JPH09507708A - 暖房ボイラのための熱交換器管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱交換器管が円筒状の滑らかな壁状の鋼製の外管（１）から成り、この外管内にアルミニウム製の成形挿入体（２）が挿入されている。成形挿入体は２つの半割シェル（３，４）から形成されており、これらの半割シェルはその長手縁において溝状の凹所（７）とリブ状の突出部（８）とにより互いに内外に係合している。両方の半割シェル（３，４）はその内側に長手方向に延びる複数のひれ（５）を備えており、これらのひれは、ひれを備えた各半割シェルが片側へ開いたプロフィールを形成するように、向けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 暖房ボイラのための熱交換器管 本発明は請求項１の上位概念に基づく暖房ボイラ、特にガス燃焼ボイラのため の熱交換器管に関する。 主としてガスの燃焼により運転される暖房ボイラである燃焼ボイラでは、凝縮 熱をも有効利用するために、排ガス中水分が凝縮するまで燃焼ガスが冷却される 。このことのための前提は、暖房ボイラを通過する燃焼ガス流路の終端部ではボ イラ水温度が燃焼ガスの露点温度に比して低くなるように暖房ボイラを運転する ことにある。暖房ボイラの水冷式熱交換器管を通過する燃焼ガスの可能な限り短 い流路で、現在のガスバーナではほぼ８５０℃である高い流入温度から、露点温 度と暖房ボイラの熱水戻り路における例えば３０℃の低いボイラ水温度との間の 温度まで燃焼ガスを冷却することが試みられている。このことのために、排ガス 凝縮水に対して耐酸腐食性の鋼から成る円筒状の滑らかな壁面を備えた外管と、 この外管内に挿入された断面星形のアルミニウム製成形挿入体とから成る熱交換 器管が公知である。普通使用されている構造の暖房ボイラのためには、熱交換器 管を囲むボイラ水室を一方では燃焼室からかつ他方では暖房ボイラの排ガス捕集 器から仕切るための管底部もしくは管板に外管の端部 を挿入して溶接することができるように、この外管は鋼から形成されていなけれ ばならない。鋼製の外管とアルミニウム製の成形挿入体とから成るこの複合管は 、アルミニウムが鋼に比して大きな膨張係数を有するために成形挿入体が外管と の接触箇所で温度上昇に伴って増大する圧力により外管に熱伝達接触したままと なるので、高いガス流入温度により負荷されてしまう。この種の公知の複合管で は、外管の内部横断面を燃焼ガス通流のために十分にあけておくために成形挿入 体がその放射状のアームの比較的横断面薄肉のコーム面のところでのみ外管に接 触していることにより、星形のアルミニウム製成形挿入体から鋼製の外管への熱 伝達が規定されかつ制限されいてる。さらに、管板内へ鋼製の外管を挿入して溶 接するためには、アルミニウム製の成形挿入体の星形のアームが外管の端部のと ころに発生する溶接熱により破壊されることを回避すべく外管の端部のところで 星形のアルミニウム製成形挿入体の端部が十分に引っ込んでいなければならない 。 本発明の課題とするところは、燃焼ガスからボイラ水への一段と大きな熱伝達 仕事を可能ならしめ、しかも簡単に製作されると共に暖房ボイラ内への組込み時 にさらに加工することがてきるような冒頭に記載した形式の熱交換器管を提供す ることにある。この課題は本発明によれば鋼製の外管とアルミニウム製の成形挿 入体とから成る熱交換器管を請求項１の特徴概念に記載のように構成することに より解決される。 本発明に基づく熱交換器管の管体状の成形挿入体は有利には両方の半割シェル の内側にコーム状に配置されたひれにより燃焼ガスから熱を奪う極めて大きな内 部表面積を備えるように形成されることがてきると共に、特に公知星形成形体に 比して著しく大きな外部表面で鋼製の水冷される外管の内側に接触しており、こ のことにより、燃焼ガスからボイラ水への熱伝達仕事が著しく増大する。実験に より確認されたところによれば、戻し温水が暖房ボイラ内へ流入する際にほぼ３ ０℃の水温を有する燃焼ボイラでは、本発明に基づく熱交換器管はたったの５０ ｃｍの管長を有すれば、ほぼ８５０℃の温度で熱交換器管内へ流入する燃焼ガス を本発明に基づく熱交換器管内で戻り水温度よりわずかにしか高くないほぼ４８ ℃の流出温度まで降下させることができる。