JP4603777B2 - 境膜剥ぎ取り熱交換器とそれを使用した熱交換方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，熱媒と流体の間で熱交換を行う境膜剥ぎ取り熱交換器とそれを使用した熱交換方法に関するものであり、特に、化学工業、機械工業あるいは食品工業等で使用される熱交換器の性能を大幅に向上させることを目的に、金属壁の両側（高温流体ならびに低温流体）の境膜を同時に剥ぎ取ることができる熱交換器とそれを使用した熱交換方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
食品工場などにおいて，例えばポタージュスープやコーンスープなどといった高粘性液体を加熱したり冷却するために種々の形態の熱交換器が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の熱交換器は以下のような問題点が指摘されている。
（１）従来の管型熱交換器の総括伝熱係数は高々５０００［Ｗ／（ｍ² ・Ｋ）］程度のものであり、これを倍に高めることは至難である。
（２）伝熱管にフィンを付すもの、溝を付すもの、管内に伝熱促進体を挿入するものなどの工夫がなされているが製作が煩瑣な割に大幅な改善には至っていない。また、噴流を利用する伝熱促進法は用途が限定される。
（３）従来の熱交換器は流量を増すことによって伝熱速度を高める方式なので、たとえば冷却器の場合、伝熱速度を大きくしようとすれば、伝熱に関与しない流体部分も多くなるので冷却水を大量に使用しなければならない点が難点である。
（４）平板型にすると管型より伝熱量当りの流体使用量は幾分改善できるが、圧力損失が極めて大きなものとなり動力消費が大きい。
（５）長期運転あるいは不純物の多い流体では、熱交換器性能を大幅に低下させるスケールの付着が問題である。
（６）瞬間的に加熱冷却量を制御することは流体の時間遅れのためほとんど不可能である。
（７）滴状凝縮熱交換器（蒸気側滴状凝縮、冷却水側境膜剥ぎ取り）は高温側を蒸気に限定しており、滴状凝縮できる表面状態にしてはじめて達成される極めて限定された装置である。
（８）蒸気が膜状凝縮する場合は性能が大幅に低下する。これを打開する対策として管表面に溝をつけ、液が溝（凹部）に吸い込まれ、液のない凸部の金属面に蒸気が絶えず凝縮することによって高伝熱を維持するフルーテッド管がある。しかし、これはあくまで蒸気が液になるという特性を利用したものであり、相変化しない流体には使えない。
（９）凝縮液を剥ぎ取る方法として管を振動する試みがなされたことがあるが、消費動力の割に大きな効果を得ておらず実用化は実現していない。
（１０）コロナ風を利用した凝縮促進および液剥ぎ取りの試みも実用に至っていない。
（１１）蒸気室がジャケット（外管）外部に回転磁場を与え液膜剥ぎ取り羽根（磁石付きロータ羽根）を回す方法も考えられるが、設備費および運転経費の面から試行されていない。
（１２）いろいろな試みにもかかわらず管外部の液膜または境膜を取り除く適切な方法が提案されていないのは構造的に難しいことにある。
【０００４】
また、伝熱効率の低下を防止するために、伝熱壁を介して熱媒と高粘性液体の間で熱交換を行う熱交換器に供給される高粘性液体に気体を混入させて、伝熱壁の内面に形成される境膜の厚さを薄くするものも提案されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２８３６９４号（解決手段）
【０００６】
しかし、前記公報に記載されたものも、伝熱壁の両面の境膜を剥ぎ取ることが出来ず熱効率の向上の面で不十分である。
【０００７】
本発明は、
（１）伝熱を高めるために高温流体および低温流体の使用流量を増大させることは好ましくないので、伝熱速度は流量とは独立に調節できるようにする。
（２）平板型熱交換器や噴流型熱交換器に利用されている程度の動力は、伝熱増進のために必要であるとの立場に立ち動力利用を視野に入れた解決方法を模索する。
