JPS5993181A - 液膜蒸発式熱交換器 - 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】

〔発明の利用分野〕 本発明は低沸点媒体？作動流体としたジンキンサイクル
、冷凍機および原子力発電プラントなどに用いられる熱
交換器（蒸発器）に関するもので　　゛おる。 〔従来技術〕 従来の典型的な蒸発器は第１図に示すように、多数の伝
熱ｆＦ３１に円筒状胴３５内に収納した７工ルチユーブ
式の熱変換器であり、前記胴３５内　　　　−に媒体液
３２に充満し、伝熱管３１内に温水３３會流通すること
により、その伝熱管３１の外面で核沸騰熱伝達ケ行わせ
るものである。近年、廃熱、地熱、海洋温度差などの低
温度エネルギーの有効利用？はかるため、低沸点媒体ヶ
作動流体としたランキンサイクル発電ブラントが注目さ
れているが、熱交換器勿シェル・チューブ式熱父換器よ
りも小形で高性能なものが要望されている。この要望’
ｃｌＲ足させるために、いままでに提案されたものには
次の三種類がある。 第１の熱交換器は第２図に示すように、金属帯？小ピッ
チでダｔシ曲げて作ったフィン３６と熱交換流体ケ隔て
る板３７とを交互に設置して接合し、水平流路３８およ
び垂直流路３９を形成した構造からなり、その水平流路
３８内忙流れる温水４０は、垂直流路３９の下方から流
入する低沸点媒体４１と熱交換して蒸発し、蒸気４２と
なって上方に流出する。この場合、小さい温度差のもと
て多）Ｌの蒸気を発生させねばならないため　クイ７Ｂ
６荀密に設けて単位容積当りの伝熱面績が大きくなるよ
うに構成されている。 第２の熱交換器は第３図に示すように、液４３勿水十に
設置した伝熱管群４４の上方よシスプレー状に降シ注ぎ
、伝熱管外面に薄い液膜４５を作って蒸発させるように
したものである。その液膜４５からの蒸発伝熱機構はい
まず伝熱管内ケ流れる加熱流体４６から′１テ壁４７に
熱が伝達され、この熱は管壁４７の内部、管壁４７と液
膜４５との境界１ｍ１４８および液１摸４５を経て液ｌ
膜表面４９に達し、この表面４９における蒸発潜熱ｒ供
給するのでおる。前記液膜４５ケ薄く保つことができｔ
Ｌば、熱流に対する液膜部分の抵抗は減少し、商い熱伝
達率がえられる。また熱交換器内部に多量の液が存在す
るために生ずる弊害、すなわち下方に位置する伝熱管か
らの気泡の発生、表面からの離脱および上方への気泡の
移動などに対し、多量の液の存在による大きな抵抗ヶ除
去することができる。 第３の熱交」英器は第４図に示すように、垂直円管５０
の外周部に液膜１％　５　Ｊ、　’に形成して流下させ
ることにより蒸発させるもので、例えば果汁の讃縮のよ
うに、液と加熱面との接がＲ時間を短縮し、液の品質劣
化ケ防止する場合に用いられる。 前記第１の熱交換器では、媒体液と発生した蒸気が狭く
仕切られた流路？同一方向に流れ、この姫路における二
相流の流動状況は、蒸気の流れと液の流れが互に干渉し
会い、七の一部の液は加熱壁面から）ｆζＩＪれ、蒸気
流に押し流される状況になる。 前記蒸気流Ｆｉ、液塊ないし数滴を押し流す仕争紮する
ので、二相流の圧力損失は増大し、媒体流孕駆動するた
めのポンプ動力は増大する。このポンプ動力の増大は、
低温度熱源？オリ用するう／キンサイクルになって有効
仕事を大きな割合で減することになるから回避しなけれ
ばならない。 一方、蒸気流に押し流される液のうち、可なりの割６ｒ
