JPH0256592B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、多管円筒形流下液膜式熱交換機特
に、効率的熱交換を行なうために、供給液および
熱交換液を管表面上に分配する手段を有する改良
熱交換機に関する。

［発明の背景］ 多管円筒形熱交換機は、多数の管を有し、その
管は、胴に囲まれ間隔を置にて配置された二つの
管板の間に延び、そこを通り抜ける。その胴に
は、入口と出口が設けられ、適当な熱交換液がそ
の胴を通つて循環し、各管を流れる液を冷却ない
し加熱するようにする。

管列の各端部は、解放ないし露出でき、いくつ
かの加工作業の用に供せる。別の作業用に、一方
ないし両方の管端部を液箱ないし液溜めヘツダー
で囲むこともでき、そこに取外し可能カバーある
いは点検口を付けることもできる。液箱あるいは
ヘツダーが一つのみの場合、それは、入口液箱ま
たは入口ヘツダー、もしくは出口液箱または出口
ヘツダーのどちらともできる。両端に液箱または
ヘツダーが位置する場合は、一方の液箱またはヘ
ツダーが液入口を構成し、他方が液出口となる。
これらが従来の一通過式または単通路式熱交換機
の配置である。液入口の液箱またはヘツダーおよ
び液出口の液箱またはヘツダー、もしくはそれら
の一部には、液供給および除去用に適当な導管手
段が設けられる。

多管円筒形熱交換機は、一般的に、供給液流加
熱用に使用されるが、液流冷却用にも使用でき
る。本記述のタイプの多管円筒形熱交換機は、塩
水および海水からの清水の製造、果汁および野菜
汁の濃縮、および工業結晶処理等、凍結交換機と
して使用できる。液は、各管を通つて流れ、十分
に冷却され、固体を析出する。これにより、海水
を冷却して、氷を得て、それを分離、洗浄、溶解
して例えば飲料水等が得られる。果汁または野菜
汁を同様に冷却すると、氷を形成し、それを取り
出して濃縮汁が得られる。

本記述のタイブの熱交換機は、その胴側におい
て、管を通つて流れる液体の冷却用に、あらゆる
冷却液を使用できる。液は、熱交換機の一端から
供給され、他端から除去されるが、その流れは、
ほぼ単一方向である。適当な冷却液としては、ア
ンモニアおよびフレオン商標の冷媒がある。

最適熱交換を得るために、管を垂直に配置し、
供給液および熱交換液の一方または両方を、流下
または降下する液膜として、管表面に供給するこ
とが、多くの場合望ましい。これにより、供給液
は、より急速に熱交換液の温度に近づくばかりで
なく、液の再循環の必要性が減少し、エネルギー
消費が減少する。

最高熱交換効率を得るために、流下液膜厚を制
御することが望ましいことは、しばらく認められ
ていたが、従来の機器は、全般的に受容できる結
果をもたらしておらず、また、機器の価格と複雑
さが要求以上に大きいものであつた。故に、
Nail U.S.patent第4335581号には、熱交換機管の
開口頂または口に短管をゆるくはめ、供給液が管
間のみを流下するようにした熱交換機記載されて
いる。このような機器は、小型熱交換機には好結
果をもたらすものであるが、大型熱交換機への配
置は望ましくない。従つて、供給液ないし熱交換
液が薄膜として管の表面を流れるように制御する
手段を有する、改良多管円筒形流下液膜式熱交換
機が必要とされるのである。

［発明の要約］ 本発明による流下液膜式熱交換機は、間隔を置
いて配置され、上部および下部管板に固定される
と共に管端部がその管板を貫通する複数の垂直
管；管板に接続される管板周囲の胴；管上端と連
絡し、上部管板上に液溜を包含するための供給箱
を形成する部材；供給液流を供給箱に送る手段；
上部および下部管板間の胴内部の管周囲に、熱交
換液を送る手段、およびそこから熱交換液を除去
する手段；液が、管内面に隣接する内部円形領域
以外の管上端から、流下するのを阻止する手段；
および供給液を、薄い流下膜として各管内面に沿
つて分配するための、内部円形領域にわたる手
段；により構成される。

円形領域は、連続環または不連続環の形とする
ことができる。

内部円形領域にわたる手段は、多孔質液透過性
の剛性または弾性材料とすることができる。使用
可能多孔質材料は、炭素、セラミツク材料、金属
材料および有機高分子材料を含む。内部円形領域
にわたる手段は、管内面近傍に垂直溝を有する、
非多孔質材料とすることもできる。非多孔質材料
は剛性または弾性とすることができる。

ここに記載した流下液膜式熱交換機は、また、
上部管板下方に位置し、胴内部表面と水が漏らな
い様に密着して接続し、上部管板との間に延びる
胴部分およびこの上部管板と共に熱交換液箱を形
成する水平分離板または分離板；胴内部の管周囲
に熱交換液を送る手段であつて、上記熱交換液箱
方向に液を向けることができるもの；を含み、こ
の分離板は熱交換液を、下方流下液膜として、各
管の外部表面に沿つて分配するための手段を有す
ることができる様に構成されている。

