JPH0459555B2 - - Google Patents
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- JPH0459555B2 JPH0459555B2 JP57201940A JP20194082A JPH0459555B2 JP H0459555 B2 JPH0459555 B2 JP H0459555B2 JP 57201940 A JP57201940 A JP 57201940A JP 20194082 A JP20194082 A JP 20194082A JP H0459555 B2 JPH0459555 B2 JP H0459555B2
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- JP
- Japan
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- heat transfer
- liquid
- medium
- heat
- liquid film
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
- F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
- F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D1/00—Evaporating
- B01D1/22—Evaporating by bringing a thin layer of the liquid into contact with a heated surface
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D3/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits
- F28D3/04—Distributing arrangements
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
- F25B2339/02—Details of evaporators
- F25B2339/024—Evaporators with refrigerant in a vessel in which is situated a heat exchanger
- F25B2339/0241—Evaporators with refrigerant in a vessel in which is situated a heat exchanger having plate-like elements
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S165/00—Heat exchange
- Y10S165/907—Porous
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- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は低沸点媒体を作動流体としたランキン
サイクル、冷凍機および原子力発電プラントなど
に用いられる熱交換器（蒸発器）に関するもので
ある。
サイクル、冷凍機および原子力発電プラントなど
に用いられる熱交換器（蒸発器）に関するもので
ある。
従来の典型的な蒸発器は第１図に示すように、
多数の伝熱管３１を円筒状胴３５内に収納したシ
エルチユーブ式の熱交換器であり、前記胴３５内
に媒体液３２を充満し、伝熱管３１内に温水３３
を流通することにより、その伝熱管３１の外面で
核沸騰熱伝達を行わせるものである。近年、廃
熱、地熱、海洋温度差などの低温度エネルギーの
有効利用をはかるため、低沸点媒体を作動流体と
したランキンサイクル発電プラントが注目されて
いるが、熱交換器をシエル・チユーブ式熱交換器
よりも小形で高性能なものが要望されている。こ
の要望を満足させるために、いままでに提案され
たものには次の三種類がある。
多数の伝熱管３１を円筒状胴３５内に収納したシ
エルチユーブ式の熱交換器であり、前記胴３５内
に媒体液３２を充満し、伝熱管３１内に温水３３
を流通することにより、その伝熱管３１の外面で
核沸騰熱伝達を行わせるものである。近年、廃
熱、地熱、海洋温度差などの低温度エネルギーの
有効利用をはかるため、低沸点媒体を作動流体と
したランキンサイクル発電プラントが注目されて
いるが、熱交換器をシエル・チユーブ式熱交換器
よりも小形で高性能なものが要望されている。こ
の要望を満足させるために、いままでに提案され
たものには次の三種類がある。
第１の熱交換器は第２図に示すように、金属帯
を小ピツチで折り曲げて作つたフイン３６と熱交
換流体を隔てる板３７とを交互に設置して接合
し、水平流路３８および垂直流路３９を形成した
構造からなり、その水平流路３８内を流れる水温
４０は、垂直流路３９の下方から流入する低沸点
媒体４１と熱交換して蒸発し、蒸気４２となつて
上方に流出する。この場合、小さい温度差のもと
で多量の蒸気を発生させねばならないため、フイ
ン３６を密に設けて単位容積当りの伝熱面積が大
きくなるように構成されている。
を小ピツチで折り曲げて作つたフイン３６と熱交
換流体を隔てる板３７とを交互に設置して接合
し、水平流路３８および垂直流路３９を形成した
構造からなり、その水平流路３８内を流れる水温
４０は、垂直流路３９の下方から流入する低沸点
媒体４１と熱交換して蒸発し、蒸気４２となつて
上方に流出する。この場合、小さい温度差のもと
で多量の蒸気を発生させねばならないため、フイ
ン３６を密に設けて単位容積当りの伝熱面積が大
きくなるように構成されている。
