JPH03204592A - 熱交換器 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は内管内に螺旋体を備えた内外管からなり、内管
と外管との間で流体（特に液体）の熱交換を行なう熱交
換器に関する。

［従来技術及び課題］ 従来の熱交換器においては、熱交換率を向上させるため
多数の伝熱フィンやバッフルプレートを備えたものがあ
る。しかし、この種の熱交換器では、流体が層状に流れ
るいわゆるチャンネリング現象を生じ、熱交換向上の点
で限界ある。

又、内管内に　１８０°捻りのバッフルプレートを９０
″接続角をもって逆向きに交互に接続した。いわゆるス
タティックミキサを用いることも行なわれている。しか
し、この場合接続部が多い等との関係で構造が極めて複
雑であり、製造上多大の工数を要する。そのため、多数
の内管を配設したり、長大管を使用して大きな伝熱面積
をとる必要がある場合、特にこの問題が支障となる。更
に圧力損失が大きく、省エネルギの見地からも課題があ
る。

［解決手段及び効果コ そこで２本発明は従来のスタティックミキサを用いた熱
交換器と同等の伝熱特性を有し、かつ上記課題を解決す
るために下記手段を採用した。

管内において長手方向に延びる螺旋エレメントを備え。

螺旋エレメントが、捻り角度１８０°を有する複数の単
位エレメントを接続角度Ｏ０で連続してなり。

隣接する単位エレメントが逆方向の捻りになっている。

ことを特徴とする熱交換用管体。

この熱交換用管体を内管とし、該一又は二以上の内管を
外管内に空隙をもって配設すれば、熱交換器の主要部が
構成される。

こうした手段によれば、スタティックミキサを利用した
ものに比して、極めて簡単な構造であり、しかも後述す
る実施例の試験結果から明らかにされるように、同等の
伝熱効果を達成できる。

加えて、圧力損失が格段に低いので、省エネルギの見地
から好ましく、特に長大管等の熱交換器において、又低
粘性液体に対しこの効果が顕著であり、実用上の利点が
大きい。

［好適な手段］ 熱交換用媒体としては液体、特にＲｅ　＞　１０４の低
粘性液体例えば水に対して有効である。液体に特有な熱
交換時の難点（チャンネリング現象）も殆んど生じない
。

管内壁との螺旋エレメントの接合は、ろう付が好ましい
。容易に接合でき高伝熱効率を確保できる。尚、この接
合によって内管の補強にもなりその肉厚を薄くしてもた
わみが少なく、その公吏に伝熱効率増大に資する。

上記螺旋エレメントによれば逆捩り攪拌の効果が付与さ
れ、内外管の空隙内のバッフルは必ずしも要しない。

−の螺旋エレメントを構成する単位エレメントの数は用
途に応じて適宜選択される。又、螺旋エレメントは単位
エレメントを製造した後、溶接。

ロウ付するか、或いは当初より一体のものとして製造す
る。

尚、各単位エレメント（捻り角　１８０°）の長手力向
長さ（Ｌ）の内管内径（Ｄ＞に対する比（１−、／　Ｄ
　）は１通常のスタティックミキサの単位エレメントと
同様に、１〜３程度が好ましい。

［実施例］ 第１Ａ図は本実施例に係る螺旋エレメント１を示し、該
螺旋エレメント１は捻り角度１８０°の複数（図では４
）の単位エレメント１ａ・・からなり単位エレメント毎
に捩り方向が逆向き、かつ接続角度Ｏ０をもって連結さ
れている。そのため。

螺旋エレメント１は管内において長手方向に延びる連続
したーの螺旋シートとして存在する。この点　従来の典
型的なスタティックミキサのエレメントが、単位エレメ
ントが相互に接続角度（例えば９０°）をもって不連続
に接続されている構成（第１Ｂ図）とは全く相違する。

従って１本例（本発明）の螺旋エレメント１は管内に配
備されたとき、管を二のチャンネルに分割するだけであ
る。

螺旋エレメント１　（単位エレメント１ａ・・・）は、
内管内を流れる液体の種類・圧力に応じ、好ましくは良
好な熱伝導性を有する材料１例えば５Ｓ４１．５ＬＩＳ
３１Ｇ、　　Ｃｕ　、　Ｎ　ｉ等の金属、又は炭化珪素
等のセラミックスで構成される。螺旋エレメント１と管
内壁とはろう付けで接合され、−保父されている。