この著しい効果は燃焼ボイラに適し た従来公知の熱交換器管では決して得ることができない。熱交換器管が短いこと は別の著しい利点をもたらす。すなわち熱交換器管の鉛直な配置では燃焼ボイラ の全高が比較的低く、かつ熱交換器管の水平な配置では全長が短く形成され、従 ってスペースの節約が得られる。外管との大きな接触面積を有し、かつ内部に大 きな加熱面密度を有する成形挿入体の構成にもかかわらず、この管体状の成形挿 入体は、２つの半割シェル に分割されていることにより、かつひれを備えた各半割シェルが片側へ開いたプ ロフィールを有していることにより、簡単かつ安価に製作可能である。押出成形 による製作では、引抜型内のいわゆる独立コアが不要であり、それゆえ、引抜型 は安価であり、かつ長期間にわたって使用可能である。本発明に基づく熱交換器 管の引き続く加工のために、もしくは暖房ボイラ内への熱交換器管の組付のため に特に有利なのは、成形挿入体の熱伝達のための接触面積及び熱排出能力が極め て大きいために、成形挿入体の端部が管板内に溶接される外管の端部と同一の平 面内に位置している場合でも、管板内への外管の溶接時にアルミニウム製の成形 挿入体の破壊が生じないことにある。それゆえ、この熱交換器管は、外管の端部 に対して引込んで位置している端部を有する成形挿入体を備える必要がなく、む しろ、暖房ボイラ内への組付けのために、完成した長尺のメートル売り商品から 必要なだけ直線的な切断により切り取られることができる。両方の半割シェルの 互いに接触する縁に溝状の凹所とリブ状の突出部とから成る一種のラビリンスシ ールを備えた構成は、アルミニウム製の成形挿入体と鋼製の外管との間へ排ガス 又は凝縮水を侵入せしめて隙間腐食の原因を招く隙間の形成を阻止する。本発明 に基づく熱交換器管の最も簡単な構成で成形挿入体が直接に管体の全周で外管に 接触していれば、外管の内径にほぼ対応する外径を成 形挿入体に与え、かつ管体を労せずに外管内へ挿入することができる程度にこの 外径を外管の内径に比してわずかに小さく形成し、次いで例えば圧延又は引抜き 過程により外管全周の永久圧縮変形により外管を半径方向で圧縮してアルミニウ ム製の成形挿入体へ圧着させることにより、熱交換器管の製作が簡単に行われる 。このことにより、両方の半割シェルの互いに接触する長手縁相互及び管体と外 管とが、隙間を生じないように密に圧縮される。このことは、端面のところでも アルミニウム製成形挿入体の管体と鋼製の外管との間への排ガス又は凝縮水の侵 入を阻止するためには、管板を貫通する熱交換器管の端部の端面のためにも重要 である。 本発明に基づく有利な別の構成は請求項２以下に記載されている。 図面には本発明に基づく熱交換器管の種々の実施例が示されている。ここに、 第１図は直接に鋼製の外管に接触したアルミニウム製の成形挿入体を備えた熱 交換器管の１実施例を示し、 第２図は内部表面積を増大させるための簡単な付加的な手段を備えた、第１図 に基づく実施例を示し、 第３図は中間成形材を介して間接的に外管に接触した成形挿入体を備えた、第 １図に基づく１実施例を示す。 第１図に示す熱交換器管は円筒状の滑らかな壁を備えた耐食性のクロム鋼製の 外管１と、アルミニウム製の成形挿入体２とから成っている。成形挿入体２は外 管長手軸線を含む分割平面内で２つの半割シェル３，４に分割された管体により 形成されている。両方の半割シェル３，４はそれらの半割シェル内側にひれ５を 備えており、これらのひれ５は外管１の長手方向に延びており、かつ各半割シェ ル３，４がそのひれにより片側へ開いたプロフィールを形成するように、管体の 内部横断面内へ突入しており、この結果、ひれを備えたこれらの半割シェルはい わゆる独立コアを使用しないで押出工具もしくは引抜型により簡単かつ安価に製 作されることができる。特に有利には、第１図に示す実施例でのように、ひれ５ はコーム状にかつ分割平面に対して垂直に向いて両方の半割シェル３，４の内側 に配置されており、その場合、両方の半割シェル３，４のひれ５は対を成すよう に互いに向かい合って分割平面まで又は少なくともこの分割平面の近くまで延び ている。特にこのひれ５のコーム状の構成では、半割シェルの押出成形時に外管 １もしくは半割シェル３，４の長手方向に延びる波溝状の表面成形部を備えるこ とができ、この波溝状の成形部は成形挿入体の、燃焼ガスにより負荷されて熱を 受け取る内部表面積を極めて効果的に増大せしめる。