JPH01244286A - シェルチューブ熱交換器 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、伝熱管の管軸を水平にした横置形のシェルチ
ューブ熱交換器に係り、特に気液二相状態の媒体を扱う
場合に適するよう媒体入口部の構造を改良したシェルデ
ユープ熱交換器に関する。

〈従来の技術） シェルデユープ熱交換器は、シェル内に複数の伝熱管を
収容配置してなり、通常、大型のシェルデユープ熱交換
器はその伝熱管を水平にした横置の状態で設置される。

しかしながら、この横置形のシェルデユープ熱交換器に
あっては、伝熱管内に流れる媒体の入口条件が気液二相
状態となる場合には、各伝熱管内に媒体が均等には分配
されず、伝熱性能が低下するという問題があった。

これを第５図に示した横置形のシェルチューブ熱交換に
より説明する。図示するように、複数の伝熱管１はシェ
ル２内に水平に収容配置され、端部が管板３に固定され
ている。またシェル２の端部には管板３と対向した媒体
入口ノズル５を有する媒体入口ヘッダ６が接続されてい
る。

このようなシェルチューブ熱交換器においては、気液二
相状態の媒体Ａが媒体入口ノズル５から媒体入口ヘッダ
６内に流入すると、重力の作用で液相りが媒体入口ヘッ
ダ６内の下部に流れこむことから、結果として下部の伝
熱管１には主に液相りが、上部の伝熱管１には主に気相
Ｇが流入することになる。したがって、各伝熱管１には
媒体が均等に流れないことから、伝熱性能の低下を招い
ていた。

なお、このような媒体の不均等な配分を緩和するために
、例えば持聞昭６１−２５０４９３号公報に示されるよ
うに媒体入口ヘッダ内にバッフル板を配置したシェルチ
ューブ熱交換器が提案されている。しかし、この熱交換
器にあっては、液相を上部の伝熱管に到達させることは
できても、やはり気液二相状態の媒体を各伝熱管に均等
に流入されることは困難であった。

く発明が解決しようとする課題） このように従来の横置形のシェルデユープ熱交換器にあ
っては、気液二相状態の媒体を伝熱管に均等に流入さけ
ることが困難であり、このため伝熱性能の低下を１３い
ていた。

本発明は、このような課題を解決し、気液二相状態の媒
体を水平の複数の伝熱管に略均等に流入さぜることがで
き、伝熱性能の低下を防止することができるシェルチュ
ーブ熱交換器を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明は、熱源流体を流すシ
ェル内に、気液二相状態の媒体を流す複数の伝熱管を実
質的に水平に配置したシェルチューブ熱交換器において
、前記伝熱管の媒体入口部を上方に曲げて形成し、この
媒体入口部に媒体を気相と自由液面を有する液相とに分
離してからそれぞれの伝熱管に供給する二相分流機溝を
設けたちのである。

（作用） 伝熱管の媒体入口部が上方に曲げて形成されているため
、媒体入口部には伝熱管の管軸と交差する媒体の自由液
面が形成される。

このように二相分流機溝によって媒体を気相と液相とに
分離し、媒体入口部に伝熱管の管軸と交差する媒体の自
由液面を形成することができ、媒体の気相および液相を
各伝熱管内に均等に配分することも可能となる。よって
、伝熱性能の低下が防止される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

横首形のシェルチューブ熱交換器を示す第１図において
、１は水平の円筒状シェル２内にその長手方向に沿って
管軸が水平になるように配置された複数の伝熱管であり
、これら伝熱管１の媒体入口部２０が垂直上方に曲げて
形成されている。伝熱管１の媒体入口部２０に位置した
シェル２の端部もその伝熱管１に沿って垂直上方に曲げ
て形成されてＪ５つ、その上端部には水平管板３が固定
され、シェル２の他端には垂直の管板４が固定されてい
る。

垂直に曲げて形成された伝熱管１の媒体入口部２０は上
記水平の管板３を貫通して上方に突出した状態で固定さ
れ、伝熱管１の媒体出口部２１は上記垂直の管板４に固
定されている。そして、水平の管板３の上部には側部に
媒体入口ノズル５を有する媒体入口ヘッダ６が伝熱管１
の媒体入口部２０を覆うように接続され、この媒体入口
ヘッダ６内には媒体Ａが導入された場合、水平の管板３
より突出した。伝熱管１と直交する媒体Ａの液相りの自
由液面２２が形成されるようになっている。

