JP3862584B2

JP3862584B2 - 流下液膜式蒸発器用伝熱管

Info

Publication number: JP3862584B2
Application number: JP2002093370A
Authority: JP
Inventors: 宏行 ▲高▼橋
Original assignee: 株式会社コベルコマテリアル銅管
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: JP2003287385A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管外面に冷媒を流下して管外面に液膜を形成し、管内を通流する液体の熱により、前記液膜の冷媒を蒸発させることによって、前記管外面の冷媒と管内の液体との間で熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管に関し、特に管内の圧力損失を低減させた流下液膜式蒸発器用伝熱管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流下液膜式蒸発器では、伝熱管の外周面に冷媒を流下させて、管内を通流する例えば水と前記冷媒との間で熱交換させ、管内の水を冷却している。伝熱管に接触した冷媒は、伝熱管表面を濡れ拡がり、低い圧力で蒸発して伝熱管の伝熱面から熱を奪うことにより、伝熱管内部の水を冷却する。
【０００３】
このように、流下液膜式伝熱管においては、管外面に冷媒として例えば純水を散布し、管内に水を通流させる。そして、管外面に冷媒の液膜を形成し、この冷媒が蒸発することにより、管内を通流する水を冷却する。この場合に、伝熱管の表面に濡れ拡がった冷媒が蒸発する際に、伝熱面から気化熱を奪うため、効率的に管内の水を冷却するためには、伝熱管と冷媒との接触面積、即ち、伝熱面（管外面）の面積を可及的に増大させることが必要である。
【０００４】
このような流下液膜式伝熱管として、特開平１０−３１８６９１号及び特開平１１−２５７８８８号の伝熱管が提案されている。これらの伝熱管は、冷媒の濡れ拡がり性が優れ、伝熱性能が従前よりも優れているという利点を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の特開平１０−３１８６９１号に記載された伝熱管は、管外面の伝熱性能は向上するものの、管内面が平滑であるため、依然として伝熱性能が低く、実用的でない。
【０００６】
また、特開平１１−２５７８８８号に記載された伝熱管では、管内面側の伝熱性能を向上させるために、リブを設けているが、このリブにより管内面側の伝熱性能を向上させた分、圧力損失が増加し、管内面側の性能向上のよる利点と、圧力損失による欠点とを勘案すると、伝熱管としての性能は十分満足できるものでは無い。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、管内面の伝熱性能が高いと共に、圧力損失も低い流下液膜式蒸発器用伝熱管を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管は、管外面に滴下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管において、管内面に断面凸状に形成され適長間隔で螺旋状に延びるリブと、管外面に形成され螺旋状に配列された複数個の独立した突起とを有し、管軸を含む断面における前記リブの側面のなす角度θ２が、６４乃至９８°であることを特徴とする。
【０００９】
この流下液膜式蒸発器用伝熱管において、例えば、前記リブが延びる方向と管軸方向とのなす角度であるリブのリード角θ１が、４０乃至４４°である。
【００１０】
また、前記リブの高さｈ１が０．２２乃至０．３５ｍｍであることが好ましい。更に、前記リブの管軸を含む断面におけるピッチＰＲが、１．０乃至３．６ｍｍであることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施例に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管を示す斜視図、図２は管軸方向に平行な断面図、図３は管軸に直交する断面図である。本実施例の伝熱管１は、管内面に、管軸方向に傾斜する方向、即ち螺旋状に延びる凸状のリブ５が相互間に適長間隔をおいて形成されている。このリブ５は管軸を含む断面における断面形状が、台形をなしている。また、管外面には、独立した突起６が適長間隔で螺旋状に配列されている。この突起６は四角錐台状をなす。
