JPS58178198A - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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JPS58178198A
JPS58178198A JP6158882A JP6158882A JPS58178198A JP S58178198 A JPS58178198 A JP S58178198A JP 6158882 A JP6158882 A JP 6158882A JP 6158882 A JP6158882 A JP 6158882A JP S58178198 A JPS58178198 A JP S58178198A
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JP
Japan
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annular flow
heat transfer
heat exchanger
flow path
epsilon
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JP6158882A
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JPS629840B2 (ja
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Ryoichi Koga
良一 古閑
Yutaka Takahashi
豊 高橋
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

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】 本発明は伝熱面が環状流路に設けられた熱交換器(C関
するもので、伝熱而がセラミック発熱素子により構成さ
れている場合に特に有効である。
従来の伝熱而が環状流路に設けた熱交換器・、例えば電
気式瞬間湯NJli mの熱交換器として用いるもので
は、水の流通抵抗を低減するために、環状流路の幅を比
較的大きくとっていた。この種の熱交換器では、熱伝達
率が低いため伝熱面積を大きくし−C1スケールの付着
を防上する必要があり、熱交換器が犬jW化するという
問題点があった。
さらに、最近実用化されたファイノセラミノクによるセ
ラミック発熱素子の表面を伝熱而とした場合、この素子
は即熱性が優れまた発熱密度が高くとれるという特徴を
有するが、スケールの付着には敏感で、比較的小敏のス
ケール付着でヒータ破壊に至る場合があり、スケールの
付着を微小腋に抑えることが必要であった。
一般にスケール付着の現象は、伝熱面温度と水中に含ま
れるカルシウム反びマクネシウムイオン濃度に主として
支配さiする。したがって熱交換器の設計上からは、伝
熱面湿度を下げる必要があり。
このためには熱伝達率を高めるかあるいは伝熱面積を広
くする必要があるっ伝熱面積を広げると先に述べたよう
に、熱交換器が大型化するなどの問題があるため、熱伝
達率を高める手段をとる必要があった。
従来の構成で熱伝達率を高めるためには、環状流路の幅
をかなり狭くして水の流速を大幅に高める必要があった
。このように構成された熱交換器は、流路抵抗が実用の
範囲を越えて高くなり、また環状流路の流路幅を均一に
保つために高い寸法精度が要求され実用されるものでは
なかった。
本発明はこのような従来の熱交換器の欠点を除去するも
ので、同一流路抵抗に対する熱伝達率の大幅向上を実現
することにより伝熱面温度の低下させてスケールの付着
を防止し、かつ小型化を図った熱交換器を提供すること
を目的とする。
この[1的を達成するために本発明は、環状流路に螺旋
状の撹乱手段を設け、環状流路幅と撹乱手段の突出高さ
およびピッチを最適化することにより熱伝達率を大幅に
高めたものである。
この構成により、環状流路に設けたラセン状の撹乱手段
により誘起されるkIDINおよび乱流化の効果が、環
状流路幅と撹乱手段の突出高さお・よびピッチの最適化
により、熱伝達率の向トへ最大の寄5を示し、1足来の
ものと比較して大幅な熱伝達率の向−Lを可能としたも
のである。
伝熱面を粗面化して熱伝達率を高める方法については多
くの研究がなされており、本発明による熱交換器もこの
分野に属すると考えられる。
iL来の研究によれば、伝熱面を粗面化した場合の熱伝
達率は、粗さの高さをε、ピッチをPとして、 で表わされるとしている。
ここで Re;レイノルズ敢 Prニブラントル数 Nu;ヌノセルト牧(無次元熱伝達率)(1)式で示さ
れる関係は、伝熱面を有する流路の幅が、粗さの高さに
較べて十分に広い場合に有効であり、粗さの高さが流路
の幅の相当部分を占めるときには、当然流路の幅Cと粗
さの高さεの比(ε/C)の影響を考慮する必要がある
すなわち Nu = F (Re 、Pr 、P/ε、 8/′C
)   (2)の関係が生ずると考えられる。さらに本
発明者等は、伝熱面と対向する壁面上に粗さを設けた場
合についても検討し、この場合の(ε/C)は伝熱面上
に粗さがある場合とは分けて考える必要があることを見
いだした。
以上述べたように本発明音等は1蓋米考慮されていなか
った流路幅の影響と、粗さを非伝熱面に設けるか、伝熱
面に設けるかによる遣いを定量的に明らかにして、(P
/E)、(ε/C’)の関係を最適化するものである。
以下本発明の第1の¥凧例につき説明する。第1図は本
実施例による熱交換器を示す概略断面図である。1は外
筒、2は外筒内面、3は内筒、4は内筒外面であり、外
