JP2007212091A - シェルアンドチューブ型凝縮器 - Google Patents

Abstract

【課題】非共沸混合冷媒の循環組成に影響を与えにくいシェルアンドチューブ型凝縮器を提供する。
【解決手段】筒状の胴部１と、胴部の両端に設けられた第１と第２の仕切室２、３と、第１と第２の仕切室を連通して胴部内に設けられた複数の伝熱管６とを備えてなるシェルアンドチューブ型凝縮器において、流路断面積が小さい伝熱管内に非共沸混合冷媒を流通させることにより、冷媒の流速を大きくして、凝縮した液冷媒が未凝縮の冷媒蒸気を取り込んで伝熱管内を同等の速度で流し、未凝縮の冷媒蒸気が取り残されることなく凝縮器から排出させるようにして、冷媒の組成が封入時の冷媒組成からずれるのを抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シェルアンドチューブ型凝縮器に係り、具体的には、非共沸混合冷媒を用いた冷凍機又は空調機器の凝縮器に使用されるシェルアンドチューブ型凝縮器に関する。

冷凍機又は空調機器の凝縮器における冷媒凝縮過程においては、非共沸混合冷媒を用いた場合、二相域では飽和蒸気線上で最も高温であり、飽和液線上で最も低温となる。この温度勾配のために、冷媒と冷却水とが対向流になるような構造にすれば、冷却水と冷媒の温度差を確保でき、熱交換を効率よく行うことができる。

例えば、特許文献１には、円筒状容器のシェル（胴部）内の両端に仕切板（管板）で仕切った仕切室を形成し、両端の仕切室間を複数の伝熱管で連通させ、シェル内に冷媒を流通し、伝熱管内に冷却水を流通するシェルアンドチューブ型凝縮器において、シェル内の冷媒の流れと伝熱管内の冷却水の流れとが対向流となるように構成することが提案されている。つまり、複数の伝熱管を複数の伝熱管群に分け、伝熱管群ごとの冷却水の流れが逆向きになるように両側の仕切室に中仕切板を設けるとともに、シェル内の冷媒の流れが各伝熱管群の冷却水の流れと逆向きになるように、シェル内の各伝熱管群の間に邪魔板を配置し、シェル内に流入される冷媒の入口部に伝熱管群に流入される冷却水の出口部を配置し、シェル内から流出される冷媒の出口部に伝熱管群に流入される冷却水の入口部を配置して構成している。これによれば、シェル内の冷媒の流れと伝熱管内の冷却水の流れとが対向流となることから、冷却水と冷媒の温度差を確保でき、熱交換を効率よく行うことができる。

特開平１１−３２５７８７号公報（図１）

しかし、特許文献１のシェルアンドチューブ型凝縮器では、流路断面積ないし流路空間が大きなシェル側に冷媒を流す構成としていることから、非共沸混合冷媒を使用した場合、高沸点冷媒が先に凝縮して比重の大きな液冷媒がシェルの底部に溜まり、シェル底部から排出される冷媒の組成が富高沸点冷媒になり、凝縮器から排出される循環冷媒の組成が封入時の冷媒組成からずれて、冷凍性能に影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、非共沸混合冷媒の循環組成に影響を与えにくいシェルアンドチューブ型凝縮器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、筒状の胴部と、該胴部の両端に設けられた第１と第２の仕切室と、該第１と第２の仕切室を連通して前記胴部内に設けられた複数の伝熱管とを備えてなるシェルアンドチューブ型凝縮器において、前記伝熱管内に非共沸混合冷媒を流通し、前記胴部内に冷却流体を流通してなることを特徴とする。

すなわち、非共沸混合冷媒を流路断面積が小さい伝熱管内に流通させることにより、冷媒の流速が大きくなることから、凝縮した液冷媒が未凝縮の冷媒蒸気を取り込んで伝熱管内を同等の速度で流れることになる。その結果、未凝縮の冷媒蒸気が取り残されることがなくなり、凝縮器から排出される循環冷媒の組成が封入時の冷媒組成からずれるのを抑制できる。つまり、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、冷媒組成変動による性能低下を防止することができる。また、冷媒が伝熱管内を流れる流速が大きいことから、冷媒側の熱伝達率が向上し、凝縮性能を向上できる。

また、伝熱管の容積は、胴部の容積に比べて小さいから、凝縮器内の冷媒体積が小さくなるため、冷媒封入量を少なくできる。また、胴部内は伝熱管が占める領域を除いて冷却流体室となるため、高圧の非共沸混合冷媒を使用した場合でも、伝熱管と仕切室を構成する部分以外は、その冷媒に対応する耐圧仕様とする必要がない。そのため、特許文献１の従来技術に比べて、シェル部分の耐圧力を冷媒の高い圧力に合わせる必要がないことから、コストアップを抑えることができる。

