JPH09273890A - 管寄せと伝熱管との接合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型かつ軽量にして熱交換効率に優れ、耐久
性及び信頼性にも優れた管寄せと伝熱管との接合構造を
提供する。 【解決手段】 管寄せ１の周面の長さ方向に、Ｖ字形の
曲げ加工部３を有する複数本の伝熱管２を一定ピッチｐ
で接合する。接合部４の接合手段としては、溶接が用い
られる。曲げ加工部３の曲げ角度θは、９０度以下に調
整される。また、管寄せ１の長さ方向の中心Ｘ−Ｘから
左側に接合される伝熱管２は、曲げ加工部３が管寄せ１
の軸線方向（長さ方向）Ｏ−Ｏに沿って左方に突出する
ように配列され、管寄せ１の長さ方向の中心Ｘ−Ｘから
右側に接合される伝熱管２は、曲げ加工部３が管寄せ１
の軸線方向（長さ方向）Ｏ−Ｏに沿って右方に突出する
ように配列される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火力発電プラント
などに適用される熱交換器の管寄せと伝熱管との接合構
造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８に示すように、従来より火力発電プ
ラントなどに適用される熱交換器としては、管寄せ１に
多数の伝熱管２を接合してなる数組ないし十数組の伝熱
管群１０を燃焼ガスの流れ方向Ａに沿ってケーシング６
内に並列したものが用いられている。伝熱管２内には水
あるいは蒸気等の流体が流れており、ケーシング６内に
導入された高温の燃焼ガスとの間で熱交換が行われる。
このようにして熱交換された流体は管寄せ１によって集
められ、図示しない次段の熱交換器あるいはタービンに
送られ、タービンで発電に供される。なお、高温の燃焼
ガスは、図示しないバーナにて石炭やガス等を燃焼する
ことによって得られる。

【０００３】かかる構成の熱交換器においては、伝熱管
２の上端部及び下端部が管寄せ１に固定されているた
め、プラントの起動時及び停止時に発生する伝熱管２の
熱膨張及び熱収縮、それに管寄せ１及び伝熱管２の内圧
の変化によって当該伝熱管２と管寄せ１の接合部４に応
力が作用する。この場合、図９に示すように伝熱管２に
曲げ加工部を形成せず、直管状の伝熱管２を管寄せ１に
溶接等によって接合すると、応力を分散させることがで
きず、応力が伝熱管２と管寄せ１の接合部４に集中す
る。

【０００４】そこで、従来より図１０及び図１１に示す
ように、伝熱管２と管寄せ１の接合部４に応力が集中す
るのを防止すべく、伝熱管２の一部に曲げ加工部３ａ，
３ｂを形成し、当該曲げ加工部３ａ，３ｂにて伝熱管２
の変形を吸収して、接合部４への応力の集中を防止又は
緩和する方法が一般的に採られている。従来より、当該
曲げ加工部の形状としては、符号３ａで示されるコの字
形のものが多く用いられており、かかる伝熱管２の接合
構造としては、曲げ加工部３ａ，３ｂを管寄せ１の軸線
方向（長さ方法）Ｏ−Ｏに対して垂直に向け、管寄せ１
の軸線Ｏの左側及び右側に伝熱管２を相対称に取り付け
るといった接合構造が一般的に採られている。なお、伝
熱管２の取付本数が多く、伝熱管２の取付間隔が過小に
なる場合には、全ての伝熱管２の曲げ加工部をコの字形
にすると、伝熱管２の接合作業、例えば溶接作業が行い
にくくなるので、かかる不都合を回避するため、図１０
及び図１１に示すように、円弧形若しくはＶ字形の曲げ
加工部３ｂを有する伝熱管２をコの字形の曲げ加工部３
ａを有する伝熱管２の間の異なる接合位置に配設すると
いう接合構造が採られることもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記したように曲げ加
工部３ａ，３ｂを管寄せ１の軸線方向Ｏ−Ｏに対して垂
直に向けると、図１０及び図１１から明らかなように管
寄せ１の周面より伝熱管２の曲げ加工部３ａ，３ｂが外
向きに張り出すため、１つの伝熱管群１０が厚型化し、
管寄せ１の設定間隔が大きくなる。管寄せ１の設定間隔
が大きくなると、ケーシング６内を流通する燃焼ガスの
流れに乱流が生じやすくなるので、燃焼ガスの圧力低下
が大きくなってガス流速が低下すると共に放熱による燃
焼ガスの温度低下が大きくなり、熱交換器の効率が低下
する。また、管寄せ１の設定間隔が大きくなると、ケー
シング６のサイズが大型化するので、熱交換器が重量化
したり、熱交換器の設置に大きなスペースが必要になる
といった問題もある。

