JPH07103673A - 伝熱管に設ける液分散器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 伝熱管の内壁に流下液膜が形成され、しか
も、製造が容易で、かつ、耐久性の良い熱交換器を得る
べく、液分散器の構成を工夫した新規な伝熱管に設ける
液分散器を提供することを目的としている。 【構成】 伝熱管２に設けた液分散器１を、突出部１１
と、鍔部１２と、脚部１３とから構成し、かつ、この突
出部１１に円周の接線方向に開口部１１１を複数個設け
た伝熱管２に設ける液分散器１の新規な構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、縦型の管内流下液膜式
の多管式熱交換器・加熱器・冷却器・蒸発器・凝縮器・
吸収器等に用いられる伝熱管の上管に設けられる液分散
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、縦型の管内流下液膜式の多管式熱
交換器・加熱器・冷却器・蒸発器・凝縮器・吸収器等に
は、管内に液膜を形成させるために、通常、伝熱管の頂
部に図４に示すような液分散器が広く用いられている。

【０００３】図４は、特に液分散器１を設置せず、管板
上に溜まつた液を頂部からオ−バ−フロ−させることに
より、流下液膜を形成させるものである。この場合、複
数の伝熱管２に液を均一に分配するためには、各管の頂
部の高さを同一にするにする必要があり、高い製作精度
と、機器の設置の際に高い鉛直度が要求される。この方
法では、液流量が少ないときには、液が伝熱管の頂部の
全周からでなく、その一部からのみ流れ落ちるために均
一な流下液膜が形成されない。図５は、図４のタイプ
に、流下液膜の形成を補助する目的で伝熱管２の頂部
に、この伝熱管２の内径より小さい外径を有する管を挿
入してなる液分散器１である。供給された液は液分散器
１と伝熱管２の隙間を流れ落ちることにより、流下液膜
を形成する。この場合、形成される流下液膜の円周方向
の厚みは、液分散器１と伝熱管２との隙間の寸法に依存
するので、液分散器１と伝熱管２の中心ができるだけ一
致するよう、液分散器１を高い精度で設置する必要があ
る。

【０００４】図６は、前記図４、図５の短所を克服すべ
く、三角形の切り欠き（ノッチ）を複数設けた液分散器
１である。この場合、複数の液分散器１によつて複数の
伝熱管２に液を均一に分配するために、図４ほどの製作
精度と機器の設置精度は必要ないが、三角形の切り欠き
があるために、液分散器１から下のある一定の高さまで
は、形成される液下液膜の円周方向の厚みが一定でない
という短所がある。

