JPH02290478A - 直接接触型凝縮器およびこれを用いた熱サイクル装置 - 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，直接接触型凝縮器並びにこれを用いた熱サイ
クル装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より，冷凍機や冷暖房機器などのヒートポンプ装置
２さらには地熱バイナリー発電，海洋温度差発電等の熱
回収装置の凝縮器としては．凝縮すべき気体熱媒と冷却
流体とを金属壁を介して間接的に熱交換する方式が多用
されている．例えばバイナリー発電等に提案されている
凝縮器では凝縮室の内部に配設した冷却流体の通流する
伝熱管の外表面に，凝縮すべき気体を接触させて気体を
凝縮液化する方式が用いられ．一般的には伝熱面積を増
すように管表面に溝を付けたりフィン付き管を用いたシ
ェルアンドチェープ型熱交換器が用いられている．すな
わち，伝熱管であるチューブ内に冷却水を通流し．シェ
ル内に導入された気体熱媒をチューブ外壁に凝縮させる
ものであり，金属性チューブ外壁と気体との固体一気体
間の熱伝達で凝縮していた．この固体一気体間の熱伝達
は液体一気体間の熱伝達に比べて熱伝達性能が低いので
．伝熱面積を増加させるために凝縮器を大型化したり，
チューブの表面に溝や凹凸を形成する工夫がなされたり
していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記のような理由から，従来の凝縮器にあっては．ａＷ
ＩＢの大型化に伴って，また伝熱管表面の加工に伴って
コストアップを招くといった問題があった．さらに伝熱
管の外表面に凝縮液や．熱媒中の油等の不純物が付着し
て熱伝達性能が著しく低下するといった問題も生じてい
た。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
．その目的とするところは２凝縮すべき気体を，冷却し
た液体に直接接触させて凝縮することにより，凝縮器の
熱伝達性能を向上せしめ，もって．小型且つ安価な凝縮
器を提供し，ひいては効率のよい熱サイクル装置を提供
することにある． （ｉｌ題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するため，内部に冷却流体の通流する
複数本の伝熱管（チューブ）を配設した凝縮室内に．凝
縮すべき気体を導入して該気体の凝縮を行う凝縮器にお
いて，本発明に従う凝縮器は．該凝縮室内に該伝熱管に
より冷却される液体を充填し．この充填液体中に凝縮す
べき気体を気泡状で導入するための気泡発生手段を該凝
縮室底部に設けたことを特徴とする。

そして．本発明はまた．クローズド配管系内に配置され
た蒸発器と凝縮器との間を熱媒を強制的に循環させ．該
蒸発器で気化した気体熱媒を該凝縮器で液化させ．この
液体熱媒を再び薫発器に循環するようにした熱サイクル
装置において，該凝縮器がシェル内に多数本のチューブ
を横方向に配置してなるシェルアンドチェーブ型熱交換
器からなり．この熱交換器のシェル側に該熱媒が，そし
てチューブ側に放熱用流体が通流されることにより該シ
ェル内が凝縮室に構成され，この凝縮室内に該熱媒が液
体状態で且つ該チューブの管壁表面の実賞上全てを覆う
に充分な量で充填され，この凝縮室内に充填された液層
の下部に前記の蒸発器で気化した気体熱媒を気泡状で導
入するための気体熱媒導入手段が設けられ，該手段より
も上方のｆＬ層位置から液の一部を蒸発器に向けて抜き
出すための液体熱媒導出口が該ａ縮室に設けられたこと
を待散とする熱サイクル装置を提・供する。そのさい，
蒸発器から凝縮器に至る気体熱媒通路に動力回収用ター
ビンを配置すれば，地熱や工場廃熱などから動力を回収
する装置に構成することができる．系内に循環させる熱
媒としては，最も一般的にはフロン，アンモニアなどの
低温度差エネルギー回収サイクルで利用される作動熱媒
体を使用することができる。

〔実施例〕

以下に，本発明を図示の実施例にもとづいて説明する。

第１図は．本発明に係る凝縮器の縦断面図．第２図は，
第１図の一部を破断したＡ−Ａ線拡大横断面図である。

図示のように本発明の凝縮器は，中心軸を水平方向に向
けた略円筒状の凝縮器本体１の両端開口を端板２ａ，２
ｂで閉塞するとともにその内部を隔壁３により区分して
凝縮室４と冷却水供給室５を形成している。

