JPS61262568A

JPS61262568A - 非共沸混合媒体用蒸発器

Info

Publication number: JPS61262568A
Application number: JP10391785A
Authority: JP
Inventors: 小山　由夫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1986-11-20

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】〔発明の技術分野〕本発明は非共沸混合媒体を用いた冷凍装置や地熱バイナ
リ−発電プラントなどに使用される非共沸混合媒体用蒸
発器に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ここで、非共沸混合媒体用蒸発器がいかなる箇所に使用
されていかを理解するために、例として冷凍装置の場合
について考えてみる。第１１図は非共沸混合媒体を用い
た冷凍装置の概略構成を示す図であり、図中１９は圧縮
機、２４は凝縮器、１８は膨張機構、２５は蒸発器であ
り、装置内には非共沸混合媒体が封入されている。圧縮
機１９で圧縮された媒体は凝縮器２４で工業用水などの
冷却水Ｈと熱交換され、高圧状態で凝縮する。液化され
た媒体は膨張機構１８で減圧されて蒸発器２５に導かれ
る。ここで媒体は冷水、とじて外部に供給される低温の
熱源流体りによって対向流形式で加熱されて低圧状態で
蒸発し、圧縮機１９へ供給される。第１１図の冷凍装置
内に封入されている非共沸混合媒体は沸点の異なる２種
類以上の媒体を混合させたもので、気相と液相の組成が
異なり、一定圧力のもとて蒸発、凝縮させた場合でも、
その相変化過程で温度変化を生じるような媒体でめる。

このような媒体を用い、しかも先に述べた如く蒸発器に
おいて冷水と非共沸混合媒体とを対向流形式で熱交換き
せると、熱交換過程の温度差による不可逆損失が＃Ｌり
、ひいては装置の高効率化が実現できるため、この種の
非共沸混合媒体を用いた冷凍装置が最近特に注目される
ようになった。

その実施にあたつては、低温熱源流体Ｌ（冷水）の温度
降下と非共沸混合媒体の蒸発過程における温度上昇をで
きるだけ一致させることによって大きな効果を生じさせ
ることができる。

従来、非共沸混合媒体用蒸発器としては熱源流体と非共
沸混合媒体とを完全対向流形式で熱交換させるために非
共沸混合媒体を管内に流しながら蒸発をさせる二相流形
式の熱交換器が使用されている。しかしながら、この二
相流形式の熱交換器には非共沸混合媒体の流れ方向に大
きな圧力損失を生じるという大きな欠点があった。この
圧力損失は非共沸混合媒体の循環量の減少や蒸発器にお
ける非共沸混合媒体の温度変化の減少を引き起こすため
、仮に非共沸混合媒体を使用してもその特性を十分に利
用することが困難であった。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情を考慮してなされたもので。

その目的とするところは、非共沸混合媒体と熱源流体と
の間の熱交換時における不可逆的なエネルギ損失を抑制
でき、しかも媒体の圧力拶失をほとんど生じない高性能
な非共沸混合媒体用蒸発器を提供することに、ある。

〔発・明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明は非共沸混合媒体を
熱源流体によって加熱し蒸発せしめる非共沸混合媒体用
蒸発器において、蒸発器を前記熱源流体の流れ方向に沿
った複数の蒸発室より構成し、熱源流体の最下流側に位
置する蒸発室に非共沸混合媒体の供給口を、また熱源流
体の最上流側に位置する蒸発室に非共沸混合媒体蒸気の
取出口を設けるとともに、熱源流体の流れ方向に隣接す
る蒸発室間経媒体液用導通路と媒体蒸気用導通路とを設
ける構成とした非共沸混合媒体用蒸発器である。

〔発明の効果〕

本発明によれば組成の異なる非共沸混合媒体を複数の蒸
発室にほぼ同一圧力レベルで各別に作用させられるため
、蒸発器内で媒体の温度を熱源流体の温度変化のパター
ンに沿うように階段状に変えているので、非共沸混合媒
体と熱源流体の熱交換時の不可逆損失を低減できしかも
、二相流型蒸発器におけるような大きな圧力損失を生じ
ない非共沸混合媒体の特性を有効適切に利用することが
できる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図および酊２図を用いて
詳細に説明する。

