特許 6833345 熱交換装置及び熱交換装置におけるバッフルプレートの設置範囲設定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6833345

(24)【登録日】2021年2月5日

(45)【発行日】2021年2月24日

(54)【発明の名称】熱交換装置及び熱交換装置におけるバッフルプレートの設置範囲設定方法

(51)【国際特許分類】

   F28F 9/00 20060101AFI20210215BHJP

   F28D 7/16 20060101ALI20210215BHJP

【ＦＩ】

   F28F9/00 A

   F28D7/16 A

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-98897(P2016-98897)

(22)【出願日】2016年5月17日

(65)【公開番号】特開2017-207231(P2017-207231A)

(43)【公開日】2017年11月24日

【審査請求日】2019年2月4日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092978

【弁理士】

【氏名又は名称】真田 有

(72)【発明者】

【氏名】沖本 貴寛

(72)【発明者】

【氏名】菅沼 直樹

(72)【発明者】

【氏名】林 健太郎

【審査官】 森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０６５７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５９−１０８０８６（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｆ ９／００

Ｆ２８Ｄ ７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部空間を熱源ガスが流通するガスダクトと、
前記熱源ガスの流れ方向及び前記流れ方向に直交するダクト幅方向にそれぞれ複数配列された伝熱管を有し、前記内部空間内に配置された伝熱管群と、
前記流れ方向に延在し、前記内部空間を前記ダクト幅方向に対して分割するように前記内部空間に配設された一枚物のバッフルプレートとを備える、熱交換装置において、
前記バッフルプレートの上流端の位置が、上流側から１段目に配置された前記伝熱管の下流端と、前記上流側から３段目に配置された前記伝熱管の下流端との間に設定された
ことを特徴とする、熱交換装置。

【請求項2】

前記バッフルプレートが前記１段目に配置された前記伝熱管の上流端から上流側へ突出する長さであるバッフル出代ＢＬと、前記伝熱管の外径の大きさｄとの比（ＢＬ／ｄ）が、−１．０〜−５．５を満たす位置に、前記バッフルプレートの上流端の位置が設定された
ことを特徴とする、請求項１に記載の熱交換装置。

【請求項3】

前記バッフルプレートの上流端の位置が、前記３段目に配置された前記伝熱管の下流端の位置に設定された
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱交換装置。

【請求項4】

内部空間を熱源ガスが流通するガスダクトと、
前記熱源ガスの流れ方向及び前記流れ方向に直交するダクト幅方向にそれぞれ複数配列された伝熱管を有し、前記内部空間内に配置された伝熱管群と、
前記流れ方向に延在し、前記内部空間を前記ダクト幅方向に対して分割するように前記内部空間に配設された一枚物のバッフルプレートとを備える、熱交換装置において、
前記バッフルプレートの上流端の位置を、上流側から１段目に配置された前記伝熱管の下流端と、前記上流側から３段目に配置された前記伝熱管の下流端との間に設定する
ことを特徴とする、熱交換装置におけるバッフルプレートの設置範囲設定方法。

【請求項5】

前記バッフルプレートが前記１段目に配置された前記伝熱管の上流端から上流側へ突出する長さあるバッフル出代ＢＬと、前記伝熱管の外径の大きさｄとの比（ＢＬ／ｄ）が、−１．０〜−５．５を満たす位置に、前記バッフルプレートの上流端の位置を設定する
ことを特徴とする、請求項４に記載の熱交換装置におけるバッフルプレートの設置範囲設定方法。

【請求項6】

前記バッフルプレートの上流端の位置を、前記３段目に配置された前記伝熱管の下流端の位置に設定する
ことを特徴とする、請求項４又は５に記載の熱交換装置におけるバッフルプレートの設置範囲設定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、缶鳴りの発生を防止するためのバッフルプレートが備えられた熱交換装置及びバッフルプレートの設置範囲設定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

火力発電用のボイラや、プラント排熱，ガスタービン排熱を回収するボイラ（排熱回収ボイラ）などでは、高温ガスが流れるダクト内に１又は複数の伝熱管群を配置した熱交換装置が使用される。伝熱管群は、ガス流れ方向及びダクト幅方向（ガス流れ方向と直交する方向、以下「幅方向」とも表記する）に配列された複数の伝熱管を備えて構成される。

