JPH0639999B2

JPH0639999B2 - 等曲率みぞつき伝熱面

Info

Publication number: JPH0639999B2
Application number: JP61266621A
Authority: JP
Inventors: 尚次一色
Original assignee: 尚次一色
Priority date: 1986-11-11
Filing date: 1986-11-11
Publication date: 1994-05-25
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: JPS63123996A

Description

【発明の詳細な説明】臭化リチウム水溶液を使用する吸収式冷凍機の再生器や
吸収器、沸点の異なる二種以上の混合液を使用する圧縮
式ヒートポンプの蒸発器や、凝縮器、多種類成分の石油
分溜器、食品の濃縮器、などでは、伝熱面の表面を多成
分流体の液膜を流下させながら蒸発、濃縮、再生、分
溜、凝縮、吸収等の伝熱操作を行なう場合が極めて多
い。

従来は、これらの伝熱面には主として横置もしくは垂直
の裸円管が用いられてきたが、最近は伝熱量を増して装
置をコンパクト化する目的で、各種のみぞや凹凸をつけ
た伝熱面が試みられている。

そもそもみぞつき伝熱面は、純水や純アルコールや純フ
ロンなどのように単一成分流体の相変化つき伝熱面とし
ては、効果が大きいことはよく知られているが、上記の
ような多成分流体の相変化を扱う場合はその効果があま
り大きくなく、その伝熱増進率は、みぞによる表面積増
加分に達しない場合が多く、ときにはかえって低下す
る。

このように従来のみぞつき伝熱面では多成分系の流体の
相変化つき伝熱装置にあまり効果的でない理由を説明す
るため、第１図に濃厚な臭化リチウム水溶液を表面を流
下させながら外部より純水蒸気を吸収している、矩形み
ぞつきの冷却伝熱面の側面図と作動状況を示し、第２図
には、沸点の異なる二種のフロンを混合した液を表面を
流下させながら主として低沸点フロンを蒸発させている
Ｖ型みぞつき伝熱面の断面図と作動状況を示す。

両図において、１は伝熱面本体、2,3,4等は矩形みぞ、
5,6,7等はＶ字形みぞ、8,9等は上方よりの滴下液、10,1
1等は蒸気である。

しかるときは、第１図のものではみぞの下方両すみの1
2,13等のすみ部分、第２図のものではみぞの底すみ部1
4,15等に、それぞれ曲率半径が極めて小さい折れ曲り部
分があるので、液膜が表面張力の作用でそれらのすみ部
分に集中して厚い液膜を形成するとともに、他の平滑部
分の16,17,18,19,20等では液膜が極めて薄くなる、すな
わち液膜厚さに不均一が生じて一部に薄膜化、他に厚膜
化が生ずる。

さて、一般に純水や純アルコールや、単一成分のフロン
のように沸点の定まっている単一成分の流体ではその蒸
発や凝縮の場合、液膜表面は飽和温度に保たれて一定で
あるので、液膜が薄くなるほど伝熱面からの熱流束は増
大し、第１図や第２図のような伝熱面では、液膜が薄膜
化した部分の伝熱量が増大するので、全体としてみぞの
伝熱増進効果は大きかった。しかし本発明の対象として
いる多成分の混合液や水溶液では、液膜が薄いときには
液膜内の濃度変化が急速に生ずるので表面の飽和温度す
なわち沸点が変化して熱流束がすぐに低下する。

たとえば第１図のものでは16,17,18等の薄膜部の液は、
蒸気を吸収して薄い水溶液となり、沸点降下して冷却水
との温度差を失い熱流束がすぐ低下する。

また第２図のものでは19,20等の薄膜部の混合液はその
中の低沸点フロンを先にまず蒸発させるので沸点が上昇
し、加熱源との温度差を失って熱流束がすぐ低下する。
また液膜が厚すぎると液表面と壁面の間の熱伝導が低下
するのでやはり熱流束が低くなる。よって第１図と第２
図に示したような従来のみぞつき伝熱面では、多成分流
体にたいしては、そのみぞの存在による表面積増大にも
かかわらずあまり全体としての伝熱効果の増大は少な
い。

本発明は、このように沸点の変化しやすい多成分流体の
液膜による伝熱操作を行なうみぞに対しては、そのみぞ
の表面に液膜の部分的集中による厚膜化や薄膜化が生じ
ないことが重要であるとの見地から、それを達成するた
め、みぞの内表面の曲率、すなわち局所的な二次元曲率
を全面にわたって均等とするような形状のみぞを作り、
もってみぞの内面に液がいつも薄すぎず、厚すぎず均等
厚さで拡がって全面で良好な多成分流体の伝熱操作を可
能とする等二次元曲率みぞつき伝熱面に関するものであ
る。

