JP2002071183A - 全熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気にエアワッシャーを導入し、水に排気か
らの全熱を回収し、その水を給気側に設置した熱交換器
に供給し、効率のよい熱回収を計ることが可能な全熱交
換器を提供することにある。 【解決手段】 外気導入路内に設けた熱交換器と、排気
通路内に設けたエアワッシャーと、熱交換器とエアワッ
シャーとを連絡する第一管路と、エアワッシャーで噴霧
された水を貯留する水溜と、水溜と熱交換器とを連絡す
る第二管路とを備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エアワッシャを用
いた全熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】工場の生産ラインならびに研究、実験設
備の排気は、有害物質が含まれているため、一般にスク
ラバなど除害設備で処理された後、大気に放出されてい
る。こうした排気は、生産工程や実験工程のケミカルハ
ザート対策上年々その量が増えており、対応する外気給
気は熱処理して導入するため、そのための設備のイニシ
ャル、ランニングコストが無視できない量である。

【０００３】そのため、排気からの熱回収が時代のニー
ズになっている。従来、有害物質を含む排気からの熱回
収の方法としては、図９、図１０に示すランアランドシ
ステムが用いられてきた。図９に示すドライ方式のラン
アランド熱回収方式では、外気導入路１に冷温水コイル
２を設け、排気通路３に熱回収コイル４を設け、冷温水
コイル２と熱回収コイル４とを管路５，６で連絡してい
る。管路５には水ポンプ５ａが設けてある。

【０００４】図１０に示すスプレ付きランアランド熱回
収方式では、図９に示すドライ方式のランアランド熱回
収方式において、熱回収コイル４の上流側にエアワッシ
ャ７が設けられている。図１１は、図９に示すドライ方
式のランアランド熱回収方式をスクラバ８に組み込んだ
一例を示す。ここでは、スクラバ８で処理された排気か
らの熱回収を行っている。

【０００５】一方、動物室排気からの熱回収には、図１
２に示すように、全熱交換器９が用いられる。また、全
熱交換器は、リチュームブロマイドなど吸着剤を塗布し
たハニカムロータ式のものが知られている。これを用い
て排気からの熱回収を効率よく行うことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９および図
１０に示すランアランド熱回収方式では、熱回収量が排
気の持つ顕熱の一部が回収されるのみで、効率が悪い。

【０００７】また、図１２に示す全熱交換器９は、全熱
を対象に熱回収を行い回収効率は高いが、本質的に給気
側への有害物質の混入は防止できず、採用する排気性状
が限定される。さらに、吸着方式の場合、本質的に排気
から給気側へ水分の移動が行われ、かつ排気が給気へ混
入する不安がある。

【０００８】そのため、排気の性状によっては、適用で
きない場合が多い。この場合、ランアラウンド方式によ
る顕熱交換器を用いて熱回収が行われているが、熱回収
効率が全熱交換器に比べて１／２以下である。本発明は
斯かる従来の問題点を解決するためになされたもので、
その目的は、排気にエアワッシャを導入し、水に排気か
らの全熱を回収し、その水を給気側に設置した熱交換器
に供給し、効率のよい熱回収を計ることが可能な全熱交
換器を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
外気導入路内に設けた熱交換器と、排気通路内に設けた
エアワッシャと、熱交換器とエアワッシャとを連絡する
第一管路と、エアワッシャで噴霧された水を貯留する水
溜と、水溜と熱交換器とを連絡する第二管路とを備えた
ことを特徴とする。

