JP2019135418A - Shell-and-tube heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本開発は、伝熱管として扁平管を用いたシェルアンドチューブ熱交換器に関する。 This development relates to a shell and tube heat exchanger using a flat tube as a heat transfer tube.
冷凍サイクル装置では、ヒートポンプサイクルの中で作動媒体として冷媒が循環し、冷媒を蒸発させて冷媒蒸気を発生させる蒸発器と、冷媒蒸気を吸入して圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒蒸気を吸入して凝縮させる凝縮器と、から構成されている。この中で、蒸発器は冷水などから吸熱した熱により冷媒液を蒸発する熱交換器であって、伝熱管などの伝熱面を介して熱交換する間接型熱交換器である。図9は、特許文献1に記載された従来の扁平管を用いたシェルアンドチューブ熱交換器の構成を示すものである。図9に示すように、従来の扁平管を用いたシェルアンドチューブ熱交換器は、蒸発器シェル22、扁平伝熱管23、ノズル部材24、冷却媒体流入管25から構成される。本従来例では、扁平伝熱管23は、3列4段で水平に配置されている。冷却媒体はシェル22の両端に設けられたノズル部材24から水平に配置された扁平伝熱管23群の各扁平伝熱管23に対応して噴出される。ノズル部材24から噴出された冷却媒体は水平方向に流出し、扁平伝熱管23の扁平面で接触し扁平伝熱管23の内部を流通する熱媒体と熱交換を行う。
In the refrigeration cycle apparatus, a refrigerant circulates as a working medium in a heat pump cycle, an evaporator that evaporates the refrigerant to generate a refrigerant vapor, a compressor that sucks and compresses the refrigerant vapor, and a compressor that compresses the refrigerant And a condenser that sucks and condenses the refrigerant vapor. Among them, the evaporator is a heat exchanger that evaporates the refrigerant liquid by heat absorbed from cold water or the like, and is an indirect heat exchanger that exchanges heat through a heat transfer surface such as a heat transfer tube. FIG. 9 shows a configuration of a shell and tube heat exchanger using a conventional flat tube described in
従来の扁平管を用いたシェルアンドチューブ熱交換器は、複数の扁平伝熱管が水平に積層して配置されており、扁平伝熱管の間に冷媒液が滞留する。特に、冷媒を水として用いた場合、接触角が大きいため水平に配置された扁平伝熱管間にブリッジしやすく、液膜は厚くなり、熱抵抗となって伝熱性能は低下する。そこで、扁平管の扁平面を水平に対して垂直に配置することで、扁平管の間の冷媒液は鉛直下向き方向に流下して扁平管表面上に滞留しない。それにより、熱抵抗を低減することが出来る。しかしながら、扁平管の配列には熱媒体の流れ方向と、扁平管表面上に噴霧される冷媒液の位置関係が重要である。冷媒の蒸発温度と冷水との温度差が大きくなる領域(例えば、熱媒体の入口近辺)において、渇き面(ドライアウト)が発生し、有効伝熱面積が減少することから伝熱性能が低下するという課題を有していた。 In a conventional shell-and-tube heat exchanger using a flat tube, a plurality of flat heat transfer tubes are horizontally stacked, and a refrigerant liquid stays between the flat heat transfer tubes. In particular, when the coolant is used as water, the contact angle is large, so that it is easy to bridge between horizontally arranged flat heat transfer tubes, the liquid film becomes thick, and heat resistance is reduced due to thermal resistance. Therefore, by arranging the flat surface of the flat tube perpendicular to the horizontal, the refrigerant liquid between the flat tubes flows down in the vertical downward direction and does not stay on the flat tube surface. Thereby, thermal resistance can be reduced. However, for the arrangement of the flat tubes, the flow direction of the heat medium and the positional relationship of the refrigerant liquid sprayed on the flat tube surface are important. In a region where the temperature difference between the refrigerant evaporation temperature and cold water is large (for example, near the entrance of the heat medium), a thirsty surface (dryout) occurs, and the effective heat transfer area decreases, resulting in a decrease in heat transfer performance. It had the problem that.