【0003】

このような熱交換装置では、ダクト幅方向に定在波が発生すると共に、高温ガスが伝熱管を通過する際に伝熱管の下流側でカルマン渦が発生する。定在波の周波数とカルマン渦の発生周波数とが一致してしまうと、共鳴現象が生じて自励音が発生する。この現象は缶鳴りと呼ばれる。
そこで、従来、ダクト内に、ガス流れ方向に延在する防振バッフルを設けることで缶鳴りを防止することが行われている（例えば特許文献１参照）。防振バッフルを設けてダクト内を幅方向に分割することで、定在波の周波数が高めに変調され、定在波の周波数とカルマン渦の発生周波数とを離調することができる。これにより缶鳴りを防止することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特公昭６３−５０６３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、カルマン渦の発生周波数は高温ガスの流速に比例して変化するため、防振バッフルを使用した技術では、高次の共鳴現象まで防止するには、定在波の周波数をカルマン渦の最大の発生周波数よりも高くしなければならない。このため、防振バッフルをダクト幅方向に複数設ける必要がある。
また、伝熱管群における缶鳴りの発生箇所の特定が困難なため、防振バッフルは、伝熱管群の全長よりも長い範囲に亘って設けられる。つまり、防振バッフルの長さは、そのガス流れ上流端が、伝熱管群のガス流れ上流端よりも上流側に位置するように、そのガス流れ下流端が、伝熱管群のガス流れ下流端よりも下流側に位置するように設定されている（特許文献１の第１図参照）。
このため、防振バッフルを設置する範囲が広くなり、特にダクト幅方向に防振バッフルを複数設ける場合には、防振バッフルの設置に伴うコストアップが大きいという課題がある。

【0006】

本発明は、熱交換装置の製作コストの増大を抑制しつつ缶鳴りの発生を防止できるようにした、熱交換装置及び熱交換装置におけるバッフルプレートの設置範囲設定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）上記の目的を達成するために、本発明の熱交換装置は、内部空間を熱源ガスが流通するガスダクトと、前記熱源ガスの流れ方向及び前記流れ方向に直交するダクト幅方向にそれぞれ複数配列された伝熱管を有し、前記内部空間内に配置された伝熱管群と、前記流れ方向に延在し、前記内部空間を前記ダクト幅方向に対して分割するように前記内部空間に配設された一枚物のバッフルプレートとを備える、熱交換装置において、前記バッフルプレートの上流端の位置が、上流側から１段目に配置された前記伝熱管の下流端と、前記上流側から３段目に配置された前記伝熱管の下流端との間に設定されたことを特徴としている。
前記バッフルプレートが前記１段目に配置された前記伝熱管の上流端から上流側へ突出する長さであるバッフル出代ＢＬと、前記伝熱管の外径の大きさｄとの比（ＢＬ／ｄ）が、−１．０〜−５．５を満たす位置に、前記バッフルプレートの上流端の位置が設定されたことが好ましい。
さらに、前記バッフルプレートの上流端の位置が、前記上３段目に配置された前記伝熱管の下流端の位置に設定されたことが好ましい。

【0008】

（２）上記の目的を達成するために、本発明の熱交換装置におけるバッフルプレートの設置範囲設定方法は、内部空間を熱源ガスが流通するガスダクトと、前記熱源ガスの流れ方向及び前記流れ方向に直交するダクト幅方向にそれぞれ複数配列された伝熱管を有し、前記内部空間内に配置された伝熱管群と、前記流れ方向に延在し、前記内部空間を前記ダクト幅方向に対して分割するように前記内部空間に配設された一枚物のバッフルプレートとを備える、熱交換装置において、前記バッフルプレートの上流端の位置を、上流側から１段目に配置された前記伝熱管の下流端と、前記上流側から３段目に配置された前記伝熱管の下流端との間に設定することを特徴としている。
前記バッフルプレートが前記１段目に配置された前記伝熱管の上流端から上流側へ突出する長さであるバッフル出代ＢＬと、前記伝熱管の外径の大きさｄとの比（ＢＬ／ｄ）が、−１．０〜−５．５を満たす位置に、前記バッフルプレートの上流端の位置を設定することが好ましい。
前記バッフルプレートの上流端の位置を、前記３段目に配置された前記伝熱管の下流端の位置に設定することが好ましい。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ガスダクトに配置されるバッフルプレートの先端（上流端）の位置を、一段目の伝熱管の下流端と三段目の伝熱管の下流端との間に設定することで、バッフルプレートの先端を一段目の伝熱管の上流端よりも前方（上流側）に突出させる従来配置に較べ、バッフルプレートを短くしつつ缶鳴りの発生を防止することができる。
したがって、バッフルプレートの設置に伴う熱交換装置の製作コストの増大を抑制しつつ缶鳴りの発生を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態の熱交換装置の構成を示す模式的な平面視による断面図である。