占める量が蒸発し切らずに蒸発器出口から仄出さｚｔ１
密に設けたフィンによシ成熱面積が増加したにも拘らず
、これらの伝熱面積が有効に活かされない恐れがある。 したがって、第ｌの熱交換器は、気体と気体との熱交換
に従来、使用されるコンパクト熱変換器ケ蒸発器に適用
したもので、蒸発する媒体の流動現象および熱伝達に適
切な考慮を払った構造とはいえない。 また前記第２の熱交換器は、媒体の流動に対する抵抗が
少い構造であるが、実際には伝熱管の下部に液が懸垂し
て厚い液膜會形成し、下方に位置する伝熱′Ｕでは上方
の管群からの滴下液全党け、管外面の全面にわたってり
′夜鷹が必ずしも薄くならないので、期待するほど熱伝
達を促進する効果がえらｎない。そこで、成熱管外面に
フィンあるいは面會設けると、伝熱管の表面積は増加す
る。ところが、フィンの山あるいは溝と溝との間の隆起
部では液膜が薄くなるけｎども、フィンとフィンとの間
あるいは溝内はかえって厚い液膜で覆われるため、熱伝
達は大幅に向上しない。また円管を並置する構造である
から、第１の熱交換器に比べて伝熱面積と容積との比が
極めて小さい。したがって第２の熱交換器Ｆｉ媒体の流
動し易いように構成されているが、容積を画期的に小さ
くすることができない欠点がある。 さらに前記第３の熱交換器では、液が垂直壁？流れるた
め、前記第２の熱交換器のような悪乗液による有効伝熱
面＄、は減少しない。しふし、垂直管が長くなると、伝
熱管の下部で乾き面？生じないように、上方から十分な
漱の液？供給する必要がある。このため液膜厚さ？伝熱
官金体長にわたって平均すると、平均の液膜厚さは必ず
しも小さくならない。そこで、伝熱管の長手方向に短い
設置間隔て液の供給ロ？］ｌ−設け、この各供給口にお
いて少量の液を供給することによυ液膜ケ薄く保つ方法
も考えられるが、供給口を多数設けると、構造の複雑化
する欠点がある。 さらに蒸発器の計画負荷以外の作動点では、上方の供給
口から流下する液が蒸発し切らずに下方の供給口に達し
、流下液と供給液が本なり合うから蒸発器の性能は大幅
に低下する。１．たは上方の供耐口から流下する液が下
方の供給口に達する以前に蒸発し切ってしまい、乾いた
伝熱面が出現するから蒸発器の性能は低下する。したが
って、第３の熱交換器では、蒸発器の性能ケ犬幅に向上
させることができなく、仮に計画負荷では高性能奮えら
れるとしても、蒸発器の負荷動に対し柔軟に対応しうる
構造にすることが不可能である。 〔発明の目的〕 本うら明はコンパクトで、高度の熱交換性能

【有し、か
つ蒸発する媒体の二相ｏｌｆ′、流動に対する砥抗が小
さく、シかも熱源の容量が羨動し、計画負荷以外の負荷
でも高度の熱交換性能ケ維持する熱交換器ケ提供するこ
とケ目的とするものである１、〔発明の概侠〕 本発明は上記目的ケ達成するため、猷熱血の壁面に沿っ
て媒体ケ膜状に流ドして蒸発させる液膜蒸発式熱交換器
において、媒体液の流下方向と垂直な温水流路ケ内部に
腹数個有する平板状伝熱ダクトと、切欠き？１［数個有
する液分配梁とｔ交互に配＋ｉｔした平板状伝熱ダクト
群ｔ１必要熱交換量に応じて媒体液の流Ｆ方向に少くも
２段設置し、これらの相１．．する伝熱ダクト間に媒体
蒸気の抜取ロケ設けたことを特徴とするものである。 〔発明の実施例〕 以下本発明の実施例を図１釦について説明するに先だっ
