JPH068715B2 - かき送り式多重円筒型熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、主として高粘度液体の濃縮を目的とする熱交
換器（加熱器）に関するものである。

〔従来の技術及びその問題点〕

従来、高粘度液体の濃縮に用いられている熱交換器（加
熱器）はその種類が極めて少なく、ルーツ型かき取式エ
バポレータや回転式デイスクエバポレータが実用に供さ
れているに過ぎない。

従来用いられている回転式デイスクエバポレータを第１
４図及び１５図に基いて説明する。

第１４図は、従来用いられている回転式デイスクエバポ
レータの縦断面図を、第１５図は第１４図のａ−ａ線に
おける断面図を示す。

濃縮すべき高粘度液体は液入口302からエバポレータ301
に送入され、スチーム入口303から導入されるスチーム
により加熱されている回転円筒304に設けられた中空の
デイスク305により加熱される。そしてデイスク305の外
面に付着した高粘度液体をかきとり熱交換効率を向上せ
しめるためかき取り板306がデイスク305表面に接して設
けられている。

なお、符号307は凝縮水排出口、308は生成した蒸気の排
出口、309は濃縮液出口である。

この回転式デイスクエバポレータはケーシングの軸貫通
部が液と接触とするため、腐食性の液体を濃縮する場合
には軸封材料310が極めて限定されることや、大容量の
液体を扱う場合には、横方向に延長する必要があり、大
きな据付面積を必要とすること、並びに更に軸封材料の
選択あるいは軸封に工夫を要するなど色々な制約があつ
た。

また、かき取り式エバポレータは、大量の液体を取り扱
うのには不向きである等の問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明は、これらの欠点を除去するため、缶体をたて型
円筒体とし、かつ加熱部として、径の異なる複数個のた
て型伝熱用二重円筒体（以下、二重円筒体という）を同
心的に組合わせて配置し、該二重円筒体中に加熱媒体を
通ずると共に、個々の二重円筒体に挟まれた空間、及び
缶壁と二重円筒体に挟まれた空間に充満するか、もしく
は液膜状で流下する濃縮すべき液体の移動を促進するた
め、二重円筒体と同心になるように夫々スクリユーを配
置し、該スクリユーを同一の駆動軸により回転させるよ
うにしたかき送り式多重円筒型熱交換器を提供すること
を目的とする。

〔発明の構成〕

本発明は、液状物質を加熱する熱交換器において、缶体
内部に、熱媒体を導入するための密閉空間を形成し、か
つ熱媒体の出入口を備えた単数または複数の密閉中空の
伝熱用二重筒体を缶体と同心円的に配置し、かつ、缶壁
と伝熱用二重筒体の間及び伝熱用二重筒体同志の間に存
在する液状物質の移動を促進するため、缶壁と伝熱用二
重筒体の間又は伝熱用二重筒体同志の間に伝熱用二重円
筒体と同心円的に液送り用スクリユーを配置したことを
特徴とするかき送り式多重円筒型熱交換器である。

以下、図面に基いて本発明の熱交換器を詳しく説明す
る。

第１図は、本発明の熱交換器の組立の一例を示すための
縦断面図である。

先づ、本発明の熱交換器は据付面積を小さくするため、
被濃縮液を加熱濃縮するための缶体１はたて型円筒状と
した。

また、加熱部分は、コンパクトで、かつ、伝熱面積を大
きくとるため第１図、更に詳しくは第１図のｂ−ｂ線に
おける断面図である第２図に示されるように径の異なる
複数の二重円筒体２，２′を何れも缶体１と同心になる
ように組合せて設けている。なお、第１図および第２図
には、中心部に伝熱管１５を配置しているが、この伝熱
管１５は省略してもよい。

二重円筒体２，２′は第１図及び第２図にその概要が示
されているが、第５図に単独でその概要を示している。
即ち、缶体１の底面とは複数のパイプ５，５・・・によ
り支持されており、これらのパイプ５，５・・・は伝熱
用二重円筒体２あるいは２′を支持している外、パイプ
５，５・・・は伝熱用二重円筒体２，２′内で生ずる凝
縮水の出口の役割も果している。

