JP6619605B2 - 気液接触装置および空調システム - Google Patents

Description

本発明は、気液接触型の気液接触装置および空調システムに関する。

熱交換装置として、気液接触型熱交換装置が提案されている。（特許文献１参照）。

特開平１０−２９２９９９号公報

本発明の目的は、エネルギー消費を低減することができる気液接触装置および空調システムを提供することにある。

本発明の気液接触装置は、
気体と所定の温度を有する水との間で気液接触させ、前記気体に熱を移動させると共に水蒸気を付与する気液接触部と、
前記気液接触部から供給された前記水蒸気を伴う気体における前記水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、発生した凝縮熱の少なくとも一部を気体に移動する凝縮部とを含み、
前記凝縮部は、水蒸気を伴う気体の流速を加速させる加速部を含むことができる。

本発明によれば、気液接触部で取り出した蒸気を凝縮部で凝縮させ、凝縮部で発生した凝縮熱を気体に移行させることができる。凝縮熱を気体に移行させ、気体の加温に利用することができる。すなわち、気体の加温に当たって、電気などのエネルギーの消費量を抑えることができる。また、加速部により気体を効率良く加温できる。

本発明の気液接触装置は、
気体と所定の温度を有する水との間で気液接触させ、前記気体に熱を移動させると共に水蒸気を付与する気液接触部と、
前記気液接触部から供給された前記水蒸気を伴う気体における前記水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、発生した凝縮熱の少なくとも一部を気体に移動する凝縮部とを含み、
前記凝縮部は、水蒸気を伴う気体を断熱膨張させる断熱膨張部を含むことができる。

本発明によれば、気液接触部で取り出した蒸気を凝縮部で凝縮させ、凝縮部で発生した凝縮熱を気体に移行させることができる。凝縮熱を気体に移行させ、気体の加温に利用することができる。すなわち、気体の加温に当たって、電気などのエネルギーの消費量を抑えることができる。また、断熱膨張部により気体を効率良く加温できる。

本発明において、前記所定の温度を第１の温度とし、前記凝縮部は、前記気体を第２の温度を有する水との間で気液接触させ、前記気体の水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、
前記第２の温度は、前記第１の温度よりも低く、かつ、前記凝縮部に供給される前の気体の温度よりも低くすることができる。

本発明によれば、気体と水とを気液接触させて、凝縮熱を発生させる場合において好適である。

本発明において、前記凝縮部において少なくとも一部の凝縮熱が水に付与された場合に、凝縮熱が付与された水は、前記気液接触部に供給されることができる。

気液接触部に供給された気体との熱交換に利用することで、気液接触部に供給される水を加温するためのエネルギー消費量を低減することができる。すなわち、水蒸気の凝縮熱を気液接触部における水の加温に用いることができる。このため、水を加温するための電気の消費量を少なくすることができ、省エネルギーを図ることができる。

本発明において、
前記凝縮部は、水と気体とを直接的又は間接的に熱交換する気液接触部を含むことができる。

本発明の空調システムは、本発明の気液接触装置を含む。

本発明において、
前記気液接触部に供給される水を冷却又は加熱するための熱交換体を含み、
前記熱交換体は、
熱媒体を通す第１の通路と、
前記第１の通路の周囲に設けられ、水が流れる第２の通路とを含み、
前記第２の通路に流れる水は、熱媒体との間で熱交換し、
前記第２の通路の内部には水の流れを乱流にするための乱流発生部が設けられていることができる。

これによれば、水を通す第２の通路に乱流発生部が設けられているため、たとえば水を熱媒体により冷却する際に、凍りにくいため、熱効率の減少を抑えられ、その結果として、熱効率の向上を図ることができる。

