(57)【要約】  本発明は、熱交換管（１）と、熱交換管（１）に設けられた複数組のフィン（２）とを含み、各組のフィン（２）が、熱交換管（１）の両側に対称に配置された２つのハーフバタフライ型フィン（２）で構成されたバタフライ構造であり、各ハーフバタフライ型フィン（２）の四隅が、いずれも曲率半径が１０ｍｍ〜１００ｍｍの弧形角（３）である、バタフライ型フィンチューブ熱交換器を提供する。当該熱交換器は、熱交換器、特に熱交換フィン（２）の酸腐食、エロージョン腐食及び応力腐食を効果的に低減し、自動除塵を実現し、熱交換器の伝熱性能及び耐用年数を向上させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換管（１）と、熱交換管に設けられた複数組のフィンとを含むバタフライ型フィンチューブ熱交換器であって、各組のフィンは、熱交換管の両側に対称に配置された２つのハーフバタフライ型フィンで構成されたバタフライ構造であり、各ハーフバタフライ型フィン（２）の四隅は、いずれも曲率半径が１０ｍｍ〜１００ｍｍの弧形角（３）であり、前記ハーフバタフライ型フィン（２）及び熱交換管（１）の外面に複合防食被覆層が塗布されている、ことを特徴とするバタフライ型フィンチューブ熱交換器。
【請求項２】
前記バタフライ構造において、２つのハーフバタフライ型フィン（２）の間隔は、６ｍｍ〜１００ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載のバタフライ型フィンチューブ熱交換器。
【請求項３】
前記弧形角（３）は、直線移行部又は弧線移行部を介して接続される内側弧形角（３ａ）及び外側弧形角（３ｂ）に分けられ、前記外側弧形角（３ｂ）の曲率半径が内側弧形角（３ａ）の曲率半径よりも大きい、ことを特徴とする請求項１に記載のバタフライ型フィンチューブ熱交換器。
【請求項４】
前記弧形角（３）は、直線移行部又は弧線移行部を介して接続される内側弧形角（３ａ）及び外側弧形角（３ｂ）に分けられ、前記外側弧形角（３ｂ）の曲率半径が内側弧形角（３ａ）の曲率半径よりも大きい、ことを特徴とする請求項２に記載のバタフライ型フィンチューブ熱交換器。
【請求項５】
各ハーフバタフライ型フィン（２）の縁には、曲率半径が２ｍｍ〜８ｍｍの第１の面取り（７）が厚さ方向に設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載のバタフライ型フィンチューブ熱交換器。
【請求項６】
前記ハーフバタフライ型フィン（２）と熱交換管（１）との接続箇所には、曲率半径が２ｍｍ〜８ｍｍの第２の面取り（４）が形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載のバタフライ型フィンチューブ熱交換器。
【請求項７】
前記熱交換管（１）は、円管、楕円管又は扁平管である、ことを特徴とする請求項１に記載のバタフライ型フィンチューブ熱交換器。
【請求項８】
前記複合防食被覆層は、下地めっき層及び有機防食被覆層を含む、ことを特徴とする請求項１に記載のバタフライ型フィンチューブ熱交換器。
【請求項９】
前記下地めっき層は、硫酸第二セリウムを添加剤として制作された非晶質のニッケル銅リン複合めっき層であり、前記有機防食被覆層は、フッ素樹脂、ポリウレタン、フルオロカーボン樹脂又はシリコン被覆層である、ことを特徴とする請求項８に記載のバタフライ型フィンチューブ熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラや工業窯炉及び発電所の煙道ガスの熱エネルギーを回収するための耐低温腐食のバタフライ型フィンチューブ熱交換器に関し、煙道ガスの廃熱利用の分野に属し、低温煙道ガスの熱エネルギー回収に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