凝縮室４の内部には．擬縮室４内を周回し，その両端部
が隔壁３を貫通するＵ字形の伝熱管６がそれらの軸をほ
ぼ水平方向にして多数本配設されている。また凝縮室４
の下面部には気体流入口７が，上面部の一方端には不活
性ガスを抜くためのガス抜き口８が，側面ほぼ中央部に
は凝縮液取出し口９が，それぞれ凝縮室４の半径方向外
方に突出するように形成されている。そしてこの凝縮室
４内には．後述の凝縮すべき気体と同一の物質であるフ
ロン液１０が．伝熱管６の実質上全てがその液中に浸漬
されるように充填されている。なおｌ１は，凝縮フロン
液１０の流れを制御する制御板である。略長方形状の板
状体からなる該制御板１１は．第２図に見られるように
．左端と右端に位置するＵ字形の伝熱管６に対して．そ
の長辺側の上下縁を巻きつけてほぼ垂直方向に取り付け
られている。

この制御板１１の存在によって，稼働中は伝熱管６の群
の側方に凝縮液が循環下降する流れが形成される。

冷却水供給室５は．第１図に見られるように上部に冷却
水流出口１２が，また下部に冷却水流入口１３が，それ
ぞれ冷却水供給室５の半径方向外方に突出するように形
成されるとともに，内部が遮蔽板１４により上室５ａと
下室５ｂとに分離され，この上室５ａと下室５ｂに各伝
熱管６の両端が開口している。したがって，下室５ｂが
各伝熱管６への冷却水送入へ冫ダー室，上室５ａが各伝
熱管６からの冷却水送出ヘッダ一室を構成している６ 凝縮室４の底面部には，前記した気体流入口７の上方位
置において，気泡発生板ｌ５が水平方向に設置されてい
る。この気泡発生板１５は凝縮室４の底面部のほぼ長手
方向全長にわたる大きさを有しており１　この気泡発生
板１５と凝縮器本体１との間には．給気室１６が形成さ
れる。気泡発生板１５は，図示の実施例では．第３図に
示すように．長方形の平板部に直径４ミリの孔１５ａを
，横方向に５８個形成したものを縦方向に７列設けた多
孔板からなっている。この気泡発生板１５の孔１５ａの
個数並びに径は，凝縮する流体物質の熱物性値によって
適正に決める必要があるが，気体がこの孔を通過すると
きの流動抵抗を極力小さくするために，孔１５ａの総面
積が気体流入口７の口径断面積にほぼ等しくなるくらい
が適当である。また列数およびその位置は．伝熱管群の
最下部の管数などに関連させて，気泡による伝熱管周辺
の液体の撹拌効果を高める配置とする．これによって液
体と伝熱管との伝熱性能を格段に向上させることができ
る。なお長手方向に沿った１５ｃが気泡発生板１５の裏
面に垂直に取付けられ．ｙｌ板からなる気泡発生板ｌ５
の強度を補強している。なお，気泡発生手段としては．
既述の気泡発生板のほか多孔管を使用することもできる
． 以上の構成からなる凝縮器の作用を，凝縮すべき気体と
してフロンガスを使用した場合を例にとって説明する。

先ず．冷却水流入口１３より冷却水１７を冷却水供給室
５の下室５ｂ内に流入せしめると該冷却水１７が伝熱管
６内を通流し，再び冷却水供給室５の上室５ａ内を通過
して冷却水流出口１２より排出される。これによって伝
熱管６が冷却されると，凝縮室４内に充填されているフ
ロン液１０が該伝熱管６により冷却される。そのさい，
伝熱管６とフロン液１０との熱伝達は２固体一液体間の
熱伝達となっているので固体一気体間の熱伝達に比べて
熱伝達性能が良い。

この冷却されたフロン液１０内に，気泡発生板１５を通
じてフロンガスが気泡２０（第２図）として導入される
と．この気泡２０が凝縮室４の上方へ上昇していく過程
でフロン液１０によって冷却されて凝縮する。また，本
発明の凝縮器ではフロンガスをフロン液の下部から吹き
込むので．この気泡吹き込みによる撹拌が強力に発生し
，特に伝熱管６と液との界面に拡散流が発生することに
よって伝熱管６とフロン液１０との熱伝達が非常に促進
される。

このようにして，フロンガス気泡２０とフロン液１０と
が直接接触する熱伝達によって凝縮が行われるため，従
来の気体一固体間の熱伝達による凝縮に比べて熱伝達性
能が非常に良い．即ち，従来の気体一固体間の凝縮によ
る熱透遇係数は３００乃至千数百ｋｃａ　ｌ　／　ｒｄ
　’Ｃ　ｈであったが．本発明の気体一液体間の凝縮で
は熱伝達性能を数千ｋｃａｌ／ポ゛ｃｈとすることが可
能である。

凝ｍ液化された凝縮液は凝縮室４上方部まで上昇した後
下降してくるが，その下降流れ１日は制御板ｌ１により
凝縮室４の内周面沿いに流れるように制御され，再び室
内中央部に移動して上昇流となる。かような液の撹拌と
循環が行われる間において．凝縮分に相当する液は，室
のほぼ中央側部に存在する凝縮液取出し口９から．気泡
は実質的に流れ出さずに取り出される。またフロンガス
に不活性ガス１９が混合していた場合２該不活性ガス１
９は不活性ガス取出し口８より凝縮室４外部へ適宜排出
される。

