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アンモニア竪型凝縮器の熱伝達に就いて

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(1)

d21.57.044;53d.24d

アンモニア竪型凝縮器の熱伝達に就いて

治*

長谷川

修**

幸***

Heat

Transfer

of

the

Ammonia

VerticalShell

and

Tube

Condenser

By SeijiSut6,Osamu Hasegawa and Shigeyuk主Takigawa

TochigiWorks,Hitachi,Ltd.

Abstra七t

Followlng the study on the heat transfer of the horizontaltype condenser as

publishedinthe previousissue of this periodical,the writers picked up this time

the verticaltype condenser eonnected with the30HP ammonia compressor,and

con-ductedthe experimentalresearchand the theoreticalinvestigation on such problems

as:the effectof coolingwaterontheぐOndensingtemperature;the relationbetween

theheatconductivityand the coolingwater quantity;and the effectof swirlon heat transfer.

Based on the results of these researches,thewriters compiledthe chartofthe

Characteristicsoftheverticaltype condensershowlngtherelationsbetween the con-densing capacity,COOling water quantity,COOling water temperature,heat transfer area,COndens主ngpressure,COndensingtemperature,andthe horse-POWerrequired for the compressor.

They further conducted the experimentalresearch on the relation of heat

con-ductivity and the speed of brine of the ammonia brine cooler.

〔Ⅰ〕緒

前章(承諾別冊No.1P.75参照)iこ於て、横型凝 縮器灯 して凝縮圧力の圧縮機動力に及ぼす影響、 温度に対する冷却7kの影響、圧縮機動力と冷却7k温度と の 係、熱貫流 スケ・-ルの と冷却7Jく速度の関係並びに冷却管内の 伝達に及ぼす影響等の 問題に就き、実験 肋検討と理論的考察を行ったが、充実験に於ては前栽と 同様工場内に於て 30HP アンモニア圧縮 を使用して 冷凍蓮転を行い、竪型凝縮器に関して上記の問題以外に スワルが凝縮器の熱伝達に及ぼす影響、プライソ冷却器

の熟貫流率に就いて所要の測定をなし、凝縮器の作間を

検討すると共に、理論的考察を行った。 ****** 日立製作所栃木工場 〔ⅠⅠ〕研

第1図(次貢参照)に示せる写真は本研究装置の外観 で、写真rl -の番号ほ本研究に使凋した F記登き詩を示して いる〕 ① 竪塾凝縮器 ㊤ 凝縮器冷却水の流量測定吊タソク (カ ブライソ冷却器 (カ ブラインタソク (カ ブライン流量測崖タンク ① 圧縮機より凝縮器への吐出管 は)箪剥病苦よりプライソ冷却器への聖管 (カ 膨 脹 弁 ブライン冷却旨芹より圧縮機への吸入管

(2)

712 昭和28年4月 丑:

第35巻 第4号 第1図 研 究 装 置 Fig.1.Test Equipment (砂 凝縮器冷却水用ポンプ ⑪ 冷却水入口管 ⑩ 冷却水出口吸出管 ⑲ プライソの出口管 ⑭ プライy測定用タンクへの切換管 ⑮ 投込式 熱許 研究に使用せる機器の仕 は下記の如くで、圧縮機、

動機並びに油分離器ほ前報の研究に使用したものと同

一である。 (り 使用機器仕様 (A)凝 縮 器(外観寸法ほ第2図参照) 型 式・‥‥・堅埜シェルアンドチューブ式 胴 の 外径‥. ..610mm 冷却管有効長... 4,三0011ュm 冷却管外径... .51mm 冷却管肉厚‥ ‥2.9mm 冷却管本数川 ..59本 ガ ス 入 口‥. ‥.21' 液 出 口.‥ ..1ケ 安 全 弁‥. 去ケ 冷却水入口..‥. ...3ケ 、

安全弁rナ)

カヌ出口け■J r勺圧弁 でゝ 一九 ⊂:、 壱 こ1 l _ 」 ●■ト ジ / ガス入口信 第3図 試験 に Fig.3.HorizontalShelland ガス入 汲出コ 第2図 Fig.2. スフル

