JPH10160282A - 蒸気圧縮冷却システム - Google Patents
蒸気圧縮冷却システムInfo
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- JPH10160282A JPH10160282A JP9317905A JP31790597A JPH10160282A JP H10160282 A JPH10160282 A JP H10160282A JP 9317905 A JP9317905 A JP 9317905A JP 31790597 A JP31790597 A JP 31790597A JP H10160282 A JPH10160282 A JP H10160282A
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- 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
- F25B39/00—Evaporators; Condensers
- F25B39/02—Evaporators
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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- 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
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- 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
- F25B2339/0242—Evaporators with refrigerant in a vessel in which is situated a heat exchanger having tubular elements
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 一部が流下液膜方式で動作し、一部が満液方
式で動作する蒸発器を有するチラーシステムを提供す
る。 【解決手段】 液体を冷却するための蒸気圧縮冷却シス
テムであって、シェルおよびチューブタイプの蒸発器内
のチューブ全体に液状冷媒を分配するためのスプレー分
配器が備えられている。蒸発器を通過する冷媒フローの
ループ内の差圧がスプレー分配器を通る流れを作り出す
単一の手段である。蒸発器はハイブリッド流下液膜式熱
交換器として、すなわち半満液状態で動作する。チュー
ブバンドルの下の方のチューブを濡らすために、蒸発器
シェルの下方部分には液状冷媒が満たされる。上の方の
チューブはスプレー分配器からの冷媒スプレーによって
のみ濡らされる。
式で動作する蒸発器を有するチラーシステムを提供す
る。 【解決手段】 液体を冷却するための蒸気圧縮冷却シス
テムであって、シェルおよびチューブタイプの蒸発器内
のチューブ全体に液状冷媒を分配するためのスプレー分
配器が備えられている。蒸発器を通過する冷媒フローの
ループ内の差圧がスプレー分配器を通る流れを作り出す
単一の手段である。蒸発器はハイブリッド流下液膜式熱
交換器として、すなわち半満液状態で動作する。チュー
ブバンドルの下の方のチューブを濡らすために、蒸発器
シェルの下方部分には液状冷媒が満たされる。上の方の
チューブはスプレー分配器からの冷媒スプレーによって
のみ濡らされる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、流体を冷却するた
めのシステムに関する。特に、本発明は、システムの蒸
発器が満液方式で作動するセクションと流下液膜式方式
で作動するセクションとを有する水などの液体を冷却す
るための蒸気圧縮冷却システムに関する。
めのシステムに関する。特に、本発明は、システムの蒸
発器が満液方式で作動するセクションと流下液膜式方式
で作動するセクションとを有する水などの液体を冷却す
るための蒸気圧縮冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】「チラー（冷却装置）」と通常言われる
水を冷却するための蒸気圧縮冷却システムは、空調の用
途に広く用いられる。このようなシステムは、通常３５
０キロワット（１００トン）以上の大きな冷却容量を有
し、オフィスビル、大型ストアおよび船などの大型の構
造物を冷房するために用いられる。チラーを採用する一
般的な用途において、システムには、チラーの蒸発器か
ら冷却されるべき空間に配された数多くの空気／水熱交
換器へ水を循環させる冷却水フロー閉ループが含まれ
る。
水を冷却するための蒸気圧縮冷却システムは、空調の用
途に広く用いられる。このようなシステムは、通常３５
０キロワット（１００トン）以上の大きな冷却容量を有
し、オフィスビル、大型ストアおよび船などの大型の構
造物を冷房するために用いられる。チラーを採用する一
般的な用途において、システムには、チラーの蒸発器か
ら冷却されるべき空間に配された数多くの空気／水熱交
換器へ水を循環させる冷却水フロー閉ループが含まれ
る。
【０００３】チラーの別の用途として、産業上の用途に
おける液体のプロセス冷却装置が挙げられる。図１は、
従来の典型的なチラー１０の一般的配列を示す。チラー
１０において、冷媒はコンプレッサ１２からコンデンサ
１４と膨張器１６と蒸発器１８とそしてそこからコンプ
レッサ１２に戻る閉ループを流れる。コンデンサ１４に
おいて、冷媒は、冷媒と熱交換関係にて流入する液体に
対して熱を移動させることで冷却される。この流体は、
一般的に供給源２０から供給された水である冷却流体で