一方、二重円筒体内部は、第２図、第５図、第７図のｃ
−ｃ線における断面図である第６図及び第７図に示され
ているように仕切板１４によつて複数の区画に仕切られ
ており、スチームが偏りなく内部を流れるように、即
ち、二重円筒体が均一に加熱されるように構成されてい
る。

また、スチーム導入管６は第１図及び第５図ならびにそ
の部分拡大図である第７図に示されるように、サポート
兼凝縮水出口ノズル（パイプ）５，５・・・の中を通つ
て伝熱用二重円筒体内部に開口されており、このスチー
ム導入管は濃縮液と直接接触しないため、スチーム導入
管内部で凝縮水が生成するのを防止できる。

また、スチーム導入管６は、第５図及び第７図に示すよ
うに二重円筒体２の内部を上端面内側近傍まで伸びてお
り、スチーム導入管６の先端より放出されたスチーム
は、二重円筒体２の上端面に衝突した後進路を下方へ転
ずる。従つてスチームの流れ方向と凝縮水の流れ方向が
同一方向となり熱伝達にはより好ましい。

一方、本発明においては、第２図に示すように径の異な
る二重筒体２，２′が同心円的に組合わされているの
で、缶壁と外側の二重筒体２の間、個々の二重円筒体
（第２図においては２と２′）の間及び内側の二重筒体
２′と伝熱管１５の間には一定の幅を持つ空間１６，１
６′，１６″が形成されており、該夫々の空間部に同心
円的に液送りスクリユー３，３′及び液戻しスクリユー
４が設けられている。

これらのスクリユーは、その組立状態を第１図に示し、
第３図及び第４図には、個々のスクリユーを示すが缶体
の中心に近いものは第３図に示すようなスクリユーと
し、周辺部に設けるものは第４図に示すような形（逆送
りの形）のものとする。

そして第３図に示すスクリユー３と第４図に示すスクリ
ユー４とは同一駆動軸１２（第１図参照）に結合され同
一方向に回転されるようになつているが、羽根の向きが
逆送りの形、即ち互いに逆になつているので、回転方向
は同一であるにもかゝわらず、液送り方向は互に逆にな
るように、即ち一の羽根では上向きに、他の羽根では下
向きに送られるようになつており、従つて缶体内部にお
いて液体が自己循環できるようになつている。

第１図に示す例においては、缶体の中心側の液が上向き
に流れ、周辺側が下向きに流れる例を示している。

また、羽根の構成に関しては、液の抵抗を考慮して、羽
根の幅を狭くしたり、第８図に示すように穴明き羽根と
したり、あるいは第９図に示すように部分的に羽根を設
けることも可能である。

また、羽根の取りつけ方法として、第１図、第３図、第
４図に示されているように駆動軸１２取つけた回転板に
設けられた多数の支持棒１７，１７・・・又は１７′，
１７′・・・により取付けることができ、また、第１１
図に示されているように単円筒103の内外面にスクリユ
ー羽根104を取り付けることも可能である。

二重円筒体は装置の規模により１ケ設けてもよく、或い
は２ケ以上設けてもよい。

一方、スケーリングし易い液体の加熱濃縮等を行う場合
には、スクリユーの幅を拡げて、スクリユーを二重円筒
体表面に接触させるか、あるいは二重円筒体との間隔を
狭くすることにより二重円筒体表面に付着するスケーリ
ングを除去しうるようにして熱伝達率の向上をはかるの
が好ましい。

第１図に示す例においては、液入口７を缶体１の下部中
心部に設け、液出口８を缶体１の側面に設けた例を示し
たが、つぎに他の例を第10図に基いて説明する。

第１０図に示す例は、第１図に示す例と同様に、同心の
二重円筒体とスクリユーを組合せたものではあるが、液
入口110を缶体101の側面に設け、液出口111を缶体底面1
09の中心に設けてあり、スクリユー群の共通駆動軸105
は液出口付近まで延長しており、駆動軸の表面にもスク
リユー羽根を設けてある。

また二重円筒体102，102′は缶体101の底面109と密着し
ており、取付ボルト108により固定されている。一方、
二重円筒体102，102′の上端は自由端となつている。ま
た、加熱媒体は底面を貫通している配管112から導入さ
れ、凝縮水並びに残餘の加熱媒体は配管113から排出さ
れる。スクリユー104は、缶壁と外側の二重円筒体102の
間及び二重円筒体102，102′間に配置されている単円筒
103，103′の内外表面に設けてあり、単円筒は缶体底面
とは固定されておらず、上部は共通の駆動軸105に連結
されている。また、二重円筒間の液状物質を必要に応じ
てパージするため、ドレン抜116を設けてある。

