JPH0231313B2 - Bunrigatahiitopaipushikikukyonetsuki - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は廃ガスなどの高温流体を熱源として
空気を予熱する空気予熱器に関し、特に互いに分
離して配置したヒートパイプ構造の蒸発管と凝縮
管とを蒸気連絡管および液連絡管によつて連通さ
せたヒートパイプ式の空気予熱器に関するもので
ある。

従来の技術 この種の空気予熱器は、例えば実開昭59−
130967号公報に記載されている通りであり、これ
を略示すれば第５図に示すように、ヒートパイプ
構造の複数本の蒸発管１を上部ヘツダ２と下部ヘ
ツダ３とで連結してなる蒸発管群４を、高温廃ガ
ス流路５中に配置し、またヒートパイプ構造の複
数本の凝縮管６を上部ヘツダ７と下部ヘツダ８と
によつて連結してなる凝縮管群９を、前記蒸発管
群４より高い位置で加熱昇温すべき空気の流路１
０中に配置し、これらの蒸発管群４と凝縮管群９
とのうち、各々の上部ヘツダ２，７同士を蒸気連
絡管１１によつて連通する一方、下部ヘツダ３，
８同士を蒸気液連絡管１２によつて連通する。そ
してこのようにして構成したループ内に水等の作
動流体１３を封入しておき、これを廃ガスの有す
る熱により蒸発管１内で蒸発させ、その蒸気が上
部ヘツダ２および蒸気連絡管１１を経て凝縮管６
に流入し、ここで空気に熱を与えて凝縮液化する
ことにより、作動流体１３がその状態変化に伴う
潜熱として熱を輸送し、また凝縮液化した作動流
体１３は凝縮管群９における下部ヘツダ８から液
連絡管１２を経て蒸発管群４に還流する。したが
つて作動流体１３が上記のように蒸発・凝縮を行
なつて連続的に循環流動することにより、廃ガス
の有する熱によつて空気が加熱昇温される。

しかして上記のように構成した空気予熱器で
は、入熱側である蒸発管群４と出熱側である凝縮
管群９とを分割してあるから、各々の位置を任意
に設定でき、その結果、ダクトの引き回しを簡素
化でき、それに伴いコストの低廉化を図ることが
でき、そのために大型の空気予熱器や廃熱回収設
備に有効である。

発明が解決しようとする問題点 しかるに連続的な熱交換を行なうためには蒸発
管１内に液相の作動流体１３を常時供給する必要
があり、そのために従来では、凝縮管群９におい
て生じた液相の作動流体１３を水頭差によつて各
蒸発管１に分配供給し、蒸発管１の全長の20〜30
％を液相の作動流体１３が常時満すようにしてい
る。この作動流体１３はプール沸騰を伴つて蒸発
する。前述した装置は大型かつ大容量の熱交換器
としての利点が多く、そのために蒸発管１が長い
場合が多く、このような場合には、蒸発管長手方
向に均一な液膜を形成することが困難である。
る。また沸騰に伴う液相作動流体の吹上げ現象
（フラツデイング現象）が生じて周期的に内部熱
伝達が不安定となる現象が生じる。また上記従来
の装置においては、蒸発管１のうち液相の作動流
体１３が満している部分では、作動流体の円滑な
蒸発が生じず、蒸発部として必ずしも有効に機能
しない場合がある。

このように従来の装置では、内部熱伝達の不均
一現象や液相の作動流体が蒸発管１の下部を満し
ていることによる液膜蒸発面積の減少による熱伝
達の低下等により、蒸発管１内での作動流体１３
の蒸発効率が悪く、その結果、蒸発管１の本数を
多くせざるを得ないなど、経済的に問題があつ
た。

この発明は上記の事情に鑑み、蒸発管での熱伝
達率を改善し、ひいては高性能化、小型化を図る
ことのできる分離型ヒートパイプ式空気予熱器を
提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 この発明は上記の目的を達成するために、液分
配管を蒸発管の上端部側から挿入し、その液分配
管に形成した小径の流出孔から液相の作動流体を
流出させることにより、各蒸発管の内面全体に液
相の作動流体を分配供給するよう構成したもので
ある。すなわちこの発明は、複数本の蒸発管が一
方の端部を高くして高温流体流路中に配置される
とともに、その蒸発管の各端部が上部ヘツダおよ
び下部ヘツダによつてそれぞれ連結され、また予
熱すべき空気の流路中に複数本の凝縮管が一端部
を高くして配置されるとともに、その凝縮管の各
端部が上部ヘツダおよび下部ヘツダによつてそれ
ぞれ連結され、さらに前記各上部ヘツダが蒸気連
絡管によつて連通されるとともに、前記蒸発管と
凝縮管とが液連絡管によつて連通され、かつこれ
ら蒸発管および凝縮管ならびに各連絡管によつて
形成される流路中に潜熱として熱輸送を行なう凝
縮性流体からなる作動流体が封入された構成の空
気予熱器において、前記蒸発管が水平面に対して
5゜〜60゜傾斜して配置され、かつ液相の作動流体
を流通させるべく前記凝縮管の下部ヘツダに連通
させられた複数の液分配管が、先端部を閉じかつ
中間部下面側に複数の小径の流出孔を形成した構
成とされるとともに、その液分配管が前記各蒸発
管の内部にその上端部側から挿入されていること
を特徴とするものである。

