(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィン管式熱交換器（２１０）であって、
複数の管（２２０）を備え、
前記複数の管（２２０）の各々は、それらの周囲に配置された対応する複数のフィン（２３０）を含み、前記複数の管（２２０）の１つの管の対応するフィンは、該他の複数の管（２２０）の対応するフィンから間隔があり、
前記複数の管（２２０）の第１組（２４０）が、前記フィン管式熱交換器（２１０）の少なくとも１つの第１の対の列（２６０、２７０）を含み、前記複数の管（２２０）の第２組（２５０）が、前記フィン管式熱交換器（２１０）の少なくとも１つの第２の対の列（２９０、３００）を含み、
前記フィン管式熱交換器（２１０）の前記少なくとも１つの第１の対の列（２６０、２７０）の管は、そこを通る空気の流れに対し第１の直列位置に配置され、
前記フィン管式熱交換器（２１０）の前記少なくとも１つの第１の対の列（２６０、２７０）が、第１の距離で離間し、
前記フィン管式熱交換器（２１０）の前記少なくとも１つの第２の対の列（２９０、３００）の管は、そこを通る空気の流れに対し第２の直列位置に配置され、
前記フィン管式熱交換器（２１０）の前記少なくとも１つの第２の対の列（２９０、３００）が、第２の距離で離間し、
前記少なくとも１つの第１の対の列（２６０、２７０）の管（２２０）と前記少なくとも１つの第２の対の列（２９０、３００）の管（２２０）とは、互いに対してオフセット位置（３０５）を有し、
前記オフセット位置（３０５）は、前記空気の流れに対し垂直のフィン（２３０）の長さのおよそ半分であり、
前記複数のフィン（２３０）の各々が、該フィンの角に位置する複数の渦発生片（３２０）を含み、該複数の渦発生片（３２０）は、上向き角度（３４０）を有する第１の対向する対の渦発生片と、下向き角度（３５０）を有する第２の対向する対の渦発生片とを備える
フィン管式熱交換器（２１０）。
【請求項２】
前記複数のフィン（２３０）は複数の長方形フィン（３１０）を含む、請求項１に記載のフィン管式熱交換器（２１０）。
【請求項３】
前記複数の渦発生片（３２０）は略三角形状（３３０）を有する、請求項１又は２のいずれか１項に記載のフィン管式熱交換器（２１０）。
【請求項４】
前記複数のフィン（２３０）は各管（２２０）の周囲に略偏心位置（３６０）を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフィン管式熱交換器（２１０）。
【請求項５】
前記フィン管式熱交換器（２１０）の前記少なくとも１つの第１の対の列（２６０、２７０）は、互いに第１の距離で離間され、
前記フィン管式熱交換器（２１０）の前記少なくとも１つの第２の対の列（２９０、３００）は、互いに第２の距離で離間される
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフィン管式熱交換器（２１０）。
【請求項６】
熱回収蒸気発生器（１９０）を構成する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフィン管式熱交換器（２１０）。
【請求項７】
前記第１の対の列（２６０、２７０）の管（２２０）間の距離及び前記第２の対の列（２９０、３００）の管（２２０）間の距離が最小であり、前記第１の対及び前記第２の対の隣り合う列（２７０、２９０）の管（２２０）間の距離が長く設定された、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のフィン管式熱交換器（２１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してフィン管式熱交換器に関し、より詳細には、圧力損失を最小にしつつ熱伝達を最大にするように長方形フィン及び渦発生片を備えた半ねじれ型配置小型フィン管式熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なフィン管式熱交換器及び同様の構造体が市販されている。フィン管式熱交換器の構造の主な設計目標の１つは、圧力損失を最小にしつつ熱伝達を最大にすることに焦点を合わせている。一般的には、圧力損失の範囲は、熱交換器とその利用の運転維持費並びに全体のエネルギー損失及び効率に直接関連すると言える。
【０００３】
既知のフィン管式熱交換器設計の一例として、密に離間配置されて螺旋状にねじれた円形フィンを備えた管束の利用がある。しかしながら、そのような円形フィンの利用は、それを通じて全般的に減少した気流速度によって比較的大きなバイパス流、伴流領域、及び低い熱伝達係数を生じさせる。更に、バイパス流は、フィンとその間の間隔に関する汚れの問題を悪化させるだけでなく、熱伝達係数を低下させる。円形フィンもまた、フィン間隔、従って管当たりの全有効表面積を制限する。
【０００４】
