JP5690532B2 - シェルアンドプレート式熱交換器 - Google Patents
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Description
外形は、通常、角形又は円形を有している。
円筒形状を有する中空容器(12)の内部に、表裏面に波形断面を有する凹凸が並列に形成されている多数のプレートが重ね合わされたプレート重合体(14)を備え、
前記プレート重合体(14)を構成する各プレート(16)は、隣接したプレートに対面した位置にあって、該各プレート(16)は、プレート外周縁(16a)と、前記プレート重合体(14)を貫通する流路を形成する孔(22、24)とを有し、前記外周縁(16a)及び孔(22、24)を形成するプレート内周縁(22a、24a)は平坦な環状の板状体に形成され、これらを除く領域は、波形凹凸(16b)が形成されている板状体で構成されるとともに、
該板状体は、前記プレート外周縁及び孔を形成するプレート内周縁の,端側に向かって互いに接近する方向に傾斜したテーパ面(46、48)を有するように形成され、該板状体の、隣接したプレート同士のプレート外周縁及び前記プレートの内周縁のテーパ面端側wがプラズマアーク溶接によって固着されてなり、
前記中空容器(12)の内部空間のプレート重合体(14)上方の中空容器上部領域に、該中空容器(12)長手方向にノズル管(36)が配設され、該ノズル管(36)の下部に、長手方向に配置され下方に開口した多数のノズル口(38)より第2の冷媒をプレート重合体に向け噴出すように構成するとともにノズル口(38)が中空容器(12)の外部に導出された管路(40)に、第2の冷媒液管(42)が接続され該第2の冷媒液が前記ノズル管(36)間を循環するように構成し、
一方前記孔(22、24)によってプレート重合体(14)を貫通する方向に第1流路(26)及び第2流路(28)が形成されるとともに、前記中空容器の側壁の、第1の流路(26)に相対する位置に、第1の冷媒が流入する入口管(30)が、又第2の流路(28)に相対する位置に第1の冷媒液が流出する出口管(32)が設けられていることを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器に係り、好ましくは請求項2に記載したように前記出口管(32)は中空容器(12)の隔壁を貫通して第2の流路(28)に接続させて構成したことを特徴とする請求項1記載のシェルアンドプレート式熱交換器にある。
これによって、中空容器への第1の流体の充填量を低減できる。また、本発明装置では、プレート外周縁にテーパ角を付与しているので、プレート表面に第1の流体の濡れ面が形成しやすくなり、これによって、一層熱伝達性能を向上できる。
また、満液式蒸発器は、飽和状態の冷媒ガスを圧縮機に送るため、蒸発器出口側の冷媒の過熱度調整を必要としない。そのため、温度式膨張弁等の自動膨張弁を備える必要がなく、設備コストを低減できる。
本実施形態では、プレート外周縁16a又は内周縁22a、24aをテーパ面46又は48とし、溶接時に、プレート押え冶具50,50で両側から押圧し、端部wを互いに当接かつ押圧し合うようにすることにより、この逆そり52をなくすことができる。
プレート16がステンレス製(SUS316L)であり、プレート16の直径が500mm、貫通流路26,28の直径が100mm、厚さ0.8mmであり、このプレートを用いて、逆そり発生率及び溶接不良発生率を計測した結果を、図8及び図9に示す。図8はプレート外周縁の計測結果であり、図9はプレート内周縁の計測検出結果である。
図10は、実施例1と同じプレートを用い、このプレートで製造したプレート重合体14において、前記寸法比P(プレート半径方向幅W/プレート直径D)の値と剛性との関係を実験により求めた結果を示す線図である。この実験データは、NH3冷媒液の充填量を60kgとし、潤滑油としてPN(相溶性油)を用い、蒸発温度が−12〜―13℃、凝縮温度が33〜35℃であり、連続30分運転の平均値を求めたものである。
図10から、寸法比P=0.004〜0.009のときに、プレート重合体14の剛性及び熱伝達性能が、共に優れていることがわかる。
図11は、NH3/CO2冷凍装置の満液式CO2液化器において、熱伝達量を測定した結果を示す。図11において、直線ハが、本実施形態のように、NH3冷媒液の下部給液と上部散布を併用した場合であり、直線ニが下部給液のみの場合を示す。
図から、熱伝達性能が同一としたときの、必要冷媒充填重量の差を求める。例えば、熱伝達量K値がある量K1(w/m2k)であるとき、必要冷媒充填重量は、上部散布併用の場合が57kgであり、下部給液のみの場合が60kgとなる。そのため、本実施形態のように、上部散布併用の場合、冷媒充填重量を5%削減できる。
