JP6108107B2 - 熱交換器及び熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、排熱回収ボイラに過熱器として用いられる熱交換器及び熱交換器の製造方法に関するものである。

上記した熱交換器としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この熱交換器は、素管にフィンを巻き付けて成る多数のフィン付き管と、これらのフィン付き管を平板パネル状に固定する一対の波板状の管束板を備えている。
この熱交換器では、多数のフィン付き管を互いに間隔をもって平行に並べて配置したうえで、一対の波板状の管束板によりフィン付き管の径方向に挟み込んで固定するようになっている。

特開平09-250893号公報

ところが、上記した従来の熱交換器において、フィン付き管のフィン部分と波板状の管束板との間には、製作公差による若干の隙間が生じることから、多数のフィン付き管の間を排ガスが流れて熱交換が行われる際には、フィン付き管が振動して管束板とフレッティングを起こすことで、フィン付き管のフィン及び管束板が摩耗してしまうという問題があった。

また、排ガスの流速が速い場合には、ガス流れの動圧によりフィン付き管のフィンが曲がって管束板との間の隙間が大きくなってしまい、フィン付き管の振動が大きくなって素管が減肉して、内圧によって噴破する虞があるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、フィン付き管が振動して管束板との間でフレッティングを起こすのを防ぐことができ、その結果、フィン付き管のフィンや素管に不具合が生じるのを回避することが可能な熱交換器及び熱交換器の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る発明は、素管にフィンを巻き付けて成り、互いに間隔をもって平行に並べて配置される多数のフィン付き管と、前記多数のフィン付き管を該フィン付き管の径方向に挟み込んで固定する一対の波板状の管束板を備えた熱交換器において、前記フィン付き管には、前記素管が露出する素管露出部が設けられ、前記フィン付き管の前記素管露出部は、溶接により互いに接合される一対の半割スリーブによってメタルタッチ状態で被覆され、前記フィン付き管の前記素管露出部を被覆する前記一対の半割スリーブは、前記一対の波板状の管束板によってメタルタッチ状態で挟み込まれ、前記多数のフィン付き管は、前記一対の管束板同士を溶接により互いに接合することで固定されている構成としたことを特徴としており、この熱交換器の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の請求項２に係る熱交換器において、前記一対の半割スリーブの各内周面には、前記フィン付き管の前記素管露出部にメタルタッチするスペーサが配置されている構成としている。

本発明の請求項３に係る熱交換器において、前記フィン付き管は、前記素管に帯状のフィンをらせん状に巻き付けて成り、前記素管露出部は、前記帯状のフィンを切断してその切れ目を前記素管の軸方向に押し広げて形成されている構成としている。

本発明の請求項４に係る熱交換器において、前記多数のフィン付き管は上下方向に沿って配置され、前記素管露出部をメタルタッチ状態で被覆する前記一対の半割スリーブの下端部には、前記素管露出部の下方に位置する前記帯状のフィンにおける切れ目の一端に当接可能なストッパが配置されている構成としている。

一方、本発明の請求項５に係る発明は、素管にフィンを巻き付けて成る多数のフィン付き管を互いに間隔をもって平行に並べて配置し、一対の波板状の管束板で前記多数のフィン付き管を該フィン付き管の径方向に挟み込んで固定して熱交換器を製造するに際して、前記フィン付き管に前記素管が露出する素管露出部を形成した後、溶接により互いに接合される一対の半割スリーブによって前記フィン付き管の前記素管露出部をメタルタッチ状態で被覆し、続いて、前記一対の波板状の管束板で前記フィン付き管の前記素管露出部を被覆する前記一対の半割スリーブをメタルタッチ状態で挟み込み、前記一対の管束板同士を溶接により互いに接合することで、前記多数のフィン付き管を固定する構成としたことを特徴としている。

本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法では、フィン付き管の素管露出部を覆う一対の半割スリーブ同士が溶接により互いに接合されるので、この溶接による一対の半割スリーブの各熱縮みにより、一対の半割スリーブはフィン付き管の素管露出部に対してメタルタッチ状態となって、確実に固定されることとなる。

また、本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法では、一対の半割スリーブを挟み込む一対の波板状の管束板同士が溶接により互いに接合されるので、この溶接による一対の波板状の管束板の各熱縮みにより、一対の波板状の管束板は一対の半割スリーブに対してメタルタッチ状態となって、確実に固定されることとなる。

