JPS59100397A - 熱伝達法 - 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、１連の蒸気導管内で蒸気が凝縮し、その際に
これ等の蒸気導管の外面に接触する流体に熱を伝えるよ
うな熱伝達法に関する。

流体が並列に流通する管配列内で凝縮する流体から、こ
れ等の管の外部に接触する流体に熱を伝達する熱交換器
では、最高の熱効率が得られるようにするのに、各管内
への蒸気の流れを注意深くつり合わせなければならない
ことはよく知られている。各態別の管の要求する熱流束
は、たとえば管長の違い、又は、流れ模様や容管の外部
の流体内の温度分布の違い、或はこれ等の両方によって
変動を伴なう。各管内の蒸気の流れに伴なう不良の分布
を補正する種種の提案として、（イ）長さを一層短くす
ることによって一層低い熱流束を維持し、又は（ロ）管
外部の流体を一層暖がくし、一層遅い速度で流れるよう
（（シ、或は（ハ）その池の方法で一層低い熱流束を要
求することを予測して管内の蒸気の流量を制限するよう
にした選定した管内の絞り部材を含む提案が従来行われ
ている。又英国特許第１，２６６．２５４号明細書には
、全部の管への蒸気の流れを制限するインチューブ形凝
縮器（１ｎ−ｔｕｂｅｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）について記
載しである。この特許明細書により明らかなように容管
への蒸気の不良な分布は、管の長さが変化することによ
って、又は外部流体流れ模様が温度分布に関して不均等
であることによって、生じ、又容管はこの不均等により
予期される不つりあいを補正するのに種種の程度に絞り
を行なう。

しかし多くの例では容管がすべて同様であり又容管の外
部の温度分布が同様である場合には、このような流れ絞
り部材が流通する蒸気の流れを不必要に妨げると考えら
れるから、容管に流れ絞り部材を設ける理由は、認めら
れない。すなわちかま形リボイラ（ｋｅｔｔｌｅ　ｒｅ
ｂｏｊ、ｌｅｒ　）では、水蒸気のような蒸気は、これ
が蒸気導管を経て並列に流れる際に凝縮し、各蒸気導管
を浸す液体に熱を伝える。このようにして液体がＩ！１
１１騰する。がま形リボイラは、過熱してはならない液
体の蒸留に化学工業で広く使われている。とくにこれ等
のリボイラは石油化学工業に使用される。

各蒸気４伐−がすべて互いに同し長さ及び横断面積を持
つがま形リボイラの場合には、従来は蒸気流れの不良な
分布の起ることは予知されていない。

これ等の蒸気導管はずべて使用中は沸騰液体中に浸って
おり、従って各蒸気導管の外部温度は全部の個所で同じ
である。同様に蒸気導管の外部で不均等な流れ条件から
生ずる変化は予知できない。

各蒸気導管が互いに同じ長さ及び横断面積を持つ場合に
は、管摩擦の変化することにより生ずる不良な分布は考
えられない。

しかし実際上かま形リボイラの熱伝達性能は、設計上の
予測にはるかに達しないことが多いことが分っている。

これは若干の蒸気導管の外部の液体に起るドライアラ）
　（ｄｒｙｏｕｔ）すなわち膜沸騰に誤って帰因させる
ことが多い。この場合これ等の蒸気導管に対して熱伝達
が著しく低下するようになる。この問題を避ける唯一の
手段は、全水蒸気流量を減らし、従って膜沸騰がどの蒸
気導管にももはや起らなくなる状態まで、各蒸気導管を
経て伝わる熱流束を減らすことであると考えられている
。この場合リボイラはその設計熱伝達容量以下で作動す
る。

別の例として本発明は叉、並列に流通する１連の蒸気導
管内で凝縮する蒸気が、これ等の蒸気導管の外面に沿い
縦方向に流れる流体に熱を伝える管形熱交換器内の熱伝
達法に関する。流体及び蒸気は最も普通の場合に向流状
態で流れる。この構造においては、胴内のじゃま板によ
り流体は胴を横切って前後に流れるが、この流体の全般
的な進行は各蒸気導管に沿い縦方向になるのが普通であ
る。これ等の管形熱交換器においてはすべて、各蒸気導
管が互いに同じ長さ及び横断面積を持つ場合に蒸気の不
良な分布の考えられる理由はない。

