JP2007085723A - 超臨界二酸化炭素循環路を備えた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧の二酸化炭素循環路で作用する熱交換器に関し、熱交換性能を改善する。
【解決手段】複数の管（１）から構成される超臨界二酸化炭素循環路を備えた熱交換器において、管（１）の少なくとも１つの区域は、内表面上に凹凸を有し、これらの凹凸は、管の入口（７）から管の直径の最大４００倍の距離の位置する点までに亘る領域（６）内に位置する。所与の領域に限ってこのような構造を用いることにより、平滑な管に比べて熱伝達に顕著な増加、一般的に１０パーセントを超える規模の増加が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換器の分野に関し、具体的には、高圧の二酸化炭素（ＣＯ_２）循環路で動作する熱交換器に関する。
更に具体的には、本発明は、熱交換性能を改善するためにこのような熱交換器に用いられる管状流路の構造に関係する。

一般に、高圧流体は、産業界及び家庭の両方の領域の冷却又は加熱設備の中で、流体循環路と外部環境との間、又は２つの流体循環路の間の熱交換を要する多くの設備に広く用いられている。
高動作圧流体の使用は、高レベルの機械的応力に耐えることのできる熱交換構造を必要とする。この応力は、絶対に漏出の無い状態を維持することが必要な交換器の入口及び出口領域に特に見出される。

同様に、高動作圧流体を使用するには、高レベルの機械的抵抗を維持するために、流れ断面が可能な限り小さい複数の管状流路から構成される熱交換器を使用することが必要である。
したがって、熱交換が特に高い熱交換器を備えることは、非常に有利である。熱交換性能が高いことの直接的な結果として、熱交換器が非常に小型になり、よって熱交換器の支持に必要な機械的インフラストラクチャを削減できる。

特に、熱交換器に用いられる高圧流体の１つは、原則としてオゾン層に影響を与えないことが評価されている二酸化炭素（ＣＯ_２）である。したがって二酸化炭素は、８０バール〜１５０バールの圧力、即ち臨界点（７３バール、３１℃）を超える圧力を用いる熱交換器に使用されることが多い。超臨界ＣＯ_２交換器の特定の利点の評価は、非特許文献１、２、及び３に記載されている。
Ｂｒｕｃｈ， Ｓ． Ｃｏｌａｓｓｏｎ， Ａ． Ｂｏｎｔｅｍｐｓ， Ｊ． Ｆ． Ｆｏｕｒｍｉｇｕｅ，２００４，ＣＦＤ "Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｒｂｏｎ ｆｌｏｗ ｉｎ ａ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｕｂｅ − Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｕｐｗａｒｄ ａｎｄ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｆｌｏｗｓ"， ６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｕｓｔａｖ Ｌｏｒｅｎｔｚｅｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎａｔｕｒａｌ Ｆｌｕｉｄｓ， Ｇｌａｓｇｏｗ，Ｓｃｏｔｌａｎｄ． Ｂｒｕｃｈ， Ａ． Ｂｏｎｔｅｍｐｓ， Ｊ． Ｆ． Ｆｏｕｒｍｉｇｕｅ， Ｓ． Ｃｏｌａｓｓｏｎ， ２００５， "Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｎｕｍｅｒｉｑｕｅ ｄｕ ｃｏｍｐｏｒｔｅｍｅｎｔ ｔｈｅｒｍｏｈｙｄｒａｕｌｉｑｕｅ ｄ’ｕｎ ｅｃｏｕｌｅｍｅｎｔ ｄｅ ＣＯ２ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｑｕｅ ｄａｎｓ ｕｎ ｔｕｂｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ" （Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ−ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ＣＯ２ ｆｌｏｗｉｎｇ ｉｎ ａ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｕｂｅ）， Ａｎｎｕａｌ ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＦＴ， Ｒｅｉｍｓ，Ｆｒａｎｃｅ． Ｂｒｕｃｈ， Ａ． Ｂｏｎｔｅｍｐｓ， Ｓ．Ｃｏｌａｓｓｏｎ， Ｊ． Ｆ． Ｆｏｕｒｍｉｇｕｅ， ２００５， "Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｍｉｎａｒ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｆｌｏｗｉｎｇ ｉｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｍｉｎｉ ｔｕｂｅｓ ｉｎ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ"， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｇｒｅｎｏｂｌｅ， Ｆｒａｎｃｅ．

一般に、層流を維持するために、表面の周りの領域における流体の流速は比較的小さく、即ち０．１〜０．３ｍ／秒の規模であり、これは、熱伝達係数、ひいては熱交換器の性能を顕著に低下させる。
具体的には、平滑な管を備える二酸化炭素熱交換器について、その長さ方向に沿う複数の位置における熱伝達係数の計算により評価を行った。これらの評価から、熱伝達係数は管の入口の領域で比較的高く、即ち管の終端部で測定される値の事実上２倍であることが判明した。他方、管の入口の領域を過ぎると熱交換は顕著に低下し、場合によっては、温度が変化しても一定であるという物理的特性を持つ水又は空気のような単相流体の層流の古典的値より低くなる。

