(57)【要約】【課題】熱交換器内で発生する蒸気の合体を抑制し、気泡を小径化し、均質に分布させるための構造とし、これによって熱交換効率を向上させる。【解決手段】鉛直方向ではない向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管２からなる伝熱管群と、伝熱管群を収容する容器１とを有し、伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、伝熱管相互の間の、沸騰が生じると想定される部分の少なくとも一部に、伝熱管の方向に広がるワイヤメッシュ３を配置した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、
前記伝熱管相互の間の、沸騰が生じると想定される部分の少なくとも一部に、前記伝熱管の方向に広がるワイヤメッシュを配置したこと、を特徴とする熱交換器。
【請求項２】
鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、
前記伝熱管相互の水平方向の間隔を部分的に他の伝熱管相互の水平方向の間隔よりも大きくすることにより、前記伝熱管群を上下方向に横切る流路が、前記伝熱管群のほぼ中央を通る位置に形成されていること、を特徴とする熱交換器。
【請求項３】
鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、
前記伝熱管群の上部の中央で、前記伝熱管相互の間隔が、伝熱管群の他の部分の伝熱管相互の間隔よりも広くなるように構成されていること、を特徴とする熱交換器。
【請求項４】
鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、
前記伝熱管群の上部の中央から斜め上方に向かって、前記伝熱管相互の間隔を他の伝熱管相互の間隔よりも大きくすることにより、前記伝熱管群を横切る流路が、形成されていること、を特徴とする熱交換器。
【請求項５】
鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、
前記伝熱管群は、ほぼ水平方向に相互に間隔をあけて並べられた複数の伝熱管からなる段を、上下方向に互いに間隔をあけて並べた複数段の伝熱管からなり、相互に隣接する前記伝熱管の段の上下方向に隣接する個々の伝熱管の位置が互いに水平方向にずれて配置されていること、を特徴とする熱交換器。
【請求項６】
鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、
前記複数の伝熱管の横断面形状が上下方向に長い楕円形であること、を特徴とする熱交換器。
【請求項７】
鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、
前記複数の伝熱管の横断面の外表面下端部に突起が形成されていること、を特徴とする熱交換器。
【請求項８】
互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、
前記複数の伝熱管が、水平方向でも鉛直方向でもない向きに配置されていること、を特徴とする熱交換器。
【請求項９】
互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、
前記低温側流体に界面活性剤が含まれていること、を特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シェル／チューブ型の熱交換器に関し、特に、シェル側で沸騰が生じる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器は、化学工業、発電プラント、食品工業など様々な分野において重要な役割を果たしている。熱交換器は種々のタイプがあるが、シェル／チューブ型の熱交換器は最も一般的であり、ケトル式リボイラ、給水加熱器、蒸発器、換気空調器などとして幅広く利用されている。この熱交換器は、多管式伝熱管（チューブ）束を円筒胴に挿入した形式のもので、管板と胴（シェル）との取り合い構造により円筒管板形、Ｕチューブ形、浮動頭形、バヨネット・チューブ形などに分類される（特許文献１参照）。
【０００３】
シェル側の流動は、熱交換器の使用目的によって異なるが、蒸発器、リボイラとして使用する場合には、液体を加熱して蒸発させるため、シェル内は沸騰二相流となる。実際、すべての熱交換器の少なくとも６０％は、シェル内の流れが二相流であるとされている。