各蒸気導管は蒸気流の径路に同じ絞りを加える。

又各蒸気導管は互いに同じ外部横様の熱分布及び外部流
体流れを生ずる。従ってかま形リボイラ梶関しては、蒸
気導管が同じ熱負荷を維持し、従って同し量の蒸気を凝
縮するような状態になっている。これは各蒸気導管間に
蒸気の不良な分布を招くような状態とは見なされない。

しかしこのようなインチューブ形凝縮器はその設計熱伝
達容量以下で十分に作動することが実際上側められるこ
とが多い。調査によりその理Ｆ勺は若干の蒸気導管が低
湿の状態で作用するからであることが分った。このこと
は、本発明者が不良な分布によると認める≠、のである
。この不良な分布により、若干の蒸気導管を通過１２出
口管寄せを経て間違った端部から他の蒸気導管にふたた
び入る蒸気を生ずる。このようにして非凝縮性ガスは、
これ等へ他の蒸気導管内に徐徐に集まり、徐徐に蒸気が
このようにして塞がれた蒸気導管には達しないようにな
る。

しかしこのように説明できるカベこの不良な分布を説明
する理由は従来は見出されなかった。従来は可能な対策
は提案されていない。採用された１つの解決法は、全部
の蒸気導管がその全長にわたって熱い状態を保ち続ける
まで蒸気流を弔に増すだけである。従って全部の蒸気導
管を過剰な蒸気が通過する。これはむだなことであり、
又は下流側凝縮器を設は複雑になる。

本発明は、とくに各蒸気導管の間の蒸気流分布の不つり
あいを予測するその理由が予知されてない場合に、凝縮
する蒸気が並列に流通する各蒸気導管を備えた熱交換器
に使う新規な熱伝達法を提供しようとするにある。

従って本発明は、（イ）相互に類似しており、それぞれ
外部流体のほぼ同じ速度及び温度分布を受け、互いに並
列に連結した複数本の管の内部を通過して比較的高温の
凝縮可能な蒸気を流通させ、（ロ）比較的低温の流体に
各管壁を経て前記蒸気から熱を伝達し、このようにして
蒸気が前記各管内で凝縮するように、前記容管の外部に
前記比較的低温の流体を接触さぜることがら成る熱伝達
法において、前記容管に流体流れ絞り部材を設けること
を特徴とする熱伝達法にある。

このようにして各蒸気導管から出る流体の蒸気乾き度（
ｑｕａｌｉｔｙ　）が互いにほぼ同し値を持つ、蒸気導
管流通流体のつりあい流れが得られる。

この構造（ｉ、各蒸気導管から出る流体の蒸気乾き度が
零になるようにするのがよい。「蒸気乾き度」という用
語はこの場合、比ｍｖ／ｍｔとして定義する。この式で
ｍｖは流体中の蒸気の質量流量であり、ｍｔ　は液体及
び蒸気から成る全流体の質量流量である。すなわち蒸気
乾き度１は蒸気だりから成る流体を表わすが、蒸気乾き
変容は液体だけの流体を表わす。

本発明者は研究の結果、所望のつりあった流れ条件を得
るとくに有効な方法は、各蒸気導管に流体流れ絞り１部
材を設けることであることが分った。

すなわち本発明は主として、インチューブ凝縮熱交換器
の性能が蒸気の不良な分布の明らかな原因があるかどう
かに関係なく、各蒸気導管に流体流れ絞り部材を設ける
ことにより向上するという意外な発見にある。

すなわち本発明は、各蒸気導管がすべてその中の同じ条
件の流体流れのもとて同じ流れ抵抗を生ずるような場合
に応用できる。そしてこの構造は、各蒸気導管が同し長
さを持ち、外部流体の同し流れ条件及び温度を受けるよ
うに形成されている。

本発明を何等限定しなければ次のような説明が考えられ
る。蒸気がその蒸気導管に沿い流れる際に凝縮するとき
は、流れの減速により生ずるリカバリーによって摩擦圧
力損失が相殺されるから、蒸気導管に沿う圧力降下は実
際上極めてわずかである。従って管束すなわち管巣内の
蒸気の分布は、この管巣の上流側又は下流側の圧力のわ
ずかな変動に極めて感しやすい。すなわち上流側の管機
溝から又は各蒸気導管に対する入口管寄せ内の蒸気運動
学的ヘッドの変動から生ずる圧力のわずかな変動によっ
て、互いに異る蒸気導管間で流量にかなりの差を生しさ
せることができる。各蒸気導管内の流体流れに穏やかな
絞りを設けることによっても、蒸気導管内の全圧力降下
は著しく増加する。