管の入口の領域における熱伝達係数の増大は、流れの確立と、高い熱勾配に起因する超臨界二酸化炭素の物理的特性の著しい変化とが組み合わせられた結果である。
本発明の目的は、超臨界二酸化炭素が流れる管を用いて交換器の熱交換性能を改善することである。

このように、本発明は超臨界二酸化炭素循環路を備えた熱交換器に関する。既に知られているように、この循環路は、内部で熱交換が行われる複数の管から構成される。
本発明において、少なくとも一部の管の内表面は凹凸を有する。

管の内表面上の凹凸、又は微小構造は、管の円筒形状の凹状又は凸状のひずみを意味し、このようなひずみにより、管の全長に亘って管の横断面が変化する。
本発明の一の特徴によれば、これらの凹凸は、管の入口から、管の直径の最大４００倍の距離に位置する点までに亘る領域内に位置する。

別の構成では、本発明は、内表面のごく一部分だけが微小構造を備える管を使用し、この微小構造が流体層及び温度層を破壊することにより、流体の層流が変化する。これらの凹凸は、管の第1の部分、即ち管の直径の４００倍の距離に設定された限界地点までの部分に位置する。
流体の層流を乱すことにより熱交換器係数を向上させるという原則は周知であると考えられる。この原理は、様々な種類の管状熱交換器及び板状熱交換器に広く用いられている。これは、管状流路から構成される熱交換領域の全長に亘って流れに乱れを生じさせることからなる。

しかしながら、一般に受け入れられている原理に反し、超臨界ＣＯ_２変換器においては、管状流路の全長に亘る微小構造又は凹凸の存在が熱伝達係数の全般的な改善を生じさせるとは思われない。反対に、逆の影響、即ち熱伝達係数が数十分の１パーセントまで低下するような熱伝達の劣化が生じる。
したがって、本発明の主要な態様の１つでは、管の全長に亘る領域ではなく、一定の領域、具体的には管の入口区域内に限定された凹凸を有する管を使用する。

所与の領域に限ってこのような微小構造を用いることにより、平滑な管に比べて熱伝達に顕著な増加、一般的に１０パーセントを超える規模の増加が得られる。
微小構造が局部的に設けられることはまた、管の部分に起伏がないと管内の損失水頭が減少するという点で、水理学的な見地から有利である。

実際には、凹凸が位置する特徴的な領域は、管の直径の４００倍の距離に位置する点の下流である。この場合、この点を定めるのに用いられる直径測定値は凹凸部分を含まないものとする。即ち、用いられる直径は、管の内部に描かれる通常の円柱の最大径、即ち種々の凹凸と接する径である。換言すれば、管の内側に凹状領域が形成される場合、測定される直径は、このような領域が形成される前の管の直径である。
同様に、管の内側に凸状領域が形成される場合、測定される直径は、このような領域が形成される前の、凹凸のない管の直径である。

望ましくは、管は概して円筒形状であり、したがって円盤形状の断面を有する。しかし、円形ではなく、多角形又は楕円形等の断面を有する管を用いることも可能である。この場合、微小構造がその中に位置すべき領域を定めるために測定される直径は水力直径であり、一般に、管の断面積の４倍を潤辺、即ち対象となる断面の周囲の長さで除した比と定義される。
好ましい形状においては、凹凸は、管の直径の８０倍〜２００倍の距離に位置する領域内に位置し、これらの距離は管の入口から測定される。凹凸は、この領域の全部又は一部を占めることができ、必ずしも限界にまで亘る必要はない。

同様に、この優先的領域を選択するということは、熱伝達係数に有意な影響を与える凹凸のほぼ全てがこの特徴的領域内に配置されることを意味するが、この特徴的な領域外にそれよりずっと少数の凹凸が存在することにより効果が小さくなる場合を排除するものではない。
実際には、この特徴的領域おける凹凸の分布は、熱伝達係数の全体を最適化するために、領域の長さに沿って均一にするか、又は変化させることができる。

実際には、凹凸は種々の形状を持つように、多数の異なる手順を用いて形成することができる。例えば凹凸は、管に沿って効果的に半径方向に配置されたマイクロフィンから構成することができる。
凹凸はまた、管状流路の内表面をくり抜いた凹部としてもよい。これらの凹部は、管内の周辺溝に沿って設けられ、微小波状の起伏を形成する。

このようなフィン又は凹部の形状は、熱交換器に要求される圧力、温度及び性能の条件に応じて、例えば、管を弱くしないように選択される。これらの異なる凹凸は、種々の方法により、特に切削、フライス加工、押出し、又は挿入によって形成することができる。本発明は明らかに、種々の材料、特にステンレス鋼、アルミニウム、又は銅で作製された熱交換器に適用可能である。
本発明の実施の手法及び結果として得られる利点は、以下の実施形態の説明及び添付図面から明らかとなる。