第２の熱交換器は第３図に示すように、液４３
を水平に設置した伝熱管群４４の上方よりスプレ
ー状に降り注ぎ、伝熱管外面に薄い液膜４５を作
つて蒸発させるようにしたものである。その液膜
４５からの蒸発伝熱機構は、まず伝熱管内を流れ
る加熱流体４６から管壁４７に熱が伝達され、こ
の熱は管壁４７の内部、管壁４７と液膜４５との
境界面４８および液膜４５を経て液膜表面４９に
達し、この表面４９における蒸発潜熱を供給する
のである。前記液膜４５を薄く保つことができれ
ば、熱流に対する液膜部分の抵抗は減少し、高い
熱伝達率がえられる。また熱交換器内部に多量の
液が存在するために生ずる弊害、すなわち下方に
位置する伝熱管からの気泡の発生、表面からの離
脱および上方への気泡の移動などに対し、多量の
液の存在による大きな抵抗を除去することができ
る。
を水平に設置した伝熱管群４４の上方よりスプレ
ー状に降り注ぎ、伝熱管外面に薄い液膜４５を作
つて蒸発させるようにしたものである。その液膜
４５からの蒸発伝熱機構は、まず伝熱管内を流れ
る加熱流体４６から管壁４７に熱が伝達され、こ
の熱は管壁４７の内部、管壁４７と液膜４５との
境界面４８および液膜４５を経て液膜表面４９に
達し、この表面４９における蒸発潜熱を供給する
のである。前記液膜４５を薄く保つことができれ
ば、熱流に対する液膜部分の抵抗は減少し、高い
熱伝達率がえられる。また熱交換器内部に多量の
液が存在するために生ずる弊害、すなわち下方に
位置する伝熱管からの気泡の発生、表面からの離
脱および上方への気泡の移動などに対し、多量の
液の存在による大きな抵抗を除去することができ
る。
第３の熱交換器は第４図に示すように、垂直円
管５０の外周面に液薄膜５１を形成して流下させ
ることにより蒸発させるもので、例えば果汁の濃
縮のように、液と加熱面との接触時間を短縮し、
液の品質劣化を防止する場合に用いられる。
管５０の外周面に液薄膜５１を形成して流下させ
ることにより蒸発させるもので、例えば果汁の濃
縮のように、液と加熱面との接触時間を短縮し、
液の品質劣化を防止する場合に用いられる。
前記第１の熱交換器では、媒体液と発生した蒸
発が狭く仕切られた流路を同一方向に流れ、この
流路における二相流の流動状況は、蒸気の流れと
液の流れが互いに干渉し合い、その一部の液は加
熱壁面から剥れ、蒸気流に押し流される状況にな
る。前記蒸気流は液塊ないし液滴を押し流す仕事
をするので、二相流の圧力損失は増大し、媒体流
を駆動するためのポンプ動力は増大する。このポ
ンプ動力の増大は、低温度熱源を利用するランキ
ンサイクルになつて有効仕事を大きな割合で減ず
ることになるから回避しなければならない。
発が狭く仕切られた流路を同一方向に流れ、この
流路における二相流の流動状況は、蒸気の流れと
液の流れが互いに干渉し合い、その一部の液は加
熱壁面から剥れ、蒸気流に押し流される状況にな
る。前記蒸気流は液塊ないし液滴を押し流す仕事
をするので、二相流の圧力損失は増大し、媒体流
を駆動するためのポンプ動力は増大する。このポ
ンプ動力の増大は、低温度熱源を利用するランキ
ンサイクルになつて有効仕事を大きな割合で減ず
ることになるから回避しなければならない。
一方、蒸気流に押し流される液のうち、可なり
の割合を占める量が蒸発し切らずに蒸発器出口か
ら放出され、密に設けたフインにより伝熱面積が
増加したにも拘らず、これらの伝熱面積が有効に
活かされない恐れがある。したがつて、第１の熱
交換器は、気体と気体との熱交換に従来、使用さ
れるコンパクト熱交換器を蒸発器に適用したもの
で、蒸発する媒体の流動現象および熱伝達に適切
な考慮を払つた構造とはいえない。
の割合を占める量が蒸発し切らずに蒸発器出口か
ら放出され、密に設けたフインにより伝熱面積が
増加したにも拘らず、これらの伝熱面積が有効に
活かされない恐れがある。したがつて、第１の熱
交換器は、気体と気体との熱交換に従来、使用さ
れるコンパクト熱交換器を蒸発器に適用したもの
で、蒸発する媒体の流動現象および熱伝達に適切
な考慮を払つた構造とはいえない。
また前記第２の熱交換器は、媒体の流動に対す
る抵抗が少い構造であるが、実際には伝熱管の下
部に液が懸垂して厚い液膜を形成し、下方に位置
する伝熱管では上方の管群からの滴下液を受け、
管外面の全面にわたつて液膜が必ずしも薄くなら
ないので、期待するほど熱伝達を促進する効果が
えられない。そこで、伝熱管外面にフインあるい
は溝を設けると、伝熱管の表面積は増加する。と
ころが、フインの山あるいは溝と溝との間の隆起
部では液膜が薄くなるけれども、フインとフイン
との間あるいは溝内はかえつて厚い液膜で覆われ
るため、熱伝達は大幅に向上しない。また円管を
並置する構造であるから、第１の熱交換器に比べ
て伝熱面積と容積との比が極めて小さい。したが
つて第２の熱交換器は媒体の流動し易いように構
成されているが、容積を画期的に小さくすること
ができない欠点がある。
る抵抗が少い構造であるが、実際には伝熱管の下
部に液が懸垂して厚い液膜を形成し、下方に位置
する伝熱管では上方の管群からの滴下液を受け、
管外面の全面にわたつて液膜が必ずしも薄くなら
ないので、期待するほど熱伝達を促進する効果が
えられない。そこで、伝熱管外面にフインあるい
は溝を設けると、伝熱管の表面積は増加する。と
ころが、フインの山あるいは溝と溝との間の隆起
部では液膜が薄くなるけれども、フインとフイン
との間あるいは溝内はかえつて厚い液膜で覆われ
るため、熱伝達は大幅に向上しない。また円管を
並置する構造であるから、第１の熱交換器に比べ
て伝熱面積と容積との比が極めて小さい。したが
つて第２の熱交換器は媒体の流動し易いように構
成されているが、容積を画期的に小さくすること
ができない欠点がある。
さらに前記第３の熱交換器では、液が垂直壁を
流れるため、前記第２の熱交換器のような懸垂液
による有効伝熱面積は減少しない。しかし、垂直
