| 【発明の名称】 |
熱交換器及びボイラ |
| 【発明者】 |
【氏名】三木 将裕
【氏名】定岡 紀行
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| 【要約】 |
【課題】本発明の目的は、バッフルのような追加構造物を設置することなく、極めて単純な装置構成で、装置の製造が容易に行え、且つ伝熱管から放出される渦と容器内に存在する気体との気柱共鳴を防止して騒音を充分に抑制できる熱交換器及びこれを備えたボイラを提供することにある。
【解決手段】伝熱管配列を千鳥配列と正方配列に変えた２種類の管群を、流体流れ方向に隣接して配置することにより、熱交換器の伝熱管群を構成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】複数の伝熱管の配列からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収納してその周囲を流れる流体の流路を形成する箱型容器とを備える熱交換器において、前記伝熱管群は、前記伝熱管の配列が異なる少なくとも２種類の管群が前記流体の流れ方向に隣接して配置されることにより構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】複数の伝熱管の配列からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収納してその周囲を流れる流体の流路を形成する箱型容器とを備える熱交換器において、前記伝熱管群は、前記伝熱管の外径が異なる少なくとも２種類の管群が、前記流体の流れ方向に隣接して配置されることにより構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】請求項２において、前記伝熱管群は２種類の管群で構成され、前記流体の流れ方向の上流側の管群を構成する伝熱管の外径が、下流側の管群を構成する伝熱管の外径よりも大きいことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】複数の伝熱管の配列からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収納してその周囲を流れる流体の流路を形成する箱型容器とを備える熱交換器において、前記伝熱管群は、前記流体の流れ方向における伝熱管のピッチが異なる少なくとも２種類の管群が、前記流体の流れ方向に隣接して配置されることにより構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】複数の伝熱管の配列からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収納してその周囲を流れる流体の流路を形成する箱型容器とを備える熱交換器において、前記伝熱管群は、前記流体の流れ方向に垂直な方向における伝熱管のピッチが異なる少なくとも２種類の管群が、前記流体の流れ方向に隣接して配置されることにより構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項６】請求項４又は５において、前記伝熱管群は２種類の管群で構成され、前記流体の流れ方向の上流側の管群を構成する伝熱管の前記ピッチが、下流側の管群を構成する伝熱管の前記ピッチよりも大きいことを特徴とする熱交換器。
【請求項７】複数の伝熱管の配列からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収納してその周囲を流れる流体の流路を形成する箱型容器とを備える熱交換器において、前記伝熱管群は、請求項１，２，４及び５のうち少なくとも２つに記載した特徴を備える少なくとも２種類の管群が、前記流体の流れ方向に隣接して配置されることにより構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項８】複数の伝熱管の配列からなる伝熱管群及び該伝熱管群を収納してその周囲を流れる流体の流路を形成する箱型容器を有する熱交換器と、該熱交換器内の媒体を輸送する配管と、前記熱交換器を収納してガス流路を形成するダクトとを備えるボイラにおいて、前記熱交換器として、請求項１乃至７の何れかに記載の熱交換器を用いたことを特徴とするボイラ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は熱交換器及びボイラに係わり、特に火力及び原子力発電プラントに用いられる熱交換器及びボイラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図２に、従来の火力発電プラントにおけるボイラ及び排熱回収ボイラに用いられる熱交換器の概略水平断面図を示す。熱交換器は、複数の伝熱管１を規則的に配列して構成された伝熱管群が、ダクト壁２により形成されたガス流路に配された構成である。