超臨界ＣＯ_２で作動する熱交換器は、図１に示すように複数の管から構成される。
本発明によれば、この種類の管の内表面２は凹状又は凸状の起伏を形成する微小構造を備える。

図２に示す実施形態においては、これらの凹凸は溝３の形状を取り、円周に沿ってくり抜かれており、配置される管の領域に亘って均等に分配される。
本発明によれば、これらの凹凸は、管１の長さの一部のみに亘る領域６に配置される。

図１に示す構成において、この領域６は、管１の入口７から距離Ｌ_１に位置する第１地点８から始まる。ここで、Ｌ_１＝８０ｘＤであり、Ｄは管の内径である。図２に示すように、この直径Ｄは管の公称直径であり、中空領域３（溝）を考慮していない。
図１に示すように、この特徴的な領域６は管１の入口７から距離Ｌ_２に位置する点９までに亘る。この距離Ｌ_２＝２００ｘＤである。

図３は、本発明による管を用いることにより得られる熱伝達係数に関する利得を示す。
これらの曲線のｙ軸は、管状流路の長さに沿って計算された熱伝達係数をＷ／ｍ^２／Ｋで示す。ｘ軸は、管の長さ上の位置を、管の内径に対する相対的測定値（ｘ／Ｄ）で示す。

破線の曲線は、従来技術による管、即ち起伏状の微小構造を持たない平滑な管における熱伝達係数の変化を示す。熱伝達係数が、測定値（ｘ／Ｄ）＝１４０に近い管の入口領域で最大値に到達していることが分かる。熱伝達係数はその後約５５０Ｗ／ｍ^２／Ｋの値まで減少する。
実線の曲線は、本発明による管の熱伝達係数の同様の変化を示す。

このように、微小構造が設けられた領域、即ち測定値（ｘ／Ｄ）＝８０〜２２０の領域では、熱伝達係数が平滑な管と比較して有意に増加する。
他方、微小構造が設けられた領域を過ぎると、熱伝達係数は平滑管の同様の値よりもわずかに下回る。

実際、測定値（ｘ／Ｄ）＝５５０を超えると、本発明による管の熱伝達係数は、平滑管の同じ値よりも高い値に戻る。
一実施例では、本発明による管を、ステンレス鋼を用いて、０．５ｍｍの内径Ｄ、及び３３４ｍｍの長さＬに製作した。超臨界ＣＯ_２の流れの質量流量は、圧力８０バールにおいて１．７７×１０^−５ｋｇ／秒であった。管の入口でのＣＯ_２の温度は３９３Ｋ、及び管の表面温度は２９８Ｋであった。

微小構造は、８０Ｄ、即ち４０ｍｍから、２２０Ｄ、即ち１１０ｍｍの間の領域に設けられた。この微小構造は、矩形で高さ０．０５ｍｍ、幅０．０５ｍｍであり、ピッチは３．７５ｍｍであった。
この管の全長について計算された平均熱伝達係数は８５３Ｗ／ｍ^２／Ｋであった。この係数は、Ｆｌｕｅｎｔ Ｆｒａｎｃｅ社によって市販されているＦＬＵＥＮＴ ＣＦＤ（流体力学計算）ソフトウェアのような、流体流のモデル化を行う数値コードを用いて計算された。

この値は、同一直径の平滑な管、即ち微小構造のない管について計算された平均熱伝達係数と比較された。この場合の平均熱伝達係数は７３９Ｗ／ｍ^２／Ｋであり、特徴的な微小構造領域により熱伝達係数は１５．３％増加した。
前述の記載から、本発明による熱交換器が多くの利点、具体的には熱伝達係数の向上、ひいては熱交換器の全般的性能の向上を提供することが明らかである。従って、これらの性能により、さらに小型であるが同じ熱性能特性を提供する熱交換器の生産が可能になる。

本発明による熱交換器の管の概略縦断面図である。 図１の領域ＩＩの詳細断面図である。 平滑な管及び本発明による管の、管長に沿った熱伝達係数の変化を示す２つの曲線である。

符号の説明

１ 管
２ 内表面
３ 溝
６ 領域
７ 入口
８ 第１地点
９ 点
Ｄ 管の内径
Ｌ 管の長さ

Claims (6)

1. 超臨界二酸化炭素循環路を備えた熱交換器であって、前記循環路が複数の管（１）から構成されており、管（１）の少なくとも１つの区域は、凹凸（３）が設けられた内表面を有し、前記凹凸（３）は、管の入口（７）から管の直径の最大４００倍の距離に位置する点までに亘る領域（６）内に配置されることを特徴とする熱交換器。
2. 凹凸（３）が、管の入口（７）からそれぞれ管の直径の８０倍及び２２０倍の距離に位置する点（８）及び（９）の間の領域（６）内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 管の断面が、円形、多角形、又は楕円形であることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
4. 凹凸がマイクロフィンから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
5. マイクロフィンが管の内部で放射状に配置されることを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器。
6. 凹凸が、管の内表面をくり抜いた凹部から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。

Images