石炭焚きボイラ及び工業窯炉の煙道ガスの成分は比較的複雑であり、煙道ガスには大量の固体粒子状物質、ＳＯｘ、ＮＯｘ及び水蒸気などが含まれており、高温煙道排気ガスの廃熱を回収すると、廃熱回収及び熱交換器の除塵問題を重点的に考慮し、既存の発明ＣＮ１０３４３８７４６Ａ、ＣＮ１０６０９１７８２Ａ、ＣＮ１０３４３８７４６Ａなどのように高温煙道ガスの廃熱回収を実現でき、効果が顕著である。しかし、煙道ガスの温度が酸性煙道ガスの凝縮温度に降下するとき、塵埃の堆積、除塵を考慮する以外に、さらに重要なのは、熱交換器の耐用年数に影響を与える酸腐食、エロージョン腐食及び熱交換器の伝熱性能の悪化を回避する問題を考慮することであり、このとき、塵埃の堆積、硫酸蒸気、硝酸蒸気及び水蒸気の凝縮現象が同時に発生し、酸腐食を主とするフィン腐食問題が熱交換器の耐用年数に影響を与える重要な要因となる。
【発明の概要】
【０００３】
含塵煙道ガスの廃熱回収において、本発明は、塵埃及び汚れが堆積しにくく、クリーニングが容易で、効率的に熱交換することを図るとともに、煙道ガス側の構造及び防食被覆層技術の両方から、煙道ガスの低温腐食、伝熱性能が悪いなどの難題を協働して解決することにより、煙道ガスの廃熱回収用の熱交換器の耐用年数を延長する。
【０００４】
本発明の一態様に係るバタフライ型フィンチューブ熱交換器は、
熱交換管と、熱交換管に設けられた複数組のフィンとを含み、各組のフィンが、熱交換管の両側に対称に配置された２つのハーフバタフライ型フィンで構成されたバタフライ構造であり、各ハーフバタフライ型フィンの四隅が、いずれも曲率半径が１０ｍｍ〜１００ｍｍの弧形角であり、前記ハーフバタフライ型フィン及び熱交換管の外面に複合防食被覆層が塗布されている。
【０００５】
好ましくは、前記バタフライ構造において、２つのハーフバタフライ型フィンの間隔は、６ｍｍ〜１００ｍｍである。
【０００６】
好ましくは、前記弧形角は、直線移行部又は弧線移行部を介して接続される内側弧形角及び外側弧形角に分けられ、前記外側弧形角の曲率半径が内側弧形角の曲率半径よりも大きい。
【０００７】
好ましくは、各ハーフバタフライ型フィンの縁には、曲率半径が２ｍｍ〜８ｍｍの第１の面取りが厚さ方向に設けられている。
【０００８】
好ましくは、前記ハーフバタフライ型フィンと熱交換管との接続箇所には、曲率半径が２ｍｍ〜８ｍｍの第２の面取りが形成されている。
【０００９】
上記態様において、前記複合防食被覆層は、下地めっき層及び有機防食被覆層を含む。前記下地めっき層は、硫酸第二セリウムを添加剤として制作された非晶質のニッケル銅リン複合めっき層であり、前記有機防食被覆層は、フッ素樹脂、ポリウレタン、フルオロカーボン樹脂又はシリコン被覆層である。前記熱交換管は、円管、楕円管又は扁平管である。
【発明の効果】
【００１０】
酸腐食の問題がある煙道排気ガスの廃熱回収を行う場合には、以下の３つの重要な問題を協働して解決する必要がある。１つ目は、煙道ガス側フィンで熱交換の強化と堆積した塵埃の除塵能力とを両立させて、熱交換器全体の伝熱性能を向上させること、２つ目は、対応する構造形態を用い、塵埃と酸性凝縮液のタイムリーな脱落及び排出を実現して、熱交換器の目詰まりを回避し、熱交換器の動作期間を延長すること、３つ目は、酸腐食、エロージョン腐食を緩和する防食制御技術を用いて、熱交換器の耐用年数を効果的に向上させることである。本発明は、複数回の施設現場調査、共通の問題の整理分析及び多方面の繰り返し試験研究に基づいて、バタフライ型フィンチューブ熱交換器を提案し、従来技術に比べて、以下の利点及び顕著な効果を有する。