JPH11325787A - シェルアンドチューブ式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】非共沸混合冷媒を用いたシェルアンドチューブ
式熱交換器の熱交換器性能を向上させる。 【解決手段】シェル２内が冷媒仕切板で分割されている
ために、冷媒入口部６から流入した冷媒は、第１の冷媒
流路１２で第２のチューブ１１を流れる冷却媒体と、第
３の冷媒流路１４で第１のチューブ１０内を流れる冷却
媒体と対向流的に流れ、シェル２内の冷媒流量が多くな
り、熱交換性能を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍空調機器の凝縮
器に使用されるシェルアンドチューブ式熱交換器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から冷凍，空調分野で冷媒として使
用されてきたＲ２２，Ｒ５０２と言った塩素原子を有す
る冷媒は成層圏のオゾン層を破壊することが知られ、使
用が規制されている。これらの冷媒に代わるものとして
オゾン破壊物質である塩素原子を含まない冷媒ＨＦＣ
（ハイドロフルオロカーボン）３２，ＨＦＣ１２５，Ｈ
ＦＣ１３４ａ，ＨＦＣ１４３ａ等を混合した冷媒が知ら
れている。これらの混合冷媒の中でＲ４０７Ｃ，Ｒ４１
０Ａ，Ｒ４０４Ａと言った冷媒が代替候補とされてい
る。

【０００３】しかし、これらの代替冷媒は従来冷媒に比
べ熱物性的に効率が低く、また、混合冷媒であるため
に、シェルアンドチューブ式熱交換器に使用した場合、
従来の温度勾配に加え濃度勾配が熱交換性能の阻害要因
になり、性能低下になる。このため過冷却を大きくし性
能向上を図ったものとして例えば特開平8−233408 号公
報が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、非
共沸混合冷媒を使用した場合に、過冷却が大きくなり、
性能を改善できるが、非共沸混合冷媒の特徴である、凝
縮域の温度勾配，濃度勾配には考慮されていない。シェ
ルアンドチューブ式熱交換器を凝縮器に使用した場合、
通常冷却媒体の入口出口の温度差は５℃程度であり、Ｒ
２２のような単一冷媒を使用した場合、完全に凝縮する
ために出口冷却媒体より１〜２℃高い凝縮温度になる。

【０００５】しかし、代表的な非共沸混合冷媒であるＲ
４０７Ｃでは、凝縮時にも、凝縮開始から凝縮終了まで
にガスの組成が変化するために５℃程度変化する。した
がって、凝縮を終了させるためには冷却媒体の出口温度
より凝縮終了温度を高くとる必要があり、凝縮圧力の上
昇、さらに冷凍サイクルに使用した場合には圧縮機動力
の増加になる。

【０００６】また、高沸点冷媒が凝縮しやすく、凝縮し
た液冷媒の組成は高沸点冷媒が多く、ガスは低沸点冷媒
が多くなり、伝熱面近傍に濃度勾配を生じ、熱交換性能
を低下させる。

【０００７】本発明の目的は、非共沸混合冷媒を使用し
ても熱交換性能の高いシェルアンドチューブ式熱交換器
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、冷媒入口部
と冷媒出口部を設けたシェルと、シェル内に複数本の冷
却媒体が流れるチューブを設け、冷却媒体の流れが複数
パスになるように構成したシェルアンドチューブ式熱交
換器において、冷媒として非共沸混合冷媒を用い、凝縮
ガスと冷却媒体の流れが対向になるように冷媒仕切板を
設けることにより達成できる。

【０００９】さらに上記目的は、冷媒入口部と冷媒出口
部を設けたシェルと、シェル内に複数本の冷却媒体が流
れるチューブを設けて構成したシェルアンドチューブ式
熱交換器において、冷媒として非共沸混合冷媒を用い、
冷媒入口部に絞り部を設けるとともに、該絞り部と冷却
媒体近傍のガス冷媒が連通するバイパス路を設けること
によっても達成できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例により説明
する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施例に係るシェル
アンドチューブ式熱交換器の縦断面図、図２は第１の実
施例に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の横断面図
である。図７は冷媒と冷却水の温度分布である。