【００１０】請求項２に係る発明は、請求項１記載の全
熱交換器において、熱交換器とエアワッシャとは、複数
設けられていることを特徴とする。請求項３に係る発明
は、請求項１記載の全熱交換器において、熱交換器は、
冷温水コイルであることを特徴とする。請求項４に係る
発明は、外気導入路内に設けた熱交換器およびエアワッ
シャと、外気導入路内に設けたエアワッシャで噴霧され
た水を貯留する第一水溜と、排気通路内に設けたエアワ
ッシャと、熱交換器とエアワッシャとを連絡する第一管
路と、排気通路内に設けたエアワッシャで噴霧された水
を貯留する第二水溜と、第二水溜と熱交換器とを連絡す
る第二管路と、外気導入路内に設けたエアワッシャと第
一水溜とを連絡する外気側管路と、排気通路内に設けた
エアワッシャと第二水溜とを連絡する排気側管路と、外
気側管路と排気側管路とを熱的に連絡する水−水熱交換
器とを備えたことを特徴とする。

【００１１】請求項５に係る発明は、請求項４記載の全
熱交換器において、排気側に設けたエアワッシャは、複
数設けられていることを特徴とする。請求項６に係る発
明は、請求項４記載の全熱交換器において、熱交換器
は、冷温水コイルであることを特徴とする。

【００１２】（作用）本発明においては、排気通路内に
エアワッシャを設置し、シャワ水に排気の持つ顕熱と潜
熱いわゆる全熱を効率的に移動させることができる。

【００１３】一方、給気側（外気導入通路内）に冷温水
コイルを設置しておき、そのシャワ水を給水し、給気の
冷却、除湿または加熱、加湿の熱源として利用すること
ができる。また、本発明は、エアワッシャを用いて全熱
交換を行い、排気が給気側には一切混入しないように防
止できる。

【００１４】さらに、熱交換器とエアワッシャを複数設
置することにより、熱回収効率を高めることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施形
態に基づいて説明する。

【００１６】図１は、本発明の第一実施形態に係る全熱
交換器を示す（請求項１ないし請求項３に対応する）。
外気導入路１０内には、２つの冷温水コイル（熱交換
器）１１，１２が所定の間隔で設けられている。

【００１７】排気通路２０内には、２つのエアワッシャ
２１，２２が所定の間隔で設けられている。また、エア
ワッシャ２１，２２の上流側と、エアワッシャ２２の下
流側にそれぞれエリミネータ２３，２４，２５が所定の
間隔で設けられている。２つの冷温水コイル（熱交換
器）１１，１２と２つのエアワッシャ２１，２２とは、
それぞれ管路（第一管路）３０，３１で連絡している。

【００１８】また、２つのエアワッシャ２１，２２の下
方には、エアワッシャで噴霧された水を貯留する水溜４
０，４１が設けられている。各水溜４０，４１は、それ
ぞれ水ポンプ５２，５３を備えた管路（第二管路）５
０，５１を介して２つの冷温水コイル（熱交換器）１
１，１２に連絡している。各水溜４０，４１の濃縮水
は、管路４２，４３を介して水処理槽へ送られるように
なっている。

【００１９】次に、本実施形態に係る全熱交換器の作用
を説明する。外気導入路１０内に導入された外気は、１
段目の冷温水コイル（熱交換器）１１により冷却、除湿
または減湿された後、２段目の冷温水コイル（熱交換
器）１２によりさらに冷却、除湿または減湿され、給気
として所定の装置へ送られる。一方、所定の装置から排
出された排気は、排気通路２０内において、１段目のエ
アワッシャ２１により冷却された後、２段目のエアワッ
シャ２２により加温され、大気へ放出される。

【００２０】ここでは、外気の温度３２℃ＤＢ、湿度６
３％、排気の温度２３℃ＤＢ、湿度４５％として説明す
る。排気は、エアワッシャ２１により冷却され、温度１
９．５℃、湿度９５％とされた後、エアワッシャ２２に
より加温され、温度２２．２℃、湿度９８％とされて大
気へ放出される。

【００２１】外気は、１段目の冷温水コイル（熱交換
器）１１により冷却され、温度２５．５℃、湿度９５％
とされた後、２段目の冷温水コイル（熱交換器）１２に
より冷却され、温度２１．５℃、湿度９９％とされ、給
気として取り込まれる。この際、１段目の冷温水コイル
（熱交換器）１１からエアワッシャ２１へ送られる冷水
の温度は２４．５℃、水溜４０から冷温水コイル（熱交
換器）１１へ戻される冷水の温度は２２．５℃である。

