JP2008241229A

JP2008241229A - 気液直接接触式熱交換器

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Publication number: JP2008241229A
Application number: JP2007114828A
Authority: JP
Inventors: Masahisa Fujimoto; 雅久藤本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】高性能でコンパクトな直接接触式熱交換器を実現するには多数の液柱を配置し、その間に気体を流す必要がある。
しかし液体を上部から垂らして液柱を形成するのでは、液体が自由落下するためすぐに分裂して液滴となることと、液体の流下速度が高すぎて熱収支を合わせるのが難しく、高性能でコンパクトな熱交換器の実現にはほど遠い状況である。
【解決手段】上下に張り渡した多数の糸またはひもを伝って液体を流下させることで直接接触式熱交換器の液体側伝熱面を形成とすると、伝って流下する液体の径と流下速度等があらかじめ設定可能となり、理想的な直接接触式熱交換器、すなはち単位容積当たり高い伝熱面積を持ち、高い熱通過率の直接接触式熱交換器が設計製作でき、上記課題の解決が可能となった。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体と液体が隔板無しに直接接触して熱、流体の成分、流体中の含有成分および流体中の浮遊成分の伝達もしくは移動することを機能とする気液直接接触式熱交換器に関するものである。

一般に気体と液体が直接接触してその接触面での伝達もしくは移動が、主に熱であれば、この装置は気液直接接触式熱交換器と呼称される。
しかし気体と液体が直接接触することにより熱の伝達だけでなく気体もしくは気体成分の一部が凝縮して液体となったり、液体に溶け込む場合や、逆に液体もしくは液体に溶けている成分が蒸発して気体となる場合がある。このような場合には直接接触式凝縮器、直接接触式復水器、直接接触式吸収器、直接接触式蒸発器、直接接触式回収器、直接接触式濃縮器もしくは直接接触式除塵器等と呼称されたりもしている。
そこで本願では装置の機能が主に一方の流体からの物質が他方の流体へ移動する場合でも、熱の伝達が若干でも残る場合は機器の構成がほとんど同じことでもあり直接接触式熱交換器として取り扱うものとする。

理想的に高性能な熱交換器を構成するには、熱交換される２つの流体が逆方向に、交互に対向して流れるよう、それぞれの流路が配置され、かつその流路が出来る限り細分化されることが必要条件である。この場合２つの流路間に隔板がある場合が隔板式熱交換器であり、隔板が無く双方の流体が直接接触して熱の伝達が行われるのが直接接触式熱交換器である。
ここで流路を細分化するとは、それぞれの流路断面が互いの流路により細かく分断されることであり、理論的には細分化すればするほど単位容積当たりの熱交換面積を広くすることが出来、さらに双方の流体が接触する伝熱面からそれぞれの流体への平均伝熱距離が短くなり伝熱抵抗が低くなることにより、熱通過率（熱貫流率）が高くなり、結果として熱交換器性能が高くなるとともにコンパクトな構成が実現できる。

従来から直接接触式熱交換器については［特許文献１］特開平１１−３３７２７３号公報で記載されている様に種々の種類のものが実用化されているが、いずれの方式も前記理想的に高性能な熱交換器とはほど遠い構成である。提案している内容の２つの流体が対向して流れる点は評価できるが、流路の細分化がそれほど徹底されておらず、また量産化に不向きな構成であることが難点である。

また［特許文献２］特開２００２−０９８４８４号公報では
棚板式直接接触式熱交換器についての提案を行っており、特に液滴流下についての記述が注目されるが、高性能な熱交換器との観点から見ると流路の細分化がなされていないこと複数の棚板を設ける等、目標にほど遠い構成である。

近年波状に成形したプラスチックシートを多数積層して充填材とした気液直接接触式熱交換器が冷却塔として実用化されている。この方式の直接接触式熱交換器はプラスチックシートの両面に液膜を流下させるので液膜式直接接触式熱交換器の一種と見なされるが、従来のものに比し大幅に熱交換性能が高いことと充填材の材料費が低く製作コストを抑えることが出来ること等が特徴となり冷却塔の市場をほぼ独占する状況にある。
関連特許は百件以上出願されているが本願出願の目的である高性能熱交換器を考慮して性能等を検証すると、流路の細分化が徹底しておらず、さらに大幅な改善の余地が残されている。
この技術に関する特許調査を実施したが高性能を目標としたものは見つけられず、単に冷却塔とプラスチックシートを積層した充填材を採用しているとの理由で［特許文献３］特開Ｈ７−３１８２９６号公報を選定した。

