JPS5836601A - 多管式管外沸騰蒸発器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ケトルリボイラ等の多管式沸騰＃１発４の改
嵐に係９、譬に伝熱’ｔｓ中の伝熱性能の悪い部分に社
管内流体が流れない構造にすることにより＃斡負、加工
費、ランニングコスト等の低下を図ったものである。

第１−Ｋｉｔ来の多管式沸ｌｌｌ５発器の一例としての
ケトルリボイラの正断−図を示す。　図中（１）はシェ
ル、（２）は雷電で、シェル内に貯えられ走電外流体と
してのａｉ＊ｇ（３）内に水子′方向に配設されている
。　管巣を＠成する各伝熱管の配列は一律で、碁盤の目
状に９０°に一角配列されている。

フー７ガス、ＬＮＧ％ＬＩ’Ｇ、ＬＮ、ＬＯ等より成る
Ｓ発液はシェル下部の入口（４）から入り、管巣（２）
中の伝熱管相互の間の隙間を通って伝熱管内に強制的に
流される管内流体・と熱交換し、沸騰蒸発し先後、矢印
（２）で示す如く気泡となってｔ向（６）Ｋ向かう。　
蒸発し九悪気は、矢印（７）Ｋ示すように、リポイツ出
口（６）からシェル外へ４出され、随伴し九液−は気液
分離室（９）内において蒸気と分離し、矢印−に示す軌
跡を経てＩＩＬ向（６）に落下する。

蒸発液（３）内では譲宛液内の温度差によって矢印曲に
示す如龜対流による自然ｖＩｋｋｓｆＩＬが生じてお）
、この循環流が熱交換性能に大きく影曽する。　即ち循
環流量の増大は、限界熱減束を−め、且つ伝熱ａｌｌ（
熱伝達係数）の増大を招くものである。

ところでケトルリポイ２の如さ、水平管群における各伝
熱管ごとの局所熱伝達係数に関しては、従来その流動を
含む鏝繍形−１伝ｍ慎傳が複雑である等の理由からほと
んど研究されていなかった。　又謳発器の設計に尚りて
も、従来データからの鎮！＆は′ｌｔ評の設計−である
にもかかわらず、単管におけるグールｎ＃熱伝達から鯛
推するという手法を採っているため、管群におけるに４
Ｓ的な熱伝達係数の把′ｍ轡は不可能であり、最適設計
には至っていない。

本発明者は乙の点に注目し、多管式管外沸騰１発器にお
ける局所熱伝達係数を測定し九結果、第２図に示すよう
なコンＩ−−図を得た。　同図は熱伝達係数の最４悪い
領域の熱伝達係数を基準値ｔ　１．０として、これに対
する各伝熱管の局所熱伝達係数比を算出し、等局所熱伝
這係歇比ｌＩＡ図を形成しえもＯで６１０　この−図に
よれば、図の様に伝熱管−１儲、−をｉＩｉ、１１目状
に配置し、管巣全体としては円状と渣し九ｓｉｒには、
管巣の右下及び左下の領域（ｌｓａ）、（１３ｂ）が熱
伝達係数のｊＩｋ感の領域で、基準値１．０となり、曾
巣鐘上ＷｄＡｕ祷及び上部中心−上の部分（至）では、
その伝熱係数は蝋も低−領域（１３す、（１３１１）　
Ｏ４優にｔ、ｉ！していることがｗｌｈ・ こＯような分壽が生じる塙由は、繭記し九島始痕Ｏ循壜
薦による−のである。　即ち曾果下廊乃至は中央部でａ
発し友麺気が上昇し、又この無気の上昇によって液が随
伴して上昇すると、この上昇悪気等が管巣上部の管周囲
流体を乱し、この結果伝達性！＃！か上昇する。　しか
し循環流が少なく、＊に対する蒸気の比（乾き度Ｘ）が
大きくなると管０ｊｌＩｌｔ−漏気が機う九め、ドライ
アウトに近−もＯＫ＆ってしまい伝熱性能は急漱に低下
する。