ある。蒸発器１８において、概略的に符号２２で示され
たループからの水は冷媒に対して熱交換関係にて流入
し、冷媒に熱を移動させることにより冷却される。
おける液体のプロセス冷却装置が挙げられる。図１は、
従来の典型的なチラー１０の一般的配列を示す。チラー
１０において、冷媒はコンプレッサ１２からコンデンサ
１４と膨張器１６と蒸発器１８とそしてそこからコンプ
レッサ１２に戻る閉ループを流れる。コンデンサ１４に
おいて、冷媒は、冷媒と熱交換関係にて流入する液体に
対して熱を移動させることで冷却される。この流体は、
一般的に供給源２０から供給された水である冷却流体で
ある。蒸発器１８において、概略的に符号２２で示され
たループからの水は冷媒に対して熱交換関係にて流入
し、冷媒に熱を移動させることにより冷却される。
【０００４】チラーの蒸発器は、一般的にシェルおよび
チューブタイプの熱交換器、即ち管形熱交換器である。
管形熱交換器は、一般的にチューブバンドルと呼ばれる
複数のチューブが納められた外部シェルを備える。水な
どの冷却されるべき液体はチューブバンドルを流れる。
沸騰に要するエネルギーは、チューブ間を流れる水から
熱として得られる。熱が奪われると、冷却水は空調のた
めまたは液体冷却プロセスに用いられる。従って、蒸発
器シェル内で行われる熱交換を最適化することがチラー
の設計の主目的となる。
チューブタイプの熱交換器、即ち管形熱交換器である。
管形熱交換器は、一般的にチューブバンドルと呼ばれる
複数のチューブが納められた外部シェルを備える。水な
どの冷却されるべき液体はチューブバンドルを流れる。
沸騰に要するエネルギーは、チューブ間を流れる水から
熱として得られる。熱が奪われると、冷却水は空調のた
めまたは液体冷却プロセスに用いられる。従って、蒸発
器シェル内で行われる熱交換を最適化することがチラー
の設計の主目的となる。
【０００５】一般的に、面と液状の物質との熱交換率は
面とガス状の同一物質との熱交換率よりも高い。このた
め、効果的かつ有効な熱伝達を実行するには、チラーが
作動している間、液状冷媒で覆われたまたはぬらされた
状態にチラー蒸発器内のチューブを保持することが重要
である。従来のチラー蒸発器のほとんどは、蒸発器の作
動中、「満液モード」として知られている方法によって
チューブをぬれた状態に保持する目的を達成する。
面とガス状の同一物質との熱交換率よりも高い。このた
め、効果的かつ有効な熱伝達を実行するには、チラーが
作動している間、液状冷媒で覆われたまたはぬらされた
状態にチラー蒸発器内のチューブを保持することが重要
である。従来のチラー蒸発器のほとんどは、蒸発器の作
動中、「満液モード」として知られている方法によって
チューブをぬれた状態に保持する目的を達成する。
【０００６】この満液モードでは、すべてのチューブが
液状冷媒の液位より下になるように蒸発器シェル内の液
状冷媒の液位を十分に高くしている。図２は、冷媒液位
２８よりチューブすべてが下に位置する満液状態で作動
しているチラー２４を概略的に示す。満液状態における
チラーの作動により確実にすべてのチューブがぬらされ
るが、これは特に大容量のチラーでは比較的多量の冷媒
を必要とする。冷媒のコストが低い場合には、あまり重
要ではないが、コストが増加するにつれ必要とされる冷
媒の量が大きなコスト要因となる。これはチラーに必要
な冷媒を充填する際における初期費用のみならず、チラ
ーの寿命にわたって維持費および取換えの費用にも影響
を与える。
液状冷媒の液位より下になるように蒸発器シェル内の液
状冷媒の液位を十分に高くしている。図２は、冷媒液位
２８よりチューブすべてが下に位置する満液状態で作動
しているチラー２４を概略的に示す。満液状態における
チラーの作動により確実にすべてのチューブがぬらされ
るが、これは特に大容量のチラーでは比較的多量の冷媒
を必要とする。冷媒のコストが低い場合には、あまり重
要ではないが、コストが増加するにつれ必要とされる冷
媒の量が大きなコスト要因となる。これはチラーに必要
な冷媒を充填する際における初期費用のみならず、チラ
ーの寿命にわたって維持費および取換えの費用にも影響
を与える。
【０００７】最近、塩化冷媒（chlorinated refrigeran
t）に代わるものとして、新たな冷媒がこのようなチラ
ーにおける利用のために導入されている。塩化冷媒は、
大気のオゾン層を極端に減少させることが分かりもはや
使用されていない。そのような新たな冷媒は、代替され
る以前のものよりかなり高価である。結果として、チラ
ーのシステムを充填するに必要な冷媒の量を減らすこと
は、大きな費用削減のみならず、より環境に優しい製品
を製造するというニーズを満たす助けとなる。
t）に代わるものとして、新たな冷媒がこのようなチラ
ーにおける利用のために導入されている。塩化冷媒は、
大気のオゾン層を極端に減少させることが分かりもはや
使用されていない。そのような新たな冷媒は、代替され
る以前のものよりかなり高価である。結果として、チラ
ーのシステムを充填するに必要な冷媒の量を減らすこと
は、大きな費用削減のみならず、より環境に優しい製品
を製造するというニーズを満たす助けとなる。
【０００８】冷媒にかかる費用を削減するひとつの方法
として、「流下液膜式」蒸発器として知られるものを使
用することが挙げられる。流下液膜式蒸発器のコンセプ
トは、冷媒とチューブの外面との熱伝達が主として対流
と伝導とによるものであるということと、適切な熱伝達
は液状冷媒のプールにチューブを浸すことによってだけ
でなく、液膜をチューブの外部表面に連続して補給する
ことによって得られるということを前提としている。し
たがって、液状冷媒に浸すことによってチューブをぬら
すよりも、液状冷媒の流れをチューブに分配する手段を