【００１２】図１において、１はシェルアンドチューブ
式熱交換器、２はシェル、３は第１のヘッダ、４は第２
のヘッダ、５は第１のヘッダ３の冷却水入口部８の冷却
水と冷却水出口部９の冷却水の混合を防止する冷却水仕
切壁、６は冷媒入口部、７は冷媒出口部、１０は内部に
冷却媒体としての冷却水が流れる複数本の第１のチュー
ブ（図１では１本で代表）、１１は複数本の第２のチュ
ーブ（図１では１本で代表）、１２は非共沸混合冷媒が
流れる第１の冷媒流路、１３は第２の冷媒流路、１４は
第３の冷媒流路、１５はシェル２内に第２の冷媒流路１
３の部分を除き水平に設置され第１の冷媒流路１２と第
３の冷媒流路１４を分離する冷媒仕切板、１６は冷媒仕
切板１５のシェル２内壁との接触部に設けた液冷媒を下
方に流すための切り欠き、１７はシェル２内の冷媒と冷
却水を分離する第１の仕切壁、１８は第２の仕切壁であ
る 以上のように構成したシェルアンドチューブ式熱交換器
１は、高温のガス冷媒（図７の温度Ｔ１）、例えばＲ４
０７Ｃが冷媒入口部６から供給される。供給されたガス
冷媒はシェル２内の第１の冷媒流路１２を流れ、第２の
チューブ１１内を流れる冷却水と熱交換し温度が低下す
る。冷媒温度Ｔ２で凝縮を開始し、さらに第１の冷媒流
路１２を流れるにしたがって、冷媒の一部が凝縮し液冷
媒が落下するとともにガス冷媒も温度を低下させ、第２
の冷媒流路１３を通り、第３の冷媒流路１４で第１のチ
ューブ１０内を流れる冷却水で冷却され、温度Ｔ３で凝
縮を完了する。第１の冷媒流路１２で凝縮した液冷媒は
冷媒仕切壁１５に設けた切り欠き１６よりシェル２内壁
を伝わってシェル２下部に落下する。

【００１３】一方、第３の冷媒流路１４で凝縮した液冷
媒は直接シェル２下部に落下し、第１の冷媒流路１２の
液冷媒と混ざり、冷媒出口部７から外部に流れる。一
方、温度ｔ１の冷却水は冷却水入口部８から第１のヘッ
ダ３に供給された後、第１のチューブ１０内に分割され
第３の冷媒通路１４を流れる冷媒を冷却することにより
温度を上昇させながら、第２のヘッダ４で再び合流し、
第２のチューブ１１でさらに冷媒を冷却し温度ｔ２まで
上昇し、第１のヘッダ３で再び合流し、冷却水出口部９
から外部に流れる。

【００１４】したがって、上記第１の実施例ではシェル
２内の冷媒ガスとチューブ内の冷却水は対向的に流れ、
図７に示すように、過熱ガス域である温度Ｔ１からＴ２
の部分を除き、冷媒温度と冷却水温度の差の変化を少な
くでき熱交換性能を向上できる。さらに、第１の冷媒流
路１２で凝縮した液冷媒を冷媒仕切壁１５の切り欠きか
ら下部に落下させることにより、凝縮液が第１のチュー
ブ１０上に落下しないために第１のチューブ１０外面の
液膜厚さを低減でき、さらに熱交換性能を向上させるこ
とができる。さらに、冷媒出口部７を冷却水入口部近傍
に設けることにより、冷媒出口部７の液冷媒温度も最も
低くなり、温度が高い液冷媒との混合により発泡するこ
とが少なくできる。

【００１５】本発明の第２の実施例を図３，図４により
説明する。

【００１６】図３は本発明の第２の実施例に係るシェル
アンドチューブ式熱交換器の水平断面図、図４は第２の
実施例に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の横断面
図である。

【００１７】図３，図４において、２０は第２の冷媒流
路１３を除きシェル２内に第１のチューブ１０と第２の
チューブ１１を垂直方向に分割した冷媒仕切板Ｂであ
る。また、他の部分は冷媒流路が冷媒仕切板２０により
水平方向にターンするように構成されているが同様の動
作を行う。

【００１８】以上のように構成したシェルアンドチュー
ブ式熱交換器は、第１の冷媒流路１２，第２の冷媒流路
１３，第３の冷媒流路１４を流れる冷媒は、第１のチュ
ーブ１０，第２のチューブ１１内を流れる冷却水と対向
流的に流れ、冷媒と冷却水の熱交換を行う。また、第１
の冷媒流路１２で凝縮した液冷媒は、第１の冷媒流路，
第２の冷媒流路及び第３の冷媒流路下部を流れ冷媒出口
７から外部に流れる。

