JP3862584B2 - 流下液膜式蒸発器用伝熱管 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、管外面に冷媒を流下して管外面に液膜を形成し、管内を通流する液体の熱により、前記液膜の冷媒を蒸発させることによって、前記管外面の冷媒と管内の液体との間で熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管に関し、特に管内の圧力損失を低減させた流下液膜式蒸発器用伝熱管に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、流下液膜式蒸発器では、伝熱管の外周面に冷媒を流下させて、管内を通流する例えば水と前記冷媒との間で熱交換させ、管内の水を冷却している。伝熱管に接触した冷媒は、伝熱管表面を濡れ拡がり、低い圧力で蒸発して伝熱管の伝熱面から熱を奪うことにより、伝熱管内部の水を冷却する。
【0003】
このように、流下液膜式伝熱管においては、管外面に冷媒として例えば純水を散布し、管内に水を通流させる。そして、管外面に冷媒の液膜を形成し、この冷媒が蒸発することにより、管内を通流する水を冷却する。この場合に、伝熱管の表面に濡れ拡がった冷媒が蒸発する際に、伝熱面から気化熱を奪うため、効率的に管内の水を冷却するためには、伝熱管と冷媒との接触面積、即ち、伝熱面(管外面)の面積を可及的に増大させることが必要である。
【0004】
このような流下液膜式伝熱管として、特開平10−318691号及び特開平11−257888号の伝熱管が提案されている。これらの伝熱管は、冷媒の濡れ拡がり性が優れ、伝熱性能が従前よりも優れているという利点を有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の特開平10−318691号に記載された伝熱管は、管外面の伝熱性能は向上するものの、管内面が平滑であるため、依然として伝熱性能が低く、実用的でない。
【0006】
また、特開平11−257888号に記載された伝熱管では、管内面側の伝熱性能を向上させるために、リブを設けているが、このリブにより管内面側の伝熱性能を向上させた分、圧力損失が増加し、管内面側の性能向上のよる利点と、圧力損失による欠点とを勘案すると、伝熱管としての性能は十分満足できるものでは無い。
【0007】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、管内面の伝熱性能が高いと共に、圧力損失も低い流下液膜式蒸発器用伝熱管を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管は、管外面に滴下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管において、管内面に断面凸状に形成され適長間隔で螺旋状に延びるリブと、管外面に形成され螺旋状に配列された複数個の独立した突起とを有し、管軸を含む断面における前記リブの側面のなす角度θ2が、64乃至98°であることを特徴とする。
【0009】
この流下液膜式蒸発器用伝熱管において、例えば、前記リブが延びる方向と管軸方向とのなす角度であるリブのリード角θ1が、40乃至44°である。
【0010】
また、前記リブの高さh1が0.22乃至0.35mmであることが好ましい。更に、前記リブの管軸を含む断面におけるピッチPRが、1.0乃至3.6mmであることが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は本発明の実施例に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管を示す斜視図、図2は管軸方向に平行な断面図、図3は管軸に直交する断面図である。本実施例の伝熱管1は、管内面に、管軸方向に傾斜する方向、即ち螺旋状に延びる凸状のリブ5が相互間に適長間隔をおいて形成されている。このリブ5は管軸を含む断面における断面形状が、台形をなしている。また、管外面には、独立した突起6が適長間隔で螺旋状に配列されている。この突起6は四角錐台状をなす。
【0012】
このように構成された本実施例の流下液膜式蒸発器用伝熱管においては、伝熱管1の内部に水を通流させ、管外面に冷媒を流下又は散布する。そうすると、冷媒が管外面に付着して液膜が形成され、低い圧力で冷媒が蒸発し、この蒸発時の気化熱により伝熱管内部を通流する水が冷却される。
【0013】
管内面のリブ5は、管軸を含む断面において、その両側面がなす角度θ2が64乃至98°である。この内面リブ5の開き角度θ2が64°未満の場合、リブ5の媒体通流方向の下流側の側面にて乱流が発達し、圧力損失が増加する。一方、θ2が98°を超える場合は、リブ5の下流側の側面にて乱流が発達せず、伝熱性能が低下する。
【0014】
また、螺旋状に延びるリブ5と管軸方向とのなす角度であるリブ5のリード角θ1が、40乃至44°であることが好ましい。内面リブ5のリード角θ1が40°未満の場合、リブ間の溝に流体(冷水)が流れる割合が多くなり、温度境界層が発達し、性能が低下する。一方、内面リブ5のリード角θ1が44°を超える場合、リブ5の凸部を超えて、流体が流れる割合が多くなり、リブ5が抵抗となり、伝熱性能は向上するものの、圧力損失が増加する。
【0015】