本発明において、前記熱交換体に隣り合う位置に、第２の通路内の水の熱を受けて熱を蓄える蓄熱材が設けられることができる。

これによれば、蓄熱材に熱を蓄え、水が冷えた場合に、水にその熱を戻すことができる。

実施の形態に係る気液接触装置の概念図である。 実施の形態に係る空調システムを模式的に示す図である。 実施の形態に係る気液接触装置の構成の一例を示す図である。 フェーン現象の説明図である。 温泉水潜熱有効活用空調システムに係る図である。 温水−気流直接接触熱伝達予測精度を示す図である。 温水−空気直接接触空調装置構成例を示すである。 流路内温水−空気直接接触蒸発対流共存伝熱実験のための装置図である。 総伝熱量測定結果を示す図である。 総伝熱量に占める蒸発伝熱量の割合を示す図である。 蒸発伝熱量予測精度を示す図である。 実施の形態に係る熱交換体を模式的に示す図であり、（Ａ）は熱交換体の上面図であり、（Ｂ）は熱交換体の側面図である。 実施の形態に係る熱交換体の乱流発生部を模式的に示す図である。 実施の形態に係る熱交換ユニットを模式的に示す図であり、（Ａ）は熱交換体の上面図であり、（Ｂ）は熱交換体の側面図である。 断熱膨張による凝縮タイプについての考察に当たっての説明図である。 断熱膨張による凝縮タイプについての考察に当たっての説明図である。 熱交換による凝縮タイプについての考察に当たっての説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。

１．気液接触装置
気液接触装置１００は、図１〜図３に示すように、気液接触部４０と、凝縮部７０とを含む。

気液接触部４０は、空気などの気体と第１の温度を有する水との間で気液接触させ、気体に熱を移動させると共に水蒸気を付与するものである。第１の温度は、たとえば、４０〜６０℃とすることができる。第１の温度を有する水と気液接触させた気体の温度は、気液接触前の気体の温度が５℃の場合には、たとえば、２５〜４０℃にすることができる。

凝縮部７０は、気液接触部４０から供給された水蒸気を伴う気体における水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、発生した凝縮熱の少なくとも一部を気体又は気液接触した水に移動するものである。具体的には、凝縮部７０は、気液接触部４０から供給された水蒸気を伴う気体と、第１の温度より低い第２の温度（たとえば１０〜２０℃）を有する水との間で気液接触させ、水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、発生した凝縮熱の少なくとも一部を気液接触した水に移動するものである。

凝縮部７０において少なくとも一部の凝縮熱が付与された水は、気液接触部４０に供給される。

気液接触部４０は、クーリングタワーなどから構成してもよい。気液接触部４０は、たとえばミストセパレータやメッシュのような不織布４６などに対して、噴霧ノズル４４により水を噴霧してもよい。水と熱交換した気体は、凝縮部７０、乱流板８０を経て、室外機９０に供給される。乱流板８０を通過させることで熱効率を高めることができる。

気液接触部４０において気体と熱交換した水は、一時的に第１のタンク４８に貯留され、ポンプ５２ａを通じて、熱交換体１０に供給され、温度調整される。具体的には、熱交換体１０の一方の口から水が入り、他方の口から水が吐出する。熱交換体１０で温度調整された水は、気体と熱交換するために、再度、気液接触部４０に供給される。熱交換体１０を介した水の循環の間に、たとえば、熱交換体１０と気液接触部４０との間で、地下水などの水を補給してもよい。第１のタンク４８において、水の導電率を計測するための導電率計４９を設けてもよい。第１のタンク４８と熱交換体１０との間で、必要に応じて水の浄化システムを設けてもよい。第１のタンク４８に一時的に貯まった水を循環させる際に、熱交換体１０のみではなく、他の公知の熱交換装置（蓄熱タンクなど）も併用することができる。第１のタンク４８の水の不純物濃度が過度に高まらないように自動ブロー装置を設けてもよい。なお、熱交換体１０は、必須のものではなく、任意に設けることができる。気液接触部４０には、空気のゴミなどを除去するためのスクリーン４２を設けることができる。

凝縮部７０は、クーリングタワーなどの直接型の気液熱交換装置や、フィンコイルなどの間接型の気液熱交換装置などから構成してもよい。間接型の気液熱交換装置の場合に、水が流れる流路と、空気が流れる流路との間に空間を設けることで、凝集熱が水よりも空気側により移行し易くなる。凝縮部７０は、複数の気液熱交換装置を直列又は並列に設けて構成してもよい。間接型の気液接触交換装置によれば、冷却水の気化を抑えることによって、凝縮部７０で発生した凝縮熱が冷却水の気化熱として奪われることを抑えることができる。