【図2】横軸をバッフル出代ＢＬと外径（直径）ｄとの比（ＢＬ／ｄ）とし、縦軸を音圧レベルとしたグラフに、各実施例１,２及び比較例１,２の試験結果をプロットした図である。

【図3】横軸を音圧レベルの評価位置とし、縦軸を音圧レベル［ｄＢ］としたグラフに、試験結果をプロットした図であり、（ａ）は実施例１に関する図、（ｂ）は実施例２に関する図、（ｃ）は比較例１に関する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができると共に、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

【0012】

本実施形態では、本発明を、排熱回収ボイラ（以下「ＨＲＳＧ」と表記する）に備えられた熱交換装置に適用した例を説明する。
以下の説明では、特段の説明なく「上流」，「前」と記載した場合は、燃焼排ガス（熱源ガス）Ｇの流れにおける上流を指すものとする。また、特段の説明なく「下流」，「後」と記載した場合は、燃焼排ガスＧの流れにおける下流を指すものとする。
また、燃焼排ガスＧの流れ方向を前後方向Ｙとし、前後方向Ｙと直交する水平方向をダクト幅方向（以下「横方向」又は「幅方向」ともいう）Ｘとする。

【0013】

［１．構成］
本実施形態の熱交換装置１について図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態の熱交換装置１の構成を示す模式的な平面視による断面図である。なお、伝熱管４０の断面を示すハッチは省略する。
熱交換装置１は、ガスダクト２と、ガスダクト２の内部空間（以下「ダクト内部空間」ともいう）３にそれぞれ配置された伝熱管群４及び防振バッフル５とを備えて構成される。
ガスダクト２は、左右の側壁，底壁及び天井壁の４つのダクト壁２０を有している。これらのダクト壁２０により包囲された内部空間３を、黒塗の矢印で示す方向（図１の紙面における上下方向）に燃焼排ガス（熱源ガス）Ｇが流通する。
伝熱管群４は、本実施形態では、それぞれ鉛直方向（図１の紙面に対して直交する方向）に延在する複数の伝熱管４０を前後左右に並べて構成されており、各伝熱管４０には同一仕様（同一内径、同一外径、同一材質）のものが使用されている。各伝熱管４０にはそれぞれ水（被加熱流体）が供給され、この水は伝熱管４０を流通する過程で燃焼排ガスＧに加熱され蒸気（又は水と蒸気とが混在した二相流）となる。

【0014】

以下、伝熱管４０の前後方向Ｙの並びを「列」と呼び、横方向Ｘの並びを「段」と呼ぶ。本実施形態では、伝熱管４０を、前後左右に半ピッチずらした千鳥配列により、１８列×５段で配列している（図１では、一部の列を省略している）。以下の説明では、右から１列目，２列目…１８列目とし、前から（上流から）１段目，２段目…５段目とする。
伝熱管４０の段についてさらに説明すると、所定の伝熱管４０の前端を通る横線と後端を通る横線との間に入る伝熱管４０は、前記の所定の伝熱管４０と同じ段とする。例えば、図１において、１列目で５段目の伝熱管４０の前端を通る横線Ｌｆ５と後端を通る横線Ｌｂ５との間に入る伝熱管４０は５段目となる。或いは、前後方向Ｙに関して、軸心線ＣＬが一致（又は略一致）している伝熱管４０は同じ段とする。

