JPH04227484A - 棒バッフル付き熱交換器 - Google Patents

棒バッフル付き熱交換器

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JPH04227484A
JPH04227484A JP3166861A JP16686191A JPH04227484A JP H04227484 A JPH04227484 A JP H04227484A JP 3166861 A JP3166861 A JP 3166861A JP 16686191 A JP16686191 A JP 16686191A JP H04227484 A JPH04227484 A JP H04227484A
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heat exchanger
baffled
rod
acoustically
plate
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Cecil C Gentry
セシル　カルビン　ジェントリィ
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies
    • F28F9/0132—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies formed by slats, tie-rods, articulated or expandable rods
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
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    • Y10S165/40—Shell enclosed conduit assembly
    • Y10S165/401—Shell enclosed conduit assembly including tube support or shell-side flow director
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    • Y10S165/412—Extending in a longitudinal direction including transverse element, e.g. fin, baffle

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱交換器の改良に関し、
より詳しく言えば棒バッフル付き熱交換器の改良に関し
、そのような熱交換器のなかに望ましくない音響振動が
起きることを防ぐための改良に関する。外板側に流れる
ガス状のまたは２相の流体を有する外板とチューブの熱
交換器で、渦流を巻き起こす周波数が流れるガス状の媒
体の音響共鳴周波数に近付くとき、音響共鳴に遭遇する
ことが知られている。音響共鳴周波数は流れる媒体中の
音速に直接比例しまた外板の直径に半比例する。音響共
鳴振動は外板の直径を横切って延びまた流れの方向とチ
ューブ束の長手方向の軸線の両方に垂直の方向に起きる
定常波によってしばしば特徴づけられる。いまわしい雑
音に加えて、音響共鳴周波数がチューブの自然周波数に
近づくとき、音響共鳴はチューブ束に損傷をまた起こす
ことができる。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】この
望ましくない条件を正すための方法として、外板側の流
体の流れの速度を変えることを含むいくつかの方法があ
る。しかしながら、流速を変えることは流れを少なくし
またそれに伴って対流による熱伝達の減少が起こる。同
様に、いくつかのチューブを取り除くことも可能である
、しかしこれは熱伝達の受け入れることのできない減少
をまた起こすであろう、またこれは熱交換器が現場で既
に操業されているときは極めて困難でコストのかかるこ
とである。もう１つの方法はチューブに不規則な横断方
向の間隔を与える構造を使うことであるが、一般に棒バ
ッフル付き熱交換器として知られている熱交換器のタイ
プはそのような不規則な横断方向のチューブ間隔が行な
われないときの方がはるかに効率がよい。それに加えて
、機械的応力によるチューブの早期の破損の防止は米国
特許第４，１３６，７３６号に開示されている。この特
許は本発明出願の代理人が権利の譲渡を受けている。 前記特許に使用されているように、”バッフル”という
用語は複数個の棒の端が連結される環状の輪を指し、よ
って用語”棒バッフル”がある。このタイプの多くの熱
交換器が作られチューブの振動による損傷なしに操業に