第１図、第２図は本発明の一実施例である非共沸混合媒
体用蒸発器の概略構成を示す図である。

第１図に示すように、本発明に係る非共沸混合媒体用蒸
発器の大きな特徴の一つはその内部が熱源流体りの流れ
方向に沿った複数の蒸発室（第１図では４室）、すなわ
ち第１蒸発室１ａ、第２蒸発室１ｂ、第３蒸発室１ｃ、
第４蒸発室１ｄより構成されていることにある。すなわ
ち、軸心を水平方向にして配置した円筒体２の右側開口
および左側開口が蓋体３ａ、３ｂでそれぞれ閉塞され、
さらにはその蓋体３ａ、３ｂ間に形成された空間が複数
（第１図では３枚）の仕切板４で区画され、前記の第１
蒸発室１ａ乃至第４蒸発室１ｄが設けられている。その
蒸発室内には第１図、槙２図に示す如く複数の伝熱管５
からなる伝熱管束６が上記蓋体３ａ、３ｂそして仕切板
４を貫通する形で水平に配設されており、伝熱管束６の
一端開口側、つまりは、前記蓋体３ａの右側には熱源流
体取入室７ａが設けられ、伝熱管束の他端開口側、つま
りは前記蓋体３ｂの左側には熱源流体取出室７ｂが設け
られ、これらの取入室７ａおよび取出室７ｂは伝熱管束
６を介して連通している。熱源流体りは外部よりこの取
入室７ａに供給され、伝熱管５の管内を流れた後、取出
室７ｂより外部へ導かれる。この蒸発器の熱源流体りの
成子流側に位置する蒸発室（第１図は第１蒸発室１ａ）
には非共沸、混合媒体８量の供給口９が、また、熱源流
体りの最上流側に位置する蒸発室（第１図では第４蒸発
室ｌｄ）には非共沸混合媒体蒸気８ｄの取出口１１を設
けである。さらに、熱源流体りの流れ方向に隣接する蒸
発室は媒体液用導通路（媒体成用ｖＪ１導通路１２ａ１
第２導通路１２ｂ　、第３導通路１２Ｃ）と媒体蒸気用
導通路（媒体蒸気用第１導通路１３ａ。

第２導通路１３ｂ１第３導通路１３ｃ）によって接続さ
れている。そのうち、後者の媒体蒸気用導通路にはその
途中に各蒸発室に取付けられた圧力検出器（第１圧力検
出器１４ａ　、第２圧力検出器１４ｂ、第３圧力検出器
１４ｃ　、第４圧力検出器１４ｄ）の出力信号によりて
回転数を変えられる蒸気ブロワ（第１蒸気ブロワ１５ａ
１第２蒸気ブロワ１５ｂ　、第３蒸気ブロワ１５Ｃ）が
取付けられており、各蒸発室の圧力が等しくなるように
その駆動制御が行なわれる。なお、この実施例において
は蒸発室に流入する非共沸混合媒体の蒸気を媒体液中に
均一に分散させるための蒸気分散器が各蒸発室内に設け
られている。

すなわち、冷凍装置用蒸発器にあっては前記供給口９か
ら二相状態の媒体８１が流入するため、供給口９に接続
された形で第１蒸気分散器１６ａが、また第２蒸発室１
ｂ乃至第４蒸発室１ｄには前記媒体蒸気用導通路の熱源
流体りの上流側先端に第２蒸気分散器１６ｂ乃至第４蒸
気分散器１６ｄがそれぞれ前記伝熱管束６の下方に配置
されている。

このような構造になっているため、前記供給口９、第１
蒸気分散器１６ａを介して第１蒸発室ｌａ内に外部より
非共沸混合媒体８１を供給し、前記伝熱管束６を非共沸
混合媒体液中に浸らせるとともに伝熱管束６の各伝熱管
５内に熱源流体りを通流せしめると、外部より供給され
た非共沸混合媒体は各蒸発室でプール沸騰により一部蒸
発した後、順次隣接する熱源流体上流側の蒸発室に流入
していく。すなわち、外部より第１蒸発室１ａに供給さ
れた非共・濃混合媒体８１は第１蒸発室１ａで源流体り
によって加熱され、その一部は蒸気８ａとなり、第１蒸
気ブロワ１５ａによって加圧され、第１蒸気用導通路１
３ａ、第２蒸気分散器１６ｂを介して第２蒸発室１ｂの
非共沸混合媒体液中に分散供給される。一方、第１蒸発
室での未蒸発の非共沸混合媒体液８ａ’は非共沸混合媒
体液用第１導通路１２ａを通って第２蒸発室１ｂへ流入
し、それ以降順次同様の操作が行なわれ、最終的には第
４蒸発室１ｄより媒体蒸気８ｄが外部へ取出されを。

