JP2564161B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、たとえば原子力プラントに用いる蒸気発生
器等の熱交換器の改良に関する。

［従来の技術とその課題］ 管外から過熱され、管内を被加熱流体が流れる多数本
の伝熱管の上下両端を上部管板と下部管板に支持して夫
々その上方及び下方の水室に連通して成る熱交換器で
は、被加熱流体が沸騰する場合、各々の伝熱管内の流量
が変動する所謂不安定流動現象が発生することがある。

このような不安定流動現象が生じると、伝熱管の温度
が周期的に変動し、伝熱管の熱疲労が問題となる。

一方、不安定流動現象は、伝熱管内の予熱域の圧損が
核沸騰域，膜沸騰域及び過熱域の圧損よりも一定比率以
上の圧損であれば発生しないことが知られている。

この為、伝熱管入口にオリフィスを設け、予熱域の圧
損を増大させ、不安定流動現象の発生を防止することが
一般に行われている。

然し乍ら、伝熱管入口にオリフィスを設けたものの圧
損の増大は、伝熱性能の向上には何ら寄与しない。

本出願人は先に伝熱管内の水及び水蒸気の管内質量速
度を増加させることにより、伝熱面に於ける伝熱効率を
高めることのできる熱交換器としての蒸気発生器を開発
した（特開昭60−96803号）。

この蒸気発生器は、第５図に示す如く多数の伝熱管１
と胴２の熱膨張差によって発生する熱応力を、伝熱管１
の下部に設けられた曲管部３の弾性変形により吸収緩和
する型式で、高温の一次側流体、例えば液体ナトリウム
は、矢印Ａのように入口ノズル４から胴２内に入る。さ
らに内胴５の上端部に設けられている分配窓６から内胴
５内に入ってそこを下降する。そして内胴５の下端部に
設けられている分配窓７から出て、出口ノズル８から矢
印Ｂのように流出していく。他方、低温の二次側流体、
例えば水は、矢印Ｃのように下部水室９へ入る。続いて
下部管板10に接続された多数の伝熱管１内を通って上昇
する。その間に熱交換して水は気化され、その蒸気が上
部管板11で仕切られた上部水室12から矢印Ｄのように流
出していくものである。上部管板11に接続されている多
数の伝熱管１の内部には第６図に示す如く増速芯（伝熱
促進体）20を配してあり、この増速芯20は円柱体より成
り、その下端部21、即ち低温の二次側流体の流入側は、
半球形又は流線形等の形状になされ、上端部は上部管板
11への支持装置となっている。支持装置22は放射状に突
設された複数本の腕23にて上部管板11上に取付けられた
台座24に着脱可能にボルト25にて固定されている。増速
芯20はその外周面上下方向に一定間隔を存して放射状に
且つ対称に支持片27を、伝熱管１の内面との間に若干の
遊隙を保って取付けてある。尚、16は上部管板11,下部
管板10の熱遮蔽板、26は増速芯20の吊上げ用フックであ
る。

このように増速芯20が配された多数の伝熱管１内には
増速芯20との間に二次側流体の環状流路30が形成されて
いるので、一定の圧力をもって伝熱管１内を上昇する二
次側流体は、増速芯20の位置に至ると環状流路30を流れ
ることになる。従って、増速芯20の無い場合よりも流路
面積が狭くなり、二次側流体の管内質量速度が早められ
る結果、伝熱面に於ける伝熱効率が高まるとされてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ 然し乍ら、上記の蒸気発生器では、電熱管内の予熱域
から過熱域までの流路面積が等しく狭いため伝熱性能は
向上するが圧損も増加し、この圧損の増加は不安定現象
の防止には寄与しない。

［発明の目的］ 本発明は、上記課題を解決すべくなされたもので、伝
熱管内の被加熱流体の不安定流動の発生を防止できるこ
とは勿論のこと、伝熱管の伝熱効率を向上させることの
できる熱交換器を提供することを目的とするものであ
る。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の熱交換器は、管外
から加熱され、管内を被加熱流体が流れる多数本の伝熱
管の上下両端を上部管板と下部管板に支持して夫々その
上方及び下方の水室に連通して成る熱交換器に於いて、
前記各伝熱管内の予熱域に、流路面積を減少し流速を早
めて圧損を増加するか、圧損係数の大きな形状の伝熱促
進体を挿入し、これに接続して各伝熱管内の核沸騰域か
ら過熱域までに、予熱域よりも流路面積を幾分増大し流
速を遅くして圧損の増加を少なくするか、圧損係数の小
さな形状の伝熱促進体を挿入したことを特徴とするもの
である。