〕圧射ナつ

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安全射封

油抜弁(チり が仇がコー管(甘利 試験 に 使用凝縮器

Ammonia VerticalShelland Tube Condenser for Test

(B)プライソ冷却器(外観寸法は第3図参照) 型 式.‥‖.棋聖!シェルアンドチューブ式二 胴 の 外径‥. ‥610mm 冷却管有効長………・2,400mm一 冷却管外径… ・51mm 冷却管肉厚‥ ‥2・9mm一 冷却管本数.‥ ‥・42本 通 路 数.‥ ・・14 有効伝熱面積… ‥15・25m巳 液入 口 径‥. ガス出口径‥ 安 全 _ト ナト‥

融弁な・)\フライン入[け∴

勃妹が]-管r〟不) る プ ラ イ ン 冷却器

(3)

ア ン′⊥モ ニ

ア竪型凝縮器の熟伝達に就いて

713

第4図 冷却水流量測定用 タ ンク

Fig.4.Measuring Tanlくfo上.Cooling Water

Quantity

ドレーン弁

第5図 プ 流量測 ンク

Fig.5.Measuring Tank forBrine Quantity

プライン入口‖‥‥. ...2ケ ブライン出口……….‖2〝 (C)冷却水流量測定用タンク 寸法並びに構造は第4図に示す如くで、附属せるデ← ジグラスに二標点∠しβを印した。尚この二標点月,β 聞を充満する水の容量は540Jであるこ (D) ブライソタンク 長 巾 トー,■ さ‥ .1,EOOmllュ 1,ニ00InIl1 1,EOOmm このタンクに 3kW投込式 器7本を入れて、各々 分離したスイッチにて熟負荷を調整し得るようにした。. (E)ブライン流量測定用タンク 寸法並びに構造ほ第5図に示す如くで、附属せるゲ← ヂグラスに二標点 月,β を印した。.このこ を充満するタンクの容量はEOJである. (2)試 験 方 法 (A)測 定 箇 所 ・、、・l、J, 第る図は本実E如こ於ける系統図を示L、図申の番号は 第1表の計測諸元を示している。 アンミニア配管 冷別人配管 フライン配管 ・H・・←H-・温度計 N 弁 達成言十 第6図 試 験 置 系 統 図

Fig.6.Schematic Outline of Test Equipment

欝1衷 計 測 諸 元 一

覧 表

(4)

714

第7図 温 度 計 挿 入 部

Fig.7.Setting Point of Thermometer

(B)測 定 方 法 圧縮機の吐出圧力(∋及び吸入圧力(むはそれぞれ5ケ 達成計(目盛201(g/cm2∼7601】ユmHg,101くg./cm2-760 mmHg〕を使用して測定した。冷媒ガス及び液の温度は パイプの外周にパテづけしたる温度計の読みを以てそれ ぞれの温度とし、凝縮器の冷却水入口温度及び冷却器の プライソ入口温度ほ第7図に示す如くパイプ中に挿入し

た温度計の読みを、文凝縮器の出口温度ほ冷却管より落

下する7kを容器に受けてその巾に差込んだ混度計の読み を以てそれぞれの温度とした。冷却7k出入口及びブライ ソ出入口の温度ほ0.lOC目盛の精密温度計を億円しその 他の部分の温度ほ0.50C目盛の温度計を使用した。 凝縮器の冷却水量は第4図に示せるタンクを使用し、 ゲージグラスに印せる標点ノ1から月迄冷却水を流し込む 時間を0・2sec目盛のストソ7'ウオッチを用いて測定し