筒内面2と内筒外面4で環状流路6を構成する。
内筒3は本実施例ではセラミック発熱素子であり、セラ
ミック基材6と発熱抵抗体7を保持したセラミックシー
ト8とを一体に成形した構成とな−1ている。したがっ
て内筒外面4のセラミノ・クシート8で構成される部分
がトな伝熱面9となる。
1oは流入[1であり、被加熱流体を導入するとともし
で、この導入された非加熱流体を環状流路5に供給する
。11は流出1−1であり、環状流路6と内筒内面12
より流出する非加熱流体を導出する。
13&は外筒内面2に設けた螺旋状の撹乱手段であり、
本実施例においては螺旋状線棒(例えばコイルスブリン
ク)を外筒内面12に沿わせて環状流路6に挿入してい
る。
本実施例における中法関係につき第2図で説明する。外
筒1内径と内筒3外径との差の半分すなわち環状流路5
の幅はCであり、外筒内面21にある螺旋状の撹乱手段
13aの突出高さはε、ピッチはPである。
また本発明の第2の実施例すなわち、この撹乱手段13
1Lが、内筒外面4上にある場合につき第3図で説明す
る。この実施例では先の実施例比較して、撹乱手段13
bが内筒外面4上にあるという点だけが異なっている。
この実施例における寸法関係は、第3図に示す通りで先
の実施例と同様な記号を用いている。
本発明者等は、環状流路6に設けた螺旋状の撹乱手段1
3a、13bによる熱伝達向−トへの寄与が最大となる
条件を求めるために、一連の実験解析を行なった。
まず、熱交換器の性能を評価するための尺度を作成する
。熱交換器の性能は、熱伝達率とその時の圧力損失で評
価されろう今回の一連の実験では、(3)式で定義され
る抵抗係数Cfと Qf=ΔP/Q2(mAq/cl/m1n)2)   
(3)ここで ΔP;熱交換器の圧力損失(mAq)Q
 ;熱交換器の貫流流量(1/min )熱伝達率α(
Kcal/m2hr 0C)の平均的な関係を示す基準
曲線を求めて、これを用いて評価した。すなわち、供試
熱交換器の熱伝達率をα8 、抵抗体※ 数をOf とすれば、基準曲線で0f=Of”となる点
の熱伝達率αと比較し、供試熱交換器の性能係数Eff
は で評価することにした。
+実験で変化させたパラメータの範囲を以下に71りす
。作動流体は水である。
C=0.6〜3mm ε:0.4〜1.6m771 P=2.0〜1577m Q = 2.01/min   (一定)まず従来の環
状流路6に撹乱手段13aあるいは13bを設けないタ
イプのものについて、どの程度の性能が得られる力・の
結果を示したものが第4図である。性能係数がEff 
=−20〜−58%であり、環状流路6に、撹乱手段1
31Lあるいは13bを設けた場合の半分程度の能力で
ありまた。
熱伝達率が高いものほど性能係数は低下し、本発明の一
つの目的である熱伝達率αがα=10000Kcal/
m”hr’c程度のものを得ようとすれば、熱交換器の
圧力損失の問題や、寸法精度(c−=o、qmm)の問
題から実用上はぼ不可能である。
環状流路已に撹乱手段13&あるいは13bを設けたも
のについては、この従来のものと比較し熱交換器性能は
かなり改暦される。しかし、先に述べた熱交換器の性能
を支配する・2ラメータの設定が適切でないと、性能係
&Ef(=−30%となる場合があり、これらの・くラ
メータを最適化することが重要である。
最適化すべきパラメータは、(2)式で示されている如
く(ε/C) 、 (P/8)および、撹乱手段13a
13bによる流れパターンの差であると考えられる。
始めに(ε/C)の最適化の結末について述べるこの(
ε7/C)の最適値は、粗さが内筒外面4上にある場合
と、外筒内面2にある場合とでそれぞれ異なる最適値が
得られた。撹乱手段13bが内筒外面4上にある場合の
実験結果を第5図に示す。
線分で区切っである範囲はピッチPを変えて何回か実験
した結果が、この範囲に入ったことを示し、(−)印は
そのモ均値を示す。この結果より、性能係数は(&/C
) 05で最高値を示し、(ε/C)==0,4〜o6
で′−ヒ均のNH,−o〜8%と良好な性能を示すこと
がわかる。撹乱手段132Lが外筒内面2上にある場合
の実験結果を第6図に示す。性能・係数は、(ε/C)
・0.7で最高値を示し、(ε/C)≧0.6〜0.8
で平均の’K((=3〜6%と良好な性能を示す。
以F、(ε/C)の最適値(ε/C)Cが上記2つのタ
イプにつき求められたので、つぎに(P/ε)の1!適
化を行なう。
(P/ε)については、流路幅の影響が無視できる場合
については最適値が求められており、CP/ε)三13 であるとされている。しかしながら、流路幅の影響が生
ずる場合には、一意的に決めることはできない。すなわ
ち(P/ε)の最適値を(P/ε)Cであるとすれば (’P/ε)(H=const−G(ε/C)(3)で
表わされ、 (ε/C)の影響を考慮する必要がある。
本実験で得られた(P/ε)の最適値(P/ε)Cを(
ε/C)で層別し、ブロノ′卜すると負の相関関係が認
められた。そこで(3)式においてG(ε/C)=ε/
C(4) として整理した結果を第7図に示す。
であり、(P/ε)C(ε/Ci )C== 2〜6 
であることが認められた。
以上述べたような最適パラメータを選定した上述の実施
例による熱交換器では、従来の熱交換器に比較して性能
が非常に高く、例えば第1の実施例におイーCG =2
.0 mm 、ε=1.4mm、p=6.7mmとしだ
熱交換器では (ε/C)−o、y (P/ε)(ε/C)=3.4 を満たし、このとき性能係数、熱伝達率、抵抗係数はそ
れぞれ 1cff=8.0% a = 10 、600 Kcal/m2hr 0CO
f=0.092  mAq/(1/m1n)が?ltら
れる。
寸だ螺旋状の撹乱手段13+aあるいは13bにより誘