この螺旋エレメント１を備えた熱交換器Ａを第１−１図
に示す。同図において、２は内管、３は外管である。本
例は４本の内管２・・・を備えた例を示している。

係る構成の熱交換器Ａにおいて、熱交換用液体を矢印方
向に流入させると、二のチャンネルに分割され、各チャ
ンネルにおいて１分割液体は各単位エレメント１ａ・・
・によって螺旋運動しながら。

かつ単位エレメント１ａ毎に逆捩すしながら長手方向に
移動することとなる。

［試験］ （１）目的 本実施例の熱交換器の性能を確認する。

比較例として、従来の標準エレメント（図ＩＢ）を備え
てなる熱交換器を用いた。尚、参考のため、空管（図Ｉ
Ｃ）の熱交換器についても調べた。

（２）試験装置および試験方法 試験に用いた熱交換フローを図１−２に示す。

図１−２においてｒＦＩＪは流量指示計、「Ｐ」は圧力
、ｒＰ、Ｊは蒸気圧力、そしてｒＴ　Ｉ　Ｃｌは温度指
示調整計を夫々示す。また熱交換器の仕様を表１に示す
。尚、螺旋エレメントの全長（Ｌ）はいずれも８１０ｍ
ｍとした。

試料は、低粘度液体には水を、高粘度液体には日本コン
スターチ■製酸糖化水アメ（サンシララフ８５）を、濃
度７５％に調整して使用した。（物性値は表２に記載） 圧力損失の測定およびスチームによる加熱試験、水道水
による冷却試験を行った。

（３）試験結果 （３−１）低粘度液体による圧力損失 水道水を使用しての圧力損失の試験結果を図４に示す。

実施例の場合、比較例に対し圧力損失が小さく、流動性
の高い構造となっている。

（３−２）低粘性液体による加熱試験 図５にはスチームによる水道水の加熱試験の結果を示し
た。ｊ□は（２）（注１）式で与えられる。水道水のよ
うな低粘度性液体の場合、実施例と比較例とについて、
熱効率に顕著な差は見られないことがわかる。

（３−３）高粘度液体による圧力損失 図６１図７には、７５％に調整した水アメの粘度ｖｓ剪
断速度、粘度ｖｓ温度の測定結果を示した。本試験では
、剪断速度の範囲はＮ−４０〜２０Ｏ８−１であり、こ
の範囲での粘度への影響は小さいが、温度の影響が大き
いことがわかる。

図８には、水アメを使用しての圧力損失の試験結果を示
した。水道水の場合と同様、水アメのような高粘性流体
においても同様な圧力損失の結果が得られた。

図９には、比較例の圧力損失の試験結果と７推測値との
比較を示した。推定値は（３）（注１〉式による。回転
粘度計により得られた粘度は実際の圧力損失より推定さ
れる値よりも小さい値となり。

その比は約０．６０となる。以後、レイノルズ数にはこ
の粘度を用いて整理を行うものとする。

（３−４）高粘度液体による加熱試験 図１０に水アメを使用してのスチームによる加熱試験結
果を示す。管内側伝熱係数ｈｉは（Ｉ）（注１）式で与
えられ、φ−１，１とする。実施例の場合も比較例の場
合と同様、Ｒｅの１／３乗に比例し、係数Ａは比較例の
場合１．８５．実施例の場合１．２８を得た。熱効率は
比較例の方が若干良いことがわかった。

（３−５）高粘度液体による冷却試験 図ＩＩには、水道水による冷却試験結果を示す。

比較例においては、加熱の場合と同様な結果が得られた
。実施例においては、　Ａ−０，８５で、加熱の場合よ
りも低い熱効率が得られた。

（以下余白） 表１ 表２ Ｄ推定値 つ日本コーンスターチ■テクニカル・サービス１こよる
データ ＠添字０，１をそれぞれ管外側、管内側とする。また実
施例の水−加熱においてはｒ。−「１−ｏとする。

（４〉結果 （４−１）圧力損失 圧力損失については以下の結果を得た。

（ｉ）低粘性液体（水）　　Ｒｅ＞１０４ΔＰ（実施例
）／ΔＰ（比較例）−０，４０〜０，４５（１１）高粘
性液体（水アメ）　　Ｒｅ＜１０ΔＰ（実施例）ノΔＰ
（比較例）−０，７０〜０．７５（４−２）熱交換効率
［ｊＨコ　（注２）熱交換効率については以下の結果を
得た。

