JP2003287385A

JP2003287385A - 流下液膜式蒸発器用伝熱管

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Publication number: JP2003287385A
Application number: JP2002093370A
Authority: JP
Inventors: 宏行 ▲高▼橋; Hiroyuki Takahashi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-10
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: JP3862584B2

Abstract

(57)【要約】【課題】管内面の伝熱性能が高いと共に、圧力損失も
低い流下液膜式蒸発器用伝熱管を提供する。【解決手段】管内面に断面凸状に形成され適長間隔で
螺旋状に延びるリブ５と、管外面に形成され螺旋状に配
列された複数個の独立した突起６とを有する。管軸を含
む断面におけるリブ５の側面のなす角度θ２が６４乃至
９８°である。リブ５が延びる方向と管軸方向とのなす
角度であるリブのリード角θ１が、４０乃至４４°であ
る。リブ５の高さｈ１が０．２２乃至０．３５ｍｍであ
る。更に、リブ５の管軸を含む断面におけるピッチＰＲ
が、１．０乃至３．６ｍｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、管外面に冷媒を流
下して管外面に液膜を形成し、管内を通流する液体の熱
により、前記液膜の冷媒を蒸発させることによって、前
記管外面の冷媒と管内の液体との間で熱交換を行う流下
液膜式蒸発器用伝熱管に関し、特に管内の圧力損失を低
減させた流下液膜式蒸発器用伝熱管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流下液膜式蒸発器では、伝熱管の
外周面に冷媒を流下させて、管内を通流する例えば水と
前記冷媒との間で熱交換させ、管内の水を冷却してい
る。伝熱管に接触した冷媒は、伝熱管表面を濡れ拡が
り、低い圧力で蒸発して伝熱管の伝熱面から熱を奪うこ
とにより、伝熱管内部の水を冷却する。

【０００３】このように、流下液膜式伝熱管において
は、管外面に冷媒として例えば純水を散布し、管内に水
を通流させる。そして、管外面に冷媒の液膜を形成し、
この冷媒が蒸発することにより、管内を通流する水を冷
却する。この場合に、伝熱管の表面に濡れ拡がった冷媒
が蒸発する際に、伝熱面から気化熱を奪うため、効率的
に管内の水を冷却するためには、伝熱管と冷媒との接触
面積、即ち、伝熱面（管外面）の面積を可及的に増大さ
せることが必要である。

【０００４】このような流下液膜式伝熱管として、特開
平１０−３１８６９１号及び特開平１１−２５７８８８
号の伝熱管が提案されている。これらの伝熱管は、冷媒
の濡れ拡がり性が優れ、伝熱性能が従前よりも優れてい
るという利点を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
特開平１０−３１８６９１号に記載された伝熱管は、管
外面の伝熱性能は向上するものの、管内面が平滑である
ため、依然として伝熱性能が低く、実用的でない。

【０００６】また、特開平１１−２５７８８８号に記載
された伝熱管では、管内面側の伝熱性能を向上させるた
めに、リブを設けているが、このリブにより管内面側の
伝熱性能を向上させた分、圧力損失が増加し、管内面側
の性能向上のよる利点と、圧力損失による欠点とを勘案
すると、伝熱管としての性能は十分満足できるものでは
無い。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、管内面の伝熱性能が高いと共に、圧力損失
も低い流下液膜式蒸発器用伝熱管を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る流下液膜式
蒸発器用伝熱管は、管外面に滴下された液体が形成する
液膜と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜
式蒸発器用伝熱管において、管内面に断面凸状に形成さ
れ適長間隔で螺旋状に延びるリブと、管外面に形成され
螺旋状に配列された複数個の独立した突起とを有し、管
軸を含む断面における前記リブの側面のなす角度θ２
が、６４乃至９８°であることを特徴とする。

【０００９】この流下液膜式蒸発器用伝熱管において、
例えば、前記リブが延びる方向と管軸方向とのなす角度
であるリブのリード角θ１が、４０乃至４４°である。

【００１０】また、前記リブの高さｈ１が０．２２乃至
０．３５ｍｍであることが好ましい。更に、前記リブの
管軸を含む断面におけるピッチＰＲが、１．０乃至３．
６ｍｍであることが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の
実施例に係る流下液膜式蒸発器用伝熱管を示す斜視図、
図２は管軸方向に平行な断面図、図３は管軸に直交する
断面図である。本実施例の伝熱管１は、管内面に、管軸
方向に傾斜する方向、即ち螺旋状に延びる凸状のリブ５
が相互間に適長間隔をおいて形成されている。このリブ
５は管軸を含む断面における断面形状が、台形をなして
いる。また、管外面には、独立した突起６が適長間隔で
螺旋状に配列されている。この突起６は四角錐台状をな
す。

