JPS59185995A - 熱交換器用乱流誘起体付き管構造体及びその製造方法 - Google Patents

熱交換器用乱流誘起体付き管構造体及びその製造方法

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JPS59185995A
JPS59185995A JP59063470A JP6347084A JPS59185995A JP S59185995 A JPS59185995 A JP S59185995A JP 59063470 A JP59063470 A JP 59063470A JP 6347084 A JP6347084 A JP 6347084A JP S59185995 A JPS59185995 A JP S59185995A
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winding
turbulence
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
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    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
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    • Y10S165/529—Heat exchange having heat exchange surface treatment, adjunct or enhancement with structure for promoting turbulence and/or breaking up laminar flow adjacent heat transfer surface
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 に組込まれる乱流銹起構造体に関するものである。
先行技術として、米国製許第５，　５　９　５．　２　
９　９号は一重らせん及び二重らせん形の乱流誘起体を
開示している。
周知のよ，うに、気体であれ液体であれ流体が流される
熱交換器において熱が交換される割合は、その流れの性
質、即ち層流、乱流或いは遷移流によって大きな影響を
受ける。一般的に述べると、流れが乱流であればある程
、他の条件は等しいとして、熱伝達速度は大きくなる。
別様に述べるなら、レイノルズ数が高い程、熱伝達速度
は一層速くなる。
しかし、熱交換器の設計においては、高レイノルズ数の
みへの考慮以外にも他の多くの考慮事項に重点が払われ
ねばならない。高レイノルズ数は必然的に一層高い流体
速度を使用しく他の条件は一定として）、これは結局一
層大きな摩擦損失をもたらし、従ってより多くのエネル
ギー発生を必要とする。
様々の他の考慮事項はしばしば、代表的に遷移或いは層
流領域に近い、熱交換流体の比較的低いレイノルズ数へ
の優先的な選択を強いる。しかし、低レイノルズ数が熱
交換流体に存在する時には、ポンプ速度の変化を含めて
ポンプ性能等における僅かの変動により導入される流体
流れの僅かの変化が安定な乱流から不安定な遷移流或い
は層流に向けての流体流れの鎮静化をもたらす可能性が
あり、一様な熱伝達及び（或いは）所望の熱伝達速度を
得ることをきわめて困難ならしめる煮で、支障を生じる
恐れがある。
このような流れの鎮静化を回避せんとする試みにおいて
、先行技術は、熱交換プロセス下に置かれる流体を納め
る導管内に所謂一重或いは二重らせん形乱流誘起体の使
用に頼った。乱流誘起体は流体流れに乱流を導入して、
乱流誘起体が存在しなければ遷移流或いは層流が起るよ
うなレイノルズ数において導管内に乱流を維持する。先
に挙げたような、こうした先行技術の乱流誘起構造体は
、乱流熱伝達能を比較的低いレイノルズ数にまで維持し
えたが、まだ尚、ひんばんに１　０００〜１５００の範
囲におけるレイノルズ数において気流から不安定遷移流
及び／或いは層流に向げて流体流れを鎮静化せしめる傾
向を有した。その結果、そのような装置を使用する場合
、低流体速度で安定した乱流を持続する為に、熱交換器
回路を多数回パスするとい５対策がとられたが、これは
もちろん熱交換設備の費用の追加を招いた。
従って、遷移一層流鎮静化点を更に一層低いレイノルズ
数にまで拡張しうる乱流誘起体への必要性が存在してお
り、これにより多数回パス熱交換器回路に対する必要性
を排除するか少くとも成る用途において必要とされる多
数回パス回路の数を最小限とすることが望まれている。
本発明の主たる目的は、熱交換器導管において使用の為
の改善された乱流誘起構造体を提供することである。よ
り詳しく述べるなら、本発明の目的は、安定した乱流か