またこの発明では、水頭圧によつて液相作動流
体を蒸発管の内部に還流させることになるから、
蒸発管の長手方向での液相作動流体の供給量を均
一化するために、前記流出孔の径を液分配管の先
端部側ほど小径とし、もしくは流出孔同士の間隔
すなわちピツチを液分配管の先端部側ほど広く設
定することが好ましい。

さらにこの発明では、蒸発管の内部で生じる作
動流体蒸気の流動を円滑化するために、前記液分
配管を蒸発管に対して下側に偏心させて蒸発管の
内部に挿入した状態に設定することが好ましい。

作 用 したがつてこの発明では、廃ガス等の高温流体
の有する熱によつて蒸発管の内部の作動流体が蒸
発・気化し、その蒸気が上部ヘツダおよび蒸発連
絡管を経て凝縮管に到り、ここで作動流体の潜熱
が放出して凝縮・液化することにより、凝縮管の
外部を流れる空気を加熱昇温する。そして液化し
た作動流体は液分配管に重力すなわち水頭圧によ
つて還流するが、その液分配管が各蒸発管の内部
にその上端部側から個別に挿入され、しかも蒸発
管が水平面に対して5゜〜60゜傾斜しているから、
液分配管の流出孔から滴下した作動流体は、蒸発
管の内面に沿つて流れて蒸発管の内面全体に供給
され、再度外部から熱を受けて蒸発する。その場
合、水頭圧の高い液分配管の先端部側での流出孔
の開口径が小さければ、あるいは流出孔同士の間
隔が広ければ、蒸発管の長手方向での流出量が、
より均一され、その結果、蒸発管の内面全体が蒸
発部となり、換言すれば、有効蒸発面積が従来の
蒸発管に比べて更に広くなる。また液分配管が蒸
発管に対して下側に偏心していれば、作動流体蒸
気の流路が広くなるうえに、流出孔から蒸発管内
面までの間隔が小さいので作動流体は、飛散され
ることなく分配できるため、熱輸送が更に円滑化
される。

実施例 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明
する。

第１図はこの発明の一実施例を原理的に示す模
式図であつて、まず蒸発管群１４の構成について
説明すると、フインチユーブからなる複数本の蒸
発管１５は、その内面にウイツク１６を添設し、
かつ非凝縮性ガスを排気したヒートパイプ構造で
あり、その一端部が上部ヘツダ１７によつて互い
に連結され、またその蒸発管１５の他方の端部が
下部ヘツダ１８によつて互いに連結されており、
そして上部ヘツダ１７が下部ヘツダ１８より高く
なるよう蒸発管１５が水平面Ｈに対して5゜〜60゜
傾斜して設置され、かつ蒸発管１５が高温廃ガス
流路１９中に位置するよう設定されている。

また凝縮管群２０の構成について説明すると、
凝縮管群２０は、前記蒸発管群１４とほぼ同様な
構成であつて、フインチユーブからなる複数本の
凝縮管２１は、非凝縮性ガスを排気したヒートパ
イプ構造であり、その一端部が上部ヘツダ２２に
よつて互いに連結され、またその凝縮管２１の他
方の端部が下部ヘツダ２３によつて互いに連結さ
れており、そして上部ヘツダ２２側が高くなるよ
う水平面Ｈに対して5゜〜60゜傾斜し、かつ凝縮管
２１が空気流路２４中に位置するよう設置されて
いる。

そして前記各上部ヘツダ１７，２２が蒸気連絡
管２５によつて互いに連通されており、また凝縮
管群２０の下部ヘツダ２３の中央部には、有底円
筒状の液溜め部２６が垂下して設けられ、その液
溜め部２６の底部に液連絡管２７が接続して設け
られている。その液連絡管２７は液相の作動流体
を蒸発管群１４に還流させるためのものであつ
て、一方の端部が蒸発管群１４における上部ヘツ
ダ１７にその軸線方向に沿つて挿入されており、
液連絡管２７のうち上部ヘツダ１７の内部に挿入
した部分には、各蒸発管１５の内部に挿入した液
分配管２８が連通させて取付けられている。液分
配管２８は第２図および第３図に示すように、先
端部を密閉した直管状のものであり、液相の作動
流体２９を流出させる多数の流出孔３０が下面側
に形成されている。

