JPS6346388A - 薄膜蒸発式熱交換器 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シェルと複数本の伝熱管とで構成された例え
ば米国特許筒２，２６７．５６８号明細書に記載された
ようなシェルチューブ形熱交換器、特に簿膜蒸発熱伝達
による伝熱促進と共に、伝熱管が液冷媒に浸らないこと
により、液面高さが問題となる大容量蒸発器、低温用蒸
発器に好適な薄膜蒸発式熱交換器に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の大容量、低温用の蒸発器として、例えば満液式蒸
発器は、水平方向に走る複数本の伝熱管とシェルにより
構成されたシェルチューブ形熱交換器の伝熱管群部を液
冷媒で満たしたものであり、冷媒側（管外側）での伝熱
形態はプール核沸騰熱伝達を用いている。この冷媒側沸
騰伝達性能を向上する手段としては伝熱面上を種々の微
細構造に形成するなどがなされて来たが、現在はぼ上限
に来ており、飛躍的な伝熱性能の向上は望めなくなって
いる。また、プール核沸騰では、冷媒液面高さの影響が
現われ液面高さが増すに従って伝熱性能が低下する傾向
にある。この傾向は、蒸発圧力の低下に伴ない特に顕著
となり、低温用蒸発器においては特に問題となっている
。そのため、低温用蒸発器においては、伝熱管に液冷媒
を散布する散布式薄膜式蒸発器を用いることが多い、し
かしながら、この散布方式は、水平に配置された伝熱管
群に液冷媒を散布するものであり、伝熱管下部に厚い液
膜が保持されその分液膜の熱抵抗が増加する。また、管
群全域に均等に散布液を分配する必要があるため、液冷
媒散布管の構造が複雑なものとなる。

さらに他の従来技術として、実開昭５４−９４９６３号
に記載されたものがある。これは、シェルチューブ形熱
交換器を縦にして使用し、伝熱管外表面に冷媒流下液膜
を形成して熱交換を行うようにしたものであって、伝熱
管上に均一な液膜を形成するため、上部に設けた液分散
板から均一に冷媒を伝熱管表面に供給するようにしたも
のである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術のものでは、熱負荷に応じて熱交換容量を
セルフコントロールできる熱交換器については考慮され
ていなかった。

本発明の目的は、熱交換器の熱負荷に応じて熱交換容量
をセルフコントロールできる薄膜蒸発式熱交換器を得る
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、シェルと、該シェル
内に鉛直状に配置された複数本の伝熱管からなる伝熱管
群とを備え、前記各伝熱管の外表面に沿って液冷媒を自
由落下させ、伝熱管内を流れる流体と伝熱管外の冷媒と
を熱交換させるようにした薄膜蒸発式熱交換器において
、前記伝熱管群の少なくとも上方には、各々の伝熱管の
外表面に沿って薄膜状に液冷媒を自由落下させるための
液冷媒分配部材を設け、シェルには、前記液冷媒分配部
材に液冷媒を供給する液冷媒供給手段、シェル内で発生
した蒸気を外部へ導く蒸気出口、およびシェル内の液冷
媒を外部へ導く液冷媒取出口とを設けかつ前記液冷媒取
出口は、シェル底部とシェル中間部との間に設置して前
記伝熱管の下部が冷媒液中に浸漬する状態とし、シェル
内に薄膜蒸発熱伝達領域とプール核沸騰熱伝達領域を形
成したことにある。

〔作用〕

上記構成とすることにより、熱交換器熱負荷が大きい場
合、冷媒の蒸発が促進され、シェル内の冷媒液面が下が
る。その結果、薄膜蒸発熱伝達部の伝熱面積が増加し、
多くの熱量を伝えることができる。

熱負荷が小さい場合には、冷媒の蒸発が押えられるので
熱交換器内に液冷媒が溜まる。この結果。

シェル内の冷媒液面が上昇し、薄膜蒸発熱伝達部の伝熱
面積が少なくなるから熱交換器容量が減少する。

このように本発明によれば、熱負荷に応じて熱交換器容
量をセルフコントロールすることができる。

〔実施例〕

伝熱面表面に水の薄液膜を形成し、その薄液膜を蒸発さ
せる薄膜蒸発熱伝達は、プール沸騰熱伝達よりも伝熱性
能が向上することが知られている。

この薄膜蒸発熱伝達の模式図を第１図に示す。伝熱面１
より流下液膜２への熱の輸送機構には次の４つの形態が
ある。すなわち第１には、矢印５で示す壁面ｌにおける
気泡の成長と離脱に伴なう熱伝達（核沸騰熱伝達）によ
る熱移動（ＱＮａ）　、第２には、矢印６で示す壁面１
から液膜流への強制対流熱伝達による熱移動（Ｑｃｗ）
　、第３には、矢印７で示す液膜２表面からの蒸発によ
る潜熱移動（ＱＦＶ）　、第４には、矢印８で示す蒸気
泡３が気液界面から放出される際に発生する液滴４によ
る顕熱移動（Ｑｔ、ａ）である。上記の各熱移動はそ九
ぞれが単位として働くのではなく、相互にアジチージョ
ン源となって熱移動を促進する。

