JP2015132467A - 水噴霧加湿装置 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし最近は、低炭素化の流れのなかで、油やガスなど排出CO2 換算係数が大きくかつ発生熱の温度場の高い一次エネルギ燃焼熱の、空調におけるたかだか百℃未満対象への直接加熱利用は敬遠され、水力や原子力発電由来を含むため排出CO2 換算係数の小さい電気への空調における加熱の移行が進んでおり、これに伴い、空調における加湿も、加熱温度が低くても加湿可能な水加湿方式に移行しつつある。
しかし、水加湿方式では、一般に必要加湿量に対して非常に多くの給水量が必要であり、加湿に供し得なかった給水は排水として捨てられている。水資源の豊富な我が国においても、水の有効利用は非常に重要である。
ワッシャ装置でも、エリミネータは気水分離機能が重要であり、低圧損で効率的に気水分離する発明が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、ワッシャ装置では、塵埃、あるいは有害ガス成分の除去効率を高めるために、エリミネータを樹脂や金属製からなる繊維状のメディアとし、ここで水分を一定時間とどめることによって気水の接触面積を大きくする発明も提案されている(例えば、特許文献2参照)。
多孔質金属製エリミネータの上流側の噴霧量に応じた、内部水膜形成と、噴霧水を減じた際の内部水膜消失性や、水切れの良さから、優れた加湿制御精度を有する。
加湿吸収距離を取りさえすれば優れた飽和効率を有し(〜80%)、最大加湿性能は滴下式を超えている。噴霧量を小さくしたり、加湿吸収距離を小さくしても最大加湿性能は滴下式並である。
図1、図2は、本発明に係る水噴霧加湿装置の第一実施形態として空気調和機(以降、空調機と称する)組み込みの加湿器1を示す。
本実施形態に係る加湿器1は、空調機組み込みを想定し、例えば、7,200m3/H
の処理風量を、面速2.0m/sで処理する場合、1m×1m断面の風洞10内に噴霧量3L/Hのノズル11を断面に対して均一に16個、つまり定格で水/空気重量比L/G=0.0056として気水接触させて設け、ノズル11の下流L(mm)に多孔質金属製エリミネータ12を設置することによって構成されている。
ノズル11は、高圧(噴霧圧力6MPa、平均粒径26μm)ノズル、低圧(噴霧圧力0.6MPa、平均粒径56μm)ノズルの2種類を用いた。ノズル11は、ポンプ13を備えた給水路14に接続される配管14aにそれぞれ設けられている。ノズル11は、多孔質金属製エリミネータ12が効率よく均等に濡れるよう、断面に均等に配置することが望ましい。図1では、空気の流れとノズル噴霧ミストのマクロ的噴霧方向とが同じ向きの並行流噴霧を示しているが、後述の図12に示すように、空気の流れとノズル噴霧ミストのマクロ的噴霧方向とが反対向きの対向流噴霧であっても可能である。
気泡直径が1.3mmを超えると、図7に示すように、開口部を形成する縁のミスト捕捉性能が低下し多孔質金属製エリミネータ12の後方へミストMの飛散が発生する。一方、0.8mm未満になると、図8に示すように、開口部同士の間隔が密になり、一度水膜WFを形成しても、隣接する水膜WFと即座に結合し水滴状DWになるため気水接触面積を効率よく得ることができない。また、気泡の内部に水滴が充満して滞留し、内部での気水接触が不能になる気泡も出てくる。
多孔質金属製エリミネータ12の厚みが10mm未満であると、多孔質金属製エリミネータ12に捕集された水分の一部は多孔質金属製エリミネータ12の背面まで染み出し、空気の動圧によって押し出され後方へ飛散する。また、厚みが30mmを超えると、多孔質金属製エリミネータ12の内部後方側までミストが浸透しないため、浸透しない厚み部分は気水接触効果の向上に寄与せず、圧力損失増加の原因となるだけである。
例1として、先ず連通気孔を有するポリウレタンフォーム、不織布などの多孔質プラスチック樹脂基材を造り、これに無電解メッキ、真空蒸着、スパッタリング、あるいはカーボンコーティングなどの方法でその骨格表面に導電性を付与し、骨格表面に必要な厚さまで金属を電気メッキする。得られた基材を高温の焙焼工程に導き、樹脂分を焼却し、次いで焙焼の時に生じる金属酸化物を還元雰囲気の中で加熱して金属酸化物を還元して多孔質金属製エリミネータとするものである。
