JPH01200102A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、たとえば原子カプラントに用いる蒸気発生器
等の熱交換器の改良に関する。

［従来の技術とその課題］ 管外から加熱され、管内を被加熱流体が流れる多数本の
伝熱管の上下両端を上部管板と下部管板に支持して夫々
その上方及び下方の水室に連通して成る熱交換器では、
被加熱流体が沸騰する場合、各々の伝熱管内の流量が変
動する所謂不安定流動現象が発生することがある。

このような不安定流動現象が生じると、伝熱管の温度が
周期的に変動し、伝熱管の熱疲労が問題となる。

一方、不安定流動現象は、伝熱管内の予熱域の圧損が核
沸騰域、膜沸騰域及び過熱域の圧損よりも一定比率以上
の圧損であれば発生しないことが知られている。

この為、伝熱管人口にオリフィスを設け、予熱域の圧損
な増大させ、不安定流動現象の発生を防止することが一
般に行われている。

然し乍ら、伝熱管入口にオリフィスを設けたものの圧損
の増大は、伝熱性能の向上には何ら寄与しない。

本出願人は先に伝熱管内の水及び水蒸気の管内質量速度
を増加させることにより、伝熱面に於ける伝熱効率を高
めることのできる熱交換器としての蒸気発生器を開発し
た（特開昭６０−９６８０３号）。

この蒸気発生器は、第５図に示す如く多数の伝熱管１と
胴２の熱膨張差によって発生する熱応力を、伝熱管ｌの
下部に設けられた曲管部３の弾性変形により吸収緩和す
る型式で、高温の一次側流体、例えば液体ナトリウムは
、矢印Ａのように入口ノズル４から胴２内に入る。さら
に内胴５の上端部に設けられている分配窓６から内胴５
内に入ってそこを下降する。モして内胴５の下端部に設
けられている分配窓７から出て、出口ノズル８から矢印
Ｂのように流出していく、他方、低温の二次側流体、例
えば水は、矢印Ｃのように下部水室９へ入る。続いて下
部管板１０に接続された多数の伝熱管１内を通って上昇
する。その間に熱交換して水は気化され、その蒸気が上
部管板１１で仕切られた上部水室１２から矢印りのよう
に流出してぃくものである。上部管板１１に接続されて
いる多数の伝熱管１の内部には第６図に示す如く増速芯
（伝熱促進体）２０を配してあり、この増速芯２０は円
柱体より成り、その下端部２１、即ち低温の二次側流体
の流入側は、半球形又は流線形等の形状になされ、上端
部は上部管板１１への支持装置となっている。支持装置
２２は放射状に突設された複数本の腕２３にて上部管板
１曝上に取付けられた台座２４に着脱可能にボルト２５
にて固定されている。増速芯２０はその外周面上下方向
に一定間隔を存して放射状に且つ対称に支持片２７を、
伝熱管１の内面との間に若干の遊隙を保って取付けであ
る。尚、１６は上部管板１１．下部管板ｌＯの熱遮蔽板
、２６は増速芯２０の吊上げ用フックである。

このように増速芯２０が配された多数の伝熱管１内には
増速芯２０との間に二次側流体の環状流路３０が形成さ
れているので、一定の圧力をもって伝熱管１内を上昇す
る二次側流体は、増速芯２０の位置に至ると環状流路３
０を流れることになる。従って、増速芯２０の無い場合
よりも流路面積が狭くなり、二次側流体の管内質量速度
が早められる結果、伝熱面に於ける伝熱効率が高まると
されている。

［発明が解決しようとする課題］ 然し乍ら、上記の蒸気発生器では、伝熱管内の予熱域か
ら過熱域までの流路面積が等しく狭いため伝熱性能は向
上するが圧損も増加し、この圧損の増加は不安定現象の
防止には寄与しない。

［発明の目的］ 本発明は、上記課題を解決すべくなされたもので、伝熱
管内の被加熱流体の不安定流動の発生を防止できること
は勿論のこと、伝熱管の伝熱効率を向上させることので
きる熱交換器を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の熱交換器は、管外か
ら加熱され、管内を被加熱流体が流れる多数本の伝熱管
の上下両端を上部管板と下部管板に支持して夫々その上
方及び下方の水室に連通して成る熱交換器に於いて、前
記各伝熱管内の予熱域に、流路面積を減少し流速を早め
て圧損を増加するか、圧損係数の大きな形状の伝熱促進
体を挿入し、これに接続して各伝熱管内の核沸騰域から
過熱域までに、予熱域よりも流路面積を幾分増大し流速
を遅くして圧損の増加を少なくするか、圧損係数の小さ
な形状の伝熱促進体を挿入したことを特徴とするもので
ある。

［作　用］ 上述の如く本発明の熱交換器は、伝熱管内の予熱域に、
圧損を多くする伝熱促進体を挿入しであるので、予熱域
の熱伝達が促進されると共に、被加熱流体の不安定流動
の発生が防止される。また伝熱管内の核沸騰域から過熱
域までに、圧損の比較的小さい伝熱促進体を挿入しであ
るので、水蒸気二相流の不安定現象が発生せず、かつ、
伝熱促進体により伝熱効率が著しく向上する。