また、液体を加熱することにより生成した蒸気はミスト
セパレータ107でミストが分離された後、蒸気出口117か
ら排出される。

なお第１０図に示す例においては、缶体１の外部からも
加熱するため缶体ジヤケツト106が設けられており、ジ
ヤケツト用スチーム入口114よりスチームが導入され、
凝縮水は115より排出される。

本発明の他の具体例として、第１２図に示す如く、二重
円筒体の代りに、缶体401の内部に伝熱管402，402・・
・及び402′，402′・・・を夫々同心円状に配列し、同
心円状に配列された伝熱管402，402・・・及び402′，4
02′・・・の間、外側の同心円状に配列された伝熱管群
と缶体の間及び回転軸上にスクリユー403，403を配置す
るようにしてもよい。

〔作用〕

次に、本発明の作用について述べる。

第１図に示す装置においては、缶体１の底面に位置する
液入口７から、ポンプ（図示してない）にて導入された
被濃縮液は、ポンプによる圧力に加えて内側の液送りス
クリユー３，３′の回転により与えられる推進力で伝熱
管１５と二重筒体２′の間及び二重筒体２′と２の間を
上方に押し上げられる。

この間、伝熱管１５及び二重筒体２′の表面及び伝熱用
二重筒体２の内表面で伝熱用二重筒体内に導入されるス
チームとの熱交換により加熱され蒸気が発生し、この蒸
気泡も上昇するため液の流れは加速されて上昇し、液面
に達して生成した蒸気を遊離し、該蒸気はミストセパレ
ータ１１でミストを除去された後蒸気排出口９から排出
される。

一方、周辺部のスクリユー（液戻しスクリユー）４は逆
向きになつているので、回転方向はスクリユー（液送り
スクリユー）３，３′と同一であるにもかかわらず、液
流れ方向は逆方向、即ち下向きとなるので、中心部を上
昇してきた液は周辺部において引き込まれ下向きに流れ
ることとなる。

従つて缶体内で液は循環することとなり、この間に濃縮
される。そして液の一部は液出口８から缶外に抜き出さ
れる。

第１０図に示す装置においては、最も外側の単円筒103
に設けてあるスクリユーは液を上向きに送り、単円筒10
3′に設けてあるスクリユーは、外側は液を下向きに内
側は上向きに送るように設けてあり、また駆動軸105に
は下向きに液を送るようにスクリユーを設けてある。

従つて、液入口110から送り込まれた被濃縮液は先づ外
側の二重円筒体103の外表面に沿つて上昇し、該二重円
筒体103の上部を越えてその内面に沿つて単円筒103′の
外側に設けたスクリユーの作用により下降する。一方単
円筒103′に設けられたスクリユーは外面と内面とで向
きが逆になつているので液の送り方向は逆となる。従つ
て、一たん下降して来た液体は缶底面に達した後単円筒
３′の内側に引き込まれ、今度は単円筒103′の内側に
設けられたスクリユーによつて内側の二重円筒体102′
の外表面に沿つて上昇し、ついで駆動軸105に設けられ
たスクリユーによつて内側の二重円筒体102′の内表面
に沿つて下方に流れ、底面の液出口111から押し出され
る。

この間液体は、缶体ジヤケツト106、二重円筒体102，10
2′内に導入されるスチームと熱交換により加熱され、
液中に発生した蒸気は液面から放出され、ミストセパレ
ータ107によりミストを除去した後蒸気出口１１７から
排出される。

上記作用を受けながら、缶体中心部に向つて流れる液は
次第に濃縮され最終的に液出口111から排出される。

第１０図に示す装置の場合、外側の単円筒体103と缶体
壁との間を上昇した液が内側へ流入するように、単筒体
上部には開孔を設けておくとよい。

また、単筒体103の外側のスクリユーを液が下向きに流
れるように設けかつ、液入口110を上部に設ける場合、
単円筒103の外側を流れる液を下向きとすることも出来
る。

