JP5470671B2 - デシカント空調装置 - Google Patents

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Description

固体粒子を装置内に円滑に供給、排出しながら流体と低圧損失で接触させることができるようにしたデシカント空調装置に関する。
従来の除湿装置、吸着装置、熱交換装置、化学反応装置等において、固体粒子と流体を接触させることにより固体粒子と流体間で水分等を含む各種気体や液体の授受を行わせ、また熱の交換、触媒作用等の化学反応を行わせるため、流動層、移動層、固定層、ロータリーキルン方式等の手法が採用されている。
このような固体粒子と流体を接触させて上記のような種々の処理を行うに際して、特に大流量の固体粒子と流体との接触処理を行う場合には、固体粒子と接触する流体の圧力損失が大きくなると、目的によってはこれらの接触装置が使用出来ないことも多い。
そのため、例えばデシカント空調装置などはハニカム構造を有するローターに除湿剤を保持して圧力損失を抑制しながら大風量・低圧損失による除湿を行っている。しかしながら、このようなハニカム構造を有するローターに固体粒子を保持してハニカム状の流体通路に処理流体を通過させるデシカント空調装置においては、ハニカム表面の粒子保持量には限界があり、また、除湿と再生を同時に行わなくてはならなかった。そのため、除湿容量も限界があり、更に、排熱供給と冷熱需要が一致しないと効率よく使用することができず、したがって低温排熱の利用が難しく、且つ小型化が困難であった。
その対策として本発明者等により、例えば特開２００５−３０７５４号公報に開示している図６に示すような流動層型デシカント空調システムを提案している。この流動層型デシカント空調システムにおいては、吸湿した多孔質粒子を加熱空気により乾燥させる再生器５１と、再生器５１で乾燥した多孔質粒子を用いて室内の高湿空気を除湿する処理器５２とを別個に設け、再生器５１の再生塔５３及び処理器５２の処理塔６３においては、多孔質粒子容器５７からの多孔質粒子中に高速の空気流を導入することにより、多孔質粒子が空気流に搬送される気体搬送流動層を形成し、この気体搬送流動層によって多孔質粒子から水分を脱離し、また吸湿を行うようにする。再生器５１で水分を脱離した多孔質粒子は容器６５に空気流から分離して貯留され、処理塔６３で環境空気の除湿に用いられ、同様に処理器５２で水分を吸収した多孔質粒子は容器５５に貯留され、再生塔５３で使用されるようにしている。
このような流動層型の固体粒子と流体との接触装置を用いることにより、単位体積あたりの空気の処理範囲を大幅に拡大でき、気体搬送流動層を形成する範囲でガス流速および粒子循環速度等の流動条件を変更し、あるいは粒子サイズを変更することで、空気と粒子の接触面積および接触時間を任意に変更できるようになり、更に、気体搬送流動層により処理されるので圧損が少ない状態で処理を行うことができる装置としている。
特開２００５−３０７５４号公報
上記のような本発明者等によって提案している固体粒子と流体とを流動層式に接触させ、粒子を循環させる手法を採用することによって、従来の手法と比較し大量の固体粒子と流体とを接触させることができ、また粒子の供給や抜き取りが自由に行えるため、負荷変動に容易に対応でき、排熱の利用効率を高くできるとともに、流体の圧損が少ない接触手法とすることができるようになる。また、上記のような流動層による化学触媒反応装置、光触媒反応装置、熱交換装置などは、粒子層の間隙を流体が透過するため固気接触効率を非常に高くすることができる特性を備えている。
しかしながら、上記のような流動層式に接触させる手法を一般の空調装置に用いるには装置全体が大き過ぎ、そのままでは利用することは困難である。また、大風量時には固気分離時の圧損が高くなり、動力費用が高くなる問題があるため、より圧損の少ない固体粒子と流体との接触手法の開発が望まれている。また、この手法は完全混合層になることによる反応率の低下、粒子の摩滅などが問題となる。更に従来の固定層を用いる手法では粒子交換のためには装置を停止しなくてはならない問題もある。したがって本発明は、従来技術のこれらの問題を解決することを目的とする。