伝熱管１の媒体入口部２０は媒体Ａの液相りの自由液面
２２より上方に突出され、媒体Ａの気相Ｇが流入できる
ようになっている。また、媒体Ａの液相しの自由液面２
２により下方の伝熱管１には媒体Ａの液相りを伝熱管１
内に流入させるための小孔８が形成されている。更に、
媒体入口ノズル５から流入された気液二相状態の媒体Ａ
を気相Ｇと液相１−とに分離して安定した液相りの自由
液面２２を形成するために、媒体入口ヘッダ６内におけ
る媒体入口ノズル５近傍にはバッフル板７が垂直に取付
けられている。これら伝熱管１の媒体入口部２０の構成
およびバッフル板７によって媒体△を気相Ｇと自由液面
２２とを有する液相ｌ−とに分難するための二相分流機
溝２３が構成されている。

垂直の管板４の外側には伝熱管１の媒体出口部２１を覆
う媒体出口ヘッダ９が接続され、この媒体出口ヘッダ９
には媒体Ａを外部へ流出させるための媒体出口ノズル１
０が形成されている。シェル２の媒体出口側にはシェル
２内に熱源流体Ｂを流入させるための流体入口ノズル２
４が、媒体入口側には流体出口ノズル２５が形成されて
いる。

次に本実施例の作用を述べる。

気液二相状態の媒体Ａは媒体入口ノズル５から媒体入口
ヘッダ６内に流入し、バッフル板７の作用で気相Ｇは上
方へ、液相しは下方へと分難され、液相しは管板３の上
に自由液面２２を形成した後、伝熱管１の各小孔８から
各伝熱管１内に流入する。

一方気相Ｇは伝熱管１の上端部（媒体入口部）２０から
各伝熱管１内に流入する。そして、この気相Ｇと液相１
−とは各伝熱管１内を流れてシェル２内を流れる熱源流
体Ｂと熱交換された後、媒体出口ヘッダ９から媒体出口
ノズル１０を通って流出する。

このように媒体入口ヘッダ６内のバッフル板７と伝熱管
１の小孔８などからなる二相分流機構２３により気液二
相状態の媒体を各伝熱管１内に均等に配分することがで
きるので、伝熱性能の低下を防止することができる。

第２図〜第４図は本発明の他の実施例を示したものであ
る。図示するように前記実施例と同様に構成された第１
のシェルチューブ熱交換器１１の側部にはこれと平行に
第２のシェルチューブ熱交換器１２が配置されている。

第２のシェルチューブ熱交換器１２は水平円筒状の第２
のシェル２６内にその長手方向に沿って管軸が水平にな
るよう複数の第２の伝熱管２７を配置し、これら伝熱管
２７の両端部を管板２８．２９に固定したもので、第１
のシェルチューブ熱交換器１とは逆にシェル２６内に媒
体Ａが、伝熱管２１内に熱源流体Ｂがそれぞれ流される
ようになっている。シェル２６の一端には媒体出口ノズ
ル１３が形成されると共に熱源流体入口ノズル３０を有
する熱源流体入口ヘッダ３１が接続され、その媒体出口
ノズル１３は第１のシェルチューブ熱交換器１１の媒体
入口ノズル５に、熱源流体入口ノズル３０は熱源流体接
続配管１４を介して第１のシェルチューブ熱交換器１１
の熱源流体出口ノズル２５にそれぞれ接続されている。

シェル２６の他端には媒体入口ノズル１５が形成される
と共に、熱源流体出口ノズル３２を有する熱源流体出口
ヘッダ３３が接続されている。

次にこのように構成された複合形シェルチューブ熱交換
器を媒体の蒸発器として使用する場合の作用を述べる。

気液二相状態あるいは液単相状態にある媒体Ａは第２の
シェルチューブ熱交換器１２の媒体入口ノズル１５から
シェル２６内（伝熱管２７の外部）に流入し、伝熱管２
７内を流れる熱源流体Ｂによって加熱されて流れながら
蒸発する。そして、気液二相状態になった媒体Ａは第２
のシェルチューブ熱交換器１２から媒体出口ノズル１３
、媒体入口ノズル５を通って第１のシェルチューブ熱交
換器１１の伝熱管１１内にその二相分流機構２３により
均等に配分されて流入し、ここではシェル２内を流れる
熱源流体Ｂによって更に加熱されて蒸発し、完全に蒸気
となって媒体出口ノズル１０から流出する。このように
媒体Ａの蒸気量の少ない蒸発の前半には媒体Ａが伝熱管
２７の外部を流れるので、外周壁にフィン等の各種の伝
熱促進加工を施した高性能伝熱管を利用することができ
、媒体Ａの蒸気量が多くなる蒸発の後半には媒体Ａが伝
熱管１の内部を流れるので、ドライアウトによる伝熱性
能の低下を防止することができる。