【０００６】さらに、１つの管寄せ１に曲げ加工部の形
状や長さが異なる各種の伝熱管２を接合すると、部品点
数が多くなりかつ伝熱管２の接合工程が複雑化するため
に熱交換器の製造コストが高くなるばかりか、各伝熱管
２に作用する応力がアンバランスになるため、総合的な
熱交換器の耐久性及び信頼性が低下するという問題も発
生する。

【０００７】本発明は、かかる従来技術の不都合を解決
するためになされたものであって、その課題とするとこ
ろは、小型かつ軽量にして熱交換効率に優れ、耐久性及
び信頼性にも優れた管寄せと伝熱管との接合構造を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
達成するため、曲げ加工部を有する複数本の伝熱管と管
寄せとの接合構造において、前記伝熱管の曲げ加工部を
含む面を前記管寄せの軸線方向に揃え、当該伝熱管の先
端部を前記管寄せに接合するという構成にした。前記管
寄せと伝熱管との接合手段としては、溶接を用いること
ができる。なお、管状物に複数回の曲げ加工を施す場
合、加工面を平面にすることは事実上困難である。ま
た、管状物の溶接作業においては、金属の膨張収縮等に
よって溶接方向を厳密に規制することも事実上困難であ
る。したがって、本明細書における「伝熱管の曲げ加工
部を含む面を管寄せの軸線方向に揃え」とは、「伝熱管
の曲げ加工部を含む面を管寄せの軸線方向におよそ揃
え」の意味であって、±１０度程度の誤差は許容される
ものである。

【０００９】このように、伝熱管の曲げ方向を管寄せの
軸線方向に揃えると、伝熱管の曲げ加工部が管寄せの周
面より外向きに張り出さないので、各伝熱管群を薄型に
形成することができ、管寄せの周面より外向きに張り出
した曲げ加工部が互いに干渉するということがないの
で、管寄せの設定間隔を小さくできる。よって、ケーシ
ング内を流通する燃焼ガスの乱流を防止又は低減するこ
とができ、熱交換器の効率を高めることができる。ま
た、管寄せの設定間隔が小さいことから、ケーシングを
小型化・軽量化することができる。さらに、伝熱管の曲
げ方向を管寄せの軸線方向に揃えると、１つの管寄せに
多数の伝熱管を接合する場合にも同一形状の曲げ加工部
を有する同一長さの伝熱管のみを用いることができるの
で、熱交換器の製造コストを低減できると共に、各伝熱
管に作用する応力を均等化することができ、総合的な熱
交換器の耐久性及び信頼性も改善される。

【００１０】なお、伝熱管の曲げ加工部は、円弧形、コ
の字形、Ｖ字形、くの字形等任意の形状にすることがで
きるが、伝熱管の設定間隔を最も小さくできることか
ら、Ｖ字形若しくはくの字形にすることが最も好まし
い。この場合、その曲げ角度が小さいほど接合部に作用
する応力を小さくすることができ、９０度以下の角度で
は顕著な応力の低下が見込めないことから、Ｖ字形若し
くはくの字形の曲げ加工部の曲げ角度は、９０度以下に
することが好ましい。

【００１１】また、管寄せの軸線方向（長さ方向）に接
合される複数本の伝熱管は、管寄せの変形を防止し、か
つ管寄せ及び伝熱管の接合部に作用する応力を軽減する
ため、管寄せの軸線方向の中心を境として、その右側に
接合される伝熱管の曲げ方向とその左側に接合される伝
熱管の曲げ方向とを、互いに逆向きにすることが好まし
い。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る管寄せと伝熱
管との接合構造を、図１〜図５に基づいて説明する。図
１は第１実施形態例に係る伝熱管群の要部側面図、図２
は第２実施形態例に係る伝熱管群の要部側面図、図３は
図２のＡ−Ａ断面図、図４は第３実施形態例に係る伝熱
管群の要部側面図、図５は図４のＢ−Ｂ断面図である。

【００１３】図１に示すように、第１実施形態例に係る
伝熱管群１０は、管寄せ１の周面の長さ方向に、Ｖ字形
の曲げ加工部３を有する複数本（図の例では６本）の伝
熱管２を一定ピッチｐで接合したことを特徴とする。接
合部４の接合手段としては、溶接が用いられる。曲げ加
工部３の曲げ角度θは、９０度以下に調整される。ま
た、管寄せ１の長さ方向の中心Ｘ−Ｘから左側に接合さ
れる伝熱管２は、曲げ加工部３が管寄せ１の軸線方向
（長さ方向）Ｏ−Ｏに沿って左方に突出するように配列
され、管寄せ１の長さ方向の中心Ｘ−Ｘから右側に接合
される伝熱管２は、曲げ加工部３が管寄せ１の軸線方向
（長さ方向）Ｏ−Ｏに沿って右方に突出するように配列
される。したがって、本例の伝熱管群１０は、管寄せ１
の端面方向から見たとき、伝熱管２が管寄せ１の直径方
向に一直線状に延びているように見える。