本発明は、（１）、フィンがバタフライ構造であり、フィンの隅角がいずれも弧形設計であるため、鋭角、稜角位置などの腐食されやすい領域の比表面積を効果的に小さくし、フィンの酸腐食を効果的に緩和するとともに、含塵煙道ガスのエロージョン摩耗を低減させることができ、（２）、２つのハーフバタフライ型フィンが熱交換管に対称に配置され、一定の間隔が空くことで、含塵気流が熱交換管の前縁に衝撃を与える場合や、負圧領域の後縁を流れる場合、集まった塵埃及び凝縮液が重力の作用によりタイムリーに脱落して排出されるのに役立ち、（３）、フィンと熱交換管との接続箇所に完全溶接方式及び弧線移行を用いることで、溶接継ぎ目の位置の局部的な応力が低減し、応力腐食及び酸腐食速度が効果的に低減し、（４）、構造及び被覆層の両方から、従来技術に存在する熱交換器が酸腐食されやすく、塵埃及び凝縮液が排出されにくく、伝熱効率が低いなどの問題を協働して解決し、従来の煙道ガスの廃熱回収用の熱交換器に比べて、材料を節約し、塵埃及び液体が堆積しにくく、エロージョン摩耗が効果的に低減し、耐用年数が長いなどの特徴を有する。したがって、本発明は、上記重要な課題を効果的に解決し、酸腐食などの問題を効果的に抑制するとともに、煙道ガスの廃熱回収を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るバタフライ型フィンチューブ熱交換器の一実施例の概略図である。
【図２】本発明に係るバタフライ型フィンチューブ熱交換器の別の実施例の概略図である。
【図３】本発明に係るバタフライ型フィンチューブ熱交換器の第３の実施例の概略図である。
【図４】図２におけるＡ−Ａ方向の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の具体的な構造及び動作過程をさらに説明する。
【００１３】
図１に示すように、本発明に係る煙道ガスの腐食を防止するバタフライ型フィンチューブ熱交換器は、熱交換管１と、熱交換管に設けられ、それぞれ熱交換管の両側に対称に配置された２つのハーフバタフライ型フィン２で構成されたバタフライ構造である複数組のフィンとを含み、各ハーフバタフライ型フィン２の四隅は、いずれも曲率半径が１０ｍｍ〜１００ｍｍの弧形角３であり、前記ハーフバタフライ型フィン２及び熱交換管１の外面に複合防食被覆層が塗布され、熱交換管１は、円管を選択してもよく、楕円管又は扁平管などの異形熱交換管を選択してもよい。
【００１４】
煙道ガス側の熱交換管は、表面伝熱係数が低く、一般的に、熱交換器の熱交換管の外にリブを設ける方式で、煙道ガス側の熱交換面積を増加させて、熱交換器の伝熱性能を向上させる目的を達成する。なお、リブのタイプには、一体型リブ、スパイラルリブ及びピンリブなどがある。煙道ガスの成分が複雑で、粒子状物質を含有し、低温表面に触れると凝縮しやすいため、煙道ガスが鉛直に配置された熱交換管を流れる際に、熱交換管の上流に滞留域が存在し、滞留域に塵埃及び酸性凝縮液が堆積しやすくなり、熱交換管の下流に１つの負圧領域が存在し、該負圧領域に塵埃の付着及び低温煙道ガスの酸腐食が最も発生しやすくなるので、従来の熱交換器は、熱交換管の風上側及び風下側に溜まった塵埃、酸性凝縮液がタイムリーに除去されないと、塵埃及び汚れの堆積、堆積腐食、ひいては目詰まり現象が発生しやすく、熱交換器全体の伝熱性能及び耐用年数に影響を与える。本発明のフィンは、バタフライ構造を用いて、滞留域での自動除塵が実現でき、かつフィンの隅角がいずれも弧形設計であるため、鋭角、稜角位置などの腐食されやすい領域の比表面積を効果的に小さくすることができ、フィンの酸腐食を効果的に緩和するとともに、含塵煙道ガスのエロージョン（washout）摩耗を低減する。
【００１５】
