JP3138438B2 - 蒸気圧縮冷却システム - Google Patents
蒸気圧縮冷却システムInfo
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Description
めのシステムに関する。特に、本発明は、システムの蒸
発器が満液方式で作動するセクションと流下液膜式方式
で作動するセクションとを有する水などの液体を冷却す
るための蒸気圧縮冷却システムに関する。
水を冷却するための蒸気圧縮冷却システムは、空調の用
途に広く用いられる。このようなシステムは、通常35
0キロワット(100トン)以上の大きな冷却容量を有
し、オフィスビル、大型ストアおよび船などの大型の構
造物を冷房するために用いられる。チラーを採用する一
般的な用途において、システムには、チラーの蒸発器か
ら冷却されるべき空間に配された数多くの空気/水熱交
換器へ水を循環させる冷却水フロー閉ループが含まれ
る。
おける液体のプロセス冷却装置が挙げられる。図1は、
従来の典型的なチラー10の一般的配列を示す。チラー
10において、冷媒はコンプレッサ12からコンデンサ
14と膨張器16と蒸発器18とそしてそこからコンプ
レッサ12に戻る閉ループを流れる。コンデンサ14に
おいて、冷媒は、冷媒と熱交換関係にて流入する液体に
対して熱を移動させることで冷却される。この流体は、
一般的に供給源20から供給された水である冷却流体で
ある。蒸発器18において、概略的に符号22で示され
たループからの水は冷媒に対して熱交換関係にて流入
し、冷媒に熱を移動させることにより冷却される。
チューブタイプの熱交換器、即ち管形熱交換器である。
管形熱交換器は、一般的にチューブバンドルと呼ばれる
複数のチューブが納められた外部シェルを備える。水な
どの冷却されるべき液体はチューブバンドルを流れる。
沸騰に要するエネルギーは、チューブ間を流れる水から
熱として得られる。熱が奪われると、冷却水は空調のた
めまたは液体冷却プロセスに用いられる。従って、蒸発
器シェル内で行われる熱交換を最適化することがチラー
の設計の主目的となる。
面とガス状の同一物質との熱交換率よりも高い。このた
め、効果的かつ有効な熱伝達を実行するには、チラーが
作動している間、液状冷媒で覆われたまたはぬらされた
状態にチラー蒸発器内のチューブを保持することが重要
である。従来のチラー蒸発器のほとんどは、蒸発器の作
動中、「満液モード」として知られている方法によって
チューブをぬれた状態に保持する目的を達成する。
液状冷媒の液位より下になるように蒸発器シェル内の液
状冷媒の液位を十分に高くしている。図2は、冷媒液位
28よりチューブすべてが下に位置する満液状態で作動
しているチラー24を概略的に示す。満液状態における
チラーの作動により確実にすべてのチューブがぬらされ
るが、これは特に大容量のチラーでは比較的多量の冷媒
を必要とする。冷媒のコストが低い場合には、あまり重
要ではないが、コストが増加するにつれ必要とされる冷
媒の量が大きなコスト要因となる。これはチラーに必要
な冷媒を充填する際における初期費用のみならず、チラ
ーの寿命にわたって維持費および取換えの費用にも影響
を与える。
t)に代わるものとして、新たな冷媒がこのようなチラ
ーにおける利用のために導入されている。塩化冷媒は、
大気のオゾン層を極端に減少させることが分かりもはや
使用されていない。そのような新たな冷媒は、代替され
る以前のものよりかなり高価である。結果として、チラ
ーのシステムを充填するに必要な冷媒の量を減らすこと
は、大きな費用削減のみならず、より環境に優しい製品
を製造するというニーズを満たす助けとなる。
として、「流下液膜式」蒸発器として知られるものを使
用することが挙げられる。流下液膜式蒸発器のコンセプ
トは、冷媒とチューブの外面との熱伝達が主として対流
と伝導とによるものであるということと、適切な熱伝達
は液状冷媒のプールにチューブを浸すことによってだけ
でなく、液膜をチューブの外部表面に連続して補給する
ことによって得られるということを前提としている。し
たがって、液状冷媒に浸すことによってチューブをぬら