て、その理念について詳述する。 伝熱面表面に水の薄液膜ケ形成し、この薄液膜？蒸発さ
せる熱伝達は、プール沸騰熱伝達よシも伝熱性能？向上
させることが広く知らｎでいる。。 その液膜蒸発熱伝達の模式図葡第５図にボす。すなわち
伝熱面５３よシ流下液膜５４への桶送機構には、次の４
つの形態がある。その第１形態は壁面５３における気泡
の成長と離脱に伴う熱伝達（核沸騰熱伝達）による熱移
動Ａ　（＝　Ｑ、ｖｎ　）　、第２形態は壁面５３から
液膜流への強制対流熱伝達による熱移動Ｂ　（＝　Ｑｃ
ｗ　）　、第３形態は液面５４の表面からの蒸発による
潜熱移動Ｃ（＝　ＱＦＶ　）、第４形ｊ腋は蒸気泡５５
が気液界面から放出さｎる際に発生する液滴５６による
顕熱移動ＩＪ　（＝　ＱＬＤ　）である。これらの各熱
移動Ａ〜Ｄは、それぞれ単体として動くのではなく、相
互にアジチージョンＷとなって熱移動ケ促進する。 一方、フレオンなどの有機冷媒で上記の液１１ＡＮ発熱
１ム達？行うとき、蒸発潜熱、比熱および熱伝導率など
が水に比べて小さいため、水の場合はどに伝熱促進効果
が現われないと考えられていた。 ところが、横軸に熱流束ｑ（Ｗ／ｎ？）葡、縦軸にプー
ル核沸騰熱伝達よシの伝熱促進割合α／αｐｎ紮そｉ”
Ｌぞれとって図示した第６図に示すように、冷媒フレオ
ンＨ，−１１に作動流体とした液膜蒸発熱伝達において
も、伝熱促進がなされることが判る。ただし伝熱面はエ
メ！Ｊ−＋１０（１０で磨がれた平滑面（０，３ｍ　Ｘ
　Ｏ，ｌ　ｍ　ｌ　ｋ用い、また大気圧状態下の飽４ｕ
フレオンＲ−１１１作動流体とし、伝熱面上端よυ単位
怖当９０．２６４Ｋｇ／ｍ、ｓの液冷媒ケ流下させ友も
のである。 上記液膜蒸発熱伝達の伝熱面に平滑面音用いた場合、そ
の伝熱面上における冷媒液膜の拡がり性が悪いので、伝
熱面上に乾いた部分が生じ易いから、第７図に示すよう
に多くの液冷媒勿伝熱面上に流さねばならない。このた
め伝熱面上における冷媒液膜の拡がυ性ケ良好にし、で
きるだけ少ない液流量すなわち理想的には加えら１ｔた
熱量で冷媒全量が蒸発する流量でも、乾い７ζ部分が伝
熱面上に存在しないので、低流皿上でも高い伝熱性能ケ
有する伝熱面が必要となる。このような伝熱面として、
冷媒液膜その界面張力で引き込み、伝熱向上のすみずみ
まで液膜ｒ形成する多孔質伝熱面が考えられる。前記第
７図は縦軸に伝熱面上端における単位伝熱面幅当りの必
要最小流量Ｆ１（Ｋｇ／ｍ、ｓ　）　ｌｉ、横軸に熱流
束（１（Ｗ／フイ）ケそれぞれと９、高い伝熱性能ケ維
持するために必要な最小液流量留示したものである。図
中の実線Ｅは第８図（ａ）に示すように多数のトンネル
５８およびこのトンネル５８に連通ずる多数の小開孔５
９ケ有する多孔面５７上の流量ｒ、一点破線ＦはエメＩ
Ｊ−４Ｐ１０００で磨かれた平滑面の流量ヶ、破線Ｇは
伝熱面上で液冷媒が完全に蒸発し切ってしまう理想的な
流賞ケでれぞれ示す。 また液膜蒸発熱伝達ケ用いた熱交換器では、その性能の
安定していることが必要である。すなわち流下液量によ
り、その伝熱性能が大きく変化すると、熱交換器の設計
が困難であるばかりでなく、設計点勿外れた運転下では
、必要な熱交換器性能がえら７’Ｌないことになめ。こ
の観照でも、多孔質伝熱面は愛れた性能葡有する。第９
図は熱流束ｑが１．８Ｘｌ　Ｏ’　　（Ｗ／ｎ？）Ｉｃ
おける液冷媒流量ｒ　ｏ　　（Ｋｑ／ｍ、ｓ　）と熱伝
達率α（Ｗ／ｋｍ２）との関係ケ示したもので、図中の
