JPH0260957B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シエルと複数本の伝熱管とで構成さ
れたシエルチユーブ形熱交換器において、特に大
容量蒸発器、低温用蒸発器などに好適な薄膜蒸発
熱伝達を用いた薄膜蒸発式熱交換器に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来の大容量、低温用の蒸発器として、例えば
満液式蒸発器は、水平方向に走る複数本の伝熱管
とシエルにより構成されたシエルチユーブ形熱交
換器の伝熱管群部を液冷媒で満たしたものであ
り、冷媒側（管外側）での伝熱形態はプール核沸
騰熱伝達を用いている。この冷媒側沸騰伝達性能
を向上する手段としては伝熱面上を種々の微細構
造に形成するなどがなされて来たが、現在ほぼ上
限に来ており、飛躍的な伝熱性能の向上は望めな
くなつている。また、プール核沸騰では、冷媒液
面高さの影響が現われ液面高さが増すに従つて伝
熱性能が低下する傾向にある。この傾向は、蒸発
圧力の低下に伴い特に顕著となり、低温用蒸発器
においては特に問題となつている。そのため、低
温用蒸発器においては、伝熱管に液冷媒を散布す
る散布式薄膜式蒸発器を用いることが多い。しか
しながら、この散布方式は、水平に配置された伝
熱管群に液冷媒を散布するものであり、伝熱管下
部に厚い被膜が保持されその分液膜の熱抵抗が増
加する。また、管群全域に均等に散布液を分配す
る必要があるため、液冷媒散布管の構造が複雑な
ものとなる。

さらに他の従来技術として、実開昭54−94963
号に記載されたものがある。これは、シエルチユ
ーブ形熱交換器を縦にして使用し、伝熱管外表面
に冷媒流下液膜を形成して熱交換を行うようにし
たものであつて、伝熱管上に均一な液膜を形成す
るため、上部に設けた液分散板から均一に冷媒を
伝熱管表面に供給するようにしたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のものでは、熱負荷に応じて熱交
換容量をセルフコントロールできる熱交換器につ
いては考慮されていなかつた。

本発明の目的は、熱交換器の熱負荷に応じて熱
交換容量をセルフコントロールできる薄膜蒸発式
熱交換器を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、シエルと、
該シエル内に鉛直状に配置された複数本の伝熱管
からなる伝熱管群とを備え、前記各伝熱管の外表
面に沿つて液冷媒を自由落下させ、伝熱管内を流
れる流体と伝熱管外の冷媒とを熱交換させるよう
にした薄膜蒸発式熱交換器において、前記伝熱管
群の上方に設けられた各々の伝熱管の外表面に沿
つて薄膜状に液冷媒を自由落下させる液冷媒分配
部材と、前記液冷媒分配部材に液冷媒を供給する
液冷媒供給手段と、シエル内で発生した蒸気をシ
エル外へ導く蒸気出口とを備え、かつ前記伝熱管
下部が冷媒液中に浸漬する状態としたプール核沸
騰熱伝達領域がシエル中間部付近まで形成される
ようにシエル内の液冷媒を外部へ導く液冷媒取出
口を前記伝熱管の上下方向中間部付近に位置させ
て設けたことにある。

〔作用〕

上記構成とすることにより、熱交換器熱負荷が
大きい場合、冷媒の蒸発が促進され、シエル内の
冷媒液面が下がる。その結果、薄膜蒸発熱伝達部
の伝熱面積が増加し、多くの熱量を伝えることが
できる。

熱負荷が小さい場合には、冷媒の蒸発が押えら
れるので熱交換器内に液冷媒が溜まる。この結
果、シエル内の液冷媒面が上昇し、薄膜蒸発熱伝
達部の伝熱面積が少なくなるから熱交換器容量が
減少する。

このように本発明によれば、熱負荷に応じて熱
交換器容量をセルフコントロールすることができ
る。

〔実施例〕

伝熱面表面に水の薄液膜を形成し、その薄液膜
を蒸発させる薄膜蒸発熱伝達は、プール核沸騰熱
伝達よりも伝熱性能が向上することが知られてい
る。この薄膜蒸発熱伝達の模式図を第１図に示
す。伝熱面１より流下液膜２への熱の輸送機構に
は次の４つの形態がある。すなわち第１には、矢
印５で示す壁面１における気泡の成長と離脱に伴
う熱伝達（核沸騰熱伝達）による熱移動（Q_NB）、
第２には、矢印６で示す壁面１から液膜流への強
制対流熱伝達による熱移動（Q_CW）、第３には、
矢印７で示す液膜２表面からの蒸発による潜熱移
動（Q_FV）、第４には、矢印８で示す蒸気泡３が
気液界面から放出される際に発生する液滴４によ
る顕熱移動（Q_LO）である。上記の各熱移動はそ
れぞれが単位として働くのではなく、相互にアジ
テーシヨン源となつて熱移動を促進する。