領域（ＸＩす、（１３ｂ）では、このようなｉＡ象が生
じてｖｈる丸めに伝達係数の低下を餡いているものでこ
の領域にある伝−管は、はとんど鮎父僕に寄与していな
い。

本発明は畝上の点に鑑み、この伝熱性詫Ｏ悪い領域に社
管内流体を流さないようにしてランニンダプストの低下
、爽には材料費、加工費の低数を凶つ九蒸発器を提供す
るもので、そＯ貴Ｗとする拠は、シェル内に供給したＷ
ｋ発＠０液面下に多数の伝熱ｉｔを水平に配直し、伝熱
管内に債創的に線流させ、る管内流体と、対流によって
自然値域するｍ発液との閣で熱交！！ｋを行い１発数を
峰締蟲弛名せる多管式管外５ｅａｓ器において、’ＩＦ
米内に型内流体が流れない領域を設けた如き叢成にある
。

続いて第３図以下の添付図面を参照して、本発−を具体
化した実施例につきｌ＆！！明し、七〇＊論的解析に及
ぶ。　第３図はケシ・ル・リポ鳴うシに用いる伝熱管の
管巣の一例を示したもＤで、各伝熱管−１＋ＬＩＪ、＝
は黒丸で示されている。　こＯｖ果（２）では、中心点
（至）の右下の領域（ｌ九）と左下の領域（１詐）に伝
熱係数の蝦も低い部分が現れるため、その部分の伝熱管
ｔ−除去したものである。　従って上紀畠ｒｈｏ領域（
ｌＪｌａ／　）、（１３ｖ）テｒｉ％丙流体が渥れ龜−
ことになる。　ζＯような部分では、伝熱管を取付は為
九１１ｂＫ稠籠に明けた取付穴を電極で晴轟しくもよく
、叉紘じめからζＯｓ分の取付穴細工を省略してもよ−
。

ｇｓｉｉｇ示した儒’ｅｔｉ食ｆＲｍ管４９’Ｆ　本ｄ
ｆａ（１）　５３１本１１ＩＬ１＠鴫唱れて−るが、こ
れａ−のように伝熱管を１６０−１１Ｉ角Ｉ！列し九６
拳Ｏ管巣Ｏ場会には臀に遍し九もＯｆ、管１に＠＃状、
＠熱管Ｏ配列島合等にようては、管ｌｓａ体を訛名な一
領域か１ケ所又は番ｔＷＩＫ上に亀み場合も考えられる
０本＊＊嬢ｃｏように伝熱管の一部を除去する等にＸ）
管檗内に管内流体Ｏ＃ｌれない領域を作ってｔ１貴−〇
伝ｌ＆は麦わらないか又は若干増大する点に着園し丸も
ｏ′ｅｈｈが、そ０１１自は前記した細く、ｊＩ！＊＊
ｏ＊＊ｉｉｏ挙論によりもＯで、譲３■Ｅｌｌす馬Ｉｌ
亀伝達係龜Ｏ濁電艙果と菖４図に示すｌＬｌ／ｈ鳴デル
とを義會破ることによ）、本発明者にＩＩＰ−て−勤畜
れ九％０であ為・ 次ｗＩｈ嬉６−に示し丸滝体篭デルを用いて本発明の解
析を行う。　ＪＩ４図において、歯は蒸発されるべ龜蒸
発液単相部で、（至）社液とｊｌ燻とが温布する二相状
１部である。　ｅＯ篭デルを第Ａ１１Ｋ示すケトにリポ
イツに通用すると、Ｑ１０１ｌＥ単搦部は、シェル最下
部から筐ｉｉｉ　ｔａ＞　ｔでを示し、管＊ｔ２ＦＯ外
側の能率１１１１に＠蟻する〇　二、１ｍｍ状部帽り第
１図０１１系内部に相当し、管巣内薄では二相流となっ
て−る・　減率＠ｅａｓでは流速が遥％／＆丸め圧力損
失は無視できるが、二棒流部−では朧偶できず、この圧
力損失Ｏ大小がＩＩＩ場流量を制御する。　七〇丸めこ
のモデルでは、υ字管Ｏ二相＃Ｌ藻に抵抗（至）を設け
ている。