（３）滴状凝縮では裸の伝熱面の存在および滴が動くことが高熱伝達に重要な役割を演じているので、これに近い伝熱機構を敢り入れる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上の考えに基づき、本発明は、伝熱体（管体）の回転によって高温側および低温側の境膜を同時に機械的に剥き取る二重境膜剥ぎ取り熱交換器を提供することにより、上記従来の問題点を解決せんとするものである。
本発明は、伝熱体の両表面に形成される境膜を、内外に配置した固定羽根による機械的手段によって強制的に常に剥ぎ取ることにより、伝熱体の内外間における伝熱効率を向上させることができる熱交換器〔二重境膜剥ぎ取り熱交換器（Ｄｏｕｂ１ｅ Ｆｉｍ Ｒｏｂｂｅｒ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ、 ＤＦＲ−Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）〕であり、高温流体側の境膜も剥ぎ取り、高温流体を滴状凝縮に出来ない場合でも高効率の熱伝達を達成することができる。この結果、高温側は蒸気でも液体でも良くなり、広汎な利用用途が期待できる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の境膜剥ぎ取り熱交換器は、熱伝導性の良い管体材料によって形成された伝熱体と、該伝熱体の周囲に所定のスペースをもって配置したジャケットとによって、前記伝熱体内とジャケット内に、それぞれの流入口と流出口を有する内外流路を形成せしめ、前記伝熱体の内外流路に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うに、前記伝熱体を回転駆動手段により回転駆動可能に構成する一方、前記伝熱体の内部とジャケットの内部には、それぞれ非回転状態で保持される内部固定羽根と外部固定羽根とを配置すると共に、前記内部固定羽根は、その先端を、前記伝熱体の内周面に対して、境膜を剥ぎ取るべく近接あるいは摺接せしめて長手方向に連続形成し、かつ、前記外部固定羽根は、その先端を、前記伝熱体の外周面に対して、境膜を剥ぎ取るべく近接あるいは摺接せしめて長手方向に連続形成し、前記伝熱体内外の流体同士を、前記内部固定羽根と外部固定羽根によって、回転する伝熱体の内部表面と外部表面に形成される境膜を剥ぎ取りし、剥ぎ取り後に伝熱体内外表面に形成される境膜を介して熱交換するよう構成したことを特徴とするものである。
また、上記課題を解決するために本発明の境膜剥ぎ取り式熱交換方法は、ジャケットと、該ジャケット内に所定のスペースをもって配置した伝熱体とによって、伝熱体の内外にそれぞれの流入口と流出口を有する内外流路を形成させて、伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うにあたり、前記内部流路と外部流路にそれぞれ温度差の有る流体を流し、前記伝熱体を、熱伝導性の良い管体材料によって形成させて回転させることにより、伝熱体内部に非回転状態で配置され、その先端が伝熱体の内周面に対して、境膜を剥ぎ取るべく長手方向に連続して近接あるいは摺接せしめた内部固定羽根と、前記ジャケット内に伝熱体の外周面に非回転状態で配置され、その先端が伝熱体の外周面に対して、境膜を剥ぎ取るべく長手方向に連続して近接あるいは摺接せしめた外部固定羽根とによって、回転する伝熱体の内周表面と外周表面に形成される境膜を常に剥ぎ取りながら、伝熱体内外の流体同士間で剥ぎ取り後に伝熱体内外表面に形成される境膜を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る熱交換器の断面図および図中Ａ−Ａ断面図である。
図において、１はジャケット、２ａ、２ｂはジャケットの両端に液密に取り付けた閉塞部材、３はジャケット内に流体を流す流入口、４ａ、４ｂはジャケット内から流体等を排出する流出口、５はジャケット内に配置する外部固定羽根、６はジャケット内に配置する熱伝導性のよい材料（たとえば銅等）で構成された伝熱体（管体）、７ａ、７ｂは伝熱体６の端部に固着されるとともに閉塞部材２ａ、２ｂに回転自在に嵌合されているホルダー、８はホルダーを回転自在に保持する軸受、９は伝熱体６内に非回転状態に保持される内部固定羽根、１０ｂはホルダー７ｂに設けられた熱媒の流入口、１０ａはホルダー７ａに設けられた熱媒の流出口である。なお、前記ジャケット１に設けた流出口４ａ、４ｂは必ずしも二つ必要ではなく、一つでもよいことは当然である。外部固定羽根５、内部固定羽根９は、羽根部に流体の通過孔（図示例では長方形をした孔が内部固定羽根では１枚につき３個形成されている）を適宜形成しており、この通過孔の形状も適宜設定することができる。また、図中１１、１２はシールド部材である。