【０００３】熱交換器のような管群構造物では、特定の条件において、後述する気柱共鳴現象が発生し、大騒音が発生する場合がある。そのため、気柱共鳴現象の防止策として、バッフル３を挿入している。バッフル３の設置には多大な費用が必要である。しかし、バッフル３は、熱交換器の本来の目的である熱交換には全く寄与しない構造物であり、熱交換器には本来必要ない構造物である。
【０００４】伝熱管群では、伝熱管１の周りを流体が流れるとき、図３に示すような渦４が伝熱管１の後方へ一定の周期で放出される。この渦４の周期（周波数）は渦放出周波数と呼ばれ、主に伝熱管の直径，伝熱管周りの流速，伝熱管の配列形状，伝熱管ピッチなどに依存する。
【０００５】一方、熱交換器では、管群を包括し管群内を流体が流れる流路を形成するために箱型容器が必要となる。流体が気体の場合、これらの容器は、その寸法に対応して一般に定在波と呼ばれる固有気柱振動モードを離散的に複数有する。これらのモードでの振動数は固有気柱振動数と呼ばれ、これらのモードでの振動は減衰しにくい。そのため、容器を満たす気体は固有気柱振動数で強く振動し易い。
【０００６】気体は、渦の放出により管に生じる力の影響を受け振動する。この時、管に生じる力の周期は渦放出周波数となる。管群内を流れるに伴って放出される渦は増強され、ある周波数成分が支配的になる。渦の支配的な周波数が管群全体を収納する容器の固有気柱振動数と一致すると、気体は共鳴を起こし、容器内で大きな騒音が発生する。
【０００７】一般に、管に生じる力の影響を受け易いガス流れに垂直方向で共鳴騒音が発生することが多い。また、発生音圧が大きい場合には、管に激しい振動を誘発して破損に至る場合もあり、管群構造物の設計では、騒音防止，機器破損防止の観点から、その発生の防止が重要となる。
【０００８】気柱共鳴現象を防止するための第１の従来技術としては、特開平5−141891 号公報に、管群内又は管群周辺にバッフルを設けた熱交換器が記載されている。第２の従来技術としては、特開昭52−1654号公報に、大径の管の配列の間に小径の管を配置した熱交換器が記載されている。
【０００９】第３の従来技術としては、特開平10−205702号公報に、管外径が異なる２種類の管、高さが異なるフィンを設けた２種類の管、断面が楕円形状で長軸と短軸の向きが異なる２種類の管などをそれぞれランダムに配列した管群構造物が記載されている。同公報には、外径が同じ管の配列ピッチをランダムに変化させた管群構造物も記載されている。
【００１０】尚、上記したような熱交換器の管群は、主に図４及び図５に示すような伝熱管１の並びとなっている。図４のような並びは正方配列、図５のような並びは千鳥配列と呼ばれている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】第１の従来技術では、管群に追加構造物としてバッフルを設けているが、バッフルは熱交換器に本来必要ない構造物であり、多大の費用がかかるため、バッフルは設置しないことが望ましい。また、第２及び第３の従来技術では、管径などが異なる管が混在して配列されるため、装置構成が多少複雑になり、装置の製造は必ずしも容易ではない。
【００１２】本発明の目的は、バッフルのような追加構造物を設置することなく、極めて単純な装置構成で、装置の製造が容易に行え、且つ伝熱管から放出される渦と容器内に存在する気体との気柱共鳴を防止して騒音を充分に抑制できる熱交換器及びこれを備えたボイラを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明では、熱交換器の構成要素である伝熱管群を、伝熱管配列を変えた複数種類の管群をガス（流体）流れ方向に隣接して配置することにより構成する。ここで、伝熱管配列を変えるとは、伝熱管並び、伝熱管の外径（管径），伝熱管のピッチを変えることである。
【００１４】即ち、第１の発明では、伝熱管の配列（並び）が異なる少なくとも２種類の管群を、流体の流れ方向に隣接して配置することにより伝熱管群を構成する。
【００１５】第２の発明では、伝熱管の外径が異なる少なくとも２種類の管群を、流体の流れ方向に隣接して配置することにより伝熱管群を構成する。