管が長くなると、伝熱管の下部で乾き面を生じな
いように、上方から十分な量の液を供給する必要
がある。このため液膜厚さを伝熱管全体長にわた
つて平均すると、平均の液膜厚さは必ずしも小さ
くならない。そこで、伝熱管の長手方向に短い設
置間隔で液の供給口を設け、この各供給口におい
て少量の液を供給することにより液膜を薄く保つ
方法も考えられるが、供給口を多数設けると、構
造の複雑化する欠点がある。
流れるため、前記第２の熱交換器のような懸垂液
による有効伝熱面積は減少しない。しかし、垂直
管が長くなると、伝熱管の下部で乾き面を生じな
いように、上方から十分な量の液を供給する必要
がある。このため液膜厚さを伝熱管全体長にわた
つて平均すると、平均の液膜厚さは必ずしも小さ
くならない。そこで、伝熱管の長手方向に短い設
置間隔で液の供給口を設け、この各供給口におい
て少量の液を供給することにより液膜を薄く保つ
方法も考えられるが、供給口を多数設けると、構
造の複雑化する欠点がある。
さらに蒸発器の計画負荷以外の作動点では、上
方の供給口から流下する液が蒸発し切らずに下方
の供給口に達し、流下液と供給液が重なり合うか
ら蒸発器の性能は大幅に低下する。または上方の
供給口から流下する液が下方の供給口に達する以
前に蒸発し切つてしまい、乾いた伝熱面が出現す
るから蒸発器の性能は低下する。したがつて、第
３の熱交換器では、蒸発器の性能を大幅に向上さ
せることができなく、仮に計画負荷では高性能を
えられるとしても、蒸発器の負荷動に対し柔軟に
対応しうる構造にすることが不可能である。
方の供給口から流下する液が蒸発し切らずに下方
の供給口に達し、流下液と供給液が重なり合うか
ら蒸発器の性能は大幅に低下する。または上方の
供給口から流下する液が下方の供給口に達する以
前に蒸発し切つてしまい、乾いた伝熱面が出現す
るから蒸発器の性能は低下する。したがつて、第
３の熱交換器では、蒸発器の性能を大幅に向上さ
せることができなく、仮に計画負荷では高性能を
えられるとしても、蒸発器の負荷動に対し柔軟に
対応しうる構造にすることが不可能である。
本発明はコンパクトで、高度の熱交換性能を有
し、かつ蒸発する媒体の二相流流動に対する抵抗
が小さく、しかも熱源の容量が変動し、計画負荷
以外の負荷でも高度の熱交換性能を維持する熱交
換器を提供することを目的とするものである。
し、かつ蒸発する媒体の二相流流動に対する抵抗
が小さく、しかも熱源の容量が変動し、計画負荷
以外の負荷でも高度の熱交換性能を維持する熱交
換器を提供することを目的とするものである。
本発明は上記目的を達成するため、伝熱面の壁
面に沿つて媒体液を膜状に流下させて蒸発させる
液膜蒸発式熱交換器において、媒体液の流下方向
と垂直方向に複数個の温水流路を上下方向に有す
る平板状の伝熱ダクトを多数並置し、これらの伝
熱ダクトの上方寄りの位置において各伝熱ダクト
間に多数の切欠きを有する液分配梁を配設して伝
熱ダクトと液分配梁とにより媒体液供給用のとい
を形成してなる平板状伝熱ダクト群を構成し、該
伝熱ダクト群を必要熱交換量に応じて媒体液の流
下方向に少なくとも２段設置し、これらの相隣れ
る伝熱ダクト群間に横方向に延びる媒体蒸気の抜
取流路を設け、最下段の蒸気泡を発生させるため
の第２の伝熱ダクト群を、その上部を覆う仕切室
内に設置して該仕切室内に媒体液を充満せしめ、
該仕切室内と前記最上段の伝熱ダクト群の上方位
置に設置した媒体液供給用の液溜とを連通路によ
り連通したことを特徴とするものである。
面に沿つて媒体液を膜状に流下させて蒸発させる
液膜蒸発式熱交換器において、媒体液の流下方向
と垂直方向に複数個の温水流路を上下方向に有す
る平板状の伝熱ダクトを多数並置し、これらの伝
熱ダクトの上方寄りの位置において各伝熱ダクト
間に多数の切欠きを有する液分配梁を配設して伝
熱ダクトと液分配梁とにより媒体液供給用のとい
を形成してなる平板状伝熱ダクト群を構成し、該
伝熱ダクト群を必要熱交換量に応じて媒体液の流
下方向に少なくとも２段設置し、これらの相隣れ
る伝熱ダクト群間に横方向に延びる媒体蒸気の抜
取流路を設け、最下段の蒸気泡を発生させるため
の第２の伝熱ダクト群を、その上部を覆う仕切室
内に設置して該仕切室内に媒体液を充満せしめ、
該仕切室内と前記最上段の伝熱ダクト群の上方位
置に設置した媒体液供給用の液溜とを連通路によ
り連通したことを特徴とするものである。
以下本発明の実施例を図面について説明するに
先だつて、その理念について詳述する。
先だつて、その理念について詳述する。
伝熱面表面に水の薄液膜を形成し、この薄液膜
を蒸発させる熱伝達は、プール沸騰熱伝達よりも
伝熱性能を向上させることが広く知られている。
その液膜蒸発熱伝達の模式図を第５図に示す。す
なわち伝熱面５３より流下液膜５４への輸送機構
には、次の４つの形態がある。その第１形態は壁
面５３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Ａ（＝QNB）、第２
形態は壁面５３から液膜流への強制対流熱伝達に
よる熱移動Ｂ（＝QCW）、第３形態は液面５４の表
面からの蒸発による潜熱移動Ｃ（＝QFV）、第４形
態は蒸気泡５５が気液界面から放出される際に発
生する液滴５６による顕熱移動Ｄ（＝QLD）であ
る。これらの各熱移動Ａ〜Ｄは、それぞれ単体と
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。
を蒸発させる熱伝達は、プール沸騰熱伝達よりも
伝熱性能を向上させることが広く知られている。
その液膜蒸発熱伝達の模式図を第５図に示す。す
なわち伝熱面５３より流下液膜５４への輸送機構
には、次の４つの形態がある。その第１形態は壁
面５３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Ａ（＝QNB）、第２