つまり、フィン付き管は、その素管を一対の半割スリーブを介して一対の波板状の管束板にメタルタッチさせた状態で固定されることから、このフィン付き管が振動することによる管束板とのフレッティングが回避されることとなり、排ガスのガス流れの動圧が大きかったり、地震時に大きく揺れたりした場合であったとしても、隣接するフィン付き管同士が互いに干渉することも回避されることとなる。

加えて、フィン付き管と管束板との間の力の伝達は、フィンを介さずに素管と管束板との間で行われるので、荷重伝達によるフィンの曲りも防止し得ることとなる。

この際、一対の半割スリーブの各内周面に、フィン付き管の素管露出部にメタルタッチするスペーサを配置するように成すと、一対の半割スリーブ同士を溶接により接合する際の熱がフィン付き管の素管露出部に及ぶのを少なく抑え得ることとなる。

また、フィン付き管が、素管に帯状のフィンをらせん状に巻き付けて成っている場合において、帯状のフィンを切断してその切れ目を素管の軸方向に押し広げて素管露出部を形成するように成すと、素管露出部を容易に形成し得ることとなる。

さらに、多数のフィン付き管を上下方向に沿って配置する場合において、素管露出部をメタルタッチ状態で被覆する一対の半割スリーブの下端部に、素管露出部の下方に位置する帯状のフィンにおける切れ目の一端に当接可能なストッパを配置するように成すと、半割スリーブとフィン付き管のフィンとの間に隙間が生じることが回避されることとなる。

本発明に係る熱交換器では、フィン付き管が振動して管束板との間でフレッティングを起こすのを防ぐことができ、その結果、フィン付き管のフィンや素管に不具合が生じるのを回避することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態に係る熱交換器としての過熱器を備えた排熱回収ボイラを部分的に示す側面方向からの概要構成説明図である。 図１における過熱器の側面説明図（ａ）及び正面説明図（ｂ）である。 図２（ｂ）のＡ−Ａ線位置に基づく断面説明図（ａ）及び管束板にフィン付き管が拘束された状態の拡大説明図（ｂ）である。 図３（ａ）のＢ−Ｂ線位置に基づく断面説明図である。 図４に示したフィン付き管の素管露出部を被覆する半割スリーブの平面説明図（ａ）及び側面説明図（ｂ）である。 図２に示した過熱器の製造要領説明図である。

以下、本発明に係る熱交換器を図面に基づいて説明する。
図１〜図６は、本発明に係る熱交換器の一実施形態を示しており、この実施形態では、本発明に係る熱交換器が排熱回収ボイラの過熱器である場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、この排熱回収ボイラ１は、横型の排熱回収ボイラ１であって、図外のガスタービンからの排ガスＧが水平方向に流れるケーシング２を備えており、このケーシング２に、複数の熱交換器、例えば、過熱器１０Ａ，蒸発器１０Ｂ及び節炭器１０Ｃが順次配置されている。

この排熱回収ボイラ１では、ケーシング２内に導入されたガスタービンからの排ガスＧを過熱器１０Ａ，蒸発器１０Ｂ及び節炭器１０Ｃへ流して熱交換させ、この熱交換後の排ガスＧをさらに下流側に配置した図示しない脱硝装置の脱硝触媒や脱硫装置等の排煙処理装置へ流して硫黄化合物や窒素化合物等の灰成分を除去した後、大気に放出するようになっている。

熱交換器である過熱器１０Ａは、図２に示すように、多数のフィン付き管２０と、多数のフィン付き管２０を束ねて枠体１１に固定する管束部３０を備えている。

フィン付き管２０は、図４に示すように、素管２１に帯状のフィン２２をらせん状に巻き付けて成っており、帯状のフィン２２は、素管２１に溶接により固定されている。このフィン付き管２０は、枠体１１内において互に間隔をもって平行に並べて配置されており、排ガスＧの流れに直交するようにして上下方向に沿って配置されている。

この過熱器１０Ａにおいて、図３（ａ）にも示すように、多数のフィン付き管２０は、排ガスＧの流れの方向に複数の列（この実施形態では３列）を成すようにして全体で千鳥状に配置されており、これらのフィン付き管２０の各上端部は上部管寄せ１２にそれぞれ接続されていると共に、各下端部は下部管寄せ１３にそれぞれ接続されている。