【００１６】第３の発明では、流体の流れ方向における伝熱管のピッチが異なる少なくとも２種類の管群を、流体の流れ方向に隣接して配置することにより伝熱管群を構成する。
【００１７】第４の発明では、流体の流れ方向に垂直な方向における伝熱管のピッチが異なる少なくとも２種類の管群を、流体の流れ方向に隣接して配置することにより伝熱管群を構成する。
【００１８】第５の発明では、ボイラを構成する熱交換器として、第１〜第４の発明の何れかの熱交換器を用いる。
【００１９】本発明によれば、伝熱管配列を変えることにより、流速に代表される伝熱管周りの流動状態が変化する。そのため、渦の放出挙動が変化し、各伝熱管配列同士で異なる周波数の渦が放出される。これにより、放出渦の支配的な周波数成分の強度を小さくすることができる。
【００２０】ここで、図６に、共鳴発生と本発明による共鳴回避方法の概念図を示す。図中、横軸は周波数であり、縦軸のＰＳＤは各周波数成分の強度を表わすパワースペクトル密度(Power Spectrum Density)である。実線５は本発明によるＰＳＤの分布、破線６は従来の熱交換器で生じる気柱共鳴発生時のＰＳＤの分布、一点鎖線７は気柱共鳴が発生するためのＰＳＤのしきい値である。
【００２１】共鳴発生には音場の減衰以上のエネルギーを持った力が伝熱管に生じる必要があるため、一点鎖線７で示す共鳴発生のためのＰＳＤの限界値が存在する。本発明によれば、最も支配的な渦放出周波数成分の強度を、共鳴発生のＰＳＤしきい値よりも低下させることができる。この結果、渦の放出によって生じるエネルギーが共鳴発生には不十分となるために、気柱共鳴は発生せず、騒音を充分に抑制できる。
【００２２】また、バッフルのような追加構造物を設置する必要がなく、伝熱管配列を変えた複数種類の管群を流体流れ方向に隣接して配置することにより、１種類の管群内に異なる管が混在することはない。即ち、１種類の管群を同じ管で構成できるので、装置構成が極めて単純になり、装置の製造も容易に行える。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１，図７〜図１５を用いて説明する。
【００２４】図７は、本発明の対象となる熱交換器の概略構成図である。以下、その基本動作を説明する。壁２によって形成された流路内に、流体の流れ方向に直交するように設置した複数の伝熱管１により流体から吸収された熱エネルギーは、伝熱管１及び配管８内を流れる媒体によって熱交換器の外部へ供給される。
【００２５】図１に、本発明を適用した熱交換器の第１実施例における伝熱管群の管配列を示す。本実施例では、管配列として千鳥配列と正方配列を組み合わせた管群の構成にしている。図１のように、壁２で形成した流路中に設置した伝熱管１によって構成される管群は、ガス流れ方向の上流側７列の管配列を千鳥配列とし、下流側３列の管配列を正方配列としている。渦の放出挙動は管並びによって定まる管周りの流速の影響を受けるため、このように管配列を変えることにより、管群のガス流れ方向の上流側と下流側とで渦放出周波数を異なるようにできる。
【００２６】次に、本実施例による効果を図８を用いて説明する。図８は、図１の管配列において、ガス流れ方向の上流から３列目及び１０列目の管に生じる力の周波数解析の結果を示す。解析条件は、実機の運転条件を想定して、レイノルズ数を1.0×１０4 とした。図８において、横軸は管径ｄ，流入流速Ｕinにより無次元化した周波数Ｓｔ（＝ｆ・ｄ／Ｕin）を、縦軸はパワースペクトル密度ＰＳＤをそれぞれ示す。
【００２７】図８から、第３列で支配的な周波数はＳｔ＝０.４１ であるが、第１０列で支配的な周波数はＳｔ＝０.５９ になることが解る。これは、ガス流れ方向の上流側と下流側の管配列を変えることにより、一様な配列の管群に比べて局所的な流速が著しく異なるためである。このように渦放出周波数を支配する周波数成分は複数になるが、各周波数成分の強さは低下する。この結果、渦の放出によって生じるエネルギーを十分に低減できるので、気柱共鳴の発生を防止して、騒音を充分に抑制できる。
【００２８】また、ガス流れ方向の上流側７列で構成される管群は千鳥配列で統一されており、下流側３列で構成される管群は正方配列で統一されているため、熱交換器の装置構成が極めて単純になり、装置の製造も容易に行える。
【００２９】尚、図１では、簡単のために伝熱管１の断面を中実のように表しているが、実際の伝熱管１は中空管であり、その中を熱交換用の媒体が流れる構造になっている。以下の実施例においても、同様に表示する。