一方、フレオンなどの有機冷媒で上記の薄膜蒸発熱伝達
を行おうとする時、蒸発潜熱、比熱、熱伝導率などが水
にくらべて小さいため、水の場合程伝熱促進効果が現わ
れないと考えられてきた。

しかしながら、第２図に示すように、冷媒フレオンＲ−
１１を作動流体とした薄膜蒸発熱伝達においても、伝熱
促進がなされることが判る。第２図の縦軸はプール核沸
騰熱伝達率αＰａに対する薄膜蒸発熱伝達率αの熱伝達
率上昇割合（α／αｐａ）を、横軸は熱流束ｑ　（Ｗ／
ｃｄ）を表わす、伝熱面としては、エメリー３１０００
で磨かれた平滑面（３００■Ｘ１Ｘ１００ａを用い、ま
た、大気圧状態下の飽和フレオンＲ−１１を作動流体と
し、伝熱面上端より単位幅光たり２．６４ｇ／ｓｍの液
冷媒を流下させたものである。

一方、上記薄膜蒸発熱伝達の伝熱面に平滑面を用いた場
合、伝熱面上での冷媒液膜の拡がり性が悪く、したがっ
て、伝熱面上に乾いた部分ができ易いため、多くの液冷
媒を伝熱面上に流さなければならない、このため、伝熱
面上での冷媒液膜の拡がり性を良くし、できるだけ少な
い液流量（理想的には加えられた熱量で冷媒全量が蒸発
する流量）でも乾いた部分が伝熱面上に存在せず、した
がって低流量下でも高い伝熱性能を有する伝熱面が必要
となる。この様な伝熱面として、冷媒液をその表面張力
で引き込み、伝熱面上のすみずみ迄液膜を形成する多孔
質伝熱面が考えられる。第３図は、高い伝熱性能を維持
するために必要な最小液流量を示したものである０図の
縦軸は伝熱面上端での単位伝熱面幅当たりの必要最小流
量Ｐ串（ｇ／ｓａｗ）を、横軸は熱流束ｑ　（Ｗ／ａ＃
）を表わす０図中実線Ａは第４図に示す構造（伝熱面表
及９の下に０．５５　　ｍピッチで幅０．２５ｍ、深さ
０．４　ｍの多数のトンネル１０を持ち、このトンネル
１０と伝熱面外表面とは円接円径０．１　ｍを持つ三角
形の小孔１１でつながったもの）をもつ多孔面を表わし
、一点破線Ｂはエメリー＃　１０００で磨かれた平滑面
を表わす、また、破線Ｃは伝熱面上で液冷媒が完全に蒸
発し切ってしまう理想的な流量を示す、伝熱面はそれぞ
れ縦３０Ｑｍｍ、横幅１００　＋ｍの大きさを持ち、大
気圧状態下の飽和フレオンＲ−１１を作動流体としたも
のである。

また、薄膜蒸発熱伝達を用いた熱交換器では、その性能
が安定していることが必要である。つまり、流下液量な
どにより、その伝熱性能が大きく変化すると熱交換器の
設計が困難であるばかりでなく、設計点を外れた運転下
では、必要な熱交換器性能が得られないということにな
る。この観点でも、多孔質伝熱面は優れた性能を持つ、
第５図は、熱流束ｑが１．８　Ｗ／ｃｄでの液冷媒流量
ｐ。

（ｑ／５−ａｌ＋）と熱伝達率α（Ｗ／に−ｄ）との関
係を示す０図の実線りは第４図に示す多孔質伝熱面を、
破ＭＥはフィン高さ１，１ｍ、フィン厚さ０．４ｍｍ、
フィンピッチ０．８　　ｍの微少なフィンを持つ垂直溝
付伝熱面を現すす、伝熱面の大きさ及び測定条件は第２
図、第３図と同じである。