て、流量を算出した。プライソ冷却器のプライソ流量も

第5図に示せるタソクを使椙して、同様の方法により測 定した。 (C)測 定 経 一本実験に使用せる凝縮器几びブライン冷却器ほスケー ル等の存在しない清浄なる状態のものである.。 プライソとしては塩化カルシウム(CaClご)溶液を使用 し、その 度ほボーメ19.1こ で比重ほ1.153g/cIn3 で ある。これはポーメ計致び普通の比弓計両方で測定して 正確を期した。 凝縮醤の伝 面積は37.45111コ であるが第8図に示す 如く、木栓で α,わ,C,d図の受口く冷却管の一部を盲に したものと、木栓を用いないで主管を間遠せるものとで、 伝熱両横を5旦那嘗に変えて測定した(第2表参照)㌧つ この 中木栓を用いないで冷却管本数が59本の場合は、冷却 水の出入口の温度差が少い量にiE確なる実験資料を得る ことが困難であった。 箇冷却管の上端に第9図の写共に示す紺き、スワルと 称する7k旋回器具A,B認を使目した場合及び全然スワ ルを使用しない場合の3蔭壌を比較級討した。 ∂ 回(粛茶) ・■-:・∼:‥、: ∴、・∴・∴ :・ 台申○㊤Q

∈=∋00〔う串申

昏00⑳台申 \(=∋自白e、㍉ C回(/'J不) 第8図 Fig.8. d 阻 r〃本) e本鰹て盲ほした冷如管 凝縮器冷却管の本数変更の状態

Changmg of Number of Conde王1Ser Cooling Pipe

第 2 凝縮器 の 伝 熟面積

Table2.Heat Transfer Surface of Condenser in Various Conditions

木栓の打込状態l冷却管本数≡有効巨熱面積

(A 聖上) (8 型〕 第9図 Fig.9. i疑 縮 器 用 ス ル Swirlfor Condenser

(5)

ア ンモ ニ

ア竪型凝縮器の熱伝達に就いて

第 3 表 Table 3.

プライン冷却器の伝熱面積の変化

Heat Transfer Surface of Brine Coolerin Various Conditions

冷却管本数∼有効伝勲両横

謂儀還通路数

42 28 15.25m2 10.15m2 14 14 プライy冷却器は保冷作業を施行しないで表面からの 熟侵入を許し、且つプライシタソク内に3Ⅰ(W投込式 熱器7本投入して熟負荷とした。冷却器の全有効伝熟面 積ほ15.25m2であるが、これも木栓を使用して第3表 の如く二種 に伝熱面積を変えて測 ‡≡した。

〔ⅠⅠⅠ〕実験の結果及び検

(り 凝縮温度に対する冷却水の影響 第10図ほ冷凍屯当りの冷却水量と、凝縮温度nと冷

却7k入口温度Jlとの差の関係を実篤如こよって求めた曲線

l を 積 商 冷凍屯当りそれぞれ1・28m2,1・00m2,・

軋68m3,0.50m2に変えた場合の温度差曲線である.⊃

の二㍍-∠1の値は凝縮器の特性を調べる際に猥本となる値

であるこ.即ち凝縮器の冷却水量と伝熟面積、冷却水の入 口温度と凝縮温度、凝術容量と伝熱面積の関係がこの曲 線によって良く判る。第=囲ほ同様の1冷凍屯当りの伝 熱面積の場合に、1冷凍屯当りの冷却水量と凝縮温度れ

と冷却水出口温度烏との関係を実験によって求めた曲線

である。この7もri3 はI.eavhg TerminalDifference

と弥せられ第18図と同様凝縮器の特性を示す曲線であ る。 第11図の結果と前報の圧縮機の吐出圧力に対する1冷 凍屯当りの馬力曲線を組合せて、凝縮容量、冷却7k量、 冷却水温度、伝熟面積、凝縮圧力、凝縮温度、圧縮機馬 力の関係のチャートを作製すると第12図(攻頁参照)の 如くになる。 (2)享捉縮器の熱貫流率 第13図(次頁参照)は 慣蘭摩と伝熟面積11n2当り

の冷却水量との関係を示す曲線である。清浄なる場合は

今回の実験によって求めた曲線であり、これはOphuls

Homeの共同研究により求められた曲線より悪い

がZmbroにより求められた曲線より良い値を示し、又

丸Iotzの実験結果に近い値及び傾向を示している。第13

図に点線で元せる曲線ほ前栽での清浄なる場合と汚れて

いる場合との比較研究の結果にもとづいて、本竪型凝縮 器がスケールで汚されている場合の熱員流率の値を清浄 なる場合の実験結果から推測して求めた曲線である。 715 /冷凍こ‡三⇒リンつ)争三ご7K量ニ・′・融-J 第10図 Fig.10. 冷却水量に対する 7もー′1 77JITemperature Curve