前記従来の課題を解決するために、本発明のシェルアンドチューブ熱交換器は、伝熱管として扁平管を用いたシェルアンドチューブ熱交換器であって、表面に扁平面を有した複数の伝熱管を含み、鉛直方向に配置される複数の伝熱管ユニットと、鉛直方向で前記複数の伝熱管ユニットの間に配置され、前記伝熱管の表面に冷媒液を噴霧するノズルと、前記複数の伝熱管ユニット及び前記ノズルを収納し、鉛直方向の下に前記冷媒液を流入させる冷媒流入管と、鉛直方向の上に前記冷媒液を排出する冷媒流出管と、を有するシェルを備え、前記伝熱管ユニットは、前記伝熱管を束ねる伝熱部と、前記伝熱部の外側に位置され、隣接する他の伝熱管ユニットに、前記伝熱管を介して前記冷媒液と熱交換を行う熱媒体を移動させる伝熱部ヘッダーと、を有し、前記シェルは、鉛直方向の下に前記熱媒体を流入させる流入口と、鉛直方向で最も下の前記伝熱管ユニットから鉛直方向で最も上の前記伝熱管ユニットまで、前記熱媒体流出させる流出口と、を有するように構成したものである。 In order to solve the conventional problem, the shell and tube heat exchanger of the present invention is a shell and tube heat exchanger using a flat tube as a heat transfer tube, and has a plurality of heat transfer tubes having a flat surface on the surface. A plurality of heat transfer tube units arranged in the vertical direction, a nozzle arranged between the plurality of heat transfer tube units in the vertical direction and spraying a refrigerant liquid on the surface of the heat transfer tubes, and the plurality of heat transfer tubes The heat transfer tube unit includes a shell that houses the unit and the nozzle and has a refrigerant inflow pipe that allows the refrigerant liquid to flow in a vertical direction and a refrigerant outflow pipe that discharges the refrigerant liquid in a vertical direction. Moves a heat transfer unit that bundles the heat transfer tubes and a heat transfer medium that is located outside the heat transfer unit and that exchanges heat with the refrigerant liquid via the heat transfer tubes to another adjacent heat transfer tube unit. Heat transfer section header The shell has an inlet for allowing the heat medium to flow downward in the vertical direction, and the heat medium outflow from the lowermost heat transfer tube unit in the vertical direction to the uppermost heat transfer tube unit in the vertical direction. And an outflow port.
これによって、熱媒体(例えば、冷水)は、シェルの下方部に設けられた伝熱管の冷媒流入管から上方部にかけて流れる。一方で、冷媒液は複数のノズルに分流して扁平管の表面上に均一に噴霧される。この時、シェルの上方部の扁平管で蒸発に寄与しなかった冷媒液は、扁平管表面に沿って流下し、下方部の扁平管に再付着する。つまり、扁平管の下段にいくほど、冷媒の蒸発温度と冷水との温度差が大きく渇き面(ドライアウト)が発生しやすいが、上段に比べて管表面上の冷媒液量は増大する。それにより、冷媒の蒸発温度と冷水との温度差が大きくなる領域において、ドライアウトの発生を抑制することから、有効伝熱面積が増加するため、伝熱性能が向上する。 Thereby, a heat medium (for example, cold water) flows from the refrigerant inflow pipe of the heat transfer pipe provided in the lower part of the shell to the upper part. On the other hand, the refrigerant liquid is divided into a plurality of nozzles and sprayed uniformly on the surface of the flat tube. At this time, the refrigerant liquid that has not contributed to evaporation in the flat tube at the upper part of the shell flows down along the surface of the flat tube and reattaches to the flat tube at the lower part. That is, the lower the flat tube, the greater the temperature difference between the evaporation temperature of the refrigerant and the cold water, and the more likely the thirsty surface (dryout) occurs. However, the amount of refrigerant liquid on the tube surface increases compared to the upper tube. As a result, in the region where the temperature difference between the evaporation temperature of the refrigerant and the cold water is large, the occurrence of dryout is suppressed, so the effective heat transfer area is increased and the heat transfer performance is improved.
上記のシェルアンドチューブ熱交換器によれば、冷媒の蒸発温度と冷水との温度差が大きく渇き面(ドライアウト)が発生しやすい下方部の扁平管において冷媒液を十分に確保することから、ドライアウトの発生を抑制する。それにより、特に高熱流束域において、有効伝熱面積が増大し、伝熱性能を向上することが出来る。その結果、熱交容積を小型化することが可能であり、冷凍サイクル装置の設置面積の縮小にもつなげることが出来る。 According to the shell-and-tube heat exchanger described above, since the temperature difference between the evaporation temperature of the refrigerant and the cold water is large and a sufficient amount of refrigerant liquid is secured in the flat tube in the lower part where a dry surface (dryout) is likely to occur. Suppresses the occurrence of dryout. Thereby, especially in a high heat flux area, an effective heat transfer area increases and heat transfer performance can be improved. As a result, the heat exchange volume can be reduced, and the installation area of the refrigeration cycle apparatus can be reduced.