（１）低粘性液体（水）−スチーム加熱Ｒｅ＞１０３ｊ
Ｈ（実施例）／ｊ＋（比較例）ζ１．００１）高粘性液
体（水アメ）　　Ｒｅ＜１０スチーム加熱ｊＨ（実施例
）／ｊＨ（比較例）ζ０．７０冷却ｊＨ（実施例）／ｊ
）ｌ（比較例）ζ０゜５０（５）考察 圧力損失については、実施例の熱交換器は、比較例に比
して０．７５以下、特に低粘性液体の場合は０．４５以
下である。

実施例の熱交換器は、水のような低粘性流体のスチーム
加熱の系の場合、比較例と同等の熱交換効率が得られる
。高粘性流体の場合においてもその簡易な構造及び低圧
力損失を考慮した上で使用可能である。

（以下余白） （注１　）　（１）、（２）、（３）式％式％ （） （２） （３） （） （） 管内側流体の流量をＷ　＜ｋｇ／ｈ）とすると熱交換量
Ｑ　（ｋｃａｌ／ｈ）は Ｑ−Ｗ−Ｃ・Δｔ（Ｃ：比熱）　　　　　（■）飽和蒸
気表の基に、スチーム２次圧よりエンタルピーｈ　（ｋ
ｃａｌ／ｋｇ）を読みとり、スチーム流量Ｗ′（ｋｇ／
ｈ）を次式より求める。

Ｗ’　　−Ｑ／ｈ　　　　　　　　　　　　　　　（Ｉ
ＩＩ）また９次式より総括伝熱係数Ｕ　（ｋｃａｌ／ｒ
ｒ？・ｈ・℃）を求め。

Ｕ−Ｑ／Ａ・ΔｔＩＩｌ（Δｔ；対数平均温度差）（■
）（１）式よりｈｌを算出する。さらにり２）式より」
Ｈを求める。但しり。は計算式を用いて求める。

（冷却） 冷却水流ｆｆｉＷ（ｋｇ／ｈ）を実測し、以下スチーム
加熱の場合と同様にしてｈｌを求める。

（以下余白）

【図面の簡単な説明】

図ＩＡ、Ｂ、Ｃは管体（内管）の構造を示す側断面図で
あって２図ＩＡは実施例に係るもの１図ＩＢは比較例に
係るもの２図ＩＣはエレメントを備えていない単なる空
管に係るもの。 図１−１は実施例の熱交換器を示した側断面図及びその
Ｃ−Ｃ断面図（エレメントを除いて比較例等も同様）。 図１−２は試験に用いた熱交換フローを示した図 図２．３は高粘度液体としての水アメの特性（比重、比
熱）を示すグラフ。 図４は低粘度液体による圧力損失の結果を示すグラフ。 図５は低粘度液体による加熱試験の結果を示すグラフ。 第６．７図は高粘度液体としての水アメについて、粘度
ｖｓ剪断速度、粘度ｖｓ温度の関係を示すグラフ。 図８，９は高粘度液体による圧力損失の結果を示すグラ
フ。 叉１０は高粘度液体による加熱試験の結果を示すグラフ
。 図１１は高粘度液体による冷却試験の結果を示すグラフ
。 を夫々表わす。 １・・・螺旋エレメント １ａ・・・単位エレメント ２・・・内管　　　　　　３・・・外管第１Ａ図 第１Ｂ図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）管内において長手方向に延びる螺旋エレメントを
   備え、 螺旋エレメントが、捻り角度１８０゜を有する複数の単
   位エレメントを接続角度０゜で連続してなり、 隣接する単位エレメントが逆方向の捻りになっている、 ことを特徴とする熱交換用管体。
2. （２）外管と、該外管内に空隙をもって配設される一又
   は二以上の内管とからなり、 内管内において長手方向に延びる螺旋エレメントを備え
   、 螺旋エレメントが、捻り角度１８０゜を有する複数の単
   位エレメントを接続角度０゜で連続してな隣接する単位
   エレメントが逆方向の捻りになっている。 ことを特徴とする熱交換器。
3. （３）熱交換用媒体がＲｅ＞１０＾４（Ｒｅ：レイノル
   ズ数）の低粘性液体である請求項１又は２記載の管体又
   は熱交換器。
4. （４）管内壁との螺旋エレメントの接合がろう付である
   請求項１又は２記載の管体又は熱交換器。