成功している。しかしながら、ある作動条件のもとでは
、上述の音響振動の定常波がそのような熱交換器に存在
することができ、よって、振動の問題は上記の発明の棒
バッフルによって完全にさけられることは常に可能では
ない。
【０００３】熱交換器のなかに流れの方向を決めるバッ
フルを使うことは、マックグロー・ヒル社発行の、ダブ
リュ・エル・ネルソン氏による１９４１年第２版、「石
油精製技術」の頁３９３−３９５に一般的に論じられて
いる。そのようなバッフルは横断方向に延びる板であり
、外板の軸線に垂直であり、外板のいずれかの側から交
替する突起となって熱交換器の外板側のガス流のなかに
延びて一般に蛇行する流れの通路を形成する。他の図に
は、バッフルは流体媒体の全体として螺旋状の流れを起
こすよう螺旋状の形状を有するところが示される。これ
らのバッフルには熱交換器のチューブが通る孔が明けら
れており、またこれらの孔はある流体がバッフルのある
ところでチューブの壁に沿って抜けることを強いられる
ようにチューブの外径よりも大きく作られることがある
。
【０００４】より最近であるが、雑誌「ケミカル・エン
ジニヤリング・プログレス」の第６９巻、Ｎｏ．　７に
イー・エイ・バーリントン氏による「チューブ熱交換器
における音響振動」と題する論文が載っている。この論
文で著者は音響振動について相当詳細に述べてあり、ま
た音響定常波の発生を破壊または禁止するため熱交換器
の軸線方向の長さに沿って長手方向に延びる１個または
それ以上の数のしっかりした、１体のバッフルを使用す
ることを示唆している。そのような長手方向に延びるバ
ッフルはこの著者が述べているプレート・バッフル・タ
イプの熱交換器では音響振動の問題を解決するであろう
が、棒バッフル付き熱交換器の全長にわたって延びる１
個またはそれ以上の数の１体の連結したバッフルを有す
ることは可能でなくまたは実際的でない。何故ならばそ
のようなバッフルは外板側で流体の流れの極端に好まし
くない分布を起こすであろうからである。よって、この
論文のなかで提示される解決法は棒バッフル付き熱交換
器に音響的問題が起こるならば、その問題に対して適用
できない。
【０００５】
【課題を解決するため手段】本発明は複数個の離れた個
々の音響非同調板装置の使用に関し、この板装置は現存
する棒バッフル付き熱交換器に部品として取り付けられ
るかまたは新しい棒バッフル付き熱交換器の建造のあい
だに組み込まれることができる。好適な実施例では、各
離れた音響非同調板装置は、熱交換器の１つの部分を通
って軸線方向に延びまた円筒形熱交換器の円の弦を横切
って延びる金属板を含むであろう。追加の音響非同調板
装置は熱交換器の他の部分に位置することができる。こ
のとき、音響非同調板装置の位置は、熱交換器の中心軸
の上方及び下方の円の弦を横切って延びるように交替す
る。もう１つ実施例では第１と第２の複数個の音響非同
調板装置は熱交換器の同じまたは交替する部分のなかで
互いに直角をなして熱交換器の円の弦を横切って延びる
ことができる。さらに、熱交換器の外板側の流れる媒体
を乱すことまたは少なくすることを最小とするために、
本発明の好適な実施例は外板壁に隣接する板装置のなか
に長方形開口を含み、それに加えて各板装置には、熱交
換器の外板側の流体が熱交換器のチューブと効果的な熱
交換を行なって通過する複数個の孔または開口が設けら
れる。
【０００６】
【実施例】図１を参照して、数字１０は円形断面の棒バ
ッフル付き熱交換器を表わし、音響定常波の１つまたは
それ以上の数の倍音１２，１４、及び１６が図示されて
いる。４個の音響非同調和板装置１８，２０，２２、及
び２４が破線で示されている。これら非調和板の機械的
詳細と構造は後で詳しく記載されるが、しかしながら、
チューブの損傷を起こすに充分な振幅を有するものとし
て熱交換器のなかに発見される音響定常波の倍音の数に
よって、１個から４個までの非調和板が損傷を与える定
常波の形成を禁じるには充分であろうということは明ら
かであろう。非同調板の好適な位置は円筒形熱交換器の
半径の２０％から４３％までの範囲のなかにあり、また
好適な場合、非同調板の面に垂直な半径に沿って測って
、熱交換器の中心と外板の間の半径方向の距離の約３３
％であることが第１図の図示からまた注目されるべきで
ある。また、非同調板の位置決めは熱交換器のいずれの
直径にも沿ったものではなく、寧ろ常に熱交換器の円形
断面の円の弦に沿ったものでなくてはならないことを注
目すべきである。
【０００７】図２を参照して、従来の棒バッフル付き熱
交換器２５が複数の軸線方向にまた長手方向に延びるチ
ューブ２６を含むものとして示され、チューブ２６は熱
交換器内に束として複数の水平の棒２８と垂直の棒３０
によって確保される。水平棒２８の両端はバッフル・リ