実線Ｍは第８図（ａ）に示す多孔質伝熱面５７、破線Ｎ
は第８図（ｂ）に示すように高さ１．１ｍｍ、厚さ０．
４ｒｎｍ、ピッチ０．８　ｍｍの微小フィン６１’ｋｔ
Ｊ”る垂直溝付伝熱面６０のそれぞれの熱伝達特性ケ示
す。その伝熱面の大きさおよび測定条件は第６図および
第７図と同様である。 上述したように液膜蒸発熱伝達ケ用いた熱交換器は、フ
レオンのような有１幾冷媒ｒ作動流体として用いた場合
にも高性能ケ維持し、さらに伝熱面として多孔質面ケ用
いると、少ない冷媒流量でも高性能を維持し、かつ性１
化を安定させることができる。 以上説明した理念に基づく具体的ｈｉ　Ｊｊｌ、　ｋ示
す実施例を第１Ｏ図について説明するに、平板状伝熱ダ
ク）ｌ（以下伝熱ダクトと称−ｒ）の内部には、媒体液
５の流下方向と垂直に温水４の流通する流路２が複数個
設けられている。また前記伝熱ダクト１０両面には、そ
の表皮下に多数の微細な空洞（図示せず）を設けると共
罠、内厚に前記空洞に連通する多数の微細な開孔１ａｋ
設けた多孔質層３が’ｔ’ｒＬぞれ設けられている。 伝熱ダクト群２０は伝熱ダクト１と、複数個の切欠き６
ケ有する故分配梁７と葡交互に並列に複数個配置するこ
とにより形成されている。このような１べ熱ダクト群２
０ケ必要交換熱斌に応じて、媒体液５の流下方間に少く
とも２段設置して熱交換器の伝熱面が構成されている。 上記液分配梁７に流下した媒体液５は、伝熱ダクト１と
漱分配梁７によシ形成されたとい２３に溜った後、液分
配梁７の切欠き６を経て伝熱ダクトｌの両市】に設けら
れた多孔質量３上に液膜流８γ形成する。この液膜流８
は伝熱ダクト１内に設けら７’した流路２ケ流れるＣ晶
水４から熱を受けて蒸発しながら流下する。前記多孔質
層３上で魚発しなかった媒体液５は下段の伝熱ダクト群
り０′上に流下゛Ｔる。 １１１記多孔質層３に設けられた開孔１ａ（直径１胴以
下）は製作方法により不規則な形状に形成されるが、そ
の開孔１ａの周囲に内接する円の直径が０．０５〜０．
５　ｍｍの範囲にあると、蒸発熱伝達に有効な働き？す
ることは公知である。すなわち任意の開孔から蒸気ケ噴
出し、空洞から離脱する蒸気質凰ｋｍうために他の開化
から敵が空洞内に浸入する。この浸入した敵は、空洞の
壁面が僅かな温度差のもとに加熱されていると短時間に
蒸発し、この蒸発した蒸気は再び噴出される。この噴出
蒸気は、液膜が厚い場合には気泡となって液膜盆横切っ
て液膜表面に達するが、液膜が薄い場合には気泡となら
ず、ｏ、膜荀排除して蒸気の離脱が行われる。このよう
な機構によυ、熱父換像と媒体液との温度差がＩＣ以下
の場合でも活発に蒸気音発生するので、多孔質伝熱面の
熱伝達率は通常の平滑面でえられる熱伝達率の１０倍と
なる。前記多孔質面は機械加工まｆＣは金属粒子ケ伝熱
ダタト１の表面に焼結することによシ製作することが可
能であ２ｂ、。 一方、伝熱ダクト１の多孔質層３上で蒸発した蒸気１０
は、−たん媒体欣５の流下方向に、かつ液膜流８と平行
して同一方向に流れる。伝熱ダクト＄２０の下端に達し
た蒸気１０Ｖｊ：、伝熱ダクト群２０．２０’間に設け
られた蒸気抜取口２４により横方向に導かれ、伝熱ダク
ト群２０．２０’の外部へ流出する。 本実施例によれば、液膜流と蒸気流の相対速匪勿小さく
することができ、気液界面のせ／Ｖ断力が小さくなる。 、１１嘆流と蒸気流の共存領域ケ伝熱ダク）　Ｕ＋；　
２０の灸さに限定できるため、蒸気流による液膜流の加