採用することで、チラーに必要とされる冷媒の使用量を
減少させコストを低減できる。
として、「流下液膜式」蒸発器として知られるものを使
用することが挙げられる。流下液膜式蒸発器のコンセプ
トは、冷媒とチューブの外面との熱伝達が主として対流
と伝導とによるものであるということと、適切な熱伝達
は液状冷媒のプールにチューブを浸すことによってだけ
でなく、液膜をチューブの外部表面に連続して補給する
ことによって得られるということを前提としている。し
たがって、液状冷媒に浸すことによってチューブをぬら
すよりも、液状冷媒の流れをチューブに分配する手段を
採用することで、チラーに必要とされる冷媒の使用量を
減少させコストを低減できる。
【０００９】冷媒のフロー即ち流れによって、液状冷媒
の膜でチューブの表面をぬれた状態に保ち、これにより
全部のチューブバンドルを液状冷媒に浸す必要なくして
蒸発器の有効な熱伝達が確保される。このような流れ
は、蒸発器のチューブバンドルにおける上方のチューブ
に液状冷媒をスプレーすることにより達成される。そし
て冷媒は、上方のチューブを覆い、重力の流れによって
下方のチューブに流下する。このため、このような熱交
換器を「流下液膜式」蒸発器と呼んでる。流下液膜式蒸
発器において非常に重要なことは、上の方で冷媒のすべ
てが蒸発して下の方にぬれていないチューブを残すこと
がないようにチューブバンドルにわたる液状冷媒の十分
な流れがあり、これにより熱伝達に悪影響をおよぼすこ
とがないことである。
の膜でチューブの表面をぬれた状態に保ち、これにより
全部のチューブバンドルを液状冷媒に浸す必要なくして
蒸発器の有効な熱伝達が確保される。このような流れ
は、蒸発器のチューブバンドルにおける上方のチューブ
に液状冷媒をスプレーすることにより達成される。そし
て冷媒は、上方のチューブを覆い、重力の流れによって
下方のチューブに流下する。このため、このような熱交
換器を「流下液膜式」蒸発器と呼んでる。流下液膜式蒸
発器において非常に重要なことは、上の方で冷媒のすべ
てが蒸発して下の方にぬれていないチューブを残すこと
がないようにチューブバンドルにわたる液状冷媒の十分
な流れがあり、これにより熱伝達に悪影響をおよぼすこ
とがないことである。
【００１０】液体が表面をぬらす際に悪影響を及ぼすひ
とつの要因として、液体の表面張力が挙げられる。一般
的に、表面張力が低ければ低いほど、液体が、表面をぬ
らす傾向が強くなる。たとえば、水は比較的高い表面張
力を有し、よって湿潤剤としては比較的劣っている。広
く使われている冷媒には、非常に低い表面張力、すなわ
ち華氏２６．６度において１センチにつき３０ダイン以
下の表面張力を有し、よって優れた湿潤力を有するもの
がある。そのような冷媒としては、Ｒ−１３４Ａ、Ｒ−
４１０Ａ、Ｒ−４０７Ｃ、Ｒ−４０４およびＲ−１２３
などが挙げられる。
とつの要因として、液体の表面張力が挙げられる。一般
的に、表面張力が低ければ低いほど、液体が、表面をぬ
らす傾向が強くなる。たとえば、水は比較的高い表面張
力を有し、よって湿潤剤としては比較的劣っている。広
く使われている冷媒には、非常に低い表面張力、すなわ
ち華氏２６．６度において１センチにつき３０ダイン以
下の表面張力を有し、よって優れた湿潤力を有するもの
がある。そのような冷媒としては、Ｒ−１３４Ａ、Ｒ−
４１０Ａ、Ｒ−４０７Ｃ、Ｒ−４０４およびＲ−１２３
などが挙げられる。
【００１１】流下液膜式蒸発器では、比較的高い表面張
力を有する冷媒を用いた場合は、特にチューブに分配さ
れる冷媒の量が蒸発器を流れる冷媒の総流量と等しい場
合、受けいれ可能なコストでは十分な熱伝達が得られな
いことが分かった。蒸発器を流れる総流量に対する分配
冷媒流量を比較するために再循環比が用いられる。これ
らの流量が等しい場合には、循環比は１に等しいと言え
る。流下液膜式蒸発器におけるチューブ全体に対して十
分な液状冷媒フローを生じさせるために、従来から周知
の方法として、蒸発器シェル内で冷媒を再循環するため
の機械的ポンプを設ける手法が知られている。
力を有する冷媒を用いた場合は、特にチューブに分配さ
れる冷媒の量が蒸発器を流れる冷媒の総流量と等しい場
合、受けいれ可能なコストでは十分な熱伝達が得られな
いことが分かった。蒸発器を流れる総流量に対する分配
冷媒流量を比較するために再循環比が用いられる。これ
らの流量が等しい場合には、循環比は１に等しいと言え
る。流下液膜式蒸発器におけるチューブ全体に対して十
分な液状冷媒フローを生じさせるために、従来から周知
の方法として、蒸発器シェル内で冷媒を再循環するため
の機械的ポンプを設ける手法が知られている。
【００１２】図３は、チラーシステム３２における流下
液膜式の蒸発器３０を概略的に図示する。図２に示され
た満液式蒸発器と比較すると、膨張器１６から流れる冷
媒は、蒸発器シェル３６へ供給ライン３５を経由して入
り、チューブ４０の最上部の上に配される、通常スプレ
ーデッキ３８として知られた分配器へ流れる。再循環ポ
ンプ４２を有する再循環回路はライン４４を経由して蒸
発器シェルの底部から液体冷媒を引き出し、ライン４６
を経由して供給ライン３５へ送る。供給ラインで冷媒は
再度スプレーデッキ３８を介して分配される。このよう
にして、再循環システムは、スプレーデッキ３８を流れ
る十分な流れを確保し、確実にチューブをぬれた状態に
保つ。
液膜式の蒸発器３０を概略的に図示する。図２に示され
た満液式蒸発器と比較すると、膨張器１６から流れる冷
媒は、蒸発器シェル３６へ供給ライン３５を経由して入
り、チューブ４０の最上部の上に配される、通常スプレ
ーデッキ３８として知られた分配器へ流れる。再循環ポ
ンプ４２を有する再循環回路はライン４４を経由して蒸