図中、８ｂ、８ρはそれぞれ媒体蒸気用第２導通路３蒸
発室、第３蒸発室、第４蒸発室内の非共沸混合媒体液を
意味する。ここで、本実施例の蒸発器におりては、蒸気
ブロワによって各蒸発室内の圧力を一定に保ち、液静水
頭の差によって非共沸混合媒体液が順次隣接する蒸発室
に流入するようにしているため、第１図に示す如く各蒸
発室に若干の液位差が生じる。

さて、以上に詳細を述べた本発明の一実施例の作用を第
３図に示すような冷凍装置に本発明による非共沸混合媒
体用蒸発器を使用した場合を例にとって説明する。第３
図に示した冷凍装置が従来技術を説明するに用いた第１
１図の冷凍装置と異なる点は本発明による非共沸混合媒
体用蒸発器１７を使用していることにあり、その他の構
成は従来例で示した冷凍装置と同じで良く図面中間一部
分については同一符号を付し、その説明を省略する。第
３図において、膨張機構１８で減圧されて二相状態にな
った非共沸混合媒体８１は第１図で説明したように熱源
流体りの最下流側の蒸発室に取付けられた媒体供給口９
を介して蒸発器１７内に供給され、熱源流体りによって
加熱されて蒸発する。蒸発器１７で発生した非共沸混合
媒体の蒸気８ｄは蒸気取出口１１から外部へ取出され、
圧縮機１９の吸込口に導かれる。このような構造にする
と組成の異なる非共沸混合媒体を複数の蒸発室に同一圧
力レベルで各別に作用させられるたた、蒸発器内で非共
沸混合媒体の温度を熱源流体りの温度変化のパターンに
沿うように階段状に変えることができ、熱交換時の不可
逆損失を低減できる。

その効果について２成分（ＡとＢ）からなる非共沸混合
媒体を例にとって具体的に説明する。第４図は非共沸混
合媒体の一定圧力Ｐ＝Ｐｏ　（蒸発器内圧力）における
気液平衡関係を示す図である。

縦軸のｔは温度、横軸のＸＡはＡ成分の重量分率を意味
する。Ｘ人＝０（Ｂ成分だけ）におけるｔＢ、ｘ人＝１
（Ａ成分だけ）におけるｔＡはそれぞれＢ成分とＡ成分
の圧力ｐｏｖＣおける飽和温度であり、図ではＢの方が
飽和温度が高い、つまりは蒸発しにくいようになってい
る。図にはＸＡ　＝　０　＊　ｔ　＝　ｔＢｓ　ＸＡ＝
ｌ　；　ｔ＝を人の２点を通る２本の曲線が描かれてい
る。上の曲線は気相線と呼ばれ、下の曲線は液相線と言
う。平衡状態では気相線より上の領域では混合媒体は蒸
気のみ、また液相線より下の領域では液体しか存在し得
ない。両部線の間の領域は液体、気体の共存領域である
。

さて、第１図〜第３図で説明した本発明による非共沸混
合媒体用蒸発器内の状態をこの第４図上に記すと次のよ
うになる。蒸発器入口の媒体８１は二相状態であるため
気相線と液相線の間に位置する点ｌ（温度ｔｉ）で表さ
れるが、第１蒸発室で熱源流体りによって加熱されると
蒸発室内の液再循環の効果が加わるため、第１蒸発室内
の液と蒸気はそれぞれ点ａ′と点で示される成分状態に
なる。

当然のことながら、媒体蒸気用第１導通路１３ａと媒体
液用第１導通路１２ａを通ってそれぞれ第２蒸発室１ｂ
に流入する非共沸混合媒体の蒸気８ａと非共沸混合媒体
の液８ａ’の成分もそれぞれ点ａと点ａ′で示される。

その時の温度はｔａである。同様に第２蒸発室、１ｂの
同液と同蒸気は点ｂ′と点すで示されその時の温度はｔ
ｂ、第３蒸発室１ｃの同液と同蒸気は点Ｃ′と点Ｃで示
されその時の温度はｔｃ％第４蒸発室１ｄの同液と同蒸
気は点ｄ′と点ｄで示されその時の温度はｔｄで表わさ
れる。その温度はそれぞれｔＢ　、　Ｊ）　、　ｔｃ、
　ｔ（１の順に高くなる。