ング３２ａと３２ｂに溶接されまたは他の方法によって
確保され、一方垂直棒３０の両端はバッフル・リング３
４ａと３４ｂに溶接されまたは他の方法によって確保さ
れる。さらに図２に示されるように、熱交換器チューブ
束アセンブリはまた上方と下方の一対のタイ・バーを含
み、そのうち上方のタイ・バー３６が図で見ることがで
きる。これらのタイ・バーは熱交換器の長手方向の軸線
に沿ってバッフル・リングを確保しまたチューブ・アセ
ンブリをして取り囲む外板のなかに滑り込むことができ
るようにする。また、熱交換器チューブの両端は、従来
行われているやり方であるが、チューブ板４０ａと４０
ｂのなかの孔３８のなかに受け入れられることが注目さ
れるであろう。現在の寸法の熱交換器において水平と垂
直の支持棒の非常に大きい数、即ち支持棒の全数が７０
を超えることがあるために、前記バーリントン氏の論文
で教えられる、音響振動を防ぐため１個またはそれ以上
の数の連続した長手方向に延びるバッフルという概念を
利用することは、不可能ではないとして、極めて困難で
あることが明らかであろう。
【０００８】さて、図３を参照して、熱交換器のチュー
ブ束の一部が３つの部分Ａ、Ｂ、及びＣを含むものとし
て示され、これらの部分はバッフル・リング３４ａと３
２ａの間の長手方向の間隔として定義され、また同様に
バッフル・リング３２ａと３４ｂの間及び３４ｂと３２
ｂの間の長手方向の間隔として定義される。第３図はま
た円形の断面を有する外板３７によって取り囲まれた熱
交換器チューブ束を示す。音響非同調板５０ａ，５０ｂ
及び５０ｃは円形熱交換器の断面領域の弦を横切って横
断方向に延びるものとして、またＡ、Ｂ、及びＣ部分の
間に軸線方向にまた長手方向に延びるものとして示され
る。Ａ部分とＣ部分の間の非同調板５０ａと５０ｃは円
形断面の上方部分に位置し、一方Ｂ部分のなかの非同調
板５０ｂは熱交換器の軸線方向の中に線の下方に位置し
ている。
【０００９】図１によりはっきりと示されるように、非
同調板５０ａと５０ｂの交替するパターンは、図１に概
略図として示される非同調板２２と２４に相当し、第１
倍音と第２倍音、また恐らく第３の倍音の定常波を禁じ
または破壊するに充分であろう。しかしながら、チュー
ブの損傷を起こすに充分である振幅を有する倍音の数を
正確に発見することが常に可能でないが、重大な結果を
もたらす振幅を有すると発見されるいずれかの倍音の定
常波の半径方向の方向性を決定することはよりむつかし
い。よって本発明は板２２と２４に対して直角に延びる
よう位置させられるさらに非同調板１８と２０の追加を
含む。このようにして、もし非同調板１８と２０が第３
図に示されたとしたら、それらは垂直棒３０と同じ方向
に垂直に延びるであろう。垂直の非同調板の位置は熱交
換器の交替する部分にあることができ、その場合１つお
きの部分だけが水平の非同調板を有し、中間の部分は垂
直の非同調板を有するであろうことが理解されるべきで
ある。しかしながら、より重大な結果をもたらす音響倍
音が発見されるところでは、本発明は熱交換器のそれら
の部分の各々のなかに一対の垂直と水平の非同調板を設
けることを含む。
【００１０】図３に最もよく示されるように、非同調板
５０ａ，５０ｂ、及び５０ｃは水平棒２８によって設け
られるチューブ２６間の空間のなかに物理的に取り込ま
れる。同じように、垂直方向に延びる非同調板は垂直棒
３０によって設けられるチューブ２６間の空間のなかに
取り込まれる。水平と垂直の両方の従来の棒の直径は約
２５．４ｍｍ（１インチ）の　１／４　から　１／２　
であり、２５．４ｍｍ（１インチ）の　１／８　から１
／２　の範囲にある厚さを有する非同調板が新らしい熱
交換器のなかに取り入れられるか、あるいは設計、チュ
ーブの数またはチューブの間隔に変更なしに現存の熱交
換器のなかに新しい部品として取り付けられることがで
き、また大抵の熱交換器にはこの厚さは全く充分である
。しかしながら、新しい熱交換器は常に寸法が大きくな
っている、即ち直径と軸線方向の長さの両方で大きくな
っているので、非常に大きい熱交換器では、最も厳しい
音響波と振動に耐えまたそれらを禁じるに充分構造的に
強固であるために２５．４ｍｍ（１インチ）の　１／２
　より大きい厚さを有する非同調板を利用することは必
要であろう。そのような状況のもとでは、熱交換器の大
きい直径に等しい間隔にたるんだり振動したりせず延び
るよう支持棒は増大された直径を有して、例えば直径２
５．４ｍｍ（１インチ）となるであろう。その場合、非
同調板の厚さは、そのようなより厚い支持棒によって与
えられるチューブ間に２５．４ｍｍ（１インチ）の間隔
まで増大されるであろう。
【００１１】図４を参照して、本発明の非同調板の１つ
の好適な実施例は、非同調板の両端を棒を支持する隣接