【００３０】次に、図９に本発明を適用した熱交換器の第２実施例における伝熱管群の管配列を示す。本実施例は、管群全体としては同一の管配列で、管の管径（外径）が異なる２種類の管列を組み合わせて管群を構成している。
【００３１】即ち、壁２で形成した流路中に設置した複数の伝熱管１で構成される管群において、管群全体としては千鳥配列としているが、ガス流れ方向の上流側７列までの管径ＤA よりも、下流側３列の管径ＤB を小さくしている。
【００３２】渦の放出挙動は管径の影響を受けるため、このように管径を変えることにより、管群の上流側と下流側とで渦放出周波数が異なるようにできる。この結果、第１実施例と同様に、気柱共鳴の発生を防止して騒音を抑制できる。また、ガス流れ方向の上流側７列で構成される管群は同じ管径ＤA を有し、下流側３列で構成される管群は同じ管径ＤB を有しているため、熱交換器の装置構成が極めて単純になり、装置の製造も容易に行える。
【００３３】次に、図１０に本発明を適用した熱交換器の第３実施例における伝熱管群の管配列を示す。本実施例は、管群全体としては同一の管配列で、ガス流れ方向に垂直な方向（以下、ガス流れ垂直方向という）の伝熱管ピッチが異なる２種類の管列を組み合わせて管群を構成している。
【００３４】即ち、壁２で形成した流路中に設置した複数の伝熱管１で構成される管群において、ガス流れ方向の上流側７列までのガス流れ垂直方向の伝熱管ピッチＴA よりも、下流側３列のガス流れ垂直方向の伝熱管ピッチＴB を小さくしている。但し、ガス流れ方向の伝熱管ピッチＬは一定である。
【００３５】渦の放出挙動は管ピッチで定まる管周りの流速の影響を受けるため、このように伝熱管ピッチを変えることにより、管群の上流側と下流側とで渦放出周波数が異なるようにできる。この結果、第１実施例と同様に、気柱共鳴の発生を防止して騒音を抑制できる。また、ガス流れ方向の上流側７列で構成される管群は同じ伝熱管ピッチＴA を有し、下流側３列で構成される管群は同じ伝熱管ピッチＴBを有しているため、熱交換器の装置構成が極めて単純になり、装置の製造も容易に行える。
【００３６】次に、図１１に本発明を適用した熱交換器の第４実施例における伝熱管群の管配列を示す。本実施例は、管群全体としては同一の管配列で、ガス流れ方向の伝熱管ピッチが異なる２種類の管列を組み合わせて管群を構成している。
【００３７】即ち、壁２で形成した流路中に設置した複数の伝熱管１で構成される管群において、ガス流れ方向の上流側７列までのガス流れ方向の伝熱管ピッチＬA よりも、下流側３列のガス流れ方向の伝熱管ピッチＬB を小さくしている。但し、ガス流れ垂直方向の伝熱管ピッチＴは一定である。
【００３８】渦の放出挙動は管ピッチで定まる管周りの流速の影響を受けるため、このように伝熱管ピッチを変えることにより、管群の上流側と下流側とで渦放出周波数が異なるようにできる。この結果、第１実施例と同様に、気柱共鳴の発生を防止して騒音を抑制できる。また、ガス流れ方向の上流側７列で構成される管群は同じ伝熱管ピッチＬA を有し、下流側３列で構成される管群は同じ伝熱管ピッチＬBを有しているため、熱交換器の装置構成が極めて単純になり、装置の製造も容易に行える。
【００３９】次に、図１２に本発明を適用した熱交換器の第５実施例における伝熱管群の管配列を示す。本実施例は、第１〜第４実施例の管配列の特徴を組み合わせて管群を構成している。
【００４０】即ち、壁２で形成した流路中に設置した複数の伝熱管１で構成される管群において、ガス流れ方向の上流側７列までの第１管群を千鳥配列に、下流側３列の第２管群を正方配列にしている。更に、第１管群の管径ＤA ，ガス流れ方向の伝熱管ピッチＬA 及びガス流れ垂直方向の伝熱管ピッチＴA に比べて、第２管群の管径ＤB ，ガス流れ方向の伝熱管ピッチＬB 及びガス流れ垂直方向の伝熱管ピッチＴB を小さくしている。
【００４１】渦の放出挙動は管並び、管ピッチで定まる管周りの流速、及び管径の影響を受けるため、このように管配列，伝熱管ピッチ及び管径を変えることにより、管群の上流側と下流側とで渦放出周波数が異なるようにできる。この結果、第１〜第４実施例と同様に、気柱共鳴の発生を防止して騒音を抑制できる。また、ガス流れ方向の上流側７列で構成される管群は、千鳥配列で、同じ管径ＤA ，同じ伝熱管ピッチＬA 及びＴA を有し、下流側３列で構成される管群は、正方配列で、同じ管径ＤB ，同じ伝熱管ピッチＬB 及びＴB を有しているため、熱交換器の装置構成が極めて単純になり、装置の製造も容易に行える。