【００１２】
このように構成された本実施例の流下液膜式蒸発器用伝熱管においては、伝熱管１の内部に水を通流させ、管外面に冷媒を流下又は散布する。そうすると、冷媒が管外面に付着して液膜が形成され、低い圧力で冷媒が蒸発し、この蒸発時の気化熱により伝熱管内部を通流する水が冷却される。
【００１３】
管内面のリブ５は、管軸を含む断面において、その両側面がなす角度θ２が６４乃至９８°である。この内面リブ５の開き角度θ２が６４°未満の場合、リブ５の媒体通流方向の下流側の側面にて乱流が発達し、圧力損失が増加する。一方、θ２が９８°を超える場合は、リブ５の下流側の側面にて乱流が発達せず、伝熱性能が低下する。
【００１４】
また、螺旋状に延びるリブ５と管軸方向とのなす角度であるリブ５のリード角θ１が、４０乃至４４°であることが好ましい。内面リブ５のリード角θ１が４０°未満の場合、リブ間の溝に流体（冷水）が流れる割合が多くなり、温度境界層が発達し、性能が低下する。一方、内面リブ５のリード角θ１が４４°を超える場合、リブ５の凸部を超えて、流体が流れる割合が多くなり、リブ５が抵抗となり、伝熱性能は向上するものの、圧力損失が増加する。
【００１５】
更に、リブ５の高さｈ１が０．２２乃至０．３５ｍｍであることが好ましい。内面リブ５の高さｈ１が０．２２未満の場合、リブ５による乱流が促進がされず、伝熱性能が低下する。一方、リブ５の高さｈ１が０．３５を超える場合、リブによる乱流が発達し、圧力損失が増加する。
【００１６】
更に、リブ５の管軸を含む断面におけるピッチＰＲ（即ち、管軸方向のピッチ）が、１．０乃至３．６ｍｍであることが好ましい。内面リブ５のピッチＰＲが１．０未満の場合、リブ溝間での流れが阻害され、圧力損失が増加する。一方、リブ５のピッチＰＲが３．６を超える場合、リブ溝間での温度境界層が発達し、伝熱性能が低下する。
【００１７】
【実施例】
次に、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図４はこれらの伝熱管の性能評価試験に供した試験装置を示す。チャンバ９内を仕切り９ａにより蒸発器及び吸収器の２室に分割し、各室に伝熱管１０を水平にして同数配置し、夫々直列に連結する。なお、仕切り９ａの上部は蒸気が通流することができる。そして、一方の蒸発器においては、冷水入口１１から伝熱管１０内に冷水を導入し、上端部の伝熱管１０の冷水出口１２からこの冷水を排出する。また、これらの伝熱管１０の上方には、冷媒を室内に導入する冷媒入口１３が設けられており、この冷媒入口１３から冷媒を伝熱管１０上に流下するようになっている。また、冷媒ポンプ２１はチャンバ内に溜まった冷媒を冷媒出口２４から冷媒入口１３まで汲み上げるものである。他方、吸収器においては、下端部の伝熱管１０に冷却水入口１７から冷却水を導入し、上端部の伝熱管１０から冷却水出口１８を介して冷却水を排出する。そして、これらの伝熱管１０の上方には、ＬｉＢｒ水溶液を室内に導入するＬｉＢｒ水溶液入口１５が設けられており、この水溶液入口１５から水溶液を伝熱管１０上に流下するようになっている。また、チャンバ９の底部に溜まったＬｉＢｒ水溶液はＬｉＢｒ水溶液出口１６からポンプ２２により排出される。なお、チャンバ９にはデジタルマノメータ２０とチャンバ内の不凝縮ガスを排出するバルブ１９が設けられている。
【００１８】
蒸発器において、伝熱管内を通流する冷水を冷却した際に、管外側の冷媒が蒸発して発生する蒸気が仕切り９ａの上部を介して吸収器内に入る。そして、冷媒蒸気は吸収器内の伝熱管１０上に流下するＬｉＢｒ水溶液に吸収される。一方、蒸発しなかった冷媒はチャンバの底部に溜まって再度冷媒ポンプ２１にて冷媒入口１３に導かれる。
【００１９】
試験条件は以下のとおりである。
蒸発圧力：６．０ｍｍＨｇ
冷媒散布量：１．００kg／ｍ・分
冷水流速：１．５０ｍ／秒（管端部の断面積を基準として設定）
冷水出口温度：７．０℃
管配列：１列×４段（段ピッチ２４ｍｍ）
パス数：４パス
【００２０】
得られた測定値から下記数式に従って総括伝熱係数ＫＯを算出した。