【００１４】本例の管寄せ１と伝熱管２の接合構造によ
ると、伝熱管２の曲げ方向を管寄せ１の軸線方向Ｏ−Ｏ
に揃えたので、伝熱管の曲げ加工部３が管寄せ１より外
向きに張り出さず、伝熱管群１０を薄型に形成すること
ができる。よって、相隣接して配列される２つの伝熱管
群１０の設定間隔を小さくすることができ、ケーシング
内を流通する燃焼ガスの乱流を防止又は低減することが
できるので、熱交換器の効率を高めることができる。ま
た、管寄せ１の設定間隔を小さくできることから、ケー
シングを小型化・軽量化することができる。また、伝熱
管２の曲げ方向を管寄せ１の軸線方向に揃えると、１つ
の管寄せ１に多数の伝熱管２を接合する場合にも同一形
状の曲げ加工部３を有する同一長さの伝熱管２のみを用
いることができるので、熱交換器の製造コストを低減で
きると共に、各伝熱管３に作用する応力を均等化するこ
とがでる。また、曲げ加工部３が外向きに張り出さない
ので、１つの管寄せ１に多数の伝熱管２を接合する場合
にも各伝熱管２の溶接作業を容易に行うことができる。
さらに、伝熱管２の曲げ加工部３をＶ字形に形成したの
で、伝熱管２の設定間隔を小さくすることができ、当該
曲げ加工部３の曲げ角度を９０度以下にしたので、接合
部４に作用する応力を非常に小さいものにすることがで
きる。加えて、管寄せ１の軸線方向Ｏ−Ｏの中心を境と
して、その右側に接合される伝熱管２の曲げ方向とその
左側に接合される伝熱管２の曲げ方向とを互いに逆向き
にしたので、伝熱管２の熱膨張や内圧の変化等に伴う応
力をキャンセルすることができ、管寄せ１の変形を防止
することができる。

【００１５】図２及び図３に示すように、第２実施形態
例に係る伝熱管群１０は、管寄せ１の長さ方向に、Ｖ字
形の曲げ加工部３を有する複数本（図の例では６本ず
つ）の伝熱管２を３列に接合したことを特徴とする。各
列の伝熱管２は、図３に示すように、管寄せ１の直径Ｄ
よりも伝熱管２の配列幅Ｗの方が狭くなるように配列さ
れる。但し、本発明の要旨はこれに限定されるものでは
なく、管寄せ１の直径Ｄよりも伝熱管２の配列幅Ｗの方
が広くなるように配列することも可能である。その他、
伝熱管２の形状、曲げ加工部３の配列、接合部４の接合
手段については、第１実施形態例に係る伝熱管群と同じ
であるので説明を省略する。

【００１６】本例の管寄せ１と伝熱管２の接合構造は、
前記第１実施形態例に係る接合構造と同様の効果を有す
るほか、１本の管寄せ１に伝熱管２を３列にわたって接
合したので、熱交換効率が高いという効果がある。

【００１７】図４及び図５に示すように、第３実施形態
例に係る伝熱管群１０は、管寄せ１の所定の部所にスタ
ブ管６を溶接し、当該スタブ管５の端面に伝熱管２を溶
接したことを特徴とする。その他の部分については、第
２実施形態例に係る伝熱管群と同じであるので説明を省
略する。

【００１８】本例の管寄せ１と伝熱管２の接合構造は、
前記第２実施形態例に係る接合構造と同様の効果を有す
るほか、スタブ管５を介して管寄せ１と伝熱管２とを接
合したので、複雑な形状の伝熱管２の曲げ加工を単純な
形状の曲げ加工に分割して行えるので、伝熱管２の曲げ
加工を容易化できるという効果がある。

【００１９】

【実施例】図１、図９、図１１の各接合構造について、
プラントの起動時及び停止時に生じる温度差及び内圧を
考慮して、管寄せ１と伝熱管２との接合部４に作用する
応力を解析した。但し、管寄せ１及び伝熱管２の材料定
数としては、９Ｃｒ鋼の値を用いた。解析条件は以下の
通りである。

【００２０】管寄せ１の寸法；直径２５０．０ｍｍ、肉
厚２５．０ｍｍ 伝熱管２の寸法；直径３０．０ｍｍ、肉厚３．０ｍｍ 伝熱管２の配設ピッチ；８０ｍｍ 伝熱管曲げ加工部３の曲げ半径；６５ｍｍ 伝熱管曲げ加工部３の角度θ；３０°、６０°、９０
°、１２０°、１５０° 伝熱管２の端面の温度差ΔＴ；３０℃、４０℃、５０℃ 伝熱管２の端面の温度；５８０℃、（５８０−ΔＴ）℃ 管寄せ１の温度；５００℃ 内圧；１２．５ＭＰａ 解析は以上のような条件で行い、管寄せ１及び伝熱管２
に内圧を負荷し、加えて伝熱管２の端面に温度差を与え
たときの管寄せ１と伝熱管２との接合部４に作用する応
力を求めた。