【０００５】図７、図８は、図４、図５、図６の短所を
克服するため、液分散器１の円周方向の接線方向に開け
られた複数の長方形の孔、又は円形の孔１１１（以下、
開口部という。）を有するものである。この開口部１１
１はその開口面積を適当に設定することにより、適当な
液の流れの抵抗を作り、その結果管板上の液面を開口部
１１１よりも上の適当な高さに維持できるため、複数の
伝熱管２への均一な分配が可能となる。また、この開口
部１１１は円周の接線方向に開けられているため、液は
液分散器１からある程度下の高さまでは強制的に円周方
向に流れる力により、渦巻条に流れ落ちる。したがつ
て、流下液膜の円周方向の厚みは、図４、図５、図６の
場合に比べ、均一になり、液流量が少ない場合でも良好
な液下液膜が形成される。前記図４ないし図８以外に
も、例えば図５のものに半径方向に開けられた複数の開
口部１１１をもつた液分散器１を組み合わせたもの等も
用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、図４
ないし図８に示した従来の液分散器１には以下の解決す
べき課題が残されている。 （１）いずれのタイプの液分散器１も、それ自身を設置
するために伝熱管２を管板上面よりもある程度（１０ｍ
ｍないし５０ｍｍ）上に突き出す（以下、管端突き出し
部という。）必要があつた。そのため密集した複数の伝
熱管と管板とを溶接する際に溶接棒を操作できる範囲が
狭く、溶接作業に高度の技術を要し、かつ、手間がかか
つた。当然、自動溶接機などを用いることは不可能であ
つた。場合によつては、この溶接作業性を確保をする目
的のみのため、機器性能上必要な以上に伝熱管同志の間
隔を広くとり、結果として機器の径を大きくせざるを得
ないこともあつた。 （２）伝熱管２が管板上に１０ｍｍないし５０ｍｍ突き
出ているため、（検査時は分散器を取り外して検査を行
うため）この機器の定期検査等の際、伝熱管２と管板の
溶接部の目視、検査に手間がかかつた。 （３）液分散器１は１０ｍｍないし５０ｍｍ程度の管端
突き出し部のみで固定されるので、高い精度で管板に対
して垂直（伝熱管２と平行。）に設置するのが難しく、
僅かに傾いたり、ガタついたりすることがあつた。液分
散器１の性能を最大限引き出すためには、液分散器１が
管端突き出し部と接している部分をパッキング等でシ−
ルし、液が漏れないようにする必要があるが、前述の理
由で液分散器１が不完全な形で設置された場合、シ−ル
が不十分となり、伝熱管２一本当たりの液流量が管毎に
不均一となつたり、管内流下液膜の形成に悪影響を及ぼ
したりして、結果として機器の性能低下を招くことがあ
つた。図５のタイプの液分散器１の場合には、それに加
えて、傾いて設置された場合に液分散器１と伝熱管２内
壁の隙間が円周方向で一定でなくなり、液下液膜の厚み
が不均一になるという問題もあつた。 （４）多管式熱交換器に用いられる鋼管は、通常その内
径において最大５％程度の製作誤差があるので、例えば
内径５０ｍｍの伝熱管２の場合、図６ないし図８のタイ
プの液分散器１では、その外壁と伝熱管２の内壁との間
に最大１．２５ｍｍ程度の段差が生ずることになる。こ
の段差の部分において流下液膜の流れが乱されるという
問題があつた。 （５）流下液膜を形成する液体が腐食性をもつ場合、伝
熱管２の内壁は常にこの液体に接するため一定の腐食を
受けることは避けられず、したがつて伝熱管２の肉厚決
定に際してその腐食速度などを考慮する必要がある。一
方、前述の（３）の理由により、一旦、液分散器１と伝
熱管２とのシ−ル部分のシ−ルが不良になると、伝熱管
２の管端突き出し部はその外側からも腐食を受けること
になり、管端突き出し部の減肉によるによるシ−ル不
良、液分散器１の設置不良を助長することになる。管端
突き出し部の減肉が極端に進んだ伝熱管２の補修は事実
上不可能であるので、定期検査等で発見された場合はそ
の伝熱管２をブラキングすることで対応せざるを得ない
ので、その分の性能低下又は処理容量の低下は避けられ
ない。また、図６ないし図８のタイプの液分散器１の場
合、液分散器１と伝熱管２の接触部をパッキング等でシ
−ルすることができるが、液分散器１の内壁と伝熱管２
の内壁の境界部分から、流下液膜を形成する液体がシ−
ル部分へ侵入することは避けられず、管端突き出し部の
シ−ル部の腐食の一因となつている。

【０００７】本発明の伝熱管に設ける液分散器は従来技
術よりも優れた液分散性能をもち、かつ、管板上に管端
突き出し部を設ける必要のない上記問題点を解決する新
規な縦型管内流下液膜式多管式熱交換器用液分散器を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明の伝熱管に設ける液分散器は、縦型管内流
下液膜式熱交換器等用伝熱管の上端に設けられる液分散
器において、この液分散器がこの伝熱管の上端から突出
する突出部とこの伝熱管上端にて外周に突出する鍔部と
この伝熱管に内接する脚部とから構成されること、か
つ、前記突出部が円周の接線方向に開けられた複数の開
口部をもつこと、を特徴とする伝熱管に設ける液分散器
である。