【0015】

防振バッフル５は、前後方向Ｙに延在するバッフルプレートであり、ダクト内部空間３及び伝熱管群４を幅方向Ｘに対して分割するように配置される。本実施形態では、これに限定されるものではないが、防振バッフル５は、９列目の伝熱管４０と１０列目の伝熱管４０との間に配置され、ダクト内部空間３及び伝熱管群４を幅方向Ｘに対して２等分するように配置されている。また、本実施形態では、防振バッフル５は、ダクト内部空間３の全高さに亘って設けられており、その上端が、ダクト２の天井壁（ダクト壁）の下面に固定され、その下端が、ダクト２の底壁（ダクト壁）の上面に固定されている。

【0016】

防振バッフル５は、下流端（図示略）が、少なくとも最も後方の段（５段目）の伝熱管４０の下流端まで延設され、本実施形態では、最下段（５段目）の伝熱管４０の下流端よりもさらに下流側に延設されている。
そして、防振バッフル５の先端（上流端、以下「バッフル先端」ともいう）５ａの位置は、所定範囲Ｒ内に設定される。所定範囲Ｒは、一段目の伝熱管４０の上流端４０ｕと、三段目の伝熱管４０の下流端４０ｄとの間の領域（上流端４０ｕの位置及び下流端４０ｄの位置を含む）として規定される。本実施形態では、バッフル先端５ａの位置は、一段目の伝熱管４０の下流端と略同じ位置に設定されている。

【0017】

［２．実施例］
本発明の実施例１，実施例２及び比較例１，比較例２についての試験結果を、図２及び図３を参照して説明する。
伝熱管４０の仕様，横方向ＸのピッチＰｘ，前後方向ＹのピッチＰｙ，防振バッフル５の板厚ｔ，側壁をなすダクト壁２１と防振バッフル５との距離Ｌ１，Ｌ２は共通であり（ピッチＰｘ，Ｐｙ，板厚ｔ及び距離Ｌ１，Ｌ２は図１参照）、下表のとおりである。

【表1】

【0018】

実施例１，２及び比較例１,２は、バッフル出代ＢＬと外径（直径）ｄとの比（ＢＬ／ｄ）が相違し、それぞれ以下のように設定されている。
バッフル出代ＢＬ（図１参照）は、一段目の伝熱管４０からバッフル５が前方に突出している長さであり、一段目の伝熱管４０の上流端４０ｕとバッフル先端５ａとの距離である。したがって、バッフル先端５ａの位置が上流端４０ｕと揃っていればバッフル出代ＢＬ及び比（ＢＬ／ｄ）はゼロとなり、従来のようにバッフル先端５ａが上流端４０ｕよりも前方に突出していればバッフル出代ＢＬ及び比（ＢＬ／ｄ）はプラスになり、バッフル先端５ａが上流端４０ｕよりも後方に退避していればバッフル出代ＢＬ及び比（ＢＬ／ｄ）はマイナスとなる。

【0019】

【表2】

【0020】

つまり、上表２の条件は、実施例１は、前後方向Ｙの位置に関してバッフル先端５ａの位置が上流端４０ｕと揃っていることを意味し、実施例２及び比較例１は、それぞれ、バッフル先端５ａの位置が、上流端４０ｕよりも後方（下流側）に退避していることを意味し、比較例２は、バッフル先端５ａの位置が上流端４０ｕよりも前方（上流側）に突出した従来技相当であることを意味する。
また、実施例２は、前後方向Ｙの位置に関してバッフル先端５ａが三段目の伝熱管４０の下流端４０ｄと揃っていることを示す。

【0021】

図２は、横軸を比（ＢＬ／ｄ）とし、縦軸を音圧レベル［ｄＢ］としたグラフに、実施例１,２及び比較例１,２の各試験結果〔共鳴周波数を中心とした一定範囲の周波数（１３８Ｈｚ〜１６９Ｈｚ）について計測された、熱交換装置１における最大音圧レベル〕をプロットした図である。図２からも明らかなように、バッフル先端５ａの位置が、所定範囲Ｒ（一段目の伝熱管４０の上流端４０ｕ〜三段目の伝熱管４０の下流端４０ｄとの間の領域）にある実施例１，２は、従来技術相当の比較例２よりも音圧レベルが抑制されている。一方、バッフル先端５ａの位置が、上流端４０ｕよりも後方に退避しているものの、所定範囲Ｒから外れている比較例１では、共鳴により自励音が発生して従来技術相当の比較例２よりも音圧レベルが高くなっている。