本実施形態の用途に応じた最適化を行うため、ノズル11の噴霧面と、多孔質金属製エリミネータ12のノズル側表面との距離をLとし、Lを200mm、400mm、600mm、800mm、1,200mmの5種類で実証試験を行った。それぞれの条件において、ノズル11と多孔質金属製エリミネータ12とで構成された加湿器1の出入口温度、出入口相対湿度、排出水量を計測し、ここから飽和効率および有効加湿効率を求めた。
・飽和効率:ηs
加湿器の性能を表す指標で、この値が大きいほど出口は飽和状態に近くなり、加湿器として高性能である。
ηs=(tl−t2)/(t1−t’)・・・(1)
tl:入口空気温度[℃]
t2:出口空気温度[℃]
t’:入口空気湿球温度[℃]
加湿器への給水量に対し、空気に付加された(加湿に寄与した)水分量を表す。
ηh=qh/qs=(qs−qd)/qs・・・(2)
qs:給水量[L/H]
qh:加湿に寄与した水分量=加湿量[L/H]
qd:加湿に寄与しない水分量=排水量[L/H]
ノズル11の高圧ノズル又は低圧ノズルの種類違いにかかわらず、ノズル11と多孔質金属製エリミネータ12との距離Lが大きくなるほど飽和効率及び有効加湿効率が上昇する。
例えば、飽和効率はL=1,200mmのとき、高圧ノズルで90%以上、低圧ノズルでも80%以上となり、滴下式の高性能品の飽和効率80%と同等以上の性能を有する。
また、このときの有効加湿効率は、高圧ノズルで50%、低圧ノズルでも42%となり、よって、加湿吸収距離L=1,200mmあれば、ポンプ動力の小さい低圧ノズルで充分であり、滴下式の有効加湿効率より良好な、水資源を節約し省エネルギになるシステムが構築できる。
空気中の質量流束は、下記(3)式で表され、
Na=κaρ(χs−χ)[kg/m2s]・・・・(3)
シャーウッド数Sh及びランツ・マーシャルの式(下記(4)式で表す)を用いると、
(4)式は下記(5)式と書き換えられる。
並行流で低圧ノズルにすると、相対速度0に近くなるし、対向流にして空気上流側に向けて噴霧すると、多孔質金属製エリミネータ位置では、ミストは空気流に押し戻されて相対速度は限りなく0に近づいている。
これに水滴表面積Aおよび粒子数を乗じることで蒸発量が求まる。ただし、蒸発に伴い粒径dは刻々と変化し、またこれに伴い蒸発流束Naも刻々と変化する。よって、実際の算出方法には、先ず微少時間帯Δtを考え、そのΔt間は粒径dが一定であると見なし、(6)式を適用し蒸発量を算出、蒸発による粒径dの変化を次の微少時間帯に反映させていく差分法を用いる。
Na :蒸発流束[kg/m2s]
κa :物質移動係数[m/s]
ρ :空気密度[kg/m3]
χs :水滴界面の絶対温度[kg/kg(DA)]
χ :空気の絶対温度[kg/kg(DA)]
D ;拡散係数[m2/s]
ν :空気動粘度[m2/s]
Rep:粒子レイノルズ数[−]
条件
D=2.34×10-5 m2/s
d=56×10-6 m(低圧ノズル初期)
26×10-6 m(高圧ノズル初期)
ρ=1.23 kg/m3
ωs=0.0122/(1−0.0122)=0.0123
ω=0.0093/(1−0.0093)=0.0094
L=0〜1,200 mm
しかし実際は、図9の状態となるので空間での気液接触の他に多孔質金属製エリミネータ12における気液接触が補われて、低圧ノズルで加湿吸収距離が小さいとき(例えばL=400mmのとき)でも飽和効率70%、有効加湿効率40%弱と、充分実用となる。
加湿器1全体の飽和効率の結果(図9)と噴霧空間での飽和効率の結果(図10)との比から、多孔質金属製エリミネータ12の飽和効率を算出した結果を図11に示す。
多孔質金属製エリミネータ12単体の飽和効率は例えば、L=1,200mmのとき60〜70%あり、低圧ノズルの噴霧空間の飽和効率を上回るほど、加湿性能に寄与していることが分かる。
この加湿器1Aは、前述の通り空気流相対速度0で多孔質金属製エリミネータ12にミストをぶつけ、エリミネータ内部状態は加湿器1と同様で、噴霧空間での滞留時間は気流による押し戻され効果により長くなるので、加湿器1と同様以上の作用効果を奏する。
次に、第一実施形態に係る加湿器1の制御性能について説明する。
噴霧式では、一般的に制御方法としてオンオフ制御しか行えないと言われている。しかし、時間比例制御の考え方を導入する、段数制御を行う、リターンノズルを使用して容量比例制御を行う、などの方法で制御精度を上げることが可能である。
この応答性の速さを利用して時間比例制御を行った際にも優れた性能を実現することができる。