本発明は上記課題を解決するため、多数の流体透過性管群を千鳥状あるいは格子状に配置し、管群の壁は流体を通過出来るように金網や多孔質体とした装置構造により、大風量でも低圧力損失を実現する。また、管群の間を粒子が移動することにより負荷変動に応じた粒子供給を可能とする。その際には、管内を粒子が流れる構造としてもよい。
上記のような本発明は、より具体的には下記のような構成を採用する。即ち、本発明に係るデシカント空調装置は、前記課題を解決するため、容器上方の粒子供給口から下方の粒子排出口に向けて、空気中の水分を吸着する吸湿性の固体粒子を移動させるとともに、空気が透過可能で、かつ、前記固体粒子が透過しない程度の大きさの孔を有する流体透過壁を備えた流体供給管を、前記容器の上下方向に複数貫通させ、前記容器内における前記固体粒子の移動に対し、空気を前記流体供給管内において上昇あるいは流下させるよう供給し、前記固体粒子と空気との接触を低圧損失で行うとともに、該空気中の水分を吸着した前記固体粒子を乾燥させる粒子再処理器を介して、前記粒子供給口に再循環させることを特徴とする。
また、本発明に係る他のデシカント空調装置は、容器下方の流体入口から上方の流体出口に向けて、空気が流れる管状の容器内に、該空気中の水分を吸着する吸湿性の固定粒子を供給する固体粒子供給管であって、空気が透過可能で、かつ、前記固体粒子が透過しない程度の大きさの孔を有する流体透過壁に囲まれた空間を形成する固体粒子供給管を、前記容器の上下方向に複数配置し、前記固体粒子供給管上方の粒子供給口から、前記固体粒子供給管下方の粒子排出口に固体粒子を移動させるとともに、空気を前記容器内において、下方の流体入口から上方の流体出口の方向に供給し、前記固体粒子と空気との接触を低圧損失で行うとともに、該空気中の水分を吸着した前記固体粒子を乾燥させる粒子再処理器を介して、前記粒子供給口に再循環させることを特徴とする。
また、本発明に係る他のデシカント空調装置は、前記デシカント空調装置において、前記流体透過壁が多孔質板からなることを特徴とする。
また、本発明に係る他のデシカント空調装置は、前記デシカント空調装置において、前記流体透過壁が柔軟性部材からなることを特徴とする。
また、本発明に係る他のデシカント空調装置は、前記デシカント空調装置において、前記柔軟性部材が、網状、シート状で金属、紙、布、高分子素材のいずれかであることを特徴とする。
また、本発明に係る他のデシカント空調装置は、前記デシカント空調装置において、前記流体透過壁を備えた流体供給管が、断面が多角形または円形或いはそれらの組み合わせであることを特徴とする。
また、本発明に係る他のデシカント空調装置は、前記デシカント空調装置において、前記固体粒子の粒子間接触によって生じる発熱を含む固体粒子の熱を空気との接触により除去することにより、或いは固体粒子が吸熱するときには空気との接触により熱を供給することにより、一定温度で作動することを特徴とすることを特徴とする。
また、本発明に係る他のデシカント空調装置は、前記デシカント空調装置において、前記容器または前記固体粒子供給管に粒子を供給する貯槽と、前記容器または前記固体粒子供給管で空気と接触した粒子を乾燥させて前記貯槽に送る粒子再処理器とを備え、粒子の必要量の変動に対応して固体粒子流量を変更可能としたことを特徴とする。
本発明によると、固体粒子群を使いながら大流量でも低圧損失を実現できることから、高い固体・流体接触効率と負荷変動への対応などを容易に行うことができる。また、流体側を栓流(plug flow)として取り扱うことが可能となり、高効率の固気接触装置を実現出来る。また、デシカント空調装置として使う場合、従来型の装置では除湿による発熱が除湿性能を低下させるが、粒子の循環を利用すると、粒子同士及び流体との伝熱および冷却管の挿入により発熱が速やかに除去されることにより温度上昇を防ぐことができる。
