(57)【要約】【課題】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、熱交換装置を提供する。【解決手段】内部空間３を熱源ガスＧが流通するガスダクト２と、内部空間３内に配置され、熱源ガスＧの流れ方向Ｙ及び流れ方向Ｙと直交する幅方向Ｘにそれぞれ複数配列された伝熱管４０を有する伝熱管群４とを備えた熱交換装置１において、ガスダクト２は、幅方向Ｘの寸法が、流れ方向Ｙに対して変化する幅寸法変化部２０を備え、幅寸法変化部２０は、少なくとも一部が、伝熱管群４の幅方向Ｘで外側に配置される。【選択図】図１
2017194223.tif 000002
【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、前記内部空間内に配置され、前記熱源ガスの流れ方向及び前記流れ方向と直交する幅方向にそれぞれ複数配列された伝熱管を有する伝熱管群とを備えた熱交換装置において、
前記ガスダクトは、前記幅方向の寸法を、前記流れ方向に対して変化させた幅寸法変化部を備え、
前記幅寸法変化部は、少なくとも一部が、前記伝熱管群の前記幅方向外側に配置された
ことを特徴とする、熱交換装置。
【請求項２】
前記幅寸法変化部は、前記流れ方向上流側から３段目に配置された前記伝熱管の上流端以降に位置する
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】
前記幅寸法変化部は、前記流れ方向下流側になるにしたがって前記幅方向の寸法が拡大する拡大部を備える
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】
前記幅寸法変化部は、前記拡大部の前記流れ方向下流側に、前記流れ方向下流側になるにしたがって前記幅方向の寸法が縮小する縮小部を備える
ことを特徴とする、請求項３に記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記伝熱管群の前記幅方向で外側には、前記流れ方向に沿って延在する多孔プレートが備えられた
ことを特徴とする、請求項３又は４に記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記幅寸法変化部は、前記流れ方向下流側になるにしたがって前記幅方向の寸法が縮小する縮小部を備える
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７】
前記幅寸法変化部は、前記縮小部の前記流れ方向下流側に、前記流れ方向下流側になるにしたがって前記幅方向の寸法が拡大する拡大部を備える
ことを特徴とする、請求項６に記載の熱交換装置。
【請求項８】
前記幅寸法変化部は、前記伝熱管群の前記幅方向で両側において前記幅方向の寸法が変化する
ことを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の熱交換装置。
【請求項９】
前記幅寸法変化部が、前記伝熱管群の前記幅方向で一方側でだけ前記幅方向の寸法が変化する
ことを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部空間を熱源ガスが流通するガスダクトと、前記内部空間に配置され熱源ガスの流れ方向及びダクト幅方向にそれぞれ複数配列された伝熱管を有する伝熱管群とを備えた熱交換装置に関する。
【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。
缶鳴りの発生を防止する主な技術として、（１）ダクト幅方向の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技術（以下「公知技術１」と呼ぶ）、（２）ダクト幅方向に定在波を発生させないようにする技術（以下「公知技術２」と呼ぶ）がある。
簡便さから一般的に公知技術１が採用される。公知技術１は、具体的には、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て、定在波の周波数を高めに変調して、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ものである。
【０００４】
公知技術２として、例えば特許文献１及び特許文献２に開示された技術がある。以下、特許文献１及び特許文献２にそれぞれ開示された技術について説明するが、参考に、特許文献１及び特許文献２で使用されている符号を括弧付きで表記する。
特許文献１に開示された技術では、熱交換器本体（１）の内壁部分に吸音材（９）を取り付けて定在波（８）が形成されにくくしている（第３頁第１４−１９行、第１図など参照）。
特許文献２に開示された技術では、ダクトの壁面に孔（３）を設けて共鳴空洞部（４）とし、この共鳴空洞部（４）を多数設けることで、熱交換器の振動・騒音を防止するようにしている（実用新案登録請求の範囲、第１図ａ，第１図ｂなど参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実願昭６３−１２３４９２号（実開平０２−０４５３６３号）のマイクロフィルム