のバッフル・リングに溶接することまたは他の方法で確
保し、また非同調板自身にはには長方形の開口５２ａ及
び５２ｂが設けられ、また熱交換器の外板側を通って流
れる流体媒体の流れの悪い分布を減少させる適当な数と
寸法の孔５４が設けられる。非同調板にそのような長方
形の開口５２が設けられあるいはいずれかの孔５４が設
けられるかあるいは設けられないとしても、外板側の流
体の軸線方向の流れには流れに対する妨害物としての非
同調板の縁に遭遇するだけであることが注目されるであ
ろう。よって、長方形及び円形の開口を設けることは、
そのような非同調板が位置している平面に垂直である熱
交換器流体の流れを改良するためである。孔５４は直径
で２５．４ｍｍ（１インチ）の　１／４　から　３／４
　の範囲のなかにあり、また開口５２は外板の内方に約
１０２ｍｍ（４インチ）から１５２ｍｍ（６インチ）の
ところにあり、また軸線方向の長さはどのような寸法で
あってもよい。
【００１２】以上の記載から、この記載は本発明の原理
を純粋に示すことが意図されており、それを網羅するも
のではないが、本発明は、チューブに損傷を与えるに充
分な振幅を有するいずれかの倍音の潜在的に危険な音響
定常波の有効な除去に対する装置を提供しまた上記非同
調板は現存の棒バッフル付き熱交換器に部品として取り
付けられることができまた建造中の新しい熱交換器に一
体に取り付けられることができることが明らかであろう
。よって、本発明は熱交換器のなかの音響定常波の予測
できない発生によって起きるチューブに対しての可能な
損傷という重大なまた長いあいだの問題を解決する。
【図面の簡単な説明】
【図１】円筒状熱交換器の断面の概略図で、音響定常波
を示しまた破線で示す本発明の非同調板がそれによって
そのような定常波が起きることをどのようにして防ぐか
を示す図。
【図２】部分的に組み立てた棒バッフル付き熱交換器パ
イプ束アセンブリの斜視図で、外板の一部だけがパイプ
束アセンブリの周りに取り付けられているところを示す
図。
【図３】棒バッフル付き熱交換器の一部分の側方正面図
で、一部は断面を示し、本発明の３枚の非同調板の交替
する部分の位置を示す図。
【図４】図３の線４−４に沿った断面図。
【符号の説明】
１０…棒バッフル付き熱交換器 １２，１４，１６…音響定常波 １８，２０，２２，２４…音響非同調板２６…チューブ ２８…水平棒 ３０…垂直棒 ３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂ…バッフル棒３６…タ
イ・バー ３７…外板 ４０ａ，４０ｂ…チューブ・シート

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　棒バッフル付き熱交換器において、該
    熱交換器の複数個の部分をその軸線・長手方向の長さに
    沿って画定する複数個の棒バッフル装置、該棒バッフル
    装置によって支持される複数個のチューブ、及び前記熱
    交換器のなかに音響定常波を形成することから熱交換器
    に損傷が起きることは防ぐために前記軸線・長手方向の
    長さに沿う前記複数個の熱交換器の部分のなかに位置決
    めされた複数個の離れた音響非同調板装置、を包含する
    棒バッフル付き熱交換器。
  2. 【請求項２】　　請求項１に記載の棒バッフル付き熱交
    換器において、前記熱交換器は概ね円形の断面を有し、
    また前記音響非同調板装置は前記熱交換器の円形断面の
    円の弦に沿って延びる複数個の板を含むことを特徴とす
    る棒バッフル付き熱交換器。
  3. 【請求項３】　　請求項２に記載の棒バッフル付き熱交
    換器において、前記複数個の離れた音響非同調板装置は
    熱交換器の前記のほぼ円形の断面の異なる円の弦に沿っ
    て熱交換器の異なる部分に交互に位置させられることを
    特徴とする棒バッフル付き熱交換器。
  4. 【請求項４】　　前記請求項のいずれか１つの項に記載
    の棒バッフル付き熱交換器において、前記離れた音響非
    同調板装置の少なくとも１つは、音響定常波が音響非同
    調板装置がなければ熱交換器に損害を起こすであろう各
    部分に位置することを特徴とする棒バッフル付き熱交換
    器。
  5. 【請求項５】　　前記請求項のいずれか１つの項に記載
    の棒バッフル付き熱交換器において、一対の音響非同調
    板装置は、音響定常波が該音響非同調板装置がなければ
    起きるであろう前記熱交換器の各部分に位置させられる
    ことを特徴とする棒バッフル付き熱交換器。
  6. 【請求項６】　　請求項５に記載の棒バッフル付き熱交
    換器において、音響非同調板装置の前記対の１つは前記
    対の他の１つの方向と各熱交換器部分で異なる方向に延
