JP4646302B2 - シェルアンドチューブ式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍空調機器の凝縮器に使用されるシェルアンドチューブ式熱交換器に関する。

従来、冷凍空調機器の凝縮器での冷媒凝縮過程において、冷媒液域非共沸混合冷媒の場合、二相域では飽和蒸気線上で最も高温であり飽和液線上で最も低温となる。この温度勾配のために、冷却水と対向流になるような構造にすれば、冷却水と冷媒の温度差が確保でき、熱交換を効率よく行うことができる。そこで、流れが対向流となるようにして熱交換性能を向上するため、凝縮器内に冷媒仕切板を設けることで冷却水がシェルを１往復するときに冷媒も１往復するようにすることが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

特開平１１−３２５７８７号公報（図１）

上記従来技術のシェルアンドチューブ凝縮器では、冷却水配管の表面で凝縮した冷媒液がその下の冷却水配管に落ち、配管表面の液膜となって熱交換を阻害する。つまり、上半分の配管表面で凝縮した冷媒液は下半分の配管に影響を与えないが、上半分あるいは下半分の中で配管が多段になっているため、配管毎の落下液の影響は依然解消されていない。

本発明の目的は、特に、非共沸混合冷媒を使用したシェルアンドチューブ凝縮器において、熱交換性能を向上させると共に、冷却水配管の表面で凝縮した冷媒液がその下の冷却水配管に落ち、配管表面の液膜となって熱交換を阻害することを防止することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、内部が管板で前方水室と冷媒室と後方水室とに区分けされ、冷却水仕切壁で冷却水入口部と冷却水出口部が仕切られ、前記冷媒室の冷却水出口側に冷媒入口部が、冷却水入口側に冷媒出口部が設けられたシェルと、冷却水が前記冷却水入口部、前記前方水室、前記冷媒室、前記後方水室へ至る流路と、前記後方水室、前記冷媒室、前記前方水室、前記冷却水出口部へ至る流路との間に配置された冷媒流路仕切壁と、各前記流路でそれぞれ複数パスとなるように配置された冷却水配管と、を備え、それぞれの前記流路における前記複数の冷却水配管をさらに複数の配管群とし、その境界に仕切板を配置し、前記仕切板又は前記冷媒流路仕切壁の端部で、前記シェルの長手方向軸に対して垂直方向から見て中央部に凸部を設けたものである。

また、上記のものにおいて、それぞれの仕切板及び前記冷媒流路仕切壁が前記シェルの長手方向軸に対して垂直方向から見た場合、左右の一方へ傾斜され、前記複数の配管群は前記仕切板に沿って配置されていることが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記仕切板は前記冷却水配管の直径に対して２から４倍の間隔で配置されていることが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、少なくとも前記冷媒流路仕切壁より上方に配置された仕切板が前記シェルの長手方向軸に対して垂直方向から見た場合、左右の一方へ傾斜されていることが望ましい。

本発明によれば、冷却水配管表面での熱伝達率が向上できる。

以下、本発明を実施例により説明する。
一実施例である水冷式シェルアンドチューブ凝縮器について、シェル１の長手方向となるシェル軸方向の断面図を図１、シェル軸に垂直方向の断面図を図２に示す。冷却水は冷却水入口４、前方水室６、冷媒室２１の中を通る第１の冷却水配管１０、後方水室７、冷媒室２１の中を通る第２の冷却水配管１１、前方水室６、冷却水出口５の順に流れる。前方水室６内は、冷却水入口４からはいった冷却水と、冷却水出口５から出て行く水が混合しないように冷却水仕切壁８で仕切られ、冷媒室２１は、冷媒流路仕切壁１４で上流側流路と下流側流路とに仕切られている。
冷媒は、非共沸混合冷媒であり、シェル１の冷媒入口部２から流入し、仕切板９に従って第２の冷却水配管１１のまわりを流れながら熱交換し、凝縮していく。その後、冷却水配管境界の冷媒流路仕切壁１４の側面を流れ、さらに仕切板９に案内されて第１の冷却水配管１０のまわりを流れながら熱交換し、液冷媒として冷媒出口部３から出る。

温度の高い上流側の冷媒は、温度の高い第２の冷却水配管１１と熱交換し、温度の低い下流側の冷媒は、温度の低い第１の冷却水配管１０と熱交換する。したがって、冷媒と冷却水の流れが対向する対向流になっており、非共沸混合冷媒の二相域の温度勾配による性能低下を防ぐことができる。
また、仕切板９は多段となり、その間隔は冷却水配管の直径をｄとした場合、２ｄから４ｄとしている。そのため、冷媒のシェル１入口から出口に向かう流路面積は仕切板９がないものに比べて小さくなり、冷媒流速が早くなり、冷媒と伝熱管との熱伝達がより促進される。その結果、冷却水配管の圧力損失を増やすことなく、熱交換性能を向上させることができる。