【０００９】

【作用】図１に示す本発明の伝熱管に設ける液分散器の
実施例に基づいて作用、効果を詳細に説明すると、液分
散器１は伝熱管２の上端から突出する突出部１１と伝熱
管２の上端にて外周に突出する鍔部１２と伝熱管２に内
接する脚部１３とから構成されており、そしてその突出
部１１は供給液を各伝熱管２毎に均一に分散させ、か
つ、均一な流下液膜を形成させるための液供給部には、
円周の接線方向に開けられた円形の孔又は長方形の開口
部１１１をもつている、縦型管内流下液膜式多管式熱交
換器においては、通常内径２０ないし７０ｍｍの伝熱管
２が用いられるが、その内径によつても、また伝熱管２
一本当たりの処理量によつても異なるが、この液分散器
１の円形の開口部１１１においてはその径は２ｍｍない
し４ｍｍであり、その数は一本あたり３ないし８を用い
ることができる。また、この液分散器１の長方形の開口
部１１１においてはその幅０．５ｍｍないし５ｍｍ、高
さ１０ｍｍないし１００ｍｍ、その数３ないし８を用い
ることができる。なお、図１には本発明の伝熱管に設け
る液分散器の一例として、シ−ル部１２１のほかに、管
板上面より下側にもシ−ル部１２２を用いた例を示した
が、こうすることによりシ−ル性能を向上させることが
できる。シ−ル材はその使用条件に応じて、バルカ−パ
ッキン、テフロン製パッキン等市販のものを用いること
ができる。

【００１０】伝熱管２と管板３は図１に示すごとく管板
３の上面部にて溶接されるが、液分散器１の設置精度、
シ−ル性能をより向上させるためには溶接部と伝熱管先
端は同一水平面を形成するように平らに機械加工するこ
とが好ましい。液分散器１が伝熱管２内に落下させない
ために液分散器１周囲に鍔部１２を設けている。伝熱管
２の内壁内表面を覆う形で設置される脚部の縦断面形状
は、流下液膜の分散性能の観点から図１に脚部拡大図を
併記したごとく、伝熱管２に平行に伸びた部分１３１と
伝熱管２に近い方が長くなるようにある角度θで斜めに
切られたテ−パ部分１３２から構される。斜めに切られ
たテ−パ部分１３２の角度θは流下液膜の分散性能の観
点から鉛直に対して５度以上３０度以下が望ましい。３
０度を超えると後述の比較例１に示すように流下液膜の
不均一の度合いが増し好ましくない。また５度未満であ
ると液膜の形成は問題ないが脚部の長さが必要以上に長
くなる。テ−パ部分１３２の先端部は尖つたままでも良
いが、運搬・設置時の作業員の安全性・落下時の先端部
の尖り部分の曲がり防止・流下液膜の分散性を考慮し
て、０．３ｍｍないし１．５ｍｍ好ましくは０．３ない
し０．７５ｍｍの厚みをもつように削つて用いるのが良
い。削つた後の先端部の形状は平たくても良いし、また
丸くても良い。削つた後の厚みが０．３ｍｍ未満であつ
ても、流下液膜の分散には問題ないが、製作後の運搬・
設置後の作業員の安全性・落下時の先端部の曲がり等の
問題がある。一方、１．５ｍｍを超えると製作後の運搬
・設置時の作業員の安全性・落下時の先端部の曲がりな
どには問題ないが、後述の比較例２に示すように流下液
膜の分散が悪くなる。管板３の上面部から下へ２０ｍｍ
程度までの部分は伝熱管２と管板３の溶接による熱歪を
受けているので、流下液膜を形成する液体が腐食性をも
つ場合は直接この液体と接触しないのが望ましいので、
液分散器１の脚部の先端は管板上面よりも少なくとも３
０ｍｍ程度下に位置するのが望ましい。また液分散器１
を精度良く鉛直に設置するためには脚部１３は長い程良
く、伝熱管２の内径にも依存するが、実用的にはその長
さは３０ｍｍないし２００ｍｍ程度が用いられる。液分
散器１の材質は使用目的に応じて、通常の炭素鋼、ステ
ンレス鋼等を用いることができる。なお、後述の実施例
で記載するが、流下液膜の均一度合の評価方法として、
伝熱管２の出口部で管を円周方向に８等分に仕切り、各
仕切部での流出量を測定し、以下に示す式（１）で定義
される変数Ｘを用いた。Ｘが小さいほど流下液膜が円周
方向に均一に形成されるていることを示す。 Ｘ＝σ／ω・・・・・・（１） ここで、 σ：各仕切毎の流量の標準偏差 ω：各仕切毎の平均流量