上記の場合において、複数の前記伝熱管を複数の伝熱管群に分け、隣り合う前記伝熱管群に流れる流体の流れが互いに逆向きになるように前記第１と第２の仕切室に互い違いに中仕切板を設けるとともに、前記胴部内の流体の流れが各伝熱管群の流体の流れと互いに逆向きになるように、前記胴部内の各伝熱管群の間に邪魔板を配置し、前記胴部内に流通される流体の入口側に前記伝熱管群に通流される流体の出口側を配置し、前記胴部内に流通される流体の出口側に前記伝熱管群に流通される流体の入口側を配置して構成することができる。

これによれば、冷媒と冷却流体を対向流により熱交換できるから、冷媒の下流側で低温の冷却流体と熱交換でき、冷媒の過冷却度を取りやすく、冷凍サイクルの性能を向上できる。

また、各伝熱管群の間に配置される邪魔板は平板とすることができ、あるいは、円筒体で形成することができる。さらに、伝熱管群の流路面積は、非共沸混合冷媒の入口側よりも出口側を小さく形成することができる。すなわち、冷媒が凝縮するにつれて冷媒の体積が減ることから、入口側から出口側に至る伝熱管群の圧力損失を均等化できる。なお、冷却流体の流路面積は、冷却流体の上流側から下流側まであまり差がないことが望ましい。

本発明によれば、非共沸混合冷媒の循環組成に影響を与えにくいシェルアンドチューブ型凝縮器を提供することができる。

以下、本発明のシェルアンドチューブ型凝縮器を図示実施例により説明する。

図1に、本発明の実施例1のシェルアンドチューブ型凝縮器の軸方向の断面図を示し、図２に軸直交方向の断面図を示す。それらの図に示すように、本実施例のシェルアンドチューブ型凝縮器は、円筒状の胴部１と、胴部１の両端に設けられた第１と第２の仕切室２、３と、仕切室２、３を連通して胴部１内に設けられた複数の伝熱管６とを備えて構成される。仕切室２、３は、それぞれ管板４、５によって胴部１と仕切られている。

複数の伝熱管６は、複数の伝熱管群７ａ〜７ｆに分けられている。各伝熱管群７ａ〜７ｆは、それぞれ複数の伝熱管６から構成されるが、煩雑さを避けるため、図1では代表して１本の伝熱管で示している。隣り合う伝熱管群７ａ〜７ｆに流れる流体の流れは、図示白抜き矢印８に示すように、互いに逆向きになるように、仕切室２、３に互い違いに中仕切板９が設けられている。この中仕切板９により、仕切室２、３は、それぞれ小仕切室２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃに仕切られている。また、胴部１内の流体の流れが各伝熱管群７ａ〜７ｆの流体の流れと互いに逆向きになるように、胴部１内の各伝熱管群７ａ〜７ｆの間にそれぞれ邪魔板１０が配置されている。これにより、胴部１内に図示矢印１１に示す蛇行状の流路が形成される。

また、図において胴部１の下部壁に冷却水入口管１２が設けられ、上部壁に冷却水出口管１３が連通されている。そして、冷却水出口管１３に近い小仕切室２ａに非共沸混合冷媒の冷媒入口管１４が連通され、冷却水入口管１２に近い小仕切室２ｄに非共沸混合冷媒の冷媒出口管１５が連通されている。ここで、非共沸混合冷媒には、周知の非共沸混合冷媒を用いることができる。例えば、Ｒ４０７Ｃ（ＨＦＣ３２―ＨＦＣ１２５−ＨＦＣ１３４ａ）、二酸化炭素−炭化水素（例えば、プロパン）、炭化水素（例えば、プロパン）−炭化水素（例えば、イソブタン）、などが知られている。

このように構成される本実施例の凝縮器の動作について説明する。冷却水は、冷却水入口管１２から胴部１内の冷却水室１６に流入され、邪魔板１０によって仕切られた図示矢印１１のジグザグ状の流路を通って冷却水出口管１３から排出される。一方、図示していない圧縮機で圧縮された非共沸混合冷媒の冷媒蒸気は、冷媒入口管１４から小仕切室２ａに流入され、胴部１内の冷却水室１６に設置された伝熱管群７ａ内を通って小仕切室３ａに流入される。小仕切室３ａに流入された非共沸混合冷媒は流れの向きを変えて伝熱管群７ｂ内を通って小仕切室２ｂに流入される。このようにして、非共沸混合冷媒の冷媒蒸気は、小仕切室２ｂ→伝熱管群７ｃ→小仕切室３ｂ→伝熱管群７ｄ→小仕切室２ｃ→伝熱管群７ｅ→小仕切室３ｃ→伝熱管群７ｆ→小仕切室２ｄに流入し、冷媒出口管１５を通って冷凍サイクルに戻される。