【００２２】また、２段目の冷温水コイル１２からエア
ワッシャ２２へ送られる冷水の温度は２１℃、水溜４１
から冷温水コイル１２へ戻される冷水の温度は１９℃で
ある。本実施形態における熱回収率は次の通りであっ
た。この場合の理想効率は６６．７％、実用効率は５
３．５％であった。図２は、本発明の第二実施形態に係
る全熱交換器を示す（請求項４ないし請求項６に対応す
る）。

【００２３】外気導入路内６０には、冷温水コイル（熱
交換器）６１とエアワッシャ６２とが所定の間隔で設け
られている。また、エアワッシャ６２の上流側と下流側
にそれぞれエリミネータ６３，６４が所定の間隔で設け
られている。また、エアワッシャ６２の下方には、エア
ワッシャで噴霧された水を貯留する水溜（第一水槽）８
０が設けられている。

【００２４】水溜（第一水槽）８０は、水ポンプ１０１
を備えた外気側管路１００を介してエアワッシャ６２に
連絡している。排気通路７０内には、２つのエアワッシ
ャ７１，７２が所定の間隔で設けられている。また、エ
アワッシャ７１，７２の上流側と、エアワッシャ７２の
下流側にそれぞれエリミネータ７３，７４，７５が所定
の間隔で設けられている。

【００２５】冷温水コイル（熱交換器）６１とエアワッ
シャ７２とは、管路（第一管路）９０で連絡している。
また、２つのエアワッシャ７１，７２の下方には、エア
ワッシャで噴霧された水を貯留する水溜（第二水槽）１
１０，１１１が設けられている。水溜（第二水槽）１１
１は、水ポンプ１２３を備えた管路（第二管路）１２２
を介して冷温水コイル（熱交換器）６１に連絡してい
る。

【００２６】水溜（第二水槽）１１０は、水ポンプ１２
１を備えた排気側管路１２０を介してエアワッシャ７１
に連絡している。外気側管路１００と排気側管路１２０
とは、水−水熱交換器１３０を介して熱的に連絡してい
る。各水溜１１０，１１１の濃縮水は、管路１２４，１
２５を介して水処理槽へ送られるようになっている。

【００２７】次に、本実施形態に係る全熱交換器の作用
を説明する。外気が３３℃ＤＢ、湿度６３％の場合は、
図１と同様であるので、ここでは、外気の温度０℃Ｄ
Ｂ、湿度５０％、排気の温度２３℃ＤＢ、湿度４５％と
して説明する。外気導入路６０内に導入された外気は、
冷温水コイル６１により加熱された後、エアワッシャ６
２により加温、加湿され、給気として所定の装置へ送ら
れる。

【００２８】一方、所定の装置から排出された排気は、
排気通路７０内において、１段目のエアワッシャ７１に
より冷却された後、２段目のエアワッシャ７２によりさ
らに冷却され、大気へ放出される。排気は、エアワッシ
ャ７１により冷却され、温度１０．３℃、湿度９８％と
された後、エアワッシャ７２によりさらに冷却され、Ｗ
８℃、９８％とされて大気へ放出される。

【００２９】外気は、冷温水コイル６１により加熱さ
れ、温度３．５℃とされた後、エアワッシャ６２により
加熱ならびに加湿され、温度７℃、湿度９８％とされ、
給気として取り込まれる。本実施形態における熱回収率
は次の通りであった。理想効率は６６．７％、実用効率
は４７．３％であった。

