JPH0821693A - 液相流動床熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 廃油、スケール成分、水棲生物等の汚れ物質
を含む液を流動化流体とする熱交換器においても、液の
良好な分散状態を維持した上で、液分散を行う部位の洗
浄操作が不要となることによって、高信頼性の下での連
続運転を可能にした液相流動床熱交換器を提供する。 【構成】 本発明の液相流動床熱交換器は、流動床部４
と、ここに保持された多数の微細粒子８、流動床部４よ
り上流側の分散床部３に保持された多数の粗粒子９およ
び粗粒子９の床内に埋設するように設置された液導入管
１０から構成されており、運転時には、液流体ａは、分
散床部３内で粗粒子９を流動させ分散床を形成すると共
に、流動床部４内で微細粒子８を激しく流動させ、流動
床を形成する。この際、液流体ａは、液導入管１０およ
び分散床部３によって均一に分散され、さらに微細粒子
８と粗粒子９が共存する流動床では、粗粒子９が上流側
に微細粒子８が下流側に分離して流動する特性を有して
おり、微細粒子８が沈下することなく流動床部内に保持
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体を流動化流体とし
て熱交換操作を行う液相流動床熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】液相流動床熱交換器は、伝熱管が配置さ
れた熱交換部内に流動粒子を保持し、この流動粒子を熱
交換部内を流れる液流体により流動化状態とする（流動
床の形成）ことによって、熱交換効率の向上を図った熱
交換器である。

【０００３】このような液相流動床熱交換器において、
安定した熱交換性能を得るためには、流動粒子の均一な
流動化状態を保つことが不可欠であり、機械的な攪拌を
用いる場合を除いては、流体流を均一に分散させるため
に、流動床の上流側に多孔板、金網、あるいはそれらを
組み合せた液分散板が設置される。このような液分散板
においては、一般的にはその整流効果を増加させるため
に開孔率を低くし、また孔径を小さくして液流通抵抗を
増加させる必要がある。さらに、床内の流動粒子を保持
する目的から、分散板の開孔径は流動粒子径よりも小径
のものが使用される。

【０００４】ところで、上記したような液相流動床熱交
換器によれば、伝熱管への汚れ物質の付着、堆積による
熱交換効率の低下を抑止できることから、海水、工場排
水、あるいは下水等からの熱回収に応用することが考え
られている。しかしながら、上記したような開孔部の径
が小さい液分散板を有する液相流動床熱交換器におい
て、液流体に含まれた廃油、スケール成分、水棲生物等
は、液分散板に容易に付着、堆積し、ついには液分散板
の閉塞を引き起こし、熱交換器の運転に重大な支障を来
すという問題がある。

【０００５】このため、液分散板の洗浄装置として、ブ
ラシによる掻き落とし、ハンマーによる衝撃等が考えら
れているが、これらは熱交換器の運転を定期的に停止す
る必要があり、頻繁な洗浄操作による運転費用の高騰を
まねく等といった難点を有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、液相
流動床熱交換器において、廃油、スケール成分、水棲生
物等を含む液を流動化流体とした場合、それらが液分散
板に容易に付着、堆積して、熱交換器の性能を低下させ
るため、付着、堆積物を定期的に液分散板から除去しな
ければならない。そして、従来の液相流動床熱交換器に
おける洗浄操作は、熱交換器の運転を停止して行わなけ
ればならないため、実運転時間が減少することによっ
て、運転コストが高くなるという問題を有していた。

【０００７】このようなことから、運転時における流動
粒子の均一な流動化状態を保つことができ、かつ洗浄操
作が不要な、運転効率に優れた液相流動床熱交換器が強
く求められている。