なお、図2において、XがNH3冷媒液の充填重量が60kgのときの冷媒液面を示し、Yが充填重量が50kgのときの冷媒液面を示す。
12,102 中空容器
14,104,142 プレート重合体
16,106,130 プレート
16a、136 プレート外周縁
16b、132 波形凹凸
18,30,108,116 入口管
20、32,110,118 出口管
22,24,112,114,134 孔
22a、24a、138 プレート内周縁
26,28 貫通流路
36 ノズル管
38 ノズル口
40 管路
42,44 NH3冷媒液管
46,48 テーパ面
50 プレート押え冶具
52 逆そり
120 セパレータ
122 アフタークーラ
140 ペアプレート
F 荷重
N NH3冷媒液
P 寸法比
X、Y NH3冷媒液面
W テーパ面幅
a 第1の熱交換流体
b 第2の熱交換流体
m 山部
s 隙間
w 板状体端部
Claims (5)
- 円筒形状を有する中空容器(12)の内部に、表裏面に波形断面を有する凹凸が並列に形成されている多数のプレートが重ね合わされたプレート重合体(14)を備え、
前記プレート重合体(14)を構成する各プレート(16)は、隣接したプレートに対面した位置にあって、該各プレート(16)は、プレート外周縁(16a)と、前記プレート重合体(14)を貫通する流路を形成する孔(22、24)とを有し、前記外周縁(16a)及び孔(22、24)を形成するプレート内周縁(22a、24a)は平坦な環状の板状体に形成され、これらを除く領域は、波形凹凸(16b)が形成されている板状体で構成されるとともに、
該板状体は、前記プレート外周縁及び前記プレート内周縁(22a、24a)の,端側に向かって互いに接近する方向に傾斜したテーパ面(46、48)を有するように形成され、該板状体の、隣接したプレート同士のプレート外周縁及び前記プレート内周縁のテーパ面端側wがプラズマアーク溶接によって固着されてなり、
前記中空容器(12)の内部空間のプレート重合体(14)上方の中空容器上部領域に、該中空容器(12)長手方向にノズル管(36)が配設され、該ノズル管(36)の下部に、長手方向に配置され下方に開口した多数のノズル口(38)より第2の冷媒をプレート重合体に向け噴出すように構成するとともにノズル口(38)が中空容器(12)の外部に導出された管路(40)に、第2の冷媒液管(42)が接続され該第2の冷媒液が前記ノズル管(36)間を循環するように構成し、
一方前記孔(22、24)によってプレート重合体(14)を貫通する方向に第1流路(26)及び第2流路(28)が形成されるとともに、前記中空容器の側壁の、第1の流路(26)に相対する位置に、第1の冷媒が流入する入口管(30)が、又第2の流路(28)に相対する位置に第1の冷媒液が流出する出口管(32)が設けられていることを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 - 前記出口管(32)は中空容器(12)の隔壁を貫通して第2の流路(28)に接続させて構成したことを特徴とする請求項1記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
- 前記プレート外周縁で板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して1.5〜2.0度であり、前記プレート内周縁(22a、24a)は板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して1.0度以下であることを特徴とする請求項1に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
- 前記プレート外周縁で板状体のプレート半径方向幅が2mm以上であり、かつプレート直径に対する該プレート半径方向幅の寸法比が0.004〜0.009であることを特徴とする請求項3に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
- 前記第1冷媒がCO2冷媒であり、一方第2の冷媒として機能するNH3冷媒の冷媒循環路に圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器が介設されて、冷凍サイクルを構成する冷凍装置に、満液式蒸発器として組み込まれていることを特徴とする請求項1に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
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