速領域が短かくなる−このため安定な液膜流ケ多孔質１
※３上に形成することができると共に、４≦気流の圧力
損失が減少する。 また伝熱ダクト１内に、温水流路２ヶ腹数個設けたため
、温水４　（）１９の流速が増力１して熱伝達率が向上
すると共に、伝熱面に均一な熱流束忙与えることができ
る１、前記温水流路２側の伝熱面積を伝熱ダクト１外の
蒸発側熱伝達率に見合って請訓させることによｐ１伝熱
ダクト１の内外の見掛上の熱伝俺率（投影面積当りの熱
伝達率）のオーダ孕同−にすることができるので、実面
積では温水側よりはるかに高いｌ１ｆｊケ示す蒸発の熱
伝達ケ有効に利月１することができる。さらに伝熱ダク
ト１を平板状に形成し７たため、両面？多孔質層３の伝
熱面として活用でき、単位容積当りの伝熱面積は大きく
なるので、熱交換器ケ犬幅にコンパクト化することがｄ
１能となる。 第１１図に示す他の実施例は、第１０図に示す実施例と
同一構造の伝熱ダク）ＩＪｆ２０，２０’　と、媒体液
１２の充満する仕切室１３内に収納され、かつ液分配梁
のない最下段の伝熱ダクト群２５と、最上段の伝熱ダク
ト群２０の上方位置に設置され、かつ前記仕切室１３と
パイプ１７ケ介して連通された媒体液溜２１と、これら
の機器２０．２０’、２１．２５ケ収納する容器１８と
からなり、前記伝熱ダク）２０．２０’の両側には上昇
する蒸気１０から液膜流８ケ保護すると共に、蒸気流路
２５ａと液膜流路２５１１１区別するためのガイド板１
９が設けられ、このガイド板１９と下段の伝熱ダクト群
との間に安気抜取口２４が形成されている。前記媒体液
溜２１は、そのノ戊面にせき２２ケ有する開孔２１ａが
複数個設けられている。 本実施列は上記のような構成からなり、外部から容器１
８内に流入した媒体液５は媒体液面２１に−たん溜めら
れた後、せき２２ケオーバフロして伝熱ダクト群２０．
２０’に順次に流下する。 了の各伝熱ダクトｌの多孔質層３上で蒸発した媒体蒸気
１０は伝熱ダクト２０．２０’　、２５の間に形成され
た蒸気抜取口２４？！−流れ、さらにガイド板１９と容
器１８との間の液膜流路２５ｂ−７流通した後、外部へ
蒸気流１０ａとして導出される。 一方、ｍｈ水流４は伝熱ダクトｌの枚数とへラダ１）Ｉ
ｌｌ（図示せず）とのホ１１合せにより、交俣熱量に見
合うパス数ケとって伝熱ダク）１内の温水流路２紫流ｎ
Ｉｉする。 附記仕切室１３内に設置された伝熱ダクト群２５におい
ては、核沸騰によシ熱伝達が行わｒし、その核沸騰によ
シ生じた蒸気泡１４は気泡塊１６となシ、媒体液諷１５
と共にスラグ流ヶ形成しながらパイプ１７’に上昇する
バブルポンプとして作動し、容器１８の底部の媒体液１
２’（（上方位置の媒体液溜２１に循環させる。 、森と′う′４実施例（第１１図）Ｋ、ｌ：ｔＴ−ば・
温水側の負荷変動に対する外部から供給される媒体液の
増減にかかわらず、當にな定した均一の液膜流？形成す
ることができるので、熱父換性能ケ向上させる利点があ
る。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によｎば、単位容積当りの伝
熱面積音大きくすることにより、大幅なコンパクト化ケ
はかると共に、発生した蒸気の流動に対する抵抗ｒ大幅
に減少させることかでき０゜ｌた蒸発伝熱面に多孔質Ｖ
＠紮設けることりこより、高度の熱伝達率ｒ維持し、敵
流−畦の変動による熱交換性能の低下？防止することが