【００１１】
ジャケット１の両端は対応する閉塞部材と液密に固着されており、この例では、ジャケット１内に流入口３から流体（気体）が流入し、二つの流出口４ａ、４ｂのうち一方の流出口４ａからは熱交換された流体（気体）の一部が、また他方の流出口４ｂからは熱交換され滴状となった液体および気体が排出される構成となっている。なお、前述の説明ではジャケット１内に流入する流体が気体の場合について説明したが、流入する流体が液体の場合には流出口４ａ、４ｂは一つにすることも可能である。
【００１２】
閉塞部材２ａ、２ｂには、ホルダー７ａ、７ｂが軸受８によって回転自在に保持され、一方のホルダー７ａはプーリを兼用した形状となっている。ホルダー７ａ、７ｂには伝熱体６が固定されており、ホルダー（プーリ）７ａには図示せぬ駆動手段がベルトで連接され、駆動手段によりホルダー７ａ、伝熱体６を回転できる構成となっている。なお、伝熱体６は本例では熱伝導性のよい材料（銅）で構成された管状のものであるが、回転するのに支障がなければ、内外の固定羽根９、５の形状等ともあわせて、種々の形状（たとえば瓢箪型の回転体など）に変えることも可能である。また、ホルダー７ａの回転はプーリ式に限定することなく、歯車式、チェーン式、さらにはホルダー７ａをモータの回転軸と直結する直動式等、種々の伝導機構を採用することもできる。
【００１３】
伝熱体６とジャケット１によって形成されるスペースには図１に示すように２枚の外部固定羽根５が配置され、この外部固定羽根５の外周側がジャケット１に固定され、内周側が伝熱体６の外部表面に摺接あるいは数ミリ以内（最大２ミリ程度）の隙間をもって配置される構成となっている。尚、外部固定羽根５の枚数は１枚以上適宜枚数とすることができる。また外部固定羽根５の伝熱体６の摺接部、あるいは近接部にはテフロン（登録商標）等の材料によって形成されたブレード１３を取り付けることが望ましい。
【００１４】
伝熱体６の内部には内部固定羽根９が非回転状態に配置されており、この内部固定羽根９は図示のように４枚式となっている。なお、内部固定羽根９の枚数は適宜変更することができる。内部固定羽根９の外側は外部固定羽根５と同様に伝熱体６の内周面に摺接あるいは数ミリ以内の隙間（最大２ミリ程度）をもって配置される構成となっており、内部固定羽根９の伝熱体６の摺接部あるいは近接部にはテフロン等の材料によって形成されたブレード１４を取り付けることが望ましい。
【００１５】
伝熱体６には、ホルダー７ａ、７ｂを貫通して熱媒の流出口１０ａ、流入口１０ｂが設けられており、熱媒が伝熱体６内に流入し、熱交換をおこなった後、伝熱体６の内部から流出できるようになっている。
【００１６】
図に示す熱交換器の作用を説明する。
ここでは伝熱体６の内部に流入する流体は冷却水であり、またジャケット１内に流入する流体は蒸気であり、これらの流体間で熱交換を行うものである。
先ず、伝熱体６の流入口１０ｂから冷却水を入れ、また、ジャケット１の流入口３から蒸気を流入させる。さらに伝熱体６をモータ等の駆動手段により回転させる。この状態の中で伝熱体６を介して冷却水と蒸気との間で熱交換が行われ、暖まった冷却水は、流出口１０ａから外部に排出され、また蒸気は伝熱体６で冷却され、一部が液滴となり伝熱体６の外表面に付着する。伝熱体６側では内部表面および外部表面が、内部固定羽根９および外部固定羽根５によって境膜が剥ぎ取られるため、熱交換の効率が向上する。そして伝熱体６の外周に付着した液滴は外部固定羽根５で剥ぎ取られ、ジャケット１内に流入した蒸気とともに、流出口４ａからは冷却された蒸気が、また流出口４ｂからは液滴と蒸気が混合した状態で排出される。
【００１７】
上記熱交換器では、伝熱体６の内周面および外周面に形成される境膜が常に内部固定羽根９、外部固定羽根５によって剥ぎ取られるため、熱交換効率を向上させることができる。