第５図はその各蒸発器１ａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ内部の温
度と熱源流体りの温度を表示したものである。

図よりわかるように、第４蒸発室１ｄ側からｇ１蒸発室
ｌａ側へ流れる熱源流体りは線分ｔＬで示されるように
流れ方向に温度低下を生ずるわけであるが、先に述べた
如く蒸発器内の媒体温度が第１蒸発ｌａ室から第４蒸発
室１ｄに向かってｔＢ　、　ｔｂ。

ｔｃ：ｔｄの順に段階的に高くなっているため、両者の
熱交換時における不可逆的エネルギ損失（第５図の斜線
部に相当）を単一成分の媒体を用いた場合に比べて著し
−く抑制することができる。また、二相流型蒸発器のよ
うな圧力損失を殆ど生じないために非共沸混合媒体の特
性を有効に利用することができる。

なお、本発明の非共沸混合媒体用蒸発器の蒸発室は仕切
板で仕切るものに限らず、独立した蒸発器を複数連結し
て構成することもできる。

第６図は本発明による非共沸混合媒体用蒸発器のその他
の実施例である。第６図が第１図、第２図の蒸発器と異
なる点は蒸気を送り込むためのブロワの代りに液位検出
器（第１液位検出器２０ａ１第２液位検出器２０ｂ、第
３液位検出器２０ｃ）を設置し、その液位検出器に連動
して作動する弁（第１弁２１ａ　、第２弁２１ｂ、Ｍ３
弁２１ｃ）を媒体液用導通路に設けたことにある。例え
ば、第１弁−２１ａは第１蒸発室において媒体の液面が
第１液位検出器２０ａの設定値を越えると開き、それ以
下では閉じるようになっており、その弁の開度が実際の
液位と設定液位との差に比例するような構造になっ媒体
蒸気、液の移動を蒸発室間の圧力差によって行なうとい
う点を除いて本実施例は前述のものと同じであり、同一
部分には同一符号を付し、その説明を省略する。発明の
作用効果についても前述の実施例と同様である。

本発明に係る非共沸混合媒体用蒸発器は必ずしもこれま
で説明した実施例の如く横型に限られるものではなく、
第７図、第８図に示すような縦型としても十分使用でき
る。この場合には、熱源流体りの最下流側に位置する蒸
発室（第１蒸発室ｌａ）から原に第４蒸発室１ｄまでを
下方に接続配置し、蒸発器の上方より供給された媒体が
各蒸発室でプール沸騰により一部蒸発した後、媒体蒸気
と媒体液が隣接して下方に位置する蒸発室に順次流入し
、最終的に第４蒸発室１ｄから外部に蒸気８ｄとして取
り出される構造になっている。

この蒸発器には第６図に示した実施例と同様、液位検出
器とそれによって作動する弁が取り付けられているが、
それらには同一符号を付してここでの説明は省略する。

この場合、熱源流体りは第８図に示す如く蒸発器の下部
より供給され、各蒸発室の伝熱管束６内をシリーズに流
れた後、蒸発器上部より外部に取り出される。

第９図、第１０図は前述の嬉７図、第８図に示した実施
例と同様縦型のものであるが、この場合には第１蒸発室
１ａが蒸発器の最下部になるよう配置されており、また
弁の代りに液位検出器と連動するポンプ（第１ポンプ２
２ａ％ｔｌｃ２ポンプ２２ｂ１第３ポンプ２２ｃ）が取
付けられている。例えば。

第１蒸発室ｌａ内の媒体の液位が第１液位検出器２０ａ
の設立値を越えると＠１ポンプ２２ａが作動し、第１蒸
発室ｌａ内の媒体液を第２蒸発室１ｂへ供給するように
なっており、他の第２．第３ポンプ２２ｂ、２２ｅも第
２蒸発室１ｂ、第３蒸発室１ｃで同様の機能を果たす。

ここで使用されるポンプは可変容量盤のもので実際の液
位と液位検出器の設定値との差によって比例動作するよ
う構成されている。

また、この実施例においては媒体蒸気用導通路（第１媒
体蒸気用導通路１３ａ、第２媒体蒸気用導通路１３ｂ　
、第３媒体蒸気用導通路１３ｃ　）として仕切板４にバ
ブルキャップ２３を取り付けた構造のものが採用されて
おり、これは媒体蒸気の分散器の機能も兼備している。