半割シェル３，４は、分割 平面内で互いに接触するその長手縁６に溝状の凹所７ とリブ状の突出部８とを備えており、これらの凹所と突出部とは分割平面に対し て垂直方向で互いに内外に差しはめ可能であり、かつこれらの凹所と突出部とに より長手縁６はラビリンスシールのように互いに内外に係合することができる。 半割シェル３，４の長手縁の間の両方の突合せ箇所のシールは、成形挿入体２と 外管１との間に排ガス又は凝縮水を侵入せしめてそこに隙間腐食を招くような隙 間を形成せしめないために、重要である。第１図からわかるように、両方の半割 シェルが一方の長手縁に溝状の凹所を、かつ他方の長手縁にリブ状の突出部を備 えていれば、押出成形により形成された同じ成形ストリップから両方の半割シェ ルを必要長さで分断し、一方の半割シェルを１８０度だけ長手軸線回りに回転さ せて他方の半割シェルに突き合わせることができる。第１図は明確のため熱交換 器管をいまだ最終的に完成していない状態で示す。両方の半割シェル３，４から まとめ合わされた管体は第１図の実施例ではその全外周面にわたり直接に外管１ に接触しており、かつ外管１の内径に比して若干小さな外径を有しており、これ により管体もしくは成形挿入体２を問題なく外管１内に挿入することがてきる。 次いで外管１は、熱伝達のために重要な、外管全内周面と成形挿入体全外周面と の緊密な接触を得るべく、外管１と成形挿入体とを相互に圧縮させるためにロー リング工程又は引抜工程で全周にわたり半径方向に永 久圧縮変形させられる。このことにより、両方の半割シェルの、凹所と突出部と により互いに内外に係合した長手縁が隙間なくかつ排ガス又は凝縮水に対して完 全に密に互いに圧着され、その結果、完成した熱交換器管の横断面を微細切断し ても、半割シェルの長手縁間の継目を認めることができなくなる。外管１と成形 挿入体２との互いに接触する周面における隙間のない圧縮は、暖房ボイラ内に組 み込まれた熱交換器管の端面のところで排ガス又は凝縮水が外管と成形挿入体と の間へ侵入することをも阻止する。成形挿入体と外管との間における熱交換器管 の極めて大きな熱伝達能力は、暖房ボイラの管底部もしくは管板内への熱交換器 管端部の溶接時の逆向きの熱の流れのためにも驚くほど有効である。溶接実験の 示すところによれば、クロム鋼製の外管の端面とアルミニウム製の成形挿入体の 端面とが同一平面内に位置している場合でも、クロム鋼製の外管が流動的な溶接 材料熔融物により暖房ボイラの管板に結合されなければならないにもかかわらず 、驚くべきことにアルミニウムは損傷されず、又は溶出しない。それゆえ、熱交 換器管は暖房ボイラのために必要な長さに、簡単な直線的な切断もしくは鋸断な どにより熱交換器管の完成したメータ売り商品から切断されることができる。 第２図は第１図に類似した別の実施例を示し、この実施例ではコーム状に配置 されたひれ５の先端が、先 端と先端との間にアルミニウム製の板状の平材９を挿入することができるような 相互間隔を保っている。ひれ５の長さは、平材９とひれ５との間に確実に熱伝達 接触を生ぜしめるべく、両方の半割シェル３，４を相互圧縮して管体状の成形挿 入体を形成せしめる際にコーム先端がそのひれ横断面に相応する端面で隙間なく 密に平材９に圧着されるような寸法を有している。さらに、両方の半割シェル３ ，４の互いに接触する長手縁は、平材９の長手縁をつかみ、かつ熱交換器管完成 状態で良好な熱伝達を生じるようにそれらの間に締め込むように形成されている 。両方の半割シェルの間に挿入されたこの平材９により、成形挿入体２の熱伝達 可能な内部表面積は簡単かつ安価に１０％以上さらに著しく増大させることがで きる。 第３図はさらに別の実施例を示し、この実施例では、第１図に示したアルミニ ウム製の成形挿入体２の外面が直接に外管１の内面に接触しておらず、成形挿入 体２は外管１の内径を著しく下回る外径を有している。このことにより外管１と 成形挿入体２との間に形成された環状室内には円筒状のアルミニウム製中間成形 材１０が配置されている。この中間成形材１０は、全外周面で外管１の全内周面 に熱伝達接触した管壁と、管壁の内側に半径方向に配置された多数のリブ１１と から成っており、このリブ１１は成形挿入体２の外面まで達していて成形挿入体 の外面に面状にかつ熱伝達 作用をもって接触している。