JP5980138B2 - 伝熱管および排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、伝熱管および排熱回収ボイラに関し、特に、排熱を回収するときに利用される伝熱管および排熱回収ボイラに関する。

高温の排ガスから排熱を回収する排熱回収ボイラが知られている。その排熱回収ボイラは、排ガスが流れる煙道に伝熱管が設けられている。その伝熱管は、管の外側にフィンが接合されることにより形成されている。その伝熱管は、その伝熱管の周辺に高温の排ガスが流されているときに、その伝熱管に水が流されることにより、その排ガスの熱をその水に伝熱する。このとき、そのフィンは、その排ガスを拡散し、その排ガスの熱からその流体に伝熱する伝熱量をより増加させる（たとえば、特許文献１参照）。

米国特許第５３３７８０７号明細書

このような伝熱管は、性能の向上が望まれ、一方の流体から他方の流体にさらに高効率に伝熱することが望まれている。

本発明の課題は、一方の流体から他方の流体に高効率に伝熱する伝熱管および排熱回収ボイラを提供することにある。

本発明による伝熱管は、第１流体が流れる流路を形成する管と、板状に形成されるフィンとを備えている。そのフィンは、その管の外側に接合されたソリッド部分と、そのソリッド部分を介してその管に間接的に接合された複数のフィン部分とから形成されている。そのソリッド部分は、そのソリッド部分の近傍を流れる第２流体を攪拌する複数の構造物が形成されている。その複数の構造物は、複数の第１構造物と、複数の第２構造物とを含んでいる。その複数の第１構造物の任意の第１構造物は、その任意の第１構造物からその複数のフィンのいずれかまでの第１距離がその任意の第１構造物からその管までの距離より短くなるように、配置されている。その複数の第２構造物の任意の第２構造物は、その任意の第２構造物からその複数のフィンのいずれかまでの第２距離がその第１距離より長くなるように、配置されている。

このような伝熱管は、その複数の突起によりその第２流体が攪拌されることにより、そのフィンの近傍に形成されるその第２流体の温度境界層を薄くすることができ、そのソリッド部分が概ね平坦に形成されている他の伝熱管に比較して、その第１流体と第２流体との熱交換量を増加させることができる。
また、このような伝熱管は、その複数の第１構造物のみが形成される他の伝熱管に比較して、その複数の突起によりその第２流体がより適切に攪拌されることにより、そのフィンの近傍に形成されるその第２流体の温度境界層を薄くすることができ、その第１流体と第２流体との熱交換量を増加させることができる。

その複数の構造物は、それぞれ、そのソリッド部分に形成される表面から突出している。

このような伝熱管は、その複数の突起によりその第２流体が攪拌されることにより、そのフィンの近傍に形成されるその第２流体の温度境界層を薄くすることができる。このような伝熱管は、さらに、そのソリッド部分に複数のディンプルまたは複数の孔が形成されている他の伝熱管に比較して、そのソリッド部分のうちの伝熱に利用される領域が大きく、そのフィン部分からその管に熱をより高効率に伝熱することができる。

本発明による排熱回収ボイラは、本発明による伝熱管と、その第１流体が流れる流路を形成するダクトとを備えている。このとき、その第２流体は、燃焼設備から排気される排気ガスである。その伝熱管は、その第１流体を加熱する。

このような排熱回収ボイラは、その伝熱管が高効率に伝熱することができることにより、その第１流体を高効率に加熱することができる。

本発明による伝熱管および排熱回収ボイラは、一方の流体から他方の流体に高効率に伝熱することができる。

本発明による伝熱管を示す縦断面図である。 本発明による伝熱管を示す横断面図である。 本発明による伝熱管を示す斜視図である。 複数の突起を示す縦断面図である。 伝熱管の近傍を流れる排ガスの流れを示す横断面図である。 本発明による伝熱管の実施の他の形態を示す横断面図である。