【０００８】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、廃油、スケール成分、水棲生物等の
汚れ物質を含む液を流動化流体とする熱交換器において
も、液の良好な分散状態を維持した上で、液分散を行う
部位の洗浄操作が不要となることによって、高信頼性の
下での連続運転を可能にした液相流動床熱交換を提供す
ることを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の液相流
動床熱交換器は、液体流により流動せしめられる第１の
粒子群を保持した流動床と、この流動床内に配設され、
前記液体流との間で熱交換を行う媒体が流動する熱交換
部と、前記流動床の上流側に設けられ、前記第１の粒子
群よりも流動化流速が大きい粒子を含んだ第２の粒子群
を保持し、流路断面積が前記流動床のそれよりも小さい
分散床と、この分散床に前記液体流を導入する液導入管
と、を具備することを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載の液相流動床熱交換器は、
請求項１記載の液相流動床熱交換器において、分散床は
独立した複数の分散室により構成され、かつそれぞれの
分散室内に液導入管を設置することを特徴としている。

【００１１】請求項３に記載の液相流動床熱交換器は、
請求項１記載の液相流動床熱交換器において、分散床内
に仕切格子を設置することを特徴としている。

【００１２】請求項４に記載の液相流動床熱交換器は、
液体流により流動せしめられる第１の粒子群を保持した
流動床と、この流動床内に配設され、前記液体流との間
で熱交換を行う媒体が流動する熱交換部と、前記流動床
の上流側に設けられ、前記第１の粒子群よりも流動化流
速が大きい粒子を含んだ第２の粒子群を保持し、流路断
面積が前記流動床のそれよりも小さい分散床と、この分
散床の床高さと実質的に等しい高さを有し、該分散内に
前記液体流を導入する液導入管とを具備することを特徴
としている。

【００１３】請求項５に記載の液相流動床熱交換器は、
液体流により流動せしめられる第１の粒子群を保持した
流動床と、この流動床内に配設され、前記液体流との間
で熱交換を行う媒体が流動する熱交換部と、前記流動床
の上流側に設けられ、前記の第１粒子より粒子径が大き
く、かつ密度が小さい粒子を含む第２の粒子群を保持し
た分散床と、この分散床に前記液体流を導入する液導入
管と、を具備することを特徴としている。

【００１４】

【作用】請求項１，２，３および４に記載の液相流動床
熱交換器においては、流路断面積が流動床よりも狭い分
散床内に、流動化状態形成流速が第１の粒子（以下、微
細粒子と略称する）より大きい第２の粒子（以下、粗粒
子と略称する）を保持し、この分散床内に埋設するよう
に設置された液導入管によって、微細粒子の均一な流動
化状態を保つことができ、さらに前記微細粒子を流動床
内に保持することができる。すなわち、１本ないし複数
本の液導入管を分散床内に液が均一に分散するように配
置することにより、十分な液分散機能が発揮される。

【００１５】また、分散床の流路断面積を流動床のそれ
よりも狭くすることにより分散床内での液体流の流速を
局所的に高め第２粒子（粗粒子）を流動化状態とするこ
とによって、熱交換部および分散床への廃油、スケール
成分、水棲生物等の付着、堆積を、粒子相互間の摩擦
力、液体流の搬送力、粒子自身の運動によって防止する
ことが可能になるとともに、第１粒子（微細粒子）と第
２粒子（粗粒子）とが共存する場合には上流側に粗粒
子、下流側に微細粒子が分離して流動する特性を有する
ため、微細粒子が分散床のほうまで沈下せず、微細粒子
を流動床内にて対流させることができる。

【００１６】さらに、請求項５に記載の液相流動床熱交
換器においては、第１粒子（微細粒子）より粒子径が大
きく、かつ密度の小さい第２粒子（粗粒子）を保持した
分散床と、この分散床内に埋設するように設置された液
導入管によって、微細粒子の均一な流動化状態を保つこ
とができ、さらに前記微細粒子を流動床内に保持するこ
とができる。すなわち、粗粒子の粒子径が微細粒子より
も大きいことにより、上流側に粗粒子、下流側に微細粒
子が分離して流動する特性を有するため、微細粒子が分
散床のほうまで沈下せず、微細粒子を流動床内にて対流
させることができる。