Cooling Water Quantity

温度曲線 at Various 山 根〔Lエへに銀河盲「一「已r言∵J∴完\誓■ゼ▲

一二∴一一

遥遠ご与責当 l 「 l l l ■..■ l ・--ト l l ! l l l i 】 l `ごJ■ ;ア♂ /♂ /プ /ダ .イβ■ /ニモノ蕪:‡ヨ当りよつ冶三コ水量初動竹 第11.囲 Fig.11. † l .__ ] l T--⊥-」 llJ .____._._______i l ▼ ; ■t 1 J几

対ロ…

冷却水量に対する 7ち-J2温度菌錬

7t,-ち Temperature Cur\▼e こ1t Variou

Cooling Water Quantity

(3)水墟回器具(スワル)の影響 第14図(91頁参照)は伝熟面積1m2当りの冷却水量を 横軸にとり、縦軸に熱雷流率をとった場合の、スワルの 有る喝合と無い場合の瓢買流率の変化を示した曲線であ る。策9図に示せるA,B二僅のスワルについては比較 検討したが、差異ほ殆ど認められなかった.こノ第14図よF) 判る如く.スワルの無い場合ほ 無賃流挙がスワ′Lの有る碩 合に比較して20∼30%悪くなっているが、これほスワ ルが有る増合にほ冷却7kが冷却管壁に沿って流れるのに

比べて、スワルの無い時は冷却管壁に沿わずに落下して、

一部の冷却7kが熟民剋こ効果を与えない為であると考え られる.。 水の側に於ける熱伝達係数乱けがスワルの無い場斜こ は悪くなっている筈であるが、これを第4表(91頁参照) の実験藁科を解析して、この熱伝達係数乱Ⅷの差異を調 べて見る。

(6)

716 ≧吏二王聖蒜コ新嘗埜茫 財 即甜 甜〃 〃〃 〃〃 〃付 〃ぴ β 郎. 昭和28年4 月 J疑賄温度 ℃

第35巻 第4号 /冷凍磁当りの冷却水量和布傭 〃 必 ∬ ∬ ガ ガ ガ ガ ガ ♂イ ♂∫ 〟 ♂7 β♂ ♂J/♂ ///∠ /J 〟

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Flg・12・ Characteristic Chart forVerticalShelland TubeCondenser

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Effect of Swirlfor VertiealSheu and Tube Condenser

第 4義 解析に使用する実験資料

Tal_)le4.Test Data for TheoreticalStudies

入 吐 吸 口土 吸 回 伝 出 入 出 入 1転 力 圧 力 圧 力 温 温 熱 面 積 凝縮器ガス入口温度 凝縮器振出口温度 冷却水入口温度 冷却オこ出口温度 冷却水出入口温度差 凝 縮 温 度 対数平均温度差 冷 却 】旋 縮 教 水量/7三て _三L ニ「さ 涜 率 l 第4表のA盟スワルを使用せる場合の負料よりサイク

ルのモリエル緑園を画くと第1咽の如くになる。圧縮機

の吐出量から冷媒循環量Gを求めると、吸入ガスの比体

積ほ0.53m3/1唱なる故

C=172kg/hr を得る.。 b苛へRヾぜ㌧ 、

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j け緒‡ L l l 儲♂ ガ7 都J 工ングルピーJ■友妙免 第15図 ア ン モ ニ ア モリ エ ル繰図

Fig.15.Ammonia Molliers Diagram

モリエル線固より 凝縮器の入口に於けるエソタルビー ね=427.5kcal/kg 液化し始めた時のエソタルピー

f4=407.Ol【Cal/1唱

凝縮器の出口に於けるエソタルピー f5=130.0Ⅰ【Cal/kg 以上により 過熱領域に於て冷却7kに与える熱量 飢=ダ3一言4=20.5kcal/kg 飽和領矧こ於て冷却水に与える熱量 ヴ竺=才4一言5=277.Okcal/kg 凝縮掛こ放て冷却水に与える全 量