図12、図13に示す加湿器1Aに時間比例制御を行うことができるように、ポンプ13とノズル11との間の給水路14に電磁弁15と、この電磁弁15を時間比例制御によって開閉を行わせる制御部16と、この制御部16に連絡する室内湿度センサHとを備えている。4つのノズル11は配管14aにそれぞれ設けられ、4つの配管14aは給水路14に接続されている。
ンオフであって、ある時間周期tcにおけるオン時間topを制御することで、図17に示すように、比例制御する方法である。オン時間topは、制御部16において湿度設定値(SP)と湿度測定値(PV)の偏差からPID演算して決定する。
時間比例制御ではtcを小さくするほど精密な制御を行うことが可能であり、図15、図16に示す加湿器1Bを用いて時間比例制御を行った試験における加湿器出口湿度の変動は、図18に示すように、tc=60秒の時±5%以内制御を実証した。
連続する噴霧量を変えるのは、段数制御、容量比例制御に相当する。
段数制御は、グループ分けされた4つの配管14aに電磁弁15を設け、設定湿度と室内湿度との偏差から求まる要求量に応じ電磁弁15を開閉する。
本例では、図12、図13に示す加湿器1Aにおけるノズル11と電磁弁15とを4段にし、噴霧量を12L/H(1段)、24L/H(2段)、36L/H(3段)、48L/H(4段)と変化させたた場合について説明する。ここで、制御部16は、段数制御コントローラを用いている。
この時の飽和効率、有効加湿効率の結果を図21に示す。段数を減らすほど飽和効率が低下することから、段数制御により加湿量を制御できることが分かる。また、段数を減らすほど有効加湿効率は上昇することから、水の使用量を著しく削減できることが分かる。
よって、飽和効率50%で使用できる、例えば事務所ビルのターミナル型空調機のようなあまり加湿吸収距離の取れない空調機にも組み込み可能な加湿装置として充分以上の性能を極小な給水量で達成可能である。
容量比例制御は、背圧調節弁付ノズル11Aを用いて行うことができる。一般的にノズルの特性は供給圧力を絞ってもあまり変化しないため加湿量の制御には不向きである。
一方、背圧調節弁付ノズル11Aは、排水口11aを設け、その排水口11aの背圧を制御することにより噴霧量を調整するもので、ミストの粒径を一定に保ったまま、噴霧流量を広い範囲で調整することができる。このノズル11を用いることで容量比例制御が可能である。
制御部16は、設定湿度と湿度センサHによる測定湿度の偏差から求まる要求量により二方弁15Aの開度を調整して噴霧量を調整する。
この背圧調整弁付ノズル11を用いた容量比例制御でも、図21と同じ状況になるのは明らかで、その作用効果は加湿器1Cと同様である。
10 風洞
11 ノズル
12 多孔質金属製エリミネータ
12a 気泡
13 ポンプ
14 給水管
15 電磁弁
16 制御部
IC 連続気泡体
Claims (8)
- 風洞と、
前記風洞内に中を流れる気流に直交するよう配される多孔質金属製エリミネータと、
前記多孔質金属製エリミネータ全体に噴霧可能に前記風洞内に配される噴霧圧力が0.6MPaである低圧のノズルと、
ポンプを備え、前記風洞外から供給される清浄水を前記ノズルに給水する給水路と
を備え、
前記多孔質金属製エリミネータは、内部に無数の気泡が重なりあうように存在し、前記気泡が重なる部分には気孔が空いて空間が連通し前記多孔質金属製エリミネータ全体の表面と裏面とを貫通している連続気泡体であって、無数にある連通する前記気泡の開口部の一部が滑らかな楕円形状を為す平面であり、前記気泡の直径が0.8mm〜1.3mm、空隙率が80%〜95%であり、
ミストを含んだ空気が通過する際に捕捉されたミストが、表面張力によって容易に水膜を形成する構造であることで、
前記ノズルと前記多孔質金属製エリミネータとの距離である加湿吸収距離を1,000mm以上1,200mm以下に確保することで、加湿による飽和線への近づき度合いを示す飽和効率を80%以上に、且つ、前記ノズルへの給水量に対する空気に付加された水分量を示す有効加湿効率を40%以上に確保する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。 - 請求項1に記載の水噴霧加湿装置において、
前記多孔質金属製エリミネータは、厚みが10mm〜30mmである
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。 - 請求項1または請求項2に記載の水噴霧加湿装置において、
前記多孔質金属製エリミメータの下流側に配置され、露点温度を実測する露点温度センサと、