発器シェルの底部から液体冷媒を引き出し、ライン４６
を経由して供給ライン３５へ送る。供給ラインで冷媒は
再度スプレーデッキ３８を介して分配される。このよう
にして、再循環システムは、スプレーデッキ３８を流れ
る十分な流れを確保し、確実にチューブをぬれた状態に
保つ。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】そのような流下液膜蒸
発システムにおいては、蒸発器内の液状冷媒のプールの
液位４８がチューブバンドル内の最下チューブの下にな
った状態ですべてのチューブがぬれた状態に保たれる。
バンドルのすべてのチューブが確実にぬれるようにする
には、再循環比率（スプレーデッキの流量と蒸発器を流
れる総流量との比）がおよそ１０対１となるようにす
る。チューブが浸水されることなく蒸発器が有効に作動
可能であるので、そのようなシステムを充填するに必要
な冷媒の量は、満液状態で作動する蒸発器を有するシス
テムと比べると相当に減少される。しかしながら、再循
環システムの付加的費用、特にポンプは、冷媒の量を減
少させたことによるコスト削減の分を打ち消しかねな
い。
発システムにおいては、蒸発器内の液状冷媒のプールの
液位４８がチューブバンドル内の最下チューブの下にな
った状態ですべてのチューブがぬれた状態に保たれる。
バンドルのすべてのチューブが確実にぬれるようにする
には、再循環比率（スプレーデッキの流量と蒸発器を流
れる総流量との比）がおよそ１０対１となるようにす
る。チューブが浸水されることなく蒸発器が有効に作動
可能であるので、そのようなシステムを充填するに必要
な冷媒の量は、満液状態で作動する蒸発器を有するシス
テムと比べると相当に減少される。しかしながら、再循
環システムの付加的費用、特にポンプは、冷媒の量を減
少させたことによるコスト削減の分を打ち消しかねな
い。
【００１４】ポンプを必要とすることによる明らかな難
点として、費用の増加、低い信頼性、そして高い維持費
が挙げられる。それほど明らかではないが極めて重要な
ことは、付随的な電力消費量の増加、再循環ポンプを必
要とするチラーにおける正味資材利用（net materials
utilization）の悪化である。特に、流下液膜式蒸発器
において完全なぬれを確保するようポンプが用いられる
場合、付随的電力消費量は、チラーの電力消費量におけ
る約１％から２％の増加を引き起こし、これは今日の高
能率チラーの市場においては著しい増加と考えられ、ま
た地球温暖化の観点から確実な欠点である。
点として、費用の増加、低い信頼性、そして高い維持費
が挙げられる。それほど明らかではないが極めて重要な
ことは、付随的な電力消費量の増加、再循環ポンプを必
要とするチラーにおける正味資材利用（net materials
utilization）の悪化である。特に、流下液膜式蒸発器
において完全なぬれを確保するようポンプが用いられる
場合、付随的電力消費量は、チラーの電力消費量におけ
る約１％から２％の増加を引き起こし、これは今日の高
能率チラーの市場においては著しい増加と考えられ、ま
た地球温暖化の観点から確実な欠点である。
【００１５】本発明の目的は、一部が流下液膜方式で動
作し、一部が満液方式で動作する蒸発器を有するチラー
システムを提供することである。
作し、一部が満液方式で動作する蒸発器を有するチラー
システムを提供することである。
【００１６】本発明の別の目的は、再循環システムなし
で流下液膜式と満液式を結合させた蒸発器を作動させる
ことである。
で流下液膜式と満液式を結合させた蒸発器を作動させる
ことである。
【００１７】本発明のさらに別の目的は、満液式で動作
する第１の通路と流下液膜式で動作する第２の通路とを
有する二路式蒸発器を作動させることである。
する第１の通路と流下液膜式で動作する第２の通路とを
有する二路式蒸発器を作動させることである。
【００１８】本発明のさらに別の目的は、第１の通路内
の伝熱チューブはくぼみ形空胴タイプの伝熱チューブで
あり、第２の通路内の伝熱チューブはコンデンサタイプ
の伝熱チューブであるチラーシステム用二路式蒸発器を
提供することである。
の伝熱チューブはくぼみ形空胴タイプの伝熱チューブで
あり、第２の通路内の伝熱チューブはコンデンサタイプ
の伝熱チューブであるチラーシステム用二路式蒸発器を
提供することである。
【００１９】本発明のさらに別の目的は、満液方式で動
作する第１の通路と流下液膜式で動作する第２の通路と
を有する二路式蒸発器であり、両方の方式においてシン
グルチューブタイプが最適な熱伝達を行う二路式蒸発器
を提供することである。
作する第１の通路と流下液膜式で動作する第２の通路と
を有する二路式蒸発器であり、両方の方式においてシン
グルチューブタイプが最適な熱伝達を行う二路式蒸発器
を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】これらおよび他の本発明
の目的は、コンプレッサとコンデンサと膨張器と蒸発器
とを含む液体を冷却するための蒸気圧縮冷却システムに
より達成される。コンプレッサとコンデンサと膨張器と
蒸発器とは、直列に相互連結して冷媒が循環するための
冷媒フローの閉ループを形成している。システムの蒸発
器は、上端と、下端と、冷媒入口と、出口と、をそれぞ
れ有する外部シェルを含む。蒸発器はさらに、外部シェ
ルに収容された複数のほぼ水平な伝熱チューブを含む。
伝熱チューブの少なくとも一部はシェルの上端に隣接
し、チューブの少なくとも一部はシェルの下端に隣接す
る。チューブは、冷却される液体がこれらのチューブを
流れるように形成されている。
の目的は、コンプレッサとコンデンサと膨張器と蒸発器
とを含む液体を冷却するための蒸気圧縮冷却システムに
より達成される。コンプレッサとコンデンサと膨張器と