管外部表面に液を均一に分配するために、分離
板または分配板に管を通す大きめの穴を設け、そ
れによつて穴壁面と管外部表面との間に外部円形
領域を形成し、熱交換液を下方流下液膜として各
管の外部表面に沿つて分配するための手段を、外
部円形領域にわたつて形成することができる。

外部円形領域にわたる手段は、上記多孔質液透
過性材料とすることができる。外部円形領域にわ
たる手段は、管外部表面近傍に垂直溝を有する非
多孔質材料とすることもできる。本目的のため
に、上記非多孔質材料を使用できる。

管外部表面に液を均一に分配するための代替方
法としては、垂直溝穴を分配板の管受け穴に、穴
表面への管接触配置前に、間隔を置いて設けるこ
とがある。このとき、溝穴の寸法、数量、および
液の種類と液水頭が、流量と液膜厚を決定する。

ある場合には、熱交換液の管外部流下を確実に
することは、供給液が薄液膜として同様に管内部
を流下するのを確実にすることとは無関係に重要
である。従つて本発明は、上部および下部管板に
固定されると共に管端部がその管板を貫通する、
間隔を置いて配置される複数の垂直管；管板に接
続されるその周囲の胴；管上端い連絡して上部管
板上に液溜を包含するための供給箱を形成する手
段；供給箱に供給液流を送る手段、上部管板下方
に胴内部表面に防水状に接続される水平分離板で
あつて、その分離板、上部管板およびその間に延
びる胴部分が熱交換液箱を形成する分離板；胴内
部の管周囲に熱交換液を送る手段であつてその液
を熱交換箱の方向に向けることができるもの；に
より構成され、上記分離板は、熱交換液を流下液
膜として各管の外部表面に沿つて分配するための
上記手段を有している流下液膜式熱交換機をも提
供する。

［実施例の詳細な説明］ 各種図面に示されている同一ないし同様な、要
素または部品は、合理的で実際的な範囲で、同一
番号で示されている。

熱交換機１０は、上部水平管板１２、下部水平
管板１４、およびその管板に接続される円筒形胴
１６を有する。間隔を置いて配置される複数の垂
直管１７は、管板１２および１４間に延びそれを
貫通する。胴１６は、上部管板１２の上方に延び
る部分１８を有し、それによつて管板１２上に、
液体を入れるための供給箱２０を形成する。導管
２２は、供給箱２０と連絡し、そこに供給液を送
る。

セラミツク材料であることが望ましい多孔質板
２４は、管板１２の頂部に支持される。多孔質板
２４の下部表面は、金属、セラミツク、またはエ
ポキシ等の高分子材料等の液体不浸透材料の円形
層２５で被覆ないし塗装される。円形層２６は、
管１７内部よりわずかに小さい直径を有し、それ
によつて、小さな環形領域を造り、供給液が管内
部表面に接触して薄膜として流下するようにす
る。

分離板ないし分配板２６は、胴１６内部に上部
管板１２の下方に間隔を置いて取り付けられ、そ
れにより熱交換液箱２８を形成する。分離板２６
は、大きめの穴３０を有し、管１７が、そこを通
る。分離板２６の頂部には、セラミツクまたは高
分子材料の多孔質板３２が取り付けられる。管１
７は、多孔質板３２の管寸法に一致する穴を通つ
て延びる。

導管３４は、熱交換液箱２８と連絡し、熱交換
液をそこに供給するために使用される。冷媒が熱
交換液として使用される場合は、剰余冷媒および
冷媒蒸気を除去するために、導管３６が設けられ
る。

熱交換液は、多孔質板３２を通つて流れ、大き
めの穴３０と管１７外部の間の環状すきまを通
り、そこから薄膜として管１７の表面に付着しな
がら下方に流れ出る。余剰熱交換液は、熱交換機
の胴側から導管３８により除去され、一方、熱交
換液蒸気は、導管４０により除去される。

オーバーフロー管４２は、入口または管１７上
端に連絡して位置される。オーバーフロー管４２
の開口または上端４４は、板２４上方に十分高く
位置し、余剰液が開口４４から排出される前に、
供給液が板上に蓄積するようにする。

図１および図２に関連して説明した熱交換機
は、海水をその一部が氷に凍結するまで冷却する
ことにより、海水から飲料水を製造するための凍
結交換機として特に有用である。氷結晶は、分離
され、溶解されて飲料水となる。アンモニアまた
はフレオン商標の冷媒を熱交換液として使える。
凍結交換機として使用される場合は、果汁および
飲料を濃縮するためにも利用できる。

熱交換機が、室温以上または以下で行われる作
業に使用さるるか否かにかかわりなく、熱交換効
率は、供給液が薄膜として、制御された厚さと流
量で、管を下降する場合に向上する。熱交換効率
の向上は、熱交換液を同様に制御された厚さと流
量で管を下降させることによつても得られる。上
記装置の手段により、一方の報のみを制御すれば
効果が得られるので、供給液膜と熱交換液膜を両
方同時に制御することは必須条件ではないが、最
良効果を得るために、条件が許せば、両方の膜を
同時に制御することが、一般的に望ましい。