連続プレートフィン及び略正方形フィンも使用されていた。そのような連続プレートフィンは、典型的な円形フィンと比べて伝達される熱単位当たりの圧力損失が低くなる傾向がある。連続プレートフィンは、非常に小型且つ効率的な熱交換器を製造するために使用されていたが、連続プレートフィン及び正方形フィンは、一般に大きな伝熱面積、大きな直径を有する管、及び／又は鋼製のフィンを必要とする熱回収蒸気発生器又は同じようなタイプの設備等の大規模発電所用途には一般的に適していなかった。
【０００５】
既知の管束配置は、一般的に直列又はねじれ型配列で構成される。ねじれ型配置は一般的に、そのような配置が直列配置と比べてバイパス流が幾分減少した高い熱伝達係数を示すので特に有利である。しかしながら、そのようなねじれ型配置の圧力損失は、管によって生じる形状抗力のために比較的高くなる。直列配置は、全体の抗力を減少させるように各管を先の管に続いて配置する。長円及び楕円形状の管及びフィンもまた抗力及び圧力損失を低減するために使用されていたが、そのような管は一般的に、発電所設備で通常見られる超高圧に耐えることができない。
【０００６】
フィン表面上の熱伝達を高めるために、ルーバー、コルゲーション（波形）、アンジュレーション（うねり）、セレーション（鋸歯状部）、ウィングレット（小翼）渦発生片等の利用を含む、様々な技術が探求されている。これらの改良技術の大部分は連続フィン熱交換器で利用されるのに対して、ディンプル（くぼみ）やセレーションは個々の円形フィンで利用される。これらの改良技術の幾つかを、所定のフィン又は一連のフィン上で組み合わせてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６５７８６２７Ｂ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、ひいては、エネルギー損失が低く、全体のライフサイクルコストが低い小型且つ安価な熱交換器を提供するために、単位圧力損失当たりの熱伝達率を増加させるように改良された小型フィン管式熱交換器が望まれている。このようなフィン管式熱交換器は、好ましくは様々なガスから液体又はガスから蒸気への熱伝達用途に利用され、具体的には発電所の操業等に利用される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従って、本発明は、フィン管式熱交換器を提供する。フィン管式熱交換器は、各々の管上に配置された複数のフィンを備えた複数の管を含む。管は、第１組の管及び第２組の管を含み、第１組の管は第２組の管と比べてオフセット位置を有する。
【００１０】
本発明は、フィン管式熱交換器を更に提供する。フィン管式熱交換器は、各々の管上に配置された複数の長方形フィンを備えた複数の管を含む。長方形フィンは、その上に１つ以上の渦発生片を含む。
【００１１】
本発明は、フィン管式熱交換器を更に提供する。フィン管式熱交換器は、第２組の管と比べてオフセット位置を有する第１組の管を備えた複数の管と、各々の管上に配置された複数の長方形フィンとを含む。長方形フィンは、複数の渦発生片を含む。
【００１２】
本発明のこれら及びその他の特徴並びに改良点は、図面及び添付の特許請求の範囲に関連してなされる以下の詳細な説明を検討することで当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】本明細書に記載される半ねじれ型フィン管式熱交換器の一部の斜視図である。
【図３】図２の半ねじれ型フィン管式熱交換器で使用される渦発生片を備えた個別長方形プレートフィンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図面を通して同様の番号が同様の要素を指す図面を参照すると、図１は、本明細書に記載されるガスタービンエンジン１００の概略図を示す。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機１１０を含む。圧縮機１１０は、流入する空気流１２０を圧縮する。圧縮機１１０は、圧縮された空気流１２０を燃焼器１３０に送り込む。燃焼器１３０は、圧縮された空気流１２０を圧縮された燃料流１４０と混合し、混合物に点火して燃焼ガス流１５０を生成する。単一の燃焼器１３０のみが示されているが、ガスタービンエンジン１００は複数の燃焼器１３０を含んでもよい。
【００１５】
次いで、燃焼ガス流１５０はタービン１６０に送り込まれる。燃焼ガス流１５０は、タービンロータ１７０の回転によって機械的作用を生成するようにタービン１６０を駆動する。タービン１６０内で生成された機械的作用は、タービンロータ１７０を介して、圧縮機１１０と、例えば発電機１８０等の外部負荷とを駆動する。
【００１６】
その後、既に使用済みの燃焼ガス流１５０は、熱回収蒸気発生器１９０又は他のタイプの熱交換器に送り込まれる。熱回収蒸気発生器１９０への使用済み燃焼ガス流１５０は、例えば、蒸気タービン、燃料予熱器、及び／又は他のタイプの作用に用いられる蒸気流２００を加熱する。その後、燃焼ガス流１５０は排気されるか、又は別の方法で処理される。
【００１７】