蒸発器とは、直列に相互連結して冷媒が循環するための
冷媒フローの閉ループを形成している。システムの蒸発
器は、上端と、下端と、冷媒入口と、出口と、をそれぞ
れ有する外部シェルを含む。蒸発器はさらに、外部シェ
ルに収容された複数のほぼ水平な伝熱チューブを含む。
伝熱チューブの少なくとも一部はシェルの上端に隣接
し、チューブの少なくとも一部はシェルの下端に隣接す
る。チューブは、冷却される液体がこれらのチューブを
流れるように形成されている。
【００２１】蒸発器はまた、冷媒入口を経由して外部シ
ェルを通過する冷媒を受け、外部シェルの上端に隣接し
て配される伝熱チューブに冷媒を分配する手段を含む。
冷却システムの冷媒フロー閉ループは、外部シェル内の
冷媒の液位が冷却システムの安定した状態の運転時に水
平チューブの少なくとも２５パーセントが液状冷媒に浸
るような液位に保持されるよう構成される。液状冷媒に
浸されていない水平チューブは、流下液膜伝達モードに
て作動する。そのような安定した運転の際、分配手段を
流れる冷媒の流量は、冷媒入口から冷媒出口に流れる冷
媒の総流量よりも多くはならない。
ェルを通過する冷媒を受け、外部シェルの上端に隣接し
て配される伝熱チューブに冷媒を分配する手段を含む。
冷却システムの冷媒フロー閉ループは、外部シェル内の
冷媒の液位が冷却システムの安定した状態の運転時に水
平チューブの少なくとも２５パーセントが液状冷媒に浸
るような液位に保持されるよう構成される。液状冷媒に
浸されていない水平チューブは、流下液膜伝達モードに
て作動する。そのような安定した運転の際、分配手段を
流れる冷媒の流量は、冷媒入口から冷媒出口に流れる冷
媒の総流量よりも多くはならない。
【００２２】好ましい実施例では、蒸発器は、冷却され
るべき液体が外部シェルを経由して２つの通路を形成す
るタイプのものである。第１の通路はシェルの下端に隣
接する水平伝熱チューブの第１のグループを経由し、第
２の通路は水平チューブの第２のグループを経由する。
るべき液体が外部シェルを経由して２つの通路を形成す
るタイプのものである。第１の通路はシェルの下端に隣
接する水平伝熱チューブの第１のグループを経由し、第
２の通路は水平チューブの第２のグループを経由する。
【００２３】本発明の他の目的および利点は、添付の図
面を用いて次の詳細な説明から明らかにされる。なお添
付の図面において同一または相当部材には、同一の符号
を付している。
面を用いて次の詳細な説明から明らかにされる。なお添
付の図面において同一または相当部材には、同一の符号
を付している。
【００２４】
【発明の実施の形態】図４は、本発明に係る流下液膜／
満液ハイブリッド蒸発器５０を組み入れたチラー１０を
概略的に示す。チラー１０は、冷媒がコンプレッサ１２
からコンデンサ１４、膨張装置１６、蒸発器５０を流
れ、その後コンプレッサ１２へ戻る標準の冷媒フローの
閉ループを採用する。
満液ハイブリッド蒸発器５０を組み入れたチラー１０を
概略的に示す。チラー１０は、冷媒がコンプレッサ１２
からコンデンサ１４、膨張装置１６、蒸発器５０を流
れ、その後コンプレッサ１２へ戻る標準の冷媒フローの
閉ループを採用する。
【００２５】蒸発器５０は、チューブバンドルにおける
複数の水平伝熱チューブ５４が貫通する外部シェル５２
を含む。さらに図５を参照すると、図示された実施例で
は、蒸発器は、水缶５６を一端に有し、入口部６０と出
口部６２とに分割する仕切り５８を有する二路式タイプ
の蒸発器である。入口部６０は入口６４と、出口部６２
は出口６６とにそれぞれ連通する。入口６４を経由して
入口部６０へ流入した水は、蒸発シェル５０の下端に隣
接する第１のチューブグループ６８を経由して反対側の
端部７０へ流れる。ここで水は方向を反転し、シェルの
上端に隣接する第２のチューブグループ７２を経由して
水缶５６の出口部６２へ戻り、ここで出口導管６６を経
由して水缶から排出される。周知の通り、所望に応じ
て、より多くの仕切りを用いていくつかの別個でかつ相
互に連結されたグループにチューブを分割することで、
シェル５２を通る水の通路を２つ以上得ることも可能で
ある。
複数の水平伝熱チューブ５４が貫通する外部シェル５２
を含む。さらに図５を参照すると、図示された実施例で
は、蒸発器は、水缶５６を一端に有し、入口部６０と出
口部６２とに分割する仕切り５８を有する二路式タイプ
の蒸発器である。入口部６０は入口６４と、出口部６２
は出口６６とにそれぞれ連通する。入口６４を経由して
入口部６０へ流入した水は、蒸発シェル５０の下端に隣
接する第１のチューブグループ６８を経由して反対側の
端部７０へ流れる。ここで水は方向を反転し、シェルの
上端に隣接する第２のチューブグループ７２を経由して
水缶５６の出口部６２へ戻り、ここで出口導管６６を経
由して水缶から排出される。周知の通り、所望に応じ
て、より多くの仕切りを用いていくつかの別個でかつ相
互に連結されたグループにチューブを分割することで、
シェル５２を通る水の通路を２つ以上得ることも可能で
ある。
【００２６】動作時において、冷媒は、主に液体状態で
冷媒入口７４を経由して蒸発器５０の外部シェル５２に
流入し、蒸気シェルからは主に気体状態で冷媒出口７６
を経由して流出する。
冷媒入口７４を経由して蒸発器５０の外部シェル５２に
流入し、蒸気シェルからは主に気体状態で冷媒出口７６
を経由して流出する。
【００２７】図４および図５の両方に示されるように、
入口導管７８を介して入口７４を経由して蒸発器に流入
した冷媒は、チューブ７２の第２のグループの最上位置
の上に横たわるように配された分配システム８０を通
る。分配システムは、一連のスプレーヘッドもしくはノ
ズル８２からなる。スプレーヘッドもしくはノズルは、