本発明の成功はおそらく、蒸気の流れ分布がこのように
して不ｉｉＪ避的に存在するわずかな変動に対しあまり
感しなくなることから得られるものと考えられろ。

この場合各流れ絞り部材はそれぞれ流体流れに対し同し
横断面積を持つのが有利である。

各流れ絞り部材は取りはずし自在のインサートの形にす
るのが極めて便利である。

各流れ絞り部材は、各蒸気導管の入口に１個ずつ位置さ
せるのが通常最も有利である。各流れ絞り部材の設計は
、これ等の流れ絞り部材が蒸気だけを導くようにすれば
よいから簡単になる。

以下本発明熱伝達法の実施例を添付図面について詳細に
説明する。

第１図に示すようＫかま形リボイラ（ｋｅｔｔｌθｒ　
ｅ　ｂ　ｏ　ｉ　］−ｏｒ）は、沸騰さゼようとする液
体を入れる容器２内に蒸気導管１の配列を備えている。

単一列の蒸気導管１を図面の平面で示しである。しかし
このがま形リボイラはたとえば互に平行な面内に複数の
このような列を備えている。各蒸気導管１はすべて／Ｅ
いに同じ長さ及び横断面積を備えている。各蒸気導管１
には人［１４を持つ共通の入り管寄せ３を経て蒸気を供
給することができる。各蒸気導管１から出ろ流体は、出
口管寄せ５内に集められ、出［Ｊ６を経て流れることが
できる。容器２には、液体用の人［］７と、蒸気空間９
内に先ず集まる蒸気用の出口８とを役目である。

各蒸気導管１０入口端部には、取りはずし自在なインサ
ートの形の流れ絞り部ｔＡ１０を設けである。

使用に当たっては蒸発させようとする液体は、その中に
全部の蒸気導管１を浸った状態に保つように適当な割合
で容器２に入［」７を介して供給する。蒸気は、各蒸気
導管１を経て並列に流れるように入口４及び出口管寄せ
５を介して供給される。

蒸気は各管壁を経て液体に熱を伝え、液体が容器２内で
沸騰し、蒸気は各蒸気導管１内で凝縮する。

実際王者蒸気導管１０入口に流れ絞り部材１０が存在す
ることにより、各蒸気導管１を通る蒸気の流れがほぼ同
じであることが分る。すなわち蒸気導管１の下流側端部
から出る流体は、はぼ全部が凝縮物から成り（蒸気乾き
度約零）、すなわち各蒸気導管１の下流側端部からは蒸
気がほとんど又は全く出なくて、蒸気は実際王者蒸気導
管１の全長に沿って凝縮し、沸騰液体への熱伝達が最高
になる。所定のかま形リボイラの熱伝達割合はこのよう
にして、流れ絞り部材１０を設けることによって実際上
著しく向上できることが分る。

流れ絞り部材１０は、容易に取りはずされ各蒸気導管１
を清掃１〜逐次に容易に交換することができる。

第６図には胴１２内に蒸気導管１１の配列を備えたじゃ
ま板利き管形熱交換器を示しである。図１ｎｉの平面に
屯−列の蒸気導管１１を示しであるが、この管形熱交換
器は、複数のこのような列を互いに平行な平向に備える
ことができる。各蒸気導管１１は、互いに同じ長さ及び
横断面積を持つ。各蒸気導管１１は、入口１４を持つ人
［１管寄せ１３から出１」１６を持つ出口管寄せ１５に
蒸気が並列に流通することのできる若干の流路を形成す
る。

蒸気導管１１は、すべて互いに同じ長さ及び横断面積を
持つ。各蒸気導管１１は、その入口に第２図に示したよ
うな取りはずし自在の流れ絞り部材１０を設けである。

胴１２には、入「１１７及び出口１８を設けである。胴
１２の縦方向に互いに間隔を置いてその頂部及び底部か
ら交互に若干のしゃま板２０が延びている。各しやま板
２０は、胴１２を横切って部分的に延びるだけで、入口
及び出口の間に、各蒸気導管１１の長手に沿い全般的方
向が縦方向の曲がりくねった流路を形成する。