【特許文献２】実公平０２−０２９４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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公知技術１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り、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。
【０００７】
また、公知技術２を例示する特許文献１，２に開示された技術は、現実的には使用するのが困難である。つまり、特許文献１に開示された技術では、熱交換器本体（１）の内部が、高温の作動流体（４）が高速で流れる厳しい雰囲気下にあるため、吸音材（９）が早期に劣化してしまい、特許文献２に開示された技術では、ダクトの内外での温度差が大きいため、ダクトの壁面に形成される共鳴空洞部（４）に、熱伸び差による変形や割れが生じてしまい、現実的には使用するのが困難である。
【０００８】
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】
【０００９】
（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、前記内部空間内に配置され、前記熱源ガスの流れ方向及び前記流れ方向と直交する幅方向にそれぞれ複数配列された伝熱管を有する伝熱管群とを備えた熱交換装置において、前記ガスダクトは、前記幅方向の寸法を、前記流れ方向に対して変化させた幅寸法変化部を備え、前記幅寸法変化部は、少なくとも一部が、前記伝熱管群の前記幅方向外側に配置されたことを特徴としている。
【００１０】
（２）前記幅寸法変化部は、前記流れ方向上流側から３段目に配置された前記伝熱管の上流端以降に位置することが好ましい。
【００１１】
（３）前記幅寸法変化部は、前記流れ方向下流側になるにしたがって前記幅方向の寸法が拡大する拡大部を備えることが好ましい。
【００１２】
（４）前記幅寸法変化部は、前記拡大部の前記流れ方向下流側に、前記流れ方向下流側になるにしたがって前記幅方向の寸法が縮小する縮小部を備えることが好ましい。
【００１３】
（５）前記伝熱管群の前記幅方向で外側には、前記流れ方向に沿って延在する多孔プレートが備えられることが好ましい。
【００１４】
（６）前記幅寸法変化部は、前記流れ方向下流側になるにしたがって前記幅方向の寸法が縮小する縮小部を備えることが好ましい。
【００１５】
（７）前記幅寸法変化部は、前記縮小部の前記流れ方向下流側に、前記流れ方向下流側になるにしたがって前記幅方向の寸法が拡大する拡大部を備えることが好ましい。
【００１６】
（８）前記幅寸法変化部は、前記伝熱管群の前記幅方向で両側において前記幅方向の寸法が変化することが好ましい。
【００１７】
（９）前記幅寸法変化部が、前記伝熱管群の前記幅方向で一方側でだけ前記幅方向の寸法が変化することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
ダクト幅が一定であると定在波の周波数も一定となるため下流側になるにしたがって定在波が強められていくのに対して、ダクト幅変化部を設けて、流れ方向に対してダクト幅を変化させることで、定在波の周波数も流れ方向に対して変化し、定在波の周波数成分の強度を分散させて小さくすることができ、ダクト幅方向の定在波の発生を実質的に抑制することができる。
本発明によれば、このようにダクト幅変化部を設けるだけの簡素な構成により釜鳴りの発生を防止できるので、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】
【００１９】
【図１】本発明の第１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】本発明の第１実施形態の変形例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３】横軸を周波数［Ｈｚ］とし、縦軸を音圧レベル［ｄＢ］としたグラフに、ダクト幅を一定としたケースにおいて、音圧レベルの計測結果をプロットしたグラフであり、一点鎖線は１段目の伝熱管における音圧レベル、破線は３段目の伝熱管における音圧レベル、実線は４段目の伝熱管における音圧レベルを示す。
【図４】本発明の第２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５】本発明の変形例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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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し、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。
燃焼排ガスＧの流れ方向に沿った方向を前後方向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とし、幅方向Ｘにおけるダクト２の中心線Ｌ０から離れる方向を外方又は外側として説明する。