蒸発器シェルを通るすべての冷媒がチューブの最上部へ
適切に分配または吹き付けられるようにチューブの最上
位置の上に配される。
入口導管７８を介して入口７４を経由して蒸発器に流入
した冷媒は、チューブ７２の第２のグループの最上位置
の上に横たわるように配された分配システム８０を通
る。分配システムは、一連のスプレーヘッドもしくはノ
ズル８２からなる。スプレーヘッドもしくはノズルは、
蒸発器シェルを通るすべての冷媒がチューブの最上部へ
適切に分配または吹き付けられるようにチューブの最上
位置の上に配される。
【００２８】安定動作状態において、システム１０内の
冷媒の充填および冷媒フローの閉ループの全体設計で
は、外部シェル５２内の液状冷媒の液位５１がシェルの
下端近くの水平伝熱チューブの少なくとも２５パーセン
ト（％）が液状冷媒に浸されるような位置に保持される
ように設定される。
冷媒の充填および冷媒フローの閉ループの全体設計で
は、外部シェル５２内の液状冷媒の液位５１がシェルの
下端近くの水平伝熱チューブの少なくとも２５パーセン
ト（％）が液状冷媒に浸されるような位置に保持される
ように設定される。
【００２９】その結果、そのような安定動作状態時に
は、蒸発器５０は、満液熱伝達方式で作動する蒸発器の
下側部分に配されたチューブで動作する一方、液状冷媒
に浸されていないチューブは流下液膜式熱伝達方式で作
動する。
は、蒸発器５０は、満液熱伝達方式で作動する蒸発器の
下側部分に配されたチューブで動作する一方、液状冷媒
に浸されていないチューブは流下液膜式熱伝達方式で作
動する。
【００３０】高性能蒸発器では、すべてのチューブから
最適な熱伝達が行うためには、すべての伝熱チューブを
常に十分にぬらすことが非常に重要である。この結果を
達成するには、本発明による流下液膜／満液蒸発器は、
冷却システムの安定した動作時に２５パーセントから７
５パーセントの水平伝熱チューブが液状冷媒に浸された
状態で作動する。好ましい実施例では、システムは、冷
却システムの安定した状態において約５０パーセントの
伝熱チューブが液状冷媒に浸されるように設計される。
最適な熱伝達が行うためには、すべての伝熱チューブを
常に十分にぬらすことが非常に重要である。この結果を
達成するには、本発明による流下液膜／満液蒸発器は、
冷却システムの安定した動作時に２５パーセントから７
５パーセントの水平伝熱チューブが液状冷媒に浸された
状態で作動する。好ましい実施例では、システムは、冷
却システムの安定した状態において約５０パーセントの
伝熱チューブが液状冷媒に浸されるように設計される。
【００３１】ハイブリッド式蒸発器が下から上へ流れる
タイプの流路配置に関して示され記述されたが、これは
横から横へ流れるタイプの流路配置に適用しても良い。
そのような配置では、流入した熱水がチューブバンドル
の一方の側を流れ、比較的冷たい水がチューブバンドル
のもう一方の側を流れる。
タイプの流路配置に関して示され記述されたが、これは
横から横へ流れるタイプの流路配置に適用しても良い。
そのような配置では、流入した熱水がチューブバンドル
の一方の側を流れ、比較的冷たい水がチューブバンドル
のもう一方の側を流れる。
【００３２】本発明のさらに別の好ましい実施例では、
蒸発器５０は、冷却されるべき液体が外部シェル５２を
経由して２つの通路を形成する上述したようなタイプの
ものである。この実施例では、第１のまたは下方のチュ
ーブグループ６８は、くぼみ形空胴タイプの伝熱チュー
ブとして知られているもので、満液式蒸発器において高
性能を発揮するものとして周知である。このようなくぼ
み形空胴タイプのチューブの例として、ウォルベリン・
チューブ・カンパニー（Wolverine Tube Company）から
商業的に入手可能なターボＢ１−３が挙げられる。この
実施例において、第２のまたは上方のチューブグループ
７２は、コンデンサの用途に用いられるために一般的に
設計されたタイプのものであり、特に、ターボＣ１もし
くはＣ２の伝熱チューブとしてウォルベリン・チューブ
・カンパニーから商業的に入手可能な「スパイクタイプ
のコンデンサチューブ」タイプのものである。
蒸発器５０は、冷却されるべき液体が外部シェル５２を
経由して２つの通路を形成する上述したようなタイプの
ものである。この実施例では、第１のまたは下方のチュ
ーブグループ６８は、くぼみ形空胴タイプの伝熱チュー
ブとして知られているもので、満液式蒸発器において高
性能を発揮するものとして周知である。このようなくぼ
み形空胴タイプのチューブの例として、ウォルベリン・
チューブ・カンパニー（Wolverine Tube Company）から
商業的に入手可能なターボＢ１−３が挙げられる。この
実施例において、第２のまたは上方のチューブグループ
７２は、コンデンサの用途に用いられるために一般的に
設計されたタイプのものであり、特に、ターボＣ１もし
くはＣ２の伝熱チューブとしてウォルベリン・チューブ
・カンパニーから商業的に入手可能な「スパイクタイプ
のコンデンサチューブ」タイプのものである。
【００３３】上方および下方側において異なったタイプ
の伝熱チューブを用いることにより、蒸発器の満液セク
ションと流下液膜セクションの両方で高い熱伝達係数が
達成できる。しかしながら、最終的目標は、流下液膜蒸
発器セクションおよび満液蒸発器セクションの両方にお
いて熱伝達を最適化することである。チューブは異なっ
たものである必要はない。この目標は、両方の方式で最
適な熱伝達を提供できる単一のチューブで実現化され
る。
の伝熱チューブを用いることにより、蒸発器の満液セク
ションと流下液膜セクションの両方で高い熱伝達係数が
達成できる。しかしながら、最終的目標は、流下液膜蒸
発器セクションおよび満液蒸発器セクションの両方にお