形態は壁面５３から液膜流への強制対流熱伝達に
よる熱移動Ｂ（＝QCW）、第３形態は液面５４の表
面からの蒸発による潜熱移動Ｃ（＝QFV）、第４形
態は蒸気泡５５が気液界面から放出される際に発
生する液滴５６による顕熱移動Ｄ（＝QLD）であ
る。これらの各熱移動Ａ〜Ｄは、それぞれ単体と
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、フレオンなどの有機冷媒で上記の液膜蒸
発熱伝達を行うとき、蒸発潜熱、比熱および熱伝
導率などが水に比べて小さいため、水の場合ほど
に伝熱促進効果が現われないと考えられていた。
ところが、横軸に熱流束ｑ（Ｗ／m2）を、縦軸に
プール核沸騰熱伝達よりの伝達促進割合α／αPB
をそれぞれとつて図示した第６図に示すように、
冷媒フレオンＲ−１１を作動流体とした液膜蒸発
熱伝達においても、伝熱促進がなされることが判
る。ただし伝熱面はエメリー＃１０００で磨かれ
た平滑面（0.3m×0.1m）を用い、また大気圧状
態下の飽和フレオンＲ−１１を作動流体とし、伝
熱面上端より単位幅当り0.264Kg／m.sの液冷媒を
流下させたものである。
発熱伝達を行うとき、蒸発潜熱、比熱および熱伝
導率などが水に比べて小さいため、水の場合ほど
に伝熱促進効果が現われないと考えられていた。
ところが、横軸に熱流束ｑ（Ｗ／m2）を、縦軸に
プール核沸騰熱伝達よりの伝達促進割合α／αPB
をそれぞれとつて図示した第６図に示すように、
冷媒フレオンＲ−１１を作動流体とした液膜蒸発
熱伝達においても、伝熱促進がなされることが判
る。ただし伝熱面はエメリー＃１０００で磨かれ
た平滑面（0.3m×0.1m）を用い、また大気圧状
態下の飽和フレオンＲ−１１を作動流体とし、伝
熱面上端より単位幅当り0.264Kg／m.sの液冷媒を
流下させたものである。
上記液膜蒸発熱伝達の伝熱面に平滑面を用いた
場合、その伝熱面上における冷媒液膜の拡がり性
が悪いので、伝熱面上に乾いた部分が生じ易いか
ら、第７図に示すように多くの液冷媒を伝熱面上
に流さねばならない。このため伝熱面上における
冷媒液膜の拡がり性を良好にし、できるだけ少な
い液流量すなわち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
上に存在しないので、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。このような伝熱面
として、冷媒液をその界面張力で引き込み、伝熱
面上のすみずみまで液膜を形成する多孔質伝熱面
が考えられる。前記第７図は縦軸に伝熱面上端に
おける単位伝熱面幅当りの必要最小流量Γt（Kg／
m.s）を、横軸に熱流束ｑ（Ｗ／m2）をそれぞれ
とり、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。図中の実線Ｅは第８
図ａに示すように多数のトンネル５８およびこの
トンネル５８に連通する多数の小開孔５９を有す
る多孔面５７上の流量を、一点破線Ｆはエメリー
＃１０００で磨かれた平滑面の流量を、破線Ｇは
伝熱面上で液冷媒が完全に蒸発し切つてしまう理
想的な流量をそれぞれ示す。
場合、その伝熱面上における冷媒液膜の拡がり性
が悪いので、伝熱面上に乾いた部分が生じ易いか
ら、第７図に示すように多くの液冷媒を伝熱面上
に流さねばならない。このため伝熱面上における
冷媒液膜の拡がり性を良好にし、できるだけ少な
い液流量すなわち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
上に存在しないので、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。このような伝熱面
として、冷媒液をその界面張力で引き込み、伝熱
面上のすみずみまで液膜を形成する多孔質伝熱面
が考えられる。前記第７図は縦軸に伝熱面上端に
おける単位伝熱面幅当りの必要最小流量Γt（Kg／
m.s）を、横軸に熱流束ｑ（Ｗ／m2）をそれぞれ
とり、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。図中の実線Ｅは第８
図ａに示すように多数のトンネル５８およびこの
トンネル５８に連通する多数の小開孔５９を有す
る多孔面５７上の流量を、一点破線Ｆはエメリー
＃１０００で磨かれた平滑面の流量を、破線Ｇは
伝熱面上で液冷媒が完全に蒸発し切つてしまう理
想的な流量をそれぞれ示す。
また液膜蒸発熱伝達を用いた熱交換器では、そ
の性能の安定していることが必要である。すなわ
ち流下液量により、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
性能がえられないことになる。この観点でも、多
孔質伝熱面は優れた性能を有する。第９図は熱流
束ｑが1.8×104（Ｗ／m2）における液冷媒流量Γ0
（Kg／m.s）と熱伝達率α（Ｗ／Km2）との関係を示
したもので、図中の実線Ｍは第８図ａに示す多孔
質伝熱面５７、破線Ｎは第８図ｂに示すように高
さ1.1mm、厚さ0.4mm、ピツチ0.8mmの微小フイン６
１を有する垂直溝付伝熱面６０のそれぞれの熱伝
達特性を示す。その伝熱面の大きさおよび測定条
件は第６図および第７図と同様である。
の性能の安定していることが必要である。すなわ
ち流下液量により、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
性能がえられないことになる。この観点でも、多
孔質伝熱面は優れた性能を有する。第９図は熱流
束ｑが1.8×104（Ｗ／m2）における液冷媒流量Γ0
（Kg／m.s）と熱伝達率α（Ｗ／Km2）との関係を示
したもので、図中の実線Ｍは第８図ａに示す多孔
質伝熱面５７、破線Ｎは第８図ｂに示すように高
さ1.1mm、厚さ0.4mm、ピツチ0.8mmの微小フイン６