圧力パラｙＸＫりいては、菖１図からも判る橡に％波単
＊＊＠及び気液二相部（至）共に液面（６）て＾過と象
る為、第４１１０各々ＯＩＩ口部−及び−は岡ｃＥ力と
なってｉる。　叉ｇ４ｍＫ示すυ字管Ｏ最下ＩＩｌ＠で
も圧力は釣ｐ合って＞）、筐単相ｍｌＯ圧力、ｙａ’ｂ
ｍ−ｗｔｏ圧力をΔへ３．とすると、筺単横＊ＯｊＥ損
は無視でき、ΔＦ、紘液のもつ水属Ｏみとな〉、ムＰｚ
−ｐ　”　Ｍ　　で表わされる。　ζこに、−はＩＩＯ
比重量であｌ　Ｈ＃ｉ第１図におけるシエ＃（１）　ｏ
最下部からＩＫ爾幡１までＯ高さで場る。　次に二＠鷹
部（至）の圧力、即ち（社）〜ＣＯＯ圧力をΔＰｔｐと
すると、Δ？ｔ、線二相Ｒ勘による圧力損失Δへ。

と畝単植で述べた水ｆＲに轟る二相流Ｏ水屓ΔＰ、の両
方かｂｌにりてｖｓｈｏ　　即ち ＾１！ｔ、■Δ鳴＋デ；−−−−−−−−（Ｉ）瀘単＄
１０ｊＥ力轟を工と＝４１１部Ｏ圧力ΔＰｔ、は（２）
部で釣）会ってｉる為、ΔＦｌ＝Δ’ｔｐ　！−＊　４
゜二４１ａ馳による圧力損失Δへ、　は管群に直交しｃ
ｊｌｌｔｌる二側ａＯ圧力損失と考えられ、局所におけ
る二＠流圧力損失式線一般に Δへ、　−Ａ’ｌ＊°（ｌ＋（φＬす°キ））−−−−
−・・・・（１）で表わされる。　ここにΔ’ｌＯａ液
単相で管群を横Ｗる鳩舎Ｏ圧力損失で、φは物性パラメ
ータ、増はＩ！龜度ＸＯ脚数である。

て真わされ、ｆは摩Ｉｍ係数、Ｎは流れが当る管Ｏ本数
、感紘重カ一連直、−１は猷の比重量、μは液Ｏ温ＩＩ
ＬＫｓＰける粘性係数、μｍは管壁温度における液の粘
性係数であ〉、Ｇが循場流の重量４遮、例えｉＪ　（Ｉ
Ｌ＠Ａｎ”−拳６〕の単位をもつもＯである・次に二相
流−ＩＩＯ局所における水頭ΔＰ、は４　Ｐ、ｗ−ｍ　
ｐｔ、　　＠　１１　　　　　　−−・、、、　　（ｇ
）で表わ１れる。　ζこＫ　＃＠ｐは二ｓｍｏａ合平均
四度で参る・　上記ＯＡｒ、、及びΔｔ、は場所におけ
る圧力損失であって、管巣ＣＷＫおける全圧力損失Δｔ
　を求めるｖｃｓｇｔｏ＾へ１、Δデ、を砿龜直ｐ 幕で積分し、Δξ１、Ａ４　を算出する必ｌ１ｌ−ＩＩ
Ｋ参る。

次に＠伝達係数ｈＫ−して紘、一般的にｋ　、ｈｔａ　
４　ｋ工て表わされ、ｈｆ（Ｉは曽１１１１ｔＬＫよる
強制対流熱伝達係数であｊｌ　、ｈｐ）はプール沸騰熱
伝達係数である。　局所ｏｈ　　をｋｆａ試するとｆ・ ｈｔＩｘ−ｋｌｌｌ　ｆ（わ で真わ１れ、ｈ工は波単相の場合Ｏ管群にお妙る鵬伝達
係数であ！１ｓ　ｔ（ｘ）は乾龜度３ＥＯＩＩ歇で番り
て、ネに関しての増加開数である。　次に畝単相Ｏ＠−
係数ｈ工＆ｉ鳳・ｒｌによ） ルズ龜ｂＯ真倣で番倉、凰・敏Ｅｌｌて増加関数でｈｈ
・　λ％Ｃｐ％１　は各々筐の物ａｍで、熱伝導直、比
−１粘性係数でｈ）、胸は管の相当直員″ｅ６る。　以
上よ）馬ＷＩ熱伝達係〜。、は遊の増加、Ｘ紘＠場薦量
９６増−によ）増加することがｌｌｈ・　よりて管Ｓに
おける管外熱伝這係航紘、穂亀ｌＥ曇盈ｖＩｌｌｌａ量
によ）ＩＩ響を受妙るものでｈｈことが履ｓｓれ毒。　
但し上記ブール鐸磨ＩＩｋ伝達係数１１は、譲Ｏ鵬的物
性龍、槍過物性、圧力、―直の関数で、Ｉ！１１置、循
１１＃ｌ量によらな一値″ｅ番為・ 今、本――Ｏ＠拠を−単に、しかも明確にする丸め、次
０＊＊を設は為。　第２園からも判るようにｓ　ｑＪＩ
ＩｆＯ下亭分はＩｌ鶴性能が墨（、頗弛量％番ｔ）多（
ｔｈｅ　　よって第３図において１，０′ｅ示しえｓｉ
＊ａｔ−ｅｓ鵞れえ領域（ｌｓａ’）、（１３ｂ’）Ｏ
＊ａＶ洋をＩｋ＊シても、局所的乾き度の変化は多重）
傘−とする。　嬉Ｓ図唸このような伝熱管の配列を示し
ている。