前記のごとく従来から直接接触式熱交換器は種々の形式のものが考案され、実用化されてはいるが、理想的に高性能なものは見あたらない状況にある。
本発明はこのような状況において、理想的に高い熱交換性能とコンパクトでかつ低コストで製作可能な直接接触式熱交換器を提供することを目標としている。
気体液体直接接触式熱交換器において、実用可能でかつ理想的に高性能とするには次のことを検討対象とする必要があると考える。
理想的に高性能な熱交換器を構成するには、熱交換される２つの流体が逆方向に、交互に対向して流れるよう、それぞれの流路が配置され、かつその流路が出来る限り細分化されることが必要条件である。

ここで流路を細分化するとは、それぞれの流路断面が互いの流路により細かく分断されることであり、理論的には細分化すればするほど単位容積当たりの熱交換面積を広くすることが出来、さらに双方の流体が接触する伝熱面からそれぞれの流体への平均伝熱距離が短くなり伝熱抵抗が低くなることにより、熱通過率（熱貫流率）が高くなり、結果として熱交換器性能が高くなるとともにコンパクトな構成が実現できる可能性を持っている。

この考え方を実現する方法として上部から多数の液柱を可能な限り密に配置する（流下させる）方法が考えられるが、次の理由により通常の手段では高性能熱交換器の実現は難しい。
それは単純に液体を上部から垂らすのは［図３］ａのごとき状態となるからである。
ビーカーの注ぎ口から液体を流下させると液は初めは、ほぼ円柱状に流下するが、流下距離の平方に比例して流下速度が速くなり、注ぎ口から数十ミリメートルから数百ミリメートルを越えると液柱は分裂して液滴となって落下することとなる。
これは液体が注ぎ口を離れると、ほぼ重力の法則に従って加速され、あっという間に流下速度が１ｍ／ｓを越えてしまい液柱径はどんどん細くなり、液体の表面張力のみではでは液柱状（円柱状）を保つことが出来なくなり、液滴に分裂してしまうからである。

落下速度が速くなり、液滴に分裂してしまうと単位容積当たりの熱交換面積は急激に低くなるばかりでなく、熱交換器としての基本条件である気液の熱収支を合わせることが難しくなってしまう。これは気液熱収支に見合う気体／液体流量比は空気と水の熱交換においてそれぞれの流体の温度変化値が同じであれば容積流量比は約３２００となり、水側流速を相当遅くする必要がある。例えば空気側流速を１０ｍ／ｓとすると水側流速は０．０１ｍ／ｓ以下にする必要があり、従来のままの液柱式直接接触式熱交換器では液柱高さを落下速度が高くならない多段式とする必要があることとなり、気体側流路の配置を考慮すると低コストでコンパクトとはほど遠い構成となってしまうからである。

本発明は前記課題を解決すべくなされたものである。

流下液の安定な流下と流下速度を自由に設定する方法がないものかと考察し、請求項１の方法を考案した。
請求項１の発明は液体が上方から糸またはひもを伝って流下することで液体側の流路を形成するものである。
この状況を示すのが［図３］のｂでビーカー０８の注ぎ口に糸またはひも０１を沿わせた後、下方に垂らし［図３］のａと同様に液を注ぎ口から流下させると、初めは液体の流下速度が低いため円柱径は太いが数十ミリメートル流下すると円柱径と流下速度は安定して一定となり安定した円柱状を形成することとなる。

ここで流体が伝って流下するのを糸またはひもとしたのは、太さを０．２ミリメートル前後から数ミリメートルとすることが考えられ、糸とひもいずれかに限定するのは困難と判断したためである。
液体は糸またはひもを伝って流下する時、糸またはひもと液体間の粘性による抵抗、液体の表面張力、液体に加わる重力、液体に加わる上昇する気体による粘性抵抗および流下する液体流量により平均流下速度及び液柱の径が決まる構成となる。この結果流下する液体は熱交換部上下全長にわたって安定な円柱状を形成することが可能となる。

糸またはひもの材料は熱交換される流体に化学的に侵されず、長寿命である必要があるが大量生産されているポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエステル、ポリ塩化ビニールおよびアクリル等の合成樹脂または合成繊維の採用が適しているものと考える。
糸またはひもであれば金属および合金またはガラス、アスベスト等の金属および無機材料の採用も可能であるが、これらの材料についてはその材料特性を十分吟味し適用される流体条件に合ったものとする必要がある。