以下に、図面を参照して、伝熱管の実施の形態が記載される。その伝熱管１は、図１に示されているように、管２とフィン３とを備えている。管２は、金属から形成され、管状に形成されている。管２は、内部に流路５を形成している。フィン３は、金属から形成され、帯状に形成されている板から形成されている。フィン３は、管２の外壁から外側に張り出すように、管２の外壁上の螺旋に沿って管２に接合されている。

フィン３は、図２に示されるように、ソリッド部分１１と複数のフィン部分１２−１〜１２−ｎ（ｎ＝２，３，４，…）とを含んでいる。ソリッド部分１１は、フィン３のうちの管２に接合されている側を形成している。複数のフィン部分１２−１〜１２−ｎのうちの任意のフィン部分１２−ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）は、概ね長方形に形成され、管２に接合されないで、ソリッド部分１１に接合されている。

フィン３は、さらに、図３に示されるように、複数の突起１４−１〜１４−ｎが形成されている。複数の突起１４−１〜１４−ｎは、複数のフィン部分１２−１〜１２−ｎに対応し、ソリッド部分１１に形成されている。複数の突起１４−１〜１４−ｎのうちのフィン部分１２−ｉに対応する突起１４−ｉは、ソリッド部分１１のうちのフィン部分１２−ｉの近傍に形成されている。突起１４−ｉは、さらに、フィン部分１２−ｉから所定の距離だけ離れた位置に形成され、突起１４−ｉからフィン部分１２−ｉまでの距離が突起１４−ｉから管２までの距離より短くなるように形成されている。突起１４−ｉは、図４に示されるように、半球状に形成されている。

伝熱管１が製造される製造方法は、フィン部品を作製する動作と、フィン部品を管に接合する動作とを備えている。そのフィンを作製する動作では、まず、帯状の板が準備される。その板は、複数の切り込みが形成されるように、加工される。その複数の切り込みは、それぞれ、一方の側の縁からその縁に垂直に切り込まれるように形成され、所定の間隔をあけて並んでいる複数の平行線に沿って形成されている。その複数の切り込みは、さらに、その板のうちのその縁から所定の長さだけ離れた領域に到達しないように形成されている。その板は、さらに、複数の突起が形成されるように、加工されることにより、フィン部品に形成される。その板のうちのその縁から所定の長さだけ離れた領域に形成されている。その所定の長さは、その切り込みの長さより長い。その複数の突起は、さらに、その複数の切り込みに対応している。その複数の突起のうちのある切り込みに対応する突起は、その切り込みが沿う直線とその複数の切り込みのうちのその切り込みに隣り合う他の切り込みが沿う直線との間に形成されている。

そのフィン部品を管に接合する動作では、まず、管が準備される。その管は、外壁表面が円柱の側面に沿うように形成されている。そのフィン部品は、そのフィン部品のその複数の切り込みが形成されている側の反対側の縁がその管の外壁に溶接により接合される。そのフィン部品は、その管の外壁のうちのそのフィン部品に接合されている点の軌跡が螺旋に形成されるように、その管の外壁に接合される。伝熱管１は、その管とそのフィン部品とがこのように接合されることにより作製される。

伝熱管１は、排熱回収ボイラに適用される。その排熱回収ボイラは、伝熱管１とダクトとを備えている。伝熱管１は、そのダクトが沿う直線と伝熱管１が沿う直線とが垂直になるように、そのダクトが形成する煙道に配置されている。その排熱回収ボイラは、ボイラに例示される燃焼装置から排気される高温の排ガスをその煙道に流し、伝熱管１の流路５に水を流す。その排ガスは、その煙道を流れるときに、伝熱管１の近傍を流れる。

その排ガスは、伝熱管１の近傍を流れるときに、伝熱管１に接触することにより、伝熱管１を加熱し、伝熱管１により冷却される。このとき、その排ガスから伝熱管１のフィン３に伝熱された熱は、管２に伝熱され、流路５に流れる水に伝熱される。すなわち、伝熱管１は、その排ガスに接触しているときに、その排ガスの熱を流路５に流れる水に伝熱することにより、その水を加熱する。