【００２１】図６に、伝熱管２の端面の温度差ΔＴに伴
って接合部４に発生する応力の解析結果を示す。この図
から明らかなように、曲げ加工部のない伝熱管の接合部
に発生する応力は、曲げ加工部３を有する伝熱管の接合
部に発生する応力よりも高い。また、温度差ΔＴが大き
くなった場合の発生応力の増加率も、曲げ加工部のない
伝熱管の接合部に方が大きい。このように、伝熱管２に
曲げ加工部３を設けることによって、管寄せ１と伝熱管
２との接合部４に発生する応力を緩和できることが分か
る。また、同じく図６から明らかなように、図１の接合
構造と図１１の接合構造の間では、前記接合部４に発生
する応力にほとんど変化がなく、曲げ加工部３の曲げ形
状や向きを変更しても、接合部４に発生する応力は影響
を受けないことが分かる。

【００２２】次いで、図７に、伝熱管２の端面の温度差
ΔＴを一定とし、伝熱管曲げ加工部３の曲げ角度θを種
々変更したときの管寄せ１と伝熱管２との接合部４に発
生する応力の解析結果を示す。この図から明らかなよう
に、接合部４に発生する応力は、曲げ角度θが小さくな
るほど減少する。しかし、曲げ角度θが９０度以下の範
囲においては、曲げ角度θを小さくしても、接合部４に
発生する応力に大きな変化は生じない。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
伝熱管の曲げ加工部を含む面を管寄せの軸線方向に揃え
たので、伝熱管の曲げ加工部が管寄せより外向きに張り
出さず、伝熱管群を薄型に形成することができる。よっ
て、相隣接して配列される２つの伝熱管群の設定間隔を
小さくすることができるので、ケーシング内を流通する
燃焼ガスの乱流を防止又は低減することができ、熱交換
器の効率を高めることができる。また、管寄せの設定間
隔を小さくできることから、ケーシングを小型化・軽量
化することができる。さらに、伝熱管の曲げ方向を管寄
せの軸線方向に揃えたことから、１つの管寄せに多数の
伝熱管を接合する場合にも同一形状の曲げ加工部を有す
る同一長さの伝熱管のみを用いることができ、熱交換器
の製造コストを低減できると共に、各伝熱管に作用する
応力を均等化することがでる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態例に係る伝熱管群の要部側面図で
ある。

【図２】第２実施形態例に係る伝熱管群の要部側面図で
ある。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。

【図４】第３実施形態例に係る伝熱管群の要部側面図で
ある。

【図５】図４のＢ−Ｂ断面図である。

【図６】伝熱管の端面の温度差ΔＴと接合部に発生する
応力との関係を示すグラフ図である。

【図７】伝熱管曲げ加工部の曲げ角度と接合部に発生す
る応力との関係を示すグラフ図である。

【図８】熱交換器の構成図である。

【図９】曲げ加工部を有しない伝熱管群の要部正面図で
ある。

【図１０】従来例に係る曲げ加工部を有する伝熱管群の
要部斜視図である。

【図１１】従来例に係る曲げ加工部を有する伝熱管群の
要部断面図である。

【符号の説明】 １ 管寄せ ２ 伝熱管 ３ 曲げ加工部 ４ 接合部（溶接部）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 曲げ加工部を有する複数本の伝熱管と管
   寄せとの接合構造において、前記伝熱管の曲げ加工部を
   含む面を前記管寄せの軸線方向に揃え、当該伝熱管の先
   端部を前記管寄せに接合したことを特徴とする管寄せと
   伝熱管との接合構造。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の管寄せと伝熱管との接
   合構造において、前記管寄せと伝熱管とを溶接にて接合
   したことを特徴とする管寄せと伝熱管との接合構造。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の管寄せと伝熱管との接
   合構造において、前記伝熱管として、Ｖ字形の曲げ加工
   部を有する伝熱管を用いたことを特徴とする管寄せと伝
   熱管との接合構造。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の管寄せと伝熱管との接
   合構造において、前記Ｖ字形の曲げ加工部の曲げ角度が
   ９０度以下であることを特徴とする管寄せと伝熱管との
   接合構造。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の管寄せと伝熱管との接
   合構造において、前記管寄せの軸線方向の中心を境とし
   て、その右側に接合される伝熱管の曲げ方向とその左側
   に接合される伝熱管の曲げ方向とを、互いに逆向きにし
   たことを特徴とする管寄せと伝熱管との接合構造。