すよりも、液状冷媒の流れをチューブに分配する手段を
採用することで、チラーに必要とされる冷媒の使用量を
減少させコストを低減できる。
の膜でチューブの表面をぬれた状態に保ち、これにより
全部のチューブバンドルを液状冷媒に浸す必要なくして
蒸発器の有効な熱伝達が確保される。このような流れ
は、蒸発器のチューブバンドルにおける上方のチューブ
に液状冷媒をスプレーすることにより達成される。そし
て冷媒は、上方のチューブを覆い、重力の流れによって
下方のチューブに流下する。このため、このような熱交
換器を「流下液膜式」蒸発器と呼んでる。流下液膜式蒸
発器において非常に重要なことは、上の方で冷媒のすべ
てが蒸発して下の方にぬれていないチューブを残すこと
がないようにチューブバンドルにわたる液状冷媒の十分
な流れがあり、これにより熱伝達に悪影響をおよぼすこ
とがないことである。
とつの要因として、液体の表面張力が挙げられる。一般
的に、表面張力が低ければ低いほど、液体が、表面をぬ
らす傾向が強くなる。たとえば、水は比較的高い表面張
力を有し、よって湿潤剤としては比較的劣っている。広
く使われている冷媒には、非常に低い表面張力、すなわ
ち華氏26.6度において1センチにつき30ダイン以
下の表面張力を有し、よって優れた湿潤力を有するもの
がある。そのような冷媒としては、R−134A、R−
410A、R−407C、R−404およびR−123
などが挙げられる。
力を有する冷媒を用いた場合は、特にチューブに分配さ
れる冷媒の量が蒸発器を流れる冷媒の総流量と等しい場
合、受けいれ可能なコストでは十分な熱伝達が得られな
いことが分かった。蒸発器を流れる総流量に対する分配
冷媒流量を比較するために再循環比が用いられる。これ
らの流量が等しい場合には、循環比は1に等しいと言え
る。流下液膜式蒸発器におけるチューブ全体に対して十
分な液状冷媒フローを生じさせるために、従来から周知
の方法として、蒸発器シェル内で冷媒を再循環するため
の機械的ポンプを設ける手法が知られている。
液膜式の蒸発器30を概略的に図示する。図2に示され
た満液式蒸発器と比較すると、膨張器16から流れる冷
媒は、蒸発器シェル36へ供給ライン35を経由して入
り、チューブ40の最上部の上に配される、通常スプレ
ーデッキ38として知られた分配器へ流れる。再循環ポ
ンプ42を有する再循環回路はライン44を経由して蒸
発器シェルの底部から液体冷媒を引き出し、ライン46
を経由して供給ライン35へ送る。供給ラインで冷媒は
再度スプレーデッキ38を介して分配される。このよう
にして、再循環システムは、スプレーデッキ38を流れ
る十分な流れを確保し、確実にチューブをぬれた状態に
保つ。
発システムにおいては、蒸発器内の液状冷媒のプールの
液位48がチューブバンドル内の最下チューブの下にな
った状態ですべてのチューブがぬれた状態に保たれる。
バンドルのすべてのチューブが確実にぬれるようにする
には、再循環比率(スプレーデッキの流量と蒸発器を流
れる総流量との比)がおよそ10対1となるようにす
る。チューブが浸水されることなく蒸発器が有効に作動
可能であるので、そのようなシステムを充填するに必要
な冷媒の量は、満液状態で作動する蒸発器を有するシス
テムと比べると相当に減少される。しかしながら、再循
環システムの付加的費用、特にポンプは、冷媒の量を減
少させたことによるコスト削減の分を打ち消しかねな
い。
点として、費用の増加、低い信頼性、そして高い維持費
が挙げられる。それほど明らかではないが極めて重要な
ことは、付随的な電力消費量の増加、再循環ポンプを必
要とするチラーにおける正味資材利用(net materials
utilization)の悪化である。特に、流下液膜式蒸発器
において完全なぬれを確保するようポンプが用いられる
場合、付随的電力消費量は、チラーの電力消費量におけ
る約1%から2%の増加を引き起こし、これは今日の高
能率チラーの市場においては著しい増加と考えられ、ま
た地球温暖化の観点から確実な欠点である。
作し、一部が満液方式で動作する蒸発器を有するチラー
システムを提供することである。
で流下液膜式と満液式を結合させた蒸発器を作動させる
ことである。