【００１２】このように構成された本実施例の流下液膜
式蒸発器用伝熱管においては、伝熱管１の内部に水を通
流させ、管外面に冷媒を流下又は散布する。そうする
と、冷媒が管外面に付着して液膜が形成され、低い圧力
で冷媒が蒸発し、この蒸発時の気化熱により伝熱管内部
を通流する水が冷却される。

【００１３】管内面のリブ５は、管軸を含む断面におい
て、その両側面がなす角度θ２が６４乃至９８°であ
る。この内面リブ５の開き角度θ２が６４°未満の場
合、リブ５の媒体通流方向の下流側の側面にて乱流が発
達し、圧力損失が増加する。一方、θ２が９８°を超え
る場合は、リブ５の下流側の側面にて乱流が発達せず、
伝熱性能が低下する。

【００１４】また、螺旋状に延びるリブ５と管軸方向と
のなす角度であるリブ５のリード角θ１が、４０乃至４
４°であることが好ましい。内面リブ５のリード角θ１
が４０°未満の場合、リブ間の溝に流体（冷水）が流れ
る割合が多くなり、温度境界層が発達し、性能が低下す
る。一方、内面リブ５のリード角θ１が４４°を超える
場合、リブ５の凸部を超えて、流体が流れる割合が多く
なり、リブ５が抵抗となり、伝熱性能は向上するもの
の、圧力損失が増加する。

【００１５】更に、リブ５の高さｈ１が０．２２乃至
０．３５ｍｍであることが好ましい。内面リブ５の高さ
ｈ１が０．２２未満の場合、リブ５による乱流が促進が
されず、伝熱性能が低下する。一方、リブ５の高さｈ１
が０．３５を超える場合、リブによる乱流が発達し、圧
力損失が増加する。

【００１６】更に、リブ５の管軸を含む断面におけるピ
ッチＰＲ（即ち、管軸方向のピッチ）が、１．０乃至
３．６ｍｍであることが好ましい。内面リブ５のピッチ
ＰＲが１．０未満の場合、リブ溝間での流れが阻害さ
れ、圧力損失が増加する。一方、リブ５のピッチＰＲが
３．６を超える場合、リブ溝間での温度境界層が発達
し、伝熱性能が低下する。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例の効果について、本発
明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図４は
これらの伝熱管の性能評価試験に供した試験装置を示
す。チャンバ９内を仕切り９ａにより蒸発器及び吸収器
の２室に分割し、各室に伝熱管１０を水平にして同数配
置し、夫々直列に連結する。なお、仕切り９ａの上部は
蒸気が通流することができる。そして、一方の蒸発器に
おいては、冷水入口１１から伝熱管１０内に冷水を導入
し、上端部の伝熱管１０の冷水出口１２からこの冷水を
排出する。また、これらの伝熱管１０の上方には、冷媒
を室内に導入する冷媒入口１３が設けられており、この
冷媒入口１３から冷媒を伝熱管１０上に流下するように
なっている。また、冷媒ポンプ２１はチャンバ内に溜ま
った冷媒を冷媒出口２４から冷媒入口１３まで汲み上げ
るものである。他方、吸収器においては、下端部の伝熱
管１０に冷却水入口１７から冷却水を導入し、上端部の
伝熱管１０から冷却水出口１８を介して冷却水を排出す
る。そして、これらの伝熱管１０の上方には、ＬｉＢｒ
水溶液を室内に導入するＬｉＢｒ水溶液入口１５が設け
られており、この水溶液入口１５から水溶液を伝熱管１
０上に流下するようになっている。また、チャンバ９の
底部に溜まったＬｉＢｒ水溶液はＬｉＢｒ水溶液出口１
６からポンプ２２により排出される。なお、チャンバ９
にはデジタルマノメータ２０とチャンバ内の不凝縮ガス
を排出するバルブ１９が設けられている。

【００１８】蒸発器において、伝熱管内を通流する冷水
を冷却した際に、管外側の冷媒が蒸発して発生する蒸気
が仕切り９ａの上部を介して吸収器内に入る。そして、
冷媒蒸気は吸収器内の伝熱管１０上に流下するＬｉＢｒ
水溶液に吸収される。一方、蒸発しなかった冷媒はチャ
ンバの底部に溜まって再度冷媒ポンプ２１にて冷媒入口
１３に導かれる。