いて熱伝達を最適化することである。チューブは異なっ
たものである必要はない。この目標は、両方の方式で最
適な熱伝達を提供できる単一のチューブで実現化され
る。
【００３４】以上説明した配置の利点は、下から上へ流
れるタイプの二路式蒸発器で使用される場合に特に有益
である。そのような利点を完全に理解するには、まず典
型的二路式蒸発器では、入口６４から流入する水の温度
は華氏約５４度であり、この水は第１の通路の終端７０
で華氏約４７から４８度に冷却され、出口６６で蒸発器
から流出する際にはさらに冷却され華氏約４４度まで冷
却されることを理解すべきである。したがって、チュー
ブを通過する水の温度は、下方もしくはプール沸騰セク
ションにおいて比較的高く、上方もしくは流下液膜熱伝
達セクションにおいては比較的低い。
れるタイプの二路式蒸発器で使用される場合に特に有益
である。そのような利点を完全に理解するには、まず典
型的二路式蒸発器では、入口６４から流入する水の温度
は華氏約５４度であり、この水は第１の通路の終端７０
で華氏約４７から４８度に冷却され、出口６６で蒸発器
から流出する際にはさらに冷却され華氏約４４度まで冷
却されることを理解すべきである。したがって、チュー
ブを通過する水の温度は、下方もしくはプール沸騰セク
ションにおいて比較的高く、上方もしくは流下液膜熱伝
達セクションにおいては比較的低い。
【００３５】このことを念頭において、本実施例の利点
は、次のように説明される。プール沸騰係数は、チュー
ブの壁の温度と冷媒の飽和温度との差異として定義され
る壁過熱（ΔＴWS）（wall super-heat）の平方にほぼ
比例する。逆に、流下液膜蒸発係数は壁過熱の四乗根に
ほぼ反比例する。このようにして、下から上の流路配置
を有する蒸発器の第１の通路では、壁過熱は比較的高
く、核沸騰係数が高くなる。しかしながら、満液式蒸発
器および同じタイプの伝熱チューブが第２のチューブに
あると仮定すると、チューブ側の流体が相対的に冷たく
なるに従って壁の過熱が小さくなる第２の通路において
は、核沸騰係数は３から４倍も減少するおそれがある。
は、次のように説明される。プール沸騰係数は、チュー
ブの壁の温度と冷媒の飽和温度との差異として定義され
る壁過熱（ΔＴWS）（wall super-heat）の平方にほぼ
比例する。逆に、流下液膜蒸発係数は壁過熱の四乗根に
ほぼ反比例する。このようにして、下から上の流路配置
を有する蒸発器の第１の通路では、壁過熱は比較的高
く、核沸騰係数が高くなる。しかしながら、満液式蒸発
器および同じタイプの伝熱チューブが第２のチューブに
あると仮定すると、チューブ側の流体が相対的に冷たく
なるに従って壁の過熱が小さくなる第２の通路において
は、核沸騰係数は３から４倍も減少するおそれがある。
【００３６】典型的な高能率チラーにおいては、水が熱
交換器に入る際の水の温度と冷媒の飽和温度との差は華
氏約１２度であり、水が熱交換器からでる際の差は華氏
１から２度ほどの小ささである。したがって、第２の通
路に入って温度差が小さくなると、流下液膜式の伝熱係
数はプール沸騰係数よりも高くなる。これは適切な伝熱
表面が本実施例において両方の通路に用いられている場
合に特に当てはまる。
交換器に入る際の水の温度と冷媒の飽和温度との差は華
氏約１２度であり、水が熱交換器からでる際の差は華氏
１から２度ほどの小ささである。したがって、第２の通
路に入って温度差が小さくなると、流下液膜式の伝熱係
数はプール沸騰係数よりも高くなる。これは適切な伝熱
表面が本実施例において両方の通路に用いられている場
合に特に当てはまる。
【００３７】これにより、本発明による熱交換器は冷媒
再循環ポンプなしで作動し、プール沸騰および流下液膜
蒸発方式の両方において高い伝熱係数が達成できその利
点が得られることが理解できる。
再循環ポンプなしで作動し、プール沸騰および流下液膜
蒸発方式の両方において高い伝熱係数が達成できその利
点が得られることが理解できる。
【００３８】以上、本発明を要約すると、本発明は、ハ
イブリッド流下液膜式蒸発器付きチラーに関し、具体的
には、液体を冷却するための蒸気圧縮冷却システムであ
って、シェルおよびチューブタイプの蒸発器内のチュー
ブ全体に液状冷媒を分配するためのスプレー分配器が備
えられている。蒸発器を通過する冷媒フローのループ内
の差圧がスプレー分配器を通る流れを作り出す単一の手
段である。蒸発器はハイブリッド流下液膜式熱交換器と
して、すなわち半満液状態で動作する。チューブバンド
ルの下の方のチューブを濡らすために、蒸発器シェルの
下方部分には液状冷媒が満たされる。上の方のチューブ
はスプレー分配器からの冷媒スプレーによってのみ濡ら
される。システムは安定した状態で作動され、よって蒸
発器内のチューブの少なくとも２５％が満液熱伝達方式
にて作動する。このシステムにより、システム内の冷媒
の充填量を減少することができ、同時に循環システムお
よびポンプを使用せずに済む。
イブリッド流下液膜式蒸発器付きチラーに関し、具体的
には、液体を冷却するための蒸気圧縮冷却システムであ
って、シェルおよびチューブタイプの蒸発器内のチュー
ブ全体に液状冷媒を分配するためのスプレー分配器が備
えられている。蒸発器を通過する冷媒フローのループ内
の差圧がスプレー分配器を通る流れを作り出す単一の手
段である。蒸発器はハイブリッド流下液膜式熱交換器と
して、すなわち半満液状態で動作する。チューブバンド
ルの下の方のチューブを濡らすために、蒸発器シェルの
下方部分には液状冷媒が満たされる。上の方のチューブ
はスプレー分配器からの冷媒スプレーによってのみ濡ら
される。システムは安定した状態で作動され、よって蒸
発器内のチューブの少なくとも２５％が満液熱伝達方式
にて作動する。このシステムにより、システム内の冷媒