【００２１】
【数１】
ＫＯ＝Ｑ／（ΔＴｍ・Ａ_０）
Ｑ＝Ｇ・Ｃｐ・（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ）
ΔＴｍ＝（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ）／ln｛（Ｔｉｎ−Ｔｅ）／（Ｔｏｕｔ−Ｔｅ）｝
Ａ_０＝π・Ｄ_０・Ｌ・Ｎ
【００２２】
図５は圧力損失の評価に使用した試験装置を示す。供試管３０の冷却水入口２７側の配管に、流量制御弁３５及び抵抗温度計（白金測温抵抗体）３４が設けられている。また、冷却水出口２６側の配管に、電磁流量計３１及び抵抗温度計（白金測温抵抗体）３２が設けられており、供試管３０の両管端の差圧は、ひずみゲージ式圧力変換器３３にて測定される。
【００２３】
圧力損失の評価は、供試管３０の両管端にドリルにて直径が０．５ｍｍの孔を夫々４個所開設し、それをひずみゲージ式圧力変換器３３に接続して差圧を測定する。供試管３０内に供給される冷却水は、冷却水タンク内に設けられた冷却コイルと電気ヒーターにて一定温度に調節される。冷却水の出入口温度は白金測温抵抗体からなる抵抗温度計３２，３４により測定し、冷却水流量は電磁流量計３１により測定した。
【００２４】
評価は、供試管３０の管内に入口水温を一定に制御した冷却水を流し、各冷却水流量での温度及び差圧が安定したことを確認した後に、差圧及び管内冷却水流量を測定し、各測定器にて測定した信号をハイブリットレコーダーにて取り込んで数値変換し、管内圧力損失及び管摩擦係数を算出した。
【００２５】
管内の圧力損失の評価は以下のようにして求めた。前述の測定値に基づいて、レイノルズ数〔Re〕に対する管摩擦係数〔ｆ〕を算出し、その数値を使用して１ｍ当たりの管内圧力損失値を算出した。
【００２６】
算出に使用した計算式を、下記数式２乃至４に示す。
【００２７】
【数２】
Ｒｅ＝Ｖｉ・Ｄｉｍａｘ／ν
但し、Ｒｅはレイノルズ数である。
【００２８】
【数３】
Ｖｉ＝Ｇ／（３６００・γ・Ｄｉｍａｘ^２・π／４）
但し、Ｖｉは管内水流速である。
【００２９】
管摩擦係数は下記数式４に基づいて算出した。
【００３０】
【数４】
ｆ＝９８．０７・ΔＰ・（Ｄｉｍａｘ／Ｌｐ）・（２ｇ／Ｖｉ＾２）・１／γ
但し、ｆは管摩擦係数である。
【００３１】
管内圧力損失評価条件は、冷却水流速が２．０ｍ／ｓ、冷却水入口温度が２５．０℃のもとで評価した。
【００３２】
なお、下記に上述の各計算式１乃至４中記号の内容を示す。
Ｑ：冷水伝熱量（ｋＷ）
Ｇ：冷却水又は冷水流量（ｋｇ／ｈ）
Ｃｐ：冷却水又は冷水比熱（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）
Ｔｉｎ：冷水入口温度（℃）
Ｔｏｕｔ：冷水出口温度（℃）
ΔＴｍ：対数平均温度差（℃）
Ｔｓ：冷媒蒸発温度（℃）
Ｋｏ：総括伝熱係数（ｋＷ／ｍ^２Ｋ）
Ａｏ：供試管フィン加工部外表面積（ｍ^２）
Ｄｏ：供試管フィン加工部外径（ｍ）
Ｄｉｍａｘ：供試管フィン加工部最大内径（ｍ）
Ｌｈ：伝熱有効長（ｍ）
Ｒｅ：レイノルズ数（−）
Ｖｉ：冷却水流速（ｍ／ｓ）
ν：冷却水動粘性係数（ｍ^２／ｓ）
γ：冷却水比重（ｋｇ／ｍ^３）
ｆ：管摩擦係数（−）
ΔＰ：管内圧力損失（差圧）（ｋＰａ）
Ｌｐ：差圧部有効長（ｍ）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ^２）
【００３３】
図６は、横軸にリブ５の側面のなす角度θ２をとり、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、θ２と伝熱性能との関係を示すグラフ図、図７は、横軸にθ２をとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図である。θ２が９８°以下の場合は、伝熱性能が高い。また、θ２が６４°未満になると、圧力損失が大きくなる。
【００３４】
図８は、横軸にリブ５のリード角θ１をとり、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、両者の関係を示すグラフ図、図９は、横軸にリード角θ１をとり、縦軸に圧力損失ΔＰｓをとって、両者の関係を示すグラフ図である。θ１は４０°未満では総括伝熱係数が低くなる。一方、θ１が４４°を超えると、圧力損失が増大する。