凝縮部７０は、たとえばミストセパレータやメッシュのような不織布７６などに対して、噴霧ノズル７４により水を噴霧してもよい。凝縮部７０において気体と熱交換した水は、一時的に第２のタンク７８に貯留される。

凝縮部７０において気体との間で熱交換する水の温度は、気液接触部４０において気体と熱交換する水の温度より低く、かつ、凝縮部７０に供給される前の気体の温度よりも低い。この温度は、水蒸気を伴う気体において、その水蒸気量が飽和水蒸気量よりも大きくなるような温度にすることができる。気体が凝縮部７０において、第２の温度を有する水と接することにより、気体の飽和水蒸気量が低下し、気体中の水蒸気の少なくとも一部が凝縮する。その凝縮により発生した凝縮熱の少なくとも一部が気液接触した水に移行し、第２のタンク７８に貯まることになる。第２のタンク７８に貯まった水は、気液接触部４０の水として再利用される。第２のタンク７８に貯まった水は、たとえば、第１のタンク４８から気液接触部４０に送られた水と合流し、気液接触部４０に供給されてもよい。第２のタンク７８に貯まった水を気液接触部４０に供給するに当たって、第１のタンク７８に貯まった水のための水質浄化機構を通してもよい。また、第２のタンク７８の水をポンプ５２ｂにより汲み上げてもよい。第２の温度は、たとえば、１０℃〜２０℃とすることができる。

凝縮部７０において発生した凝縮熱は、水への移行と共に空気などの気体に移行させてもよいし、又は、気体のみに移行させてもよい。

凝縮熱を水に移行させた場合には、凝縮熱を付与された水を気液接触部４０に供給された気体との熱交換に利用するために、気液接触部４０に供給される水を加温するためのエネルギー消費量を低減することができる。すなわち、水蒸気の凝縮熱を気液接触部における水の加温に用いることができる。このため、水を加温するための電気の消費量を少なくすることができ、省エネルギーを図ることができる。

また、凝縮熱を気体に移行させた場合には、その気体の温度を高めることができ、空気の加熱装置として機能させることができる。

なお、気液接触部４０に供給される水は、熱交換体１０での温度調整の他に、公知のヒートポンプにより温度調整してもよい。

２．他の凝縮部の例
（１）凝縮部の基本的原理
温水を蒸発させ、潜熱として回収することにより、対流伝熱だけに比べて温水から１０倍の熱伝達率で空気を加温できることを確認した。この加温され水分を含んだ湿り空気から水分を取り除くいわゆるフェーン現象を装置内で行わせ、水蒸気を水に戻して潜熱を放出させ、これを空気に与え、効率良く更に空気を加温する。この手法では、外部から供給を必要とするエネルギーは主に循環用ブロワーの動力のみとすることができ、極めてクリーン度が高い技術である。温泉水や地下水を熱源とする空調設備が実現できれば省エネ、ＣＯ_２排出削減に多大な効果を発揮し、グリーンイノベーションに寄与するものである。

直接温泉水に接触するために大量の湿分を含む暖められた空気から、水蒸気の持つ潜熱だけを空気に残して湿分を分離・回収する。いわゆるフェーン現象もどきを装置内で起こさせ、コストをかけずに空気を加温する。たとえば、温泉水の持つ潜熱を巧みに操作する装置により、わずかな動力で活用が期待できる。ヒートポンプでは、暖房に供される熱量に比して１５〜３０％の駆動動力を必要とするが、この技術では必要駆動動力は極めて小さく、試算段階であるが、１％程度である。

フェーン現象を図４に示す。風は山を吹き上がると、山頂で温度の低下が生じる。飽和絶対湿度は温度が低下すると大きく低下するため、山麓で湿分を多く含んでいた風が山頂に達したとき、山麓での絶対湿度と山頂での飽和絶対湿度の差の分の湿分が凝結し水滴になり、雲になる。このとき湿分は潜熱を放出し、それが空気（風）に与えられる。そのため、山麓に吹き降りた風の温度は、大幅に上昇する。水の潜熱が極めて大きい結果である。この現象を装置内に取り込み空気を加温する。