１を有する垂直溝付伝熱面６０のそれぞれの熱伝
達特性を示す。その伝熱面の大きさおよび測定条
件は第６図および第７図と同様である。
上述したように液膜蒸発熱伝達を用いた熱交換
器は、フレオンのような有機冷媒を作動流体とし
て用いた場合にも高性能を維持し、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、かつ性能を安定させることがで
きる。
器は、フレオンのような有機冷媒を作動流体とし
て用いた場合にも高性能を維持し、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、かつ性能を安定させることがで
きる。
以上説明した理念に基づく具体的構成を示す実
施例を第１０図について説明するに、平板状伝熱
ダクト１（以下伝熱ダクトと称す）の内部には、
媒体液５の流下方向と垂直に温水４の流通する流
路２が複数個設けられている。また前記伝熱ダク
ト１の両面には、その表皮下に多数の微細な空洞
（図示せず）を設けると共に、表皮に前記空洞に
連通する多数の微細な開孔１ａを設けた多孔質層
３がそれぞれ設けられている。
施例を第１０図について説明するに、平板状伝熱
ダクト１（以下伝熱ダクトと称す）の内部には、
媒体液５の流下方向と垂直に温水４の流通する流
路２が複数個設けられている。また前記伝熱ダク
ト１の両面には、その表皮下に多数の微細な空洞
（図示せず）を設けると共に、表皮に前記空洞に
連通する多数の微細な開孔１ａを設けた多孔質層
３がそれぞれ設けられている。
伝熱ダクト群２０は伝熱ダクト１と、複数個の
切欠き６を有する液分配梁７とを交互に並列に複
数個配置することにより形成されている。このよ
うな伝熱ダクト群２０を必要交換熱量に応じて、
媒体液５の流下方向に少くとも２段設置して熱交
換器の伝熱面が構成されている。
切欠き６を有する液分配梁７とを交互に並列に複
数個配置することにより形成されている。このよ
うな伝熱ダクト群２０を必要交換熱量に応じて、
媒体液５の流下方向に少くとも２段設置して熱交
換器の伝熱面が構成されている。
上記液分配梁７に流下した媒体液５は、伝熱ダ
クト１と液分配梁７により形成されたとい２３に
溜つた後、液分配梁７の切欠き６を経て伝熱ダク
ト１の両面に設けられた多孔質量３上に液膜流８
を形成する。この液膜流８は伝熱ダクト１内に設
けられた流路２を流れる温水４から熱を受けて蒸
発しながら流下する。前記多孔質層３上で蒸発し
なかつた媒体液５は下段の伝熱ダクト群２０′上
に流下する。
クト１と液分配梁７により形成されたとい２３に
溜つた後、液分配梁７の切欠き６を経て伝熱ダク
ト１の両面に設けられた多孔質量３上に液膜流８
を形成する。この液膜流８は伝熱ダクト１内に設
けられた流路２を流れる温水４から熱を受けて蒸
発しながら流下する。前記多孔質層３上で蒸発し
なかつた媒体液５は下段の伝熱ダクト群２０′上
に流下する。
前記多孔質層３に設けられた開孔１ａ（直径１
mm以下）は製作方法により不規則な形状に形成さ
れるが、その開孔１ａの周囲に内接する円の直径
が0.05〜0.5mmの範囲にあると、蒸発熱伝達に有
効な働きをすることは公知である。すなわち任意
の開孔から蒸気を噴出し、空洞から離脱する蒸気
質量を補うために他の開孔から液が空洞内に侵入
する。この侵入した液は、空洞の壁面が僅かな温
度差のもとに加熱されていると短時間に蒸発し、
この蒸発した蒸気は再び噴出される。この噴出蒸
気は、液膜が厚い場合には気泡となつて液膜を横
切つて液膜表面に達するが、液膜が薄い場合には
気泡とならず、液膜を排除して蒸気の離脱が行わ
れる。このような機構により、熱交換壁と媒体液
との温度差が１℃以下の場合でも活発に蒸気を発
生するので、多孔質伝熱面の熱伝達率は通常の平
滑面でえられる熱伝達率の10倍となる。前記多孔
質面は機械加工または金属粒子を伝熱ダクト１の
表面に焼結することにより製作することが可能で
ある。
mm以下）は製作方法により不規則な形状に形成さ
れるが、その開孔１ａの周囲に内接する円の直径
が0.05〜0.5mmの範囲にあると、蒸発熱伝達に有
効な働きをすることは公知である。すなわち任意
の開孔から蒸気を噴出し、空洞から離脱する蒸気
質量を補うために他の開孔から液が空洞内に侵入
する。この侵入した液は、空洞の壁面が僅かな温
度差のもとに加熱されていると短時間に蒸発し、
この蒸発した蒸気は再び噴出される。この噴出蒸
気は、液膜が厚い場合には気泡となつて液膜を横
切つて液膜表面に達するが、液膜が薄い場合には
気泡とならず、液膜を排除して蒸気の離脱が行わ
れる。このような機構により、熱交換壁と媒体液
との温度差が１℃以下の場合でも活発に蒸気を発
生するので、多孔質伝熱面の熱伝達率は通常の平
滑面でえられる熱伝達率の10倍となる。前記多孔
質面は機械加工または金属粒子を伝熱ダクト１の
表面に焼結することにより製作することが可能で
ある。
一方、伝熱ダクト１の多孔質層３上で蒸発した
蒸気１０は、一たん媒体液５の流下方向に、かつ
液膜流８と平行して同一方向に流れる。伝熱ダク
ト群２０の下端に達した蒸気１０は、伝熱ダクト
群２０，２０′間に設けられた蒸気抜取口２４に
より横方向に導かれ、伝熱ダクト群２０，２０′
の外部へ流出する。
蒸気１０は、一たん媒体液５の流下方向に、かつ
液膜流８と平行して同一方向に流れる。伝熱ダク
ト群２０の下端に達した蒸気１０は、伝熱ダクト
群２０，２０′間に設けられた蒸気抜取口２４に
より横方向に導かれ、伝熱ダクト群２０，２０′
の外部へ流出する。
本実施例によれば、液膜流と蒸気流の相対速度
を小さくすることができ、気液界面のせん断力が
小さくなる。液膜流と蒸気流の共存領域を伝熱ダ
クト群２０の長さに限定できるため、蒸気流によ
る液膜流の加速領域が短かくなる。このため安定
な液膜流を多孔質層３上に形成することができる