使用に当たり加熱しようとする低温液体が胴１２に人］
」１７を介して入り、出［１１８を介して出る。水蒸気
のような蒸気は、各蒸気導管１１に沿い互いに平行な径
路で胴１２内の液体に対し向流式に流れるように、流れ
絞り部材１０を通って入口１４及び出口管寄せ１５を経
て流れる。蒸気が各蒸気導管に沿って流れる際に、蒸気
は胴内の冷たい方の液体に熱を伝える。液体は胴１２を
横切って前後に流れるがその全体的進行は、各蒸気導管
１１に沿い縦方向である。従って各蒸気導管１１は速度
及び温度の分布を含むほぼ同し外部流れ条件を受ける。

実際上流れ絞り部材１０のない場合には、熱交換器は蒸
気が過剰な状ｒルで又は若干の管部分が冷たい状態でし
か作動できないことが分っている。

とちらの場合にも実際」二組られる熱伝達割合は理論的
に得られるより実質的に低い。

しかし流れ絞り部材１ｏを各蒸気導管の適当な位置に取
り付けるときは、各蒸気導管を通る蒸気の流量は実際上
向しになり、流体は各蒸気導管の全長に沿って凝縮し、
各蒸気導管の下流側端部がら出る流体は、はぼ全部が約
１の蒸気乾き度を持つ凝縮液であることが分る。すなわ
ち各蒸気導管に流れ絞り部材１０を設けることにより得
られるつりあった流れ条件により、熱伝達性能は著しく
増加１゛る。

以上本発明をその実施例について詳細に説明１〜だが本
発明はなおその精神を逸脱しないで種種の変化変型を行
うことができるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明熱伝達法の実施に使うかま形リボイラの
線図的縦断面図、第２図は第１図のリボイラの蒸気導管
の入口端部に位置させた流れ絞り部利を示す拡大軸断面
図、第６図は本発明熱伝達法の実施に使うじゃま板伺き
管形熱交換器の線図的縦断面図である。 １・・・蒸気導管、４・・人Ｌ］、６・・・出口、７　
・液体入［１，８・・蒸気量］］、１０・流れ絞り部材
。 図面の浄書（内容に変更なし） 手　続　補　正　書（方式） 昭和５８年１２月８０ 特許庁　　　長　　官　　　殿 １４事件の表示　　　　昭和５８年特許願第２０６０９
２号３　補正をする者　事件との関係　　　特許出願人
イ　　　　ギ　　　　リ　　　　ス　　　　国４　代　
理　人　　東京都港区赤坂１丁目１番１４号・溜池東急
ビル５　補正命令の日付　　　　　　自　　　　発７　
補正の対象　　　　　　図　面（浄書・内容に変更なし
）８、補正の内容　　　　別紙のとおり

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）（イ）相互に類似しており、それぞれ外部流体の
   ほぼ同じ速度及び温度分布を受け、互いに並列に連結し
   た複数本の管の内部を通過して比較的高温の凝縮可能な
   蒸気を流通させ、（ロ）比較的低温の流体に各管壁を経
   て前記蒸気から熱を伝達し、このようにして蒸気が前記
   各管内で凝縮するように、前記容管の外部に前記比較的
   低温の流体を接触さぜることから成る熱伝達法において
   、前記容管に、流体流れ絞り部材を設けることを特徴と
   する熱伝達法。
2. （２）前記容管から出る流体がほぼ全部液体’ｒＷ！−
   縮物から成ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）
   項記載の熱伝達法。
3. （３）前記各流体流れ絞り部材が、流体流れに対し同じ
   横断面積を持つことを特徴とする特許８Ｎ求の範囲第（
   １）項又は第（２）項記載の熱伝達法。
4. （４）前記各流体流れ絞り部材を、取りはずし自在なイ
   ンサートの形にすることを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項ないし第（３）項のいずれかに記載の熱伝達法
   。
5. （５）　　前記各流体流れ絞り部材を、各蒸気導管の入
   口に１ｍずつ位置させることを特徴とする特許請求の範
   囲第（１１項ないし第（４）項のいずれかに記載の熱伝
   達法。
6. （６）　　前記容管ががま形・リボイラ又はじゃま板付
   き管形熱交換器の一部を形成することを特徴とする特許
   請求の範囲第（１）項ないし第（５）項のいずれかに記
   載の熱伝達法。