本発明の実施例の概要図である。 同実施例において固体粒子が流下する容器の各種態様を示す断面図である。 本発明を適用した装置の作動実験例を示す図である。 本発明における気体供給管或いは固体粒子供給管の態様を示す図である。 本発明の他の態様を示す図である。 本発明者等が提案している従来技術の説明図である。
小型の装置で、大風量時にでも圧損が低く、動力費用を安価にでき、反応率の低下、粒子の摩滅を防止する、という課題を、固体粒子が下方に移動する容器内に、流体が透過可能な壁を備えた流体供給管を複数配置し、前記管内を流体が通過することによって固体粒子と流体との接触を低圧損失で行い、また、流体が流れる容器内に、流体が透過可能な壁に囲まれた空間を形成する固体粒子供給管を複数配置し、前記固体粒子供給管内を固体粒子が移動することによって固体粒子と流体との接触を低圧損失で行い、また、固体粒子が下方に移動する容器内に、下方が開口した断面が多角形或いは半円形の流体流路を複数設置し、この内部を流体が通過することによって固体粒子と流体との接触を低圧損失で行うことにより解決した。
本発明における基本的な態様をなす実施例を図１に示している。図１に示す固体・流体接触処理装置１０においては、容器１６内に図中上下方向に貫通する多数の流体供給管１２を設けており、この流体供給管１２は容器１６内に位置する部分において、流体が透過し固体粒子は透過しない程度の大きさの多数の孔を有した流体透過壁を形成している。図示実施例においては、この多孔性の流体供給管１２に対して下方の流体流入口１３から上方の流体排出口１１に流体を供給し、それにより流体供給管１２を流体上昇管としている。
また容器１６に対しては容器上方の粒子供給口１４から下方の粒子排出口１５に固体粒子を供給している。なお、流体供給管１２は上記のような流体上昇管とするほか、気体を上方から下方に流下させる流体下降管としても良い。
図１に示す装置は例えば吸湿性の固体粒子を用いたデシカント空調装置における処理器として用いるものであるときには、流体供給管１２には室内空気を流通させ、粒子再処理１８で乾燥して再生された固体粒子を粒子供給槽１７から粒子供給口１４を経て容器１６内に供給している。この乾燥した吸湿性の固体粒子によって流体供給管１２内、及び多孔壁から容器１６内に流入した室内空気の水分を吸着させ、吸湿した固体粒子を容器下方の粒子排出口１５から粒子受槽１９に排出し、粒子受槽１９内の固体粒子は粒子返送ライン２０を経て粒子再処理器１８に返送し、加熱した空気によってこの固体粒子を乾燥させ、再び処理器として作用する容器１６に供給可能とする。
また、この固体・流体接触処理装置１０が前記デシカント空調装置における再生器として用いるときには、流体透過壁を有する流体供給管１２に廃熱等により加熱した乾燥空気を供給し、粒子供給槽１７から粒子供給口１４に吸湿済みの固体粒子を供給して、吸湿している固体粒子を流体供給管１２内、及び容器内に流入した乾燥空気によって固体粒子を乾燥させ、再生して粒子排出口１５から粒子受槽１９内に流下させる。粒子受槽１９内の再生した固体粒子は粒子返送ライン２０から粒子再処理器１８に返送して室内空気の水分を吸着し、再び粒子供給槽１７に供給して再生器としての固体・流体接触処理装置１０に供給可能とする。上記のような例から明らかなように、この固体・流体接触処理装置１０は、デシカント空調装置の処理器と再生器の両方に用いることができる。更に、このデシカント空調装置においては、オープンサイクル及びクローズドサイクルのデシカント空調装置として用いることができる。
図１に示す装置は前記のような態様で流体供給管１２に供給される気体と、容器１６内に供給される固体粒子と接触して気体及び固体粒子を処理することができるため、前記デシカント空調装置に限らず種々の装置に利用することができ、例えば流体供給管１２に各種成分を含む気体を供給し、また固体粒子をそれらの成分に対して吸着性の有するものとするときには、容器１６内において気体に含まれる各種成分を固体粒子に吸着させ、これを粒子受槽１９、粒子返送ライン２０を経て粒子再処理器１８に供給して、固体粒子中の各種成分を放出させ、これを粒子供給槽１７から再び容器１６内に供給するように構成することもできる。上記のように、粒子の貯槽と再生装置を備えることにより、粒子の必要量の変動に対応して固体粒子流量を変更することができるようになる。