と共に、蒸気流の圧力損失が減少する。
を小さくすることができ、気液界面のせん断力が
小さくなる。液膜流と蒸気流の共存領域を伝熱ダ
クト群２０の長さに限定できるため、蒸気流によ
る液膜流の加速領域が短かくなる。このため安定
な液膜流を多孔質層３上に形成することができる
と共に、蒸気流の圧力損失が減少する。
また伝熱ダクト１内に、温水流路２を複数個設
けたため、温水４側の流速が増加して熱伝達率が
向上すると共に、伝熱面に均一な熱流束を与える
ことができる。前記温水流路２側の伝熱面積を伝
熱ダクト１外の蒸気側熱伝達率に見合つて増加さ
せることにより、伝熱ダクト１の内外の見掛上の
熱伝達率｛投影面積当りの熱伝達率）のオーダを
同一にすることができるので、実面積では温水側
よりはるかに高い値を示す蒸発の熱伝達を有効に
利用することができる。さらに伝熱ダクト１を平
板状に形成したため、両面を多孔質層３の伝熱面
として活用でき、単位容積当りの伝熱面積は大き
くなるので、熱交換器を大幅にコンパクト化する
ことが可能となる。
けたため、温水４側の流速が増加して熱伝達率が
向上すると共に、伝熱面に均一な熱流束を与える
ことができる。前記温水流路２側の伝熱面積を伝
熱ダクト１外の蒸気側熱伝達率に見合つて増加さ
せることにより、伝熱ダクト１の内外の見掛上の
熱伝達率｛投影面積当りの熱伝達率）のオーダを
同一にすることができるので、実面積では温水側
よりはるかに高い値を示す蒸発の熱伝達を有効に
利用することができる。さらに伝熱ダクト１を平
板状に形成したため、両面を多孔質層３の伝熱面
として活用でき、単位容積当りの伝熱面積は大き
くなるので、熱交換器を大幅にコンパクト化する
ことが可能となる。
第１１図に示す他の実施例は、第１０図に示す
実施例と同一構造の伝熱ダクト群２０、２０′と、
媒体液１２の充満する仕切室１３内に収納され、
かつ液分配梁のない最下段の伝熱ダクト群２５
と、最上段の伝熱ダクト群２０の上方位置に設置
され、かつ前記仕切室１３とパイプ１７を介して
連通された媒体液溜２１と、これらの機器２０，
２０′，２１，２５を収納する容器１８とからな
り、前記伝熱ダクト２０，２０′の両側には上昇
する蒸気１０から液膜流８を保護すると共に、蒸
気流路２５ａと液膜流路２５ｂを区別するための
ガイド板１９が設けられ、このガイド板１９と下
段の伝熱ダクト群との間に蒸気抜取口２４が形成
されている。前記媒体液溜２１は、その底面にせ
き２２を有する開孔２１ａが複数個設けられてい
る。
実施例と同一構造の伝熱ダクト群２０、２０′と、
媒体液１２の充満する仕切室１３内に収納され、
かつ液分配梁のない最下段の伝熱ダクト群２５
と、最上段の伝熱ダクト群２０の上方位置に設置
され、かつ前記仕切室１３とパイプ１７を介して
連通された媒体液溜２１と、これらの機器２０，
２０′，２１，２５を収納する容器１８とからな
り、前記伝熱ダクト２０，２０′の両側には上昇
する蒸気１０から液膜流８を保護すると共に、蒸
気流路２５ａと液膜流路２５ｂを区別するための
ガイド板１９が設けられ、このガイド板１９と下
段の伝熱ダクト群との間に蒸気抜取口２４が形成
されている。前記媒体液溜２１は、その底面にせ
き２２を有する開孔２１ａが複数個設けられてい
る。
本実施例は上記のような構成からなり、外部か
ら容器１８内に流入した媒体液５は媒体液溜２１
に一たん溜められた後、せき２２をオーバフロし
て伝熱ダクト群２０，２０′に順次に流下する。
その各伝熱ダクト１の多孔質層３上で蒸発した媒
体蒸気１０は伝熱ダクト２０，２０′，２５の間
に形成された蒸気抜取口２４を流れ、さらにガイ
ド板１９と容器１８との間の液膜流路２５ｂを流
通した後、外部へ蒸気流１０ａとして導出され
る。一方、温水流４は伝熱ダクト１の枚数とヘツ
ダ側（図示せず）との組合せにより、交換熱量に
見合うパス数をとつて伝熱ダクト１内の温水流路
２を流通する。
ら容器１８内に流入した媒体液５は媒体液溜２１
に一たん溜められた後、せき２２をオーバフロし
て伝熱ダクト群２０，２０′に順次に流下する。
その各伝熱ダクト１の多孔質層３上で蒸発した媒
体蒸気１０は伝熱ダクト２０，２０′，２５の間
に形成された蒸気抜取口２４を流れ、さらにガイ
ド板１９と容器１８との間の液膜流路２５ｂを流
通した後、外部へ蒸気流１０ａとして導出され
る。一方、温水流４は伝熱ダクト１の枚数とヘツ
ダ側（図示せず）との組合せにより、交換熱量に
見合うパス数をとつて伝熱ダクト１内の温水流路
２を流通する。
前記仕切室１３内に設置された伝熱ダクト群２
５においては、該沸騰により熱伝達が行われ、そ
の該沸騰により生じた蒸気泡１４は気泡塊１６と
なり、媒体液塊１５と共にスラグ流を形成しなが
らパイプ１７を上昇するバルブポンプとして作動
し、容器１８の底部の媒体液１２を上方位置の媒
体液溜２１に循環させる。
５においては、該沸騰により熱伝達が行われ、そ
の該沸騰により生じた蒸気泡１４は気泡塊１６と
なり、媒体液塊１５と共にスラグ流を形成しなが
らパイプ１７を上昇するバルブポンプとして作動
し、容器１８の底部の媒体液１２を上方位置の媒
体液溜２１に循環させる。
上記のような本実施例（第１１図）によれば、
温水側の負荷変動に対する外部から供給される媒
体液の増減にかかわらず、常に安定した均一の液
膜流を形成することができるので、熱交換性能を
向上させる利点がある。
温水側の負荷変動に対する外部から供給される媒
体液の増減にかかわらず、常に安定した均一の液
膜流を形成することができるので、熱交換性能を
向上させる利点がある。
以上説明したように本発明によれば、単位容積
当りの伝熱面積を大きくすることにより、大幅な
コンパクト化をはかると共に、発生した蒸気の流
動に対する抵抗を大幅に減少させることができ
る。また蒸発伝熱面に多孔質層を設けることによ
り、高度の熱伝達率を維持し、液流量の変動によ
る熱交換性能の低下を防止することができる。