つぎに第１３図に基いて本発明の他の実施例を説明す
る。

第１３図に示す熱交換器は、二重円筒体とスクリユー付
き単円筒体を同心円的に交互に組合わせるという点では
前に説明した他の例と同様であるが、液体を伝熱用二重
円筒体の表面を膜状に流下させるという点で大きく異な
る。

第１３図に示す例においては、缶体201中に二重円筒体2
02，202′と単円筒203，203′とを交互に同心となるよ
うに配置し、単円筒203，203′には夫々スクリユー20
4，204′を設けると共に単円筒203，203′はその上部を
駆動軸205で回転されるサポート214に連結されている。

また、液体を二重円筒体202，202′表面を膜状に流下さ
せるために該二重円筒体上部に液分配環206を設けてあ
る。液分配環206下部にはスリツトを設け、上部は開放
されており、液供給管210から分配管206に液が供給され
る。一方、単円筒を駆動軸に連結しているサポート214
は液分配環をも同時に支持している。

また最外周の単円筒203には内側のみにスクリユーを設
け、内側の単円筒203′にはその内外両面に、何れも回
転により下向きの流れを生ずるようにスクリユー204，2
04′が設けられている。また、スクリユーは二重円筒体
の表面に接するか、または極めて狭い間隙を有するよう
に配置されている。また駆動軸205にも下向きのスクリ
ユーおよびかき寄せ羽根211が取付けてあり、濃縮液を
缶外に押し出す役目をしている。

液は液入口209から供給管210を通つて液分配環206に供
給される。液分配環206は回転しながら下部スリツトか
ら伝熱用二重円筒体202，202′上に液を流下させ、液は
該二重円筒体表面を均一に膜状で流下し、更にスクリユ
ーによつて均一に薄く塗布されながら流下し、この間二
重円筒体内にスチーム入口207から導入されるスチーム
と熱交換により加熱され濃縮される。なお、凝縮水は凝
縮水出口208から排出される。

この間液が濃縮され流れにくくなつてもスクリユーによ
つて強制的に下へ押し流されるため、液膜は常に均一な
厚さを保つて流下され、濃縮され粘度の高くなつた液は
缶体201の下部に落下し、駆動軸205に取付けられたかき
寄せ羽根211及びスクリユーによつて液排出口212より排
出される。

一方、液の加熱により生成した蒸気は、スクリユーと二
重筒体及び単円筒により形成される間隙を通つて伝熱部
の上部並びに下部から遊離され、下部から出た蒸気は、
缶体と最外側の単円筒の間を上昇し、外部に排出され
る。

〔発明の効果〕 装置をたて型配置とすることができ、同一伝熱面積
であつても据付面積が少なくてすむ。

たて型配置とすることにより駆動軸が缶体を貫通す
る軸封部が１箇所になりしかも気相部に設けることによ
り、腐食性液体に対してもこれまでのような液もれなど
のトラブルが避けられる。

また、軸貫通部が１ケ所しかないことから従来の２ケ所
の場合とは異なり通り芯を出す必要がなくなり、機械加
工が容易となる。

第１０図に示す装置においては液の濃度差が明確と
なり、濃度が薄いところでＵ値をかせぐことが出来る。

第１０図に示す装置においては液排出口上部（中心
部）にスクリユー付の回転軸が配置してあるため最も濃
度、及び粘度の高くなつた液を容易に缶体から取り出す
ことが可能である。