【００１１】

【実施例】以下、本発明の伝熱管に設ける液分散器の実
施例を、図１、図２、図３に基づいて説明すると、縦型
管内流下液膜式熱交換器等用伝熱管の上端に設けられる
液分散器１において、この液分散器１がこの伝熱管２の
上端から突出する突出部１１とこの伝熱管２上端にて外
周に突出する鍔部１２とこの伝熱管２に内接する脚部１
３とから構成されること、かつ、前記突出部１１が円周
の接線方向に開けられた複数の開口部１１１をもつこと
を特徴とするものであり、さらに前記脚部１３が、前記
伝熱管２に平行に伸びた平行部分と、先端に近ずくにつ
れて伝熱管２に近い方が、長くなるように角度を付けら
れたテ−パ部分１３２とから構成されることを特徴とす
る伝熱管に設ける液分散器であり、しかも前記鍔部１２
が、前記伝熱管２の上端との接触部にシ−ル部１２１を
設けられたことを特徴とする伝熱管に設ける液分散器で
ある。

【００１２】実施例１ 縦型の伝熱管の材質はステンレス鋼で、内径２６ｍｍ、
長さ２０００ｍｍのもの一本を用意し、管板に溶接した
後、鉛直に保つたまま本発明の伝熱管に設ける液分散器
を設置した。この液分散器には円周の接線方向に開けら
れた口径３．０ｍｍの孔が６個あつた。脚部の斜めに切
られた角度は５度で、その先端部の厚みが０．３ｍｍと
なるよう平たく削つた。また脚部の先端は管板上部より
も１００ｍｍ下に位置していた。シ−ル材は市販のテフ
ロンを用いた。液流量は３０１／ｈないし２００１／ｈ
の範囲でおこなつた。伝熱管の出口部で管を８等分に仕
切、各仕切部での流出量を測定し、式（１）を用いて、
流下液膜の円周方向の流量分布を評価した。結果を表１
に示す 実施例２ 実施例１の液分散器の脚部の斜めに切られた角度を5 度
から３０度に変える以外は実施例１と同様に実施し、流
下液膜の円周方向の流量分布を評価した。結果を表１に
示す。 実施例３ 実施例１の液分散器の脚部の先端部の厚みを０．３ｍｍ
ないし１．５ｍｍに変えた以外は実施例１と同様に実施
し、流下液膜の円周方向の流量分布を評価した。結果を
表１に示す。 実施例４ 実施例１と同一寸法の二相ステンレス鋼製伝熱管と本発
明による同材質の液分散器を設置した試験用縦型管内流
下液膜式多管式加熱管を製作し、実際の尿素工場に設置
し、通常の縦型管内流下液膜式高圧ストリッパ−と同様
の下記条件にて腐食試験をおこなつた。 液組成： 尿素 ３０ないし４０ｗｔ％ 遊離アンモニア ２０ないし４０ｗｔ％ アンモニウムカ−バメ−ト ２０ないし２５ｗｔ％ （残りは水） 温度： １８０度Ｃないし２００度Ｃ 圧力： １４０ないし１８０ｂａｒ 試験期間： １年 試験結果：一伝熱管と管板の溶接部の腐食は認められ
ず、液分散器と伝熱管のシ−ル部不良の形跡も認められ
なかつた。分散器の脚部に覆われた伝熱管内壁の腐食速
度は他の部分に比べ無視できるほど小さかつた。液膜の
形成不良による伝熱面の汚れは認められなかつた。 参考例１ 実施例１の液分散器に変え、円周の接線方向に開けられ
た孔の孔径、個数が同じ従来技術による液分散器で、図
８のタイプの分散器を設置した以外は実施例１と同一の
条件で実施し、流下液膜の円周方向の流量分布を評価し
た。 比較例１ 実施例２の液分散器の脚部の斜めに切られた部分の角度
を３０度ないし４５度に変えた以外は実施例２と同一に
実施し、流下液膜の円周方向の流量分布を評価した。結
果を表１に示す。 比較例２ 実施例３の液分散器の脚部の先端部の厚みを１．５ｍｍ
ないし２．５ｍｍに変えた以外は実施例１と同一に実施
し、流下液膜の円周方向の流量分布を評価した。結果を
表１に示す。