一方、ふつ化炭素系の有機冷媒で上記の薄膜蒸
発熱伝達を行おうとする時、蒸発潜熱、比熱、熱
伝導率などが水にくらべて小さいため、水の場合
程伝熱促進効果が現われないと考えられてきた。
しかしながら、第２図に示すように、ふつ化炭素
系冷媒Ｒ−11を作動流体とした薄膜蒸発熱伝達に
おいても、伝熱促進がなされることが判る。第２
図の縦軸はプール核沸騰熱伝達率α_PBに対する薄
膜蒸発熱伝達率αの熱伝達率上昇割合（α／α_PB）
を、横軸は熱流束ｑ（Ｗ／cm²）を表わす。伝熱面
としては、エメリー＃1000で磨かれた平滑面
（300mmmm×100mm）を用い、また、大気圧状態下
の飽和冷媒Ｒ−11を作動流体とし、伝熱面上端よ
り単位幅当たり2.64ｇ／ｓcmの液冷媒を流下させ
たものである。

一方、上記薄膜蒸発熱伝達の伝熱面に平滑面を
用いた場合、伝熱面上での冷媒液膜の拡がり性が
悪く、したがつて、伝熱面上に乾いた部分ができ
易いため、多くの液冷媒を伝熱面上に流さなけれ
ばならない。このため、伝熱面上での冷媒液膜の
拡がり性を良くし、できるだけ少ない液流量（理
想的には加えられた熱量で冷媒全量が蒸発する流
量）でも乾いた部分が伝熱面上に存在せず、した
がつて低流量下でも高い伝熱性能を有する伝熱面
が必要となる。この様な伝熱面として、冷媒液を
その表面張力で引き込み、伝熱面上のすみずみ迄
液膜を形成する多孔質伝熱面が考えられる。第３
図は、高い伝熱性能を維持するために必要な最小
液流量を示したものである。図の縦軸は伝熱面上
端での単位伝熱面積当たりの必要最小流量P_t
（ｇ／ｓcm）を、横軸は熱流束ｑ（Ｗ／cm²）を表わ
す。図中実線Ａは第４図に示す構造（伝熱面表面
９の下に0.55mmピツチで幅0.25mm、深さ0.4mmの多
数のトンネル１０を持ち、このトンネル１０と伝
熱面外表面とは内接円径0.1mmを持つ三角形の小
孔１１でつながつたもの）をもつ多孔面を表わ
し、一点破線Ｂはエメリー＃1000で磨かれた平滑
面を表わす。また、破線Ｃは伝熱面上で液冷媒が
完全に蒸発し切つてしまう理想的な流量を示す。
伝熱面はそれぞれ縦300mm、横幅100mmの大きさを
持ち、大気圧状態下の飽和冷媒Ｒ−11を作動流体
としたものである。

また、薄膜蒸発熱伝達を用いた熱交換器では、
その性能が安定していることが必要である。つま
り、流下液量などにより、その伝熱性能が大きく
変化すると熱交換器の設計が困難であるばかりで
なく、設計点を外れた運転下では、必要な熱交換
器性能が得られないということになる。この観点
でも、多孔質伝熱面は優れた性能を持つ。第５図
は、熱流束ｑが1.8W／cm²での液冷媒流量P₀（ｇ／
ｓ・cm）と熱伝熱率α（Ｗ／ｋ・cm²）との関係を
示す。図の実線Ｄは第４図に示す多孔質伝熱面
を、破線Ｅはフイン高さ1.1mm、フイン厚さ0.4
mm、フインピツチ0.8mmの微少なフインを持つ垂
直溝付伝熱面を現わす。伝熱面の大きさ及び測定
条件は第２図、第３図と同じである。

