(57)【要約】【課題】本発明の目的は、熱交換器の伝熱を更に促進することにある。【解決手段】本発明は、冷却液を保持する冷却液プールと、加熱流体を通す伝熱管と、前記伝熱管全体を取り囲み、前記伝熱管によって前記冷却液が加熱されて生成した気液二相流を上方に導く仕切り板を有することを特徴とする。【効果】本発明によれば、熱交換器の伝熱を更に促進することが可能である。【選択図】図１
2016011788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却液を保持する冷却液プールと、
加熱流体を通す伝熱管と、複数の前記伝熱管を束ねた管束と、
前記伝熱管全体を取り囲み、前記伝熱管によって前記冷却液が加熱されて生成した気液二相流を上方に導く仕切り板を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記管束の上端から前記仕切り板の上端までの距離Ｈが、前記仕切り板の内側のボイド率αおよび冷却液密度ρ1、外側の冷却液密度ρ2に対し、Ｈ＞（ρ2−ρ1）ｈ／（ρ1α）であることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記仕切り板に逆止弁機構を有した連通部材を有していることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項３に記載の熱交換器において、
前記連通部材が前記仕切り板の内側から外側に向かう方向に下向きの勾配を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１〜３に記載の熱交換器において、
前記冷却液プールへの補給液の給水口を前記仕切り板の外側に設置したことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝熱管の伝熱性能を向上させると、より少ない伝熱面積で熱交換ができ、熱交換器の小型化が可能となる。従って、利便性が高まり、適用範囲が拡大する。さらに物量も減るため、コストが削減できる。このように、伝熱性能を向上させると経済的メリットが大きいため、様々な伝熱促進技術が開発されている。
【０００３】
例えば、伝熱管で冷却材を沸騰させ熱交換を行う熱交換器の伝熱促進技術として、特開２００４−２８６４０９号公報には、伝熱管群を水平方向にいくつかのグループに分け、グループ間に間隙を設けることにより、その間隙を沸騰しなかった冷却材が流下し、管群内の液循環が改善され伝熱が促進されるとしている。また、間隙にバッフルを設置することによって、液循環の軸方向のばらつきを低減できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８６４０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では管群の間に間隙を設けバッフルを設置して伝熱を促進しているが、以下の課題がある。
【０００６】
水平に並んだ管群の間にバッフルを設けて、バッフル内側での液循環を促進しているが、管群とバッフル間を流下する冷却液の一部が熱交換器下部に到達する前に管群へ流入する。このため、熱交換器内下部に到達する冷却液量が少なくなり、熱交換器下部において液循環による伝熱促進が低下する。熱交換器内に大きな冷却材の循環流を形成できれば、さらに伝熱を促進し、熱交換器のさらなる小型化やコスト低減が可能となる。
【０００７】
本発明の目的は、熱交換器の伝熱を更に促進することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、冷却液を保持する冷却液プールと、加熱流体を通す伝熱管と、前記伝熱管全体を取り囲み、前記伝熱管によって前記冷却液が加熱されて生成した気液二相流を上方に導く仕切り板を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱交換器の伝熱を更に促進することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の熱交換器の断面図である。
【図２】本発明の好適な一実施例である実施例１の熱交換器の断面図である。
【図３】本発明の好適な一実施例である実施例１の熱交換器の断面図である。
【図４】本発明の熱交換器において液位が低下した状態を示した図である。
【図５】本発明の好適な一実施例である実施例２の熱交換器の断面図である。
【図６】本発明の連通口の逆止弁機構の一例を示した図である。
【図７】原子力プラントの系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明で、伝熱が促進され、伝熱管容積を低減できる熱交換器の実施例を以下に説明する。本発明は、伝熱管全体を取り囲み、伝熱管によって冷却液が加熱されて生成した気液二相流を上方に導く仕切り板を有するため、冷却液プール内に大きな循環流を発生させて伝熱性能を更に促進させることが可能である。
【実施例１】
【００１２】
本実施例を図１から図３を用いて説明する。
【００１３】
