JP2017122515A - Heat transfer device, filled-liquid type regenerator and evaporator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体に対して熱を伝達する伝熱装置、及び、冷媒液をその伝熱装置の伝熱面から伝達される熱によって蒸発させる満液式再生器、及び、蒸発器に関する。 The present invention relates to a heat transfer device that transfers heat to a liquid, a full liquid regenerator that evaporates a refrigerant liquid by heat transferred from a heat transfer surface of the heat transfer device, and an evaporator.
液体に対して熱を伝達する装置、例えば、冷媒液を蒸発させる蒸発器が有する伝熱面の構造例として、円錐型、円柱型、リエントラント型などの微小空間が多数形成された構造がある。特に、伝熱面にリエントラント型構造の微小空間が形成された場合、その微小空間の内部では、形成された気泡核が安定して存在するという効果が大きくなる。但し、伝熱面にリエントラント型構造を形成するためには、複雑な加工が必要であり、コストアップの要因となる。 As an example of the structure of the heat transfer surface of an apparatus for transferring heat to a liquid, for example, an evaporator for evaporating a refrigerant liquid, there is a structure in which a large number of minute spaces such as a conical type, a cylindrical type, and a reentrant type are formed. In particular, when a reentrant-type micro space is formed on the heat transfer surface, the effect that the formed bubble nuclei exist stably in the micro space is increased. However, in order to form the reentrant type structure on the heat transfer surface, complicated processing is required, which increases the cost.
伝熱面にリエントラント型構造を形成せずに沸騰伝熱特性を良好にすることを目的とした伝熱装置が、以下の特許文献1及び特許文献2に記載されている。
The following
特許文献1(特開昭57−172193号公報)には、伝熱面の表面に溝を形成し、複数の貫通孔を有する板状部材をその溝を覆うように伝熱面に接触して載置した伝熱装置が記載されている。また、発明の目的として、「伝熱面表面に非常に簡単な方法で従来より言われているリエントラント・キャビティ、つまりは内部が広く開口部が小さい微小空間を多数形成し、もって高性能な沸騰伝熱面を容易に提供することにある。」と記載されている。 In Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-172193), a groove is formed on the surface of the heat transfer surface, and a plate-like member having a plurality of through holes is brought into contact with the heat transfer surface so as to cover the groove. A mounted heat transfer device is described. In addition, as an object of the invention, “a reentrant cavity that has been conventionally said in a very simple manner on the surface of the heat transfer surface, that is, a large number of microspaces with a wide interior and a small opening are formed, so that high-performance boiling is achieved. It is to provide a heat transfer surface easily. "
特許文献2(特開昭64−067591号公報)には、複数層の金網が、伝熱面と間隔をおいて対面して配置される伝熱装置が記載されている。金網の機能として、「金網(6),(7)は伝熱面(5)と金網(8)との間に気泡(13)が存在できる適当な間隔を維持するとともに気泡核をトラップする役割も果たすことになる。」と記載されている。また、金網(8)のみでは効果が得られず、金網(6)または(7)が必要であることも記載されている。 Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-067591) describes a heat transfer device in which a plurality of layers of metal nets are arranged facing each other with a space from the heat transfer surface. As a function of the wire mesh, “the wire mesh (6), (7) is to maintain an appropriate space where the bubbles (13) can exist between the heat transfer surface (5) and the wire mesh (8) and to trap the bubble nuclei. Will also be fulfilled. " It is also described that the wire mesh (8) alone is not effective and the wire mesh (6) or (7) is necessary.
特許文献1に記載の伝熱装置は、溝と板状部材という二つの構造を組み合わせることで、内部が広く開口部が小さい微小空間(即ち、従来のリエントラント型構造と同じ構造)を形成することを特徴としている。つまり、リエントラント型構造の作成方法が従来と異なるだけであり、微小空間内の気泡核を安定して存在させるという機能はリエントラント型構造と同じであると考えられる。
The heat transfer device described in
特許文献2に記載の伝熱装置も、気泡核を安定して存在させるために複数層の金網を設けていることが記載されており、その機能はリエントラント型構造を採用した場合と同じであると考えられる。
尚、特許文献2に記載の伝熱装置では、複数層の金網を設けることが必要とされているため、構造が複雑になり、作製にも手間がかかるようになる。
The heat transfer device described in
In addition, in the heat transfer apparatus described in
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体の沸騰を起こし易くできる伝熱装置及び満液式再生器及び蒸発器を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heat transfer device, a full liquid regenerator, and an evaporator that can easily cause boiling of a liquid.