【００３０】本発明によれば、エアワッシャ段数と熱回
収効率の理想値の関係は表１のようになる。

【表１】 表１において、排気２３℃，４５％、外気３２℃，６３
％、ランアランウンド（スイスプレ付き）理想効率４
１．４％である。

【００３１】本発明は、排気側で水と空気との直接接触
により熱交換することで、排気より全熱を回収すること
が可能となり、かつ表１のように、エアワッシャの段数
と熱回収冷温水コイルの段数を１対１対応とさせること
で効率向上を図ることができる。次に、本発明に係る全
熱交換器と従来のランアラウンド方式との差異を明確に
するために理想効率について説明する。

【００３２】ランアラウンド（ドライ）を１段設けた熱
回収方式（図９に示す熱回収方式に相当）の場合を、図
３に示す空気線図により説明する。図中、ｉはエンタル
ピ（ｋｃａｌ／ｋｇ′℃）、ｔはドライ温度（℃）を表
す。外気温度ｔOiは、ｔOOiまで冷却され、排気温度ｔE
iは、ｔEOiまで加熱される。ここで、理想効率は、ｔEi
＝ｔOOiおよびｔEi＝ｔEOi＝ｔOiで示される。

【００３３】また、熱収支＝ｉEO1−ｉEi＝ｉOi−ｉOO1
で示される。よって、エネルギ回収効率（理想）ηは、
η＝（ｉEO1−ｉEi）／（ｉOi−ｉEi）＝（ｉOi−ｉOO
i）／（ｉOi−ｉEi）となる。

【００３４】理想効率ηは、水−空気の熱交換にロスが
ないとした場合、下記が成り立つ。 外気： ｔOi＝３２℃、 ｉOi＝２０．３ｋｃａｌ／ｋｇ′℃ 排気： ｔEi＝２３℃、 ｉEi＝１０．４ｋｃａｌ／ｋｇ′℃ 大気放出： ｉEO1＝１２．５ｋｃａｌ／ｋｇ′℃ 理想交換＝（１２．５−１０．４）／（２０．３−１０．４） ＝２．１／９．９＝２１．２％ 次に、ランアラウンド（水スプレ付き）を１段設けた熱
回収方式（図１０におけるエアワッシャ（水スプレ）を
１段としたものに相当）の場合を図４により説明する。

【００３５】この熱回収方式は、エアワッシャによって
排気温度を低下させ、熱回収量を増加させることを目的
とした方式である。排ガスに水を噴霧することで、排ガ
スの中に水分を蒸発させ、その気化熱（潜熱）を利用し
排ガスの温度を下げる。その空気処理工程は、断熱飽和
といわれ、排気のエンタルピ一定のまま冷却され、理想
的には飽和露点温度ｔEDPまで冷却される。

【００３６】排気温度が低下する分、前述のドライタイ
プのランアランウンド方式より熱回収効率上昇する。 理想効率η＝（ｉEO1−ｉEi）／（ｉOi−ｉEi） 外気： ｔOi＝３２℃、 ｉOi＝２０．３ｋｃａｌ／ｋｇ℃ 排気： ｔEi＝２３℃、 ｉEi＝１０．４ｋｃａｌ／ｋｇ℃ 大気放出： ｉEO1＝１４．５ｋｃａｌ／ｋｇ℃ 理想効率η＝（１４．５−１０．４）／（２０．３−１０．４） ＝４．１／９．９＝０．４１４＝４１．４％ 効率は上昇し、外気は冷却コイルで減湿するが、実際に
は空気の顕熱の効率が主である。

【００３７】次に、ランアラウンド（水スプレ付き）多
段設けた熱回収方式（図１０に示す熱回収方式に相当）
の場合を図５により説明する。ここでは、エアワッシャ
を多段にしても１段の理想効率より改善されないことを
証明する。ランアラウンド（水スプレ付き）１段で説明
したように、外気温度ｔOiと排気温度ｔEiに水の蒸発潜
熱によって冷却されたｔEP1℃の排ガスと熱交換を行う
ことによる理想熱移動量は（最大値）Ｑmax＝ｉEO1−ｉ
Eiである。