【0022】

図３は、横軸を音圧レベルの評価位置とし縦軸を音圧レベル［ｄＢ］としたグラフに試験結果（特定の周波数における音圧レベル）をプロットした図、すなわち特定の周波数における音圧レベルのダクト幅方向Ｘに関する分布（以下「幅方向分布」という）を示す図であり、（ａ）は実施例１に関する試験結果（周波数１５８Ｈｚにおける音圧レベルの幅方向分布）を示す図、（ｂ）は実施例２に関する試験結果（周波数１５４Ｈｚにおける音圧レベルの幅方向分布）を示す図、（ｃ）は比較例１に関する試験結果（周波数１７３Ｈｚにおける音圧レベルの幅方向分布）を示す図である。

【0023】

ここで、図１を参照して評価位置について説明する。図１中の「＊」が、音圧レベルを計測する評価位置を示し、伝熱管４０の各段の前後にそれぞれ複数（本実施形態では２０個）の評価位置が横並びに設定されている。評価位置は、右から順にナンバリングされ、一番右が評価位置０（ゼロ）、一番左が評価位置１９とされる。また、横並びした評価位置の段を、前方から順にＡ段，Ｂ段…Ｆ段とする（図１では、Ａ段及びＥ段は省略。また、評価位置を示す「＊」はＢ段についてのみ示し、他の段については省略する）。

【0024】

図３（ｃ）に示す比較例１の計測結果は、図３（ａ），（ｂ）に示す実施例１，２の計測結果に較べて、Ｂ段，Ｄ段，Ｆ段においてそれぞれ音圧レベルに滑らかな落ち込みが見られる。これは、自励音が発生した時の特徴である。
なお、図３（ｂ）に示す実施例２の試験結果と、図３（ｃ）に示す比較例１の試験結果とで、音圧レベルに大きな差は見られないが、これは、上述したように図３（ｂ）に示す実施例２の試験結果は周波数１５４Ｈｚにおけるものであり、図３（ｃ）に示す比較例１の試験結果は周波数１７３Ｈｚにおけるものであり、そもそも異なる周波数の試験結果だからである。要するに図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す各実験結果は、自励音の発生の有無を定性的に確認するための図であって、音圧レベルの大きさを比較しうるものではない。

【0025】

［３．作用・効果］
本発明の一実施形態によれば、防振バッフル５の先端５ａの位置を、一段目の伝熱管４０の上流端４０ｕと三段目の伝熱管４０の下流端４０ｄとの間の範囲Ｒ内に設定することで、一段目の伝熱管の上流端よりも防振バッフル５を前方に突出させる従来配置に較べ、防振バッフル５のサイズが小さくなるにも拘わらず、缶鳴りと呼ばれる自励音の発生を防止することができる。
したがって、防振バッフル５の設置に伴う熱交換装置の製作コストの増大を抑制しつつ缶鳴りの発生を防止できる。

【0026】

［４．変形例］
（１）上記実施形態では、防振バッフル５を１枚設けたが、防振バッフル５の枚数は、ダクト２内を流れる燃焼排ガスＧの流速等種々の条件に応じて適宜設定されるものであり、幅方向Ｘに複数枚並設してもよい。

【0027】

（２）上記実施形態では、熱交換装置を、伝熱管４０を１８列×５段で千鳥配列して構成したが、熱交換装置の構成はこれに限定されない。例えば、伝熱管４０の列数及び段数は、前記の数に限定されずそれぞれ適宜設定されるものであり、また、伝熱管４０を格子配列して熱交換装置を構成してもよい。

【0028】

（３）上記実施形態では、本発明をＨＲＳＧの熱交換装置に適用したが、バーナを備えた一般的な蒸気ボイラ、温水器など各種の用途に使用される熱交換装置に適用できる。

【符号の説明】

【0029】

１ 熱交換装置
２ ガスダクト
２０ ダクト壁
３ ガスダクト２の内部空間
４ 伝熱管群
４０ 伝熱管
４０ｕ 一段目の伝熱管４０の上流端
４０ｄ 三段目の伝熱管４０の下流端
５ 防振バッフル（バッフルプレート）
５ａ 防振バッフル５の先端（上流端）
Ｇ 排ガス（熱源ガス）
Ｘ ダクト幅方向
Ｙ ダクト前後方向

【図1】

【図2】

【図3】