［作 用］ 上述の如く本発明の熱交換器は、伝熱管内の予熱域
に、圧損を多くする伝熱促進体を挿入してあるので、予
熱域の熱伝達が促進されると共に、被過熱流体の不安定
流動の発生が防止される。また伝熱管内の核沸騰域から
過熱域までに、圧損の比較的小さい伝熱促進体を挿入し
てあるので、水蒸気二相流の不安定現象が発生せず、か
つ、伝熱促進体により伝熱効率が著しく向上する。

［実施例］ 本発明による熱交換器の一実施例を蒸気発生器の場合
を図によって説明する。第１図は第５図に示した蒸気発
生器に於いて、伝熱管に本発明に係る伝熱促進体を挿入
支持した状態を示す要部断面図で、各伝熱管１はその上
端が上部管板11の伝熱管連通孔31に連通されて上部管板
11に溶接にて結合され、下端が下部管板10の伝熱管連通
孔32に連通されて下部管板10に溶接にて結合されてい
る。この各伝熱管１内には図示の如く上部管板11の伝熱
管連通孔31より伝熱促進体33が挿入支持されている。こ
の伝熱促進体33は、伝熱管１内の下部の予熱域で、中実
丸棒34となっていて、下端が尖鋭になされ、外周面上下
方向に一定間隔を存して対称にスペーサー35を平面放射
状となるように、伝熱管１の内面との間に若干の遊隙を
保って設けてある。このスペーサー35は中実丸棒34の外
周を挟圧圧潰して直角方向に突出せしめて一体に形成し
たものである。中実丸棒34の上端に溶接にて接続して伝
熱管１内の上部の核沸騰域，膜沸騰域，過熱域では伝熱
促進体33がねじりテープ36となっていて、その幅は伝熱
管１の内面との間に若干の遊隙を保てる寸法になされて
いて、その上端中心にはロッド37が溶接にて接続されて
上部管板11の伝熱管連通孔31を貫通していて、ロッド37
の上部外周が扁平に圧潰されて円板部38が形成され、こ
の円板部38が伝熱管連通孔31の開口縁に係止されて、伝
熱促進体33全体が懸垂支持されている。

上述の如く構成された実施例の蒸気発生器に於いて、
高温の一次側流体、例えば液体ナトリウムは第５図に示
す矢印Ａのように入口ノズル４が胴２内に入り、さらに
内胴５の上端部に設けられている分配窓６から内胴５内
へ入ってそこを下降する。そして内胴５の下端部に設け
られている分配窓７から出て矢印Ｂのように流出してい
く。低温の二次側流体、例えば水は矢印Ｃのように下部
水室９へ入る。続いて下部管板10に接続された多数の伝
熱管１内へ入る。

この伝熱管１内へ入った水は、第１図に示す如く予熱
域で配された中実丸棒34の外周面との間に形成された流
路面積の狭い環状通路39を流れ、水の管内質量速度が早
くなり、圧損が増加して、伝熱面に於ける熱伝達が促進
せしめられて、液体ナトリウムと熱交換し昇温されやが
て予熱域の環状通路39を通過し、伝熱管１内の核沸騰域
から過熱域まで配されたねじりテープ36の外面との間に
形成された螺旋状流路40を流れ、水及び水蒸気の管内質
量速度が幾分遅くなり、圧損の増加が少なくなる。そし
て水及び水蒸気は螺旋状流路40を旋回流となって流れる
ので、ミストが伝熱管１の内壁に衝突する。従って熱伝
達率の極めて高い核沸騰域が長くなり、熱伝達率の低い
膜沸騰域が短くなる。また核沸騰域から過熱域までの圧
損が少なく、予熱域での圧損が多いので、伝熱管１内の
不安定流動の発生が防止される。

核沸騰域，膜沸騰域を通過した水蒸気は、過熱域で過
熱蒸気となり、上部管板11の伝熱管連通孔31を通って上
部水室12に入り、この上部水室12に入った過熱蒸気は第
５図の矢印Ｄのように流出していく。

上記実施例は、伝熱管１内の予熱域に中実丸棒34より
成る伝熱促進体を配し、核沸騰域から過熱域までにねじ
りテープ36より成る伝熱促進体を配した場合であるが、
これに限るものではない。予熱域に中実丸棒34を配した
場合、核沸騰域から過熱域まではねじりテープ36の代り
に、第２図ａに示す如くねじり方向を左右交互に変えた
リボン41を一定間隔にロッド42にて連結したミキサー43
より成る伝熱促進体を挿入して、旋回流を発生させると
同時に大きな乱流を発生させて、熱伝達率の極めて高い
核沸騰域を長くすると良い。またねじりテープ36の代り
に第２図ｂに示す如く伝熱管１の核沸騰域から過熱域ま
での内壁面に密着挿入したスプリング44より成る伝熱促
進体により旋回流を発生させて、熱伝達率の極めて高い
核沸騰域を長くすると良い。さらにねじりテープ36の代
りに第２図ｃに示す如く伝熱管１内の核沸騰域から過熱
域まで小径の中実丸棒34′の外周にワイヤー45を巻いた
スパイラルロッド46より成る伝熱促進体を挿入して、旋
回流の発生する環状流路を形成して、熱伝達率の極めて
高い核沸騰域を長くすると良い。