図１〜３は、仕切り板４を設置した熱交換器のそれぞれＸ−Ｙ断面、Ｙ−Ｚ断面、Ｘ−Ｚ断面である。冷却液プール１は、支持部材５によって固定されている。冷却液プール１の冷却液を加熱する加熱流体は、加熱用流体入口配管７からヘッダー６ａに流入し、ヘッダー６ａから複数ある伝熱管３に配分され、伝熱管３を通して冷却液を加熱する。冷却液に熱を与えて温度の低下した加熱用流体は再びヘッダー６ｂに集められ、ヘッダー６ｂから加熱流体出口配管８へ排出される。冷却液プール１内で冷却液が飽和温度以上に加熱された場合は蒸気が発生し、発生した蒸気は蒸気排出管１１を通して冷却プール１外に排出される。図１〜３でわかるように、仕切り板４は複数の伝熱管３で構成された管束２を取り囲むように設置されている。ここで、図１に示す管束２は、複数の伝熱管３を台形状に束ねた輪郭を示している。また、管束２の上端は台形部の上端を表す。
【００１４】
図１を用いて仕切り板４を設置する効果について説明する。仕切り板４の下端は、管束２の下端以下であり、仕切り板４の上端は管束２の上端と冷却液プール１の設計液位（通常運転で一定に保つ液位）の間にしている。管束２に加熱流体が流れると、管束２から冷却液に熱が伝わり、管束２からの伝熱量が冷却液の蒸発潜熱を超える場合には、冷却液が沸騰し、仕切り板４の内側で気液二相流状態となる。気相の密度は液相と比較して無視できるほど小さいことと、飽和温度まで液相も仕切り板４の外側の冷却液と比較して密度が小さくなっているため仕切り板４の内側と外側で水頭差が発生する。これにより仕切り板４の内側を冷却液が上昇し、仕切り板４の外側を冷却液が下降する循環流が発生する。ただし、仕切り板４の上端が冷却液プール１の水面を越えると、水面を越えた分の液相の水頭が仕切り板４の内側にかかるため、水頭差が低下する。したがって、水頭差による駆動力は、仕切り板４の上端が冷却液プール１内の液面から下にあるほど大きくなるため、仕切り板４の上端位置は冷却液プール１内の液面以下にするとよい。
【００１５】
仕切り板４の内側の飽和温度の冷却液の密度をρ1、仕切り板４の外側の冷却液の密度をρ2、切り板４の内側の管束２の上部の平均ボイド率をα、仕切り板４の下端から管束２の上端までの高さをｈ、管束２の上端から仕切り板４の上端までの高さをＨとすると、発生する水頭差ΔＰは（１）式で表せる。一般的に気相の密度は液相の密度と比較して1/1000程度と十分小さいため、（１）式では無視している。ｇは重力加速度である。
ΔＰ＝Ｈｇ（ρ2−（１−α）ρ1）            （１）
仕切り板４を設置した場合、（１）式で計算される水頭差を駆動力として図１の矢印で示した循環流１０が発生する。この循環流１０により管束２の伝熱管周囲の冷却液速度が上昇し、伝熱効率が向上する。
【００１６】
管束２を上昇した液相は密度が小さいため、冷却液プール１の上層部に停留しやすい。冷却液プール１内に大きな循環流１０を発生させるには、冷却液プール１の上層部に停留した密度の小さい冷却液を、密度の高い仕切り板４の外側の冷却液内を浮力に打ち勝って底部まで運ぶことのできる循環力を発生させればよい。したがって、大きな循環流を発生させる条件は（２）式となる。
【００１７】
Ｈｇ（ρ2−（１−α）ρ1）＞（Ｈ＋ｈ）ｇ（ρ2−ρ1）      （２）
整理すると
Ｈ＞ｈ（ρ2−ρ1）／αρ1          （３）
となり、（３）式を満たすように仕切り板４の高さを決めると、冷却液プール１内に大きな循環流１０が発生し、管束２の伝熱性能が向上する。冷却材として水を使用した場合の例を挙げる。20℃の水が管束２で100℃に沸騰する場合を考える。20℃の水の密度は約998kg/m3、100℃の水の密度は約959 kg/m3であるので、（３）式から
Ｈ＞0.0407ｈ／α
となる。例えば、ｈ＝1ｍに対し、ボイド率が４%であればＨ＞1.02ｍ、ボイド率が10％であればＨ＞0.41ｍとすれば、冷却プール１内に大きな循環流１０を発生させることができる。
（１）式から、同じボイド率に対して仕切り板４の高さＨが大きいほど循環流１０の駆動力が大きくなる。
【００１８】
冷却液プール１内の液面を一定に維持するためには、蒸発した分の冷却液を冷却プールに補給する必要がある。一般的に補給液は飽和温度以下であり、気相と接触すると気相を凝縮させる。補給液の給水口９を仕切り板４の内側に設置すると、気相の一部が消滅しボイド率が低下するため、（１）式で評価される水頭差が小さくなる。したがって、給水口９は仕切り板４の外側に設置するのがよい。
【００１９】
このように、伝熱管全体を取り囲み、伝熱管によって冷却液が加熱されて生成した気液二相流を上方に導く仕切り板を有するため、冷却液プール１内に大きな循環流１０を発生させて伝熱性能が向上する。従って、伝熱性能の向上により、管束２を構成する伝熱管３のトータルの伝熱面積を低減することができる。これにより、伝熱管３の本数を減らす、または伝熱管３の長さを短縮する等ができるため、管束２の容積を小さくできる。そして、冷却液プール１を含めた熱交換器自体を小型化できコスト低減が可能になる。
【実施例２】
【００２０】
本実施例を図４〜７を用いて説明する。
【００２１】