【０００４】
図１０に従来のシェル／チューブ型の熱交換器の概略図を示す。主に、円筒形の容器１と容器１内に配置された伝熱管２群によって構成される。容器１には低温液体が満たされており、伝熱管２内には高温流体が流れる。図１０の例では、互いに平行な多数の伝熱管２が水平方向に延びるように配置され、伝熱管２同士が水平方向および高さ方向に揃うように正方格子状に配列されている。
【０００５】
伝熱管２内の高温流体の熱は伝熱管２壁を通して伝熱管２外側の低温側流体に伝えられ、伝熱管２の外表面では低温側の液体が沸騰を起こし、容器１内の流れが気液二相流となる。このとき、加熱された容器１内の流体は密度差と、発生した気泡の上昇によって自然循環流が形成される。
【０００６】
伝熱管群の下部の段においては液単相か気泡がごく少ないが、上段にいくにしたがって気泡の発生量が多くまた発生した気泡が蓄積されるため、上段ほど気泡の体積割合（ボイド率）が大きくなる。しかしながら、ボイド率は、上段にいくについて徐々に増加するわけではなく、上部／中央部でボイド率が大きく、下部／周辺部でボイド率が小さくなり、高ボイド率領域１８と低ボイド率領域１９の二つの領域に分かれることが従来の研究から指摘されている。
【０００７】
気泡の局所的な分布についてみると、図１１に示される一般的な格子配列では、伝熱管２の間の鉛直方向のギャップにおいて流れのはく離によって流れが逆流、停滞するため気泡が集積しやすく、伝熱管２の背後でボイド率が大きく、主流領域でボイド率が小さいといった気泡分布が生じる。
【０００８】
自然循環流が大きく流れの乱れが大きくなるほど、伝熱管２の背後への流れが強くなり、より伝熱管２の背後のボイド率が大きくなる。こうした伝熱管２同士のギャップにおける気泡の集積は、伝熱を劣化させ、ドライアウトを生じやすくさせる。熱交換器が、特に発電プラントの安全にかかわる冷却設備として使用される場合には、ドライアウトによる急激な除熱の劣化は、安全性に大きく影響を及ぼす可能性がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−１４７４０６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、熱交換器においては、より熱交換率が良く、またドライアウトなどによる急激な伝熱劣化を生じることなく所定の熱交換性能を維持することが求められる。しかしながら、熱交換器内に発生する蒸気が伝熱管の周囲に停滞することによって著しく伝熱を劣化させ、またドライアウトを発生しやすくする。
【００１１】
そこで、本発明では、熱交換器内で発生する蒸気の合体を抑制し、気泡を小径化し、均質に分布させるための構造とし、これによって熱交換効率を向上させた熱交換器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、前記伝熱管相互の間の、沸騰が生じると想定される部分の少なくとも一部に、前記伝熱管の方向に広がるワイヤメッシュを配置したこと、を特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、前記伝熱管相互の水平方向の間隔を部分的に他の伝熱管相互の水平方向の間隔よりも大きくすることにより、前記伝熱管群を上下方向に横切る流路が、前記伝熱管群のほぼ中央を通る位置に形成されていること、を特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、前記伝熱管群の上部の中央で、前記伝熱管相互の間隔が、伝熱管群の他の部分の伝熱管相互の間隔よりも広くなるように構成されていること、を特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、前記伝熱管群の上部の中央から斜め上方に向かって、前記伝熱管相互の間隔を他の伝熱管相互の間隔よりも大きくすることにより、前記伝熱管群を横切る流路が、形成されていること、を特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、前記伝熱管群は、ほぼ水平方向に相互に間隔をあけて並べられた複数の伝熱管からなる段を、上下方向に互いに間隔をあけて並べた複数段の伝熱管からなり、相互に隣接する前記伝熱管の段の上下方向に隣接する個々の伝熱管の位置が互いに水平方向にずれて配置されていること、を特