第1の発明は、伝熱管として扁平管を用いたシェルアンドチューブ熱交換器であって、表面に扁平面を有した複数の伝熱管を含み、鉛直方向に配置される複数の伝熱管ユニットと、鉛直方向で複数の伝熱管ユニットの間に配置され、伝熱管の表面に冷媒液を噴霧するノズルと、複数の伝熱管ユニット及びノズルを収納し、鉛直方向の下に冷媒液を流入させる冷媒流入管と、鉛直方向の上に冷媒液を排出する冷媒流出管と、を有するシェルを備え、伝熱管ユニットは、伝熱管を束ねる伝熱部と、伝熱部の外側に位置され、隣接する他の伝熱管ユニットに、伝熱管を介して冷媒液と熱交換を行う熱媒体を移動させる伝熱部ヘッダーと、を有し、シェルは、鉛直方向の下に熱媒体を流入させる流入口と、鉛直方向で最も下の伝熱管ユニットから鉛直方向で最も上の伝熱管ユニットまで、熱媒体流出させる流出口と、を有するように構成したものである。熱媒体(例えば、冷水)は、シェルの下方部に設けられた伝熱管の冷媒流入管から上方部にかけて流れる。一方で、冷媒液は複数のノズルに分流して扁平管の表面上に均一に噴霧される。この時、シェルの上方部の扁平管で蒸発に寄与しなかった冷媒液は、扁平管表面に沿って流下し、下方部の扁平管に再付着する。つまり、扁平管の下段にいくほど、冷媒の蒸発温度と冷水との温度差が大きく渇き面(ドライアウト)が発生しやすいが、上段に比べて管表面上の冷媒液量は増大する。それにより、冷媒の蒸発温度と冷水との温度差が大きくなる領域において、ドライアウトの発生を抑制することから、有効伝熱面積が増加するため、伝熱性能が向上する。 A first invention is a shell and tube heat exchanger using a flat tube as a heat transfer tube, including a plurality of heat transfer tubes having a flat surface on a surface, and a plurality of heat transfer tube units arranged in a vertical direction; The nozzle is arranged between the plurality of heat transfer tube units in the vertical direction and sprays the refrigerant liquid on the surface of the heat transfer tube, and the refrigerant that houses the plurality of heat transfer tube units and the nozzle and allows the refrigerant liquid to flow downward in the vertical direction. A shell having an inflow pipe and a refrigerant outflow pipe for discharging the refrigerant liquid in the vertical direction is provided, and the heat transfer tube unit is located adjacent to the heat transfer portion that bundles the heat transfer tubes and the heat transfer portion. A heat transfer section header that moves the heat transfer medium that exchanges heat with the refrigerant liquid to the other heat transfer pipe unit via the heat transfer pipe, and the shell includes an inlet that allows the heat transfer medium to flow downward in the vertical direction. Vertical from the lowest heat transfer tube unit in the vertical direction Until the uppermost heat transfer tube unit in countercurrent, which is constituted so as to have an outlet for heat medium outflow and. A heat medium (for example, cold water) flows from the refrigerant inflow pipe of the heat transfer pipe provided in the lower part of the shell to the upper part. On the other hand, the refrigerant liquid is divided into a plurality of nozzles and sprayed uniformly on the surface of the flat tube. At this time, the refrigerant liquid that has not contributed to evaporation in the flat tube at the upper part of the shell flows down along the surface of the flat tube and reattaches to the flat tube at the lower part. That is, the lower the flat tube, the greater the temperature difference between the evaporation temperature of the refrigerant and the cold water, and the more likely the thirsty surface (dryout) occurs. However, the amount of refrigerant liquid on the tube surface increases compared to the upper tube. As a result, in the region where the temperature difference between the evaporation temperature of the refrigerant and the cold water is large, the occurrence of dryout is suppressed, so the effective heat transfer area is increased and the heat transfer performance is improved.
第2の発明は、特に、第1の発明のシェルアンドチューブ熱交換器において、シェルは、シェルの鉛直方向の下に、ノズルから噴霧された冷媒液を貯留させる貯留部と、貯留部とノズルとを連結する冷媒液循環回路と、冷媒液循環回路を通ってノズルに貯留部の冷媒液を圧送し、ノズルと貯留部との間を冷媒液で循環させる冷媒液循環ポンプと、を有するように構成したものである。蒸発能力に応じた冷媒液を扁平管の表面上に噴霧させるため、冷媒液循環ポンプの回転数を変動させる。それにより、いかなる運転条件においても、蒸発量に適した冷媒液を噴霧するため、ドライアウトを抑制しつつ液膜熱抵抗が小さい薄膜を維持することから、伝熱性能が向上する。 According to a second aspect of the present invention, in particular, in the shell-and-tube heat exchanger according to the first aspect of the present invention, the shell stores the refrigerant liquid sprayed from the nozzle below the vertical direction of the shell, and the storage unit and the nozzle A refrigerant liquid circulation circuit that connects to the nozzle, and a refrigerant liquid circulation pump that pumps the refrigerant liquid in the reservoir to the nozzle through the refrigerant liquid circulation circuit and circulates between the nozzle and the reservoir with the refrigerant liquid. It is configured. In order to spray the refrigerant liquid corresponding to the evaporation capacity on the surface of the flat tube, the rotational speed of the refrigerant liquid circulation pump is varied. Thereby, in any operating condition, since the refrigerant liquid suitable for the evaporation amount is sprayed, the thin film having a small liquid film thermal resistance is maintained while the dry-out is suppressed, so that the heat transfer performance is improved.