管束部３０は、枠体１１の上下方向の複数箇所に配置されていて、図３（ａ）の拡大部分及び図３（ｂ）にも示すように、１列分の複数のフィン付き管２０を排ガスＧの流れの前後から挟み込んで拘束する一対の波板状の管束板３１，３１と、３列に並ぶ多数のフィン付き管２０を排ガスＧの流れの前後から全体的に挟持して、枠体１１の縦枠１１ａとジョイント１１ｂを介して連結する一対の挟持枠３２，３２を具備しており、各列の間には、互に隣接する管束板３１，３１の双方に溶接により接合される連結用波板３３が配置されている。

一対の波板状の管束板３１，３１に拘束されるフィン付き管２０は、素管露出部２３を有しており、この実施形態において、この素管露出部２３は、帯状のフィン２２を切断してその切れ目を素管２１の軸方向（図４上下方向）に押し広げることで形成されている。

フィン付き管２０の素管露出部２３は、図５にも示すように、溶接により互いに接合される一対の半割スリーブ４０，４０によって被覆されている。一対の半割スリーブ４０，４０の各内周面には、軸方向に沿うスペーサ４１が２個ずつ配置してあり、これらのスペーサ４１，４１は、一対の半割スリーブ４０，４０同士を溶接により接合した際の熱縮みにより、フィン付き管２０の素管露出部２３に対してメタルタッチするようになっている。

この場合、フィン付き管２０の素管露出部２３をメタルタッチ状態で被覆する一対の半割スリーブ４０，４０の下端部には、素管露出部２３の下方に位置する帯状のフィン２２における切れ目の一端に当接可能なストッパ４２が配置されている。

この過熱器１０Ａにおいて、フィン付き管２０の素管露出部２３を被覆する一対の半割スリーブ４０，４０を一対の波板状の管束板３１，３１によってメタルタッチ状態で挟み込み、一対の管束板３１，３１同士を溶接により互いに接合することで、多数のフィン付き管２０を固定するようにしている。

そこで、この過熱器１０Ａを製造するにあたって、多数のフィン付き管２０を互いに間隔をもって平行に並べて配置し、一対の波板状の管束板３１，３１で多数のフィン付き管２０をその径方向に挟み込んで固定するに際しては、まず、フィン付き管２０の管束部３０に対応する部位において帯状のフィン２２を切断して、その切れ目を素管２１の軸方向（図４上下方向）に押し広げて素管露出部２３を形成する。

次いで、溶接により互いに接合される一対の半割スリーブ４０，４０によってフィン付き管２０の素管露出部２３をメタルタッチ状態で被覆する。

この後、図６に示すように、管束部３０の一対の波板状の管束板３１，３１によって、フィン付き管２０の素管露出部２３を被覆する一対の半割スリーブ４０，４０をメタルタッチ状態で挟み込み、これに続いて一対の管束板３１，３１同士を溶接により互いに接合すると共に、３列に並ぶ多数のフィン付き管２０を一対の挟持枠３２，３２で全体的に挟持する。

そして、一対の挟持枠３２，３２の各端部を枠体１１の縦枠１１ａにジョイント１１ｂを介して連結して、多数のフィン付き管２０を枠体１１に固定する。

このように、本実施形態による過熱器１０Ａでは、フィン付き管２０の素管露出部２３を覆う一対の半割スリーブ４０，４０同士が溶接により互いに接合されるので、この溶接による一対の半割スリーブ４０，４０の各熱縮みにより、一対の半割スリーブ４０，４０のスペーサ４１，４１がフィン付き管２０の素管露出部２３に対してメタルタッチ状態となって、確実に固定されることとなる。

また、本実施形態による過熱器１０Ａでは、一対の半割スリーブ４０，４０を挟み込む一対の波板状の管束板３１，３１同士が溶接により互いに接合されるので、この溶接による一対の波板状の管束板３１，３１の各熱縮みにより、一対の波板状の管束板３１，３１は一対の半割スリーブ４０，４０に対してメタルタッチ状態となって、確実に固定されることとなる。

つまり、フィン付き管２０は、その素管２１を一対の半割スリーブ４０，４０を介して一対の波板状の管束板３１，３１にメタルタッチさせた状態で固定されることから、このフィン付き管２０が振動することによる管束板３１とのフレッティングが回避されることとなり、排ガスＧのガス流れの動圧が大きかったり、地震時に大きく揺れたりした場合であったとしても、隣接するフィン付き管２０同士が互いに干渉することも回避されることとなる。