当りの伝熱面積を大きくすることにより、大幅な
コンパクト化をはかると共に、発生した蒸気の流
動に対する抵抗を大幅に減少させることができ
る。また蒸発伝熱面に多孔質層を設けることによ
り、高度の熱伝達率を維持し、液流量の変動によ
る熱交換性能の低下を防止することができる。
さらに伝熱ダクト内に複数個の温水流路を設け
て、温水側伝熱面の熱伝達率を向上させることに
より、容積が小さく、しかも温水と媒体液の温度
差が小さい場合でも、多量の蒸気を発生させて熱
交換性能の向上をはかることができる。なお、核
沸騰による蒸気泡を利用して媒体液を循環させる
バルブポンプを設けることにより、負荷変動に対
しても常に安定した液膜流を供給して高度の熱交
換性能を維持することができる。
て、温水側伝熱面の熱伝達率を向上させることに
より、容積が小さく、しかも温水と媒体液の温度
差が小さい場合でも、多量の蒸気を発生させて熱
交換性能の向上をはかることができる。なお、核
沸騰による蒸気泡を利用して媒体液を循環させる
バルブポンプを設けることにより、負荷変動に対
しても常に安定した液膜流を供給して高度の熱交
換性能を維持することができる。
第１図ａ，ｂは従来のシエル・チユーブ式熱交
換器の構成を示す正面図および側面図、第２図は
従来のコンパクト形熱交換器の斜視図、第３図は
液膜蒸発を利用する水平円管群の横断面図、第４
図は垂直円管による液膜蒸発を示す説明図、第５
図〜第９図は本発明の熱交換器の理念を説明する
図で、第５図は液膜蒸発熱伝達の模式図、第６図
は熱流束と熱伝達率上昇割合との関係を示す図、
第７図は熱流束と必要最小液冷媒流量との関係を
示す図、第８図ａ，ｂは多孔質伝熱面および垂直
溝付伝熱面の各斜視図、第９図は液冷媒流量と熱
伝達率との関係を示す図である。第１０図は本発
明の液膜蒸発式熱交換器の一実施例の要部すなわ
ち伝熱ダクト群の斜視図、第１１図は本発明に係
わる他の実施例の横断面図である。 １……伝熱ダクト、２……温水流路、３……多
孔質層、５，１２……媒体液、６……切欠き、７
……液分配梁、１３……仕切室、１８……容器、
１９……ガイド板、２０，２０′，２５……伝熱
ダクト群、２１……媒体液溜、２４……媒体蒸気
抜取口、２５ａ……蒸気流路、２５ｂ……液膜流
路。
換器の構成を示す正面図および側面図、第２図は
従来のコンパクト形熱交換器の斜視図、第３図は
液膜蒸発を利用する水平円管群の横断面図、第４
図は垂直円管による液膜蒸発を示す説明図、第５
図〜第９図は本発明の熱交換器の理念を説明する
図で、第５図は液膜蒸発熱伝達の模式図、第６図
は熱流束と熱伝達率上昇割合との関係を示す図、
第７図は熱流束と必要最小液冷媒流量との関係を
示す図、第８図ａ，ｂは多孔質伝熱面および垂直
溝付伝熱面の各斜視図、第９図は液冷媒流量と熱
伝達率との関係を示す図である。第１０図は本発
明の液膜蒸発式熱交換器の一実施例の要部すなわ
ち伝熱ダクト群の斜視図、第１１図は本発明に係
わる他の実施例の横断面図である。 １……伝熱ダクト、２……温水流路、３……多
孔質層、５，１２……媒体液、６……切欠き、７
……液分配梁、１３……仕切室、１８……容器、
１９……ガイド板、２０，２０′，２５……伝熱
ダクト群、２１……媒体液溜、２４……媒体蒸気
抜取口、２５ａ……蒸気流路、２５ｂ……液膜流
路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 伝熱面の壁面に沿つて媒体液を膜状に流下さ
せて蒸発させる液膜蒸発式熱交換器において、 媒体液の流下方向と垂直方向に複数個の温水流
路を上下方向に有する平板状の伝熱ダクトを多数
並置し、これらの伝熱ダクトの上方寄りの位置に
おいて各伝熱ダクト間に多数の切欠きを有する液
分配梁を配設して伝熱ダクトと液分配梁とにより
媒体液供給用のといを形成してなる平板状伝熱ダ
クト群を構成し、該伝熱ダクト群を必要熱交換量
に応じて媒体液の流下方向に少なくとも２段設置
し、これらの相隣れる伝熱ダクト群間に横方向に
延びる媒体蒸気の抜取流路を設け、最下段の蒸気
泡を発生させるための第２の伝熱ダクト群を、そ
の上部を覆う仕切室内に設置して該仕切室内に媒
体液を充満せしめ、該仕切室内と前記最上段の伝
熱ダクト群の上方位置に設置した媒体液供給用の
液溜とを連通路により連通したことを特徴とする
液膜蒸発式熱交換器。 ２ 前記伝熱ダクトの外表面に多孔質層を設けた
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液
膜蒸発式熱交換器。 ３ 前記伝熱ダクト群と熱交換器容器との間のガ
イド板を設け、液膜流路と前記抜取流路に通ずる
蒸気流路とを区別したことを特徴とする特許請求
の範囲第１項または第２項記載の液膜蒸発式熱交
換器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57201940A JPS5993181A (ja) | 1982-11-19 | 1982-11-19 | 液膜蒸発式熱交換器 |
| GB08330415A GB2131538B (en) | 1982-11-19 | 1983-11-15 | Liquid film evaporation type heat exchanger |
| US06/552,417 US4585055A (en) | 1982-11-19 | 1983-11-16 | Liquid film evaporation type heat exchanger |
| DE3341737A DE3341737C2 (de) | 1982-11-19 | 1983-11-18 | Wärmetauscher mit Flüssigkeitsfilmverdampfung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57201940A JPS5993181A (ja) | 1982-11-19 | 1982-11-19 | 液膜蒸発式熱交換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5993181A JPS5993181A (ja) | 1984-05-29 |