以上述べてきたように、薄膜蒸発熱伝達を用いた熱交換
器は、フレオンの様な有機冷媒を作動流体として用いた
場合にも高い性能を維持し、さらに、伝熱面として多孔
質面を用いると少ない冷媒流量でも高性能を維持し、ま
た、性能の安定したものとなる。したがって、本発明は
、この簿膜蒸発熱伝達をシェルチューブ形熱交換器に実
現するものであり、熱交換器の小形軽量化、省資源化を
促がすものである。また、更に熱伝達率の異なる薄膜蒸
発熱伝達と、プール核沸騰熱伝達を同時に同一熱交換器
内に設定し、それぞれの伝熱形態が支配する面積をコン
トロールすることにより、容量可変の熱交換器を実現す
ることができる。

以下薄膜蒸発式熱交換器の一例を第６図および、第６図
の要部を拡大して示した第７図により説明する。これは
シェルチューブ形熱交換器である。

シェル内に多数垂直方向に並設された伝熱管１２はその
上下端側を管壁１３により固定されている。

これら伝熱管１２内に流体１４を供給するヘッダ１５．
１６は管壁１３の外側に複数のバスを形成するように設
けられている（この実施例では冷水パスが３バスのもの
を示している）、伝熱管サポート盤を兼用する液冷媒分
配部材１７．１８は伝熱管群の上方部および中間部に、
伝熱管１２を貫通し伝熱管１２と一定の開口部１７ａ、
１８ａをもって設けられており、それらの端部には液止
め部１７ｂ、１８ｂを形成されている。

上記の伝熱管部と仕切型１９により分けられている液冷
媒ヘッダ２０は、仕切板２１により上下室に区画されて
おり、区画された室にはそれぞれ液冷媒入口２２．２３
が設けられ、また、区画された各室に対応する仕切壁１
９には液冷媒分配部材１７．１８に液冷媒を導くための
冷媒流出孔２４．２５が設けられている。熱交換器本体
の上方には蒸気出口２６、下方には液冷媒取出口２７が
設けられ、また蒸気出口２６には熱交換器より冷媒ミス
トの流出を防くエリミネータ２８が取付けられている。

このように構成された熱交換器において、液冷媒入口２
２．２３から供給された液冷媒ヘッダ２０内の液冷媒は
、冷媒流出孔２４．２５を通って液冷媒分配部材１７．
１８に流れ、開口部１７ａ。

１８ａを通って、伝熱管１２表面に沿って流下し、伝熱
管１２の表面には、液Ｗ４２９が形成される。

この流下液膜２９は、伝熱管１２の内部を流れる流体１
４から熱を受けとり、蒸気となってエリミネータ２８を
経て蒸気出口２６から熱交換器の外に流出する。これに
より、伝熱管１２の内部を流れる流体１４は、ヘッダ１
５．１６によって伝熱管群を上下に流れながら伝熱管１
２の表面を液膜状に流下する液冷媒と熱交換し、熱交換
器から取出される。

第８図は本発明の薄膜蒸発式熱交換器の一実施例の要部
を拡大して示す図である。この実施例は第６図、第７図
に示す例において、伝熱管１２の下部を液浸型にしたも
のの一例である。

このため、この実施例においては第６図に示した液冷媒
取出口２７が中間の冷媒分配部材１８の近くに配置され
、本体下部に溜る液冷媒量を増加している。これにより
、伝熱管１２はその下部が冷媒液中に漬浸した状態とな
り、冷媒液面３０を境にして、薄膜蒸発熱伝達領域３１
とプール核沸騰熱伝達領域３２に分けられる。

熱交換器熱負荷が大きい場合、冷媒の蒸発が促進され、
冷媒液面３０が下がる。その結果、熱伝達率の良い薄膜
蒸発熱伝達部３１の伝熱面積が増加し、多くの熱量を伝
えることができる様になる。

一方、熱負荷が小さい場合、冷媒の蒸発が押さえられ、
熱交換器内に冷媒が溜まり、冷媒液面３０が上昇する。

その結果、薄膜蒸発熱伝達部３１の伝熱面積が減少し、
熱交換器容量が減少する。したがって、この実施例によ
り、熱負荷に応じて冷媒液面３１が自動的に上下し、熱
交換器性能を変化させることができるため、必要熱負荷
に応じて熱交換容量をセルフコントロールする熱交換器
を実現することができる。