さらに、非共沸冷媒を使用する場合、シェル１内では低沸点冷媒より高沸点冷媒のほうが凝縮しやすく、高沸点冷媒の凝縮が速く進み、シェル１内に仕切板９が少ない場合、新しくシェル１に流入する冷媒のうちの高沸点冷媒が伝熱管まわりに供給されて高沸点冷媒の凝縮がさらに進んでしまい、シェル内液は高沸点冷媒が多い状態になる。そして、これが冷媒の組成変動となり、熱交換性能が落ちたり、高圧側圧力が高くなったりして圧縮機で消費するエネルギーが増加する。しかし、流路面積が小さくなるように仕切板９を複数配置しているので、冷媒がシェル１入口から出口に向かってそれぞれの仕切板９に沿って小さな流路面積の冷媒流路を流れるため、高沸点冷媒蒸気が少なくなったのちには低沸点冷媒の凝縮も進み、凝縮での冷媒組成変動を抑制することができる。

さらに、冷却水配管１０、１１表面の冷媒凝縮液は、仕切板９に落ちるため、下の冷却水配管に冷媒液が落ちて液膜となり冷媒と冷却水配管との熱交換を阻害することを防止できる。

図３は、図２のものに対して、冷媒流路の仕切板９、１４を５〜１５°傾けたものであり、仕切板上に落下した冷媒凝縮液は、仕切板の傾き方向に流れ、仕切板上の最下部であるシェル壁近傍図３では左端に溜まり、そこから下に落下する。したがって、仕切板の板端全体から落下し、下段の冷却水配管表面の液膜となって熱交換を阻害することを防ぐことができる。図３では仕切板９、１４の全てを傾斜させているが、実際には、少なくとも図で上方に配置された仕切板９を傾斜させれば良い。

図４、５は、さらに他の実施の形態を示し、冷媒流路仕切板９、１４において、管板１２に接続されていない一方の板端、シェル１の長手方向軸に対して垂直方向から見て中央部に液体の流下を阻止する凸部１３を設けている。これにより、仕切板上に落下した冷媒凝縮液は、仕切板端に凸部１３のない、シェル壁近傍、図５では左端あるいは右端から下に落下する。したがって、仕切板の板端全体から落下し、下段の冷却水配管表面に液膜が生じることを防ぐことができる。

本発明の一実施例によるシェル軸方向の断面図。 本発明の一実施例によるシェル軸に垂直方向の断面図。 本発明の他の実施例によるシェル軸方向の断面図。 本発明のさらに他の実施例によるシェル軸方向の断面図。 図４のシェル軸に垂直方向の断面図。

符号の説明

１…シェル、２…冷媒入口部、３…冷媒出口部、４…冷却水入口部、５…冷却水出口部、６…前方水室、７…後方水室、８…冷却水仕切壁、９…仕切板、１０、１１…冷却水配管、１２…管板、１３…凸部、１４…冷媒流路仕切壁、２１…冷媒室。

Claims (4)

1. 内部が管板で前方水室と冷媒室と後方水室とに区分けされ、冷却水仕切壁で冷却水入口部と冷却水出口部が仕切られ、前記冷媒室の冷却水出口側に冷媒入口部が、冷却水入口側に冷媒出口部が設けられたシェルと、冷却水が前記冷却水入口部、前記前方水室、前記冷媒室、前記後方水室へ至る流路と、前記後方水室、前記冷媒室、前記前方水室、前記冷却水出口部へ至る流路との間に配置された冷媒流路仕切壁と、各前記流路でそれぞれ複数パスとなるように配置された冷却水配管と、を備えたシェルアンドチューブ凝縮器において、
   それぞれの前記流路における前記複数の冷却水配管をさらに複数の配管群とし、その境界に仕切板を配置し、
   前記仕切板又は前記冷媒流路仕切壁の端部で、前記シェルの長手方向軸に対して垂直方向から見て中央部に凸部を設けたことを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器。
2. 請求項１に記載のものにおいて、それぞれの仕切板及び前記冷媒流路仕切壁が前記シェルの長手方向軸に対して垂直方向から見た場合、左右の一方へ傾斜され、前記複数の配管群は前記仕切板に沿って配置されていることを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器。
3. 請求項１に記載のものにおいて、前記仕切板は前記冷却水配管の直径に対して２から４倍の間隔で配置されていることを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器。
4. 請求項１に記載のものにおいて、少なくとも前記冷媒流路仕切壁より上方に配置された仕切板が前記シェルの長手方向軸に対して垂直方向から見た場合、左右の一方へ傾斜されていることを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器。

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