ら不安定な遷移或いは層流への流体流れ鎮静化点を、先
行技術の構造体ではそうした鎮静化が起るレイノルズ数
よりも著しく低いレイノルズ数にまで下げることのでき
る熱交換器用乱流銹起体一導管構造体を提供することで
ある。
本発明のまた別の目的は、そのような乱流誘起体付き導
管構造体を製造する方法を提供することである。
本発明の一様相に従えば、熱交換プロセスを受けるべき
流体が通される細長い導管を含む熱交換器におりて使用
の為の乱流誘起体付き導管構造体が提供される。第１の
外側巻線が管内にその内壁と実質当接して収納されそし
て第２の内側巻線が同じく管内に位置づけられそして少
くとも部分的に第１巻線の内部にある。第１及び第２巻
線のピッチは異にされる。
本発明の好ましい具体例において、第２巻線のピッチは
第１巻線のピッチより太きいものとされる。
好ましくは、第２巻線のピッチは第１巻線のピッチの約
２．３〜２．７倍でありそして巻線は共に同じ捩り方向
を有する。
好ましい具体例において、管は円形断面を有しそして巻
線はらせん状である。第１巻線の内径は第２巻線の外径
にほぼ等しい。
本発明はまた、 （ａ）　　所望の内部断面を有する管を用意する段階と
、（ｂ）　　フィラメントの２つのストランドが互いに
離間されたほぼ平行関係にありそして管内部断面と実質
上同じ形状と該断面より僅かに小さな寸法の外側形態を
有するようフィラメントを巻くことにより乱流誘起構造
体を形成する段階と、 （Ｃ）　　該乱流誘起構造体を管内に導入する段階と、
（ｄ）　　管からストランドの一方を、管内に他方のス
トランドを維持したまま部分的に取出す段階と を包含する熱交換器用乱流誘起体付き導管構造体を製造
する方法をも意図する。
本発明方法の好ましい具体例において、上記段階（ｂ）
はフィラメントをマンドレルに巻付けることにより達成
されそして段階（Ｃ）は乱流誘起構造体を付帯したマン
ドレルを管内に挿入することにより達成される。
段階（ｄ）に先立って、管内に乱流誘起構造体を残した
まま管からマンドレルを除去する段階を行うことが好ま
しい。
マンドレルを使用する好ましい具体例において、マンド
レルにはスロット付き端が設けられそして段階（ｂ）の
達成に先立ってフイラメン、トはその両端の中間部分を
マンドレルスロット端に挿入せしめる。フィラメントの
残る部分が前述した２条のストランドを定義する。
通常の場合、フィラメントはワイヤから形成される。
乱流誘起体及び導管の一具体例が第１及び２図に例示さ
れ、ここでは内壁１２及び外壁１４を有する管１０が示
されている。通常の場合、管１０は円形断面を有する。
しかし、楕円、環状、方形成いは矩形断面のような他の
断面形状を有する管も所望に応じて使用されうる。
管１０には、熱交換プロセス下に置かれるべき流体が通
される。流体は、所望の用途に応じて液体或いは気体い
ずれでもよい。
管１゛０ばまた良好な熱伝導材料、通・常は銅、真鍮或
いはアルミニウムのような金属から形成される。
管１０内には、代表的にはワイヤ等から形成される第１
巻線１６が納められている。円形断面の管が使用される
場合には第１巻線はらせん状でありそしてその回旋部は
管１０の内壁１２と実質上当接せしめられている。
第１巻線１６内に、第２巻線１Ｂが存在し、第２巻線は
第１巻線１６を形成したのと同じワイヤから形成される
ことが好ましいが、但し必須ではない。
第２巻線１８は第１巻線より内方にありそしてやはりら
せん状である。通常の場合、内側巻線１８の外径は外側
巻線１６の内径におおよそ等しい。
２つの巻線１６及び１８のピッチ、即ちそれぞれのらせ
んの隣りあう回旋部間の距離は相当に異なる。好ましい
例においては、内側の巻線１８のピッチは外側の巻線１
６のピッチの約２．６〜２．７倍の範囲にある。
最後に、両巻線１６及び１８は同じ捩り方向を有してい
る。
巻線１６及び１８は、外側巻線１６の固有の弾性と保持
力としての管１０の内壁１２とのその摩擦係合を利用す
ることによるだけで管１０内に保持されうる。別法とし
ては、はんだ付けやろう付けのような接合法が管１０内
に巻線１６及び１８を固定するのに使用されうる。
乱流誘起体入り管を製造する一つの好ましい方法は、所
望の内部断面を有する管１０を先ず用意することである
。円形断面の管１０が使用される場合には、スロット３
４を備える端３２を有する円柱状のマンドレル３０が用
意される。
巻線１６及び１８を形成するのに使用されるべきワイヤ
長尺材が第３図に３６で示されそしてその両端の中間部
がスロット３４内に挿入されそしてワイヤの２つ折残部
を２つのストランド３８及び４０として残す。
その後、ワイヤストランド３８及び４０はマンドレルの
周囲に両者の相対回転をもたらすことによりぴったりと
巻つけられる。一般には、第４図に矢印４２により示す
ようにマンドレル３０を回転することが望ましい。
