JPS62293089A - 多管式熱交換器 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子力発電プラントの冷却器に係り。

特に、小型化、高性能化に好適なシェル・アンド・チュ
ーブ熱交換器に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は切欠きバッフルを用いたシェル・アンド・
チューブ熱交換器のため、バッフルの前後で折流による
圧力損失が大きく熱交換性能がそれ程大きくなかった。

そこで、これら胴側流体の性能を向上するため、特開昭
５６−９４１９５号公報に記載のように、胴側流体を管
内流と並行で、しかも、対向流となるように流して、性
能を向上させようとした。しかし、熱交換器全体のコン
パクト化、胴側流速の増大、管支持構造の最適化、乱れ
促進により伝熱性能の向上に関しては、十分な検討がな
されていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、（１）胴側流体の完全並行流化、（２
）管支持構造部材の圧損低減、（３）管外並行流の温度
境界度破断の三点について配慮がされておらず１本来の
意味でのシェル・アンド・チューブ熱交換器の高性能化
に関していくつかの問題があった。

本発明の目的は、原子カプラント用冷却器のような水−
水車相流の熱交換性能を向上させるために、管内側は、
平滑管を用いるため固定された条件とし、主に対象を胴
側流体の性能向上とした。

［間開点を解決するための手段〕 上記目的であるシェル・アンド・チューブ熱交換器の胴
側流体の伝熱性能向上は次の三つの方法を採用すること
により解決される。

（１）ＴＥＭＡ規格で定められているＥタイプシェルを
用いると、胴側入口、及び、出口ノズル近傍のシェル向
流れは直交流部、あるいは、斜流部が必ず存在する。こ
れを完全並行流に近づけるため、管群とシェルの間に、
内胴（シュラウド）を設け。

並行流とし、又、熱交換に寄与しない無駄な空間を省い
て管束周りの流体の通過面積を小さくし、その分胴側流
速を増加させて、伝熱性能を向上させる。

ン ゛（２）管支持部材構造として、管群の支持、流体連成
振動の防止、ＷＡ側流体に討する障害物としての圧力損
失の低減等々があるので、極力薄いプレートを用いるか
、管周りにドーナツ状通路を用いて極力流動抵抗を小さ
くする必要がある。

（３）一般に管内でも管外でも管の軸流れ方向に沿って
流体が流れている場合、熱交換器の性能を決定する温度
境界層は一様に発達し、ある厚さになる。この温度境界
層を破断しなければ熱伝達率の向上は望めない、そこで
、（２）の管支持部材とは別に、この管支持部材間にあ
る間隔で乱れ促進体を設ける必要がある。ところが、他
の分野と異なり、原子カプラント用熱交換器の場合、こ
の伝熱管に細工をして伝熱伝道構造をちり込むことは特
に安全上の問題から応力集中、腐食、破断等の防止のた
め、行なわれない、従って、伝熱管には通常の平滑管を
使用し、その管外に乱れ促進体なるものはかぶせ（はめ
込む）と、管外の胴側流れを乱し、伝熱係数を増加させ
る。

従って、上記三種の方法を組み合わせなければ。

本発明が目的とした胴側の性能向上は図れない。

つまり、並行流→流速増大→圧損低減→乱流促進→伝熱
性能向上となり、これら一つでも欠けると。

従来の直交流タイプの熱交換器よりも性能が低下するこ
とも考えられる。

〔作用〕

本発明のシェルと管群の間の内胴設置は胴側流体をほぼ
完全に並行流（管内と対向流）にする。

これは胴側流速が同一の場合、胴側熱伝達率は低下する
と同時に胴側管摩擦係数も減少する。これにより、＊側
圧損が低減され、胴側流速の増大が許容される。しかも
１円筒を設置することにより。