その他の構造については前述の実施例と大きく異なる点
はなく、同一部分は同一符号で示してその説明を省略す
る。本実施例において得られる効果は前述の実施例と同
様であり、これによって高性能な非共沸混合媒体用蒸発
器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例の概略構成を示す断面図、第
２図は第１図の矢視Ｘ−Ｘ断面図、第３図は本発明に係
る非共沸混合媒体用蒸発器を組込んだ冷凍装置のサイク
ル構成図、第４図および第５図は本発明に係る実施例の
作用説明図、第６図および第７図は本発明の他の実施例
を示す断面図、第８図は第７図の矢視Ｘ−Ｘ断面図、第
９図は本発明の他の実施例を示す断面図、第１θ図は第
９図の矢視Ｘ−ＸｌＢ１面図、第１１図は非共沸混合媒
体用蒸発器に関する従来技術を説明するための冷凍装置
のサイクル構成図である。１ａ・・・第１蒸発室、８１・・・非共沸混合媒体、１
２ａ・・・媒体液用第１導通路、　　ｉｂ・・・第２蒸
発室、８ｄ・・・媒体蒸気、１２ｂ・・・媒体液用第２
導通路、１ｃ・・・第３蒸発室、９・・・供給口、１２
ｃ・・・媒体抜用、第３導通路、ｌｄ・・・し・、４蒸
発室、１１・・・取出口、１３ａ・・・媒体蒸気用第１
導通路、１４ａ・・・第１圧力検出器、　　１５ａ・・
・第１蒸気ブロワ、１３ｂ・・・媒体蒸気用。第２導通路、１４ｂ・・・第２圧力検出器、１５ｂ・・
・第２蒸気ブロワ、１３ｃ・・・媒体蒸気用第３導通路
、１４ｃ・・・第３圧力検出器、１５ｃ・・・第３蒸気
ブロワ、１４ｄ・・・第４圧力検出器、１６ａ・・・第
１蒸気分散器。２０　ａ・・・第１液位検出器、１６ｂ・・・第２蒸気
分散器、２０ｂ・・・第２液位検出器、　　１６ｅ・・
・第３蒸気分散器。２０ｃ・・・第３液位検出器、２１ａ・・・第１弁、２
２ａ・・・第１ポンプ、２１ｂ・・・第２弁、２２ｂ・
・・第２ボンプ、２１Ｃ・・・第３弁、２２ｃ・・・第
３ポンプ、Ｌ・・・熱源流体。代理人　弁理士　則　近　尉　佑（ほか１名）第２図第　　３　図０　赫り奎（陣１４′ 第４図第５図第６図第７．　　　　第Ｓ図第９図　　　　第１０図第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属製の伝熱面を介して非共沸混合媒体を熱源流
体によって加熱し、蒸発せしめる非共沸混合媒体用蒸発
器において、蒸発器を前記熱源流体の流れ方向に沿った
複数の蒸発室より構成し、熱源流体の最下流側に位置す
る蒸発室に非共沸混合媒体の供給口を、また熱源流体の
最上流側に位置する蒸発室に媒体蒸気の取出口を設ける
とともに、前記熱源流体の流れ方向に隣接する蒸発室間
に媒体液用導通路と媒体蒸発用導通路とを設けたことを
特徴とする非共沸混合媒体用蒸発器。
（２）各蒸発室内に流入する非共沸混合媒体蒸気を蒸発
室内の媒体液中に均一に分散させるべく各蒸発室内に蒸
気分散器を配設したことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の非共沸混合媒体用蒸発器。
（３）蒸発室内の圧力を検知するための圧力検出器ある
いは媒体液の液面を検知するための液位検出器を設置し
、かつその圧力検出器あるいは液位検出器と連動して作
動する媒体蒸気移送用の蒸気ブロワを前記媒体蒸気用導
通路に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項も
しくは第２項記載の非共沸混合媒体用蒸発器。
（４）各蒸発室内の媒体液の液位を検知するための液位
検出器を設置し、かつその液位検出器と連動して作動す
る弁を媒体液用導通路に設けたことを特徴とする特許請
求の範囲第１項もしくは第２項記載の非共沸混合媒体用
蒸発器。
（５）各蒸発室内に媒体液の液位を検知するための液位
検出器を設置し、かつその液位検出器と連動して作動す
るポンプを媒体液用導通路に設けたことを特徴とする特
許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の非共沸混合媒
体用蒸発器。