更に、リブ5の高さh1が0.22乃至0.35mmであることが好ましい。内面リブ5の高さh1が0.22未満の場合、リブ5による乱流が促進がされず、伝熱性能が低下する。一方、リブ5の高さh1が0.35を超える場合、リブによる乱流が発達し、圧力損失が増加する。
【0016】
更に、リブ5の管軸を含む断面におけるピッチPR(即ち、管軸方向のピッチ)が、1.0乃至3.6mmであることが好ましい。内面リブ5のピッチPRが1.0未満の場合、リブ溝間での流れが阻害され、圧力損失が増加する。一方、リブ5のピッチPRが3.6を超える場合、リブ溝間での温度境界層が発達し、伝熱性能が低下する。
【0017】
【実施例】
次に、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図4はこれらの伝熱管の性能評価試験に供した試験装置を示す。チャンバ9内を仕切り9aにより蒸発器及び吸収器の2室に分割し、各室に伝熱管10を水平にして同数配置し、夫々直列に連結する。なお、仕切り9aの上部は蒸気が通流することができる。そして、一方の蒸発器においては、冷水入口11から伝熱管10内に冷水を導入し、上端部の伝熱管10の冷水出口12からこの冷水を排出する。また、これらの伝熱管10の上方には、冷媒を室内に導入する冷媒入口13が設けられており、この冷媒入口13から冷媒を伝熱管10上に流下するようになっている。また、冷媒ポンプ21はチャンバ内に溜まった冷媒を冷媒出口24から冷媒入口13まで汲み上げるものである。他方、吸収器においては、下端部の伝熱管10に冷却水入口17から冷却水を導入し、上端部の伝熱管10から冷却水出口18を介して冷却水を排出する。そして、これらの伝熱管10の上方には、LiBr水溶液を室内に導入するLiBr水溶液入口15が設けられており、この水溶液入口15から水溶液を伝熱管10上に流下するようになっている。また、チャンバ9の底部に溜まったLiBr水溶液はLiBr水溶液出口16からポンプ22により排出される。なお、チャンバ9にはデジタルマノメータ20とチャンバ内の不凝縮ガスを排出するバルブ19が設けられている。
【0018】
蒸発器において、伝熱管内を通流する冷水を冷却した際に、管外側の冷媒が蒸発して発生する蒸気が仕切り9aの上部を介して吸収器内に入る。そして、冷媒蒸気は吸収器内の伝熱管10上に流下するLiBr水溶液に吸収される。一方、蒸発しなかった冷媒はチャンバの底部に溜まって再度冷媒ポンプ21にて冷媒入口13に導かれる。
【0019】
試験条件は以下のとおりである。
蒸発圧力:6.0mmHg
冷媒散布量:1.00kg/m・分
冷水流速:1.50m/秒(管端部の断面積を基準として設定)
冷水出口温度:7.0℃
管配列:1列×4段(段ピッチ24mm)
パス数:4パス
【0020】
得られた測定値から下記数式に従って総括伝熱係数KOを算出した。
【0021】
【数1】
KO=Q/(ΔTm・A0)
Q=G・Cp・(Tin−Tout)
ΔTm=(Tin−Tout)/ln{(Tin−Te)/(Tout−Te)}
A0=π・D0・L・N
【0022】
図5は圧力損失の評価に使用した試験装置を示す。供試管30の冷却水入口27側の配管に、流量制御弁35及び抵抗温度計(白金測温抵抗体)34が設けられている。また、冷却水出口26側の配管に、電磁流量計31及び抵抗温度計(白金測温抵抗体)32が設けられており、供試管30の両管端の差圧は、ひずみゲージ式圧力変換器33にて測定される。
【0023】
圧力損失の評価は、供試管30の両管端にドリルにて直径が0.5mmの孔を夫々4個所開設し、それをひずみゲージ式圧力変換器33に接続して差圧を測定する。供試管30内に供給される冷却水は、冷却水タンク内に設けられた冷却コイルと電気ヒーターにて一定温度に調節される。冷却水の出入口温度は白金測温抵抗体からなる抵抗温度計32,34により測定し、冷却水流量は電磁流量計31により測定した。
【0024】
評価は、供試管30の管内に入口水温を一定に制御した冷却水を流し、各冷却水流量での温度及び差圧が安定したことを確認した後に、差圧及び管内冷却水流量を測定し、各測定器にて測定した信号をハイブリットレコーダーにて取り込んで数値変換し、管内圧力損失及び管摩擦係数を算出した。
【0025】
管内の圧力損失の評価は以下のようにして求めた。前述の測定値に基づいて、レイノルズ数〔Re〕に対する管摩擦係数〔f〕を算出し、その数値を使用して1m当たりの管内圧力損失値を算出した。
【0026】
算出に使用した計算式を、下記数式2乃至4に示す。
【0027】
【数2】
Re=Vi・Dimax/ν
但し、Reはレイノルズ数である。
【0028】
【数3】
Vi=G/(3600・γ・Dimax2・π/4)
但し、Viは管内水流速である。
【0029】
管摩擦係数は下記数式4に基づいて算出した。
【0030】
【数4】
f=98.07・ΔP・(Dimax/Lp)・(2g/Vi^2 )・1/γ
但し、fは管摩擦係数である。
【0031】
管内圧力損失評価条件は、冷却水流速が2.0m/s、冷却水入口温度が25.0℃のもとで評価した。
【0032】
なお、下記に上述の各計算式1乃至4中記号の内容を示す。
Q:冷水伝熱量(kW)
G:冷却水又は冷水流量(kg/h)
Cp:冷却水又は冷水比熱(kJ/kg/K)
Tin:冷水入口温度(℃)