第3の発明は、特に、第1または第2の発明のシェルアンドチューブ熱交換器において、冷媒液循環回路には、ノズルの流量を調整する調整機構を備えたものである。バルブの開度を調整することにより、冷媒液が蒸発しやすいシェルの下方部に位置するノズルから噴霧される冷媒液の噴霧量を、上方部に位置するノズルから噴霧される冷媒液の噴霧量よりも多くなるように流量調整する。それにより、下方部において冷媒液の噴霧量を十分に確保し、過負荷状態で特にドライアウトしやすい場合においても、ドライアウトを抑制する。従って、特に高熱流束域において、有効伝熱面積が増大し、伝熱性能が向上する。 In a third aspect of the invention, in particular, in the shell and tube heat exchanger of the first or second aspect of the invention, the refrigerant liquid circulation circuit is provided with an adjustment mechanism for adjusting the flow rate of the nozzle. By adjusting the opening of the valve, the amount of refrigerant liquid sprayed from the nozzle located in the lower part of the shell where the refrigerant liquid easily evaporates is changed to the amount of refrigerant liquid sprayed from the nozzle located in the upper part. Adjust the flow rate so that there is more. Thereby, the spray amount of the refrigerant liquid is sufficiently ensured in the lower portion, and the dry-out is suppressed even when the dry-out particularly easily occurs in an overload state. Therefore, especially in a high heat flux region, the effective heat transfer area is increased and the heat transfer performance is improved.
第4の発明は、特に、第1〜3の発明のシェルアンドチューブ熱交換器において、伝熱部の表面積は、伝熱部ヘッダーを挟んで流入口から流出口に向かって次第に大きくなるように配置されたものである。シェルの下方部に設けられた流入口近傍の伝熱管は、冷媒の蒸発温度と冷水との温度差が大きくなるため蒸発量が多いが、流出口に向かって次第に蒸発量は低下することから、伝熱面積当たりの噴霧量が適切になるように、各伝熱部の蒸発量に合わせて上流部から下流部にかけて伝熱部の表面積を次第に大きくする。従って、各伝熱部の蒸発量に応じて冷媒液の噴霧量を調整するバルブを必要としないため、最低限の構成部品でドライアウトを抑制することが可能である。それにより、有効伝熱面積が増大し、伝熱性能が向上する。 In particular, in the shell and tube heat exchanger of the first to third inventions, the fourth invention is such that the surface area of the heat transfer section gradually increases from the inlet to the outlet across the heat transfer header. It is arranged. The heat transfer tube near the inlet provided in the lower part of the shell has a large evaporation amount because the temperature difference between the evaporation temperature of the refrigerant and cold water increases, but the evaporation amount gradually decreases toward the outlet, The surface area of the heat transfer portion is gradually increased from the upstream portion to the downstream portion in accordance with the evaporation amount of each heat transfer portion so that the spray amount per heat transfer area becomes appropriate. Therefore, since a valve for adjusting the spray amount of the refrigerant liquid according to the evaporation amount of each heat transfer section is not required, dryout can be suppressed with a minimum number of components. Thereby, an effective heat transfer area increases and heat transfer performance improves.
第5の発明は、特に第1〜4の発明のシェルアンドチューブ熱交換器において、伝熱部の内部を流れる熱媒体の流路断面積は、流入口から流出口に向かって次第に小さくなるように配置されたものである。伝熱管の流入口から流出口にかけて冷水流路の断面積を小さくすることにより、同じ冷水流量でも流出口の方が冷水の流速が上がる。それにより、流出口近傍の伝熱管の方が流入口に比べて管内熱伝達率が向上するため、伝熱部の表面積を増やすことなく、蒸発量が少ない流出口近傍において伝熱性能が向上する。 In the fifth invention, particularly in the shell-and-tube heat exchangers of the first to fourth inventions, the flow path cross-sectional area of the heat medium flowing inside the heat transfer section gradually decreases from the inlet toward the outlet. Is arranged. By reducing the cross-sectional area of the chilled water passage from the inlet to the outlet of the heat transfer tube, the flow rate of the chilled water at the outlet increases even with the same chilled water flow rate. As a result, the heat transfer tube in the vicinity of the outlet has a higher heat transfer coefficient in the tube than the inlet, so that the heat transfer performance is improved in the vicinity of the outlet where the amount of evaporation is small without increasing the surface area of the heat transfer section. .