請求項２の発明は液体が伝って流下する糸またはひもは重りまたはバネ等を設けること、もしくは糸またはひもが持っている弾性を利用して、上下に引っ張られて張り渡され隣り合う液体流路間の距離を上下全長にわたって一定に保つ構成とするとともに、隣り合う流路同士がくっついても、糸またはひもが引っ張られて張り渡されることにより、液体の表面張力等にうち勝って流路間の距離を正常な状態に戻す機能を有することである。
熱交換器の性能を高くするには流路の細分化が必然であるが、これには流下する液柱と液柱の間隔を狭めねばならず、糸またはひもを上下に引っ張って張り渡すことにより実現するものである。

請求項３の発明は直接接触式熱交換器において、上下に張り渡す糸またはひものつむぎ方式およびより方式等を変化させて糸またはひもの太さ粗さおよび形状を変化させることにより、伝って流下する液体の平均流下速度と液柱の流下形状等があらかじめ設定できることと、液柱の凸凹形状により、気体の流れの乱れ作り、伝熱性能を向上させる機能を有することである。

それぞれの糸またはひもを伝って流下する液体の流量は熱交換器上部の液体分配板等の仕様によって決まり、糸またはひもの太さによる影響を受けることはない。
液体の流下速度は前述のごとく糸またはひもと液体間の粘性による抵抗、液体の表面張力、液体に加わる重力、液体に加わる上昇する気体による粘性抵抗および流下する液体流量により流下速度が決定するが、糸もしくはひもの径および粗さを変化させることによりこれらをあらかじめ設定し最適な熱交換器とすることが出来る。

また２本以上のひもをよって一本のひもとし、これに液体が伝って流下することで液体がひものよられた方向に旋回しながら流下して、伝熱面近傍において上昇する気体の流れの乱れを大きくし伝熱性能を向上することを目的とすることも可能である。
［図４］のごとく２本のひも０１をよったのがａであり、一本のひもを芯としてその外周に２本のひもをよったのがｂである。伝熱理論によれば対流伝熱を促進するには伝熱境界層を出来るだけ薄くするように工夫するのがよいとあり、液体側流路を螺旋状として気体または液体の流速を高くせずに流れの乱れを大きくする効果的な方法である。

以上説明したように、請求項１の発明によれば、液体が上方から多数の糸またはひもを伝って流下し液体側流路を形成し、その流路の間を気体側流路として気体を上昇させることで気体と液体を直接接触させ熱交換（熱の授受）させるものである。
糸またはひも伝って流下するので糸またはひもと流体間に生ずる流下抵抗により流下する液体の速度は、糸またはひものない自然落下に比べて大幅に低下して安定な流速となり、糸またはひもの形状に倣った液柱の流れを熱交換部上下全長にわたって形成することが出来る。

請求項２の発明は液体が伝って流下する糸またはひもは端部に重りまたはバネ等を設けること、もしくは糸またはひもが持っている弾性を利用して、上下に引っ張られ張り渡されて、隣り合う糸またはひも間の距離を熱交換部上下全長にわたって一定に保つ構成とするとともに、隣り合う液体流路同士がくっついても重りまたはバネの働きにより、もしくは糸またはひもの持つ弾性により、液体の表面張力等にうち勝って液体流路間の距離を正常な状態に戻す機能を有するもので、上下に引っ張られ張り渡される糸またはひもの単位面積（糸またはひもが張り渡される方向に対し直角な面の面積）当たりの本数を可能な限り増加させ、結果として単位容積当たりの熱交換面積を高くすることを可能とする。

請求項３の発明は上下に張り渡す糸またはひものつむぎ方式およびより方式等を変化させて糸またはひもの太さ粗さおよび形状を変化させることにより、伝って流下する液体の平均流下速度と液柱の流下形状等があらかじめ設定できることと、液柱の凸凹形状により気体の流れの乱れ作り、伝熱性能を向上させることを目的としている。
液体の流下流量は上部の注ぎ口で決定されるので流速の変化は流下する流体の外径変化となる、結果として上昇する気体とで形成する直接接触伝熱面積を変化させることができることとなる。

また２本以上のひもをよって一本のひもとし、これに液体が伝って流下することで液体が旋回しながら流下して、伝熱面近傍において上昇する気体の流れの乱れを大きくし伝熱性能の向上を目的とするものである。