先に述べた如く、圧カパッンスはΔ−■ΔＰｔ。

であ〉、（Ｉ）〜（ｆｆ）　　　をまとめて表わせばＣ
，ム、Ｇ’Ｎ、ｆｌ（ｘ）　＋　ｉｓｆ、（ｆｉ　　、
、、、０．、、、　（１）となる。　ζζでム、Ｂ％Ｃ
は物性値及び波高さＨに関するものであ〉、−橡に配列
された管巣と、一部の管群を削除した管巣での比較の場
合、岡−〇値をもつ一部である。　叉管外ｌＩｋ伝達係
数りは、麹記Ｏ過）循堀ｍ、量Ｇ又は乾き直重０増−と
共に増大する。　今ｓ　１ｌｔｓｔｔａに示すよう軽一
様管配列の場合と、ｇｓ−に示す嫌な一部の管群を削ｉ
しえ管配列で、蒸発器全体としての熱伝達量が同橿度で
あると仮定すると、管巣でＯＩＥ龜度Ｘはは埋同じと′
＆〉、両者の熱伝達係数０差はＩＩ＠量ａＫよる影響の
みとなる。　　（［）弐において、−場景を増加させる
には、循環流が轟る管本数を減少１せる事で町繍とカ〉
、削除する管群は１．嬉１図で示す熱伝達係数が最も低
い所が最も効果的である。

こＯ効果を具体的に示すと、第８図において■管本数は
４９１本、基準伝熱係数に対する局所の熱伝達係数比の
コンタ−繍で囲まれる曾本畝は、０〜ｌ、Ｏが６１本、
１．０〜１．６　カ６３本、１．５〜２．０が１６０本
、怠、Ｏ〜１１．６　＄　１５’Ｆ　本、２．５〜３．
０　カ２２本、ｓ、ｏ　４１ｗ　３．５　カａｓ　本、
３．５〜４．０　カ３Ｙ本、４．０〜番、Ｓが参事とな
っている。　今、このＪ１発器の伝熱量算定の鍼安とし
て、＠−島係教比と１本数を乗じえもｏｌｊ＠ｈ％伝鵬
係数比としてはその平均−（例えばｘ、ｏ〜３．６の場
合は２．２５　）　−ｊ（採用すると、嚢体で１０５８
．５となる。　−万一３−示の璽配列の場合ては、總管
本畝は４４５本と１に夕、傭虐訛量ＧＯＪＩＩＪＩは、
多電（見積っても　（厘）式から盾七″ｌ・０５２とｔ
ｋ）％約６．１−の増大となる。

又欅）弐に示し九Ｊ７アクターである。ｈ４は一般一に
ＩＩＪ倣Ｑ０．６１４乗に比例する為、伝熱係数の上昇
は（１，０！’Ｆ）’・６’　ｓ＋＋＝　１．０３’Ｆ
となシ、伝熱係数が３．グ優増大する事Ｋする。　この
伝熱体ａｍの上昇率を嬉ＲｍＫＮｉｋしている各局所伝
道係数−遍用し、且つ−違Ｏ如くｆＣ熱係数比と管本数
を乗じ、千の和を求めると１０６５．５となる。