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1aにおける冷凍サイクル装置の構成図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration diagram of a refrigeration cycle apparatus according to
図1において、冷凍サイクル装置1aは冷媒を蒸発させて冷媒蒸気を発生させる蒸発器2と、冷媒蒸気を吸入して圧縮する圧縮機4と、圧縮機4で圧縮された冷媒蒸気を吸入して凝縮させる凝縮器6と、吸熱回路8及び放熱回路9と、から構成されている。
In FIG. 1, a
以上のように構成された冷凍サイクル装置1aについて、以下その動作、作用を説明する。
About the refrigerating-
図1において、冷凍サイクル装置1aは、R134aなどのHFC系冷媒、アンモニアや二酸化炭素などのノンフロン冷媒のような冷媒を作動媒体とした冷凍サイクル装置である。
In FIG. 1, a
蒸発器2は、冷凍サイクル装置1aの外部より熱を吸熱することで冷媒液を蒸発させ、冷媒蒸気を発生する熱交換器であり、例えばシェルアンドチューブ型の間接型熱交換器である。
The
圧縮機4は、蒸発器2で発生した冷媒蒸気を吸収し圧縮する圧縮機であり、例えばターボ圧縮機のような速度型の圧縮機やスクリュー圧縮機のような容積型の圧縮機である。
The
凝縮器6は、圧縮機4により圧縮された冷媒蒸気を導入し、冷凍サイクル装置1aの外部に放熱することで冷媒蒸気を凝縮する熱交換器であり、例えばシェルアンドチューブ型の間接型熱交換器である。
The condenser 6 is a heat exchanger that introduces the refrigerant vapor compressed by the
第一冷媒蒸気流路3は、蒸発器2の冷媒蒸気吐出口から圧縮機4の冷媒蒸気吸入口に向かって接続されており、蒸発器2で発生した冷媒蒸気を圧縮機4へ搬送する。第二冷媒蒸気流路5は、圧縮機4の冷媒蒸気吐出口から凝縮器6の冷媒蒸気吸入口に向かって接続されており、圧縮機4で圧縮された冷媒蒸気を凝縮器6へ搬送する。
The first refrigerant vapor channel 3 is connected from the refrigerant vapor outlet of the
冷媒液流路7は、凝縮器6から蒸発器2に向かって接続されており、凝縮器6の冷媒液を蒸発器2へ搬送する。
The refrigerant
図2は、本発明の実施の形態1における蒸発器2の構成図を示すものである。
FIG. 2 shows a configuration diagram of the
図2において、蒸発器2は間接型熱交換器であるシェルアンドチューブ熱交換器1bである。シェルアンドチューブ熱交換器1bはシェル10、伝熱部ヘッダー11、伝熱部12、ノズル13、流入口16、流出口17、冷媒流入管26、冷媒流出管27から構成されている。
In FIG. 2, the
伝熱部12の扁平面は、水平に対して垂直に設けられており、扁平面が対向するように複数の伝熱部12から構成されている。伝熱部12は複数のパスから構成されており、各々の伝熱部12の端部は、上下方向において伝熱部ヘッダー11で接続されている。
The flat surface of the
吸熱回路8の冷水は、シェル10の下方部に位置する冷媒流入管26から流入し、複数の伝熱部ヘッダー11及び伝熱部12を経由して、シェル10の上方部に位置する冷媒流出管27から流出する。すなわち、複数の伝熱部ヘッダー11及び伝熱部12は、鉛直上向き方向にシェル10の下方部から上方部に向かって延びている。
The cold water of the heat absorption circuit 8 flows in from the
流出口17は第一冷媒蒸気流路3と連結しており、蒸発器2で発生した冷媒蒸気は流出口17及び第一冷媒蒸気流路3を経由して、圧縮機4へ搬送される。
The
図3は、図2におけるA−Aの断面図である。伝熱部12は、シェル10内に所定の間隔(例えば、空間間隔5mm)で配列されており、ノズル13は伝熱部12の配列の隙間に向かって冷媒液を噴霧する構成となっている。
3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. The
また、伝熱部12の扁平面の方向軸と流出口17の方向軸は、平行に配置されている。すなわち、隣り合う伝熱部12の扁平面との間に形成された空間は、流出口17側に開口を有する。
Further, the direction axis of the flat surface of the
なお、本実施の形態において、シェル10は矩形の断面形状を有しているが、円形の断面形状を有してもよい。また、耐圧容器であってもよい。
In the present embodiment, the
図4は、伝熱部12の断面の拡大図であり、例えば多穴扁平管である。伝熱部12は、扁平管外壁18と扁平管隔壁19で構成され、扁平管外壁18と扁平管隔壁19で囲われた空間が熱媒体流路20となる。扁平管外壁18と扁平管隔壁19は薄板であり、例えば0.5〜0.8mm程度の厚みである。一方、熱媒体流路20の断面形状は、本実施の形態では矩形を有しており、例えば、一辺が0.5〜3mm程度の矩形の断面を有する細管形状である。なお、本実施の形態では、熱媒体流路20の断面形状は矩形であるが、円形、三角形などの形状でもよい。また、流路の流れ方向に対して、その内壁面に微細な溝もしくはフィンを形成して表面積を増大させてもよい。