胴側の無駄な空間がカットされ、実質的な胴側流体の通
過面積が減少するので、胴側流量が同一の場合、極めて
大きな流速増加をもたらす、その時、管束を支持する管
支持部材として、薄いプレート等を設置すると、この設
置による圧力損失は思ったより小さく、このプレートの
影響が無視できる程、流動抵抗は小さい、そこで、この
流速増加の状態を維持したまま、これら管支持部材間に
乱れ促進体を設置すると、管流れ右室に発達する温度境
界幅を乱し、破断する効果が表われ、高い熱伝達率が確
保される。但し、この時、摩擦係数はやや増加するが、
この圧力損失の上昇分に勝る伝熱促進が行なわれるので
、胴側全体から見た性能向上となる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図により説明する。まず
、機器構成は、従来と同様の多管式熱交換器１の胴体２
ａに胴側入口ノズル２ｂと胴側出口ノズル２ｃを設置し
、それら管板２ｄ間にはさまれて管３を配置する。一方
、管側ヘッド４ａには管側入口ノズル４ｂと管側出口ノ
ズル４ｃを設置する。ここで、胴側の胴側２ａと管３群
の間には内用支持部材８を介して内胴７を設ける。また
、管３棒はある間隔が管支持部材５を配置し、それらの
間には適当な間隔で乱れ促進体６を設置する。

この時、管側入口ノズル４ｂから流入した管側流体１ｏ
と胴側入口ノズル２ｂから流入した胴側流体９とが、胴
体２ａ内の管３を介して熱交換する。この際、一般に、
原子力発電プラント用に用いられる熱交換器の管３は平
滑管のため、管内の熱伝達率ｈｔは、一様な乱流熱伝達
として、ｄ簸 但し、Ｒｅｔ：管内レイノルズ数（−）Ｐｒｔ：管側流
体プラントル数（＝） Ｋｔ　：管側流体熱伝導率（Ｋ　Ｗ　／　ｍ　Ｋ　）ｄ
ｌ　：管内径（ｍ） 一方、胴側流体９は肥側入ロノズル２ｂから流入し、内
筒７により流れを管３に並行になるよう橋正され、管に
そって管内流と対向する流れを形成する。そして、管３
は胴体２ａに設置された内筒７内に管支持部材５により
取り付けられ、しかもこれらの間に設置された乱れ促進
体６の周りを乱れを形成しながら並行に流れる。この時
、肩側流体の熱伝達率ｈｓに管群い囲まれた部分での水
力等価直径ｄａの概念を用いれば、上記の内管的乱流熱
伝達の式が同様に用いられる。

ｄｅ＝４Ａ／Ｌ　　　　　　　　　　　　・　（３）但
し、Ｒｏ：胴側流体レイノルズ数　（−）ｐ、ｓ：ｙｙ
Ａ側流体プラントル数　（−）Ｋｓ　：胴側流体熱伝導
率（ＫＷ／ｍＫ）ｄｅ　：等価値径（ｍ） Ａ　：０通過面積（イ） Ｌ　：濡れぶち長さくｍ） Ｃ：熱伝達相関係数（−） ここで、熱伝達相関係数Ｃは、管支持部材５や乱れ促進
体６が設置されてない場合には四管内と同様Ｃ＝０．０
２３で計算される６ところが管支持部材５の挿入部では
更に流路通過面積が減少されて流速が大きくなり、しか
も、乱れ促進体６設置部では乱流促進が活発化し、胴側
の平均の熱伝達率ｈｓを左右する熱伝達相関係数Ｃは上
記数値よりも上昇し、次式のようになる。

Ｃ＝０．０２３　（１＋Ｃ’）　　　　　　　・・・（
４）ここで、Ｃ′〉０の関係があり、これは、管ピッチ
Ｐｔ、管外径ｄｏ、管配列法（口、Δ）、管支持部）材
の寸法、乱れ促進体の構造により決定される。