スクリユーの支持部材を棒状のものとしたものは、
比較的低粘度の液を濃縮する場合に適し、スクリユー効
果と同時に撹拌効果を高めることができる。

スクリユーの支持部材を単円筒としたものは、高粘
度液を処理する場合に消費動力を低く維持できる。

伝熱面が円筒であることからデイスクエバポレータ
の平板に比較して板厚を薄くすることができる。

スクリユーの回転数を上げることにより容易に熱伝
達率を上げることが出来る。

スクリユーに伝熱表面のスクレーバ効果をもたせう
るのでスケーリングの防止が可能である。

伝熱用二重円筒体は、下端のみ固定され上端は自由
端となつているので熱膨張に関してエキスパーシヨンな
どの工夫は不要である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱交換器の一例を説明するための縦断
面図、第２図は第１図のｂ−ｂ線における断面図、第３
図及び第４図は本発明のスクリユーの取付け状態を説明
するための図面、第５図は本発明の二重円筒体の１例を
示す斜視図、第６図及び第７図は該二重円筒をより詳し
く説明するための図面であつて、第６図は第７図のｃ−
ｃ線における断面図、第８図及び第９図は夫々異なるス
クリユーの形を示す図、第10図は第１図に示すものとは
異なる一実施例を示すための本発明の熱交換器の縦断面
図、第１１図は単円筒にスクリユーを取り付けた状態を
示す図面、第１２図及び第１３図は夫々第１図及び第１
０図に示したものとは異なる他の実施例を説明するため
の図面であつて第１２図は平面断面図、第１３図は縦断
面図、第１４図は従来用いられているデイスクエバポレ
ータの縦断面図、第１５図は第１４図のａ−ａ線におけ
る断面図である。 １，101，201，401…缶体、２，２′，102，102′，20
2，202′…二重円筒体、103，103′，203，203′…単円
筒、３，４，104，204，403…スクリユー、５…二重円
筒体サポート兼凝縮水出口ノズル、６，112，207…スチ
ーム導入管、７，110…液入口、８，111，212…液出
口、９，117…蒸気出口、１７，１７′，１７″…スク
リユー支持棒、１２，105，205…駆動軸、402，402′…
伝熱管

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液状物質を加熱する熱交換器において、缶
   体内部に、熱媒体を導入するための密閉空間を形成し、
   かつ熱媒体の出入口を備えた単数または複数の密閉中空
   の伝熱用二重筒体を缶体と同心円的に配置し、かつ、缶
   壁と伝熱用二重筒体の間及び伝熱用二重筒体同志の間に
   存在する液状物質の移動を促進するため、缶壁と伝熱用
   二重筒体の間又は伝熱用二重筒体同志の間に伝熱用二重
   円筒体と同心円的に液送り用スクリユーを配置したこと
   を特徴とするかき送り式多重円筒型熱交換器。
2. 【請求項２】缶体中心部は、缶体周辺部におけるスクリ
   ユーの液送り方向と逆向きとして液状物質の自己循環を
   促進するようにした特許請求の範囲第１項記載のかき送
   り式多重円筒型熱交換器。
3. 【請求項３】スクリユーを複数本の支柱により支持した
   特許請求の範囲第１項記載のかき送り式多重円筒型熱交
   換器。
4. 【請求項４】スクリユーを保持するための支持部材が伝
   熱用二重円筒体と同心円的に配置され単円筒である特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載のかき送り式多重円筒
   型熱交換器。
5. 【請求項５】スクリユーを伝熱用二重円筒体表面に接触
   させるか、極めて接近せしめて伝熱用二重円筒体表面近
   傍の液状物質の移動を促進させるか、伝熱用二重円筒体
   表面に付着したスケールを除去するように構成してなる
   特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れか１つに記載の
   かき送り式多重円筒型熱交換器。
6. 【請求項６】伝熱用二重円筒体の支持部材が伝熱用二重
   円筒体に供給する熱媒体の出入口を兼ねている特許請求
   の範囲第１項乃至第５項の何れか１つに記載のかき送り
   式多重円筒型熱交換器。
7. 【請求項７】伝熱用二重円筒体の下端面を缶体の底面に
   密着させ、かつ、スクリユーを保持するため、缶体側壁
   と伝熱円二重円筒の間及び伝熱用二重円筒同志の間に、
   伝熱用二重円筒と同心になるように、単円筒を缶体底面
   と離して配置し、該単円筒の内外両面にスクリユーを設
   け、しかも内面のスクリユー羽根の向きと外面のスクリ
   ユー羽根の向きを逆にし、且つ複数の単円筒は共通の回
   転軸に結合せしめ、また、回転軸には下向きに液を送る
   ようにスクリユーを備えてなる、回転軸の回転により被
   濃縮液状物質が缶体側面から中心に向つて伝熱用二重円
   筒体表面に沿つて順次流れ、最終的に単円筒群の回転軸
   に取付けられたスクリユーにより底面中心に設けたノズ
   ルから外へ押し出すように構成してなる特許請求の範囲
   第１項記載のかき送り式多重円筒型熱交換器。
8. 【請求項８】液状物質を伝熱用二重円筒体上部より液膜
   状に流下せしめるように構成してなる特許請求の範囲第
   ５項記載のかき送り式多重円筒型熱交換器。