JP2011257065A - 液膜形成用キャップ及び流下液膜式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】製作誤差等により管板や伝熱管に設置歪みが生じた場合であっても、伝熱管の周壁内面に均一な液膜を形成することができる液膜形成用キャップ及び流下液膜式熱交換器を提供する。
【解決手段】垂直に配置された伝熱管１５の上端開口に設けられ、伝熱管１５の上方に貯留された液体を該伝熱管１５に流入させ伝熱管内面に薄膜を形成する液膜形成用キャップ１において、液膜形成用キャップ１は、上面３が封止され底面４が開口した中空円柱状のキャップ本体２と、キャップ本体２の周壁に形成され、液体が旋回流を生じる方向に上面から垂直下方に向かって延在する切欠部５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直に配置された伝熱管の周壁内面に、液膜状に液体を流下可能とした液膜形成用キャップ及び流下液膜式熱交換器に関する。

従来から、垂直に配置された伝熱管の周壁内面に液膜状に液体を流下させる技術は、流下液膜式熱交換器・蒸発器・加熱器・凝縮器・冷却器・吸収器等の各種装置に適用されている。これらの装置においては、伝熱管の周壁内面に均一な液膜を形成させて液体を流下させることにより、液体と伝熱管周囲の媒体との熱交換性能を高めることができる。

ここで一例として、流下液膜式熱交換器の構成を説明する。流下液膜式熱交換器は、縦型の筒状外套を有し、この筒状外套の上下にそれぞれ上部管板、下部管板が設けられている。そして、上部管板と下部管板との間にこれらを貫通する伝熱管が複数架け渡されている。筒状外套と上部管板との間には分配室が形成され、この分配室内には外部より液体が供給され貯留されている。一方、上部管板と下部管板との間の伝熱管周囲には外部よりプロセス蒸気が供給される。

このような構成を有する流下液膜式熱交換器では、分配室から伝熱管の上端開口より流入した液体が伝熱管の周壁内面を流下し、この流下する液膜状の液体を伝熱管周囲のプロセス蒸気により蒸発させて、筒状外套と下部管板との間に形成された排出部を介して蒸気を回収するようになっている。

上記した流下液膜式熱交換器を始めとして流下液膜を形成させる装置において、伝熱管の周壁内面に液膜を形成させる構造として、分配室に貯留された液体を伝熱管の上端開口からオーバーフローさせる構造がある。しかし、これらの装置は一般に複数の伝熱管を有していることが多いため、複数の伝熱管に均一に液体を分配することは困難であった。したがって、特許文献１（特許第２９１２１４１号公報）等に開示されるように、伝熱管の上端に液分散器を設けて各伝熱管に液体を均一に分配する構成が提案、実用化されている。特許文献１に開示される液分散器は、円筒の周壁に孔状の開口部を形成し、この開口部より液体を伝熱管の周壁内面に流下させる構造となっている。

特許第２９１２１４１号公報

しかしながら、特許文献１等に開示される従来の液分散器においては、開口部より円滑に液体を流入させるために分配室に向けて上部が開口しており、この開口から液体が流出することを防ぐためには、分配室の液面高さが液分散器の上面より下方となるように精度良く調整しなければならない。また、製作誤差や使用中の歪み等から管板を精密に水平に維持することは難しく、これにより液分散器の高さにばらつきが生じた場合には、液分散器の上部開口から液体が流出したり、上記した液面高さの制限から液分散器の周壁開口まで液体が到達せず液体の流下が円滑に行なわれない可能性がある。さらにまた、従来の液分散器に形成された開口部は孔状であったため、液分散器より流入した液体を均一な薄膜とすることは難しかった。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、製作誤差等により管板や伝熱管に設置歪みが生じた場合であっても、伝熱管の周壁内面に均一な液膜を形成することができる液膜形成用キャップ及び流下液膜式熱交換器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る液膜形成用キャップは、垂直に配置された伝熱管の上端開口に設けられ、前記伝熱管の上方に貯留された液体を該伝熱管に流入させ伝熱管内面に薄膜を形成する液膜形成用キャップにおいて、前記液膜形成用キャップは、上面が封止され底面が開口した中空円柱状のキャップ本体と、前記キャップ本体の周壁に形成され、前記液体が旋回流を生じる方向に前記上面から垂直下方に向かって延在する切欠部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、液膜形成用キャップの上面が封止されているため、製作誤差等により管板や伝熱管に設置歪みが生じた場合であっても、切欠部以外より液体が伝熱管内に流入することがなく、均一な液膜を形成することが可能となる。また、液膜形成用キャップの上面が封止されているため、液膜形成用キャップより上方まで液体を貯留することができ、且つ十分な液面高さまで貯留した液体の液圧によって切欠部より円滑に液体を伝熱管内に流入させることが可能となる。