また、排ガスＧの流れ方向を基準に左右を定める。
【００２２】
［１．第１実施形態］
［１−１．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。
熱交換装置１は、図１に示すように、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に配置された伝熱管群４とを備えて構成される。
ガスダクト２には、その上流側（入口側）に排ガス供給ダクト１００が接続され、その下流側（出口側）に排ガス排出ダクト１０１が接続されており、排ガスＧが、ガスダクト２の内部空間３を、白抜きの矢印で示す方向に流通する。
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。
【００２３】
以下、前後方向Ｙから視たときに軸心線ＣＬが一致する伝熱管４０の並びを「列」と呼び、横方向Ｘから視たときに軸心線ＣＬが一致する並びを「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、１９列×５段で配列している。以下の説明では、右から１列目，２列目…１９列目とし、前から（上流から）１段目，２段目…５段目とする。
【００２４】
ガスダクト２は、流れ方向Ｙに対して幅方向Ｘの寸法（以下「ダクト幅」という）が変化するダクト幅変化部２０を備えて構成される。ダクト幅変化部２０は、少なくともその一部が、伝熱管群４が配置された流れ方向Ｙの位置において、伝熱管群４の幅方向Ｘで外側に配置される。
本実施形態では、ダクト幅変化部２０は、ダクト幅が下流側になるにしたがって漸増する拡大部２０Ａと、この拡大部２０Ａの下流側に連設されダクト幅が下流側になるにしたがって漸減する縮小部２０Ｂとを、伝熱管群４よりも外側において、幅方向Ｘで両側にそれぞれ備える。つまり、本実施形態では、ダクト幅変化部２０は、伝熱管群４の幅方向Ｘで両側においてダクト幅が増減（変化）する。
【００２５】
各拡大部２０Ａは、下流側に向かって外方に傾斜したダクト側壁部２１によりそれぞれ規定される。このダクト側壁部２１は、１段目の伝熱管４０の軸心線ＣＬから最後段である５段目の伝熱管４０の軸心線ＣＬに亘って設けられており、各拡大部２０Ａは、伝熱管群４の略全長に亘って設けられている。
【００２６】
各縮小部２０Ｂは、最後段である５段目の伝熱管４０の軸心線ＣＬから下流側に向かって内方に傾斜したダクト側壁部２２によりそれぞれ規定される。
【００２７】
排ガス供給ダクト１００と、排ガス排出ダクト１０１との幅寸法は同一又は略同一とされており、拡大部２０Ａにより拡大された排ガスＧの流路幅が、縮小部２０Ｂにより元の（拡大部２０Ａよりも上流側の）流路幅に戻されている。
【００２８】
［１−２．作用・効果］
本発明の第１実施形態によれば、伝熱管群４を収容するダクト２が、ダクト幅変化部２０を備えて構成されているので、ダクト幅方向Ｘの定在波の発生を実質的に抑制することができる。
つまり、ダクト幅が一定で定在波の周波数が一定であると下流側になるにしたがって定在波が強められていくのに対して、ダクト幅変化部２０では、流れ方向Ｙに対して、ダクト幅が変化するので、定在波の周波数も流れ方向に対して変化し、定在波の周波数成分の強度を分散させて小さくすることができ、ダクト幅方向の定在波の発生を実質的に抑制することができる。
【００２９】
これにより、防振バッフルを使用せずに、ダクト２にダクト幅変化部２０を設けるだけの簡素な構成により自励音（釜鳴り）の発生を防止できる。また、特許文献１や特許文献２に開示された技術のように、吸音材や共鳴空洞部の設備をダクト内部空間３に設けていないので、これらの設備の劣化の懸念がなく、容易に実用化できる。
したがって、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。
【００３０】
また、拡大部２０Ａにより拡大された排ガスＧの流路幅が、縮小部２０Ｂにより元の流路幅に戻されるので、設備の大型化及びそれに伴う製作コストの増大を抑制できる。
【００３１】
［１−３．変形例］
変形例の構成について図２を参照して説明する。
図２は本変形例の熱交換装置１Ａの構成を示す模式的な平面視による断面図である。なお、上記第１実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
上記実施形態では、ダクト幅変化部２０を１段目の伝熱管４０の軸心線ＣＬから形成したが、ダクト幅変化部２０は、３段目の伝熱管４０の上流端４０ｕの下流側（上流端４０ｕの位置も含む）に配置すればよく、例えば、図２に示す本変形例の熱交換装置１Ａのように、３段目の伝熱管４０の上流端４０ｕの位置を始端（上流端）としてダクト幅変化部２０を配置してもよい。
【００３２】
この理由について、図３を参照して説明する。