【００１９】試験条件は以下のとおりである。蒸発圧力：６．０ｍｍＨｇ冷媒散布量：１．００kg／ｍ・分冷水流速：１．５０ｍ／秒（管端部の断面積を基準とし
て設定）冷水出口温度：７．０℃ 管配列：１列×４段（段ピッチ２４ｍｍ）パス数：４パス

【００２０】得られた測定値から下記数式に従って総括
伝熱係数ＫＯを算出した。

【００２１】

【数１】ＫＯ＝Ｑ／（ΔＴｍ・Ａ_０）Ｑ＝Ｇ・Ｃｐ・（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ） ΔＴｍ＝（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ）／ln｛（Ｔｉｎ−Ｔｅ）
／（Ｔｏｕｔ−Ｔｅ）｝Ａ_０＝π・Ｄ_０・Ｌ・Ｎ

【００２２】図５は圧力損失の評価に使用した試験装置
を示す。供試管３０の冷却水入口２７側の配管に、流量
制御弁３５及び抵抗温度計（白金測温抵抗体）３４が設
けられている。また、冷却水出口２６側の配管に、電磁
流量計３１及び抵抗温度計（白金測温抵抗体）３２が設
けられており、供試管３０の両管端の差圧は、ひずみゲ
ージ式圧力変換器３３にて測定される。

【００２３】圧力損失の評価は、供試管３０の両管端に
ドリルにて直径が０．５ｍｍの孔を夫々４個所開設し、
それをひずみゲージ式圧力変換器３３に接続して差圧を
測定する。供試管３０内に供給される冷却水は、冷却水
タンク内に設けられた冷却コイルと電気ヒーターにて一
定温度に調節される。冷却水の出入口温度は白金測温抵
抗体からなる抵抗温度計３２，３４により測定し、冷却
水流量は電磁流量計３１により測定した。

【００２４】評価は、供試管３０の管内に入口水温を一
定に制御した冷却水を流し、各冷却水流量での温度及び
差圧が安定したことを確認した後に、差圧及び管内冷却
水流量を測定し、各測定器にて測定した信号をハイブリ
ットレコーダーにて取り込んで数値変換し、管内圧力損
失及び管摩擦係数を算出した。

【００２５】管内の圧力損失の評価は以下のようにして
求めた。前述の測定値に基づいて、レイノルズ数〔Re〕
に対する管摩擦係数〔ｆ〕を算出し、その数値を使用し
て１ｍ当たりの管内圧力損失値を算出した。

【００２６】算出に使用した計算式を、下記数式２乃至
４に示す。

【００２７】

【数２】Ｒｅ＝Ｖｉ・Ｄｉｍａｘ／ν 但し、Ｒｅはレイノルズ数である。

【００２８】

【数３】Ｖｉ＝Ｇ／（３６００・γ・Ｄｉｍａｘ^２・
π／４）但し、Ｖｉは管内水流速である。

【００２９】管摩擦係数は下記数式４に基づいて算出し
た。

【００３０】

【数４】ｆ＝９８．０７・ΔＰ・（Ｄｉｍａｘ／Ｌ
ｐ）・（２ｇ／Ｖｉ＾２）・１／γ 但し、ｆは管摩擦係数である。

【００３１】管内圧力損失評価条件は、冷却水流速が
２．０ｍ／ｓ、冷却水入口温度が２５．０℃のもとで評
価した。

【００３２】なお、下記に上述の各計算式１乃至４中記
号の内容を示す。Ｑ：冷水伝熱量（ｋＷ）Ｇ：冷却水又は冷水流量（ｋｇ／ｈ）Ｃｐ：冷却水又は冷水比熱（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）Ｔｉｎ：冷水入口温度（℃）Ｔｏｕｔ：冷水出口温度（℃） ΔＴｍ：対数平均温度差（℃）Ｔｓ：冷媒蒸発温度（℃）Ｋｏ：総括伝熱係数（ｋＷ／ｍ^２Ｋ）Ａｏ：供試管フィン加工部外表面積（ｍ^２）Ｄｏ：供試管フィン加工部外径（ｍ）Ｄｉｍａｘ：供試管フィン加工部最大内径（ｍ）Ｌｈ：伝熱有効長（ｍ）Ｒｅ：レイノルズ数（−）Ｖｉ：冷却水流速（ｍ／ｓ） ν：冷却水動粘性係数（ｍ^２／ｓ） γ：冷却水比重（ｋｇ／ｍ^３）ｆ：管摩擦係数（−） ΔＰ：管内圧力損失（差圧）（ｋＰａ）Ｌｐ：差圧部有効長（ｍ）ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ^２）