第９図は本発明の薄膜蒸発式熱交換器の他の例における
伝熱管部を拡大して示すものである。この例において、
伝熱管１２は多孔質伝熱面構造としたものである。伝熱
管１２はその管外側を円周方向に走るトンネル３３及び
このトンネル３３と伝熱管１２外表面を結ぶ小間孔３４
により構成されている。液冷媒はトンネル３３内に表面
張力で引き込まれ、またトンネル３３を伝わって蒸発し
ながら伝熱管１２円周方向に広がる。一方、トンネル３
３内で蒸発した冷媒蒸気は小間孔３４を通って外に放出
される。したがってこの実施例による多孔質伝熱管を用
いたシェルチューブ形薄膜蒸発式熱交換器は、伝熱管１
２に均一に液冷媒膜が形成されるため、冷媒流量の小さ
い場合にも液枯れによる性能低下を起こさず、安定した
熱交換器性能を持つ。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱交換器の熱負荷に応じて熱交換容量
をセルフコントロールすることのできる薄膜蒸発式熱交
換器を得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は薄膜蒸発式熱交換器にお刑る薄膜蒸発熱伝達の
原理を説明する図、第２図はフレオンＲ−１１を作動流
体とした薄膜蒸発熱伝達の伝熱性能を示す図、第３図は
フレオンＲ−１１を作動流体とした平滑伝熱面及び多孔
質伝熱面における熱流束と必要最小液冷媒流量との関係
を示す図、第４図は第３図における性能比較で用いられ
た多孔質伝熱面の一例を示す図、第５図はフレオンＲ−
１１を作動流体とした溝付伝熱面と多孔質伝熱面におけ
る液冷媒流量と熱伝達率との関係を示す図。 第６図は薄膜蒸発式熱交換器の一例を説明する縦断面図
、第７図は第６図の要部を拡大して示す斜視図、第８図
は本発明の薄膜蒸発式熱交換器の一実施例の要部を拡大
して示す断面図、第９図は本発明の薄膜蒸発式熱交換器
の他の例の伝熱管部を拡大して示す図である。 １２・・・伝熱部、１３・・・管盤、１４・・・流体、
１５゜１６・・・ヘッダ、１７．１８・・・冷媒分配部
材、　１７ａ。 １８ａ・・・開口部、１７ｂ、１８ｂ・・・液止め部、
１９・・・仕切盤、２０・・・液冷媒ヘッダ、２２．２
３・・・液冷媒入０．２４．２５・・・冷媒流出孔、２
６・・・蒸気出口、２７・・・液冷媒取出口、２８・・
・エルミネータ、２９・・・流下液膜、３０・・・冷媒
液面、３１・・・薄膜蒸発熱伝達領域、３２・・・プー
ル核沸騰熱伝達領域、３３・・・トンネル、３４・・・
小開孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シェルと、該シェル内に鉛直状に配置された複数本
   の伝熱管からなる伝熱管群とを備え、前記各伝熱管の外
   表面に沿つて液冷媒を自由落下させ、伝熱管内を流れる
   流体と伝熱管外の冷媒とを熱交換させるようにした薄膜
   蒸発式熱交換器において、前記伝熱管群の少なくとも上
   方には、各々の伝熱管の外表面に沿つて薄膜状に液冷媒
   を自由落下させるための液冷媒分配部材を設け、シェル
   には、前記液冷媒分配部材に液冷媒を供給する液冷媒供
   給手段、シェル内で発生した蒸気を外部へ導く蒸気出口
   、およびシェル内の液冷媒を外部へ導く液冷媒取出口と
   を設けかつ前記液冷媒取出口は、シェル底部とシェル中
   間部との間に設置して前記伝熱管の下部が冷媒液中に浸
   漬する状態とし、シェル内に溝膜蒸発熱伝達領域とプー
   ル核沸騰熱伝達領域を形成したことを特徴とする溝膜蒸
   発式熱交換器。 ２、液冷媒分配部材を伝熱管群の上部と中間部に設け、
   液冷媒取出口は前記中間部の液冷媒分配部材の下部でか
   つ該分配部材の近くに配置してなる特許請求の範囲第１
   項記載の薄膜蒸発式熱交換器。 ３、シェル側壁に液冷媒供給手段として液冷媒ヘッダを
   設け、この液冷媒ヘッダから液冷媒分配部材に液冷媒を
   供給するように構成、した特許請求の範囲第１項または
   第２項記載の薄膜蒸発式熱交換器。 ４、液冷媒分配部材は伝熱管群をシェル内に保持するた
   めのサポート盤を兼ねるように構成した特許請求の範囲
   第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の薄膜蒸発式
   熱交換器。 ５、シェル側壁に設けられる液冷媒取出口は、シェル底
   部近傍に配置し、伝熱管下部に液浸形蒸発器機能をもた
   せないように構成したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第４項のいずれか１項に記載の薄膜蒸発式
   熱交換器。