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、前記複数の伝熱管の横断面形状が上下方向に長い楕円形であること、を特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、鉛直方向とは異なる向きに互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、前記複数の伝熱管の横断面の外表面下端部に突起が形成されていること、を特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、前記複数の伝熱管が、水平方向でも鉛直方向でもない向きに配置されていること、を特徴とする。
【００２０】
また、請求項９に記載の発明は、互いにほぼ平行に配列されて内部を高温側流体が流れる複数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記伝熱管群を収容する容器とを有し、前記伝熱管の外側の前記容器内に低温側流体を収容して、前記伝熱管の外表面で前記低温側流体に沸騰が生じるように構成された熱交換器において、前記低温側流体に界面活性剤が含まれていること、を特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図９を参照して、本発明に係る熱交換器の実施の形態を説明する。ここで、従来技術と共通もしくは類似の部分、または相互に共通または類似の部分には共通の符号を付し、重複説明は省略する。
【００２２】
図１および図２に、本発明に係る熱交換器の第１の形態を示す。この熱交換器は、円筒形容器（胴）１と、容器１内に配置された多数の伝熱管２から構成され、伝熱管２同士の間にワイヤメッシュ３が設置されている。伝熱管２は水平方向に、互いに平行に延び、互いに上下左右方向に揃うように正方格子状に配列されている。ワイヤメッシュ３は、伝熱管２同士の間を水平方向に、容器１内を横断するように延びている。
【００２３】
容器１内で伝熱管２外側の冷媒（低温側流体）は、伝熱管２内部の高温流体との熱交換によって温度上昇し、やがて沸騰が開始する。この容器１内の冷媒の温度上昇による対流と発生した蒸気の浮力により、容器１内の伝熱管群の間では流体が上昇し、伝熱管群の外で容器１内壁に沿って下降する自然対流が生じ、冷却が促進される。伝熱管群の間では、このような上昇流のため、上部ほど気泡が蓄積されて蒸気の体積割合（ボイド率）が大きくなり、ボイド率が大きくなると蒸気が伝熱管２の前面や背面で集積し、停滞することによって伝熱が劣化する。
【００２４】
図２に示すように、ワイヤメッシュ３を伝熱管２と伝熱管２の間に設置することによって、発生した蒸気の気泡を小径化することができる。これによって、径の大きい気泡が伝熱管２の側面近傍に停滞することを防止することができる。ワイヤメッシュ３は、図１に示すように、ボイド率の大きい上部に設置することが効果的である。
【００２５】
図３は、本発明に係る熱交換器の第２の実施の形態を示す。容器１内のボイド率は、上部ほど大きいが、必ずしも伝熱管群の下部から上部にかけて順に増大するわけではなく、図１０に示すように、中央／上部に高ボイド率領域１８が形成され、周辺／下部に低ボイド率領域１９が形成されるというように、二つの領域に分けられることが分かっている。特に、中央部で蒸気が排出されにくいことがこの領域を高ボイド率化させる。そこで、図３のように中央部の伝熱管２の横方向のピッチを大きくとり、鉛直方向の流路６を形成する。これにより、中央部の伝熱管群からの蒸気が排出されやすくなり、伝熱管群の中に蒸気が停滞することを抑制することができる。
【００２６】
次に、図４は、本発明に係る熱交換器の第３の実施の形態を示す。これは、中央／上部におけるピッチｄ２を大きくし、周辺／下部でのピッチｄ１を小さくして伝熱管群を配置するものである。これにより、ボイド率の小さい周辺／下部で伝熱面積を増やし、中央／上部の伝熱管２の背後に気泡が集積することを防止することで、熱伝達を向上することができる。
【００２７】
また、図５は、本発明に係る熱交換器の第４の実施の形態を示す。これは、管群の中央／上部から斜め上方に向かって伝熱管２を設置しない部分、すなわちＶ字形流路３０を設けるものである。これにより、第２の実施の形態（図３）と同様に、伝熱管２外側の蒸気の流れを促進する効果が期待できる。
