半分のピッチＰ１／２だけＸ方向にずれた基準位置よりもＸ方向の一方側（例えば正側）に距離Ｘ２だけ偏って配置されている。すなわち、所定のチューブ列２２は、他のチューブ列２２に対して、距離（Ｐ１／２±Ｘ２）だけずれた箇所に配置されている。
　この構成によれば、千鳥配置よりもわずかに所定のチューブ列２２がずれて配置されることにより、熱交換器１の下面側から流入する熱交換空気が伝熱管２０の中心に向かってダイレクトに衝突することがなくなり、圧力損失を低減することが可能である。また、千鳥配置からわずかに所定のチューブ列２２がずれたとしても、上流側（Ｙ方向負側）のチューブ列２２を流れた熱交換空気は、コアンダ効果により、下流側のチューブ列２２において所定の伝熱管２０の外周面に引き寄せられるように流れる。したがって、下流側のチューブ列２２においては、熱交換空気が偏流することなく、Ｘ方向で左右２つに分流して流れることが可能である。これらにより、熱交換性能を維持しながら、熱交換空気の圧力損失を低下させることが可能である。
　また、本実施の形態においては、図４に示すように、熱交換空気の流通方向からみて、所定のチューブ列２２の伝熱管２０は、隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０の外面に接触するように配置されていることが好ましい。すなわち、図３に示す所定のチューブ列２２の伝熱管２０の外面と、隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０の外面との距離Ｘ１がゼロであることが好ましい。
　この構成によれば、上記したように、上流側のチューブ列２２を流れた熱交換空気が、コアンダ効果により、下流側のチューブ列２２において、片方に偏流することなく、左右両方に空気が流れる。この結果、熱交換性能については、従来の千鳥配置と同等性能を維持することが可能である。また、下流側のチューブ列２２を流れる熱交換空気の流路面積が増大するため、圧力損失の低減も実現することが可能となる。
　なお、本実施の形態において、千鳥配置に対する所定のチューブ列２２のずれ量は、所定の範囲内にあることが好ましい。具体的には、熱交換空気の流通方向からみて、所定のチューブ列２２の伝熱管２０と隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０との中心間距離をＳとし、伝熱管２０の外径をＤとすると、０．９５≦Ｓ／Ｄ≦１．３８の関係を満たすことが好ましい。
　ここで、伝熱管２０の位置と熱交換性能等との関係について説明する。図５は、伝熱管２０の位置に応じた熱交換性能比及び圧力損失比を示すグラフである。図５において、横軸は上記した中心間距離Ｓと伝熱管の外径Ｄとの比Ｓ／Ｄを示しており、縦軸は熱交換性能比又は圧力損失比を示している。また、図５のグラフにおいて、実線は熱交換性能比を表し、破線は圧力損失比を表している。
　図５に示すように、Ｓ／Ｄが１．３８より大きい領域は、図３に示す千鳥配置が例に挙げられる。千鳥配置における熱交換性能比、及び圧力損失比を基準の「１」として説明する。千鳥配置から所定のチューブ列２２のずれ量を大きくしていく、すなわち、所定のチューブ列２２の伝熱管２０と隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０とを近づける（中心間距離Ｓを小さくする）と、Ｓ／Ｄは徐々に小さくなっていく。
　Ｓ／Ｄが１．３８以下では、Ｓ／Ｄが小さくなるにしたがって圧力損失比は、徐々に小さくなっている。また、０．９５≦Ｓ／Ｄ≦１．３８の範囲では、熱交換性能比はほぼ「１」で一定である。Ｓ／Ｄが０．９５を下回ると、熱交換性能比は、徐々に小さくなっていく。すなわち、０．９５≦Ｓ／Ｄ≦１．３８の範囲においては、熱交換性能比を従来の千鳥配置と同等に維持しつつも、圧力損失比を低減することが可能である。
　なお、図４に示すように、熱交換空気の流通方向からみて、所定のチューブ列２２の伝熱管２０が、隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０の外面に接触するように配置されている場合（Ｘ１＝０の場合）、Ｓ／Ｄ＝１となり、最も本発明による効果が得られる態様となる。
　また、図４に示す態様に限らず、上記したＳ／Ｄの範囲内であれば、チューブ列２２の位置関係は、適宜変更が可能である。例えば、図６に示すレイアウトも可能である。図６は、第１変形例に係るフィンチューブ熱交換器の断面模式図である。
　図６に示すように、第１変形例では、熱交換空気の流通方向からみて、所定のチューブ列２２の伝熱管２０は、隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０に少なくとも一部が距離Ｘ３だけ重なるように配置されている。この場合、距離Ｘ３は、上記したＳ／Ｄの範囲内（より具体的には０．９５≦Ｓ／Ｄ＜１）に収まるように設定されることが好ましい。このような構成であっても、熱交換性能比を従来の千鳥配置と同等に維持しながら、圧力損失比を低減することが可能である。
　以上説明したように、第１実施形態によれば、所定のチューブ列２２を、他のチューブ列２２に対して所定ピッチＰ１の半分のピッチＰ１／２だけＸ方向にずれた基準位置よりもＸ方向の一方側に偏って配置することで、熱交換性能を維持しながら、熱交換空気の圧力損失を低下させることが可能である。
　次に、図７を参照して、第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態に係るフィンチューブ熱交換器の断面模式図である。上記した第１実施形態では、千鳥配置に対して所定のチューブ列２２をずらす構成とした。図７に示す第２実施形態では、複数のチューブ列２２は千鳥配置である一方、熱交換器１全体を所定角度傾斜した点で第１実施形態と相違する。このため、既出の構成は同一の符号を付して説明は適宜省略する。
　図７に示すように、所定のチューブ列２２は、他のチューブ列２２に対して所定ピッチＰ１の半分のピッチＰ１／２だけ第１の方向にずれた基準位置に配置されている。また、第１の方向は、熱交換空気の流通方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に対して所定角度θで傾斜している。この場合においても、熱交換空気の流通方向からみて、所定のチューブ列２２の伝熱管２０は、隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０側に偏って配置されている。