非共沸混合冷媒の冷媒蒸気は、伝熱管群７ａ〜７ｆを流通する過程で、伝熱管群７ａ〜７ｆを構成する１本１本の伝熱管６の周りの冷却水と熱交換して冷却されて凝縮し、冷媒出口管１５から液冷媒として排出される。また、本実施例のシェルアンドチューブ型凝縮器では、非共沸混合冷媒と冷却水は、対向流により熱交換するようになっている。

ここで、非共沸混合冷媒の凝縮特性について、図３を参照して説明する。図３は、沸点が異なる２種類の冷媒Ａ、Ｂの非共沸混合冷媒の気液平衡線図を示したものである。図において、横軸はＡ／Ｂの組成を表し、縦軸は任意の温度を示している。このような非共沸混合冷媒の液相線と気相線は図示のようにずれがあり、冷媒の封入組成が図示の場合、任意の温度における液の組成とガスの組成が異なり、飽和域は気相線、液相線に沿って組成が変化する特性となっている。なお、温度勾配は、封入組成が気相線と液相線と交わる点の温度差である。

このような特性を有することから、特許文献１のシェルアンドチューブ型凝縮器では、図４に示す模式図のように、流路断面積が大きなシェル側に冷媒を流していることから、高沸点冷媒が先に凝縮して比重の大きな液冷媒がシェルの底部に溜まり、シェル底部から排出される冷媒の組成が富高沸点冷媒になり、循環冷媒の組成が封入時の冷媒組成からずれてしまうという問題がある。

この点、本実施例によれば、非共沸混合冷媒を比較的断面積の小さい伝熱管６内を流すようにしているため、特に、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、伝熱管６の上流側から下流側に向うにつれて、伝熱管６の内壁面側から冷媒の凝縮が進むことになる。このとき、伝熱管６内を流れる冷媒流速が大きいことから、凝縮した液冷媒が冷媒蒸気を取り込んで伝熱管内を同等の速度で流れることになる。また、非共沸混合冷媒では低沸点冷媒より高沸点冷媒のほうが凝縮しやすいが、伝熱管６内を冷媒が流れることで、高沸点冷媒が凝縮したのちには新たな高沸点冷媒の供給がないため、速やかに低沸点冷媒の凝縮がすすむ。その結果、未凝縮の冷媒蒸気が取り残されることがなくなり、非共沸混合冷媒の凝縮温度の違いによって凝縮器から排出される循環冷媒の組成が封入時の冷媒組成からずれるのを抑制できる。また、伝熱管６内の流速が大きくなるから、冷媒側の熱伝達率を向上させることができる。

したがって、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、冷媒組成変動による性能低下を防止することができる。また、最終的な冷媒液の高沸点冷媒の割合が多くなるのを防止でき、熱交換性能が落ちたり、高圧側圧力が高くなったりして圧縮機で消費するエネルギーが増加することを防止できる。

また、冷却水は邪魔板１０により流路断面積が小さくなるため、邪魔板１０がない場合と比較して、流速が大きくなり、冷却水側の熱伝達性能も向上する。

また、本実施例によれば、冷媒入口管１４を上部に設け、冷媒出口管１５を下部に設けているから、凝縮した冷媒液は冷媒蒸気より重いため下に流れやすく、冷媒は全体として上から下に流れやすい構造となっている。一方、冷却水入口管１２は冷媒出口管１５側に設けられ、冷却水出口管１３は、冷媒入口管１４側に設けられているから、温度の高い上流側の冷媒は、温度の高い下流側の冷却水と熱交換し、温度の低い下流側の冷媒は、温度の低い上流側の冷却水と熱交換する。したがって、冷媒と冷却水の流れが対向流になっているから、非共沸混合冷媒の二相域の温度勾配による性能低下を防ぐことができる。これにより、性能を確保する目的で冷媒と冷却水の温度差を大きくするために、凝縮器の下流側に設けられる蒸発器の入口温度を上げる必要がない。そのため、圧縮機の吐出圧力を上げる必要がないから、圧縮機の消費電力増大を防ぐことができる。