また、これとは逆に、容器１６内に各種成分を吸着した固体粒子を供給し、流体供給管１２を流通する気体に固体粒子に吸着した各種成分を放出して固体粒子の再生或いは気体の処理を行うようにしても良い。したがってこのような手法により、各種の固気接触型の化学反応装置として用いることができ、吸着粒子循環式の有害ガス吸着処理装置としても用いることができる。更に、固体粒子に光触媒或いは化学反応触媒を担持させるときには、気体供給管を流通する大気汚染物質を含む空気を処理し、浄化させる光触媒反応装置或いは化学反応装置として用いることも可能となる。
また、図１の装置において流体供給管１２に例えば加熱気体を供給し、容器１６内に固体粒子を供給することにより容器１６内で加熱気体によって固体粒子を加熱し、加熱された固体粒子を暖房等の各種熱源として利用することができ、したがって熱交換器として用いることもできる。また、流体供給管１２に冷却された気体を供給して固体粒子と熱交換し、冷却した固体粒子を各種冷熱源として用いることもできる。これらとは逆に、上記熱交換により流体供給管１２を流通する気体に対して固体粒子から加熱或いは冷熱を与え、この加熱或いは冷却された気体を各種用途に用いる等、種々の固気直接接触型の熱交換装置として用いることもできる。このような用途に用いる固体粒子の場合は多孔質、或いは吸着性を備えたものである必要はない。
流体が透過可能な気体供給管としては、多孔質板などの柔軟性を有しない剛性の素材だけでなく、網状、シート状で金属、紙、布、高分子素材などの柔軟性を有する素材を用いてもよい。また、容器１６の断面は例えば図２（ａ）に示すように円形とするほか、同図（ｂ）に示すように四角形或いは六角形等の各種多角形等、種々の断面とすることができ、同様に気体流通管１２についても図２に示すような断面円形の他、四角形等の各種多角形等、種々の断面形状を採用することができる。
上記のような装置を用いて実験を行った結果を図３に示す。図３の例においては図１に示すような固体・流体接触処理装置において、目開き１５０ミクロンの金網を用いて直径２０ｍｍの円管を形成した固気接触装置を用いて管内に空気を供給し、容器に吸湿性粒子を供給したものであり、図中ａは管内を流れる空気の入口湿度変化のグラフ、ｂは同出口湿度変化のグラフ、ｃは同入口温度変化のグラフ、ｄは同出口温度変化のグラフである。
この装置においては図３に示されるように、（１）の時点で粒子を供給しない状態で空気のみを供給して測定を開始すると、装置下部に蓄積していた粒子の影響で徐々に出口湿度が減少する。（２）で粒子の落下供給を開始し、出口側の湿度が急速に減少する。但し、図示されるように入口側の湿度も減少する。このときのガス流速は１０ｃｍ／ｓであった。（３）でガス流速を１７ｃｍ／ｓに増加することで入口湿度はほぼ一定となり、出口湿度は１８％程度で一定となる。この時の圧損はほぼ０であった。（４）で粒子供給を一旦停止すると、出口湿度が徐々に増加する。（５）で再び粒子の供給を開始すると、再び出口湿度が急速に減少する。（６）で再び粒子供給を停止すると、出口湿度が徐々に増加する。この実験結果から明らかなように、本発明による固体・流体接触処理装置により、所望の作用が得られることを確認した。
図４（ａ）〜（ｃ）には前記図１、２に示した流体供給管或いは固体供給管の態様を示し、同図（ｂ）に示されるように、内部に流路を備えた円筒状の第１円筒３５と第２円筒３６とを、同図（ｂ）（ｃ）に示されるように図中６本示している支持棒３７で連結して、管構成部材３８を形成する。この管構成部材３８の支持棒群の外周に対して、同図（ａ）に示すように金網等の柔軟性を有する多孔性の部材からなる流体透過体３９を巻回して気体流通管或いは固体流通管として機能する流通管４０を得ることができる。
また、図５に示すように、容器１６内に図１の流体供給管１２と同様の固体粒子供給管２１を多数設置してもよい。この固体粒子供給管２１に図１と同様に粒子供給槽１７から粒子供給口２４に固体粒子を供給し、固体粒子供給管２１中を流下させ、粒子排出口２５から粒子受槽１９に排出する。粒子受槽１９の粒子は粒子返送ライン２０を介して粒子再処理器１８に供給し、適宜粒子を処理した後、粒子供給槽１７から前記と同様に粒子供給口２１から固体粒子供給管２１に処理後の固体粒子を供給して粒子を循環使用する。