する第1の通路と流下液膜式で動作する第2の通路とを
有する二路式蒸発器を作動させることである。
の伝熱チューブはくぼみ形空胴タイプの伝熱チューブで
あり、第2の通路内の伝熱チューブはコンデンサタイプ
の伝熱チューブであるチラーシステム用二路式蒸発器を
提供することである。
作する第1の通路と流下液膜式で動作する第2の通路と
を有する二路式蒸発器であり、両方の方式においてシン
グルチューブタイプが最適な熱伝達を行う二路式蒸発器
を提供することである。
の目的は、コンプレッサとコンデンサと膨張器と蒸発器
とを含む液体を冷却するための蒸気圧縮冷却システムに
より達成される。コンプレッサとコンデンサと膨張器と
蒸発器とは、直列に相互連結して冷媒が循環するための
冷媒フローの閉ループを形成している。システムの蒸発
器は、上端と、下端と、冷媒入口と、出口と、をそれぞ
れ有する外部シェルを含む。蒸発器はさらに、外部シェ
ルに収容された複数のほぼ水平な伝熱チューブを含む。
伝熱チューブの少なくとも一部はシェルの上端に隣接
し、チューブの少なくとも一部はシェルの下端に隣接す
る。チューブは、冷却される液体がこれらのチューブを
流れるように形成されている。
ェルを通過する冷媒を受け、外部シェルの上端に隣接し
て配される伝熱チューブに冷媒を分配する手段を含む。
冷却システムの冷媒フロー閉ループは、外部シェル内の
冷媒の液位が冷却システムの安定した状態の運転時に水
平チューブの少なくとも25パーセントが液状冷媒に浸
るような液位に保持されるよう構成される。液状冷媒に
浸されていない水平チューブは、流下液膜伝達モードに
て作動する。そのような安定した運転の際、分配手段を
流れる冷媒の流量は、冷媒入口から冷媒出口に流れる冷
媒の総流量よりも多くはならない。
るべき液体が外部シェルを経由して2つの通路を形成す
るタイプのものである。第1の通路はシェルの下端に隣
接する水平伝熱チューブの第1のグループを経由し、第
2の通路は水平チューブの第2のグループを経由する。
面を用いて次の詳細な説明から明らかにされる。なお添
付の図面において同一または相当部材には、同一の符号
を付している。
満液ハイブリッド蒸発器50を組み入れたチラー10を
概略的に示す。チラー10は、冷媒がコンプレッサ12
からコンデンサ14、膨張装置16、蒸発器50を流
れ、その後コンプレッサ12へ戻る標準の冷媒フローの
閉ループを採用する。
複数の水平伝熱チューブ54が貫通する外部シェル52
を含む。さらに図5を参照すると、図示された実施例で
は、蒸発器は、水缶56を一端に有し、入口部60と出
口部62とに分割する仕切り58を有する二路式タイプ
の蒸発器である。入口部60は入口64と、出口部62
は出口66とにそれぞれ連通する。入口64を経由して
入口部60へ流入した水は、蒸発シェル50の下端に隣
接する第1のチューブグループ68を経由して反対側の
端部70へ流れる。ここで水は方向を反転し、シェルの
上端に隣接する第2のチューブグループ72を経由して
水缶56の出口部62へ戻り、ここで出口導管66を経
由して水缶から排出される。周知の通り、所望に応じ
て、より多くの仕切りを用いていくつかの別個でかつ相
互に連結されたグループにチューブを分割することで、
シェル52を通る水の通路を2つ以上得ることも可能で
ある。
冷媒入口74を経由して蒸発器50の外部シェル52に
流入し、蒸気シェルからは主に気体状態で冷媒出口76
を経由して流出する。
入口導管78を介して入口74を経由して蒸発器に流入
した冷媒は、チューブ72の第2のグループの最上位置
の上に横たわるように配された分配システム80を通
る。分配システムは、一連のスプレーヘッドもしくはノ
ズル82からなる。スプレーヘッドもしくはノズルは、
蒸発器シェルを通るすべての冷媒がチューブの最上部へ
適切に分配または吹き付けられるようにチューブの最上
位置の上に配される。
冷媒の充填および冷媒フローの閉ループの全体設計で
は、外部シェル52内の液状冷媒の液位51がシェルの
下端近くの水平伝熱チューブの少なくとも25パーセン
ト(%)が液状冷媒に浸されるような位置に保持される
ように設定される。
は、蒸発器50は、満液熱伝達方式で作動する蒸発器の