さらに、液体を伝熱管に流入させる開口が、鉛直方向に延在する長尺な切欠部であり、この切欠部は、液体がキャップ本体の周壁内面に沿って旋回流を生じる方向に形成されているため、液深及び隣接する複数の液膜形成用キャップの流れ等に左右されずに液体の通過を円滑にし、且つ前記伝熱管全体により均一な液膜を形成することが可能となる。

また、前記液膜形成用キャップは、前記キャップ本体の下部に、前記伝熱管の前記上端開口に嵌合する装着部をさらに備えており、前記切欠部の下端が前記装着部より上方に位置することが好ましい。
このように、切欠部が装着部より上方に位置することにより、装着部における周壁内面の凹凸をなくし、切欠部より流入した液膜が円滑に維持されることを可能とする。

さらに、前記切欠部は、前記キャップ本体の周方向に均等な間隔で複数形成されていることが好ましく、これにより液体が複数個所から流入することとなり、より一層均一な液膜を形成することが可能となる。

また、本発明に係る流下液膜式熱交換器は、縦型の筒状外套内の上下に上部管板、下部管板をそれぞれ水平に設け、前記上部管板と前記下部管板の間にこれらを貫通する伝熱管を複数設けて、前記筒状外套と前記上部管板との間に形成される分配室に貯留した液体を前記伝熱管の内部に流入させるとともに、前記伝熱管の周囲にプロセス蒸気を供給して前記伝熱管内部の液体を蒸発させる流下液膜式熱交換器において、前記伝熱管の上端開口に、上面が封止され底面が開口した中空円柱状のキャップ本体と、前記キャップ本体の周壁に形成され、前記液体が旋回流を生じる方向に前記上面から垂直下方に向かって延在する切欠部とを備える液膜形成用キャップを設け、前記液膜形成用キャップの上面より上方位置に液面が位置するように前記分配室に前記液体を貯留させるとともに、前記伝熱管内を負圧に維持する負圧生成手段を設け、前記負圧生成手段による負圧と前記分配室に貯留された液体の液圧とによって前記液膜形成用キャップの前記切欠部より前記伝熱管内に前記液体を流入させ、前記伝熱管の周壁内面に液膜を形成することを特徴とする。

本発明によれば、液膜形成用キャップにより上述したように均一な液膜を形成可能であるとともに、分配室に十分な液圧を生じる液体を貯留でき、この液圧と負圧生成手段による伝熱管内の負圧とによって液膜形成用キャップの切欠部から伝熱管内に円滑に液体を流入させることが可能となる。このように、伝熱管内に円滑に流入させた液体により伝熱管の周壁内面に均一な液膜を形成できることから熱交換性能を高くでき、効率的に蒸気を生成する流下液膜式熱交換器を提供することが可能となる。

