JPS63123996A - 等曲率みぞつき伝熱面 - 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】 臭化リチウム水溶液を使用する吸収式冷凍機の再生器や
吸収器、沸点の異なる二種以上の混合液を使用する圧縮
式ヒートポンプの蒸発器や、凝縮器、多種類成分の石油
分溜器、食品の濃縮器、などでは、伝熱面の表面を多成
分流体の液膜を流下させながら蒸発、濃縮、再生、分溜
、凝縮、吸収等の伝熱操作を行なう場合が極めて多い。

従来は、これらの伝熱面には主としてｔＡｆｆｉもしく
は垂直の裸円管が用いられてきたが、最近は伝熱量を増
して装置をコンパクト化する目的で、各種のみぞや凹凸
をつけた伝熱面が試みられている。

そもそもみぞつき伝熱面は、純水や純アルコールや純フ
ロンなどのように単一成分流体の相変化つき伝熱面とし
ては、効果が大きいことはよく知られているが、上記の
ような多成分流体の相変化を扱う場合はその効果があま
り大きくなく、その伝熱増進率は、みぞによる表面積増
加分に達しない場合が多く、ときにはかえって低下する
。

このように従来のみぞっき伝熱面では多成分系の流体の
相変化つき伝熱装置にあまり効果的でない理由を説明す
るため、第１図に濃厚な臭化リチウム水溶液を表面を流
下させながら外部より純水蒸気を吸収している、矩形み
ぞつきの冷却伝熱面の側面図と作動状況を示し、第２図
には、沸点の異なる二種のフロンを混合した液を表面を
流下させながら主として低沸点フロンを蒸発させている
Ｖ型みぞつき伝熱面の断面図と作動状況を示す。

両図において、１は伝熱面本体、２，３．４等は矩形み
ぞ、５．Ｌ７等はＶ字形みぞ、８，９等は上方よりの滴
下液、１０．１１等は蒸気である。

しかるときは、第１図のものではみぞの下方向ずみの１
２．１３等のすみ部分、第２図のものではみぞの底ずみ
部１４．１５等に、それぞれ曲率半径が極めて小さい折
れ曲り部分があるので、液膜が表面張力の作用でそれら
のすみ部分に集中して厚い液膜を形成するとともに、他
の平滑部分の１６．１７．＋８．１９．２０等では液膜
が極めて薄くなる、すなわち液膜厚さに不均一が生じて
一部に薄膜化、他に厚膜化が生ずる。

さて、一般に純水や純アルコールや、＋１１−成分のフ
ロンのように沸点の定まっている単一成分の流体ではそ
の蒸発や凝縮の場合、液膜表面は飽和温度に保たれて一
定であるので、液膜が薄くなるほど伝熱面からの熱流束
は増大し、第１図や第２図のような伝熱面では、液膜が
薄膜化した部分の伝熱量が増大するので、全体としてみ
ぞの伝熱増進効果は大きかった。しかし・本発明の対象
としている多成分の混合液や水溶液では、液膜が薄いと
きには液膜内の濃度変化が急速に生ずるので表面の飽和
温度すなわち沸点が変化して熱流束がすぐに低下する。

たとえば第１図のものではＩＥｉ、１７，１８等の薄膜
部の液は、蒸気を吸収して薄い水溶液となり、沸点降下
して冷却水との温度差を失い熱流束がすぐ低下する。

また第２図のものでは１９．２０等の薄膜部の混合液は
その中の低沸点フロンを先にまず蒸発させるので沸点が
上昇し、加熱源との温度差を失って熱流束がすぐ低下す
る。また液膜が厚すぎると液表面と壁面の間の熱伝導が
低下するのでやはり熱流束が低くなる。よって第１図と
第２図に示したような従来のみぞつき伝熱面では、多成
分流体にたいしては、そのみぞの存在による表面積増大
にもかかわらずあまり全体としての伝熱効果の増大は少
ない。

本発明は、このように沸点の変化しやすい多成分流体の
液膜による伝熱操作を行なうみぞに対しては、そのみぞ
の表面に液膜の部分的集中による厚膜化や薄膜化が生じ
ないことが重要であるとの見地から、それを達成するた
め、みぞの内表面の曲率、すなわち局所的な二次元曲率
を全面にわたって均等とするような形状のみぞを作り、
もってみぞの内面に液がいつも薄すぎず、厚すぎず均等
厚さで拡がって全面で良好な多成分流体の伝熱操作を可
能とする等二次元曲率みぞつき伝熱面に関するものであ
る。