    びることを特徴とする棒バッフル付き熱交換器。
  7. 【請求項７】　　前記請求項のいずれか１つの項に記載
    の棒バッフル付き熱交換器において、前記音響非同調板
    装置の厚さは３．２ｍｍ（　１／８　インチ）から２５
    ．４ｍｍ（１インチ）の範囲のなかにあることを特徴と
    する棒バッフル付き熱交換器。
  8. 【請求項８】　　前記請求項のいずれか１つの項に記載
    の棒バッフル付き熱交換器において、前記音響非同調板
    装置の厚さは２５．４ｍｍ（１インチ）より大きいこと
    を特徴とする棒バッフル付き熱交換器。
  9. 【請求項９】　　棒バッフル付き熱交換器において、該
    熱交換器の複数個の部分をその軸線・長手方向の長さに
    沿って画定する複数個の棒バッフル装置、前記棒バッフ
    ル装置によって支持される複数個のチューブ、及び前記
    熱交換器のなかに音響定常波を形成することから熱交換
    器に損害が起きることを防ぐ目的で前記軸線・長手方向
    の長さに沿う前記複数個の熱交換器の部分のなかに位置
    させられる複数個の離れた音響非同調板装置は熱交換器
    の異なる部分のなかで熱交換器の異なる円の弦に沿って
    延びるよう交互に位置させられることを特徴とする棒バ
    ッフル付き熱交換器。
  10. 【請求項１０】　　請求項９に記載の棒バッフル付き熱
    交換器において、前記複数個の音響非同調板装置のある
    ものは熱交換器の円形の断面を横切って第１の方向で円
    の弦に沿って延び、また前記複数個の音響非同調板装置
    の他のものは熱交換器の円形の断面を横切って第２の方
    向で円の弦に沿って延びることを特徴とする棒バッフル
    付き熱交換器。
  11. 【請求項１１】　　請求項１０に記載の棒バッフル付き
    熱交換器において、前記第１と第２の方向は互いに直角
    をなすことを特徴とする棒バッフル付き熱交換器。
  12. 【請求項１２】　　請求項９から１１までのいずれか１
    つの項に記載の棒バッフル付き熱交換器において、前記
    音響非同調板装置は熱交換器の交替する部分で熱交換器
    の軸線、中心線の異なる側に位置させられることを特徴
    とする棒バッフル付き熱交換器。
  13. 【請求項１３】　　請求項１２に記載の棒バッフル付き
    熱交換器において、前記音響非同調板装置は前記熱交換
    器の交替する部分で互いに直角をなして交替して位置さ
    せられることを特徴とする熱交換器。
  14. 【請求項１４】　　前記チューブのなかの第１の流体の
    通路用チューブ装置と取り囲む外板の中にある前記チュ
    ーブの間の空間を含む外板の側を有する熱交換器におい
    て、個々に位置しまた前記熱交換器の異なる部分を貫い
    て延びる複数個の音響非同調板装置を含み、前記複数個
    の音響非同調板装置はそれを貫いて延びる複数個の通路
    を有して前記複数個の音響非同調板装置を通って外板側
    流体が流れることを許すことを特徴とする熱交換器。
  15. 【請求項１５】　　請求項１４に記載の熱交換器におい
    て、個々の非同調板装置は熱交換器軸の中心線の異なる
    側で熱交換器の異なる部分を通って延びることを特徴と
    する熱交換器。
  16. 【請求項１６】　　請求項１４または１５に記載の熱交
    換器において、複数個の前記非同調板装置は第１の方向
    で外板の１つの側から外板の他の側に前記熱交換器を横
    切って延び、また第２の複数個の非同調板装置は第２の
    異なった方向で外板の１つの側から外板の他の側に前記
    熱交換器を横切って延びることを特徴とする熱交換器。
  17. 【請求項１７】　　請求項１４から１６のうちのいずれ
    か１つの項に記載の熱交換器において、複数の孔が前記
    非同調板装置に設けられることを特徴とする熱交換器。
  18. 【請求項１８】　　請求項１７に記載の熱交換器におい
    て、前記孔の直径は２５．４ｍｍ（１インチ）の　１／
    ４　から　３／４　の寸法であることを特徴とする熱交
    換器。
  19. 【請求項１９】　　請求項１４から１８のうちのいずれ
    か１つの項に記載の熱交換器において、複数の長方形開
    口が前記音響非同調板に設けられることを特徴とする熱
    交換器。
JP3166861A 1990-07-13 1991-07-08 棒バッフル付き熱交換器 Expired - Fee Related JPH0739918B2 (ja)

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