凍結交換機として使用される際は、液供給箱２
０の頂部は、図示のように開放のままとし、ある
いは要求があれば任意に覆いをする。同様に、管
１７下端は、囲う必要はなく、供給液は、タンク
５０（図１）に流れこみ、そこから導管５２によ
り取り出され、そのすべてないし一部が再循環さ
れる。

図３は、代替装置を示し、管１７内部を下降す
る供給液膜を形成するために使用できる。管板１
２の上に多孔質板を設置する代りに、多孔質スト
ツパーまたは栓６０を各管の頂部に部分的に置
く。ストツパー６０は、管端において自然芯出し
となるように、図に示されるような円錐台形とす
ることができる。各多孔質ストツパーの底は、金
属、セラミツク、または高分子の円板６２の形の
液体不浸透円形材料で覆われる。明らかなよう
に、ストツパーの傾斜は、円板６２と管１７内部
表面との間の環状領域の幅を決定し、供給液はそ
こを通つて流れ、管表面に膜を形成する。

図４から６は、本発明の他の代替実施例を示
す。分離板または分配板２６には、大きめの穴７
０が設けられ、そこを通つて管１７が延びる。垂
直外部壁および平坦底を有する円形逃げ７２が、
プレート２６頂部に、管受け穴７０の軸方向に設
けられる。分配Ｏ−リング７４は、容易に移動し
ないように、すべりばめにより逃げ７２に位置さ
れる。垂直に間隔を置いて配置される半径方向の
溝７６は、Ｏ−リング７４の内周に切削ないし成
形される。溝の寸法および数量は、分配箱２８か
ら穴７０に流れ、薄膜として管１７外部表面を流
下する熱交換液の量を、大きく左右する。

図７および図８は、発明の他の実施例を示す。
本実施例では、分離板または分配板２６の管受け
穴に、複数の溝穴８０が各穴壁に間隔を置いて配
置され切削される。つぎに、穴に取り付けられる
管は、回転して延び、板に結合する。結合は溝穴
の寸法を損なうことなく行われ、溝穴を通つて流
れる液が、管外部表面に均一な流下液膜を形成す
るようにする。

本発明は、供給液の流下液膜が管内部表面を流
れ、熱交換液が管外部表面を流れることにおいて
説明してきたが、液を逆にし、供給液を管外部と
し、熱交換液を管内部とすることもできると理解
されるべきものである。

上記詳細説明は、理解を明快にするためにのみ
行われており、上記実施例以外にも、種々の変形
例が考えられることは、当業者にとつて明白なこ
とである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による、間隔を置いて配置さ
れる垂直管を有する流下液膜式交換機の、一実施
例の概要図、第２図は、図１に概要が示される熱
交換機の、一部切載拡大垂直断面図で、第３図
は、熱交換機内の管頂部に多孔質の栓ないしスト
ツパーを設けたものの、部分垂直断面図、第４図
は、冷媒分離板あるいは分配板を管周囲の分配環
とともに示した、本発明の他の実施例の熱交換機
上部の部分垂直断面図、第５図は、第４図の線分
５−５に沿つた一部切載断面図、第６図は、第４
図および第５図の装置に示めされている分配管の
部分図、第７図は、本発明のさらに他の熱交換機
上部の部分垂直断面図であり、管板穴内の垂直溝
穴を持つ冷媒分配板の部分図、第８図は、第７図
の線分８−８に沿つた断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに間隔を置いて配置され、上部及び下部
   管板に固定されると共にそれらを管端が貫通する
   複数の垂直管と、 上記管板の周囲に位置し、これと接続した胴
   と、上記管上端と連絡し、上記上部管板の上に液
   体を入れるための供給箱を形成する手段と、 供給箱に供給液流を送る手段と、 上記上部および下部管板の間の胴内部の管周囲
   に、熱交換液を送る手段およびそこから熱交換液
   を除去する手段と、 液が、上記管内部表面近傍の内部円形領域以外
   の管上端から、下降するのを阻止する手段と、 供給液を薄い流下液膜として、各管内部表面に
   沿つて分配するための上記内部円形領域にわたる
   手段と、 からなる流下液膜式熱交換機。 ２ 上記内部円形領域にわたる手段が多孔質液体
   透過性材料である請求範囲第１項に記載の流下液
   膜式熱交換機。 ３ 上記多孔質材料が弾性体である請求範囲第２
   項に記載の流下液膜式熱交換機。 ４ 上記内部円形領域にわたる手段が、管内部表
   面近傍に垂直溝を有する非多孔質材料である請求
   範囲第１項に記載の流下液膜式熱交換機。 ５ 上記多孔質材料が、セラミツク材料、金属材
   料、または有機高分子材料である請求範囲第２項
   に記載の流下液膜式熱交換機。