JPWO2015056290A1 - 流体流動特性の改善方法、該改善方法が施された熱交換器、蒸留装置、脱臭装置及び前記改善方法に使用される切延板 - Google Patents
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Abstract
Description
単相流が関係する機器としては、加熱あるいは冷却を行う熱交換器があり、熱源と流体との間の熱抵抗を小さくする改良が続けられている。
臭化リチウム系の吸収式冷凍機は蒸発器、吸収器、再生器、凝縮器を含んで構成され、これら4つの熱交換器のうち、再生器を除く3つの熱交換器は、シェルの内側に伝熱管を水平方向に配置するシェルアンドチューブ型となっている。伝熱管内には水が流され、伝熱管は加熱管あるいは冷却管として機能し、伝熱管群の配置、本数などを工夫することでその能力を高める工夫がなされている。
凝縮器では、再生器で発生した水蒸気が冷却管表面での凝縮により水(液体)に戻され、蒸発器に送られる。
蒸留装置は低沸点成分と高沸点成分の分離を目的としており、通常、リボイラの上に蒸留塔が設置され、塔頂付近にコンデンサが配置されている。
14は流体流れを示しており、流体は流路12内では、種々の境界層15が形成され、また、切延板13の影響を受けて局所流体流れ16が形成されている。
切延板13は、鋼板に刃型を用いて千鳥配列の押し切り目を入れ、同時にこれを引き延ばしながら網目を形成して製造されるため、図3に示したような構造となっている。
図13に示したシステムでは、図6〜図10に示した熱流量測定装置の流体入口配管31にさらに貯湯槽50、ポンプ51、バルブ52などが接続され、流体出口配管32に冷却器53が接続され、冷却器53の冷却水供給管にはバルブ54が介装されている。
また、各ヘッダー24、25、34、35には、熱電対55,56,57,58が配置されており、各場所の温水温度、冷却水温度を検出できるようになっている。
ボイラからの給湯水(約50℃)を貯湯槽50に貯湯し、ポンプ51による給水をバルブ52の開閉により任意流量M[ml/sec]となるように調整する。
各ヘッダー24,25,34,35内の流水温を各ヘッダー24,25,34,35流出入口内に取り付けた熱電対55,56,57,58を用いて計測する。
ヘッダー35の流水温tH2[℃]とヘッダー24の流水温tL1[℃]の温度差が5[K]<(tL1−tH2)<7[K]となるように、冷却器53に流入する冷却水の流量をバルブ54により調整する。
固定流路部20には、図11に示す固定切延板28が、図2に示す流体流れ方向がメッシュの長目方向に平行([タイプI])となる形で固定されている。流路断面は、長辺長さ100[mm]、短辺長さ3.3[mm]の矩形となっている。
可変流路部30は固定流路部20と同じ可変切延板39を[タイプI]の形態で配置する。したがって、可変流路部30と固定流路部20での熱伝達率に影響するファクターは流水温度以外同じとなる。流水温度の違いが10℃以下であれば、温水流路46側伝熱面平均熱伝達率をhHm[W/(m2・K)]とするとき、hLm≒hHm
となる。
伝熱板29は18-Crステンレスで構成され、厚さd=0.0003[m]、熱伝導率λ=26[W/(m・K)]、伝熱面積S=0.01[m2]に設定されている。
伝熱面熱流束をq[W/m2]、温冷水流の対数平均温度差をΔTm[K]、熱通過率をk[W/(m2・K)]とする。
[タイプI]:図2に示す、流体流れがメッシュの長目方向に平行
[タイプII]:図1に示す、流体流れがメッシュの長目方向と直交
[タイプIII]:[タイプI] 、[タイプII]に対する比較例に相当。空洞の直方体からなる断面矩形流路。空洞は切延板(a)、切延板(b)それぞれの厚さと等しい可変スペーサで確保。
任意流量M[ml/sec]に対する固定流路部20伝熱面平均熱伝達率hLm[W/(m2・
K)]を図14に表したグラフの実線から求め、可変流路部30での任意流量M[ml/sec]における流路タイプ別の温水流路46側伝熱面平均熱伝達率hHm[W/(m2・K)]を次式より求める。
切延板(b)に対する流路タイプ別の温水流路46側伝熱面平均熱伝達率hHm[W/(m2・K)]を図16に示す。グラフ中y軸に平行に引かれた破線はバルブ52を全開にしたときの最大流量を示している。
図15aに示したように丸1のW1に対して、丸2ではW2/W1=30倍のポンプ仕事率が必要となる。丸3ではW3/W1=176倍のポンプ仕事率が必要となる。
本実施例では、丸1のポンプ仕事率で丸2又は丸3の熱伝達率を得ることができており、局所的な乱流促進作用による本発明の極めて大きな有効性(176倍の効率)が示されている。
本実施例では、丸4のポンプ仕事率で丸5又は丸6の熱伝達率を得ることができており、局所的な乱流促進作用による本発明の極めて大きな有効性(364倍の効率)が示されている。
熱伝達率は温度境界層の厚さが薄くなって温度境界層部分の熱抵抗が小さくなると大きくなる。
本実施例では切延板(a)、切延板(b)が極めて大きな局所的な乱流促進作用を生じさせているといえる。
図5の(1)に対して、図5の(2)、(3)では流路平面11に向かう局所流体流れ16の密度が増すことで、切延板の局所的な乱流促進作用を増大させることができる。
冷却水流量をM=100[ml/sec]とするとき、図16[タイプII]のグラフから冷却水の熱伝達率は約50000[W/(m2・K)]となり、放熱板61放熱面と冷却水の間の熱抵抗が0.002[K/W]という高性能な冷却装置59を作ることができる。それは、放熱板61放熱面表面温度と冷却水間に10[K]の温度差があれば、冷却面積100[cm2]で5[kW]の冷却を可能とするものである。