ヴ=飢+qヨ=297.5kcal/kg

凝縮容量 Q=Gxヴ=50,8川kcal/hr 実

で求めた凝縮容量48,500kcal/hr

との差は周 らの放 の為と考えられる。 カゝ 今冷却7kの各領域の温度上昇が各領域の伝熱量に比例 すると仮定すると、各領域の温度上昇の状態図は第指図 の如くになる。 今各領域に対して第5衷(次頁参照)の如き記号を用 いると (人口 過熱 凝縮 〃7℃アンモニア 、細7K ガ・β℃ )外化 〟7r ′下 第16因 温 度 分 布 図 Fig.16.Temperature Chart 出⊂1

(8)

`.718 昭和28年4月 第 5 Table5. 日 丑二

各 領 均 一 覧 表 TableofTransfer Reqion (1)及び(2)の関係式が成立する。 ダ=賞十f妄=19・05mヱ・・ ‥(1) ¢1=ゐ1flβ1 りこ・・J∴・J■J二 ‥(2) 第l`図の状態図より β1,β2を求めると ♂1=16.50C β2=3.560C 旦g: ∝ぶ: ・ト・: .∂: 、・こ: 過熱アンモニアガスから冷却管への熟伝 kcal/m2br■OC 凝結するアンモニアから冷却管への 冷却水側の熟伝達係数 油膜スケ←ル等の厚み 油膜スケ← tレ 等 の 伝達係数 kcal/m2brOC

】くCal/皿コhr⊃C

kcal/mhrOC 上記の記号を吊し、、又過熱領域と飽和領域の冷却7k側 の熟伝 数∝・町ほ若干水温が異る事等により差があると 思われるが、極く僅少と思われるので、両者を等しいと 便足して∝†〃とすると次が成立する二 ・ミ・: 1.1.∂' l l + ∝-〃 ■ ∝g ■ ス ・-:

吉+忘+づ

前我の実験資料に基づいて、清浄なる場合の∂/スを計 算すると ∂/ス=0.0005 位の値である事が推論される。

柏の値は前報に記載せるBoshの式を哨いて、計算

すると ユg=115cal/n12br〇C

次iこ∝ぶの値ほ竪型の管に適用されるNusseltの式を用

いて計算する

よぶ=3,40吋義一

月= その凝縮温度に於ける蒸発の潜熱 kcaI/ユ唱ニC アンモニア凝縮液の比重 アン㌧モニア凝縮液の アンモニア凝縮液の粘性係数 冷却管の水に濡らされた径 凝縮膜両面の温度差 1唱/皿3 kcal/m.sec.CC l(g・SeC/m2 m つC 第35巻 第4号 今の場合 γ=277kcal/kgOC γ=5981唱/m3 l=0.00012kcal/m.sec.C■C でマ=22・8×10 61唱.SeC/m2¢=11DC とすると よぶ=6,540kcal/m2brOC

故に∂/ん〇適,ユβの値を用いると(二3)(4)式が成立

する。 烏1= 毎= 十0.0092 十0.00065 .(3) ヽ■・ 4 ′′..\ (1)∼(4)式より 〇毎を求めると ‡・把言=1,460kcal/mコhrロC (A塾スワルを使用せる場合) 次にスワル無き場合にも同様な計算を行って ユ・∼。=887kcal/m2brOC (スワル無き場合) を得る。 即ちょ∼どの値ほスワルの有無によって上記の如く差が ある。第17図ほ数多くの_資料にもとづいて上記の如き方 法で計算して求めたもので、横軸に冷却管一本を流れる 冷却水量をとり、 軸に水の熟伝達係数∝・∽をとった場 ・ り ‥ ‥ 1 l l 】 ∼ l l l l l

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β/ J材 ♂♂ β♂ /♂ /プ 〟 冷去口管/本当りの冷去口水量軌〃J適ど 第17図 竪型二義縮器に於ける水の熱缶熱係数曲線