然して、伝熱管１内の予熱域には中実丸棒34より成る
伝熱促進体を配しているが、第３図ａ乃至ｅに示すよう
に、核沸騰域から過熱域まで配したねじりテープ36、ミ
キシングロッド43、スプリング44,スパイラルロッド46,
中実丸棒34に対応して、中実丸棒34の外周にスペーサー
としてワイヤー47を巻装したスペーサー付中実丸棒48よ
り成る伝熱促進体を挿入して、旋回流を発生させ、核沸
騰域から過熱域までの圧損よりも大きくすると良い。ま
たこの予熱域のスペーサー付中実丸棒48の代りに第４図
ａ乃至ｅに示されるように小径のロッド49の外周に長手
方向に一定間隔にディスク50を固設したディスク付ロッ
ド51より成る伝熱促進体を挿入して、ディスク50により
大きな乱流を発生させ、核沸騰域から過熱域までの圧損
よりも大きくすると良い。また予熱域から過熱域まで同
一形状のものでも、予熱域の圧損係数を増大させること
もできる。例えば中実丸棒やディスク付ロッドの場合は
予熱域だけ径を大きくする。ねじりテープやスプリング
の場合は予熱域だけピッチを小さくする。

要するに本発明では、伝熱管内に配する伝熱促進体
は、予熱域で流路面積を減少し、流速を早めて圧損を大
きくできるか、圧損係数の大きな形状の伝熱促進体、核
沸騰域から過熱域までは予熱域よりも流路面積を幾分増
大し、流速を遅れさせて圧損を小さくできるものか、圧
損係数の小さな形状の伝熱促進体ならばいかなる形状の
ものでも良いものである。

尚、上記の各中実丸棒は円管を封塞したものでも良い
ものである。

［発明の効果］ 以上の説明で判るように本発明の熱交換器は、多数の
伝熱管内の予熱域に、圧損を大きくする伝熱促進体を挿
入し、これに接続して各伝熱管内の核沸騰域から過熱域
までに予熱域よりも圧損の増加を少なくする伝熱促進体
を挿入しているので、予熱域の熱伝達が促進されると共
に被加熱流体の不安定流動の発生が防止され、且つ核沸
騰域から膜沸騰域までの間で水蒸気二層流の不安定現象
が発生せず、熱伝達率の高い核沸騰域が長くなる。従っ
て、伝熱管の伝熱効率が著しく向上し、同じ熱交換量の
要求に対して必要伝熱面積即ち伝熱管本数を削減して熱
交換器の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱交換器の一実施例である蒸気発
生器に於ける伝熱管を示す縦断面図、第２図a,b,cは第
１図の伝熱管内の核沸騰域から過熱域までの伝熱促進体
の変更例を示す図、第３図ａ乃至ｅは伝熱管内の伝熱促
進体の変更例を示す図、第４図ａ乃至ｅは第３図ａ乃至
ｅの伝熱管内の予熱域の伝熱促進体を変更した図、第５
図は蒸気発生器を示す概略断面図、第６図は従来の蒸気
発生器に於ける伝熱管を示す縦断面図である。 １……伝熱管、９……下部水室、10……下部管板、11…
…上部管板、12……上部水室、33……伝熱促進体、34…
…中実丸棒、36……ねじりテープ、43……ミキサー、44
……スプリング、46……スパイラルロッド、48……スペ
ーサー付中実丸棒、51……ディスク付ロッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹本 正典 東京都江東区南砂２丁目４番25号 川崎 重工業株式会社東京設計事務所内 (56)参考文献 実開 昭63−109806（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管外から加熱され、管内を被加熱流体が流
   れる多数本の伝熱管の上下両端を上部管板と下部管板に
   支持して夫々その上方及び下方の水室に連通して成る熱
   交換器に於いて、前記各伝熱管内の予熱域に、流路面積
   を減少し流速を早めて圧損を増加するか、圧損係数の大
   きな形状の伝熱促進体を挿入し、これに接続して各伝熱
   管内の核沸騰域から過熱域までに、予熱域よりも流路面
   積を幾分増大し流速を遅くして圧損の増加を少なくする
   か、圧損係数の小さな形状の伝熱促進体を挿入したこと
   を特徴とする熱交換器。