マンドレル３０を回転するに際して、第４図に示される
ように２重のらせんがストランド３Ｂ及び４０により定
義される。即ち、ストランド３８及び４０が乱流誘起構
造体を形成し、この場合ストランド３８と４ｐは互いに
ほぼ平行でありそして管１０の内部断面と実質同じ形状
の外側形態を有する。好ましくは、ストランド３８及び
４０を形成するワイヤ及びマンドレル３０の外寸は、生
成する巻回構造体が管１０の内径よりごく僅かに小さな
外径を有するよう選択される。０００１〜０、００３イ
ンチのオーダの寸法差が一般に満足すべきものである。
ストランド３８及び４０をそれらが緊張下にとどまるよ
うマンドレル３０にしっかりと巻いた状態で、マンドレ
ル３０は第５図に示すように管１０内に挿入される。そ
の後、ストランド３８及び４０における張力が解放され
そしてその固有の弾性は両ストランドの回旋部を膨張せ
しめそして管１０の内壁１２と摩擦係合せしめる。この
膨張の結果として、ストランド６８及び４０のマンドレ
ル３０の外面への摩擦把持作用が解除されるので、マン
ドレル３０は第６図に示すように管から抜出すことが出
来る。
その後、ストランド３Ｂ、４０の一方がマンドレルを挿
入した管端側からつかまれそして管から部分的に引出さ
れる。これは、その引出した方のストランドをして第１
図に例示した内側巻線１８を形成せしめる。第７図には
、ストランド３８の引出しにより生ぜしめられた巻体状
態が部分完成状態で示しである。一般に、管１０からス
トランドの最初の長さの釣具を引出すことが望ましい。
内線の巻線１８の形成が完了すると、その形態は第１図
に示すようなものとなる。ストランド１６或いは１８の
互い同志のまた管、１０への結合が所望されるなら、そ
の後接合作業を行いうる。
第８図は、本発明に従って作製された乱流誘起体付き管
と先行技術における所謂二重らせん形乱流誘起体付き管
との比較データを例示する。Ａ〜Ｈの表示の８個の曲線
が示されている。曲線Ａ〜−Ｄは、熱伝達能対レイノル
ズ数のプロットであり、ここでは熱伝達能はＮＮＩＪ／
（Ｎｐｒ）　　　（ＮＮＵはヌツセルト数そしてＮＰｒ
はフリンドル数）として定義されている。曲線Ｅ−Ｈは
ダルシー摩擦係数（ｆ）対レイノルズ数のプロットであ
る。
曲、ＩＩＡ、Ｂ、Ｅ、及びＦはすべて本発明に従って作
製された乱流誘起体付き管の性能を表す。曲線Ａ及びＥ
は、α０３５インチのワイヤ径な０．２０インチの初期
ピッチを使用する。曲線Ｂ及びＦは０、０３０インチの
ワイヤ径と０，２５インチのピッチを使用する構造から
得られた。
曲線Ｃ，Ｄ、Ｇ及びＨはすべて先行技術に従って作製さ
れた二重らせん形乱流誘起構造体の性能を表す。曲＃Ｉ
Ｃ及びＨは０．０３０インチのワイヤ径及び０．２５イ
ンチのピッチを使用して得られ、他方曲線Ｃ及びＤは０
．０３５インチのワイヤ径及び０．２０インチのピッチ
を使用して得られた。
曲線すべてに対して、使用された管の内径は０．２００
インチであった。
第８図に示されたデータから、低流速において従来の二
重らせん形乱流誘起体を上回る本発明乱流誘起体の利点
が容易に確認されうる。例えば、構造体の各々から１５
．０の所望される熱伝達性能を仮定しそしてα２５イン
チピッチの００３０インチ径ワイヤを使用しての本発明
及び先行技術の形態を使用すると、本発明に従って作製
された乱流誘起体は約４０５の摩擦係数でもって約３８
５のレイノルズ数を必要とすることがわかる。逆に、先
行技術のものは、２．５の摩擦係数でもって約７５０の
レイノルズ数を必要とする。
従って、先行技術の′乱流誘起体は本発明のものに較べ
約２倍の流速を必要とし、その結果、先行技術の乱流誘
起体は本発明と較べてＡの流路数としなければならない
。更に、先行技術装置の流路長は本発明のそれの約２倍
でなげればならない。
当業者は、熱交換器における圧力降下が摩擦係数、流路
長さそして流体粘度の２乗の関数であることを認識しよ
う。上記解析から得られたこれら量の相対値を使用する
と、先行技術装置における圧力降下は本発明におけるそ
れの４，３倍のオーダにある。
斯くして、本発明に従って作製された乱流誘起体が先行
技術のものより低レイノルズ数にお〜・て大巾に改善さ
れた熱伝達効率を持つことが理解されよう。更に、はる
かに低い圧力降下において先行技術の構造体を使用した
場合と匹敵する熱伝達性能を実現しうろことは、熱交換
設備に流体を推進するのに使用されるポンプ等における
エネルギー消費を最小限としそしてそうした設備におい
て物理的に小さなそして一層低容量のポンプの使用を可
能ならしめ、それによりエネルギー、重量及びコストの
著しい削減を与えるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に従う乱流誘起体付き熱交換管の一具