下側部分に配されたチューブで動作する一方、液状冷媒
に浸されていないチューブは流下液膜式熱伝達方式で作
動する。
最適な熱伝達が行うためには、すべての伝熱チューブを
常に十分にぬらすことが非常に重要である。この結果を
達成するには、本発明による流下液膜/満液蒸発器は、
冷却システムの安定した動作時に25パーセントから7
5パーセントの水平伝熱チューブが液状冷媒に浸された
状態で作動する。好ましい実施例では、システムは、冷
却システムの安定した状態において約50パーセントの
伝熱チューブが液状冷媒に浸されるように設計される。
タイプの流路配置に関して示され記述されたが、これは
横から横へ流れるタイプの流路配置に適用しても良い。
そのような配置では、流入した熱水がチューブバンドル
の一方の側を流れ、比較的冷たい水がチューブバンドル
のもう一方の側を流れる。
蒸発器50は、冷却されるべき液体が外部シェル52を
経由して2つの通路を形成する上述したようなタイプの
ものである。この実施例では、第1のまたは下方のチュ
ーブグループ68は、くぼみ形空胴タイプの伝熱チュー
ブとして知られているもので、満液式蒸発器において高
性能を発揮するものとして周知である。このようなくぼ
み形空胴タイプのチューブの例として、ウォルベリン・
チューブ・カンパニー(Wolverine Tube Company)から
商業的に入手可能なターボB1−3が挙げられる。この
実施例において、第2のまたは上方のチューブグループ
72は、コンデンサの用途に用いられるために一般的に
設計されたタイプのものであり、特に、ターボC1もし
くはC2の伝熱チューブとしてウォルベリン・チューブ
・カンパニーから商業的に入手可能な「スパイクタイプ
のコンデンサチューブ」タイプのものである。
の伝熱チューブを用いることにより、蒸発器の満液セク
ションと流下液膜セクションの両方で高い熱伝達係数が
達成できる。しかしながら、最終的目標は、流下液膜蒸
発器セクションおよび満液蒸発器セクションの両方にお
いて熱伝達を最適化することである。チューブは異なっ
たものである必要はない。この目標は、両方の方式で最
適な熱伝達を提供できる単一のチューブで実現化され
る。
れるタイプの二路式蒸発器で使用される場合に特に有益
である。そのような利点を完全に理解するには、まず典
型的二路式蒸発器では、入口64から流入する水の温度
は華氏約54度であり、この水は第1の通路の終端70
で華氏約47から48度に冷却され、出口66で蒸発器
から流出する際にはさらに冷却され華氏約44度まで冷
却されることを理解すべきである。したがって、チュー
ブを通過する水の温度は、下方もしくはプール沸騰セク
ションにおいて比較的高く、上方もしくは流下液膜熱伝
達セクションにおいては比較的低い。
は、次のように説明される。プール沸騰係数は、チュー
ブの壁の温度と冷媒の飽和温度との差異として定義され
る壁過熱(ΔTWS)(wall super-heat)の平方にほぼ
比例する。逆に、流下液膜蒸発係数は壁過熱の四乗根に
ほぼ反比例する。このようにして、下から上の流路配置
を有する蒸発器の第1の通路では、壁過熱は比較的高
く、核沸騰係数が高くなる。しかしながら、満液式蒸発
器および同じタイプの伝熱チューブが第2のチューブに
あると仮定すると、チューブ側の流体が相対的に冷たく
なるに従って壁の過熱が小さくなる第2の通路において
は、核沸騰係数は3から4倍も減少するおそれがある。
交換器に入る際の水の温度と冷媒の飽和温度との差は華
氏約12度であり、水が熱交換器からでる際の差は華氏
1から2度ほどの小ささである。したがって、第2の通
路に入って温度差が小さくなると、流下液膜式の伝熱係
数はプール沸騰係数よりも高くなる。これは適切な伝熱
表面が本実施例において両方の通路に用いられている場
合に特に当てはまる。
再循環ポンプなしで作動し、プール沸騰および流下液膜
蒸発方式の両方において高い伝熱係数が達成できその利
点が得られることが理解できる。
イブリッド流下液膜式蒸発器付きチラーに関し、具体的
には、液体を冷却するための蒸気圧縮冷却システムであ
って、シェルおよびチューブタイプの蒸発器内のチュー