【００４２】ここで、第１実施例，第５実施例及び均一千鳥配列の３ケースについて、管群全体で生じる流体力を求め、この流体力に対する周波数解析結果を図１３に示す。尚、均一千鳥配列は、第１及び第５実施例と同規模の伝熱管をガス流れ方向に１０列設けた比較例である。
【００４３】図１３から、第１及び第５実施例は、均一千鳥配列よりも支配的な周波数でのＰＳＤが小さくなることが解る。特に、第５実施例では、均一千鳥配列で支配的であった周波数Ｓｔ＝０.７０ におけるＰＳＤが１／１０程度まで減少することが解る。このように、上記実施例によって支配的な周波数が分散するため、支配的周波数でのエネルギー強度を十分に低減して、気柱共鳴の発生を防止できる。次に、図１４に本発明を火力発電プラントのボイラに適用した第６実施例の概略構成を示す。本ボイラでは、火炉１３及びバーナー１４における石炭の燃焼により生成された排ガスが、ガス流路を形成するダクト壁２ａの中に設置された過熱器９，再熱器１０及び節炭器１１を通過して、ボイラの外部へ放出される。このうち、過熱器９，再熱器１０及び節炭器１１は熱交換器であり、通過する排ガスから熱を吸収する。
【００４４】再熱器１０及び節炭器１１の伝熱管内を流れる媒体は、排ガスから熱エネルギーを吸収し、配管８を通ってドラム１２に蓄えられる。ドラム１２に蓄えられた媒体は過熱器９に送られ、ここで更に熱エネルギーを吸収してから蒸気タービンへ送られ、発電動力に用いられる。これらの構成要素は、支持体１５によって支えられている。
【００４５】本実施例では、過熱器９，再熱器１０及び節炭器１１のうち少なくとも１つに、好ましくは全てに上記した第１〜第５実施例の何れかの熱交換器を用いる。このように構成することにより、過熱器９，再熱器１０，節炭器１１等における気柱共鳴の発生を防止して騒音を抑制できると共に、熱交換器の装置構成が極めて単純になり、装置の製造も容易に行える。
【００４６】次に、図１５に本発明を火力発電プラントの排熱回収ボイラに適用した第７実施例の概略構成を示す。排熱回収ボイラは、図１４で説明したボイラと基本性能は同じであるが、排熱回収ボイラ本体中では燃料を燃焼させる構成要素がない。本排熱回収ボイラでは、ガスタービンから排出された排ガスが、ガス流路を形成するダクト壁２ａの中に設置された過熱器９，再熱器１０，脱硝装置１７，蒸発器１６及び節炭器１１を通過して、排熱回収ボイラの外部へと放出される。このうち、過熱器９，再熱器１０，蒸発器１６及び節炭器１１は熱交換器であり、通過する排ガスから熱を吸収する。
【００４７】再熱器１０，蒸発器１６及び節炭器１１の伝熱管内を流れる媒体は、排ガスから熱エネルギーを吸収し、配管８を通ってドラム１２に蓄えられる。ドラム１２に蓄えられた媒体は過熱器９に送られ、ここで更に熱エネルギーを吸収してから蒸気タービンへ送られ、発電動力に用いられる。脱硝装置１７は、排ガス中に含まれる窒素酸化物を除去する。また、これらの構成要素は、支持体１５によって支えられている。
【００４８】本実施例では、過熱器９，再熱器１０，蒸発器１６及び節炭器１１のうち少なくとも１つに、好ましくは全てに上記した第１〜第５実施例の何れかの熱交換器を用いる。このように構成することにより、過熱器９，再熱器１０，蒸発器１６，節炭器１１等における気柱共鳴の発生を防止して騒音を抑制できると共に、熱交換器の装置構成が極めて単純になり、装置の製造も容易に行える。
【００４９】
【発明の効果】本発明によれば、熱交換器にバッフルのような追加構造物を設置することなく、極めて単純な装置構成で、装置の製造が容易に行え、且つ気柱共鳴を防止して騒音を充分に抑制できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【識別番号】０００００５４４１
【氏名又は名称】バブコック日立株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年８月２４日（１９９９．８．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
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| 【公開番号】 |
特開２００１−６５８０１（Ｐ２００１−６５８０１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月１６日（２００１．３．１６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２３６５０４ |
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