伝熱管１のフィン３の近傍を流れる排ガスの流れは、図５に示されるように、フィン部分流れ２１とソリッド部分流れ２２とを含んでいる。フィン部分流れ２１は、複数のフィン部分１２−１〜１２−ｎの近傍を流れる排ガスの流れを示している。ソリッド部分流れ２２は、フィン部分流れ２１に比較して、ソリッド部分１１のより近傍を流れる排ガスの流れを示している。フィン部分流れ２１は、複数のフィン部分１２−１〜１２−ｎの縁によりその排ガスが攪拌され、複数のフィン部分１２−１〜１２−ｎの近傍に形成されるその排ガスの温度境界層の厚さを薄くする。ソリッド部分流れ２２は、複数の突起１４−１〜１４−ｎによりその排ガスが攪拌され、ソリッド部分１１の近傍に形成されるその排ガスの温度境界層の厚さを薄くする。フィン３は、その排ガスの温度境界層が薄いほど、より高効率にその排ガスから伝熱される。

ソリッド部分１１に複数の突起１４−１〜１４−ｎが形成されていないときに、複数の突起１４−１〜１４−ｎが形成されていない他のソリッド部分の近傍に形成されるその排ガスの温度境界層が比較的に厚くなり、その排ガスからそのソリッド部分に伝熱される効率が比較的に悪い。このような伝熱管１は、複数の突起が形成されていない他の伝熱管に比較して、その温度境界層をより薄くすることができ、その排ガスの熱をより高効率にその水に伝熱することができる。

なお、複数の突起１４−１〜１４−ｎは、複数のフィン部分１２−１〜１２−ｎに対応しなくてもよい。すなわち、伝熱管は、その排ガスを拡散するのに十分な個数の突起がソリッド部分１１に形成されているときに、既述の実施の形態における伝熱管１と同様にして、その温度境界層を薄くすることができ、その排ガスの熱を高効率にその水に伝熱することができる。

なお、複数の突起１４−１〜１４−ｎは、フィン３の裏表の両側に形成されていてもよい。このような伝熱管は、既述の実施の形態における伝熱管１と同様にして、その温度境界層を薄くすることができ、その排ガスの熱を高効率にその水に伝熱することができる。このような伝熱管は、既述の実施の形態における伝熱管１に比較して、その温度境界層をより薄くすることができ、その排ガスの熱をより高効率にその水に伝熱することができる。

伝熱管の実施の他の形態は、既述の実施の形態におけるフィン３が他のフィンに置換されている。そのフィン３０は、図６に示されるように、ソリッド部分３１と複数のフィン部分３２−１〜３２−ｎとを含んでいる。ソリッド部分３１は、フィン３０のうちの管２に接合されている側を形成している。複数のフィン部分３２−１〜３２−ｎのうちの任意のフィン部分３２−ｉは、概ね長方形に形成され、管２に接合されないで、ソリッド部分３１に接合されている。

ソリッド部分３１は、複数の第１突起３４−１〜３４−ｎと複数の第２突起３５−１〜３５−ｎとが形成されている。複数の第１突起３４−１〜３４−ｎは、複数のフィン部分３２−１〜３２−ｎに対応している。複数の第１突起３４−１〜３４−ｎのうちのフィン部分３２−ｉに対応する第１突起３４−ｉは、ソリッド部分３１のうちのフィン部分３２−ｉの近傍に形成されている。第１突起３４−ｉは、さらに、フィン部分３２−ｉから所定の距離だけ離れた位置に形成され、第１突起３４−ｉからフィン部分３２−ｉまでの距離が第１突起３４−ｉから管２までの距離より短くなるように形成されている。

複数の第２突起３５−１〜３５−ｎは、複数のフィン部分３２−１〜３２−ｎに対応している。複数の第２突起３５−１〜３５−ｎのうちのフィン部分３２−ｉに対応する第２突起３５−ｉは、第１突起３４−ｉの近傍に形成されている。第２突起３５−ｉは、さらに、フィン部分３２−ｉから所定の距離だけ離れた位置に形成され、第２突起３５−ｉからフィン部分３２−ｉまでの距離が第１突起３４−ｉからフィン部分３２−ｉまでの距離より長くなるように形成されている。