起される旋回流により熱伝達率が均一化され、r、1t
に伝熱面に不連続に撹乱手段を設ける。場合に比較して
伝熱面温度が均一化され局部沸騰を防山できるという効
果がある。
本実施例による撹乱手段132L、13bは螺旋状線棒
であり、これを環状流路6に挿入するだけで突起体を形
成できるため、製造が容易に行なえ、かつパラメータの
変更も容易であるという効果がある。
つきに本発明の第3の実施例につき第8図で説明する。
この実施例では、第2の実施例において示された撹乱手
段13bを内筒外面4に一体に成形あるいは溶接等の手
段で熱的に結合した点のみが、第2の実施例と異なるも
のである。この実施例においては、撹乱手段130が内
筒外面と熱的に結合しているため、先に述べた熱伝達率
の向上、伝熱面温度の均一化という効果のほかに、螺旋
状突起体130が放熱フィンとして作用するので熱交換
器の性能を高める上で効果がある。
つぎに本発明の第4の実施例につき第9図を用いて説明
する。この実施例では、第1の実施例において示された
撹乱手段131Lを外筒内面2に一体に成形した螺旋状
の撹乱手段13dとした点のみが第1の実施例と異々る
。この実施例によれば、外筒1を膨脂等で成形する際に
、撹乱手段13dも同時に成形できるため製造コストの
低減を図ることができる。
本発明による熱交換器は、非加熱流体が水で。
かつスケールの付着にlなセラミック発熱素子を用いた
場合に特に有効であるが、一般の環状流路に設けた熱交
換器の小型化、高効率化に有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による熱交換器の第1の実施例を示す断
面図、第2図は第1図の要部断面図、第3図は第2の実
施例を示す要部断面図、第4図はi足裏の熱交換器の性
能を示す特性図、第9図は第2の実施例の(ε/C)の
最適化を示す特性図、第6図は第1の実施例の(ε/C
)の最適化を示す特性図、第7図は(P/ε)・(ε/
C)の最適化を示す特性図、第8図は第3の実施例を示
す要部断面図、第9図は第4の実施例を示す要部断面図
で゛ある。 1・・・・・外筒、2・・・・・外筒内面、3・・・・
・内筒、4・・・・・・内筒外面、5−・・・・・環状
流路、9・・・・・・伝熱面、1o・・・・・・流入口
、11・・・・・流出口、  13 a 、13b。 130.13d・・・・・螺旋状の撹乱手段。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 赦 男 はが1名第1
図 1θ 第2図 第3図 第4図 θ    2〃θ    atり〃   みm熱ムl!
L牢〆〔気lル枦C〕 第5図 第6図 第7図 (と/C) 第8図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 はぼ同軸に形成された外筒の外筒内面および内筒の内筒
    外面よりなる環状流路と、との内筒外+jHに形成され
    た伝熱面と、ritr記環状流路と連通する流入口と流
    出口とを有し、さらに+ifj記外筒内外筒内面は1j
    fI記内筒外面(は螺旋状の撹乱手段を有し、前記外筒
    内面に前記撹乱手段を有する場合には、この撹乱手段の
    突出高さεと、外筒内径と内筒外径の差の半値よりなる
    前記環状流路の幅Cはの関係を満たし、また110記内
    筒外面に前記撹乱手段を有する場合には、前記Cとεは の関係を満たすと共に、さらに以−ヒの如く構成された
    1fi記撹乱手段のピッチPは の関係を満たtよう構成しだ熱交換器。
JP6158882A 1981-12-16 1982-04-13 熱交換器 Granted JPS58178198A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6158882A JPS58178198A (ja) 1982-04-13 1982-04-13 熱交換器
US06/455,244 US4563571A (en) 1981-12-16 1982-12-10 Electric water heating device with decreased mineral scale deposition
CA000417730A CA1205841A (en) 1981-12-16 1982-12-15 Water heating device
EP82306725A EP0082025B1 (en) 1981-12-16 1982-12-16 Water heating device
DE8282306725T DE3271699D1 (en) 1981-12-16 1982-12-16 Water heating device

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JPS629840B2 JPS629840B2 (ja) 1987-03-03

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008524624A (ja) * 2004-12-20 2008-07-10 アンジェラントーニ インダストリエ エスピーエー 省エネルギー環境試験槽及び作動方法
JP2011080352A (ja) * 2009-09-08 2011-04-21 Panasonic Corp 筒型熱交換器
JP2017101892A (ja) * 2015-12-03 2017-06-08 カルソニックカンセイ株式会社 流体加熱装置

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