上述した蒸発管群１４、凝縮管群２０および各
連絡管２５，２７からなる密閉流路内には、空気
などの非凝縮性ガスを排気した状態で水等の凝縮
性の流体が作動流体２９として封入されている。

なお前記液分配管２８は液相の作動流体２９を
蒸発管１５の内面に直接供給するためのものであ
るが、その作用は液相作動流体２９の水頭圧によ
つて行なうことになり、したがつて液分配管２８
の先端部と上端部とでの水頭圧の相違に伴う流出
量の相違を是正するために、以下の方策を採るこ
とが好ましい。すなわち第１は、水頭圧が高くな
る液分配管２８の先端部側の流出孔３０の開口径
を上端部側より小さくすることである。第２は、
液分配管２８の先端側での流出孔３０同士の間隔
Ｐを広くして単位長さ当りの供給量を蒸発管１５
の全長に渡つて均一化することである。

さらに蒸発管１５の内部で生じた作動流体蒸気
は、傾斜して設置された蒸発管１５の上面に沿つ
て流れるから、作動流体蒸気の流路を確保するた
めに、前記液分配管２８は蒸発管１５に対して下
側に偏心した位置に挿入することが好ましい。

上記の空気予熱器によつて空気の加熱昇温を行
なうには、前記高温廃ガス流路１９に廃ガスＧを
流し、これに対して空気流路２４に加熱昇温すべ
き空気Ａを流す。高温廃ガスＧからの入熱当初に
おいては、液相の作動流体２９が蒸発管群１４の
最下部に下がつているが、入熱によりその液相作
動流体が次第に蒸発する。その蒸気は上部ヘツダ
１７および蒸気連絡管２５を経て凝縮管群２０に
到り、ここで空気流路２４内の空気Ａに熱を奪わ
れて凝縮液化する。こうして生じた液相の作動流
体は前記液溜め部２６に次第に溜るとともに、凝
縮管群２０の下部ヘツダ２３および液溜め部２６
ならびに液連絡管２７を経て蒸発管群１４側へ還
流するが、各蒸発管１５に対しては前記液分配管
２８を介して供給される。すなわち液相の作動流
体は液連絡管２７から液分配管２８に流れ込み、
その内部を流下する間に前記流出孔３０から流出
し、しかる後ウイツク１６における毛細管圧力お
よび重力によつて蒸発管１５の内面全体に分散供
給される。その場合、液分配管２８の先端側ほど
液相作動流体の水頭圧が高くなつているが、液分
配管２８の先端側における流出孔３０の開口径を
小さくしておくことにより、あるいは先端部側で
の流出孔３０のピツチＰを大きくすることによ
り、水頭圧の差に基づく流出量の差を是正し、液
相作動流体の供給量を蒸発管１５の全長に亘つて
より均一化することができる。

上述のようにして供給された液相の作動流体は
外部からの入熱により再度蒸発し、凝縮管群２０
側へ熱を輸送する。その場合、作動流体蒸気は傾
斜して配置された蒸発管１５の上面側に沿つて流
動するから、前記液分配管２８を蒸発管１５の下
側に偏心して配置しておけば、作動流体蒸気の流
路を充分広く確保し、作動流体の飛散も防止で
き、作動流体により熱輸送を円滑化することがで
きる。

したがつて上記の空気予熱器では、蒸発管群１
４および凝縮管群２０の間で作動流体が蒸発およ
び凝縮を繰返し行ないつつ循環流動することによ
り、廃ガスＧの有する熱によつて空気Ａが加熱昇
温されるが、放熱によつて生じた液相作動流体が
各蒸発管１５に対して前記液分配管２８を介して
その内面全体に再度供給されるから、蒸発管１５
の内周面全体を廃ガスＧと作動流体との熱授受部
すなわち有効蒸発面とすることができ、さらに液
相作動流体の供給が均等化されるから、所謂ドラ
イアウトや液相作動流体が蒸気によつて飛散させ
られることを防止できる。

なお以上述べた実施例では、液溜め部２６を凝
縮管群２０における下部ヘツダ２３に設け、液連
絡管２７を蒸発管群１５の上部ヘツダ１７内に挿
入し、その液連絡管２７から液分配管２８を分岐
させた構成としたが、この発明は上記の実施例に
限られるものではなく、例えば第４図に示すよう
にリザーバ３１を別途設けた構成としてもよい。
すなわち第４図において、ベント弁３２および安
全弁３３を有するリザーバ３１が蒸発管群１４お
よび凝縮管群２０の間に設けられ、凝縮管群２０
の下部ヘツダ２３が液連絡管２７を介してそのリ
ザーバ３１に連通され、かつ先端部を各蒸発管１
５内に挿入した液分配管２８がリザーバ３１の底
部にそれぞれ接続されている。このような構成で
あつても、上述した実施例におけると同様に動作
させることができる。