上記目的を達成するための本発明に係る伝熱装置の特徴構成は、液体に接する伝熱面を有し、当該液体に対して前記伝熱面から熱を伝達させる伝熱部材と、
複数の貫通孔を有するパンチングメタル材とを備え、
前記パンチングメタル材が前記伝熱面と間隔をおいて対面して配置される点にある。
The characteristic configuration of the heat transfer device according to the present invention for achieving the above object has a heat transfer surface in contact with the liquid, and a heat transfer member that transfers heat from the heat transfer surface to the liquid,
A punching metal material having a plurality of through holes,
The punching metal material is disposed so as to face the heat transfer surface at an interval.
上記特徴構成によれば、パンチングメタル材が伝熱面と間隔をおいて対面して配置されるので、パンチングメタル材と伝熱面との間で、伝熱面に接する液体の流動が抑制される。その結果、伝熱面近傍の液体の過熱度を高めて沸騰を起こし易くすることができる。つまり、液体を沸騰させるための熱源として、より低温の熱源を用いることができる。 According to the above characteristic configuration, the punching metal material is disposed facing the heat transfer surface at an interval, so that the flow of liquid in contact with the heat transfer surface is suppressed between the punching metal material and the heat transfer surface. The As a result, the degree of superheat of the liquid in the vicinity of the heat transfer surface can be increased to facilitate boiling. That is, a lower temperature heat source can be used as a heat source for boiling the liquid.
本発明に係る伝熱装置の別の特徴構成は、前記伝熱部材は、内部に熱媒体が流れる伝熱管であり、
前記伝熱管は、平滑管、又は、前記伝熱面にフィン構造を有するローフィン管、又は、前記伝熱面にリエントラント構造を有するリエントラント管である点にある。
Another characteristic configuration of the heat transfer device according to the present invention is that the heat transfer member is a heat transfer tube in which a heat medium flows,
The heat transfer tube is a smooth tube, a low fin tube having a fin structure on the heat transfer surface, or a reentrant tube having a reentrant structure on the heat transfer surface.
上記特徴構成によれば、平滑管又はローフィン管又はリエントラント管を伝熱管(伝熱部材)として用いて伝熱装置を構成することができる。 According to the said characteristic structure, a heat transfer apparatus can be comprised using a smooth tube, a low fin tube, or a reentrant tube as a heat transfer tube (heat transfer member).
本発明に係る満液式再生器の特徴構成は、上記伝熱装置が、容器の内部に貯留された、吸収液と冷媒液とが混合された前記液体中に配置され、前記冷媒液を前記伝熱装置の前記伝熱面から伝達される熱によって蒸発させる点にある。
ここで、前記冷媒液として水を用い、前記吸収液として臭化リチウム水溶液を用いることもできる。
A characteristic configuration of the full-liquid regenerator according to the present invention is such that the heat transfer device is disposed in the liquid in which an absorption liquid and a refrigerant liquid are mixed and stored in a container, and the refrigerant liquid is It is in the point of evaporating with the heat transmitted from the heat transfer surface of the heat transfer device.
Here, water may be used as the refrigerant liquid, and an aqueous lithium bromide solution may be used as the absorbing liquid.
上記特徴構成によれば、満液式再生器を、吸収式冷凍機用の再生器に利用できる。また、吸収液を再生するための熱源として、より低温の熱源を用いることができる。 According to the above characteristic configuration, the full liquid regenerator can be used as a regenerator for an absorption refrigerating machine. Further, a lower temperature heat source can be used as a heat source for regenerating the absorbent.
本発明に係る蒸発器の特徴構成は、上記伝熱装置が、容器の内部に貯留された前記液体中に配置され、前記液体を前記伝熱装置の前記伝熱面から伝達される熱によって蒸発させる点にある。
ここで、前記液体は、水又はフロン又は炭化水素又はアンモニア又は二酸化炭素、或いは、それら液体の内の何れか二以上の混合物であってもよい。
A characteristic configuration of the evaporator according to the present invention is that the heat transfer device is disposed in the liquid stored in a container, and the liquid is evaporated by heat transmitted from the heat transfer surface of the heat transfer device. It is in point to let you.
Here, the liquid may be water, chlorofluorocarbon, hydrocarbon, ammonia, carbon dioxide, or a mixture of any two or more of these liquids.