この液体一気体の直接接触の動作は連続して行われるが
，稼働初期においては，凝縮室４のフロン液１０を充分
に冷却したあと，気体流入口７からフロンガスを導入す
る。このフロン液１０の予冷は給気室１６内にもフロン
液１０を充満した状態で行なうことができる．そして．
このフロン液ｌＯが給気室１６内に充満した状態でフロ
ンガスの導入を開始すると，給気室１６内のフロン液は
，導入されるフロンガスが有する圧で排出させられフロ
ンガスが有する熱によって蒸発し該空間はやがてフロン
ガスで占めることになり，以後はその状態で連続動作が
行われる． 第４図は，前述の凝縮器を使用した熱サイクル装置を示
したものである．第４図において，１は前述の凝縮器を
，２２は蒸発器を示しており、凝縮器１の液取出し口１
９から渾発器２２に通ずる液配管２３にボンプ２４およ
び絞り弁２５を介装し，蒸発器２２から凝縮器１の気体
流入口７に高圧配管２６を配設し，熱媒としててフロン
がその中をｖＩ１環するクローズド熱サイクルを形成し
たものである。第４図における蒸発器２２は高温水を抜
熱流体とする熱交換器であり，例えばシェルアンドチュ
ーブ型熱交換器を使用し，チューブ内に高温水をそして
シェル内に熱媒液を通流することによりシェル内を蒸発
器に構成することができる。また通常のフィンチューブ
型のコイルを使用し，コイル内に熱媒液を還流するよう
にしてもよい。この場合には．第５図に示すように，高
温気体を抜熱流体として熱交換コイル２２ａの表面に通
過させるようにすることもできる．いずれにしても，莫
発器２２は抜熱用二次流体を冷却する機能をもつことか
ら，冷凍機や冷房機の吸熱機器を構成することになる。

この熱サイクル装置の特徴は，前述のように凝縮器ｌが
シェル内に多数本のチューブ６を横方向に配置してなる
シェルアンドチューブ型熱交換器からなり．この熱交換
器のシェル側に熱媒（フロン）が．そしてチューブ６内
に放熱用流体（冷却水）が通流されることにより咳シェ
ル内が凝縮室に構成され，この凝縮室内に該熱媒を液体
状態で且つ該チューブ６の管壁表面の実質上全てを覆う
に充分な量で充填したうえ．その液層の下部に蒸発器２
２で気化した気体熱媒を気泡状で導入するための気体熱
媒導入手段１５を設け，この手段１５よりも上方の液層
位置から液の一部を蒸発器に向けて抜き出すための液体
熱媒導出口１９を該凝縮室に設け，ｉ！転中は該凝縮室
内において常に液体一気体の直接熱交換で凝縮操作を行
わせる点にある。

そのさい１稼働中において，チューブ６のほぼ全ての管
壁表面を覆うに充分な液量を凝縮室内に常時滞留させる
には，液面検出計２７による検出値を指示値としたボン
プ２４の回転数制御或いはボンプ２４の吸込側の液管路
に設けた制御弁２８の開度制御によって行うことができ
る．これによって，クローズドサイクル内での熱媒の凝
縮動作は，気体熱媒の気泡と液体熱媒との直接熱交換に
よって行われ，しかも，液体熱媒の撹拌が該気泡によっ
て助成されることから　（特にチューブ外壁周囲の液膜
が拡散することから）冷却水と液体熱媒との熱伝達効率
が向上するのでａ縮効率が向上し，ひいては気体熱媒か
ら冷却水への熱伝達が極めて高い効率のもとで行われ，
凝縮器自体の容量がそれほど大きくなくても，意図する
凝縮挙動が完全に実現できる。

第６図は．蒸発器２２で得られた高圧気体熱媒を利用し
て動力を回収するようにした以外は，第４図と同様の熱
サイクル装１を示したものである．すなわち．蒸発器２
２から凝縮器ｌに通ずる高圧ガス管路２６にタービン３
０を介装し，このタービン３０によって発電機３１で電
力を取り出すようにしたものである。かような動力回収
装置は，温泉や工場等での過剰な熱水を熱源とするのに
適用され，このため，ｙ発器２２は熱水と効率よく熱交
換できるものを使用する． 例えば，第７図に示したように　熱水槽３３の底部に熱
水またはスチームを噴出する噴出管３４を配置すること
によって，槽３３内の熱水を撹拌しつつ高温を維持せし
め，この熱水槽３３内に凝縮器１で得られた液体熱媒が
通流する熱交換コイル３５を浸漬する．さらに．該熱水
槽３３内には内容積の大きなチャンバー３６（蒸発器）
も浸漬しておき，このチャンバー３６内にコイル３５を
通過して昇温した熱媒を噴射して気化させる．このチャ
ンバー３６内には適宜槽内の熱水が通流する伝熱管を配
置しておくこともできる．これによってチャンバー３６
（蒸発器）では高圧の熱媒蒸気が効率よく得られ，この
高圧蒸気を利用してタービン３０を駆動する。タービン
３０を通過した熱媒気体は再び凝縮器１に戻って液化さ
れる。