| JPH0459555B2 true JPH0459555B2 (ja) | 1992-09-22 |
Family
ID=16449296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57201940A Granted JPS5993181A (ja) | 1982-11-19 | 1982-11-19 | 液膜蒸発式熱交換器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4585055A (ja) |
| JP (1) | JPS5993181A (ja) |
| DE (1) | DE3341737C2 (ja) |
| GB (1) | GB2131538B (ja) |
Families Citing this family (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4794984A (en) * | 1986-11-10 | 1989-01-03 | Lin Pang Yien | Arrangement for increasing heat transfer coefficient between a heating surface and a boiling liquid |
| US4829780A (en) | 1988-01-28 | 1989-05-16 | Modine Manufacturing Company | Evaporator with improved condensate collection |
| US5261602A (en) * | 1991-12-23 | 1993-11-16 | Texaco Inc. | Partial oxidation process and burner with porous tip |
| EP0647823B1 (en) * | 1993-10-06 | 1998-12-02 | The Kansai Electric Power Co., Inc. | Heat pipe and gas-liquid contacting apparatus capable of heat exchange using the heat pipes and heat exchanger of gas-liquid contacting plate type |
| DE4430619A1 (de) * | 1994-08-17 | 1996-02-22 | Eduard Kirschmann | Verdampfungsanlage |
| US5561987A (en) * | 1995-05-25 | 1996-10-08 | American Standard Inc. | Falling film evaporator with vapor-liquid separator |
| US5709264A (en) * | 1996-03-18 | 1998-01-20 | The Boc Group, Inc. | Heat exchanger |
| US5755279A (en) * | 1996-03-29 | 1998-05-26 | The Boc Group, Inc. | Heat exchanger |
| DE19804636A1 (de) * | 1998-02-06 | 1999-08-12 | Behr Gmbh & Co | Hybridkühler |
| EP1359115A1 (en) * | 2002-05-02 | 2003-11-05 | Mondial Industries LLC | Resilient halter and bridle |
| AU2002319896A1 (en) * | 2002-06-07 | 2003-12-22 | Arun Ganesaraman | A cross flow heat exchanger element and a heat exchanger comprising a stack of plurality of such heat exchanger elements |
| DE102005028032A1 (de) * | 2005-06-17 | 2006-12-21 | Basf Ag | Verfahren und Vorrichtung zur Verdampfung thermisch empfindlicher Stoffe |
| US8561675B2 (en) * | 2005-12-29 | 2013-10-22 | Industrial Technology Research Institute | Spray type heat-exchanging unit |
| TWI291541B (en) * | 2005-12-29 | 2007-12-21 | Ind Tech Res Inst | A sprinkling type heat exchanger |
| EP1930679B1 (de) * | 2006-12-01 | 2009-07-15 | Basf Se | Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Reaktoren mit siedenden Flüssigkeiten |
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