フィン３０が適用された伝熱管も、フィン３０の近傍に排ガスが流されたときに、既述の実施の形態における伝熱管１と同様にして、フィン３０の近傍に形成される排ガスの温度境界層を薄くすることができ、流路５を流れる水にその排ガスの熱を高効率に伝熱することができる。このような伝熱管は、ソリッド部分３１のうちの管２に近い位置に複数の第２突起３５−１〜３５−ｎが形成されていることにより、さらに、既述の実施の形態における伝熱管１に比較して、ソリッド部分３１のうちの管２に近い領域に形成される排ガスの温度境界層をより薄くすることができ、その排ガスの熱をより高効率にその水に伝熱することができる。

なお、複数の突起１４−１〜１４−ｎ（複数の第１突起３４−１〜３４−ｎと複数の第２突起３５−１〜３５−ｎ）は、半球と異なる他の形状に形成されることもできる。その形状としては、柱体（円柱、角柱）、錐体（円錐、角錐）が例示される。このような形状の突起が適用された伝熱管も、既述の実施の形態における伝熱管１と同様にして、フィンの近傍に形成される排ガスの温度境界層を薄くすることができ、その排ガスの熱を高効率にその水に伝熱することができる。

なお、複数の突起１４−１〜１４−ｎ（複数の第１突起３４−１〜３４−ｎと複数の第２突起３５−１〜３５−ｎ）は、さらに、突起と異なる他の構造物に形成されることもできる。その構造物としては、窪み（ディンプル）、ソリッド部分１１の表側から裏側に貫通している孔が例示される。このような構造物が形成された伝熱管も、既述の実施の形態における伝熱管１と同様にして、その複数の構造物によりその排ガスが攪拌されることにより、フィンの近傍に形成される排ガスの温度境界層を薄くすることができ、その排ガスの熱を高効率にその水に伝熱することができる。ここで、既述の実施の形態における伝熱管１は、ソリッド部分１１から突出していない構造物が適用された伝熱管に比較して、ソリッド部分１１の体積が大きいために、複数のフィン部分１２−１〜１２−ｎから管２に熱をより高効率に伝熱することができ、その排ガスの熱をより高効率にその水に伝熱することができる。

１ ：伝熱管
２ ：管
３ ：フィン
５ ：流路
１１：ソリッド部分
１２−１〜１２−ｎ：複数のフィン部分
１４−１〜１４−ｎ：複数の突起
２１：フィン部分流れ
２２：ソリッド部分流れ
３０：フィン
３１：ソリッド部分
３２−１〜３２−ｎ：複数のフィン部分
３４−１〜３４−ｎ：複数の第１突起
３５−１〜３５−ｎ：複数の第２突起

Claims (3)

1. 第１流体が流れる流路を形成する管と、
   板状に形成されるフィンとを備え、
   前記フィンは、
   前記管の外側に接合されたソリッド部分と、
   前記ソリッド部分を介して前記管に間接的に接合された複数のフィン部分とから形成され、
   前記ソリッド部分は、前記ソリッド部分の近傍を流れる第２流体を攪拌する複数の構造物が形成され、
   前記複数の構造物は、
   複数の第１構造物と、
   複数の第２構造物と、を含み、
   前記複数の第１構造物の任意の第１構造物は、前記任意の第１構造物から前記複数のフィンのいずれかまでの第１距離が前記任意の第１構造物から前記管までの距離より短くなるように、配置され、
   前記複数の第２構造物の任意の第２構造物は、前記任意の第２構造物から前記複数のフィンのいずれかまでの第２距離が前記第１距離より長くなるように、配置されている伝熱管。
2. 前記複数の構造物は、それぞれ、前記ソリッド部分に形成される表面から突出している請求項１に記載される伝熱管。
3. 請求項１または２に記載される伝熱管と、
   前記第１流体が流れる流路を形成するダクトとを備え、
   前記第１流体は、燃焼設備から排気される排気ガスであり、
   前記伝熱管は、前記第２流体を加熱する排熱回収ボイラ。

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