Tout:冷水出口温度(℃)
ΔTm:対数平均温度差(℃)
Ts:冷媒蒸発温度(℃)
Ko:総括伝熱係数(kW/m2K)
Ao:供試管フィン加工部外表面積(m2)
Do:供試管フィン加工部外径(m)
Dimax:供試管フィン加工部最大内径(m)
Lh:伝熱有効長(m)
Re:レイノルズ数(−)
Vi:冷却水流速(m/s)
ν:冷却水動粘性係数(m2/s)
γ:冷却水比重(kg/m3)
f:管摩擦係数(−)
ΔP:管内圧力損失(差圧)(kPa)
Lp:差圧部有効長(m)
g:重力加速度(m/s2)
【0033】
図6は、横軸にリブ5の側面のなす角度θ2をとり、縦軸に総括伝熱係数Koをとって、θ2と伝熱性能との関係を示すグラフ図、図7は、横軸にθ2をとり、縦軸に圧力損失ΔPをとって、両者の関係を示すグラフ図である。θ2が98°以下の場合は、伝熱性能が高い。また、θ2が64°未満になると、圧力損失が大きくなる。
【0034】
図8は、横軸にリブ5のリード角θ1をとり、縦軸に総括伝熱係数Koをとって、両者の関係を示すグラフ図、図9は、横軸にリード角θ1をとり、縦軸に圧力損失ΔPsをとって、両者の関係を示すグラフ図である。θ1は40°未満では総括伝熱係数が低くなる。一方、θ1が44°を超えると、圧力損失が増大する。
【0035】
図10は、横軸にリブ高さh1をとり、縦軸に総括伝熱係数Koをとり、縦軸に圧力損失ΔPをとって、両者の関係を示すグラフ図、図11は、横軸にリブ高さh1をとり、縦軸に圧力損失ΔPをとって、両者の関係を示すグラフ図である。リブ高さh1が0.22mm未満になると、総括伝熱係数が低下する。一方、リブ高さh1が0.35mmを超えると、圧力損失ΔPsが上昇する。
【0036】
図12は、横軸にリブピッチPRをとり、縦軸に総括伝熱係数Koをとって、両者の関係を示すグラフ図であり、図13は、横軸にリブピッチPRをとり、縦軸に圧力損失ΔPをとって、両者の関係を示すグラフ図である。リブピッチPRが1.0mm未満である場合は、圧力損失が増大する。一方、リブピッチPRが3.6mmを超えると、総括伝熱性能が低下する。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧力損失が低く、伝熱性能が高い流下液膜式蒸発器用伝熱管が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管を示す斜視図である。
【図2】同じくその管軸方向に平行な断面図である。
【図3】同じくその管軸に直交する断面図である。
【図4】伝熱性能の試験装置である。
【図5】圧力損失の試験装置である。
【図6】横軸にリブ5の側面のなす角度θ2をとり、縦軸に総括伝熱係数Koをとって、θ2と伝熱性能との関係を示すグラフ図である。
【図7】横軸にθ2をとり、縦軸に圧力損失ΔPをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図8】横軸にリブ5のリード角θ1をとり、縦軸に総括伝熱係数Koをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図9】横軸にリード角θ1をとり、縦軸に圧力損失ΔPをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図10】横軸にリブ高さh1をとり、縦軸に総括伝熱係数Koをとり、縦軸に圧力損失ΔPsをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図11】横軸にリブ高さh1をとり、縦軸に圧力損失ΔPをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図12】横軸にリブピッチPRをとり、縦軸に総括伝熱係数Koをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図13】横軸にリブピッチPRをとり、縦軸に圧力損失ΔPをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
1:伝熱管
5:リブ
6:突起
Claims (4)
- 管外面に滴下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管において、管内面に断面凸状に形成され適長間隔で螺旋状に延びるリブと、管外面に形成され螺旋状に配列された複数個の独立した突起とを有し、管軸を含む断面における前記リブの側面のなす角度θ2が、64乃至98°であることを特徴とする流下液膜式蒸発器用伝熱管。
- 前記リブが延びる方向と管軸方向とのなす角度であるリブのリード角θ1が、40乃至44°であることを特徴とする、請求項1に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
- 前記リブの高さh1が0.22乃至0.35mmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
- 前記リブの管軸を含む断面におけるピッチPRが、0.1乃至3.6mmであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
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