上記複合形シェルチューブ熱交換器は媒体が非共沸混合
媒体であるときには凝縮器として利用することもできる
。この場合、蒸気量が多い凝縮の前半には上記蒸発の場
合と同様に各種の高性能伝熱管を利用することができる
。凝縮液量が増して蒸気流速が低下すると、非共沸混合
媒体では凝縮しにくい成分の蒸気がシェル内に滞留して
熱交換器の伝熱性能の低下を招き易い。しかしながら、
本実施例のように気液二相状態の媒体を第１のシェルチ
ューブ熱交換器１１の伝熱管１内に流入させるので、シ
ェル内と異なり、凝縮しにくい成分が滞留することはな
く、したがって伝熱性能の低下を防止することができる
。

このように複合型シェルチューブ熱交換器によれば高性
能な蒸発器あるいは凝縮器を実現することができる。

実施例では二相分流構成２３がバッフル板７と伝熱管１
の小孔８などから構成されているが、二相分流機構２３
としては実施例のものに限らず、種々のものが利用可能
である。例えば、媒体入口ヘッダ６内に安定した媒体Ａ
の液相りの自由液面２２を形成することができるものな
ら、必ずしもバッフル板７は必要とされないし、液相り
の自由液面２２に伝熱管１の上端部を位置させてその上
端部から液相りと気相Ｇを流入させるようにすれば、必
ずしも伝熱管ゴの小孔８は必要とされない。

伝熱管１の入口部は必ずしも垂直である必要はなく、多
少傾斜させることもできる。

熱源流体Ｂが伝熱管１に直交して流れるものである場合
には、小孔８の数や大きさを伝熱管１毎に異ならせ、伝
熱管１内を流れる媒体の量を異ならせることもできる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように本発明によれば、実質的
に水平の伝熱管の媒体入口部を上方に曲げて形成してい
ることから、その媒体入口部に伝熱管の管軸と交差する
媒体の自由液面を形成することが可能となり、媒体入口
ヘッダ内に種々の構成の二相分流機構を設けることがで
き、媒体の気相および液相を各伝熱管内に均等に配分す
ることもでき、よって伝熱性能の低下を防止することが
できる。

また、このシェルチューブ熱交換器に媒体が伝熱管の外
部（シェル側）を流れる第２のシェルチューブ熱交換器
を接続すれば蒸発器あるいは凝縮器としてより一層の効
果を発揮する。すなわち、蒸発器の場合には高性能伝熱
管を用いてしかもドライアウトによる蒸発伝熱性能の低
下を防止でき、非共沸混合媒体使用の凝縮器の場合には
高性能伝熱管を用いてしかも凝縮しにくい成分の蒸気の
滞留を防止できるから結果的に高性能な蒸発器あるいは
凝縮器を実現できることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るシェルチューブ熱交換器の一実施
例を示す断面図、第２図は本発明の他の実施例を示す平
面図、第３図は第２図のＸ−Ｘ線矢視断面図、第４図は
第２図のＹ−Ｙ線矢視図、第５図は従来のシェルチュー
ブ熱交換器を示す断面図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱源流体を流すシェル内に、気液二相状態の媒体
   を流す複数の伝熱管を実質的に水平に配置したシェルチ
   ューブ熱交換器において、前記伝熱管の媒体入口部を上
   方に曲げて形成し、この媒体入口部に媒体を気相と自由
   液面を有する液相とに分離してからそれぞれの伝熱管に
   供給する二相分流機構を設けたことを特徴とするシェル
   チューブ熱交換器。
2. （２）前記二相分流機構に第２の伝熱管を有する第２の
   シェルを接続し、熱源流体を前記第２の伝熱管の内部に
   流すと共に媒体が第２の伝熱管の外部を流れて二相分流
   機構に流れ込むことを特徴とする請求項１記載のシェル
   チューブ熱交換器。