加えて、フィン付き管２０と管束板３１との間の力の伝達は、フィン２２を介さずに素管２１と管束板３１との間で半割スリーブ４０を介して行われるので、荷重伝達によるフィン２２の曲りも防止し得ることとなる。

また、本実施形態による過熱器１０Ａでは、一対の半割スリーブ４０，４０の各内周面に、フィン付き管２０の素管露出部２３にメタルタッチするスペーサ４１，４１を配置しているので、一対の半割スリーブ４０，４０同士を溶接により接合する際の熱がフィン付き管２０の素管露出部２３に及ぶのを少なく抑え得ることとなる。

さらに、本実施形態による過熱器１０Ａでは、帯状のフィン２２を切断してその切れ目を素管２１の軸方向に押し広げて素管露出部２３を形成するようにしているので、素管露出部２３の造作を容易に行い得ることとなる。

さらにまた、本実施形態による過熱器１０Ａでは、素管露出部２３をメタルタッチ状態で被覆する一対の半割スリーブ４０，４０の下端部に、素管露出部２３の下方に位置する帯状のフィン２２における切れ目の一端に当接し得るストッパ４２を配置しているので、半割スリーブ４０とフィン付き管２０のフィン２２との間に隙間が生じることが回避されることとなる。

本実施形態では、本発明に係る熱交換器が排熱回収ボイラの過熱器である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、本発明に係る熱交換器がタワーボイラの再熱器や節炭器であってもよい。

本発明に係る熱交換器及び熱交換器の製造方法の構成は、上記した実施形態の構成に限定されるものではない。

１０Ａ 過熱器（熱交換器）
１０Ｂ 蒸発器（熱交換器）
１０Ｃ 節炭器（熱交換器）
２０ フィン付き管
２１ 素管
２２ フィン
２３ 素管露出部
３１ 管束板（管束部）
４０ 半割スリーブ
４１ スペーサ
４２ ストッパ

Claims (5)

1. 素管にフィンを巻き付けて成り、互いに間隔をもって平行に並べて配置される多数のフィン付き管と、
   前記多数のフィン付き管を該フィン付き管の径方向に挟み込んで固定する一対の波板状の管束板を備えた熱交換器において、
   前記フィン付き管には、前記素管が露出する素管露出部が設けられ、
   前記フィン付き管の前記素管露出部は、溶接により互いに接合される一対の半割スリーブによってメタルタッチ状態で被覆され、
   前記フィン付き管の前記素管露出部を被覆する前記一対の半割スリーブは、前記一対の波板状の管束板によってメタルタッチ状態で挟み込まれ、
   前記多数のフィン付き管は、前記一対の管束板同士を溶接により互いに接合することで固定されている
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記一対の半割スリーブの各内周面には、前記フィン付き管の前記素管露出部にメタルタッチするスペーサが配置されている請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記フィン付き管は、前記素管に帯状のフィンをらせん状に巻き付けて成り、前記素管露出部は、前記帯状のフィンを切断してその切れ目を前記素管の軸方向に押し広げて形成されている請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記多数のフィン付き管は上下方向に沿って配置され、前記素管露出部をメタルタッチ状態で被覆する前記一対の半割スリーブの下端部には、前記素管露出部の下方に位置する前記帯状のフィンにおける切れ目の一端に当接可能なストッパが配置されている請求項３に記載の熱交換器。
5. 素管にフィンを巻き付けて成る多数のフィン付き管を互いに間隔をもって平行に並べて配置し、一対の波板状の管束板で前記多数のフィン付き管を該フィン付き管の径方向に挟み込んで固定して熱交換器を製造するに際して、
   前記フィン付き管に前記素管が露出する素管露出部を形成した後、
   溶接により互いに接合される一対の半割スリーブによって前記フィン付き管の前記素管露出部をメタルタッチ状態で被覆し、
   続いて、前記一対の波板状の管束板で前記フィン付き管の前記素管露出部を被覆する前記一対の半割スリーブをメタルタッチ状態で挟み込み、
   前記一対の管束板同士を溶接により互いに接合することで、前記多数のフィン付き管を固定する
   ことを特徴とする熱交換器の製造方法。

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