上記特徴構成によれば、上記伝熱装置を用いて、液体の沸騰が起こり易い蒸発器を提供できる。また、液体を沸騰させるための熱源として、より低温の熱源を用いることができる。 According to the above characteristic configuration, it is possible to provide an evaporator in which liquid boiling easily occurs using the heat transfer device. Moreover, a lower temperature heat source can be used as a heat source for boiling the liquid.
以下に図面を参照して本発明の実施形態に係る伝熱装置10及びそれを備えた満液式再生器1について説明する。
図1は、伝熱装置10を備える満液式再生器1の構成を示す図である。図2は、伝熱装置10を備える満液式再生器1の断面図である。図3は、伝熱装置10の構造を説明する斜視図である。図示するように、満液式再生器1は、伝熱装置10が、容器2の内部に貯留された、吸収液と冷媒液とが混合された液体(混合液3)中に配置された構造になっている。そして、満液式再生器1では、冷媒液を伝熱装置10の伝熱面12から伝達される熱によって蒸発させる。この満液式再生器1は、冷媒を凝縮させる凝縮器と、その凝縮器で凝縮した冷媒液を蒸発させる蒸発器と、その蒸発器で蒸発した冷媒を吸収液で吸収する吸収器と、吸収器で得られた混合液(吸収液+冷媒液)から冷媒液を蒸発させることで吸収液及び冷媒を再生する再生器とを備える吸収式冷凍機の一部を構成する再生器として用いられる。例えば、冷媒液は水であり、吸収液は臭化リチウム水溶液である。
A
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a full
伝熱装置10は、伝熱部材11とパンチングメタル材13とを備える。パンチングメタル材13は、複数の貫通孔13aを有する。パンチングメタル材13は伝熱面12と間隔をおいて対面して配置される。伝熱部材11は、液体(本実施形態では、吸収液と冷媒液とが混合された混合液3)に接する伝熱面12を有し、その液体に対して伝熱面12から熱を伝達させる。本実施形態では、伝熱部材11は、内部に熱媒体Hが流れる伝熱管である。伝熱管の表面の伝熱面12は凹凸の無い滑らかな形状に形成されている。つまり、本実施形態の伝熱管は平滑管である。
The
伝熱部材11の内部を流れる熱媒体Hから、伝熱部材11の表面の伝熱面12に熱が伝達され、その熱が伝熱面12で、吸収液と冷媒液とが混合された混合液3に伝達される。本実施形態では、パンチングメタル材13は、ステンレスなどの金属製の筒状の部材に複数の貫通孔13aが形成された構造になっている。筒状のパンチングメタル材13の内部空間に伝熱部材11が配置されることで、パンチングメタル材13が伝熱部材11の伝熱面12と間隔Dをおいて対面して位置する。つまり、パンチングメタル材13と伝熱部材11の伝熱面12との間では、伝熱面12に沿った二次元面内で混合液3は自由に流動できる。これに対して、伝熱面12に垂直な方向には、パンチングメタル材13の貫通孔13aを経由して混合液3は流動できる。このように、伝熱面12から熱の伝達を受ける混合液3は、パンチングメタル材13によってその流動が制限されている。
Heat is transferred from the heat medium H flowing inside the
容器2の内部では、混合液3中に伝熱装置10が浸かるようになっている。容器2の一端側には、容器2の内部へ混合液3が流入する流入口4が設けられ、容器2の他端側には、容器2の内部から混合液3が流出する流出口5が設けられる。そして、容器2の内部では、混合液3は、伝熱装置10によって加熱されながら流入口4から流出口5の方へと流れる。つまり、容器2の内部では、吸収液と冷媒液とが混合された混合液3は、流入口4から流出口5へと流れる間に、伝熱装置10の伝熱面12から伝達される熱によって冷媒液が蒸発させられる。そして、流出口5からは、冷媒液が蒸発した後の混合液3が流出する。
Inside the
図1及び図2に示す例では、満液式再生器1が30本の伝熱装置10を備える例を示しているが、満液式再生器1が備える伝熱装置10の数は適宜設定可能である。また、30本の伝熱装置10が縦5列及び横6列で互いに平行に配置された例を示しているが、縦及び横の列数も適宜設定可能である。更に、隣り合う伝熱装置10との間隔も適宜設定可能である。
In the example shown in FIG.1 and FIG.2, although the full
図4は、プール沸騰実験により導出された、熱流束と熱伝達率との関係を示すグラフである。このプール沸騰実験では、満液式再生器1を模擬するために、図3に示した本実施形態の伝熱管(伝熱部材11)を模擬した平滑板と、パンチングメタル材13を模擬したパンチングプレートA〜Cとを、間隔D=1mmを空けて配置した。パンチングプレートA〜Cには、複数の貫通孔が千鳥配置で形成されている。各パンチングプレートA〜Cでの単位面積当たりの貫通孔の開口面積の割合を示す開口率は何れも40%である。混合液として、臭化リチウム水溶液(濃度=55wt%)を用い、圧力=6kPaで測定を行った。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the heat flux and the heat transfer coefficient, derived from the pool boiling experiment. In this pool boiling experiment, in order to simulate the full
パンチングプレートAは、金属製の板に、直径3mmの貫通孔を4.5mmのピッチ(即ち、隣り合う貫通孔の最小間隔は1.5mm)で配置したものである。パンチングプレートBは、金属製の板に、直径1.5mmの貫通孔を2.3mmのピッチ(即ち、隣り合う貫通孔の最小間隔は0.8mm)で配置したものである。パンチングプレートCは、金属製の板に、直径1mmの貫通孔を1.5mmのピッチ(即ち、隣り合う貫通孔の最小間隔は0.5mm)で配置したものである。