【００１９】したがって、第２の実施例では第１の実施
例と同様に冷媒と冷却水を対向流的に流すことにより熱
交換性能を向上させることができる。さらに第１の冷媒
流路１２及び第３の冷媒流路１４で冷却水と熱交換し凝
縮した液冷媒は直接シェル２下部に落下するために、冷
媒仕切板１５に切り欠き等の加工が不要になり、構造を
簡単にすることができる。

【００２０】第１の実施例及び第２の実施例では冷却水
の流れが２パスのものについて説明したが、２パス以上
のものでも冷媒仕切板を水平と垂直に設置することによ
り同様の効果が得られる。

【００２１】本発明の第３の実施例を図５，図６を用い
て説明する。

【００２２】図５は本発明の第３の実施例に係るシェル
アンドチューブ式熱交換器の縦断面図、図６は第３の実
施例に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の横断面図
である。

【００２３】図５及び図６において３０は冷却水入口近
傍のガス冷媒を冷媒入口部６に戻すバイパス路、３１は
冷媒入口部６に設けた絞り部である。

【００２４】以上のように構成することにより、第１の
冷媒流路１２，第２の冷媒流路１３，第３の冷媒流路１
４を流れる冷媒は、第１のチューブ１０，第２のチュー
ブ１１内を流れる冷却水と対向流的に流れ、冷媒と冷却
水の熱交換を行う第１の実施例と同様の動作を行う。さ
らに、冷媒入口部６の絞り部３１で冷媒速度が速くな
り、静圧が低下するために、冷却水入口近傍の未凝縮の
ガス冷媒は、バイパス路３０を通り、再び冷媒入口部６
に供給される。

【００２５】したがって、第３の実施例では第１の実施
例に加え、シェル２内を流れる冷媒流量を多くすること
ができ、非共沸混合冷媒を使用した時に熱交換を阻害す
る冷媒の濃度勾配を薄くすることができ熱交換性能をさ
らに向上できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、冷媒入口部と冷媒出口
部を設けたシェルと、シェル内に複数本の冷却媒体が流
れるチューブを設け、冷却媒体の流れが複数パスになる
ように構成したシェルアンドチューブ式熱交換器におい
て、凝縮ガスと冷却媒体の流れが対向になるように冷媒
仕切板を設けることにより、非共沸混合冷媒を用いても
凝縮時の温度勾配を有効に使用することができ、熱交換
性能を向上させたシェルアンドチューブ式熱交換器を提
供できる。

【００２７】また、冷媒入口部と冷媒出口部を設けたシ
ェルと、シェル内に複数本の冷却媒体が流れるチューブ
を設けて構成したシェルアンドチューブ式熱交換器にお
いて、冷媒入口部に絞り部を設けるとともに、該絞り部
と冷却媒体近傍のガス冷媒が連通するバイパス路を設け
ることにより、シェル内の冷媒速度を向上でき、非共沸
混合冷媒を使用した場合にも熱交換性能を向上させたシ
ェルアンドチューブ式熱交換器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るシェルアンドチュ
ーブ式熱交換器の縦断面図。

【図２】第１の実施例に係るシェルアンドチューブ式熱
交換器の横断面図。

【図３】本発明の第２の実施例に係るシェルアンドチュ
ーブ式熱交換器の水平断面図。

【図４】第２の実施例に係るシェルアンドチューブ式熱
交換器の横断面図。

【図５】本発明の第３の実施例に係るシェルアンドチュ
ーブ式熱交換器の縦断面図。

【図６】第３の実施例に係るシェルアンドチューブ式熱
交換器の横断面図。

【図７】冷媒温度と冷却水温度との差の変化を示す熱交
換性能特性図。

【符号の説明】

１…シェルアンドチューブ式熱交換器、２…シェル、６
…冷媒入口部、７…冷媒出口部、１０…第１のチュー
ブ、１１…第２のチューブ、１２…第１の冷媒流路、１
３…第２の冷媒流路、１４…第３の冷媒流路、１５…冷
媒仕切板、１６…切り欠き、２０…冷媒仕切板Ｂ、３０
…絞り、３１…バイパス路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒入口部と冷媒出口部を設けたシェル
   と、シェル内に複数本の冷却媒体が流れるチューブを設
   け、冷却媒体の流れが複数パスになるように構成したシ
   ェルアンドチューブ式熱交換器において、冷媒として非
   共沸混合冷媒を用い、凝縮ガスと冷却媒体のの流れが対
   向になるように冷媒仕切板を設けたことを特徴とするシ
   ェルアンドチューブ式熱交換器。