図７に、原子力発電所での緊急時の崩壊熱除去システムに適用した一例を示す。原子炉スクラム後に炉心の崩壊熱で発生する蒸気を原子炉３１から伝熱管３に導き、凝縮させてサプレッションプール３３に戻す構成としている。冷却液プール１内では冷却水が沸騰し、蒸気が蒸気排出管１１を通して大気に放出されることにより、崩壊熱が冷却プール水の蒸発潜熱として大気中に放出される。原子力発電所で用いられる実施例１のような崩壊熱除去システムの熱交換器は、トラブル等で冷却液プール１内に給水できなくても、想定した期間、原子炉の冷却が継続できるように、冷却液プール１内に十分な水を蓄えている。なお、本実施例では、原子炉３１から蒸気を導き、凝縮水をサプレッションプール３３に戻す構成のシステムに適用した例で示すが、冷却液プール１を原子炉３１よりも高い位置に配置し、凝縮水を重力で原子炉に戻す原子炉隔離時冷却システムや、格納容器に放出された蒸気を凝縮させて過圧を防止する格納容器冷却系の熱交換器に適用してもよい。
【００２２】
給水が停止すると、管束２で沸騰して生成された蒸気が大気中に放出されるため、冷却液プール１内の液位が徐々に低下する。液位が低下して、仕切り板４の上端が水面から露出すると、実施例１で述べたように、駆動力が低下する。さらに液位が低下して、図４のように仕切り板４の内部の液相が仕切り板４の外部へ溢れ出ないようになると、仕切り板４の内側ではボイド率に応じた二相液位が形成され、仕切り板４の外側の液位よりも高い位置となる。この状態で仕切り板４の内側と外側の水頭が釣り合うようになり、管束２へ供給される冷却液量は沸騰で排出された蒸気量だけとなり冷却液プール１内の大きな循環流がなくなるため、循環流１０による伝熱促進効果がなくなる。
【００２３】
本実施例では、図５のように仕切り板４の鉛直方向の複数ヵ所に仕切り板４の内側から外側の方向にのみ流体が流れる逆止弁機構を有した連通部材２０を設けている。逆止弁機構の具体例を図６に示す。連通部材２０の外側に流路上側を支点２３として稼動する開閉蓋２１を設置する。流路下側には突起状のストッパー２２を設置する。なお、この逆止弁機構は、開閉蓋に限らず、例えばバネ等を使用した逆止弁機能を持つものであればよい。
【００２４】
仕切り板４の外側の液位が、連通部材２０よりも十分に上にある場合には、連通部材２０の位置を基準とした仕切り板４の外側の水頭が大きく、仕切り板４の外側から内側に向かって連通部材２０を流体が流れようとする。流体は連通部材２０の開閉蓋２１を仕切り板４の内側に向かって押すが、ストッパー２２により開閉蓋２１が連通部材２０を塞ぐように固定され、仕切り板４の外側の冷却液が仕切り板４の内側に連通部材２０を通して流れ込むことはない。開閉蓋２１やストッパー２２が無い場合は、仕切り板４の外側の冷却液が仕切り板４の内側に連通部材２０を通して流れ込んでしまい、循環流１０によって管束２に流れ込む冷却液の流量が減少し、伝熱促進効果が低減する。
【００２５】
冷却液プール１の液位が低下していくと、連通部材２０の位置を基準とした仕切り板４の外側の水頭が仕切り板４の内側の水頭よりも小さくなる。このため、仕切り板４の内側から外側に向かって連通部材２０を流体が流れようとする。この流れの向きに対してはストッパー２２が働かないため、開閉蓋２１が開放し、仕切り板４の内側の流体が仕切り板４の外側へ流出し、給水が停止して冷却液プール１内の液位が低下しても冷却液プール１内の循環流１０が維持される。
【００２６】
仕切り板４の内側の二相液位が連通部材２０の高さを下回ると、当然ながら、連通部材１０を通した流体の移動がなくなるため、冷却液プール１の大きな循環流が消失する。このため、なるべく低い液位まで冷却プール１内の大きな循環流１０を維持するためには、連通部材２０を低い位置に設置する方が望ましい。ただし、連通部材２０の開閉蓋２１は、仕切り板４の外側の水位がある程度低下しないと開かない。このため、冷却液プール１の液位の低下に対し、連続的に仕切り板４の内側から仕切り板４の外側への液相の流れを維持するためには、鉛直方向に複数の連通部材２０を設置すればよい。
【００２７】
本実施例では、連通部材２０を仕切り板４の内側から外側に向かう方向に下向きの勾配をつけている。連通部材２０を通して気相が仕切り板４の外側に流出すると、仕切り板４の外側の水頭が低下するとともに、仕切り板４の内側のボイド率が低下し、（１）式で計算される駆動力が低下する。本実施例のように、連通部材２０に仕切り板４の外側の方向に下向きの勾配をつけると、気相には浮力が働いて斜め下方向に流れにくいため、気相の仕切り板４の外側への流出を大幅に低減することができ、循環流１０を発生させる駆動力の低下を抑制することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１…冷却液プール、２…管束、３…伝熱管、４…仕切り板、５…支持部材、６…ヘッダー、７…加熱用流体入口配管、８…加熱用流体出口配管、９…給水口、１０…循環流、２０…連通部材、２１…開閉蓋、２２…ストッパー、２３…回転機構
【図１】
2016011788.tif 000003
【図２】
2016011788.tif 000004
【図３】
2016011788.tif 000005
【図４】
2016011788.tif 000006
【図５】
2016011788.tif 000007
【図６】
2016011788.tif 000008
【図７】
2016011788.tif 000009