なお、上記例では熱媒を冷却水、流体を蒸気としているが、温度差のある種々の流体の組み合わせで使用することができることは当然である。
【００１８】
図２にこの熱交換器の総括伝熱係数Ｕを示す。二重境膜剥ぎ取り熱交換器（２）のＵは管内に４枚羽根、管外に２枚羽根を設置した場合の結果、二重境膜剥き取り熱交換器（４）のＵは管内、管外ともに４枚羽根を設置した場合の結果である。なお、図には蒸気側を滴状凝縮させ、冷却水側を４枚羽根とした場合の最高性能のＵ値も示している。２本の、点線は２枚羽根および４枚羽根を使った場合の境膜伝熱係数ｈｗ実験値である。
【００１９】
以下に上記熱交換器を実際のシステムに使用した例を説明する。
〔実施例１〕
海洋温度差発電に於ける熱交換器
図３に示すようにこの熱交換器は、発電用タービンを回すためのシステムに組み込まれ、本発明に係る熱交換器が２個使用されている。一方の熱交換器は、深層の冷たい海洋水をポンプＰで汲み上げ熱交換器の伝熱体６内に流入させ、また伝熱体６の外部スペースにはタービンからの蒸気を冷却して凝縮する。熱交換器で凝縮されたタービン駆動用の流体は２個目の熱交換器で表層の暖かい海洋水によって蒸気にされタービンを駆動する。この例では海洋水の深層部、表層部の温度差を利用するため２個の熱交換器をシステム内に使用している。
【００２０】
〔実施例２〕
温排水プールからの熱回収
図４に示すようにこの熱交換器は、内部固定羽根９および外部固定羽根５を備えているもののジャケット１を備えておらず、伝熱体６が回転する構成となっている。この熱交換器は、冷却している純水を伝熱体６内に供給し温排水プールの水と熱交換して純水を暖め、排出できる構成となっている。
【００２１】
〔実施例３〕
温排水からの熱回収
図５に示すようにこの熱交換器は、伝熱体６内に冷却している純水を供給し、工場からの温排水と熱交換して純水を暖め、排出できる構成となっている。
【００２２】
煙突排ガスからの熱回収
〔実施例４〕
図６に示すようにこの熱交換器は、伝熱体６内に冷却している純水を供給し、工場からの排ガスと熱交換して純水を暖め、排出できる構成となっている。
【００２３】
以上、本発明に係る熱交換器の例について説明したが、上記各実施形態は現在最も実現し易い方法、装置を例にとって説明しているにすぎない。例えば、熱交換器のジャケットは必ずしも必要ではなく、また、伝熱体の駆動方法も種々の手段を採用することができる。また伝熱体内、伝熱体の外部に供給する流体も、液体に限定することなく、液体、気体等の組み合わせで使用することもできる。また、熱交換器は加熱器としても使用することができる。
さらに、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、内部固定羽根９および外部固定羽根５によって、回転する伝熱体６の内部表面および外部表面に形成される境膜が常に剥ぎ取られるため、剥ぎ取り後に形成される境膜を利用して、伝熱体６の内外表面間における熱交換の効率を向上させることができるばかりか、海洋水、冷却凝縮蒸気、液滴、排ガスに対しても形成される境膜を剥ぎ取ることができ、しかも、高温流体側の境膜も剥ぎ取り、高温流体を滴状凝縮に出来ない場合でも高効率の熱伝達を達成することができる。この結果、高温側は蒸気でも液体でも良くなり、伝熱体６の内外部に供給する流体も、液体に限定することなく、液体、気体等の組み合わせで使用することが可能となり、広汎な利用用途が期待でき、さらに、次のような優れた効果を奏することができる。
（１）総括伝熱係数を従来の４倍〔２００００［Ｗ／（ｍ^２ ・ｋ）］以上に大きく出来、伝熱量を大幅に改善できる。
（２）伝熱体６を回転させる動力を必要とするが、２０００ｒｐｍで従来の２．５倍の総伝熱係数が得られるため、小型化が可能である。
（３）使用冷却水量あるいは使用加熱流体を大幅に軽減できる。
（４）従来利用価値のなかった低温度差流体からも熱回収ができ、温排水の熱利用が進む。
（５）たとえば海洋温度差発電における熱交換器あるは排ガスからの熱回収装置など、広汎な用途が拓かれる。
（６）レスポンスの速い伝熱制御ができるので食品の殺菌などを目的とした瞬間加熱装置にも利用できる。