［実施例］ 本発明による熱交換器Ｑ−実施例を蒸気発生器の場合を
図によって説明する。第１図は第５図に示した蒸気発生
器に於いて、伝熱管に本発明に係る伝熱促進体を挿入支
持した状態を示す要部断面図で、各伝熱管１はその上端
が上部管板１１の伝熱管連通孔３１に連通されて上部管
板１１に溶接にて結合され、下端が下部管板１０の伝熱
管連通孔３２に連通されて下部管板１０に溶接にて結合
されている。

この各伝熱管１内には図示の如く上部管板１１の伝熱管
連通孔３１より伝熱促進体３３が挿入支持されている。

この伝熱促進体３３は、伝熱管１内の下部の予熱域で、
中実丸棒３４となフていて、下端が尖鋭になされ、外周
面上下方向に一定間隔を存して対称にスペーサー３５を
平面放射状となるように、伝熱管１の内面との間に若干
の遊隙を保って設けである。このスペーサー３５は中実
丸棒３４の外周を挟圧圧潰して直角方向に突出せしめて
一体に形成したものである。中実丸棒３４の上端に溶接
にて接続して伝熱管１内の上部の核沸騰域、Ｓ沸騰域、
過熱域では伝熱促進体３３がねじりテープ３６となって
いて、その幅は伝熱管１の内面との間に若干の遊隙を保
てる寸法になされていて、その上端中心にはロッド３７
が溶接にて接続されて上部管板１１の伝熱管連通孔３１
を貫通していて、ロッド３７の上部外周が扁平に圧潰さ
れて円板部３８が形成され、この円板部３８が伝熱管連
通孔３１の開口縁に係止されて、伝熱促進体３３全体が
懸垂支持されている。

上述の如く構成された実施例の蒸気発生器に於いて、高
温の一次側流体、例えば液体ナトリウムは第５図に示す
矢印Ａのように人口ノズル４が朋２内に入り、さらに内
胴５の上端部に設けられている分配窓６から内１１ｉ５
内へ入ってそこを下降する。そして内Ｊｌｊｉ５の下端
部に設けられている分配窓７から出て矢印Ｂのように流
出していく。低温の二次側流体、例えば水は矢印Ｃのよ
うに下部水室９へ入る。続いて下部管板ｌＯに接続され
た多数の伝熱管１内へ入る。

この伝熱管１内へ入った水は、第１図に示す如く予熱域
で配された中実丸棒３４の外周面との間に形成された流
路面積の狭い環状通路３９を流れ、水の管内質量速度が
早くなり、圧損が増加して、伝熱面に於ける熱伝達が促
進せしめられて、液体ナトリウムと熱交換し昇温されや
がて予熱域の環状通路３ｇを通過し、伝熱管１内の核沸
騰域から過熱域まで配されたねじりテープ３６の外面と
の間に形成された螺旋状流路４０を流れ、水及び水蒸気
の管内質量速度が幾分遅くなり、圧損の増加が少なくな
る。モして水及び水蒸気は螺旋状流路４０を旋回流とな
って流れるので、ミストが伝熱管１の内壁に衝突する。

従って熱伝達率の極めて高い核沸騰域が長くなり、熱伝
達率の低い膜沸騰域が短くなる。また核沸騰域から過熱
域までの圧損が少なく、予熱域での圧損が多いので、伝
熱管１内の不安定流動の発生が防止される。

核沸騰域、　ｎｕＳ沸騰域通過した水蒸気は、過熱域で
過熱蒸気となり、上部管板１１の伝熱管連通孔３１を通
って上部水室１２に入り、この上部水室１２に入った過
熱蒸気は第５図の矢印りのように流出していく。

上記実施例は、伝熱管１内の予熱域に中実丸棒３４より
成る伝熱促進体を配し、核沸騰域から過熱域までにねじ
りテープ３６より成る伝熱促進体を配した場合であるが
、これに限るものではない。予熱域に中実丸棒３４を配
した場合、核沸騰域から過熱域まではねじりテープ３６
の代りに、第２図ａに示す如くねじり方向を左右交互に
変えたリボン４１を一定間隔にロッド４２にて連結した
ミキサー４３より成る伝熱促進体を挿入して、旋回流を
発生させると同時に大きな乱流を発生させて、熱伝達率
の極めて高い核沸騰域を長くすると良い。またねじりテ
ープ３６の代りに第２図すに示す如く伝熱管１の核沸騰
域から過熱域までの内壁面に密着挿入したスプリング４
４より成る伝熱促進体により旋回流を発生させて、熱伝
達率の極めて高い核沸騰域を長くすると良い。さらにね
じりテープ３６の代りに第２図Ｃに示す如く伝熱管１内
の核沸騰域から過熱域まで小径の中実丸棒３４′の外周
にワイヤー４５を巻いたスパイラルロッド４６より成る
伝熱促進体を挿入して、旋回流の発生する環状流路を形
成して、熱伝達率の極めて高い核沸騰域を長くすると良
い。