図によって本発明を説明する、第３図は円筒面状の伝熱
面本体１の外面に、本発明による等二次元曲率みぞを形
成させたみぞつき伝熱面の一実施例の側面図である。0
0′は伝熱面本体の中心線であり、21は冷却水もしくは
加熱水を通す通路であり、22,23,24等は伝熱面本体１の
外面に回転対称状に切削形成した等曲率みぞである。ま
た25,26,27等はみぞにはされまれて形成される伝熱ひれ
の先端を示す。

ついで第４図に第３図のみぞ22の一部表面の略図を示
す、同図に示されるような、みぞ22の内面のくらがた表
面28の上の任意の一点Ｐの曲率半径をｒ_ｐとすると、ｒ
_ｐはＰを通る軸方向の表面母線Ａの曲率半径ｒ_Ａと、Ａ
に直交する表面母線Ｂの曲率半径ｒ_Ｂとから次式で与えられる。

本発明はこのｒ_ｐの値がみぞの内表面28のすべての場所
で同じ値をとるような曲面でみぞを形成させるものであ
る。

その曲面のきめ方は色々あるが、とくに第３図の実施例
のような回転体形状のさいは数学的計算できめることが
できる。

いま第５図に伝熱面から回転体形式のさいのみぞの断面
形状のきめ方を示す線図を示す。いま図のようにみぞの
中央最底部の点をＭとし、Ｍの直下の中心線上にＯ点を
とり、Ｏ点より中心軸方向にＸ軸、OMの方向にＹ軸をと
り、断面の曲線Ａ′MAをｙ＝y(x)となる関数で与えるも
のとする。

しかるときは、この曲線Ａ′MA上に任意の点Ｐをとると
き、Ｐにおける曲線Ａ′MAの曲率半径ｒ_Ａと、Ｐを通っ
て曲線Ａ′MAに垂直な母線の曲率半径ｒ_Ｂとは、母線が
凹か凸により曲率の正負が逆となることを考慮し、ｒ_Ａ＝１／ｃｏｓ^３θ（ｄ^２ｙ／ｄｘ^２）……(2) ｒ_Ｂ＝−ｙ／ｃｏｓθ……(3) で与えられる。

ここでθは図のようにＰ点における断面曲線の傾斜角で
あってcosθは、である。

よって(1)ないし(4)式より、ｙ＝y(x)をきめる微分方程
式は、となる。

Coは一定値であって、とくにＭ点における断面母曲線
Ａ′MAの曲率半径をｒ_Ｍとし、Ｍ点のｙ座標、つまりみ
ぞの谷底半径をｒ_Ｏとするときは、である。

式(5)(6)は級数解、図式解法、等でも解けるがコンピュ
ーターによれば容易に解ける。

一例として、第６図に計算機によって計算されたみぞ断
面のｙ＝y(x)曲線の形状例MA₁,MA₂,MA₃を示す。図のよ
うにみぞの形状はだえんの下半分の形によく似た形を与
えている。

本発明によるみぞを作るのに最も簡単で近似的な方法は
だえん形の刃先でみぞを切削すればよく、とくにみぞの
ピッチや高さがみぞの谷底径に比べて十分小さいときは
近似の程度は高く、その極限は半円形となる。

また逆にみぞのピッチや高さが十分大きくて、(6)式のC
oの値がマイナスとなるときは断面形状は双曲線状とな
る。

ついで本発明の作用を説明する。第７図に第３図の伝熱
面を吸収冷凍機の吸収伝熱面に使用している状況を示す
が、同図では上方の液供給管28にあけた多数の小孔29,3
0等より濃い臭化リチウム水溶液が上方よりふりかけら
れていて、等二次元曲率を有するみぞ22,23,24等の内面
には液膜31,32,33等が形成されるが、みぞの内表面の曲
率が均一であることから液膜が局所的に集中することが
なく、液膜の厚さはみぞの内面に均等な厚さで拡がり、
よって吸収熱伝達は全面にわたってつねに活発さを保
ち、所期の目的を達する。またスケールの附着も少な
い。

本発明によるみぞでは液膜が均一厚さとなりよく全面に
拡がることは、大気中でインク液を等曲率みぞに流下さ
せる実験でよく実証されており、その拡がりとぬれのよ
いことはおどろくばかりである。

また熱伝達率が多成分液の蒸発の場合従来の矩形みぞな
どより良好であることも実験によって明らかになりつつ
ある。

ついで本発明の他の実施例として、第８図に細かいピッ
チの半だえん形のみぞをねじ状に切った本発明の伝熱面
の一実施例を示す。

第８図のものでは、34,35,36等は細かいピッチで円筒形
の伝熱面本体１の外面に切削されたねじみぞつき伝熱面
であり、このねじみぞの断面は方程式(5)を十分近似的
に満足する半だえん37の下半分の形状をもっているよう
に形成させてある。

このさいみぞがねじ状であってもそのピッチが十分細か
ければ実用上方程式(5)の近似解によるものをもって来
ても十分効果がある。

ついで第９図に垂直円筒状伝熱面の外面に垂直に断面が
半円形のみぞを多数軸に平行に切削した本発明の一実施
例を示す。また第１０図に、第９図の伝熱面の水平断面
の部分図を示す。