さらにこの発明では、液溜め部２６やリザーバ
３１を特に設けずに、液分配管２８を直接凝縮管
群２０における下部ヘツダ２３に接続して設けて
もよい。

発明の効果 以上の説明から明らかなようこの発明によれ
ば、外部から熱を受ける蒸発管を水平面に対して
5゜〜60゜傾斜させる一方、液相の作動流体を流通
させるべく凝縮管の下部ヘツダに連通させた複数
本の液分配管を、先端部が閉じかつ中間部下面に
複数本の小径の流出孔を形成した構成とするとと
もに、その液分配管を各蒸発管の内部にその上端
部側から挿入したから、液相作動流体を蒸発管に
対してその内面に直接かつ上端側から流下させる
よう供給することがができ、また蒸発管の内部に
所謂プールが生じないために、蒸発管の内周面全
体が蒸発部となり、その結果、広い有効蒸発面積
を採ることができる。したがつてこの発明では、
蒸発管内での熱伝達を効率良く行なわせることが
できるので、蒸発管から凝縮管への熱輸送すなわ
ち高温廃ガスから空気に対する熱伝達を効率化で
き、換言すれば、空気予熱器の高性能化およびそ
れに伴う小型化を図ることができる。特に液分配
管での流出孔の開口径をその先端部側ほど小径と
し、あるいは流出孔同士の間隔を先端部側ほど広
くすれば、水頭差に基づく液相作動流体の流出量
の差を是正し、液相作動流体の供給量をより均一
化してドライアウトの発生による熱輸送効率の低
下を防止することができる。これに加え、液分配
管を蒸発管に対して下側に偏心させて配置すれ
ば、作動流体蒸気の流路を充分広く確保すること
ができるから、作動流体による熱輸送を更に円滑
化することができる。さらにまたこの発明では、
蒸発管の内部に液相作動流体のプールが生じない
ので、作動流体の沸騰によるフラツデイング現象
が生じず、この点でも最大熱輸送能力を高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を原理的に示す模
式図、第２図は蒸発管に対する液分配管の挿入状
態を示す概略断面図、第３図は第２図の−線
矢視拡大図、第４図はこの発明の他の実施例を原
理的に示す模式図、第５図は従来の分離型ヒート
パイプ式空気予熱器の一例を原理的に示す模式図
である。 １４……蒸発管群、１５……蒸発管、１７，２
２……上部ヘツダ、１８，２３……下部ヘツダ、
１９……高温廃ガス流路、２０……凝縮管群、２
１……凝縮管、２４……空気流路、２５……蒸気
連絡管、２７……液連絡管、２８……液分配管、
２９……作動流体、３０……流出孔、Ｐ……（流
出孔の）ピツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数本の蒸発管が一方の端部を高くして高温
   流体流路中に配置されるとともに、その蒸発管の
   各端部が上部ヘツダおよび下部ヘツダによつてそ
   れぞれ連結され、また予熱すべき空気の流路中に
   複数本の凝縮管が一端部を高くして配置されると
   ともに、その凝縮管の各端部が上部ヘツダおよび
   下部ヘツダによつてそれぞれ連結され、さらに前
   記各上部ヘツダが蒸気連絡管によつて連通される
   とともに、前記蒸発管と凝縮管とが液連絡管によ
   つて連通され、かつこれら蒸発管および凝縮管な
   らびに各連絡管によつて形成される流路中に潜熱
   として熱輸送を行なう凝縮性流体からなる作動流
   体が封入された構成の空気予熱器において、 前記蒸発管が水平面に対して5゜〜60゜傾斜して
   配置され、かつ液相の作動流体を流通させるべく
   前記凝縮管の下部ヘツダに連通させられた複数の
   液分配管が、先端部を閉じかつ中間部下面側に複
   数の小径の流出孔を形成した構成とされるととも
   に、その液分配管が前記各蒸発管の内部にその上
   端部側から挿入されていることを特徴とする分離
   型ヒートパイプ式空気予熱器。 ２ 前記流出孔の径が、前記液分配管の先端部側
   ほど小さく設定されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の分離型ヒートパイプ式空
   気予熱器。 ３ 前記流出孔同士の間隔が、前記液分配管の先
   端側ほど広く設定されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の分離型ヒートパイプ式
   空気予熱器。 ４ 前記液分配管が、前記蒸発管に対して下側に
   偏心して各蒸発管の内部に挿入されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の分離型ヒ
   ートパイプ式空気予熱器。