然して、伝熱管１内の予熱域には中実丸棒３４より成る
伝熱促進体を配しているが、第３図ａ乃至ｅに示すよう
に、核沸騰域から過熱域まで配したねじりテープ３Ｂ、
ミキシングロッド４３．スプリング４４．スパイラルロ
ッド４６．中実丸棒３４に対応して、中実丸棒３４の外
周にスペーサーとしてワイヤー４７を巻装し、たスペー
サー付中実丸棒４８より成る伝熱促進体を挿入して、旋
回流を発生させ、核沸騰域から過熱域までの圧損よりも
大きくすると良い、またこの予熱域のスペーサー付中実
丸棒４８の代りに第４図ａ乃至ｅに示されるように小径
のロッド４９の外周に長平方向に一定間隔にディスク５
０を固設したディスク付ロッド５１より成る伝熱促進体
を挿入して、ディスク５０により大きな乱流を発生させ
、核沸騰域から過熱域までの圧損よりも大きくすると良
い。また予熱域から過熱域まで同一形状のものでも、予
熱域の圧損係数を増大させることもできる０例えば中実
丸棒やディスク付ロッドの場合は予熱域だけ径を大きく
する。ねじりテープやスプリングの場合は予熱域だけピ
ッチを小さくする。

要するに本発明では、伝熱管内に配する伝熱促進体は、
予熱域で流路面積を減少し、流速を早めて圧損を大きく
できるか、圧損係数の大きな形状の伝熱促進体、核沸騰
域から過熱域までは予熱域よりも流路面積を幾分増大し
、流速を遅れさせて圧損を小さくできるものか、圧損係
数の小さな形状の伝熱促進体ならばいかなる形状のもの
でも良いものである。

尚、上記の各中実丸棒は円管を封塞したものでも良いも
のである。

【発明の効果］ 以上の説明で判るように本発明の熱交換器は、多数の伝
熱管内の予熱域に、圧損を大きくする伝熱促進体を挿入
し、これに接続して各伝熱管内の核沸騰域から過熱域ま
でに予熱域よりも圧損の増加を少なくする伝熱促進体を
挿入しているので、予熱域の熱伝達が促進されると共に
被加熱流体の不安定流動の発生が防止され、且つ核沸騰
域から膜沸騰域までの間で水蒸気二層流の不安定現象が
発生せず、熱伝達率の高い核沸騰域が長くなる。

従って、伝熱管の伝熱効率が著しく向上し、同じ熱交換
量の要求に対して必要伝熱面積即ち伝熱管本数を削減し
て熱交換器の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱交換器の一実施例である蒸気発
生器に於ける伝熱管を示す縦断面図、第２図ａ、ｂ、ｃ
は第１図の伝熱管内の核沸騰域から過熱域までの伝熱促
進体の変更例を示す図、第３図ａ乃至ｄは伝熱管内の伝
熱促進体の変更例を余す図、第４図８乃至ｄは第３図ａ
乃至ｄの伝熱管内の予熱域の伝熱促進体を変更した図、
第５図は蒸気発生器を示す概略断面図、第６図は従来の
蒸気発生器に於ける伝熱管を示す縦断面図である。 １・・・伝熱管、９・・・下部水室、１０・・・下部管
板、１１・・・上部管板、１２・・・上部水室、３３・
・・伝熱促進体、３４・・・中実丸棒、３６・・・ねじ
りテープ、４３・・・ミキサー、４４・・・スプリング
、４６・・・スパイラルロッド、４８＝−・スペーサー
付中実丸棒、５１・・・ディスク付ロッド。 ４３・・・Ｓヤ７一 手続補正書（７刻　魯 昭和６３年６月１７日 特許庁長官　　吉　１）文　毅　殿 １、事件の表示 昭和６３年特許願第２５２９９号 ２、発明の名称 熱交換器 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住　所　　　神戸市中央区東用崎町３丁目１番１号氏名
（名称）　（０９７）川崎重工業株式会社４、代理人　
〒１０３ 住　所　　　東京都中央区日本橋本町２丁目５番７号日
康ビル　電話（２４１）７２６８番 明細書の図面の簡単な説明の欄 フ、補Ｔの自交　　　　　　　　　　　　　　　　　／
≦Ｉ〕＼フ、補正の内容 ｌ）明細書１３頁９行の「３図ａ乃至ｄは」をｒ３図ａ
乃至ｅは１と訂正する。 ２）同１３頁１０行の「第４図ａ乃至ｄは第３図ａ乃至
ｄの」を「第４図ａ乃至ｅは第３図ａ乃至ｅの１と訂正
する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）管外から加熱され、管内を被加熱流体が流れる多数
   本の伝熱管の上下両端を上部管板と下部管板に支持して
   夫々その上方及び下方の水室に連通して成る熱交換器に
   於いて、前記各伝熱管内の予熱域に、流路面積を減少し
   流速を早めて圧損を増加するか、圧損係数の大きな形状
   の伝熱促進体を挿入し、これに接続して各伝熱管内の核
   沸騰域から過熱域までに、予熱域よりも流路面積を幾分
   増大し流速を遅くして圧損の増加を少なくするか、圧損
   係数の小さな形状の伝熱促進体を挿入したことを特徴と
   する熱交換器。