FIG. 4 is an enlarged view of a cross section of the
以上のように構成されたシェルアンドチューブ熱交換器1bについて、以下その動作・作用について、図2を用いて説明する。
The operation and action of the shell and
このような構成において、蒸発器2のシェル10内部では、冷媒液が複数のノズル13から霧化状態の冷媒液として伝熱部12に向かって噴霧される。複数のノズル13から噴霧された冷媒液は、隣り合う伝熱部12の扁平面との間に形成された空間に向かって流下し、伝熱部12の表面上に付着する。ここで付着した冷媒液は、図4に示す扁平管の熱媒体流路20を流れる熱媒体(例えば、冷水)と熱交換して、伝熱部12の表面上で蒸発気化し冷媒蒸気となる。
In such a configuration, in the
この時、シェル10の上方部に位置する伝熱部12において蒸発に寄与しなかった冷媒液は、扁平面に沿って鉛直下向き流下し、シェル10の下方部の伝熱部12の表面に再付着する。一方で、伝熱部12の熱媒体流路20を流れる熱媒体は、シェル10の下方部に位置する冷媒液流入管26から流入し、複数の伝熱部ヘッダー11及び伝熱部12を経由して、シェル10の上方部に位置する冷媒液流出管27から流出する。すなわち、シェル10の下方部に位置する伝熱部12を通水する熱媒体の温度(例えば、12℃)と蒸発温度(例えば、6℃)との温度差△T1は、シェル10の上方部に位置する伝熱部12を通水する熱媒体(例えば、7℃)と蒸発温度(例えば、6℃)との温度差△T2よりも大きくなる(△T1>△T2)。従って、シェル10の下方部に位置する伝熱部12の表面上は、上方部と比較して渇き面(ドライアウト)が多くなるため、伝熱に寄与する有効伝熱面積が減少しやすい。
At this time, the refrigerant liquid that has not contributed to evaporation in the
しかしながら、本開示の実施の形態1は、以下の2つの特徴を有している。 However, the first embodiment of the present disclosure has the following two features.
(特徴1)シェルが、鉛直方向で複数の伝熱管ユニットの間に配置され、伝熱管の表面に冷媒液を噴霧するノズルを用いること。 (Feature 1) A shell is arranged between a plurality of heat transfer tube units in the vertical direction, and a nozzle that sprays a refrigerant liquid on the surface of the heat transfer tube is used.
(特徴2)シェルが、鉛直方向の下に熱媒体を流入させる流入口と、鉛直方向で最も下の伝熱管ユニットから鉛直方向で最も上の前記伝熱管ユニットまで、熱媒体流出させる流出口とを有すること。 (Characteristic 2) An inlet through which the shell allows the heat medium to flow downward in the vertical direction, and an outlet from which the heat medium flows out from the lowermost heat transfer tube unit in the vertical direction to the uppermost heat transfer tube unit in the vertical direction; Having
従って、シェル10の下方部の伝熱部12の表面には、上方部の伝熱部12から流下した冷媒液が再付着する。その結果、上方部と比較して下方部の伝熱部12表面上の冷媒液量の方が多くなる。そのことにより、シェル10の下方部で発生しやすいドライアウトを抑制するため、特に高熱流束域において、有効伝熱面積が増大し、伝熱性能を向上することが出来る。
Therefore, the refrigerant liquid that has flowed down from the upper
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2におけるシェルアンドチューブ熱交換器1cの構成図を示すものである。
(Embodiment 2)
FIG. 5 shows a configuration diagram of a shell-and-tube heat exchanger 1c according to
図5において、蒸発器2は間接型熱交換器であるシェルアンドチューブ熱交換器1cであり、蒸発器2のシェル10の下方部には、凝縮器6から冷媒液流路7を経由して搬送された冷媒液が貯留されている。蒸発器2に貯留された冷媒液は、冷媒液循環回路14に流れ込み、冷媒液循環ポンプ15によって複数のノズル13に圧送される。
In FIG. 5, the
以上のように構成されたシェルアンドチューブ熱交換器1cについて、以下その動作、作用を説明する。なお、実施の形態2では、実施の形態1と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。 About the shell and tube heat exchanger 1c comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is partially omitted.