中間成形材１０は内側の成形挿入体２と同様に、外 管長手軸線を含む分割平面内で、片側へ開いた２つの中間成形材半割部に分割さ れており、要するにこれらの中間成形材半割部もアルミニウムの押出成形で独立 コアを使用しない簡単な引抜型により製作することができる。中間成形材１０は 第１図について説明した成形挿入体２と同様に、両方の中間成形材半割部の、シ ール作用をもって互いに接触もしくは互いに内外に係合する長手縁を備えている 。第１図の実施例に対比して、第３図の実施例では、熱交換器管の、燃焼ガスと 接触して熱伝達を行う内側の全面積が１００％も増大する。このことにより、燃 焼ボイラ内で燃焼ガスを例えば８５０℃の流入温度から燃焼ガスの露点限界より 著しく低い例えば４８℃の流出温度まで冷却するために、熱交換器管の長さをさ らに著しく短縮することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．暖房ボイラ、特にガス燃焼ボイラのための熱交換器管であって、暖房ボイ ラの燃焼排ガスにより貫流されかつ外側から暖房ボイラ水により囲われた円筒状 の滑らかな壁状の鋼製の外管（１）と、この外管（１）内に挿入されていて外管 （１）の内側の表面の増大のためにその長手方向に延びるひれ（５）を備えかつ 外管（１）に熱伝達接触しているアルミニウム製の成形挿入体（２）とから成る 形式のものにおいて、成形挿入体（２）が、外管長手軸線を含む分割平面内で２ つの半割シェル（３，４）に分割された管体から成り、両方の半割シェルが、そ れらの互いに接触する長手縁（６）に溝状の凹所（７）とリブ状の突出部（８） とを備えており、かつこれにより、分割平面に対して垂直方向でシール作用をも って互いに内外に係合しており、かつ、両方の半割シェル（３，４）がそれらの シェル内側に、管体の内部横断面内へ突入していて外管（１）の長手方向に延び る複数のひれ（５）を備えており、かつこれらのひれを備えた各半割シェルが片 側へ開いたプロフィールを形成していることを特徴とする暖房ボイラのための熱 交換器管。 ２．両方の半割シェル（３，４）が内側にコーム状に配置されたひれ（５）を 備えており、これらのひれ（５）が分割平面に対して垂直方向に位置していて対 状に互いに向かい合って分割平面まで延びていることを特徴とする請求項１記載 の熱交換器管。 ３．両方の半割シェルがそれぞれシール溝（７）を一方の長手縁に、かつシー ル溝（７）の形状に適合したシールリブ（８）を他方の長手縁に備えていること を特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器管。 ４．ひれ（５）が、外管（１）もしくは半割シェルの長手方向に延びる波溝状 の表面プロフィールを備えていることを特徴とする請求項１から３までのいずれ か１項記載の熱交換器管。 ５．両方の半割シェル（３，４）からまとめ合わされた成形挿入体（２）がほ ぼ外管（１）の内径に相応する外径を有しており、かつその全外周面で直接に外 管（１）に接触しており、かつ、成形挿入体（２）が、外管全周の半径方向の永 久圧縮変形により外管（１）に圧着されていることを特徴とする請求項１記載の 熱交換器管。 ６．両方の半割シェル（３，４）のコーム状のひれ（５）の先端の間に板状の アルミニウム製平材（９）が挿入されており、かつ、ひれの長さが、両方の半割 シェルをまとめ合わせて成形挿入体（２）を形成せしめる際にコーム先端が熱伝 達作用をもって平材（９）に圧着されるような寸法を有していることを特徴とす る請求項２記載の熱交換器管。 ７．コーム状のひれ（５）を備えた半割シェル（３ ，４）から成る成形挿入体（２）が外管（１）の内径を著しく下回る外径を有し ており、かつ、成形挿入体（２）と外管（１）との間の環状室内にアルミニウム 製の中間成形材（１０）が配置されており、この中間成形材が、外管（１）に接 触する管壁と、この管壁から半径方向で成形挿入体（２）まで達する複数のリブ （１１）とから成り、かつやはり外管長手軸線を含む分割平面内で、片側へ開い た２つの中間成形材半割部に分割されており、これらの中間成形材半割部がその 管壁の長手縁のところでシール状に形成されていて互いに接触しており、その場 合、中間成形材（１０）が外管（１）の半径方向の永久圧縮変形によりこの外管 （１）と内側の成形挿入体（２）とに熱伝達作用をもって圧着されていることを 特徴とする請求項２記載の熱交換器管。