本発明の液膜形成用キャップによれば、その上面が封止されているため、製作誤差等により管板や伝熱管に設置歪みが生じた場合であっても、均一な液膜を形成することが可能となる。さらに、液体を伝熱管に流入させる開口が、鉛直方向に延在する長尺な切欠部であり、この切欠部は、液体がキャップ本体の周壁内面に沿って旋回流を生じる方向に形成されているため、液深及び隣接する複数の液膜形成用キャップの流れ等に左右されずに液体の通過を円滑にし、且つ前記伝熱管全体により均一な液膜を形成することが可能となる。
また、本発明の流下液膜式熱交換器によれば、伝熱管内に円滑に流入させた液体により伝熱管の周壁内面に均一な液膜を形成できることから熱交換性能を高くでき、効率的に蒸気を生成する流下液膜式熱交換器を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る液膜形成用キャップの斜視図である。 本発明の実施形態に係る液膜形成用キャップの平面図である。 本発明の実施形態に係る液膜形成用キャップの底面図である。 本発明の実施形態に係る液膜形成用キャップの正面図（背面図）である。 本発明の実施形態に係る液膜形成用キャップの右側面図（左側面図）である。 液膜形成用キャップの伝熱管装着状態を示す概略断面図である。 液膜形成用キャップによる液膜形成を説明する図である。 本発明の実施形態に係る液膜形成用キャップの応用例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る流下液膜式熱交換器の構成図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

まず最初に、図１乃至図５を参照して、本発明の実施形態に係る液膜形成用キャップの構成を説明する。ここで、図１は斜視図、図２は平面図、図３は底面図、図４は正面図（背面図）、図５は右側面図（左側面図）である。
本発明の実施形態に係る液膜形成用キャップ（以下、キャップと略称する）１は、垂直に配置された伝熱管１５の上端開口に設けられ（図６参照）、伝熱管１５の上方に貯留された液体を該伝熱管１５に流入させ伝熱管１５の周壁内面に液膜を形成するものである。

このキャップ１は主に、中空円柱状のキャップ本体２と、該キャップ本体２の周壁に形成された切欠部５と、該キャップ本体２の下部に形成された装着部６とから構成されている。
キャップ本体２は、中空円柱状の上面５が封止され、底面４が開口されている。このキャップ本体２は、少なくとも後述するプロセス蒸気の温度で軟化又は溶融しない材料で形成され、例えば前記温度条件を満たす樹脂材料で形成される。

切欠部５は、キャップ本体２の周壁に形成され、液体がキャップ本体２の周壁内面に沿って旋回流を生じる方向に上面５から垂直下方に向かって長尺状に延在している。
図２に示すようにキャップ１を上方から見たとき、切欠部５はキャップ本体２の外周縁から中央側に、旋回流の方向に沿って角度をもって形成されている。このとき、キャップ本体２の外周縁から中央側に向かう切欠部５の形状は直線状であってもよい。このように直線状に形成することで、切欠部５を容易に形成することが可能となる。
また、図８の応用例に示すように、キャップ本体２の外周縁から中央部に向かう切欠部５の形状は湾曲していてもよい。湾曲させる場合には、キャップ本体２の外周側が凸になるように湾曲させる。これにより、液体による旋回流の形成を促進させることができる。

装着部６は、キャップ本体２の下部に形成され、図６に示すように伝熱管１５の上端開口に嵌合するように、キャップ本体２の周壁外面が段差部６ａを境界として上部よりも縮径した段差状に形成されている。ここで、図６は液膜形成用キャップの伝熱管装着状態を示す概略断面図である。同図に示すように、装着部６を伝熱管１５の周壁内面に沿って嵌合したとき、段差部６ａが伝熱管１５の上端と当接して固定されるようになっている。なお、キャップ本体２の周壁内面は上部から下部にかけて段差は有していない。

上記した構成を有するキャップ１において、伝熱管１５の上方に貯留された液体は、図７に示すように切欠部５を通ってキャップ本体２の内部に流入する。このとき、外周縁から中央部に向かう切欠部５の角度によって旋回流が形成される。この旋回流が形成された状態で液体は伝熱管１５に流下し、これにより伝熱管１５の周壁内面に均一な液膜が形成される。