このような構成において、冷媒液は冷媒液循環ポンプ15の回転数を変動させて吐出圧力を調整することにより、蒸発能力に応じた冷媒液を伝熱部12の表面上に噴霧させる。その結果、想定される任意の運転条件においても、蒸発量に適した冷媒液を噴霧するため、ドライアウトを抑制しつつ液膜熱抵抗が小さい薄膜を維持することから、伝熱性能が向上することが出来る。
In such a configuration, the refrigerant liquid sprays the refrigerant liquid on the surface of the
(実施の形態3)
図6は、本発明の実施の形態3におけるシェルアンドチューブ熱交換器1dの構成図を示すものである。
(Embodiment 3)
FIG. 6 shows a configuration diagram of a shell and tube heat exchanger 1d according to Embodiment 3 of the present invention.
図6において、蒸発器2は間接型熱交換器であるシェルアンドチューブ熱交換器1dであり、シェルアンドチューブ熱交換器1dの冷媒液循環回路14には、複数のバルブ21が備えられている。バルブ21は、冷媒液循環ポンプ15とノズル13との間に配置されている。
In FIG. 6, the
以上のように構成されたシェルアンドチューブ熱交換器1dについて、以下その動作、作用を説明する。なお、実施の形態3では、実施の形態1〜2と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。 About the shell and tube heat exchanger 1d comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below. In the third embodiment, the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is partially omitted.
このような構成において、バルブ21の開度を調整することにより、冷媒液が蒸発しやすいシェル10の下方部に位置するノズル13から噴霧される冷媒液の噴霧量を、上方部に位置するノズル13から噴霧される冷媒液の噴霧量よりも多くなるように流量調整する。その結果、下方部において冷媒液の噴霧量を十分に確保し、過負荷状態で特にドライアウトしやすい場合においても、ドライアウトを抑制するため、特に高熱流束域において有効伝熱面積が増大し、伝熱性能が向上する。
In such a configuration, by adjusting the opening of the
(実施の形態4)
図7は、本発明の実施の形態3におけるシェルアンドチューブ熱交換器1eの構成図を示すものである。
(Embodiment 4)
FIG. 7 shows a configuration diagram of a shell-and-tube heat exchanger 1e according to Embodiment 3 of the present invention.
図7において、蒸発器2は間接型熱交換器であるシェルアンドチューブ熱交換器1eであり、伝熱部12の表面積は、伝熱部ヘッダー11を挟んで冷媒液流入管26から冷媒液流出管27に向かって次第に大きくなるように配置されたものである。具体的には、伝熱部12の扁平管の扁平面の幅を大きくしている。
In FIG. 7, the
以上のように構成されたシェルアンドチューブ熱交換器1eについて、以下その動作、作用を説明する。なお、実施の形態4では、実施の形態1〜3と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。 About the shell and tube heat exchanger 1e comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below. In the fourth embodiment, the same components as those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is partially omitted.
このような構成において、冷媒液流入管26近傍の伝熱管は、冷媒の蒸発温度と冷水との温度差が大きくなるため蒸発量が多いが、冷媒液流出管27に向かって次第に蒸発量は低下することから、伝熱面積当たりの噴霧量が適切になるように、伝熱部12の蒸発量に合わせて、冷媒液流入管26から冷媒液流出管27に向かって伝熱部12の表面積を次第に大きくする。従って、伝熱部12の蒸発量に応じてノズル13からの冷媒液の噴霧量を調節するバルブ21が不要となるので、最低限の構成部品でドライアウトを抑制することが可能である。それにより、有効伝熱面積が増大し、伝熱性能が向上する。
In such a configuration, the heat transfer pipe in the vicinity of the refrigerant
(実施の形態5)
図8は、本発明の実施の形態5における伝熱部12の図(断面図)を示すものである。
(Embodiment 5)
FIG. 8 shows a diagram (cross-sectional view) of
図8において、(A)〜(C)は伝熱部12の断面図をそれぞれ示したものであり、伝熱部12の内部を流れる熱媒体の熱媒体流路20の断面積は、冷媒流入管26から冷媒流出管27に向かって、(A)>(B)>(C)となるように、次第に小さくなるように配置されている。
8, (A) to (C) are cross-sectional views of the
以上のように構成された伝熱部12について、以下その動作、作用を説明する。なお、実施の形態5では、実施の形態1〜4と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。
About the
このような構成において、伝熱部12の内部を流れる熱媒体の熱媒体流路20の断面積を、冷媒流入管26から冷媒流出管27に向かって次第に小さくなるように配置することにより、冷媒流入管26から流入する冷水流量が同じ場合においても、冷媒流出管27近傍の伝熱部12の方が冷媒流入管26近傍に比べて冷水の流速が上がる。それにより、冷媒流出管27近傍の伝熱部12の管内熱伝達率が向上するため、伝熱部12の表面積を増やすことなく、蒸発量が少ない冷媒流出管27近傍の伝熱部12において伝熱性能が向上する。
In such a configuration, the refrigerant is arranged such that the cross-sectional area of the heat
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置1a〜eは、空気調和装置、チラー、蓄熱装置等に有用であり、家庭用エアコン、業務用エアコン等に特に有用である。
As described above, the
1a 冷凍サイクル装置
1b〜e シェルアンドチューブ熱交換器
2 蒸発器
3 第一冷媒蒸気流路
4 圧縮機
5 第二冷媒蒸気流路
6 凝縮器