そして、容器１６を上下に延びる管状に形成し、開放した下方の流体入口４６から同様に開放した上方の流体出口４７方向に流体を供給するように構成しても、前記各実施例と同様の作用を行い、本発明を実施することができる。
上記のような作用をなす本発明の流体・固体接触装置は、前記のような除湿粒子循環式のオープンサイクルとクローズドサイクルのデシカント空調装置に有効に用いることができるほか、吸着粒子循環式の有害ガス吸着処理装置として、また光触媒を担持した大気汚染物質等の有害物質処理装置として、また固気直接熱交換装置として、また固気接触反応装置等の広範な用途に利用することができる。
１１ 流体出口
１２ 流体供給管
１３ 流体入口
１４ 粒子供給口
１５ 粒子排出口
１６ 容器
１７ 粒子供給槽
１８ 粒子再処理器
１９ 粒子受槽
２０ 粒子返送ライン

Claims (8)

  1. 容器上方の粒子供給口から下方の粒子排出口に向けて、空気中の水分を吸着する吸湿性の固体粒子を移動させるとともに、空気が透過可能で、かつ、前記固体粒子が透過しない程度の大きさの孔を有する流体透過壁を備えた流体供給管を、前記容器の上下方向に複数貫通させ、
    前記容器内における前記固体粒子の移動に対し、空気を前記流体供給管内において上昇あるいは流下させるよう供給し、前記固体粒子と空気との接触を低圧損失で行うとともに、該空気中の水分を吸着した前記固体粒子を乾燥させる粒子再処理器を介して、前記粒子供給口に再循環させることを特徴とするデシカント空調装置。
  2. 容器下方の流体入口から上方の流体出口に向けて、空気が流れる管状の容器内に、該空気中の水分を吸着する吸湿性の固定粒子を供給する固体粒子供給管であって、空気が透過可能で、かつ、前記固体粒子が透過しない程度の大きさの孔を有する流体透過壁に囲まれた空間を形成する固体粒子供給管を、前記容器の上下方向に複数配置し、
    前記固体粒子供給管上方の粒子供給口から、前記固体粒子供給管下方の粒子排出口に固体粒子を移動させるとともに、空気を前記容器内において、下方の流体入口から上方の流体出口の方向に供給し、前記固体粒子と空気との接触を低圧損失で行うとともに、該空気中の水分を吸着した前記固体粒子を乾燥させる粒子再処理器を介して、前記粒子供給口に再循環させることを特徴とするデシカント空調装置。
  3. 前記流体透過壁が多孔質板からなることを特徴とする請求項１または２に記載のデシカント空調装置。
  4. 前記流体透過壁が柔軟性部材からなることを特徴とする請求項１または２に記載のデシカント空調装置。
  5. 前記柔軟性部材が、網状、シート状で金属、紙、布、高分子素材のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載のデシカント空調装置。
  6. 前記流体透過壁を備えた流体供給管が、断面が多角形または円形或いはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１または２に記載のデシカント空調装置。
  7. 前記固体粒子の粒子間接触によって生じる発熱を含む固体粒子の熱を空気との接触により除去することにより、或いは固体粒子が吸熱するときには空気との接触により熱を供給することにより、一定温度で作動することを特徴とする請求項１または２に記載のデシカント空調装置。
  8. 前記容器または前記固体粒子供給管に粒子を供給する貯槽と、前記容器または前記固体粒子供給管で空気と接触した粒子を乾燥させて前記貯槽に送る粒子再処理器とを備え、粒子の必要量の変動に対応して固体粒子流量を変更可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載のデシカント空調装置。
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