また、比較例として、パンチングプレートを配置していない例(即ち、平滑板のみ)を示す。
The punching plate A is a metal plate in which through holes having a diameter of 3 mm are arranged at a pitch of 4.5 mm (that is, the minimum interval between adjacent through holes is 1.5 mm). The punching plate B is a metal plate in which through holes having a diameter of 1.5 mm are arranged at a pitch of 2.3 mm (that is, the minimum interval between adjacent through holes is 0.8 mm). The punching plate C is a metal plate in which through holes having a diameter of 1 mm are arranged at a pitch of 1.5 mm (that is, the minimum interval between adjacent through holes is 0.5 mm).
Further, as a comparative example, an example in which no punching plate is arranged (that is, only a smooth plate) is shown.
図4に示すように、パンチングプレートを配置していない比較例と比べて、パンチングプレートA〜Cを平滑板から間隔を空けて配置した場合は、熱流束が相対的に小さい範囲で熱伝達率が大幅に向上したことが分る。特に、図中に白丸印で示すパンチングプレートAを配置した場合には、ほとんどの熱流束の範囲で熱伝達率が大幅に向上した。従って、図1〜図3に示した伝熱装置10でも、パンチングメタル材13を伝熱面12から少し離した位置に設置することで、伝熱面12の近傍における混合液3の流動が抑制され、それによって伝熱面12の近傍の混合液3の過熱度が高まって沸騰が起こり易くなると考えられる。つまり、満液式再生器1に供給する熱媒体Hを加熱するための熱源として、より低温の熱源を用いることができる。
As shown in FIG. 4, when the punching plates A to C are arranged at a distance from the smooth plate as compared with the comparative example in which no punching plate is arranged, the heat transfer coefficient is within a relatively small range of the heat flux. It can be seen that there has been a significant improvement. In particular, when the punching plate A indicated by a white circle in the figure is arranged, the heat transfer coefficient is greatly improved in most heat flux ranges. Therefore, also in the
<別実施形態>
<1>
上記実施形態では、伝熱装置10の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成については適宜変更可能である。
例えば、伝熱装置10に関して、伝熱管(伝熱部材11)の表面の伝熱面12が凹凸の無い滑らかな形状に形成されている場合、即ち、伝熱管が平滑管である場合を説明したが、伝熱管(伝熱部材11)の表面形状は別の形状であってもよい。
図5及び図6は、別の伝熱装置10の断面図である。具体的には、図5は、伝熱部材11が、管の表面の伝熱面12にフィン構造を有するローフィン管である場合の例である。図6は、伝熱部材11が、管の表面の伝熱面12にリエントラント構造を有するリエントラント管である場合の例である。このような構造の伝熱面12を採用しても、上記実施形態で説明したような熱伝導率の向上効果の程度は変わるが、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
<Another embodiment>
<1>
In the said embodiment, although the specific example was given and demonstrated about the structure of the
For example, regarding the
5 and 6 are cross-sectional views of another
また、上記実施形態において、満液式再生器1を吸収式冷凍機用の再生器として用いる場合、アンモニアを冷媒液として用い、水を吸収液として用いてもよい。
Further, in the above embodiment, when the full
更に、上記実施形態では、伝熱部材11が、内部に熱媒体Hが流れる伝熱管である場合を説明したが、伝熱部材11は、熱源からの熱を液体に伝達できる部材であれば、そのような管でなくてもよい。
Furthermore, in the said embodiment, although the case where the heat-
上記実施形態では、伝熱装置10を備える満液式再生器1を吸収式冷凍機用の再生器として用いる例を説明したが、伝熱装置10を吸収式冷凍機用の再生器とは別の用途の熱交換器に利用してもよい。具体的には、上記伝熱装置10が、容器の内部に貯留された液体中に配置され、その液体を伝熱装置10の伝熱面12から伝達される熱によって蒸発させるタイプの蒸発器(満液式の蒸発器)に利用できる。