【００３５】
図１０は、横軸にリブ高さｈ１をとり、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図、図１１は、横軸にリブ高さｈ１をとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図である。リブ高さｈ１が０．２２ｍｍ未満になると、総括伝熱係数が低下する。一方、リブ高さｈ１が０．３５ｍｍを超えると、圧力損失ΔＰｓが上昇する。
【００３６】
図１２は、横軸にリブピッチＰＲをとり、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、両者の関係を示すグラフ図であり、図１３は、横軸にリブピッチＰＲをとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図である。リブピッチＰＲが１．０ｍｍ未満である場合は、圧力損失が増大する。一方、リブピッチＰＲが３．６ｍｍを超えると、総括伝熱性能が低下する。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧力損失が低く、伝熱性能が高い流下液膜式蒸発器用伝熱管が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管を示す斜視図である。
【図２】同じくその管軸方向に平行な断面図である。
【図３】同じくその管軸に直交する断面図である。
【図４】伝熱性能の試験装置である。
【図５】圧力損失の試験装置である。
【図６】横軸にリブ５の側面のなす角度θ２をとり、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、θ２と伝熱性能との関係を示すグラフ図である。
【図７】横軸にθ２をとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図８】横軸にリブ５のリード角θ１をとり、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図９】横軸にリード角θ１をとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図１０】横軸にリブ高さｈ１をとり、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとり、縦軸に圧力損失ΔＰｓをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図１１】横軸にリブ高さｈ１をとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図１２】横軸にリブピッチＰＲをとり、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【図１３】横軸にリブピッチＰＲをとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１：伝熱管
５：リブ
６：突起

Claims

管外面に滴下された液体が形成する液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式蒸発器用伝熱管において、管内面に断面凸状に形成され適長間隔で螺旋状に延びるリブと、管外面に形成され螺旋状に配列された複数個の独立した突起とを有し、管軸を含む断面における前記リブの側面のなす角度θ２が、６４乃至９８°であることを特徴とする流下液膜式蒸発器用伝熱管。
前記リブが延びる方向と管軸方向とのなす角度であるリブのリード角θ１が、４０乃至４４°であることを特徴とする、請求項１に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
前記リブの高さｈ１が０．２２乃至０．３５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
前記リブの管軸を含む断面におけるピッチＰＲが、０．１乃至３．６ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流下液膜式蒸発器用伝熱管。