　また、熱交換器１の傾斜角度θは、例えば９度であることが好ましい。この角度にすれば、図７に示すように、熱交換空気の流通方向からみて、所定のチューブ列２２の伝熱管２０は、隣接する他のチューブ列２２の伝熱管２０の外面に接触するように配置される。これにより、第２実施形態においても、熱交換性能比を従来と同等に維持しつつ、圧力損失比を低減することが可能である。なお、熱交換器１の傾斜角度θは、これに限らず、適宜変更が可能である。また、熱交換器１全体を斜めに傾斜させたことで、伝熱管２０（フィンチューブ２）の配置数を増やすことができ、熱交換性能を向上することが可能である。更には、熱交換器１を傾斜させるだけでよいため、既存の構成を有効活用することができ、設計工数を低減することが可能である。
　また、上記した実施の形態において、伝熱管２０の形状、配置数、レイアウト等は、これに限らず、適宜変更が可能である。チューブ列２２の数や、ずらし量も同様に適宜変更が可能である。
　また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。
　また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
　下記に、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
　上記実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器は、熱交換空気の流通方向と交差する第１の方向に所定ピッチで複数の伝熱管が並べて配置されたチューブ列を備え、前記第１の方向と交差する第２の方向に複数のチューブ列が所定間隔を空けて配置されたフィンチューブ熱交換器であって、所定のチューブ列は、前記第２の方向で隣り合う他のチューブ列に対して前記第１の方向にずれて配置されており、前記熱交換空気の流通方向からみて、前記所定のチューブ列の伝熱管は、隣接する前記他のチューブ列の伝熱管側に偏って配置されている。
　上記実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器において、前記所定のチューブ列は、前記他のチューブ列に対して前記所定ピッチの半分のピッチだけ前記第１の方向にずれた基準位置よりも前記第１の方向の一方側に偏って配置されている。
　上記実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器において、前記所定のチューブ列は、前記他のチューブ列に対して前記所定ピッチの半分のピッチだけ前記第１の方向にずれた基準位置に配置されており、前記第１の方向は、前記熱交換空気の流通方向に直交する方向に対して所定角度で傾斜している。
　上記実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器において、前記所定角度は９度である。
　上記実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器において、前記熱交換空気の流通方向からみて、前記所定のチューブ列の伝熱管は、隣接する前記他のチューブ列の伝熱管の外面に接触するように配置されている。
　上記実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器において、前記熱交換空気の流通方向からみて、前記所定のチューブ列の伝熱管は、隣接する前記他のチューブ列の伝熱管に少なくとも一部が重なるように配置されている。
　上記実施の形態に係るフィンチューブ熱交換器において、前記所定のチューブ列の伝熱管と隣接する前記他のチューブ列の伝熱管との中心間距離をＳとし、前記伝熱管の外径をＤとすると、０．９５≦Ｓ／Ｄ≦１．３８の関係を満たす。
　以上説明したように、本発明は、熱交換性能を維持しながら、熱交換空気の圧力損失を低下させることができるという効果を有し、特に、地熱バイナリー発電に放熱器として用いられるフィンチューブ熱交換器に有用である。
　本出願は、２０２０年８月２４日出願の特願２０２０－１４０８７４に基づく。この内容は、すべてここに含めておく。

Claims (7)

  1. 　熱交換空気の流通方向と交差する第１の方向に所定ピッチで複数の伝熱管が並べて配置されたチューブ列を備え、前記第１の方向と交差する第２の方向に複数のチューブ列が所定間隔を空けて配置されたフィンチューブ熱交換器であって、
    　所定のチューブ列は、前記第２の方向で隣り合う他のチューブ列に対して前記第１の方向にずれて配置されており、
    　前記熱交換空気の流通方向からみて、前記所定のチューブ列の伝熱管は、隣接する前記他のチューブ列の伝熱管側に偏って配置されている、フィンチューブ熱交換器。
  2. 　前記所定のチューブ列は、前記他のチューブ列に対して前記所定ピッチの半分のピッチだけ前記第１の方向にずれた基準位置よりも前記第１の方向の一方側に偏って配置されている、請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。
  3. 　前記所定のチューブ列は、前記他のチューブ列に対して前記所定ピッチの半分のピッチだけ前記第１の方向にずれた基準位置に配置されており、
    　前記第１の方向は、前記熱交換空気の流通方向に直交する方向に対して所定角度で傾斜している、請求項１に記載のフィンチューブ熱交換器。
  4. 　前記所定角度は９度である、請求項３に記載のフィンチューブ熱交換器。
  5. 　前記熱交換空気の流通方向からみて、前記所定のチューブ列の伝熱管は、隣接する前記他のチューブ列の伝熱管の外面に接触するように配置されている、請求項１から請求項４のいずれかに記載のフィンチューブ熱交換器。
  6. 　前記熱交換空気の流通方向からみて、前記所定のチューブ列の伝熱管は、隣接する前記他のチューブ列の伝熱管に少なくとも一部が重なるように配置されている、請求項１から請求項４のいずれかに記載のフィンチューブ熱交換器。
  7. 　前記所定のチューブ列の伝熱管と隣接する前記他のチューブ列の伝熱管との中心間距離をＳとし、前記伝熱管の外径をＤとすると、
    　０．９５≦Ｓ／Ｄ≦１．３８の関係を満たす、請求項１から請求項６のいずれかに記載のフィンチューブ熱交換器。
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