フェーン現象では、山を吹き上がることにより位置エネルギーを減じて空気温度が低下し、飽和絶対湿度を低下させて湿分を除き潜熱を回収し、山を吹きおりて空気を高温化させている。機械装置内で一時的に温度を低下させて飽和絶対湿度を下げ、湿分分離を可能な限り低動力で達成できれば良い。

図５に、温水からの潜熱回収を利用した空調装置構成例を示す。熱源の温泉水から熱交換器で清浄水に熱を伝え、次に（Ｉ）温水蒸発装置で蒸発を伴う強制対流熱伝達で空気に伝熱と湿分添加を行う。加温されて、湿分の加えられた空気は、フェーン現象を装置内で行わせるための（ＩＩ）湿分分離装置と（ＩＩＩ）水分回収装置で、湿分を分離しその湿分の潜熱を空気に加えて空気を加温し、水分を外部へ取り去る。高温になった空気は、室外機に供給したり、各暖房部屋に配給することができる。また、発熱加温無しで空気の昇温が達成できる。

（２）対流熱伝達整理式
温水蒸発装置の設計に必要な、蒸発を伴う乱流強制対流熱伝達整理式は、次のとおりである。

流れが層流、かつ流路ではなく上方に無限に広がった空間を持つ開水面の場合の、温水から空気への直接接触蒸発-対流共存熱伝達の予測式を示す。図６で、それを導くに当たって実施した実験結果と同式の予測結果を比較している。同式は、平板に沿う流れのレイノルズ数4×10⁴以下で層流範囲、温水温度は35℃〜65℃の範囲、空気温度20℃以下の範囲で導かれている。

温水から空気への直接接触蒸発-対流共存熱伝達を扱う場合、伝熱抵抗は空気側にあり、空気側の条件が大切になる。図７に示したような実際の装置を想定した場合、温水から空気への直接接触伝熱は流路内で行わせることになり、また、伝熱効率からは空気の流動条件は乱流である必要がある。空気流に関し、流路内レイノルズ数で3×10³以上、平面レイノルズ数で10⁵までの乱流条件で、温水温度は35℃〜65℃の範囲で、温水から空気への直接接触蒸発-対流共存熱伝達の予測式を、図６と同等の予測精度で構築した。これにより、図７に示したような設備装置の最も大切な設計式を得たことになる。

（Ａ）実施内容
温水から空気への直接接触熱伝達は、対流熱伝達と蒸発・物質伝達の複合現象である。対流熱伝達はこれまでに多くの研究がなされ、伝熱量計算法は確立されている。一方、蒸発・物質伝達は、また、対流熱伝達とのアナロジーで求められることが示されてきている。しかしながら、底面に高温の温水があり、そこから上方を流れる気流へ対流熱伝達と、蒸発・物質伝達が生じる場合には、自然対流が界面近傍空気温度分布へ与える影響、ひいては強制対流熱伝達へ与える影響・自然対流が蒸発した水蒸気の水面近傍の濃度分布、結果として蒸発・物質伝達へ与える影響・蒸発・物質伝達がエネルギー輸送も行うことによりもたらされる水面近傍温度分布、ひいては強制対流熱伝達へ与える影響等が複雑に影響し合い、必ずしも従来知見ではまとめきれないことを経験した。水面近傍の空気流、水流の詳細な流れに関する情報把握が必要になる。また、水面表面温度の把握も大切である。これらを考慮し、以下を実施した。

（ア）流路内温水-空気直接接触蒸発対流共存伝熱実験
流路内で温水-空気流が直接接触し、蒸発熱伝達と対流熱伝達が共存する伝熱実験を行う。装置概要を図８に示す。現有の試験装置に本実験用試験部を取り付ける。主な測定項目は、空気の流量と出入り口温度、湿度、水の流量と出入り口温度、微細熱電対による気相流断面温度分布、赤外線放射温度計による水面温度である。