体例を示す断面図である。 第２図は、第１図の２−２線に沿う断面図である。 第３〜７図は、第１図の乱流誘起体付き管を作製する方
法の順次しての段階を示す説明図である。 第８図は、本発明及び先行技術の乱流誘起構造体につい
てレイノルズ数（ＮＲｅ　’）に対する熱伝達性能（Ｎ
ＮＵ　／（ＮＰｒ）１／３　）及びダルシー摩擦係数（
ｆ）′を比較するグラフである。 １０：管 １６：　第１巻線 １８：　第２巻線 ３０：　マンドレル ３４＝　スロット ３６：　ワイヤ ３８．４０：　　ストランド

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）熱交換プロセスを受ける流体が通される管と、該管
    内に管内壁と実質当接状態で納められる第１外側巻線と
    、 該管内にそして該第１巻線内に少くとも部分的に位置づ
    けられる第２内側巻線と を包含し、前記第１巻線のピッチが前記第２巻線のピッ
    チとは異っている熱交換器用乱流誘起体付き管構造体。 ２）第２巻線のピッチが第１巻線のピッチよりも大きい
    特許請求の範囲第１項記載の管構造体。 ３）第２巻線のピッチが第１巻線のピッチの約２３〜２
    ７倍の範囲にありそして両巻線が同じ捩り方向を有して
    いる特許請求の範囲第２項記載の管構造体。 ４）両巻線が同じ捩り方向を有している特許請求の範囲
    第１項記載の管構造体。 ５）管が円形断面でありそして両巻線がらせん状である
    特許請求の範囲第１項記載の管構造体。 ６）第１巻線の内径が第２巻線の外径にほぼ等しい特許
    請求の範囲第５項記載の管構造体。 ７）熱交換器用乱流誘起体付き管構造体を製造する方法
    であって、。 （ａ）　　所望の内部断面を有する管を用意する段階と
    、（ｂ）フィラメントの２本のストランドが互いに離間
    したほぼ平行関係にありそして管内部断面と実質同じ形
    状を有し且つ該断面より僅かに小さな寸法を有する外側
    形態を有するようフィラメントにより乱流誘起構造体を
    形成する段階と、 （Ｃ）　　乱流誘起構造体を前記管内に挿入する段階と
    、（ｄ）　　該管から前記ストランドの一方を他方を管
    内に維持したまま部分的に取出す段階 とを包含する乱流誘起体付き管構造体を製造する方法。 ８）段階（ｂ）がマンドレルにフィラメントを巻回する
    ことにより行われる特許請求の範囲第７項記載の方法。 ９）段階（Ｃ）が乱流誘起構造体を付帯したマンドレル
    を管内姥挿入するとと建より行われそして段階（ｄ）に
    先立って管内に乱流誘起構造体を残したまま管からマン
    ドレルが取出される特許請求の範囲第８項記載の方法。 １０）マンドレルがスタット付き端を有しそしてフィラ
    メントが段階（ｂ）の前にその両端の中間部分をスロッ
    トに挿入しそして該中間部分の各個のフィラメント部分
    がストランドを形成する特許請求の範囲第８項記載の方
    法。 １１）フィラメントがワイヤである特許請求の範囲第７
    項記載の方法。
JP59063470A 1983-04-04 1984-04-02 熱交換器用乱流誘起体付き管構造体及びその製造方法 Granted JPS59185995A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US482018 1983-04-04
US06/482,018 US4798241A (en) 1983-04-04 1983-04-04 Mixed helix turbulator for heat exchangers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS59185995A true JPS59185995A (ja) 1984-10-22
JPH0444191B2 JPH0444191B2 (ja) 1992-07-20

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Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP59063470A Granted JPS59185995A (ja) 1983-04-04 1984-04-02 熱交換器用乱流誘起体付き管構造体及びその製造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US4798241A (ja)
EP (1) EP0122746A1 (ja)
JP (1) JPS59185995A (ja)
CA (1) CA1233170A (ja)
MX (1) MX159723A (ja)

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