ブ全体に液状冷媒を分配するためのスプレー分配器が備
えられている。蒸発器を通過する冷媒フローのループ内
の差圧がスプレー分配器を通る流れを作り出す単一の手
段である。蒸発器はハイブリッド流下液膜式熱交換器と
して、すなわち半満液状態で動作する。チューブバンド
ルの下の方のチューブを濡らすために、蒸発器シェルの
下方部分には液状冷媒が満たされる。上の方のチューブ
はスプレー分配器からの冷媒スプレーによってのみ濡ら
される。システムは安定した状態で作動され、よって蒸
発器内のチューブの少なくとも25%が満液熱伝達方式
にて作動する。このシステムにより、システム内の冷媒
の充填量を減少することができ、同時に循環システムお
よびポンプを使用せずに済む。
部分概略図である。
ムの部分概略図である。
器を有するチラーシステムの概略図である。
リッド蒸発器の簡略化した断面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 コンプレッサと、コンデンサと、膨張器
と、蒸発器と、をそれぞれ有し、液体を冷却するための
蒸気圧縮冷却システムであって、これらコンプレッサと
コンデンサと膨張器と蒸発器とは直列に相互連結して冷
媒が循環するための冷媒フローの閉ループを形成してお
り、前記蒸発器は、 上端と下端とを有し、かつ、液相冷媒を取り入れる冷媒
入口が1つで気相冷媒を放出する冷媒出口が1つである
外部シェルを有し、 前記外部シェル内に収容された複数の実質的に水平な伝
熱チューブを有し、前記チューブの少なくとも一部は前
記シェルの上端と隣接し、前記チューブの少なくとも一
部は前記シェルの下端と隣接し、前記チューブは、冷却
される液体がそのチューブ内を流れるように形成されて
おり、 前記蒸発器は、前記冷媒入口を介して前記外部シェルに
流入する液相冷媒を受けて前記外部シェルの前記上端に
隣接して設けられた前記伝熱チューブ上に冷媒を分配す
る分配手段を更に有し、液相冷媒は、前記分配手段に再循環されずに、前記シェ
ルの底部に貯留されるようになっており、 前記冷媒フロ
ーの閉ループは、前記冷却システムの安定動作時に前記
外部シェル内の液状冷媒の液位が前記水平チューブの少
なくとも25%が液状冷媒に浸る液位に保持されるよう
設計されることを特徴とするシステム。 - 【請求項2】 前記冷媒フローの閉ループはさらに、前
記分配する手段を流れる冷媒の流量が前記冷媒入口から
前記冷媒出口へ流れる冷媒の全流量より大きくならない
ように設計されることを特徴とする請求項1のシステ
ム。 - 【請求項3】 液状冷媒に浸されていない前記水平チュ
ーブは、前記冷却システムの安定動作時に流下液膜伝熱
方式で作動することを特徴とする請求項1のシステム。 - 【請求項4】 前記冷却システムの安定動作時には、好
ましくは前記水平チューブの約50%が液状冷媒に浸さ
れていることを特徴とする請求項1のシステム。 - 【請求項5】 前記シェルの上端に隣接する伝熱チュー
ブの前記部分は、コンデンサタイプの伝熱チューブであ
り、前記シェルの下端に隣接する伝熱チューブの前記部
分はくぼみ形空胴タイプの伝熱チューブであることを特
徴とする請求項3のシステム。 - 【請求項6】 前記シェルの上端に隣接する伝熱チュー
ブの前記部分および前記シェルの下端に隣接する伝熱チ
ューブの前記部分は同じタイプのチューブであることを
特徴とする請求項3のシステム。 - 【請求項7】 前記蒸発器は、前記冷却されるべき液体
が前記外部シェルを介して第1の通路と第2の通路の2
つの通路を形成し、前記シェルの前記下端に隣接する前
記水平伝熱チューブの第1のグループを通る第1の通路
では、前記液体が入口の温度から中間の温度へ温度が低
下し、チューブの前記第1のグループの上に配される前
記水平伝熱チューブの第2のグループを通る第2の通路
では、前記液体は前記中間温度から低い出口温度へ温度
が低下することを特徴とする請求項1のシステム。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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