図によって本発明を説明する、第３図は円筒面状の伝熱
面本体１の外面に、本発明による等二次元曲率みぞを形
成させたみぞつき伝熱面の一実施例の側面図である。０
０°は伝熱面本体の中心線であり、２１は冷却水もしく
は加熱水を通す通路であり、２２．２３．２４等は伝熱
面本体１の外面に回転対称状に切削形成した等二次曲率
みぞである。また２５．２６．２７等はみぞにはさまれ
て形成される伝熱ひれの先端を示す。

ついで第４図に第３図のみぞ２２の一部の表面の略図を
示す、同図に示されるような、みぞ２２の内面のくらが
た表面２８の上の任意の一点Ｐの二次元曲率半径をｒ　
とすると、ｒ　はＰを通ｐ る軸方向の表面母線Ａの曲率半径ｒＡと、八に直交する
表面母線Ｂの曲率半径ｒＢとから次式％式％ 本発明はこの「　の値がみぞの内表面２８のすべての場
所で同じ値をとるような曲面でみぞを形成させるもので
ある。

その曲面のきめ方は色々あるが、とくに第３図の実施例
のような回転体形状のさいは数学的計算できめることが
できる。

いま第５図に伝熱面から回転体形式のさいのみぞの断面
形状のきめ方を示す線図を示す。いま図のようにみぞの
中央最底部の点をＮとし、Ｉの直下の中心線上に０点を
とり、０点より中心軸方向にＸ軸、ＯＭの方向にＹ軸を
とり、断面の曲線Ａ’ＭＡをｙ＝ｙ（ｘ）となる関数で
与えるものとする。

しかるときは、この曲線Ａ’ＭＡ上に任意の点Ｐをとる
とき、Ｐにおける曲線Ａ’ＭＡの曲率半径「いと、Ｐを
通って曲線Ａ’ＭＡに垂直な母線の曲率半径ｒＢとは、 ｒＡｍ　ｌ／ｃｏｓθ（ｄ　２　ｙ／ｄｘ　２　）　−
−−（２）ｒＢｍ　ｙ／ｃｏｓ　θ・・・・・・・・・
・・・・・・町・・・・・・・・（３）で与えられる。

ここでθは図のようにＰ点における断面曲線である。

よって（１）ないしく４）式より、ｙ＝ｙ（ｘ）をきめ
となる。

ＣＯは一定値であって、とくに片点における断面母曲線
Ａ’ＭＡの曲率半径をｒ）４とし、Ｈ点のｙ座標、つま
りみぞの谷底半径をｒ　とするときは、である。

式（５）（６）は級数解、図式解法、等でも解けるがコ
ンピューターによれば容易に解ける。

−例として、第６図に計算機によって＝１゛算されたみ
ぞ断面のｙ−ｙ（ｘ）曲線の形状例ＭＡ＋　、　Ｍ＾２
゜ＭＡ３を示す。図のようにみぞの形状はだえんの下半
分の形によく似た形を与えている。

本発１σ１によるみぞを作るのに最も簡単で近似的な方
法はたえん形の刃先でみぞを切削すればよく、とくにみ
ぞのピッチや高さがみぞの谷底径に比べて十分少さいと
きは近似の程度は高くその極限は半円形となる。

また逆にみぞのピッチや高さが十分大きくて、（６）式
のＣｏの値がマイナスとなるときは断面形状は双曲線状
となる。

ついで本発明の詳細な説明する。第７図に第３図の伝熱
面を吸収冷凍機の吸収伝熱面に使用している状況を示す
が、同図では上方の液供給管２８にあけた多数の小孔２
９．３０等より１ａい臭化リチウム水溶液が上方よりふ
りかけられていて、等二次元曲率を有するみぞ２２．２
３．２４等の内面には液膜３１，３２．３３等が形成さ
れるが、みぞの内表面の二次元曲率が均一であることか
ら液膜が局所的に集中することがなく、液膜の厚さはみ
ぞの内面に均等なＩ’％さて拡がり、よって吸収熱伝達
は全面にわたってつねに活発さを保ち、所期の目的を達
する。またスケールの耐着も少ない。

本発明によるみぞでは液膜が均一厚さとなりよく全面に
拡がることは、大気中でインク液を等二次元曲率みぞに
流下させる実験でよく実証されており、その拡がりとぬ
れのよいことはおとろくばかりである。

また熱伝達率が多成分液の蒸発の場合従来の矩形みぞな
どより良好であることも実験によって明らかになりつつ
ある。

ついで本発明の他の実施例として、第８図に細かいピッ
チの半だえん形のみぞ、をねじ状に切った本発明の伝熱
面の一実施例を示す。

第８図のものでは、＄４．３５．３６等は細かいピッチ
で円筒形の伝熱面本体１の外面に切削されたねじみぞつ
き伝熱面であり、このねじみぞの断面は方程式（５）を
十分近似的に満足する半だえん３７の下半分の形状をも
っているように形成させである。