図３は横軸を周波数［Ｈｚ］とし、縦軸を音圧レベル［ｄＢ］としたグラフに、ダクト幅を一定としたケースにおける音圧レベルの計測結果をプロットしたグラフであり、一点鎖線は１段目の伝熱管４０における音圧レベル、破線は３段目の伝熱管４０における音圧レベル、実線は４段目の伝熱管４０における音圧レベルを示す。この図３からも明らかなように、４段目の伝熱管４０において高い音圧レベルの異音（すなわち釜鳴り）が発生している。したがって、少なくとも３段目の伝熱管４０よりも上流側では異音が発生していないことから、３段目の伝熱管４０の上流端４０ｕからダクト幅が変化するようにダクト幅変化部２０を配置すれば、ダクト幅変化部２０の釜鳴りの抑制効果が有効になると考えられる。
その他の構成は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００３３】
［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
本実施形態の熱交換装置１Ｂについて図４を参照して説明する。
図４は、本実施形態の熱交換装置１Ｂの構成を示す模式的な平面視による断面図である。なお、上記第１実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態の熱交換装置１Ｂは、伝熱管群４の両外側、すなわち拡大部２０Ａ及び縮小部２０Ｂと伝熱管群４との各相互間に、小口径の貫通孔５ａが偏りなく配置された多孔プレート５が備えられている。多孔プレート５は、各拡大部２０Ａの上流端、換言すれば各ダクト側壁部２１の付け根（上流端）２１ａから下流側に延設されて各ダクト側壁部２２の付け根（下流端）２２ａに亘って設けられている。
その他の構成は、適用可能な変形例の構成も含め第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００３４】
［２−２．作用・効果］
本発明の第２実施形態の熱交換装置１Ｂによれば、多孔プレート５を設けることにより、排ガスＧが、図４に矢印Ｇ１で示すように、伝熱管群４から反れて流れることを抑制できる（熱交換に寄与しない排ガスＧの流れを抑制できる）。加えて、多孔プレート５は、多孔体であるため定在波は多孔プレート５を通過するので、多孔プレート５自体が定在波を発生させることがなく、ダクト幅変化部２０の機能を損ねることがない。
したがって、第１実施形態の熱交換装置１と同様の効果が得られる他、第１実施形態の熱交換装置１に較べて熱交換性能を向上できる利点がある。
【００３５】
なお、多孔プレート５の開口率が高すぎると、多孔プレート５により排ガスＧの流れを規制する効果が損なわれ、多孔プレート５の開口率が低すぎると、多孔プレート５自体が定在波を発生させてダクト幅変化部２０を設ける意義が損なわれてしまう。好適な多孔プレート５の開口率としては例えば３０％であるが、３０％以外の開口率の使用を排除するものではない。
【００３６】
［３．変形例］
（１）変形例の構成について図５を参照して説明する。
図５は本変形例の熱交換装置１Ｃの構成を示す模式的な平面視による断面図である。なお、上記各実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
上記各実施形態では、ダクト幅変化部２０を、伝熱管群４の両外側でダクト幅が変化するように構成したが、図５に示す熱交換装置１Ｃのように、片側（ここでは左側）のダクト側壁部２３を流れ方向に沿った平坦な形状としてもよい。すなわち、ダクト幅変化部２０′を、ダクト幅方向Ｘにおいて伝熱管群４の一方の外側（ここでは右側）でだけダクト幅が変化する構成としてもよい。
【００３７】
また、上記各実施形態では、ダクト幅変化部として上流側に拡大部２０Ａが形成され下流側に縮小部２０Ｂが形成されたダクト幅変化部２０を採用したが、図５に二点鎖線で示すように、上流側に縮小部２０Ｂを、下流側に拡大部２０Ａを設けてダクト幅変化部を構成してもよい。この場合も、ダクト幅変化部を、伝熱管群４の片側（一方の外側）でだけダクト幅が変化するように構成してもよいし、伝熱管群４の両外側でダクト幅が変化するように構成してもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００３８】
（２）上記実施形態では、熱交換装置を、伝熱管４０を１９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の配列を格子配列にして熱交換装置を構成してもよい。
【００３９】
（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】
【００４０】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  熱交換装置
２  ガスダクト
２０，２０′  ダクト幅変化部
２０Ａ  拡大部
２０Ｂ  縮小部
２１，２２，２３  ダクト側壁部
３  ガスダクト２の内部空間
４  伝熱管群
４０  伝熱管
５  多孔プレート
５ａ  貫通孔
Ｇ  排ガス（熱源ガス）
Ｘ  ダクト前後方向
Ｙ  ダクト幅方向
【図１】
2017194223.tif 000003
【図２】
2017194223.tif 000004
【図３】
2017194223.tif 000005
【図４】
2017194223.tif 000006
【図５】
2017194223.tif 000007