前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁と、
前記弁の開閉を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定露点温度と前記露点温度センサによる測定露点温度の偏差から求まる要求量に応じて前記弁の開放時間を制御する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。 - 請求項1または請求項2に記載の水噴霧加湿装置において、
前記水噴霧加湿装置を内蔵する空調機により給気して温調し還気を戻す空調対象室に配置され、室内相対湿度を実測する湿度センサと、
前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁と、
前記弁の開閉を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定相対湿度と前記湿度センサによる測定湿度の偏差から求まる要求量に応じて前記弁の開放時間を制御する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。 - 請求項1または請求項2に記載の水噴霧装置において、
複数の前記ノズルを数段に群配置するとともに、各段毎に前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁を配置した水噴霧装置と、
前記多孔質金属製エリミメータの下流側に配置され、露点温度を実測する露点温度センサと、
前記水噴霧装置の各段の前記弁毎の開閉を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定露点温度と前記露点温度センサによる測定露点温度の偏差から求まる要求量に応じて前記各段毎の前記弁を開閉することでノズル段数を制御する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。 - 請求項1または請求項2に記載の水噴霧装置において、
複数の前記ノズルを数段に群配置するとともに、各段毎に前記ノズルに水を供給する配管を全開全閉する弁を配置した水噴霧装置と、
前記水噴霧加湿装置を内蔵する空調機により給気して温調し還気を戻す空調対象室に配置され、室内相対湿度を実測する湿度センサと、
前記水噴霧装置の各段の前記弁毎の開閉を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定相対湿度と前記湿度センサによる測定相対湿度の偏差から求まる要求量に応じて前記各段毎の前記弁を開閉することでノズル段数を制御する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。 - 請求項1または請求項2に記載の水噴霧加湿装置において、
複数の背圧調整弁付ノズルを前記給水路のポンプ吐出側に前記加圧系統に接続する複数段の加圧系統に配置するとともに、前記複数段の加圧系統とそれぞれ並行して前記ポンプの上流側に接続する前記複数の背圧調整弁付ノズルの背圧系統を配置した水噴霧装置と、
前記背圧系統に設けた二方弁と、前記多孔質金属製エリミネータの下流側に配置され、露点温度を実測する露点温度センサと、
前記二方弁の開度を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定露点温度と前記露点温度センサによる測定露点温度の偏差から求まる要求量に応じて前記二方弁の開度を調整する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。 - 請求項1または請求項2に記載の水噴霧加湿装置において、
複数の背圧調整弁付ノズルを前記給水路のポンプ吐出側に前記加圧系統に接続する複数段の加圧系統に配置するとともに、前記複数段の加圧系統とそれぞれ並行して前記ポンプの上流側に接続する前記複数の背圧調整弁付ノズルの背圧系統を配置した水噴霧装置と、
前記背圧系統に設けた二方弁と、
前記水噴霧加湿装置を内蔵する空調機により給気して温調し還気を戻す空調対象室に配置され、室内相対湿度を実測する湿度センサと、
前記二方弁の開度を制御する制御部と
をさらに備え、
前記制御部は、設定相対湿度と前記湿度センサによる測定相対湿度の偏差から求まる要求量に応じて前記二方弁の開度を調整する
ことを特徴とする水噴霧加湿装置。
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