（イ）自然対流効果実験
自然対流熱伝達の効果を把握することを目的として、流路底面の高温水を金属発熱面に変えて、高温流路底面から気流への自然対流・強制対流共存熱伝達実験を行う。主な測定項目は、空気の流量と出入り口温度、底面加熱量、微細熱電対による気相流断面温度分布、赤外線放射温度計による底面温度である。

（Ｂ）実験結果
気相側流速範囲の拡張を行った。図９に、気相流速と走行感熱量の関係を示す。これまで気相流速1.5m/s迄であったが、4.5m/s迄拡張した。

図１０は、本測定結果で、総伝熱量に占める蒸発伝熱量の寄与を示したものである。気相流量の増大に伴い、対流伝熱量の寄与はますます低下し、蒸発伝熱の寄与が大部を占めることが分かる
図１１は、これまで開発してきた蒸発伝熱量評価式と今回取得高気相流量時蒸発伝熱量測定結果の比較である。今回の測定範囲内で、これまで開発してきた蒸発伝熱量評価式は十分な精度を有していることが分かる。

（Ｃ）上記２つの具体的態様
（ａ）直管で、高速流にして温度低下をもたらすタイプ
図５の（ＩＩ）湿分分離装置内空気速度を上げる。熱エネルギーを速度エネルギーに転化して、これにより空気温度を下げる。入り口、装置内の各乾き空気比エンタルピーをh1、h2、（ＩＩ）内空気速度をw、定圧比熱をcpとすると、（ＩＩ）内での温度低下ΔTは、h1=h2+(1/2)w²、従ってΔT=(1/2cp)w²。

図５の（ＩＩ）湿分凝縮装置内に、（ＩＩＩ）の水分回収も受け持たせる。直円管内で凝結した水分は、水滴になって噴霧状態で気流と伴に流れ内壁に沈着する。内壁を縦溝構造とし、溝内に凝結水を集める。出口管端部壁面を多孔質燒結金属構造にし、この燒結金属を通して凝結水を吸い出す。（ＩＩＩ）水分回収装置内にタワシ状金属ワイヤーメッシュを入れ、捕集しきれずに残った気流中水滴をこの金属ワイヤーメッシュに当て、流下させて下端から水分を吸い出す。

（ｂ）流路中に小孔オリフィス抵抗体を入れ断熱膨張をさせて、空気温度を低下させるタイプ
流路中に小孔オリフィス抵抗体を入れ断熱膨張をさせて、空気温度を低下させる。上流側圧力と温度をP1、T1、オリフィス抵抗体での圧力降下をΔPとすると、オリフィス抵抗体前後での温度低下ΔTは、ΔT=[1 - {(P1-ΔP)/P1}^(κ-1)/κ]T1。ここで、κは空気の比熱比である。

この場合、（ＩＩ）湿分凝縮装置は、例えば内径0.24mの管路内に、穴径0.05mのオリフィス板を入れる。穴部速度を仮に100m/sとすると、これで表2に示す圧力損失を得ることができる。発生したミストを含んだ気流を（ＩＩＩ）水分回収装置内に導く。水分回収装置は縦型上向きで、内部にスワールべーンを持ち、また、周囲壁面には、タワシ状金属ワイヤーメッシュを貼りめぐらせる。ミストは壁面タワシ状金属ワイヤーメッシュ部へ運ばれ、流下して、底部から吸い出され、除去される。

設計確認計算として、以下の条件を設定する。換気量は、オフィスやホテル等不特定多数の人間が存在する状況を暖房対象と想定し、通例に従い換気量25m³/h/人、暖房必要熱量を1kW/人と設定する。図５で、温水蒸発装置で得られる加温された空気は、温度60℃の飽和湿り空気とする。なお、60℃飽和湿り蒸気の絶対湿度は0.1523kg/kg'である。

（ａ）の場合、直管をとりあえず想定し、流速と温度降下ΔT、それによる湿分の放出潜熱Q、を表1に示す。

流速150m/sで十分暖房に必要な熱量を得ることができている。送風動力増大が懸念される。装置を100名規模とし、風量から管内径を求め、圧力損失を計算し、求まる必要動力を表１中に示した。流速150m/sの条件で、100名規模装置で130kWの潜熱回収ができるのに対し、（ＩＩ）湿分分離装置長さを1mとした場合で、必要動力はわずか1.3kWである。十分実現性のある事が判断できる。また、空調装置のブロワーは、通常10kPa程度の静圧特性を持っており、圧力損失の面からも十分対応可能である。