なお前述の実施例では作動媒体としてフロンを用いた例
を示したが，アンモニア等の低温度差エネルギー回収サ
イクルで使用される通常の熱媒を使用しても同様に稼働
することができる。

（効果〕 以上のようにして，本発明に従う擬縮器では気体熱媒は
気泡となって凝縮室内部の冷却された液体熱媒と直接接
触し，気体（気泡）一液体間の熱伝達で凝縮されるので
従来のａｍ器の気体一固体（伝熱管）の熱伝達に比べて
熱伝達性能が格段に向上し．しかも気体熱媒の気泡によ
って凝縮室内の液体熱媒の撹拌が行われるので伝熱管表
面での固体一液体間の熱伝達も極めて良好となり，少な
い伝熱面積でも大きな凝縮効果が得られる。このため，
凝縮器を小型化することができ．熱サイクル装置に使用
したときに，安価でしかも効率の良い装置に構成するこ
とができる。特に熱水からの動力回収装百等は，装置が
大掛かりになるためにその実用化の妨げになっていたが
，本発明によって効率のよう小型の凝縮器が得られたこ
とは，かような動力回収装置の改善に大きく貢献できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は．本発明に従う凝縮器の例を示す縦断面図， 第２図は．第１図の一部を破断したＡ−Ａ線拡大横断面
図， 第３図（イ）乃至（ハ）は，気泡発生板の構成図で（イ
）は正面図．（口）は平面図，（ハ）は側面図第４図は
，本発明に従う熱サイクル装置の実施例を示す略断面図
， 第５図は，第４図の熱サイクル装置における別の蒸発器
を用いた例を示す略断面図， 第６図は，本発明に従う動力回収熱サイクル装置の実施
例を示す略断面図， 第７図は．第６図における蒸発器の好ましい例を示す略
断面図である。 １・・凝縮器本体．　　　４・・凝縮室，６・・伝熱管
，　　　７・・気体流入口，１０・・凝縮室内に充填さ
れた液体．　　１５・・気泡発生板，　　１６・・給気
室，１７・・冷却水２０・・凝縮すべき気体の気泡．２
２・・蒸発器２３・・液配管，２４・・ポンプ，２５・
・絞り弁２６・・高圧配管，３３・・熱水槽，３５・・
熱交換コイル，３６・・チャンバー弐蒸発器。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に冷却流体の通流する複数本の伝熱管を配設
   した凝縮室内に、凝縮すべき気体を導入して該気体の凝
   縮を行う凝縮器において、該凝縮室内に該伝熱管により
   冷却される液体を充填し、この充填液体中に凝縮すべき
   気体を気泡状で導入するための気泡発生手段を該凝縮室
   底部に設けたことを特徴とする直接接触型凝縮器。
2. （２）充填液体は、凝縮すべき気体と同一の物質である
   請求項１に記載の直接接触型凝縮器。
3. （３）クローズド配管系内に配置された蒸発器と凝縮器
   との間を熱媒を強制的に循環させ、該蒸発器で気化した
   気体熱媒を該凝縮器で液化させ、この液体熱媒を再び蒸
   発器に循環するようにした熱サイクル装置において、 前記の凝縮器がシェル内に多数本のチューブを横方向に
   配置してなるシェルアンドチューブ型熱交換器からなり
   、この熱交換器のシェル側に該熱媒が、そしてチューブ
   側に放熱用流体が通流されることにより該シェル内が凝
   縮室に構成され、この凝縮室内に該熱媒が液体状態で且
   つ該チューブの管壁表面の実質上全てを覆うに充分な量
   で充填され、 この凝縮室内に充填された液層の下部に前記の蒸発器で
   気化した気体熱媒を気泡状で導入するための気体熱媒導
   入手段が設けられ、 該手段よりも上方の液層位置から液の一部を蒸発器に向
   けて抜き出すための液体熱媒導出口が該凝縮室に設けら
   れたことを特徴とする熱サイクル装置。
4. （４）熱媒はフロンまたはアンモニアである請求項３に
   記載の熱サイクル装置。
5. （５）蒸発器から凝縮器に至る気体熱媒通路に動力回収
   用タービンが配置される請求項３または４に記載の熱サ
   イクル装置。
6. （６）蒸発器は熱水槽内に浸漬される請求項５に記載の
   熱サイクル装置。