（７）羽根が伝熱体６壁近傍の境膜を剥ぎ取ってスケールの付着を防止するので、スケール対策に要する経費が大幅に軽減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱交換器の断面図および図中Ａ−Ａ断面図である。
【図２】本熱交換器の総括伝熱係数Ｕを示す図である。
【図３】海洋温度差発電における熱交換器の適用例を示す図である。
【図４】温排水プールからの熱回収の例を示す図である。
【図５】温排水からの熱回収の例を示す図である。
【図６】煙突排ガスからの熱回収の例を示す図である。
【符号の説明】
１ ジャケット
２ａ、２ｂ 閉塞部材
３ 流入口
４ａ、４ｂ 流出口
５ 外部固定羽根
６ 伝熱体
７ａ、７ｂ ホルダー
８ 軸受
９ 内部固定羽根
１０ａ 熱媒の流出口
１０ｂ 熱媒の流入口
１１、１２ シールド部材
１３、１４ テフロン（登録商標）製のブレード

Claims (5)

1. 熱伝導性の良い管体材料によって形成された伝熱体と、該伝熱体の周囲に所定のスペースをもって配置したジャケットとによって、前記伝熱体内とジャケット内に、それぞれの流入口と流出口を有する内外流路を形成せしめ、前記伝熱体の内外流路に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うに、
   前記伝熱体を回転駆動手段により回転駆動可能に構成する一方、前記伝熱体の内部とジャケットの内部には、それぞれ非回転状態で保持される内部固定羽根と外部固定羽根とを配置すると共に、
   前記内部固定羽根は、その先端を、前記伝熱体の内周面に対して、境膜を剥ぎ取るべく近接あるいは摺接せしめて長手方向に連続形成し、かつ、前記外部固定羽根は、その先端を、前記伝熱体の外周面に対して、境膜を剥ぎ取るべく近接あるいは摺接せしめて長手方向に連続形成し、
   前記伝熱体内外の流体同士を、前記内部固定羽根と外部固定羽根によって、回転する伝熱体の内部表面と外部表面に形成される境膜を剥ぎ取りし、剥ぎ取り後に伝熱体内外表面に形成される境膜を介して熱交換するよう構成したことを特徴とする境膜剥ぎ取り熱交換器。
2. 前記内部固定羽根と外部固定羽根は、それぞれ流体の通過孔を有する板状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の境膜剥ぎ取り熱交換器。
3. 前記内部固定羽根および外部固定羽根の先端にはテフロン羽根が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の境膜剥ぎ取り熱交換器。
4. 前記伝熱体の内外に流す流体は、一方が液体、他方が気体、あるいは両方が液体、あるいは両方が気体のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の境膜剥ぎ取り熱交換器。
5. ジャケットと、該ジャケット内に所定のスペースをもって配置した伝熱体とによって、伝熱体の内外にそれぞれの流入口と流出口を有する内外流路を形成させて、伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うにあたり、
   前記内部流路と外部流路にそれぞれ温度差の有る流体を流し、
   前記伝熱体を、熱伝導性の良い管体材料によって形成させて回転させることにより、
   伝熱体内部に非回転状態で配置され、その先端が伝熱体の内周面に対して、境膜を剥ぎ取るべく長手方向に連続して近接あるいは摺接せしめた内部固定羽根と、
   前記ジャケット内に伝熱体の外周面に非回転状態で配置され、その先端が伝熱体の外周面に対して、境膜を剥ぎ取るべく長手方向に連続して近接あるいは摺接せしめた外部固定羽根とによって、
   回転する伝熱体の内周表面と外周表面に形成される境膜を常に剥ぎ取りながら、伝熱体内外の流体同士間で剥ぎ取り後に伝熱体内外表面に形成される境膜を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とする境膜剥ぎ取り式熱交換方法。

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