の充填量を減少することができ、同時に循環システムお
よびポンプを使用せずに済む。
【図１】従来のチラーシステムの概略図である。
【図２】満液式蒸発器を有する従来のチラーシステムの
部分概略図である。
部分概略図である。
【図３】流下液膜式蒸発器を有する従来のチラーシステ
ムの部分概略図である。
ムの部分概略図である。
【図４】本発明による流下液膜／満液ハイブリッド蒸発
器を有するチラーシステムの概略図である。
器を有するチラーシステムの概略図である。
【図５】図４に示されたタイプの流下液膜／満液ハイブ
リッド蒸発器の簡略化した断面図である。
リッド蒸発器の簡略化した断面図である。
【符号の説明】 １０…チラー １２…コンプレッサ １４…コンデンサ １６…膨張装置 ５０…流下液膜／満液ハイブリッド蒸発器 ５２…外部シェル ５４…水平伝熱チューブ ５６…水缶 ６８…第１のチューブグループ ７４…冷媒入口 ７６…冷媒出口 ７８…入口導管 ８０…分配システム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドワード エイ．ヒュエニガー アメリカ合衆国，ニューヨーク，リヴァプ ール，アロウヘッド レーン 4015
Claims (7)
- 【請求項１】 コンプレッサと、コンデンサと、膨張器
と、蒸発器と、をそれぞれ有し、液体を冷却するための
蒸気圧縮冷却システムであって、これらコンプレッサと
コンデンサと膨張器と蒸発器とは直列に相互連結して冷
媒が循環するための冷媒フローの閉ループを形成してお
り、前記蒸発器は、 上端と下端とを有し、かつ、冷媒入口と冷媒出口とを備
える外部シェルを有し、 前記外部シェル内に収容された複数の実質的に水平な伝
熱チューブを有し、前記チューブの少なくとも一部は前
記シェルの上端と隣接し、前記チューブの少なくとも一
部は前記シェルの下端と隣接し、前記チューブは、冷却
される液体がそのチューブ内を流れるように形成されて
おり、 前記蒸発器は、前記冷媒入口を介して前記外部シェルに
流入する冷媒を受けて前記外部シェルの前記上端に隣接
して設けられた前記伝熱チューブ上に冷媒を分配する手
段を更に有し、 前記冷媒フローの閉ループは、前記冷却システムの安定
動作時に前記外部シェル内の液状冷媒の液位が前記水平
チューブの少なくとも２５％が液状冷媒に浸る液位に保
持されるよう設計されることを特徴とするシステム。 - 【請求項２】 前記冷媒フローの閉ループはさらに、前
記分配する手段を流れる冷媒の流量が前記冷媒入口から
前記冷媒出口へ流れる冷媒の全流量より大きくならない
ように設計されることを特徴とする請求項１のシステ
ム。 - 【請求項３】 液状冷媒に浸されていない前記水平チュ
ーブは、前記冷却システムの安定動作時に流下液膜伝熱
方式で作動することを特徴とする請求項１のシステム。 - 【請求項４】 前記冷却システムの安定動作時には、好
ましくは前記水平チューブの約５０％が液状冷媒に浸さ
れていることを特徴とする請求項１のシステム。 - 【請求項５】 前記シェルの上端に隣接する伝熱チュー
ブの前記部分は、コンデンサタイプの伝熱チューブであ
り、前記シェルの下端に隣接する伝熱チューブの前記部
分はくぼみ形空胴タイプの伝熱チューブであることを特
徴とする請求項３のシステム。 - 【請求項６】 前記シェルの上端に隣接する伝熱チュー
ブの前記部分および前記シェルの下端に隣接する伝熱チ
ューブの前記部分は同じタイプのチューブであることを
特徴とする請求項３のシステム。 - 【請求項７】 前記蒸発器は、前記冷却されるべき液体
が前記外部シェルを介して第１の通路と第２の通路の２
つの通路を形成し、前記シェルの前記下端に隣接する前
記水平伝熱チューブの第１のグループを通る第１の通路
では、前記液体が入口の温度から中間の温度へ温度が低
下し、チューブの前記第１のグループの上に配される前
記水平伝熱チューブの第２のグループを通る第２の通路
では、前記液体は前記中間温度から低い出口温度へ温度
が低下することを特徴とする請求項１のシステム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/752,341 US5839294A (en) | 1996-11-19 | 1996-11-19 | Chiller with hybrid falling film evaporator |
| US08/752341 | 1996-11-19 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10160282A true JPH10160282A (ja) | 1998-06-19 |
| JP3138438B2 JP3138438B2 (ja) | 2001-02-26 |
Family
ID=25025902
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09317905A Expired - Fee Related JP3138438B2 (ja) | 1996-11-19 | 1997-11-19 | 蒸気圧縮冷却システム |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5839294A (ja) |
| EP (1) | EP0843139B1 (ja) |
| JP (1) | JP3138438B2 (ja) |
| CN (1) | CN1153029C (ja) |
| DE (1) | DE69727768T2 (ja) |
| ES (1) | ES2212065T3 (ja) |
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