ガスタービンエンジン１００は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス、及び他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１００は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社によって提供されるいかなる数の異なるタービンであっても、そうでなくてもよい。ガスタービンエンジン１００は、他の構成を有してもよく、他のタイプの構成要素を使用してもよい。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書において使用することができる。複数のガスタービンエンジン１００、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電設備を併せて使用してもよい。
【００１８】
一般的には、熱回収蒸気発生器１９０は、蒸気発生プロセス等のための給水を、さもなければ無駄になった使用済み燃焼ガス流１５０によって加熱することができる非接触熱交換器であると言える。熱回収蒸気発生器１９０は、その中に介装された管束を備えた大型ダクトであって、燃焼ガス流１５０がダクトを通過するときに水が蒸気になるまで加熱されるようになっている。その他の熱回収蒸気発生器構成及び他のタイプの熱交換装置を本明細書において使用してもよい。
【００１９】
図２は、本明細書に記載される半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０の一部を示す。半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０は、熱回収蒸気発生器１９０の一部として、或いは任意のタイプの熱交換装置又は熱交換目的のために使用することができる。
【００２０】
半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０は、上に配置された複数のフィン２３０を備えた、それを通って突出する複数の管２２０を含む。（明確にするために、１つの突出管２２０のみが示されている。）任意の数の管２２０及びフィン２３０を本明細書において使用することができる。半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０は、既存のフィン管式熱交換器と比べて比較的小型であるが、所望の寸法、形状、及び／又は構成を有してもよい。
【００２１】
半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０は、ねじれ関係で配置された管２２０を含む。具体的には、第１組２４０の管２２０は、第２組２５０の管２２０からねじれ配置又はオフセットされる。第１組２４０の管２２０は、そこを通る空気流２８０に対して直列位置２７５を有する管２２０を備えた第１列２６０及び第２列２７０を含む。第２組２５０の管２２０は、同様に直列位置２７５を有する管２２０をその中に備えた第３列２９０及び第４列３００を含む。第１組２４０及び第２組２５０において対の管２２０が示されているが、その中に任意の数の管２２０を備えた任意の数の列２６０，２７０及び２９０，３００を本明細書において使用してもよい。第１組２４０及び第２組２５０は、互いに対してオフセット位置３０５を有して半ねじれ関係を形成する。オフセット位置３０５は、フィン２３０の横方向間隔のおよそ半分である。他のタイプのオフセット（ズレ）、間隔、及び構成を本明細書において使用してもよい。
【００２２】
図２及び図３に示すように、半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０のフィン２３０は、略長方形フィン３１０の形である。各長方形フィン３１０は、その角に配置された複数の渦発生片３２０を有する。この例では、渦発生片３２０は略三角形状３３０を有する。更に、渦発生片３２０の１つの対向対は上向き角度３４０を有し、渦発生片３２０のもう１つの対向対は下向き角度３５０を有する。他の寸法、構成、及び／又は角度の任意の数の渦発生片３２０を本明細書において使用してもよい。
【００２３】
長方形フィン３１０はまた、各管２２０の周囲に略偏心位置３６０を有する。その結果、各組２４０，２５０の列２６０，２７０及び２９０，３００の間の距離は最小になる（従って、各組２４０，２５０の管２２０の間の距離が長くなる）。その他のタイプの配置を本明細書において使用してもよい。各長方形フィン３１０の間にギャップ３７０が存在する。ギャップ３７０の寸法及び形状は異なってもよい。ギャップ３７０は、長方形フィン３１０が使用時に略連続フィンとして作用するように寸法決めされる。
【００２４】