以上本発明による効果を大気圧下で３０℃前後の空気と水の熱交換について試算してみる。
まず水を糸またはひもを伝わらせて流下させることにより流路の細分化を試算すると、糸またはひもと糸またはひもとの間隔を３ｍｍとし多数の糸またはひもを千鳥に配置すると１ｍ^２当たりの糸またはひもの数は約１２８，０００本となり流下する水柱の外径（円柱径）を２ｍｍとなるように糸またはひもの太さとそれぞれの糸またはひもを流下する水量を設定すれば、単位容積当たりすなわち、１立方メートル当たりの水柱の表面積（すなわち気液直接接触伝熱面積）は８０６ｍ^２／ｍ^３となる。

また熱通過率については伝熱距離が上記細分化により水側が約０．１９ｍｍ、空気側が０．４９ｍｍと計算され、伝熱計算をそれぞれの流体の熱伝導率のみで熱伝達されるとしても（対流による伝熱、電磁波による伝熱および物質の移動現象等を含まないものとしても）それぞれの熱伝達量は４，１００ｗ／ｍ^２Ｋと約４６ｗ／ｍ^２Ｋとなり熱通過率は約４５ｗ／ｍ^２Ｋと計算できる。（ここでは水の熱伝達は大きすぎて熱通過率にほとんど影響しない。）
実際の空気側の伝熱は乱流伝熱であり、この値よりさらに大きな値となることは計算するまでもなく明らかである。
以上から単位容積当たりの熱通過率は約３６．８ｋｗ／ｍ^３Ｋとなり、従来のものと比較して桁違いに大きい値と試算できる。

糸またはひもを引っ張られながら張り渡すことについては、［図５］のごとく長い糸またはひも０１を用意し、これを熱交換部上部０１と下部に設けた支持棒０７に繰り返し繰り返し折り返して掛止することにより糸またはひもの列を形成する。
ついでこれを多数配置し熱交換ブロックとする方式が可能となる。図示省略したが上下の支持棒０７はそれぞれ熱交換部１０内で固定されている。その際全ての糸またはひもが上下に引っ張られて張り渡される構成であれば、持っている弾性により糸またはひも同士の間隔を保つことが出来る。糸またはひもの伸びは数ｍｍから数十ｍｍ程度で十分であろう。
この方式を採用すれば多数の糸またはひもを張り渡し熱交換ブロック生産とすることを機械化するのは、それほど難しいことでないと判断できる。
［図５］で糸またはひも０１の中央部が分断されているのは、糸またはひも０１の配列状況を示すためである。
以上で本発明の目標である、理想的に高い熱交換性能とコンパクトでかつ低コストで製作可能な直接接触式熱交換器の提供が実現できることとなる。

本発明の実施の形態０１を［図１］に基づいて説明する。

本実施の形態では熱交換部１０は圧力容器の熱交換器槽２０内に収納されている。熱交換部１０の上部に多数の流下孔があけられた液体分配板１１が配置され液体分配板１１の上部は給液槽１２であり、熱交換部１０の下部は熱交換された液体の排水槽１３である。熱交換部１０を囲む円筒は気流制御円筒１４で熱交換される気体が熱交換部１０の下部から流入し、熱交換部１０内を上昇し熱交換部１０の上部から排出される構成とするためのものである。
液体分配板１１は多数の孔が千鳥もしくは碁盤目にあけられ、孔を通って液体が熱交換部１０に流入する構成となっている。

熱交換部１０内に多数上下に張り渡されているのは液体が伝って流下するための糸またはひも０１である。糸またはひも０１の上部は支持体０３により給液槽１２内で支持されている。
支持体０３がどのように給液槽内で支持されているかはいろいろな方式が考えられるが本図では表示および説明を省略した。
また熱交換部１０の下部排水槽１３内で糸またはひもにはそれぞれ重り０４が繋がれており糸またはひも０１が上下に引っ張られて完全な垂直状態を保つことにより多数の糸またはひも０１の平行状態を確保する構成となつている。

液体は給液槽１２から液体分配板１１に設けられた多数の細孔から熱交換部１０へ流入するが、それぞれの細孔には前述の糸またはひも０１も通されており、熱交換部１０へ流入した液は糸またはひも０１を伝って［図３］のｂのごとく流下する。実施例１の場合それぞれの糸またはひも０１を流下する液体の流量は液体分配板１１に設けられた細孔の圧損によって調整される。
支持体０３は必ずしも給液槽１２内に設ける必然性はなく熱交換部１０の上部液体分配板１１の直下に設けてもよい。