【００３８】これを２段スプレによって熱交換する課程
を次に示す。２段目エアワッシャによる水スプレ前の排
ガス温度ｔEO1、エンタルピｉEO1と仮定し、水スプレ
後、ｔEDP2の温度のガスとなり、このガスが外気と理想
的に外気温度まで熱移動が行われた場合、熱交換後の排
ガス温度ｔEO2は外気温度ｔOiと一致する。そのとき、
外気側の熱交換後の温度ｔOO1が排ガス温度ｔEO1と等し
いか温度ｔEO1より高い場合は、２段目エアワッシャに
よる水スプレ後、ｉEO2−ｉEiの熱回収量が成立し、 全熱交換量Ｑ＝（ｉEO1−ｉEi）＋（ｉEO2−ｉEi） ＝ｉEO2−ｉEi＞ｉEO1−ｉEi となる。

【００３９】しかし、例えば、外気が除湿を伴わない、
顕熱交換の場合、外気側の２段目出口温度はｔEDP2とな
り、必ずｔEO1より低くなる。このとき、２段目の熱交
換量（ｉEO1−ｉEi）は達成しないばかりか、全熱交換
サイクル自体が成立しなくなる。なぜなら、仮定した２
段目エアワッシャによる水スプレ前の排ガス温度ｔE01
は外気側２段目の冷却コイルで熱交換した結果の温度で
あり、ｔ001より必ず高いか等しくなければならないか
らである。

【００４０】熱交換サイクルを空気線図上で完結させる
と、図６のようになり、１段目エアワッシャによる水ス
プレの理想熱回収量と一致するようになる。次に、本発
明に係るエアワッシャによる全熱交換器について説明す
る。

【００４１】前述のように、水スプレ付きランアラウン
ド方式では、空調の熱処理温度（外気温度３２℃、室温
２３℃前後）での熱回収量は、理想値で４１．４％、実
用効率は３０％程度である。３０％前後の効率では、外
気側の冷却は、顕熱が主体でほとんど凝縮による潜熱分
の熱回収は期待できない。

【００４２】エアワッシャを用いた熱回収方式では、冷
却の場合、理想効率は表１のようになり、理想値では熱
回収量は１００％になる。次に、図２における２段のエ
アワッシャと２段の熱回収冷却コイルを、エアワッシャ
１段＋熱回収冷温水コイル１段とした場合の熱回収サイ
クル空気線図を図７に示す。

【００４３】排気にエアワッシャにて水を噴霧すると、
噴霧水に排気以外から熱授受がない場合は、前述のよう
に断熱飽和過程で排気のエンタルピ一定のまま空気の飽
和露点温度で排気と噴霧水の温度は低下する。しかし、
この場合、熱回収冷却水側からの熱授受のため（空気線
図に示す場合は、熱を受ける）、授受した熱量分、排気
のエンタルピは変化する。この変化分は、当然排気側の
エンタルピ変化分と等しくなる。

【００４４】理想サイクルでは、循環水その他に熱損失
がないとしているから、エアワッシャ１段＋熱回収冷温
水コイル１段の場合は、図７に示すように排気側と外気
側の中間まで熱交換し、 ｉEOi−ｉEi＝ｉOi−ｉOO1＝１／２（ｉOi−ｉEi） となり、理想効率は５０％になる。

【００４５】同様に、図１，２に示すエアワッシャ２段
＋熱回収冷温水コイル２段の熱回収サイクルは図８に示
すようになる。すなわち、外気と排気のエンタルピ差を
３等分し、それぞれ等分対応する熱回収サイクルは前述
の熱回収サイクル１段の場合に相当する。

【００４６】したがって、２段サイクルの理想効率は６
６．６７％となる。以下同様に、多段サイクルの場合
は、表１に示す理想効率が成立する。２段の場合、実際
的には、図８の温度状態に組むことができ、熱回収率は
５３．５％となるが、ランアラウンド方式に比べると、
非常に効率が高いことがわかる。