（ｂ）の断熱膨張型の場合、0.101MPaから、10〜30kPaの範囲で断熱膨張させた場合の降下温度を表２に示す。

流路内にオリフィス小孔抵抗体を入れてこの穴部で断熱膨張させたとし、設定風量から潜熱回収量を表２中に示した。10kPaの断熱膨張圧力低下が得られれば、一人あたり必要熱量1kWを超えて潜熱回収ができている。尚、通常の10kPa程度の静圧特性のブロワーを1台追加することが好ましい。本実施の形態では、上記(1)、(2)を手がかりとして、フェーン現象もどきを装置内で起こさせ、湿分を含んだ温空気から湿分を除去し、潜熱を回収して上記仕様で、空気を更に高温化できることを確認した。

３．空調システム
空調システム２００は、実施の形態に係る気液接触装置１００を含む。

空調システムは、室内用の空調システムとして利用することができるのみではなく、室外機に温度調整した空気を供給するためのものとしても利用することができる。

以下、室外機に温度調整した空気を供給するための空調システムの例を図１を参照しながら説明する。

空調システム２００は、実施の形態に係る気液接触装置１００を含む。空調システム２００は、気液接触装置１００の気液接触部４０及び凝縮部７０により水と熱交換した気体が室外機９０に供給される。凝縮部７０で水と熱交換した気体は、室外機９０に供給される前段階で、乱流板８０により乱流を発生させてもよい。

実施の形態に係る空調システム２００によれば、室外機９０に供給される気体の温度を制御することができる。このため、室外機９０は温度が制御された気体を取り込み、外気を直接に取り込むことにはならない。冷暖房平均エネルギー消費効率が高くなる温度にすることができ、空調システム２００の省エネルギー効果を高めることができる。

また、室外機９０からの廃熱の過度な高温化、低温化を避けることができるため、夏場のヒートアイランド対策にもなる。また、冬場のデフロスト運転を回避することができる。

４．熱交換体及び熱交換ユニット
空調システム２００は、気液接触部４０に供給する水を冷却又は加熱するために熱交換体を設けてもよい。

冷房時においては、気体を冷却して室外機９０に供給することで、空調システム２００の効率を高めることができる。この場合には、気体と気液接触する水を熱交換体１０を通じて冷却することができる。

また、暖房時においては、熱交換体１０又は熱交換体ユニット２０を通じて水を加熱することができる。

この熱交換体１０及び熱交換ユニット２０の構成について、以下に詳述する。

熱交換体１０は、図１２に示すように、熱媒体を通す第１の通路１２と、第１の通路１２の周囲に設けられ、水が流れる第２の通路１４とを含む。第２の通路１４に流れる水は、熱媒体との間で熱交換する。熱交換体１０は、たとえば、二重管により構成することができ、たとえば、銅またはアルミニウムなどの材質からなることができる。二重管の場合には、管の中に、内管としてフレキチューブを挿入した形態としてもよい。第２の通路１４に流れる水は、熱交換の効率を高めるために、高速循環させてもよい。

熱交換体１０の形状は特に限定されないが、たとえば、螺旋状とすることができる。

第２の通路１４の内部には図１３に示すように水の流れを乱流にするための乱流発生部１６が設けられている。乱流発生部１６は、たとえば第２の通路１４内に壁に突起部を設けることにより、乱流を発生させることができる。突起部は、第２の通路の内側の壁（第１の通路１２との境界壁）に設けてもよいし、外側の壁に設けてもよい。また、突起部は、羽根板であってもよい。

図１４に示すように、熱交換体１０の隣り合う位置に蓄熱材２２を設け、熱交換ユニット２０を構成することができる。熱交換体１０が螺旋状からなる場合には、熱交換体１０により取り囲まれるように蓄熱材を設けることができる。