さらに、本実施例によれば、伝熱管群７ａ〜７ｆの容積は、胴部１の容積に比べて小さいから、凝縮器内の冷媒体積が小さくなり、冷媒封入量を少なくできる。その結果、冷媒の廃棄時や漏洩時の地球環境へのリスクを低減できる。

また、胴部内は伝熱管が占める領域を除いて冷却流体室となるため、高圧の非共沸混合冷媒を使用した場合でも、伝熱管と仕切室を構成する部分以外は、その冷媒に対応する耐圧仕様とする必要がない。そのため、特許文献１の従来技術に比べて、シェル部分の耐圧力を冷媒の高い圧力に合わせる必要がないことから、コストアップを抑えることができる。

図６、図７に、本発明のシェルアンドチューブ型凝縮器の実施例２の断面図を示す。図６は、本実施例の軸方向の断面図であり、図７は、本実施例の軸直角方向の断面図である。それらの図に示すように、本実施例が実施例１と相違する点は、伝熱管群７ａ〜７ｅの断面積を、冷媒の上流側ほど大きく、下流側ほど小さくしたことにある。また、伝熱管群７ａ〜７ｅのパス数が奇数となった関係で、冷却水出口管１３と、冷媒入口管１４の位置を反対側に変更している。その他の点は、実施例１と同一であることから、同一の符号を付して説明を省略する。

すなわち、冷媒最上流側の伝熱管群７ａの断面積は、最下流側の伝熱管群７e断面積の例えば２〜１０倍になっており、比体積の大きい冷媒蒸気が多い上流側と比体積の小さい冷媒液が多い下流側とで冷媒流速を同等レベルにでき、熱交換器全体を有効に活用できる。

ここで、伝熱管群７ａ〜７ｅの断面積を上流側と下流側とで変化させたが、冷却水流路の断面積は、冷却水流速を一定にするために上流側から下流側まで変化がないほうが望ましい。つまり、冷媒上流側の伝熱管群の配管本数は多くするが、冷却水流路の断面積が同じレベルになるように、邪魔板１０の位置を設定する必要がある。冷却水流路の断面積の変動がないことで、冷却水の圧力損失の増加が防止できる。

図８、図９に、本発明のシェルアンドチューブ型凝縮器の実施例３の断面図を示す。図８は、本実施例の軸方向の断面図であり、図９は、本実施例の軸直角方向の断面図である。それらの図に示すように、本実施例が実施例１と相違する点は、伝熱管群のパス数を２としたこと、及び邪魔板１０を円筒体にしたことにある。

すなわち、伝熱管群７ａ、７ｂは、円筒体の邪魔板１０の内側と外側の２つに分かれている。邪魔板１０を平板に比べ変形に強い円筒型とすることで構造が単純化できる。

図１０、図１１に、本発明のシェルアンドチューブ型凝縮器の実施例４の断面図を示す。図１０は、本実施例の軸直角方向の断面図である。図示のように、邪魔板１０によって冷却流体流路が４つに分割されている。図１1は、邪魔板１０の部分の斜視図を示す。図１１に示すように、邪魔板１０は、冷却水の流れ１８が４つの冷却流体流路を直列に流れるように形成されている。また、伝熱管群の冷媒の流れの向きは、冷却水の流れとは逆向きであり、対向流配置となっている。

本実施例によれば、冷媒上流側より冷媒下流側の伝熱管群の断面積が小さいから、冷媒の流速を上流から下流まで同等レベルにできる。また、邪魔板１０を平板を組み合わせた構造とすることで、邪魔板１０の強度が増す利点がある。

図１２に、本発明のシェルアンドチューブ型凝縮器の実施例５の軸方向の断面図を示す。本実施例が、図６の実施例２と相違する点は、邪魔板１０を胴部１の軸方向に直交する方向に配置し、冷却水の流路を軸方向にジグザグに形成したことにある。これにより、冷却水出口管１３と冷媒入口管１４との関係、及び冷却水入口管１２と冷媒出口管１５との関係は、対向流となっているが、その他の部分の冷却水流路と伝熱管６との関係は、十字流となる。