以上の熱交換部品は熱交換器槽２０に収納されており、熱交換器槽２０は本実施例の場合円筒状の胴２１とその上蓋２２、底蓋２３から構成されており、上蓋２２と胴２１間には液体分配板１１を挟みフランジにより結合される構成となっている。上蓋２２と液体分配板１１間の空間は給液槽１２であり給液槽１２への給水は上蓋２２に設けられた給液口２４から実施される。

糸またはひも０１を伝って流下した液体は一旦熱交換器槽底部に液面を形成して貯まり排液槽１３となるが底蓋２３に設けられた排液口２５から熱交換槽２０の外に排出される。
熱交換されるもう一方の流体の気体は熱交換器槽の胴２１の下部に設けられた給気口２６から流入し気流制御円筒１４で熱交換部１０の下部へ導かれた後、熱交換部１０を上昇し上部から流下する液体０２と直接接触することにより熱交換する。熱交換部１０の上部で熱交換された気体は周方向へ転向し熱交換槽の胴２１と気流制御円筒１４の間の通路に導かれ一旦下降するが熱交換槽の胴２１に設けられた排気口２６から排出される。
本図では吸気口と排気口を流速を低減するため、それぞれ２個記載しているが、気体の方が一般に容積流量が液体に比し数百倍から数千倍となり圧力損失低減のため気体側接続口を広くしたり数を増す必要があるが、このようにしなければならぬ必然性は無い。

気流制御円筒１４のもう一つの機能は気体側流体の給気と排気の分離である。
気流制御円筒１４の中央部には円環状の隔板が設けられ気流制御円筒１４と胴２１間の通路を上下に遮断する。
この隔板の取り付け方法等についての記述は省略した。

本発明の実施の形態０２を図２に基づいて説明する。

本実施の形態は前述の実施の形態０１とほとんど同じで糸またはひも０１に繋がれるのが重り０４からバネ０５に変わったことである。
よって本実施の形態での本発明の熱交換器の能力は実施の形態０１と全く同じと言って差し支えない。
ただバネの配置についてはこの実施の形態ではバネは熱交換部１０の下部の排液槽１３内にに設置されてはいるが、給液槽１２内もしくは液体分配板１１直下の熱交換部１０の上部に配置してもよい。

以上のように、本発明の直接接触式熱交換器は、高性能で製造費用、運転動力費とも低く据え付け面積もコンパクトに出来ることから、従来の直接接触式熱交換器に取って代わる能力を有している。

本発明の直接接触式熱交換器の実施の形態０１を説明する為の断面図である。本発明の直接接触式熱交換器の実施の形態０２を説明する為の断面図である。ビーカーの注ぎ口から水がひもを伝って流下する状態を示す図である。２本以上のひもをよって旋回流用のひもとした図である。長尺の糸またはひもの弾性を利用してひも列を形成しこれを並べて熱交換ブロックを組立したことを示す概念図である。

符号の説明

０１糸またはひも
０１ａ螺旋流下ひも（２本組）
０１ｂ螺旋流下ひも（３本組）
０２流下液
０３ハンガー
０４重り
０５バネ
０６支持体（バネ用）
０７支持棒
０８ビーカー
１０熱交換部
１１液体分配板
１２給液槽
１３排液槽
１４気流制御円筒
２０熱交換器槽
２１胴
２２上蓋
２３底蓋
２４給液口
２５排液口
２６給気口
２７排気口

Claims

気液直接接触式熱交換器において、上方から下方へ張り渡した多数の糸またはひもを伝って液体が流下することで液体側の流れを形成し、これと気体とを直接接触させることにより、双方の流体間で熱の伝達もしくは物質の移動を行うことを特徴とする気液直接接触式熱交換器。
上記の気液直接接触式熱交換器において、液体が伝って流下する多数の糸またはひもが重りまたはバネ等の働きにより、もしくは糸またはひもが持っている弾性を利用することにより、上下に引っ張られて張り渡され、隣り合う糸またはひもとの距離、すなわち隣り合う液体流路間の距離を熱交換部上下全長にわたって、あらかじめ定められた値に保つ構成とすることを特徴とする気液直接接触式熱交換器。
上記の気液直接接触式熱交換器において、上下に張り渡す糸またはひものつむぎ方式およびより方式等を変化させて糸またはひもの太さ粗さおよび形状を変化させることにより、伝って流下する液体の流下速度と液柱の流下形状等があらかじめ設定できることと、また液柱の凸凹形状により気体の流れの乱れ作り伝熱性能を向上させることを特徴とする気液直接接触式熱交換器。