7 冷媒液流路
8 吸熱回路
9 放熱回路
10 シェル
11 伝熱部ヘッダー
12 伝熱部
13 ノズル
14 冷媒液循環回路
15 冷媒液循環ポンプ
16 流入口
17 流出口
18 扁平管外壁
19 扁平管隔壁
20 熱媒体流路
21 バルブ
22 蒸発器シェル
23 扁平伝熱管
24 ノズル部材
25 冷却媒体流入管
26 冷媒流出管
27 冷媒流出管
DESCRIPTION OF
Claims (5)
鉛直方向で前記複数の伝熱管ユニットの間に配置され、前記伝熱管の表面に冷媒液を噴霧するノズルと、
前記複数の伝熱管ユニット及び前記ノズルを収納し、鉛直方向の下に前記冷媒液を流入させる冷媒流入管と、
鉛直方向の上に前記冷媒液を排出する冷媒流出管と、を有するシェルを備え、
前記伝熱管ユニットは、前記伝熱管を束ねる伝熱部と、前記伝熱部の外側に位置され、隣接する他の伝熱管ユニットに、前記伝熱管を介して前記冷媒液と熱交換を行う熱媒体を移動させる伝熱部ヘッダーとを有し、
前記シェルは、鉛直方向の下に前記熱媒体を流入させる流入口と、鉛直方向で最も下の前記伝熱管ユニットから鉛直方向で最も上の前記伝熱管ユニットまで、前記熱媒体流出させる流出口とを有する、
シェルアンドチューブ熱交換器。 Including a plurality of heat transfer tubes having a flat surface on the surface, and a plurality of heat transfer tube units arranged in a vertical direction;
A nozzle that is arranged between the plurality of heat transfer tube units in a vertical direction and sprays a refrigerant liquid on a surface of the heat transfer tube;
A refrigerant inflow pipe which houses the plurality of heat transfer pipe units and the nozzle and allows the refrigerant liquid to flow downward in a vertical direction;
A refrigerant outlet pipe for discharging the refrigerant liquid in the vertical direction, and a shell having
The heat transfer tube unit is a heat transfer unit that bundles the heat transfer tubes and heat that is located outside the heat transfer unit and performs heat exchange with the refrigerant liquid via the heat transfer tubes to another adjacent heat transfer tube unit. A heat transfer section header for moving the medium,
The shell includes an inflow port for allowing the heat medium to flow downward in the vertical direction, and an outflow port for allowing the heat medium to flow out from the lowermost heat transfer tube unit in the vertical direction to the uppermost heat transfer tube unit in the vertical direction. Having
Shell and tube heat exchanger.
請求項1に記載のシェルアンドチューブ熱交換器。 The shell has a storage part for storing the refrigerant liquid sprayed from the nozzle below the vertical direction of the shell, a refrigerant liquid circulation circuit that connects the storage part and the nozzle, and the refrigerant liquid circulation circuit A refrigerant liquid circulation pump that pumps the refrigerant liquid in the reservoir through the nozzle and circulates between the nozzle and the reservoir with the refrigerant liquid,
The shell and tube heat exchanger according to claim 1.
請求項1または請求項2のいずれか1項に記載のシェルアンドチューブ熱交換器。 The refrigerant liquid circulation circuit includes an adjustment mechanism for adjusting the flow rate of the nozzle.
The shell and tube heat exchanger of any one of Claim 1 or Claim 2.
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のシェルアンドチューブ熱交換器。 The surface area of the heat transfer part is arranged so as to gradually increase from the inlet to the outlet across the heat transfer header.
The shell and tube heat exchanger according to any one of claims 1 to 3.
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のシェルアンドチューブ熱交換器。 The flow path cross-sectional area of the heat medium that flows inside the heat transfer section is arranged so as to gradually decrease from the inlet to the outlet.
The shell and tube heat exchanger according to any one of claims 1 to 4.
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