本実施例によっても、実施例１と同様に、非共沸混合冷媒を比較的断面積の小さい伝熱管６内を流すようにしているため、伝熱管６内の流速が大きくなり、冷媒側の熱伝達率を向上させることができる。特に、伝熱管６の上流側から下流側に向うにつれて、伝熱管６の内壁面側から冷媒の凝縮が進むことになるが、伝熱管６内を流れる冷媒流速が大きいことから、凝縮した冷媒液が冷媒蒸気を取り込んで伝熱管内を同一レベルの速度で流れることになる。また、非共沸混合冷媒では低沸点冷媒より高沸点冷媒のほうが凝縮しやすいが、伝熱管６内を冷媒が流れることで、高沸点冷媒が凝縮したのちには新たな高沸点冷媒の供給がないため、速やかに低沸点冷媒の凝縮がすすむ。その結果、凝縮しなかった冷媒蒸気が取り残されることがなくなり、非共沸混合冷媒の凝縮温度の違いによって、凝縮器から排出される循環冷媒の組成が封入時の冷媒組成からずれるのを抑制できる。したがって、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、冷媒組成変動による性能低下を防止することができる。また、最終的な冷媒液の高沸点冷媒の割合が多くなるのを防止でき、熱交換性能が落ちたり、高圧側圧力が高くなったりして圧縮機で消費するエネルギーが増加することを防止できる。

本発明の実施例１のシェルアンドチューブ型凝縮器の軸方向の断面図を示す。 実施例１の軸直交方向の断面図を示す。 沸点が異なる２種類の冷媒Ａ、Ｂの非共沸混合冷媒の気液平衡線図の例である。 特許文献１のシェルアンドチューブ型凝縮器に非共沸混合冷媒を使用したときの問題点を説明する模式図である。 本発明の実施例１の効果を説明する図である。 本発明の実施例２のシェルアンドチューブ型凝縮器の軸方向の断面図を示す。 実施例２の軸直交方向の断面図を示す。 本発明の実施例３のシェルアンドチューブ型凝縮器の軸方向の断面図を示す。 実施例３の軸直交方向の断面図を示す。 本発明の実施例４のシェルアンドチューブ型凝縮器の軸直交方向の断面図を示す。 実施例４の冷却水の流れを説明する斜視図である。 本発明の実施例５のシェルアンドチューブ型凝縮器の軸直交方向の断面図を示す。

符号の説明

１ 胴部
２、３ 仕切室
４、５ 管板
６ 伝熱管
７ａ〜７ｆ 伝熱管群
９ 中仕切板
１０ 邪魔板
１２ 冷却水入口管
１３ 冷却水出口管
１４ 冷媒入口管
１５ 冷媒出口管

Claims (6)

1. 筒状の胴部と、該胴部の両端に設けられた第１と第２の仕切室と、該第１と第２の仕切室を連通して前記胴部内に設けられた複数の伝熱管とを備えてなるシェルアンドチューブ型凝縮器において、
   前記伝熱管内に非共沸混合冷媒を流通し、前記胴部内に冷却流体を流通してなることを特徴とするシェルアンドチューブ型凝縮器。
2. 請求項１に記載のシェルアンドチューブ型凝縮器において、
   複数の前記伝熱管を複数の伝熱管群に分け、隣り合う前記伝熱管群に流れる流体の流れが互いに逆向きになるように前記第１と第２の仕切室に互い違いに中仕切板を設けるとともに、前記胴部内の流体の流れが各伝熱管群の流体の流れと互いに逆向きになるように、前記胴部内の各伝熱管群の間に邪魔板を配置し、前記胴部内に流通される流体の入口側に前記伝熱管群に通流される流体の出口側を配置し、前記胴部内に流通される流体の出口側に前記伝熱管群に流通される流体の入口側を配置してなることを特徴とするシェルアンドチューブ型凝縮器。
3. 請求項２に記載のシェルアンドチューブ型凝縮器において、
   前記各伝熱管群の間に配置される邪魔板が平板であることを特徴とするシェルアンドチューブ型凝縮器。
4. 請求項２に記載のシェルアンドチューブ型凝縮器において、
   前記各伝熱管群の間に配置される邪魔板が円筒体であることを特徴とするシェルアンドチューブ型凝縮器。
5. 請求項２乃至４のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型凝縮器において、
   前記伝熱管群の流路面積は、前記非共沸混合冷媒の入口側よりも出口側が小さく形成されてなることを特徴とするシェルアンドチューブ型凝縮器。
6. 請求項１に記載のシェルアンドチューブ型凝縮器において、
   複数の前記伝熱管を複数の伝熱管群に分け、隣り合う前記伝熱管群に流れる流体の流れが互いに逆向きになるように前記第１と第２の仕切室に互い違いに中仕切板を設けるとともに、前記胴部内に前記伝熱管が直交する複数の邪魔板を配置し、該複数の邪魔板により前記胴部内に流通される流体流路を蛇行させてなることを特徴とするシェルアンドチューブ型凝縮器。

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