このように一様管配列の場合の管本数４９γ本から５２
本を削除し、４４５本にした一合、伝熱面積としてはｌ
ｏ、５＊ｏ減少であるにもかかわらず、唸伝熱量では１
０５８．５から１０６５．５と増大し、Ｏ，フチの増大
率を得る。

又この結果よシ、本試針算を行うに当って仮定した一様
管配列の場合と、管列の一部を削除した場合の乾き度ｉ
がｔｌｏぼ同じであるという事象は、上記の如く全体の
伝熱性能がほぼ同じでめることから満足していると百え
る。　以上の鍼計算ではｆ巣閾における下部左右の伝熱
性能の患い＃群に着目し友ものである。　これは最も効
果的に１Ａ黒性能を増大させるものであるが、管外蒸発
を行う熱交電器の性能は前述の如くいかに循環流を多く
するかＫよるもので、管群の削除箇所は２ケ所に限る必
要はなく、１ケ所又は３ケ所以上でもよい。

本発明は以上述べた如く、シェル内に供給し九蒸発液の
液面下５に多数の伝熱管を水子に配置し、伝熱管内に強
制的に環流させる管内流体を、対流によって自然循環す
る蒸発液との間で熱交換を行い蒸発液を沸＃蒸発させる
多管式管外沸騰蒸発器において、管巣内に管内流体が流
れなめ領域を設けえ多管式管外ｓ＃蒸発器であるから、
例えば上記実施例に示し九ように一部の管群を８Ｉｌ家
することにより管内流体が流れない領域を形成した場合
伝＃ｂ−積として１０−根度減少爆せても、族Ａ４全体
としては、その伝熱ａ能が減少しないのみならず、逆に
０．マチの体熱性詑０ＩＩＩ！１大となると共に、管群
の節約によシ、管材料の１０　％程度の減少や−ＩＩＯ
加工、電の組付は工数の１カ化が期位できる。

又−藝の″＃＃ｔ″制鍬したものが、一体・Ｉｉ配夕Ｕ
の場合と同じ伝熱性能で嵐いならば、宮内ｔはす流体Ｏ
＃ｌ量も例えばｌＯ饅Ｉ：ｉ度の減少となる。　これは
管内伝熱係数が管外熱伝達係数よりも＾い一合でるり、
伝熱性能が管外で規制されている場合に適用で龜る。　
従ってケトルリボイラの如く管外流体を自然対流を利用
して循環させている場合、ａ発器の？ン二／グコストは
、曾゛内流体をＪｎ＆させる一力費のみとな夛、管内流
体の減少によりランエｙダコストが低下する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のケトルリボイラの航路圧断囲図、第２図
は、従来のケトルリボイラのＶ東における等伝熱係数比
によるコノター蔵図、絽３凶に本発明の一実施例に泳る
蒸発器に用いる伝熱雪解の警乗から見たｆ！ｆｒｔｌａ
図、第４図は、多雷式官外沸騰蒸発益の流体モデルを示
す模式図でるる。 （符号の説明） １・・・シェル、２！・・・Ｗ巣、　３・・・ＪＩＡ元
献。 ６−・−３％ｋｄｊｉｓ　　１２−・・伝Ａ６　ｉｔ　
ｐ　　１３ａ’、１３ｋｙ’−１１１ｉ内流体の流れな
い領域。 ％　許　出　−人　　　株式会社神戸製１１１１７六代
通人　　　弁理士　　　本　庄　武　男第１図 第３図 １３ｂ　　　・　　。 °　　　１３ａ　　　°　。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シェル（１）内に供給し九蒸発畝（３）の畝面−６
   １下に多数の伝熱管−からなる管巣（２１を水平に配−
   し、伝熱管内に強制的に環流させる管内流体と、対流に
   よって目然儂慮する４軸畝との間で熱父換を行い謔晃猷
   を一８１志始させる多電式管外−ＪＩＪＩＫ発器におい
   て、管系（ｄ内に管内流体が鬼れない領域を設けたこと
   を物像とする多電式實外沸ＩＩＩ蒸発器。 ２、管内流体の流れない領域が、管巣下方の左右部分（
   １３ａへ　（１３１）’）に配置されている特許請求の
   範囲第１項に記載の多管式管外沸騰蒸発器。 ３、管内流体の流れない領域が、その部分の伝熱管を除
   去することにより構成されている特１ｆＲ求Ｏ範囲第１
   項若しくは第２項に記載の多管式％式％