上述の通り、直列管配置は概して圧力損失が低いという利点を有する一方、ねじれ型配置は概して熱伝達が高くなる。従って、使用時、本明細書に記載の半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０は、両方の配置の利点を組み合わせている。この例では具体的に、第１組２４０の第２列２７０及び第２組２５０の第４列３００が、概してそれぞれ第１組２４０の第１列２６０及び第２組２５０の第３列２９０に続いて配置される。従って、このねじれ又はオフセット位置３０５は、特に列２６０，２７０及び２９０，３００のフィン２３０の偏心位置３６０に部分的に基づいて管２２０の直列列２６０，２７０及び２９０，３００の間の距離を比較的小さくすることにより、圧力損失の一部の原因である空力形状抗力を削減する。同様に、管２２０の第１組２４０及び第２組２５０をずらすことにより、フィン２３０上の熱伝達を高めるように馬蹄渦及び伴流渦を生成又は強化する。
【００２５】
半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０の長方形フィン３１０は、流れ場を変更したり、余り又は少しもバイパス流を形成したりすることなく、狭いフィン間隔が可能になるように、主に連続プレートフィンとして作用する。長方形フィン３１０間のギャップ３７０の寸法によって、例えば、上記の円形フィン及び管束と比べてバイパス流をそれほど多くなくできると共に、個々の管２２０の小さな束への取り付けが可能になる。具体的には、ギャップ３７０は、半連続プレートフィンを形成するのに十分な小ささであるが、実質的に境界層を取り除くのに十分な大きさである。従って、ギャップ３７０は、熱伝達性能に良い影響をもたらすようにフィン３１０間の一部の混合層及び境界層破壊が可能である。
【００２６】
半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０の渦発生片３２０の三角端３３０もまた、ねじれ組２４０，２５０に対して馬蹄渦及び／又は伴流渦を生成及び／又は強化する。縦渦及び他のタイプの渦も生成することができる。これらの渦は、長方形フィン３１０上の全体の熱伝達を高める傾向がある。交互の上向き及び下向き角度３４０，３５０の利用により、それぞれ上下のフィン３１０と衝突するように流れの向きを変えることができる。そのような流れもまた、縦渦を強化して更に熱伝達を増大させつつ、境界層を取り除くことができる。
【００２７】
従って、半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０は、オフセット位置３０５を有する管２２０のねじれ組２４０，２５０を提供する。各管２２０は、上に複数の渦発生片３２０を備えた複数の長方形フィン３１０を有する。フィン３１０は、各組２４０，２５０の列２６０，２７０及び２９０，３００の間の距離を最小にするように偏心位置３６０を含むと同時に、フィン３１０はまたそれらの間に最小ギャップ３７０を有する。従って、半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０は、管当たりの熱伝達が高い従来のフィン管設計と比べて低い圧力損失をもたらす。半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０はまた、小型で所定の仕事に対する運転維持費が低く管列が少ない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
従って、半ねじれ型フィン管式熱交換器２１０は、様々なガスから液体又はガスから蒸気への熱伝達用途に利用され、具体的には発電所の操業等に利用することができる。より小型、より良好、且つより安価な熱交換器は、概して設置面積が小さく運転維持費が少ない安価なエネルギーシステムを提供する。
【００２９】
上述の内容は本発明の好適な実施形態のみに関連していること、また特許請求の範囲及びその等価物によって定まる本発明の一般的な技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなく当業者が本明細書において多くの変更及び修正を行なうことができることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３０】
１００  ガスタービンエンジン
１１０  圧縮機
１２０  空気流
１３０  燃焼器
１４０  燃料流
１５０  燃焼ガス流
１６０  タービン
１７０  ロータ
１８０  発電機
１９０  熱回収蒸気発生器
２００  蒸気流
２１０  半ねじれ型フィン管式熱交換器
２２０  管
２３０  フィン
２４０  第１組
２５０  第２組
２６０  第１列
２７０  第２列
２７５  直列位置
２８０  空気流
２９０  第３列
３００  第４列
３０５  オフセット位置
３１０  長方形フィン
３２０  渦発生片
３３０  三角形状
３４０  上向き角度
３５０  下向き角度
３６０  偏心位置
３７０  ギャップ
【図１】
0006050567.tif 000002
【図２】
0006050567.tif 000003
【図３】
0006050567.tif 000004