そこで、以上の関係より、熱交換器全体の性能は次式で
求まる。

＋　Ｒｓ　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）但
し、Ｕ　：総括伝熱係数（ｋＷ／ｒｒｒＫ）Ｋ、：管材
の熱伝導率（ｋ　Ｗ　／　ｍ　Ｋ　）Ｒ１：管側汚れ係
数（ｒｒｉＫ／ｋＷ）Ｒ３：胴側汚れ係数（ポに／ｋＷ
） これにより、胴側熱伝達率ｈｓの向上は、全体の総括伝
熱係数Ｕの増大に大きく影響する。

以上１本発明の性能向上法について、第１図（ｃ）より
説明する。まず１円筒７を設置することにより、ｉ側流
体の流れは並行になり、直交流平滑管の場合より一担性
能はダウンする。（Ａ→Ｂ）ところが、シェル内径より
も同筒を設置したことにより見かけ上のデッド・スペー
スが減少し管群に並行に流れる流体の平均の流速は増大
し、それに応じた性能向上（ｈｓｃｔｖｓｏ−’）が図
れる。

ＣＢ−＊Ｃ）、その上、ある間隔で乱れ促進体６を設置
し、並行流の場合の技術課程である温度境界層の破断が
行われ、数十％の性能向上が図られる。

（Ｃ−＋Ｄ）これと同時に、圧力損失を表わす管摩擦係
数ｆｓは最初の状！　（Ａ）に比べ、低減は出きなくて
も、それ程大きな損失をもたらすことはないと考えられ
る。

次に第二の実施例について第２図を用いて、説明する。

第２図（ａ）〜（ｃ）は、いずれも胴側流れを並行にす
るための構造である。

次に、管支持部材５の第三の実施例について説明する。

第３図（ａ）は、管群配列のまわりに薄いプレートをエ
ラグ・クレート状に配置したものであり、圧損低域には
最も適している。また、第３図（ｂ）は管支持部材５と
管３の間に管周りの流れが並行になるようなギャップを
設け、ここで胴側流れを縮少するような構造であり、こ
の場合、圧損が小さくなるような最適円形孔を定める必
要がある。そして第３図（Ｃ）は管群配列の管３を二種
、あるいは三種と多数まとめて胴側流体通過孔をあけた
場合である。

そして、最後に乱れ社運体構造の他の実施例について説
明する。第４図（ａ）は、胴側流体９が円滑に流れ、そ
の後、流端が乱れを促進するタイプ６のものであり、第
４図（ｂ）は他の実施例である。また、第４図（ｃ）は
コルゲート管内構造６を管外に設置したものであり、フ
ィン付き伝熱管に類似したものである。また、第４図（
ｄ）はドリッピングワイヤＣ層流はく離防止材）６状の
ものを設置した場合である１以上、これらの構造は伝熱
管外表面に直接加工を施さず、乱れ促進構造をはめ込み
設置したものであるため、本来の平滑管の寿命が低下す
ることなく、熱交換性能が向上する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、水−水車相流の熱交換器において胴側
流体の熱伝達率の向上と圧損の低減が図られ、それによ
り、管側、及び胴側の熱抵抗のバランスが１計１に近づ
き、全体の熱交換性能向上図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の多管式熱交換器の縦
断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）　Ｂ−Ｂ断面図、
第１図（Ｑ）は、本発明の性能向上を示す熱伝達、圧損
特性の説明図、第２図は本発明の第二の実施例の縦断面
図、第３図は本発明の第三の実施例の横断面図、第４図
は本発明の第四の実施例の縦断面図である。 １１ｉ１４１’ｌＬイｌルｘ’Ｊｋ　　Ｒ＜５　　　！
ｒ：ｌＪ　　Ｒ１’ｌイｌ’ｌ　３ｆｌｔ　Ｖｓ第３　
の （久） （ｂ） 椹３０ ＣＣ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、原子力発電プラント用熱交換器において、シェル・
   アンド・チューブ式熱換器のシェルと管群の間に内筒を
   設け、前記管群を前記シユルに固定するための支持部材
   をある間隔で設置し、前記支持部材間に乱れ促進体を設
   けたことを特徴とする多管式熱交換器。