【００３３】図６は、横軸にリブ５の側面のなす角度θ
２をとり、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、θ２と伝
熱性能との関係を示すグラフ図、図７は、横軸にθ２を
とり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示す
グラフ図である。θ２が９８°以下の場合は、伝熱性能
が高い。また、θ２が６４°未満になると、圧力損失が
大きくなる。

【００３４】図８は、横軸にリブ５のリード角θ１をと
り、縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、両者の関係を示
すグラフ図、図９は、横軸にリード角θ１をとり、縦軸
に圧力損失ΔＰｓをとって、両者の関係を示すグラフ図
である。θ１は４０°未満では総括伝熱係数が低くな
る。一方、θ１が４４°を超えると、圧力損失が増大す
る。

【００３５】図１０は、横軸にリブ高さｈ１をとり、縦
軸に総括伝熱係数Ｋｏをとり、縦軸に圧力損失ΔＰをと
って、両者の関係を示すグラフ図、図１１は、横軸にリ
ブ高さｈ１をとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者
の関係を示すグラフ図である。リブ高さｈ１が０．２２
ｍｍ未満になると、総括伝熱係数が低下する。一方、リ
ブ高さｈ１が０．３５ｍｍを超えると、圧力損失ΔＰｓ
が上昇する。

【００３６】図１２は、横軸にリブピッチＰＲをとり、
縦軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、両者の関係を示すグ
ラフ図であり、図１３は、横軸にリブピッチＰＲをと
り、縦軸に圧力損失ΔＰをとって、両者の関係を示すグ
ラフ図である。リブピッチＰＲが１．０ｍｍ未満である
場合は、圧力損失が増大する。一方、リブピッチＰＲが
３．６ｍｍを超えると、総括伝熱性能が低下する。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧力損失が低く、伝熱性能が高い流下液膜式蒸発器用伝
熱管が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る流下液膜式蒸発器用伝熱
管を示す斜視図である。

【図２】同じくその管軸方向に平行な断面図である。

【図３】同じくその管軸に直交する断面図である。

【図４】伝熱性能の試験装置である。

【図５】圧力損失の試験装置である。

【図６】横軸にリブ５の側面のなす角度θ２をとり、縦
軸に総括伝熱係数Ｋｏをとって、θ２と伝熱性能との関
係を示すグラフ図である。

【図７】横軸にθ２をとり、縦軸に圧力損失ΔＰをとっ
て、両者の関係を示すグラフ図である。

【図８】横軸にリブ５のリード角θ１をとり、縦軸に総
括伝熱係数Ｋｏをとって、両者の関係を示すグラフ図で
ある。

【図９】横軸にリード角θ１をとり、縦軸に圧力損失Δ
Ｐをとって、両者の関係を示すグラフ図である。

【図１０】横軸にリブ高さｈ１をとり、縦軸に総括伝熱
係数Ｋｏをとり、縦軸に圧力損失ΔＰｓをとって、両者
の関係を示すグラフ図である。

【図１１】横軸にリブ高さｈ１をとり、縦軸に圧力損失
ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図である。

【図１２】横軸にリブピッチＰＲをとり、縦軸に総括伝
熱係数Ｋｏをとって、両者の関係を示すグラフ図であ
る。

【図１３】横軸にリブピッチＰＲをとり、縦軸に圧力損
失ΔＰをとって、両者の関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】１：伝熱管５：リブ６：突起

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｆ２５Ｂ 39/02 Ｆ２５Ｂ 39/02 Ｒ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管外面に滴下された液体が形成する液膜
と管内を流れる液体との間の熱交換を行う流下液膜式蒸
発器用伝熱管において、管内面に断面凸状に形成され適
長間隔で螺旋状に延びるリブと、管外面に形成され螺旋
状に配列された複数個の独立した突起とを有し、管軸を
含む断面における前記リブの側面のなす角度θ２が、６
４乃至９８°であることを特徴とする流下液膜式蒸発器
用伝熱管。
【請求項２】前記リブが延びる方向と管軸方向とのな
す角度であるリブのリード角θ１が、４０乃至４４°で
あることを特徴とする、請求項１に記載の流下液膜式蒸
発器用伝熱管。
【請求項３】前記リブの高さｈ１が０．２２乃至０．
３５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載
の流下液膜式蒸発器用伝熱管。
【請求項４】前記リブの管軸を含む断面におけるピッ
チＰＲが、０．１乃至３．６ｍｍであることを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流下液膜式蒸
発器用伝熱管。