Fig.17.Heat Transfer Coe伍cient Cur\▼e Of Cooling Water for VerticalShelland

Tube Condenser

(9)

ア ン モ

ア竪型凝縮器の熱伝達に就いて

719J 合の、スワルの有る場合と無い場合をそれぞれ記入した 曲線である。第け図より判る如く冷却水の少い場合には スワルの有無の影響は少いが、冷却7kが多くなるとスワ ルの影響が大になる。これは一本の冷却管当りの冷却7k 量が多くなるとスワルが無い場合には、冷却管の真申を

管壁に触れずに落下する無効の冷却7jくが多くなる為であ

る。 (4)プライン冷却器の熱貫流率 第18図ほブライン冷却器の熱貫流率と、プライン の関係を示す曲線で、1冷凍屯当りの伝熱面積が0・84

m2/RT,1・25m2/′RTの両場合の熱

流率回線の熱曲線

を実験によって求めた。更に前報の結果より推測して汚

れている場合の結果を求めて点線で示した。プライソ冷

却器の実験はブライン 度を変える以外の因子即ち冷媒 の吸入圧力、平常プライソ温度、冷媒とブラインの対数

平均温度差等の計因子の値が影響するが、実際に於ける

これ等の因子は次の如くである。 吸 入 力 1.4∼1・81くg./Cm2ゲージ ブライン入口温度 -4∼-6 ⊂C プライソ出口温度 一7∼-10 こC 対数平均温度差 4.5∼7・2 CC 上記の諸因子に近い状態にされたYork及び Vilter の曲線ほ鉄線に示す如くであり、本実験の結果はこれを 上回っている。 豊玉ミミ 捗養扁嘉 仰 」

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/J /♂ 」l /∫ /′・ 第18図 プラ イン冷却器の熱貫流率曲線

Fig,18.Heat Transfer Coe伍cient Curve of BriIle Cooler 流 本実験では一冷凍屯当りの伝熱面筐の大小により熱貢 の値に大きな差のある事を云しているが、York及 ぴVilter の実験ではこの点に関しては全く言及してい ない。

〔1V〕結

盲 前報は一つの横型凝術器に対して行った実験である が、本報告ほ一つの竪塾凝縮器に対して、種々異った条 件の【Fに行った実験の結果を纏めたものである。これを 以てアソモニア竪型凝縮綜全体の特性であると断定する ことほ出来 いが少くとも相似型の竪型凝縮器の有する 特性と見放すことは出来る。実験の結果としては次の事 が云えると思う。 1.冷却7jくの温度放び冷却水量ほ凝縮器の熟伝達に対 しては 2. 本となるものであるから、凝縮器の設計に あってほ、土地の71く混並びに経済的に使用し得る冷 却7j(量を

査した上で、7恒温及び水温が圧縮機の所

要馬力に及ぼす影響や、凝縮器の熱伝達に及ぼす影 響等を考慮して設計せねばならぬ。 冷却管の入口に挿入するスワルの形状ほ熟伝達に 差程の影響を及ぼさないが、これを使用した場合と 使用せぬ場合とでほ熱罠流率に於て20∼30勉の相 達を生ずる。 終りに水研究の遂行に閑して御指導下さった伊達工場

長、栗木、吉田両課長並びに程々御協力された試験課の

氏に対して感認の志を 明する。 参 考 文 献

(1)A.S.R.E.:Refrigerating Data Book

(2)冷凍技術協会:冷凍資料

(3)Bosb:工 伝熱三塁・-■一

首詞

(4)John.C.Consley:HeatTransferinAmmonia

Shelland Tube Brine Coolers as AfEected by

Operating Conditions(Refrigerating Engineer-ing Vol.3`No.6,No・8)

(・5)Paulener:HeこItTransferandViscocityEffects

in Ammonia Shelland Tube Brine Cooler.

(HeatingPipingand AirConditioningVol・11

No.6,No.8)

(10)

720 甘召和28年4

第35巻 第4号

日立製作所社員社外寄稿一覧(昭和28年1月受付分)

参照

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