渦制御ワイヤーを利用して気柱共鳴現象の発生を抑止した熱交換装置大分大学工学部機械・エネルギーシステム工学科准教授濱川洋充技術の背景：熱交換器の構造技術の背景：熱交換器の構造技術の背景：閉管内の気柱の振動 f1 ，f2 ，f3：気柱の振動の周波数 Hz，l：管の長さ m， λ1 ，λ2 ，λ3：振動の波長 m，V：音速 m/s z管の両端への入射波とそこからの反射波との干渉によって，管内には管の開端を腹，閉端を節とする多くの定在波が同時に生じる．これらの定在波を起こす気柱の振動を，気柱の固有振動という． z気流の乱れに伴って生じる渦が，管内の気体を刺激して鳴り出すことがある．技術の背景：直方体空洞の気柱の固有振動数 c f = 2 Lx ⎛ nx ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ Lx ⎠ 2 2 ⎛ n y ⎞ ⎛ nz ⎞ + ⎜ ⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜L ⎟ ⎝ y ⎠ ⎝ Lz ⎠ 2 Hz fy Hz Lｚ fx H z fz Lｙ f：気柱の固有振動数 Hz nx ，ny ，nz：正の整数 Lx ，Ly ，Lz：室の長さ,幅,高さ m c：音速 m/s 技術の背景：エオルス音（渦放出音） Karman vortex p∝ ρU c 3 p :音圧のRMS値 Pa c :音速 Pa ρ ：密度 kg/m3 U：主流速度 m/s 技術の背景：エオルス音の周波数 Karman vortex fD St = ≅ 0.2 U S t ：ストローハル数 f ：渦放出周波数 Hz D：代表寸法 m U：主流速度 m/s 技術の背景：管群内の渦流れ流れ管群内の渦度の分布技術の背景：フィン付きの伝熱管 z排熱回収ボイラなどではガス側の熱伝達特性を向上させるために，伝熱管の表面にフィンが設置されている．ソリッドフィン，フラットセレイティッドフィン，ツイストセレイティッドフィンなど zフィン付きの伝熱管群において気柱共鳴騒音が発生することを明らかにした．（鈴木ら,1986，根本ら,1997） zフィン付き管群から発生する気流音の音圧レベルは，遠距離場では裸管とほぼ等しくなる．（根本ら，1997）フィン付き管技術の背景：フィン付きの伝熱管 z伝熱管表面にフィンを設置するとフィンの無い裸管に比べ渦放出特性が変化する．（Y. N. Chen,1968，J. Kouba,1983，鈴木ら,1986，濱川ら,1999，奥井ら,2003，Ziada，2005） zフィンの形状によっては，管群内の渦の速度変動と周期性が強くなる場合がある．（濱川ら,1999～濱川ら, 2006）フィン付き管技術の背景：気柱共鳴現象の発生条件 z渦放出周波数が気柱の固有振動数と一致する． z渦が供給する音響励起エネルギーが，音場で散逸されるエネルギーを上回る．従来技術とその問題点【防止技術１】渦放出周波数が気柱の固有振動数と一致しないように，伝熱管群内にバッフル板を設置する方法があり，広く利用されている．【問題点】 z試運転後の設置が困難である． z保守や点検が行い難い． z流れ方向の気柱共鳴モードを防止できない．従来技術とその問題点【防止技術２】渦が供給する音響励起エネルギーよりも，音場で散逸されるエネルギーを大きくするように，ボイラ内部に吸音体を設置する方法がある．【問題点】 z試運転後の設置が困難である． z構造的に排熱回収用ボイラには適用できない．新技術の特徴・従来技術との比較 z管群内を仕切るバッフル板がなくなったため，保守および点検作業が行いやすくなった． z従来技術の問題点であった流れ方向の気柱共鳴現象の抑止に成功した. z新技術を既存技術を用いて低コストで導入できれば，バッフル板の設置が省略できるため，コストを削減できる．新技術の概要 Df=57.2 D=31.8 d フィン渦制御ワイヤー Yp=5.08 ½ Yp フィン付き管の外側に渦制御ワイヤーを螺旋状に巻きつける．