以上述べてきたように、薄膜蒸発熱伝達を用い
た熱交換器は、ふつ化炭素系有機冷媒を作動流体
として用いた場合にも高い性能を維持し、さら
に、伝熱面として多孔質面を用いると少ない冷媒
流量でも高性能を維持し、また、性能の安定した
ものとなる。したがつて、本発明は、この薄膜蒸
発熱伝達をシエルチユーブ形熱交換器に実現する
ものであり、熱交換器の小形軽量化、省資源化を
促がすものである。また、更に熱伝熱率の異なる
薄膜蒸発熱伝達と、プール核沸騰熱伝達を同時に
同一熱交換器内に設定し、それぞれの伝熱形態が
支配する面積をコントロールすることにより、容
量可変の熱交換器を実現することができる。

以下薄膜蒸発式熱交換器の一例を第６図およ
び、第６図の要部を拡大して示した第７図により
説明する。シエル内に多数垂直方向に並設された
伝熱管１２はその上下端側を管盤１３により固定
されている。これら伝熱管１２内に流体１４を供
給するヘツダ１５，１６は管盤１３の外側に複数
のパスを形成するように設けられている（この実
施例では冷水パスが３パスのものを示している）。
伝熱管サポート盤を兼用する液冷媒分配部材１
７，１８は伝熱管群の上方部および中間部に、伝
熱管１２を貫通し伝熱管１２と一定の開口部１７
ａ，１８ａをもつて設けられており、それらの端
部には液止め部１７ｂ，１８ｂが形成されてい
る。

上記の伝熱管部と仕切壁１９により分けられて
いる液冷媒ヘツダ２０は、仕切板２１により上下
室に区画されており、区画された室にはそれぞれ
液冷媒入口２２，２３が設けられ、また、区画さ
れた各室に対応する仕切壁１９には液冷媒分配部
材１７，１８に液冷媒を導くための冷媒流出孔２
４，２５が設けられている。熱交換器本体の上方
には蒸気出口２６、下方には液冷媒取出口２７が
設けられ、また蒸気出口２６には熱交換器より冷
媒ミストの流出を防ぐエリミネータ２８が取付け
られている。

このように構成された熱交換器において、液冷
媒入口２２，２３から供給された液冷媒ヘツダ２
０内の液冷媒は、冷媒流出孔２４，２５を通つて
液冷媒分配部材１７，１８に流れ、開口部１７
ａ，１８ａを通つて、伝熱管１２表面に沿つて流
下し、伝熱管１２の表面には、液膜２９が形成さ
れる。この流下液膜２９は、伝熱管１２の内部を
流れる流体１４から熱を受けとり、蒸気となつて
エリミネータ２８を経て蒸気出口２６から熱交換
器の外に流出する。これにより、伝熱管１２の内
部を流れる流体１４は、ヘツダ１５，１６によつ
て伝熱管群を上下に流れながら伝熱管１２の表面
を液膜状に流下する液冷媒と熱交換し、熱交換器
から取出される。

第８図は本発明の薄膜蒸発式熱交換器の一実施
例の要部を拡大して示す図で、その全体図を第１
０図に示す。この実施例は第６図，第７図に示す
例において、伝熱管１２の下部を液浸型にしたも
のの一例である。

このため、この実施例においては第６図に示し
た液冷媒取出口２７が中間の冷媒分配部材１８の
近くに配置され、本体下部に溜る液冷媒量を増加
している。これにより、伝熱管１２はその下部が
冷媒液中に浸漬した状態となり、冷媒液面３０を
境にして、薄膜蒸発熱伝達領域３１とプール核沸
騰熱伝達領域３２に分けられる。

熱交換器負荷が大きい場合、冷媒の蒸発が促進
され、冷媒液面３０が下がる。その結果、熱伝熱
率の良い薄膜蒸発熱伝達部３１の伝熱面積が増加
し、多くの熱量を伝えることができる様になる。
一方、熱負荷が小さい場合、冷媒の蒸発が押さえ
られ、熱交換器内に冷媒が溜まり、冷媒液面３０
が上昇する。その結果、薄膜蒸発熱伝達部３１の
伝熱面積が減少し、熱交換器容量が減少する。し
たがつて、この実施例により、熱負荷に応じて冷
媒液面３１が自動的に上下し、熱交換器性能を変
化させることができるため、必要熱負荷に応じて
熱交換容量をセルフコントロールする熱交換器を
実現することができる。