第９、１０図の両図のものでは、そのみぞ38,39等の断
面形状は完全な円形の一部であって、しかもそのみぞの
内面は半円筒状となるので、これらのみぞは明らかに等
曲率みぞとなる。

いま任意の多成分蒸気40,41等がみぞの内面で凝縮する
ときは、主として高沸点成分の液膜42,43,44等がみぞ内
面で形成されるがこれらはみぞ内を均一な厚さをもちつ
つ流下し、局所的な液の厚膜化や薄膜化は生ぜず全面で
活発な凝縮が継続される。

従来より、主として単一成分の流体の凝縮のために垂直
な円管の外面に各種の形状の垂直みぞを切削したものは
多く存在したが、本発明のように正確な半円形のみぞを
形成したものはない。円形以外の断面形状のみぞでは、
液膜の厚さの不均一が生ずるので多成分系の流体には不
向きである。

以上のように本発明は多成分流体の液膜より蒸発、濃
縮、再生、分溜、凝縮、吸収、等の相変化と物質伝達を
伴なう伝熱面にたいし、その対象とする装置が、吸収冷
凍機やヒートポンプ、圧縮式冷凍機やヒートポンプ、海
水淡水化装置、石油分溜装置、ジュース等の食品濃縮装
置、濃度差エンジン等、いかなるものであっても、液膜
の厚さを均等に保って相変化の熱伝達と物質伝達を活発
に保つことのできる等曲率みぞつきの伝熱面に関するも
のであり、みぞの内面が正確に、もしくは十分近似的に
均一な曲率を有するものであれば円管、平板、薄肉転造
管、曲管等いかなる面の上に形成されてもよく、また多
成分系流体を使用する伝熱装置であればいかなる装置に
用いられてもよい。またその向きは垂直、水平、斜めの
いずれでもよく、回転、振動や静電場付加等が与えられ
ていてもよい。

また本発明による等曲率みぞつき伝熱面に使用される流
体に任意の表面活性剤等の添加剤を添加してマラゴニ効
果などで液膜の内部攪拌効果を増すことを併用すること
は大いに効果があるので推奨できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は濃厚な臭化リチウム水溶液を表面を流下させな
がら外部より純水蒸気を吸収している矩形みぞつきの冷
却伝熱面の側面図と作動状況であり、第２図は沸点の異
なる二種類のフロンを混合した液を表面を流下させなが
ら主として低沸点フロンを蒸発させているＶ形みぞつき
伝熱面の断面図と作動状況を示す。第３図は円筒面状の伝熱面本体１の外面に、本発明によ
る等曲率みぞを形成させたみぞつき伝熱面の一実施例の
側面図であり、第４図は第３図のみぞ22の一部の表面の
略図を示し、第５図にはみぞの断面形状をきめるための
座標と線図を示し、第６図に計算機によって計算された
みぞ断面曲線の形状例を示す。また第７図には、第３図
の伝熱面を吸収冷凍機の吸収伝熱面に使用している状況
を示す。ついで第８図に細かいピッチで半だえん形のみぞをねじ
状に切削した本発明の一実施例を示す。また第９図に垂直円筒状伝熱面の外面に垂直に断面が半
円形のみぞを多数、軸に平行に切削した本発明の一実施
例を示し、第１０図に第９図の伝熱面の水平断面の部分
図を示す。１……伝熱面本体 2,3,4……矩形みぞ 5,6,7……Ｖ形みぞ 22,23,24,28,34,35,36,38,39……等曲率みぞ、31,32,3
3,42,43,44……等厚液膜 A,B……互いに直交する二つの母線ｒ_Ａ，ｒ_Ｂ……母線A,Bの曲率半径ｒ_Ｍ……Ｍ点での母線Ａ′MA′の曲率半径ｒ_Ｏ……Ｍ点の谷底管半径

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】その表面を、沸点の異なる二種類以上の成
分を含む相変化により沸点の変化する多成分流体の液膜
を流下もしくは滴下させながら、該流体の蒸発、濃縮、
再生、分溜、凝縮、吸収、等の相変化と物質伝達を伴な
う伝熱操作を行なうみぞつき伝熱面において、該みぞの
内表面を、下記式(1)で定義される表面上の任意の点Ｐ
での曲面の曲率［ここで、ｒ_ＡはＰを通る軸方向の表面母線Ａの曲率半
径であり、ｒ_ＢはＰにおいてＡと直交する表面母線Ｂの
曲率半径である。］がその内表面の全面にわたって均等となるような曲面形
状とさせ、かつ、各みぞは先端が尖鋭なフィンを介して
隣接しており、もって該流体の液膜が表面張力の作用で
該みぞの内表面全体に均等な厚さで、良好に拡がること
により、とくに多成分流体の相変化にたいして高い伝熱
性能を発揮する等曲率みぞつき伝熱面。