新技術の概要カルマン渦渦制御用ワイヤーガスの流れ熱交換管下流管との干渉によるカルマン渦の弱体化フィン期待される効果気柱共鳴騒音の防止気柱共鳴騒音の励起力の低下気柱共鳴騒音の発生流速の増加新技術の検証：供試体概要 (a) d=0 ［d/Df=0] (b) d=3 (c) d=5 [d/Df=0.05] [d/Df=0.09] (e) d=9 (d) d=7 [d/Df=0.16] [d/Df=0.12] 渦制御ワイヤーの直径d の変化新技術の検証：実験装置および方法風洞実験装置 z テストセクション断面500×500mm z 最大流速32m/s z 乱れ度0.52％未満新技術の検証：実験装置および方法 Test Piece Z Y End Plate 0 Flow X Wind Tunnel Nozzle 250 350(=11D) Probe 実験装置概要実験方法および条件 z 熱線流速計を使用 z U∞=5.0～25.0m/s z 管径を用いたレイノルズ数：Re=1.1×104～ 6.5×104 z 端板の長さ：11D （D＝31.8mm） z 風洞下壁面に垂直に設置新技術の検証：フィン付き管後流の速度変動特性(U∞=10.0m/s ) 0.3 45.75Hz 0.2 E Tube Flow 0.1 0 0 40 f Hz 80 Fin u’ 速度変動のスペクトル速度変動強さu’の分布周期性の強いカルマン渦が放出 120 新技術の検証：フィン付き管の外側に直径5mmの渦制御ワイヤーを設置した場合の速度変動特性 Tube Flow Fin Helical strake 速度変動強さu’の分布新技術の検証：渦制御ワイヤーの直径が速度変動強さに及ぼす影響 0.6 0.5 d＝3mm d＝5mm d＝0mm d＝7mm u' 0.4 0.3 0.2 0.1 d＝9mm 0 速度変動強さ u50 ’の分布 0 100 150 200 250 X mm Y方向の最大点におけるu’のX方向分布 (U∞=10.0m/s ) 300 350 新技術の検証：渦制御ワイヤーの直径が速度変動のスペクトルに及ぼす影響 E 0.4 d=3mm 0.3 d=5mm 0.2 d=7mm d=0mm d=9mm 0.1 0 0 20 40 60 f 80 Hz 速度変動強さ最大点におけるスペクトル(U∞=10.0m/s ) 100 新技術の検証：渦制御ワイヤーの直径がスパン方向の渦相関構造に及ぼす影響 1 d=3mm 0.8 Cs d=5mm d=7mm 0.6 d=9mm 0.4 d=0mm 0.2 -200 -100 0 Z mm 100 スパン方向のコヒーレンス分布(U∞=10.0m/s ) 200 類似技術との相違点 z カルマン渦による円柱構造物の振動防止対策の一つとして，螺旋状側板が用いられている．機械工学便覧，日本機械学会編（1987） 0.1～0.12D 側板の高さ 3螺旋，平行巻側板の数側板のピッチ 5D 側板の設置範囲円柱構造物の上部 1/3の範囲に設置抗力係数 Cd=1.2 円柱に螺旋状側板が設置された例類似技術との相違点 0.4 フィン付き管 E 0.3 0.2 45.75Hz 36.25Hz D=57.2裸管 65.6Hz D=31.8裸管螺旋状側板付き管 0.1 0 0 40 f Hz 80 120 z 円柱に設置した螺旋状側板はカルマン渦の周期性を消失させる． ⇒ 渦のスパン方向相関構造の破壊 z フィン付き管に渦制御ワイヤーを設置しても周期性の強いカルマン渦が放出されている． ⇒ 渦の形成位置の制御想定される用途 • 本技術の特徴を生かすためには，管の表面に燃焼灰などが付着し難い排熱回収用ボイラなどの熱交換器に適用することで，気柱共鳴現象抑止のメリットが大きいと考えられる． • 上記以外に，伝熱性能向上の効果が得られることも期待される． • また，達成された渦制御効果に着目すると，ベランダの手すりなどの建築材といった分野や用途に展開することも可能と思われる．想定される業界 z 想定されるユーザーボイラ製造メーカー，伝熱管製造メーカーなど実用化に向けた課題 • 現在，渦制御ワイヤーについて渦制御が可能なところまで開発済みである．しかし，気流音低減および伝熱性能に及ぼす効果が未解決である． • 今後，気流音と伝熱性能について実験データを取得し，性能向上に適用していく場合の条件設定を行っていく． • 実用化に向けて，最適設置条件の精度を管群の配列まで考慮できるよう技術を確立する必要もある．企業への期待 • 未解決の気流音低減，伝熱性能，最適設置条件については，今後の研究により克服できると考えている． • ボイラまたは伝熱管の製造および加工技術を持つ企業との共同研究を希望する． • また，ボイラを開発中の企業，熱交換器分野への展開を考えている企業には，本技術の導入が有効と思われる．本技術に関する知的財産権 • • • • 発明の名称出願番号出願人発明者：熱交換装置：特願2004-184215 ：大分大学：濱川洋充，深野徹，西田英一お問い合わせ先大分大学知的財産本部副本部長ＴＥＬＦＡＸ e-mail 伊藤正実０９７－５５４－７４３００９７－５５４－７９８２ mito＠ cc.oita-u.ac.jp