【００４７】

【発明の効果】本発明では、全熱を回収するため、ラン
アラウンド方式よりも熱回収効率を良くすることがで
き、かつ熱交換器を通して給気に熱を移動するため、有
害物質が給気に混入することもない。

【００４８】従って、多くの排ガスに適用できる。周知
のように、エアワッシャ自体有害ガスの除害装置であ
り、スクラバなどの除去装置に代替えすることは可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態に係る全熱交換器を示す
説明図である。

【図２】本発明の第二実施形態に係る全熱交換器を示す
説明図である。

【図３】ランアラウンド（ドライ）を１段設けた熱回収
方式の空気線図である。

【図４】ランアラウンド（水スプレ付き）を１段設けた
熱回収方式の空気線図である。

【図５】ランアラウンド（水スプレ付き）多段設けた熱
回収方式の空気線図である。

【図６】ランアラウンド（水スプレ付き）多段設けた熱
回収方式の空気線図である。

【図７】図２に示すエアワッシャ１段＋熱回収冷温水コ
イル１段の熱回収サイクル空気線図である。

【図８】図２に示すエアワッシャ１段＋熱回収冷温水コ
イル１段の熱回収サイクル空気線図である。

【図９】従来のドライ方式のランアランド熱回収方式を
示す説明図である。

【図１０】従来のスプレ付きランアランド熱回収方式を
示す説明図である。

【図１１】図９に示すドライ方式のランアランド熱回収
方式をスクラバ９に組み込んだ一例を示す説明図であ
る。

【図１２】従来の全熱交換器を示す説明図である。

【符号の説明】

１０，６０ 外気導入路 １１，１２，６１ 冷温水コイル（熱交換器） ２０，７０ 排気通路 ２１，２２，６２，７１，７２ エアワッシャ ３０，３１，９０ 管路（第一管路） ４０，４１ 水溜 ５０，５１ 管路（第二管路） ５２，５３ 水ポンプ ８０ 水溜（第一水槽） １００ 外気側管路 １０１，１２１，１２３ 水ポンプ １１０，１１１ 水溜（第二水槽） １１０，１１１が設けられている。 １２２ 管路（第二管路） １２０ 排気側管路 １３０ 水−水熱交換器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外気導入路内に設けた熱交換器と、排気
   通路内に設けたエアワッシャと、熱交換器とエアワッシ
   ャとを連絡する第一管路と、エアワッシャで噴霧された
   水を貯留する水溜と、水溜と熱交換器とを連絡する第二
   管路とを備えたことを特徴とする全熱交換器。
2. 【請求項２】 請求項１記載の全熱交換器において、 熱交換器とエアワッシャとは、複数設けられていること
   を特徴とする全熱交換器。
3. 【請求項３】 請求項１記載の全熱交換器において、 熱交換器は、冷温水コイルであることを特徴とする全熱
   交換器。
4. 【請求項４】 外気導入路内に設けた熱交換器およびエ
   アワッシャと、外気導入路内に設けたエアワッシャで噴
   霧された水を貯留する第一水溜と、排気通路内に設けた
   エアワッシャと、熱交換器とエアワッシャとを連絡する
   第一管路と、排気通路内に設けたエアワッシャで噴霧さ
   れた水を貯留する第二水溜と、第二水溜と熱交換器とを
   連絡する第二管路と、外気導入路内に設けたエアワッシ
   ャと第一水溜とを連絡する外気側管路と、排気通路内に
   設けたエアワッシャと第二水溜とを連絡する排気側管路
   と、外気側管路と排気側管路とを熱的に連絡する水−水
   熱交換器とを備えたことを特徴とする全熱交換器。
5. 【請求項５】 請求項４記載の全熱交換器において、 排気側に設けたエアワッシャは、複数設けられているこ
   とを特徴とする全熱交換器。
6. 【請求項６】 請求項４記載の全熱交換器において、 熱交換器は、冷温水コイルであることを特徴とする全熱
   交換器。