できる。 さらに伝熱ダクト内に複数個の温水流路ケ設けで、誦水
側伝熱面の熱伝達率ケ向上させることによシ、容積が小
さく、シかも温水と媒体Ｃ夜のｄ１勧皮差が小さい場合
でも、多葉の蒸気ケ発生させて熱交換性能の向上？はか
ることができる。なお、核沸騰による蒸気泡を利用して
媒体散？循環させるバブルポンプ？設けることにより、
負荷変動に対しても′Ｍに安定した液膜流ケ供給（７て
高度の２情交換ヰ能＊　、＋ｉｆｔ持することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は従来のシェル・チューブ式熱交換
器の構成ケ示す正面図および側面図、第２図は従来のコ
ンパクト形熱交換器の斜視図、第３図は液膜蒸発紮利用
する水平円骨群の、漢断面図、第４図は噺直円肯による
液膜蒸発ｒ示す説明図、第５図〜第９図は本発明の熱交
換器の理念ケ説明する図で、第５図は液ｊり１蒸発熱伝
達の戻式１メ１、第６図は熱流束と熱伝達率上昇割合と
の関Ｖ１ヶ示す図、第７図は熱流束と必要最小１代冷媒
流量との関赤？示す図、第８図（ａ）（ｂ）は多孔質伝
熱面および垂直溝付伝熱面の各斜ｔｙ６図、第９図は液
冷媒流、畦と熱伝達率との関係ケ示す図である。第１０
図は本発明の液膜蒸発式熱交換器の一犬施例の袋部すな
わち伝熱ダクト群のが１視図、第１１図は本発明に糸わ
る他の爽７ｉｉ１１ｐｌＪの横断面図である。 １・・・伝熱ダクト、２・・・温水流路、３・・・多孔
質層、５．１２・・・媒体液、６・・・切欠き、７・・
・液分配梁、１３・・・仕切室、１８・・・茶器、１９
・・・ガイド仮、２０．２０’　、２５・・・伝熱ダク
ト群、２１・・・媒体液溜、２４・・・媒体蒸気抜取口
、２５ａ・・・蒸気流路、２５ｂ・・・液膜流路１、 囁　１　　図 （Ｉ１２−）（１） ｚ ■　２　図 箭　３　図 第　４　図 ｆＪ　５　図 １〜　　　　乙　　　　図 プそ冬、　ン方−米　　！　　（レン’／ａｚ）■　７
　　図 第　８　（幻　図 ￥：Ｊ　　８　　　（ｂ）　　図 ′ＦＪｑ　　図 （ＸＩθり

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、伝熱面の壁面に沿って媒体液を膜状に流下して蒸発
   させる液膜蒸発式熱交換器において、媒体液の流下方向
   と垂直な温水流路勿内部に複数個有する平板状伝熱ダク
   トと、切欠きｔ懐数個有する液分配采と全交互に配置し
   た平板状伝熱ダクトイｔト勿必妥熱交換量に応じて媒体
   液の流下方向に少くとも２段設置し、これらの相隣る伝
   熱ダクト間に媒体蒸気の汲取ロケ設けたことケ特徴とす
   る液膜蒸発式熱交換器。 ２、前記最下段の伝熱ダクト群？媒体液の充満する仕切
   室内に設置し、この仕切室葡最上段の伝熱ダクト群の上
   方位置に設置した媒体液溜に連通したこと？！ｌ−特畝
   とする特許請求の範囲第１項記載の液膜蒸発式熱変換器
   。 ３、前記伝熱ダクトの外表面に多孔質層ｒ設けたことケ
   特徴とする特許請求の範囲第１項またｉ−１：第２項記
   載の液膜蒸発式熱交換器。 ４、伝熱ダクト叶と容器との間にガイド板ケ設け、液膜
   流路と蒸気流路と７区別したこと？特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第３項記載のうちいずれか１項記載
   の液膜蒸発式熱交換器。