さらに、図６は、本発明に係る熱交換器の第５の実施の形態を示す。図示のように、各段の伝熱管群を水平方向に交互にずらして配置する。
【００２８】
従来の伝熱管群配列には、格子配列のほかに、前段の配列における伝熱管２と伝熱管２の中央に配列する千鳥配列（三角配列）がある。冷媒が単相の場合、一般的に千鳥配列は格子配列に比べて乱れが強いため熱伝達率は大きいが、圧力損失も大きいことが分かっている。一方、冷媒が二相流の場合は、熱伝達率は乱流強度のみならず、蒸気の割合と分布にも大きく影響される。図１１に示すように、一般的に良く用いられる格子配列では、伝熱管２は背後にウェーク１１が形成され気泡１２が巻き込まれ、下流の管でブロックされることによって、伝熱管２と伝熱管２の間に気泡が集積しやすい。このことが、伝熱管２の前面と背面での熱伝達率を低下させている。
【００２９】
本実施の形態では、図７に示すように伝熱管２背後の気泡１２が上方に排出されやすくなり、圧力損失をそれほど増大させることなく、千鳥配列と同様に蒸気の背後での蓄積による高ボイド率化を防ぎ、熱伝達率を増大することができる。
【００３０】
さらに、図８は、本発明に係る熱交換器の第６の実施の形態を示す。図示のように、伝熱管２の形状を主流方向（鉛直方向）に径の大きい楕円形とする。このことにより、同一伝熱面積の円形伝熱管に比べて気泡が伝熱管の背後に集積しにくくなる。また、はく離点が後方に移動し、逆流域が減少することによって、圧力損失が低減されるという効果も期待できる。
【００３１】
また、図９は、本発明に係る熱交換器の第７の実施の形態を示す。これは、伝熱管２の下面に突起物１５を設けたものである。これにより、伝熱管２下面で気泡が停滞することを抑制することができる。
以上説明した各実施の形態では、伝熱管２の方向は水平としたが、必ずしも水平方向でなくとも、鉛直方向と異なれば、同様の効果が得られる。
【００３２】
また、本発明に係る熱交換器の第８の実施の形態は、伝熱管２を水平に対して傾けて配置する（図示せず）。このことにより、伝熱管２の下面に付着した気泡が管壁に沿って浮上し離脱するため、管壁での停滞を防ぐことができる。
【００３３】
さらに本発明に係る熱交換器の第９の実施の形態は、容器１内の冷媒に少量の界面活性剤を混入させるものである。界面活性剤は、主に二つの物質の境界面を活性化（表面張力を低下させる等）することができる物質である。したがって、これを冷媒の中に混入させることにより気泡が合体しなくなるため気泡が小径のまま維持されると同時に、気体と液体の分布が均一化する。これによって、特定の部分への蒸気の集積を抑制することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、シェル／チューブ型の熱交換器において、発生した蒸気を小径化し、均一に分布させることにより、伝熱管群内への気泡の蓄積を抑制することによって、流れが二相流の場合の熱交換効率を向上させることができる。また、蒸気を伝熱管群の間から排出されやすくすることによって伝熱管群内のボイド率を低下させ、熱交換率を向上させると同時に、伝熱管がドライアウトし、ヒートアップすることを防ぎ、安全性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱交換器の第１の実施の形態の横断面図。
【図２】図１の熱交換器の伝熱管付近の部分斜視図。
【図３】本発明に係る熱交換器の第２の実施の形態の横断面図。
【図４】本発明に係る熱交換器の第３の実施の形態の伝熱管配列を示す横断面図。
【図５】本発明に係る熱交換器の第４の実施の形態の伝熱管配列を示す横断面図。
【図６】本発明に係る熱交換器の第５の実施の形態の伝熱管配列を示す横断面図。
【図７】図６の熱交換器の伝熱管配列の部分拡大横断面図。
【図８】本発明に係る熱交換器の第６の実施の形態の伝熱管配列を示す部分拡大横断面図。
【図９】本発明に係る熱交換器の第７の実施の形態の伝熱管の横断面図。
【図１０】従来の熱交換器の横断面図。
【図１１】従来の熱交換器の伝熱管配列の部分拡大横断面図。
【符号の説明】
１…容器、２…伝熱管、３…ワイヤメッシュ、５…気泡、６…流路、１１…ウェーク、１２…気泡、１５…突起物、１８…高ボイド領域、１９…低ボイド領域、３０…Ｖ字形流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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