【００１３】

【発明の効果】本発明の伝熱管に設ける液分散器は、管
端突き出し部を設けずに、液分散器の脚部を必要なだけ
伸ばして伝熱管内に差し込めるように構成されているた
め、以下の効果がある。 （１）管端突き出し部がないため、伝熱管と管板の溶接
作業性が著しく改善され、自動溶接機を適用できるよう
になつた。また、定期検査時の溶接部の検査、補修が容
易になつた。 （２）液分散器の脚部を長く伸ばして伝熱管内に差し込
んで固定できるため、液分散器の鉛直度を精度良く保
て、かつ、安定して設置できるたるためシ−ル部の不良
が防止され、液のショ−トパスや液膜形成不良が防止さ
れ、機器の性能が向上し、伝熱面の汚れが防止された。 （３）伝熱管の管端突き出し部がなく、かつ、伝熱管の
上部は液分散器の鍔部及び脚部で完全に覆われるため、
液分散器を設置する部分及びシ−ル部分の腐食が著しく
減少し、熱交換器の寿命が伸びた。 （４）液分散器の脚部の先端部は、適当な角度をもつ
て、下へ行くほど伝熱管の内壁方向へ広がるテ−パ状の
形状をもつているため、液下液膜の流れは外側、即ち伝
熱管壁側へ流れようとする慣性力を持つ。したがつて、
伝熱管の製作公差に起因する段差があつても、従来技術
によるものよりも、安定かつ均一な流下液膜が形成さ
れ、機器の性能が向上し伝熱面の汚れが防止された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の伝熱管に設ける液分散器の側断面図で
ある。

【図２】本発明の伝熱管に設ける液分散器の図１のＡ−
Ａ線平面断面図である。

【図３】本発明の伝熱管に設ける液分散器の側断面図の
部分拡大図である。

【図４】従来例のオ−バ−フロ型の液分散器の側断面図
である。

【図５】従来例の２重管型の液分散器の側断面図であ
る。

【図６】従来例のノッチ型液分散器の側断面図である

【図７】（Ａ）は従来例のスロット型の液分散器の側断
面図であり、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線平面断面図である。

【図８】（Ａ）は従来例の孔型の液分散器の側断面図で
あり、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線平面断面図である。

【符号の説明】

１・・・液分散器 １１・・・突出部 １１１・・・開口部 １２・・・鍔部 １２１・・・シ−ル部 １３・・・脚部 １３１・・・平行部分 １３２・・・テ−パ部分 ２・・・伝熱管 ３・・・管板 ４・・・溶接部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 縦型管内流下液膜式熱交換器等用伝熱管
   の上端に設けられる液分散器において、この液分散器が
   この伝熱管の上端から突出する突出部とこの伝熱管上端
   にて外周に突出する鍔部とこの伝熱管に内接する脚部と
   から構成されること、かつ、前記突出部が円周の接線方
   向に開けられた複数の開口部をもつこと、を特徴とする
   伝熱管に設ける液分散器。
2. 【請求項２】 前記脚部が、前記伝熱管に平行に伸びた
   平行部分と、先端に近ずくにつれて伝熱管に近い方が、
   長くなるように角度を付けられたテ−パ部分とから構成
   されることを特徴とする請求項１記載の伝熱管に設ける
   液分散器。
3. 【請求項３】 前記鍔部が、前記伝熱管の上端との接触
   部にシ−ル部を設けられたことを特徴とする請求項１記
   載の伝熱管に設ける液分散器。