ちなみに、冷却流路69に切延板63を配設することなく同じ性能の冷却装置を作るためには、計算上、矩形流路の短辺長さを0.2[mm]としなければならず、圧力損失と目詰まりが大きな課題となる。
12 流路
13 切延板
13A 切延板
13B 切延板
14 流体流れ
15 境界層
16 局所流体流れ
17 切延板メッシュ
18 ストランド
19 ボンド
20 固定流路部
21 流体入口配管
22 流体出口配管
23 ボルト挿通孔
24 ヘッダー
25 ヘッダー
26 流体供給口
27 流体流出口
28 固定切延板
29 伝熱板
30 可変流路部
31 流体入口配管
32 流体出口配管
33 ボルト挿通孔
34 ヘッダー
35 ヘッダー
36 流体供給口
37 流体流出口
38 矩形流路平面
39 可変切延板
40 可変スペーサ
41 可変ガスケット
42 固定ガスケット
43 ボルト
44 ナット
45 冷水流路
46 温水流路
50 貯湯槽
51 ポンプ
52 バルブ
53 冷却器
54 バルブ
55 熱電対
56 熱電対
57 熱電対
58 熱電対
59 冷却装置
60 発熱体
61 放熱板
62 Oリング
63 切延板
64 冷却水入口配管
65 冷却水出口配管
66 流体供給口
67 流体流出口
68 冷却ユニット
69 冷却流路
70 平板型伝熱管
71 伝熱面
72 流体流入口
73 流体流出口
75 凝縮器
76 端板
77 冷却水配管
78 切延板
79 連通管
80 端板
81 耐圧フレーム
82 ボルト
85 蒸留塔
86 天板
87 底板
88 棚段
89 切延板
90 トレイ
91 堤
92 開口
93 プール
94 蒸気供給口
95 蒸気排出口
96 還流液面
97 水平面
LW メッシュ長目方向中心間距離
SW メッシュ短目方向中心間距離
T 板厚
W 刻み幅
D 全厚
しかも2平面に挟まれて形成される流路に前記切延板を配設するだけの極めて簡単な構成で、熱移動及び/又は物質移動に関する流体流動特性を大幅に改善することができる。従って、上記した従来の場合のように、伝熱部分を非常に複雑な構造とする必要がなく、製作に高度な技術と高いコストが要求されることもなく、大幅なコストダウンを図ることができる。
しかも2平面に挟まれて形成される流路に前記切延板を配設するだけの極めて簡単な構成で、熱移動及び/又は物質移動に関する流体流動特性を大幅に改善することができる。従って、上記した従来の場合のように、伝熱部分を非常に複雑な構造とする必要がなく、製作に高度な技術と高いコストが要求されることもなく、大幅なコストダウンを図ることができる。
しかも2平面に挟まれて形成される流路に前記切延板を配設するだけの極めて簡単な構成で、熱移動及び/又は物質移動に関する流体流動特性を大幅に改善することができる。従って、上記した従来の場合のように、伝熱部分を非常に複雑な構造とする必要がなく、製作に高度な技術と高いコストが要求されることもなく、大幅なコストダウンを図ることができる。
しかも2平面に挟まれて形成される流路に前記切延板を配設するだけの極めて簡単な構成で、熱移動及び/又は物質移動に関する流体流動特性を大幅に改善することができる。従って、上記した従来の場合のように、伝熱部分を非常に複雑な構造とする必要がなく、製作に高度な技術と高いコストが要求されることもなく、大幅なコストダウンを図ることができる。
しかも2平面に挟まれて形成される流路に前記切延板を配設するだけの極めて簡単な構成で、熱移動及び/又は物質移動に関する流体流動特性を大幅に改善することができる。従って、上記した従来の場合のように、伝熱部分を非常に複雑な構造とする必要がなく、製作に高度な技術と高いコストが要求されることもなく、大幅なコストダウンを図ることができる。
Claims (9)
- 対向して配置される2平面に挟まれて形成された流路に切延板を配設し、これら2平面と流体との間に形成される種々の境界層に、前記切延板に導かれる局所流体流れを作用させ、熱移動及び/又は物質移動に関する流体の流動特性を局所的な乱流促進作用で改善することを特徴とする流体流動特性の改善方法。
- 前記流体の流れ方向に対し、切延板メッシュの長目方向を直交させる態様で、前記切延板を前記流路に配設することを特徴とする請求項1記載の流体流動特性の改善方法。
- 前記切延板の刻み幅Wを規格品よりも広くし、前記切延板の全体厚みDを厚くすることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の流体流動特性の改善方法。
- 前記切延板の刻み幅Wの長さを2辺とする直角2等辺三角形の斜辺の長さを前記切延板メッシュの短目方向中心間距離SWの半分の長さに設定することを特徴とする請求項3記載の流体流動特性の改善方法。
- 請求項1〜4のいずれかの項に記載の流体流動特性の改善方法が適用されていることを特徴とする熱交換器。
- 請求項1〜4のいずれかの項に記載の流体流動特性の改善方法が適用されていることを特徴とする蒸留装置。
- 請求項1〜4のいずれかの項に記載の流体流動特性の改善方法が適用されていることを特徴とする脱臭装置。
- 請求項3記載の流体流動特性の改善方法に使用される切延板であって、刻み幅Wが規格品よりも広く設定され、全体厚みDが規格品よりも厚く設定されていることを特徴とする切延板。
- 請求項4記載の流体流動特性の改善方法に使用される切延板であって、前記刻み幅Wの長さを2辺とする直角2等辺三角形の斜辺の長さがメッシュの短目方向中心間距離SWの半分の長さに設定されていることを特徴とする切延板。
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