第９図は本発明の薄膜蒸発式熱交換器の他の例
における伝熱管部を拡大して示すものである。こ
の例において、伝熱管１２は多孔質伝熱面構造と
したものである。伝熱管１２はその管外側を円周
方向に走るトンネル３３及びこのトンネル３３と
伝熱管１２外表面を結ぶ小開孔３４により構成さ
れている。液冷媒はトンネル３３内に表面張力で
引き込まれ、またトンネル３３に伝わつて蒸発し
ながら伝熱管１２円周方向に広がる。一方、トン
ネル３３内で蒸発した冷媒蒸気は小開孔３４を通
つて外に放出される。したがつてこの実施例によ
る多孔質伝熱管を用いたシエルチユーブ形薄膜蒸
発式熱交換器は、伝熱管１２に均一に液冷媒膜が
形成されるため、冷媒流量の小さい場合にも液枯
れによる性能低下を起こさず、安定した熱交換器
性能を持つ。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱交換器の熱負荷に応じて熱
交換容量をセルフコントロールすることのできる
薄膜蒸発式熱交換器を得ることができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は薄膜蒸発式熱交換器における薄膜蒸発
熱伝達の原理を説明する図、第２図はふつ化炭素
系冷媒Ｒ−11を作動流体とした薄膜蒸発熱伝達の
伝熱性能を示す図、第３図は冷媒Ｒ−11を作動流
体とした平滑伝熱面及び多孔質伝熱面における熱
流束と必要最小液冷媒流量との関係を示す図、第
４図は第３図における性能比較で用いられる多孔
質伝熱面の一例を示す図、第５図は冷媒Ｒ−11を
作動流体とした溝付伝熱面と多孔質伝熱面におけ
る液冷媒流量と熱伝達率との関係を示す図、第６
図は薄膜蒸発式熱交換器の一例を説明する縦断面
図、第７図は第６図の要部を拡大して示す斜視
図、第８図は本発明の薄膜蒸発式熱交換器の一実
施例の要部を拡大して示す断面図、第９図は本発
明の薄膜蒸発式熱交換器の他の例の伝熱管部を拡
大して示す図、第１０図は第８図に示す実施例の
全体縦断面図である。 １２……伝熱部、１３……管盤、１４……流
体、１５，１６……ヘツダ、１７，１８……冷媒
分配部材、１７ａ，１８ａ……開口部、１７ｂ，
１８ｂ……液止め部、１９……仕切壁、２０……
液冷媒ヘツダ、２２，２３……液冷媒入口、２
４，２５……冷媒流出孔、２６……蒸気出口、２
７……液冷媒取出口、２８……エリミネータ、２
９……流下液膜、３０……冷媒液面、３１……薄
膜蒸発熱伝達領域、３２……プール核沸騰熱伝達
領域、３３……トンネル、３４……小開孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シエルと、該シエル内に鉛直状に配置された
   複数本の伝熱管からなる伝熱管群とを備え、前記
   各伝熱管の外表面に沿つて液冷媒を自由落下さ
   せ、伝熱管内を流れる流体と伝熱管外の冷媒とを
   熱交換させるようにした薄膜蒸発式熱交換器にお
   いて、前記伝熱管群の上方に設けられた各々の伝
   熱管の外表面に沿つて薄膜状に液冷媒を自由落下
   させる液冷媒分配部材と、前記液冷媒分配部材に
   液冷媒を供給する液冷媒供給手段と、シエル内で
   発生した蒸気をシエル外へ導く蒸気出口とを備
   え、かつ前記伝熱管下部が冷媒液中に浸漬する状
   態としたプール核沸騰熱伝達領域がシエル中間部
   付近まで形成されるようにシエル内の液冷媒を外
   部へ導く液冷媒取出口を前記伝熱管の上下方向中
   間部付近に位置させて設けたことを特徴とする薄
   膜蒸発式熱交換器。 ２ 液冷媒分配部材を伝熱管群の上部と中間部に
   設け、液冷媒取出口は前記中間部の液冷媒分配部
   材の下部でかつ該分配部材の近くに配置してなる
   特許請求の範囲第１項記載の薄膜蒸発式熱交換
   器。 ３ シエル側壁に液冷媒供給手段として液冷媒ヘ
   ツダを設け、この液冷媒ヘツダから液冷媒分配部
   材に液冷媒を供給するように構成した特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の薄膜蒸発式熱交換
   器。 ４ 液冷媒分配部材は伝熱管群をシエル内に保持
   するためのサポート盤を兼ねるように構成した特
   許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項
   に記載の薄膜蒸発式熱交換器。