このように本実施形態のキャップ１によれば、上面３が封止されているため、製作誤差等により管板１２や伝熱管１５に設置歪みが生じた場合であっても、切欠部５以外より液体が伝熱管１５内に流入することがなく、均一な液膜を形成することが可能となる。また、薄膜形成用キャップ１の上面３が封止されているため、薄膜形成用キャップ１より上方まで液体を貯留することができ、且つ十分な液面高さまで貯留した液体の液圧によって切欠部５より円滑に液体を伝熱管１５内に流入させることが可能となる。
さらに、液体を伝熱管１５に流入させる開口が、鉛直方向に延在する長尺な切欠部５であり、この切欠部５は、液体がキャップ本体２の周壁内面に沿って旋回流を生じる方向に形成されているため、液深及び隣接する複数の液膜形成用キャップ１の流れ等に左右されずに液体の通過を円滑にし、且つ伝熱管全体１５により均一な液膜を形成することが可能となる。

また、切欠部５は、キャップ本体２の周方向に均等な間隔で複数形成されていることが好ましい。これにより液体がキャップ１の複数個所から流入することとなり、より一層均一な液膜を形成することが可能となる。なお、本実施形態では、一例として２つの切欠部５をキャップ本体２の直径上にそれぞれ設けた場合を示している。

さらに、切欠部５の下端は、装着部６より上方に位置することが好ましく、これにより装着部６におけるキャップ１の周壁内面の凹凸をなくし、切欠部５より流入した液膜が円滑に維持されることを可能とする。
なお、切欠部５の長さ及び溝巾は、このキャップ１が装着される熱交換器の総括伝熱係数が最大となる最適循環量に基づいて設定される。

次に、図９を参照して、本発明の実施形態に係る流下液膜式熱交換器について以下に説明する。ここで、図９は本発明の実施形態に係る流下液膜式熱交換器とその周辺機器の構成図である。
流下液膜式熱交換器１０は、主に、縦型の筒状外套１１と、筒状外套１１内の上下にそれぞれ水平に設けられた上部管板１２及び下部管板１３と、上部管板１２と下部管板１３の間にこれらを貫通して架け渡された複数の伝熱管１５と、伝熱管１５の上端開口に取り付けられたキャップ１とを備える。

筒状外套１１は、円筒形の胴部１１ａとその上下を塞ぐ半球状の頂部１１ｂ及び底部１１ｃとから構成される。胴部１１ａと頂部１１ｂとの間に上部管板１２が設けられ、胴部１１ａと底部１１ｃとの間に下部管板１３が設けられている。
筒状外套１１の頂部１１ａと上部管板１２により分配室１７が形成されており、この分配室１７には頂部１１ａに設けられた液体供給口２１より液体が供給される。分配室１７には、キャップ１の切欠部５（図１参照）より液体が伝熱管１５に流入する液圧がかかる液深となるように液体が貯留される。

また、筒状外套１１の底部１１ｃと下部管板１３により排出室１８が形成されており、この排出室１８には蒸気と分離された液体が貯留され、底部１１ｃに設けられた液体排出口２２より外部へ排出される。この排出室１８には負圧生成手段としてスクリュー式水蒸気圧縮機３３が接続されており、伝熱管１５内を負圧に維持するとともに、排出室１８で液体と分離した蒸気を外部へ排出するようになっている。さらに、液体排出口２２より排出された液体は、循環ポンプ３５により液体供給口２１へ循環するようになっている。

一方、筒状外套１１で囲繞された伝熱管１５の周囲には、プロセス蒸気通路１１ｄが形成されている。プロセス蒸気通路１１ｄの上部にはプロセス蒸気４３を供給するプロセス蒸気入口２５が設けられ、下部にはプロセス蒸気４４を排出するプロセス蒸気出口２６が設けられている。

上記した構成を備える流下液膜式熱交換器１０の作用を説明する。
筒状外套１１の頂部１１ｂの液体供給口２１より供給された液体４０は、分配室１７に貯留されて、キャップ１の切欠部５（図１参照）より伝熱管１５に流入する。伝熱管１５ではキャップ１の切欠部５により周壁内面に均一な液膜が形成される。このとき、分配室１７には切欠部５より液体が伝熱管５に流入する程度の液圧がかかる液深となるように液体が貯留されているとともに、水蒸気圧縮機３３により伝熱管１５内が負圧に維持されている。
そして、伝熱管内部の液体４０と、プロセス蒸気入口２５より供給されたプロセス蒸気４３とが熱交換され、液体４０の一部が蒸発する。なお、プロセス蒸気４４はプロセス蒸気通路１１ｄを通過したらプロセス蒸気出口２６から排出される。