具体的には、弧形角３は、直線移行部又は弧線移行部を介して接続される内側弧形角３ａ及び外側弧形角３ｂに分けられ（図２を参照）、好ましくは、外側弧形角３ｂの曲率半径は、内側弧形角の曲率半径よりも大きいように設計されてもよく、このように、強いエロージョン腐食を効果的に防止することができ、含塵量が大きく、気流速度が高い場合に適している。煙道ガスの流れ方向において、熱交換管の上下流位置には、対称に配置された２つのハーフバタフライ型フィンの間に一定の間隔Ｈ（図２を参照）が空いており、２つのハーフバタフライ型フィン２の間隔Ｈは、一般的には、６ｍｍ〜１００ｍｍであり、塵埃及び残りの酸性凝集液の混合物は、常に熱交換管に沿って下向きに流れ、タイムリーに除塵し酸性凝縮液を排出する目的を達成する。間隔Ｈが小さすぎると、目詰まりが発生して熱交換器を破損しやすく、Ｈが大きすぎると、フィンの熱交換強化能力が弱くなり、熱交換器の伝熱性能が低い。
【００１６】
図３に示すように、バタフライ型フィンチューブ熱交換器は、２本の熱交換管１と、２本の熱交換管に設けられ、それぞれ２本の熱交換管の両側に対称に配置された２つのハーフバタフライ型フィン２で構成されたバタフライ構造である複数組のフィンとを含む。
【００１７】
本発明の各ハーフバタフライ型フィンの縁には、曲率半径が好ましは２〜８ｍｍである第１の面取り７が厚さ方向に設けられ（図４を参照）、該第１の面取りの構造は、流入している含塵煙道ガスのエロージョン腐食を低減させるとともに、局部的な比表面積を低減させ、酸性凝縮液がフィンの表面上の被覆層を腐食する速度を効果的に低減させることができる。前記ハーフバタフライ型フィン２と熱交換管１との接続箇所には、曲率半径が２〜８ｍｍの第２の面取り４が形成されているため、熱交換管１とハーフバタフライ型フィン２との間の応力腐食を低減させるだけでなく、局部的な比表面積を低下させることにより酸腐食を弱めることもできる。前記ハーフバタフライ型フィン２の厚さ方向には、円形面取りが設けられているので（図１〜３を参照）、局部的な腐食速度の低減に役立つだけでなく、防食被覆層の高品質なスパッタリングにも役立つ。
【００１８】
上記態様において、前記複合防食被覆層は、下地めっき層及び有機防食被覆層で構成され、前記下地めっき層は、硫酸第二セリウムを添加剤として制作された非晶質のニッケル銅リン複合めっき層であり、前記有機防食被覆層は、フッ素樹脂、ポリウレタン、フルオロカーボン樹脂又はシリコン被覆層である。このように、被覆層の局部的な加速酸腐食／腐食を抑制することから、熱交換器全体の耐用年数が向上し、構造及び複合被覆層の両方から協働して、酸液の腐食が効果的に抑制され、酸性凝縮液の複合被覆層への腐食が顕著に緩和され、本熱交換器の長い耐用年数及び経済的で安定的な運転が実現される。また、上記各円形面取り（第１の面取り及び第２の面取り）は、楕円面取りなどの、滑らかな曲線構造を有する面取りを選択してもよい。
【００１９】
以上より、従来のフィンチューブ熱交換器は、含塵煙道ガスによって生じる酸性凝縮液に触れると、フィンに顕著な酸性腐食、衝撃腐食及び応力腐食が発生しやすくなる。本発明は、ハーフバタフライ型フィンを用い、かつ、ハーフバタフライ型フィンの隅角、厚さ方向、及び熱交換管とフィンとの完全溶接の接触位置に亘って大きな曲率構造を設計し、各組のハーフバタフライ型フィンの間に間隔Ｈを設けることにより、フィンの曲がり角などの位置の滑らかな移行が実現される。最後に、特殊な複合防食被覆層構造を用いることにより、含塵煙道ガスの廃熱回収過程における煙道ガスの被覆層へのエロージョン腐食、応力腐食が効果的に低減し、含塵煙道ガスの酸腐食が抑制され、自動除塵が実現され、究極的に熱交換器の熱交換構造が腐食されずに熱交換器の耐用年数を顕著に延長することが確保される。
【符号の説明】
【００２０】
１  熱交換管
２  ハーフバタフライ型フィン
３  弧形角
３ａ  内側弧形角
３ｂ  外側弧形角
４  第２の面取り
７  第１の面取り
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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