このさいみぞがねじ状であってもそのピッチが十分細か
ければ実用上方程式（５）の近似解によるものをもって
来ても十分効果がある。

ついで第９図に垂直円筒状伝熱面の外面に垂直に断面が
甲円形のみぞを多数軸に平行に切削した本発明の一実施
例を示す。また第１０図に、第９図の伝熱面の水平断面
の部分図を示す。

第９．１０図の両図のものでは、そのみぞ３８゜３９等
の断面形状は完全な円形の一部であって、しかもそのみ
ぞの内面は半円筒状となるので、これらのみぞは明らか
に等二次元曲率みぞとなる。

いま任意の多成分蒸気４０．４１等がみぞの内面で凝縮
するときは、主として高沸点成分の液膜４２．４３．４
４等がみぞ内面で形成されるがこれらはみぞ内を均一な
厚さをもちつつ流下し、局所的な液の厚膜化や薄膜化は
生ぜず全面で活発な凝縮が継続される。

従来より、主として単一成分の流体の凝縮のために垂直
な円管の外面に各種の形状の垂直みぞを切削したものは
多く存在したが、本発明のように正確な゛ト円形のみぞ
を形成したものはない。円形以外の断面形状のみぞでは
、液膜の厚さの不均一が生ずるので多成分系の流体には
不向きである。

以上のように本発明は多成分流体の液膜より蒸発、濃縮
、＋＋ｊ生、分溜、凝縮、吸収、等の相液化と物質伝達
を伴なう伝熱面にないし、その対象とする装置が、吸収
冷凍機やヒートポンプ、圧縮式冷凍機やヒートポンプ、
海水淡水化装置、石油分溜装置、ジュース等の食品濃縮
装置、濃度差エンジン等、いかなるものであっても、液
膜の厚さを均等に保って相変化の熱伝達と物質伝達を活
発に保つことのできる等二次元曲率みぞつきの伝熱面に
関するものであり、みぞの内面が正確に、もしくは十分
近似的に均一な二次元曲率を白°するものであれば円管
、平板、薄肉転造管、曲管等いかなる面の上に形成され
てもよく、また多成分系流体を使用する伝熱装置であれ
ばいかなる装置に用いられてもよい。　またその向きは
垂直、水平、斜めのいずれでもよく、回転、振動や静電
場付加等が与えられていてもよい。

また本発明による等二次元曲率みぞつき伝熱面に使用さ
れる流体に任意の表面活性剤等の添加剤を添加してマラ
ゴニ効果などで液膜の内部攪拌効果を増すことを併用す
ることは大いに効・果があるので推奨できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は濃厚な臭化リチウム水溶液を表面を流下させな
がら外部より純水蒸気を吸収している矩形みぞつきの冷
却伝熱面の側面図と作動状況であり、第２図は沸点の異
なる二種類のフロンを混合した液を表面を流下させなが
ら主として低沸点フロンを蒸発させているＶ型みぞつき
伝熱面の断面図と作動状況を示す。 第３図は円筒面状の伝熱面本体１の外面に、本発明によ
る等二次元曲率みぞを形成させたみぞつき伝熱面の一実
施例の側面図であり、第４図は第３図のみぞ２２の一部
の表面の略図を示し、第５図にはみぞの断面形状をきめ
るための座標と線図を示し、第６図に計算機によって計
算されたみぞ断面曲線の形状例を示す。また第７図には
、第３図の伝熱面を吸収冷凍機の吸収伝熱面に使用して
いる状況を示す。 ついで第８図に細かいピッチで半だえん形のみぞをねじ
状に切削した本発明の一実施例を示す。 また第９図に垂直円筒状伝熱面の外面に垂直に断面が半
円形のみぞを多数、軸に平行に切削した本発明の一実施
例を示し、第１０図に第９図の伝熱面の水平断面の部分
図を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. その表面を、沸点の異なる二種類以上の成分を含む多成
   分流体の液膜を流下もしくは滴下させながら、該流体の
   蒸発、濃縮、再生、分溜、凝縮、吸収、等の相変化と物
   質伝達を伴なう伝熱操作を行なうみぞつき伝熱面におい
   て、該みぞの内表面を、その局所的な二次元曲率がその
   内表面の全面にわたって均等となるような曲面形状とさ
   せ、もって該流体の液膜が表面張力の作用で該みぞの内
   表面全体に均等な厚さで、良好に拡がることにより、と
   くに多成分流体の相変化にたいして高い伝熱性能を発揮
   する等二次元曲率みぞつき伝熱面。