In the above embodiment, the example in which the full
例えば、上記伝熱装置10を、上述した吸収式冷凍機用の蒸発器に用いることができる。この場合、伝熱装置10を有する蒸発器は、吸収式冷凍サイクルを構成する凝縮器及び蒸発器及び吸収器及び再生器のうちの蒸発器として機能し、凝縮器で得られた冷媒液を蒸発させて、その蒸気を吸収器に供給する。
For example, the
他にも、上記伝熱装置10を、蒸気圧縮冷凍サイクル用の蒸発器に用いることができる。この場合、伝熱装置10を有する蒸発器は、蒸気圧縮冷凍サイクルを構成する圧縮機及び凝縮器及び減圧器及び蒸発器のうちの蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させた上で圧縮機に供給する。また、蒸気圧縮冷凍サイクルを循環する冷媒としては、水又はフロン又は炭化水素又はアンモニア又は二酸化炭素、或いは、それら冷媒の内の何れか二以上の混合物などを用いることができる。
In addition, the
他にも、上記伝熱装置10を、ランキンサイクル用の蒸発器に用いることができる。この場合、伝熱装置10を有する蒸発器は、作動流体(本発明の「液体」)を凝縮させる凝縮器と、その凝縮器で凝縮された作動流体を昇圧するポンプと、そのポンプで昇圧された作動流体を蒸発させる蒸発器と、その蒸発器で蒸発された作動流体を膨張させる膨張器とを備えるランキンサイクルの一部を構成する蒸発器として機能する。また、このランキンサイクルを相対的に低温の熱を用いて発電が行われるバイナリー発電に利用する場合であれば、ランキンサイクルを循環する作動流体としては、相対的に低沸点のフロン等や、上記蒸気圧縮冷凍サイクルに関して説明したのと同様の作動流体の混合物(例えば、フロン同士の混合物、炭化水素同士の混合物でも可)などが用いられ、このランキンサイクルを火力発電等に利用する場合であれば、ランキンサイクルを循環する作動流体としては水などが用いられる。
In addition, the
尚、上記伝熱装置を有する蒸発器の適用例を幾つか例示したが、単に水などの液体を加熱して蒸発させるボイラーなどにもその蒸発器を利用できる。 Although several examples of application of the evaporator having the heat transfer device have been illustrated, the evaporator can be used for a boiler that simply heats and evaporates a liquid such as water.
<2>
上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
<2>
The configuration disclosed in the above embodiment (including another embodiment, the same applies hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in the other embodiment as long as no contradiction arises. The embodiment disclosed in the document is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited to this, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
本発明は、液体の沸騰を起こし易くできる伝熱装置及び満液式再生器及び蒸発器に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a heat transfer device, a full liquid regenerator and an evaporator that can easily cause liquid boiling.
1 満液式再生器
2 容器
10 伝熱装置
11 伝熱部材
12 伝熱面
13 パンチングメタル材
13a 貫通孔
DESCRIPTION OF
Claims (7)
複数の貫通孔を有するパンチングメタル材とを備え、
前記パンチングメタル材が前記伝熱面と間隔をおいて対面して配置される伝熱装置。 A heat transfer surface in contact with the liquid and transferring heat from the heat transfer surface to the liquid; and
A punching metal material having a plurality of through holes,
A heat transfer device in which the punching metal material is arranged to face the heat transfer surface at an interval.
前記伝熱管は、平滑管、又は、前記伝熱面にフィン構造を有するローフィン管、又は、前記伝熱面にリエントラント構造を有するリエントラント管である請求項1に記載の伝熱装置。 The heat transfer member is a heat transfer tube in which a heat medium flows,
The heat transfer device according to claim 1, wherein the heat transfer tube is a smooth tube, a low fin tube having a fin structure on the heat transfer surface, or a reentrant tube having a reentrant structure on the heat transfer surface.
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