熱交換体１０および熱交換ユニット２０の使用方法を以下に説明する。

（１）第１の使用方法
冷却された熱媒体を第１の通路１２に通すと共に、水を第２の通路１４に通す。冷却された熱媒体及び水の進行方向は、それぞれ順方向であっても、逆方向であってもよい。水は、冷却された熱媒体により冷却されていく。熱媒体が氷点下であれば、水は徐々に凍っていく。水をたとえば夜間に凍らせておくことで、周囲の温度が上昇したときに、水が溶けていき、溶けた冷たい水を空気の冷却に利用することができる。熱媒体の冷却は、公知の冷却装置（ヒートポンプなど）を適用することができる。冷却装置は、作動時間を制御するため、間欠タイマーなどのタイマー付きの制御装置が設けられているとよい。

（２）第２の使用方法
加熱された熱媒体を第１の通路１２に通すと共に、水を第２の通路１４に通す。加熱された熱媒体及び水の進行方向は、それぞれ順方向であっても、逆方法であってもよい。熱媒体により水が加熱され、その水は、熱交換体１０に隣り合う位置に設けられている蓄熱材２２に熱を伝える。暖房などが不要な時間帯に、蓄熱材２２への蓄熱を行うことができる。暖房などが必要になる時間帯になると、蓄熱材２２に伝えられた熱は、第２の通路１４の水に逆に熱を供給する。熱媒体の加熱は、公知の加熱装置（ヒートポンプなど）を適用することができる。加熱装置は、作動時間を制御するため、間欠タイマーなどのタイマー付きの制御装置が設けられているとよい。

５．凝縮熱が空気に移転した場合における温度上昇の一考察
（Ａ）断熱膨張による凝縮
図１５に示す系に基づいて検討する。この系は、凝縮器の入り口の手前に、流体抵抗（Flow Resistance）を設けている。真空ポンプ（Vacuum）により、凝縮器内の空気を吸引し、外部環境に排出する。飽和水蒸気が流体抵抗により絞られ、凝縮器にて断熱膨張し、一部の水蒸気が露（Dew）となり、凝縮水（Condensate）となる系を考える。Ｐは圧力、Ｔは温度、ｘは絶対湿度、ｘ_ｓは飽和絶対湿度、κは断熱係数である。

４０℃の飽和湿り空気が凝縮器で断熱膨張した場合に、凝縮器内の圧力Ｐ_２＝０．０４５ＭＰａとして計算すると、Ｔ_２は次のようになる。

−２３℃の空気が３０℃になるための必要熱量（簡単のため、湿り空気でなく乾き空気の比熱使用）は、次のとおりである。

したがって、湿分が凝縮することによって、放出する熱量は次のとおりである。

Ｑ≒Ｑｆｇと考え、この系では、Ｐ_２＝０．０４５ＭＰａ、Ｔ_２＝３０℃で平衡状態となるとすると、３０℃の空気が真空ポンプにより、圧力Ｐ_３＝０．１ＭＰａの外部環境に断熱圧縮された放出されると、Ｔ_３の温度は次のようになる。

４０℃の飽和湿り空気で１０７℃の高温空気を作ることができる。ただし、真空ポンプによる仕事（エネルギーを移しかえるための仕事）が必要である。効率が半分だとしても、４０℃の温度（水）を使って、６０〜７０℃の空気温度をつくることができる。

図１６で示すＱ１、Ｑ２およびＬとの関係を考える。

４０℃の飽和湿り空気から１０７℃の空気を得るために、潜熱から得られるエネルギーの割合は５３／（５３＋７７）＝４０％であり、真空ポンプの仕事から得られるエネルギーは７７／（５３＋７７）＝６０％である。

（ｂ）熱交換による凝縮
熱交換により発生した凝縮熱が空気に移動した場合における温度上昇を考察する。図１７に熱交換器を示し、内管に冷却水が流れ、外管に湿り空気が流れる。冷却水の流れと湿り空気の流れとは、逆方向となっている。熱交換をする管路の長さは、１ｍの系とする。