伝熱管１５の下端開口より排出された低圧飽和蒸気と飽和液体の混合体は排出部１８で分離され、蒸気は蒸気排出部２３より水蒸気圧縮機３３により吸引され、圧縮されて他の利用設備に送られる。このとき、排出部１８には、低圧飽和蒸気として排出された量に対応する補給水４１をタンク３１から圧送ポンプ３２により補給する。
一方、排出部１８で蒸気と分離された液体４０は、液体排出口２２より外部に排出され、循環ポンプ３５により液体供給口２１へ循環する。

本実施形態に係る流下液膜式熱交換器１０によれば、伝熱管１５の上部開口に取付けたキャップ１により上述したように均一な液膜を形成可能であるとともに、分配室１７に十分な液圧を生じる液体を貯留でき、この液圧と負圧生成手段（実施形態では水蒸気圧縮機３３）による伝熱管１５内の負圧とによってキャップ１の切欠部５から伝熱管１５内に円滑に液体を流入させることが可能となる。このように、伝熱管１５内に円滑に流入させた液体により伝熱管１５の周壁内面に均一な液膜を形成できることから熱交換性能を高くでき、効率的に蒸気を生成する流下液膜式熱交換器１０を提供することが可能となる。

１ 液膜形成用キャップ
２ キャップ本体
３ 上面
４ 底面
５ 切欠部
６ 装着部
１０ 流下液膜式熱交換器
１１ 筒状外套
１２ 上部管版
１３ 下部管板
１５ 伝熱管
１７ 分配室
１８ 排出室
３１ タンク
３２ 圧送ポンプ
３３ スクリュー式蒸気圧縮機
３５ 循環ポンプ

Claims (4)

1. 垂直に配置された伝熱管の上端開口に設けられ、前記伝熱管の上方に貯留された液体を該伝熱管に流入させ伝熱管内面に薄膜を形成する液膜形成用キャップにおいて、
   前記液膜形成用キャップは、上面が封止され底面が開口した中空円柱状のキャップ本体と、前記キャップ本体の周壁に形成され、前記液体が旋回流を生じる方向に前記上面から垂直下方に向かって延在する切欠部とを備えることを特徴とする液膜形成用キャップ。
2. 前記液膜形成用キャップは、前記キャップ本体の下部に、前記伝熱管の前記上端開口に嵌合する装着部をさらに備えており、前記切欠部の下端が前記装着部より上方に位置することを特徴とする請求項１に記載の液膜形成用キャップ。
3. 前記切欠部は、前記キャップ本体の周方向に均等な間隔で複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液膜形成用キャップ。
4. 縦型の筒状外套内の上下に上部管板、下部管板をそれぞれ水平に設け、前記上部管板と前記下部管板の間にこれらを貫通する伝熱管を複数設けて、前記筒状外套と前記上部管板との間に形成される分配室に貯留した液体を前記伝熱管の内部に流入させるとともに、前記伝熱管の周囲にプロセス蒸気を供給して前記伝熱管内部の液体を蒸発させる流下液膜式熱交換器において、
   前記伝熱管の上端開口に、上面が封止され底面が開口した中空円柱状のキャップ本体と、前記キャップ本体の周壁に形成され、前記液体が旋回流を生じる方向に前記上面から垂直下方に向かって延在する切欠部とを備える液膜形成用キャップを設け、前記液膜形成用キャップの上面より上方位置に液面が位置するように前記分配室に前記液体を貯留させるとともに、前記伝熱管内を負圧に維持する負圧生成手段を設け、
   前記負圧生成手段による負圧と前記分配室に貯留された液体の液圧とによって前記液膜形成用キャップの前記切欠部より前記伝熱管内に前記液体を流入させ、前記伝熱管の周壁内面に液膜を形成することを特徴とする流下液膜式熱交換器。

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