Ｕ_１は、冷却水の速度である。Ｇ_ｌは、冷却水の流量である。Ｔ_ｌは、冷却水の温度である。Ｕ_ｇは、湿り空気の速度である。Ｇ_ａは、湿り空気の流量である。Ｔ_ｇは、入口における湿り空気の温度である。Ｑは、凝縮により放出される熱量である。凝縮器の外管の径Ｄは、２０ｍｍであり、凝縮器の内径の径ｄは、１０ｍｍである。

ν_lは、水の動粘度係数である。ν_gは空気の動粘度係数である（乾き空気の値を使用）。Pr_lは、水のプラントル数である。Pr_gは空気のプラントル数である（乾き空気の値を使用）。k_lは、水の熱伝導率である。k_gは、空気の熱伝導率である（乾き空気の値を使用）。c_plは、定圧における水の比熱である。c_pgは、定圧における空気の比熱である（乾き空気の値を使用）。ρ_lは、水の密度である。ρ_gは空気の密度である（乾き空気の値を使用）。h_fgは、水の潜熱である。Re_lは、冷却水のレイノルズ数である。

冷却水側の熱伝達係数α_ｌは次のとおりである。

空気側の熱伝達係数α_ｇ、水力直径Ｄ_ｈｙ、空気のレイノルズ数Ｒｅ_ｇ、全体の熱伝達係数Ｋ、及び、空気側から冷却水側への熱伝達率Ｑは、次のとおりである。

冷却水側の温度上昇ΔＴ_ｌ、空気側の温度上昇ΔＴｇ、湿り空気から放出される潜熱Ｑ_ｆｇは、次のとおりである。

このとき、出口における空気の温度Ｔ_ｇｏｕｔは、次のとおりである。

１ｍ当たりの圧力損失ΔＰ_ｆ、及び、この系のサーキュレーションに必要な仕事量Ｌは、次のとおりである。ｆ_ｆは、摩擦損失係数である。

本実施の形態は、本発明の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明は、熱効率が向上した気液接触装置および空調システムの用途に適用することができる。

１０ 熱交換体
１２ 第１の通路
１４ 第２の通路
１６ 乱流発生部
２０ 熱交換ユニット
２２ 蓄熱材
４０ 気液接触部
４２ スクリーン
４４ 噴霧ノズル
４６ 熱交換部
４８ タンク
４９ 導電率計
５２ａ ポンプ
５２ｂ ポンプ
５６ 浄化システム
７０ 凝縮部
７２ スクリーン
７４ 噴霧ノズル
７６ 熱交換部
７８ タンク
７９ 導電率計
８０ 乱流板
９０ 室外機
１００ 気液接触装置
２００ 空調システム

Claims (5)

1. 気体と所定の温度を有する水との間で気液接触させ、前記気体に熱を移動させると共に水蒸気を付与する気液接触部と、
   前記気液接触部から供給された前記水蒸気を伴う気体における前記水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、発生した凝縮熱の少なくとも一部を気体に移動する凝縮部とを含み、
   前記凝縮部は、水蒸気を伴う気体の流速を加速させる加速部を含む気液接触装置。
2. 気体と所定の温度を有する水との間で気液接触させ、前記気体に熱を移動させると共に水蒸気を付与する気液接触部と、
   前記気液接触部から供給された前記水蒸気を伴う気体における前記水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、発生した凝縮熱の少なくとも一部を気体に移動する凝縮部とを含み、
   前記凝縮部は、水蒸気を伴う気体を断熱膨張させる断熱膨張部を含む気液接触装置。
3. 請求項１〜２のいずれかに記載の気液接触装置を含む空調システム。
4. 請求項３において、
   前記気液接触部に供給される水を冷却又は加熱するための熱交換体を含み、
   前記熱交換体は、
   熱媒体を通す第１の通路と、
   前記第１の通路の周囲に設けられ、水が流れる第２の通路とを含み、
   前記第２の通路に流れる水は、熱媒体との間で熱交換し、
   前記第２の通路の内部には水の流れを乱流にするための乱流発生部が設けられている空調システム。
5. 請求項４において、
   前記熱交換体に隣り合う位置に、第２の通路内の水の熱を受けて熱を蓄える蓄熱材が設けられている空調システム。

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