【００１７】また、第２粒子は、その密度が第１粒子よ
りも小さいことにより、粒子径が第１粒子よりも大きい
場合であっても同一流速で流動化状態を呈する。このた
め、第２粒子間の摩擦力、液体流の搬送力、粒子自身の
運動によって分散床への廃油、スケール成分、水棲生物
等の付着及び堆積を防止することが可能となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１９】（第１の発明：請求項１，２，３および４
に記載の発明に対応）図１は第１の発明の第１の実施例
による液相流動床熱交換器の運転時における状態を示す
図である。同図において、１は熱交換器本体である。こ
の熱交換器本体１は、液流入部２、分散床部３および流
動床部４を有しており、この熱交換器本体１内を廃油、
スケール成分、水棲生物等を含む液流体ａが流通するよ
うに構成されている。また、熱交換器本体１には、液流
体ａの上流側に液流入管５が、また下流側に液排出管６
がそれぞれ設けられている。

【００２０】熱交換器本体１の外周中央部には液入口１
８及び液出口１９を備えたジャケット１７が取り付けら
れている。ジャケット１７内は複数の部屋に仕切られ、
各部屋は複数本の伝熱管７に連通している。これらの伝
熱管７は、流動床部４にて液流体ａの流れと直交する向
き（本実施例ではほぼ水平）に配列されている。伝熱管
７の周囲には流動化した多数の微細粒子（第１の粒子）
８が存在し、これにより流動床が形成されている。これ
らの微細粒子８は、比較的小さな液流速によって流動化
状態を呈するように、粒径および密度が所定のものに設
定されている。微細粒子８の具体例としては、ガラスビ
ーズ、アルミナボール、金属球、珪砂等が挙げられ、例
えば平均粒径が５００μｍ〜３０００μｍ程度のものが
好ましく用いられる。

【００２１】また、この流動床部４の上流側にあたる分
散床部３の流路断面積は、流動床部４よりも狭くなって
おり、この分散床部３内には多数の粗粒子（第２の粒
子）９が保持され、粗粒子９の床内に埋設するように液
導入管１０が設置されている。粗粒子９としては、微細
粒子８より流動化流速が大きい粒子を、具体的には微細
粒子８より粒径が大きいか、あるいは密度の大きい粒子
が用いられる。なお、粗粒子９には微細粒子８と粒径が
同等で密度が大きい材質の粒子や、微細粒子８と同一材
質で粒径が大きい粒子を用いることも可能である。

【００２２】運転時においては、図１に示したように、
液流体ａは、液流入管５から熱交換器本体１内に供給さ
れ、液導入管１０を通過した後に、分散床部３内で粒粒
子９を流動させ分散床を形成すると共に、流動床部４内
で微細粒子８を激しく流動させ、流動床を形成する。こ
の流動床内で、伝熱管７中を流れる流体ｂとの間で熱交
換が行われる。微細粒子８による流動床は、液流体ａ側
の伝熱管７の外表面に形成される温度境界層を薄くして
熱交換効率を高める。しかる後に、液流体ａは液排出管
６から排出される。この際、液流体ａは、液導入管１０
と分散床によって均一に分散される。さらに微細粒子８
と粗粒子９とが共存する場合には、粗粒子９が上流側に
微細粒子８が下流側に分離して流動する特性を有してお
り、微細粒子８は沈下することなく流動化状態にあり、
流動床部４内に保持される。したがって、微細粒子８お
よび粗粒子９の運動による摩擦力および液流体ａの搬送
力等によって熱交換器１内へ液流体ａに含まれている廃
油、スケール成分、水棲生物等の付着および堆積を防止
することができる。

【００２３】図２は、本発明に適用可能な液導入管１０
の一例を示す図である。液導入管１０はパイプ１１、キ
ャップ１２およびパイプ１１とキャップ１２の隙間を均
等に保つためのスペーサーピン１３により構成されてい
る。液流体ａは、パイプ１１内を上昇した後に、キャッ
プ１２により流れが下方に向けられ、パイプ１１及びキ
ャップ１２の相互間隙を下降して分散床部３内に流出す
るようになっている。このように構成された液導入管１
０を用いることにより、粗粒子９が液導入管１０内に侵
入しなくなり、粗粒子９が液導入管１０を通って流出し
たり、液導入管１０を詰まらせたりしなくなる。

【００２４】なお、液導入管１０内に粗粒子９が侵入し
ない機能を有する構造であれば、図２に示す構造以外の
もの、例えば液導入管の出口部分に逆止弁を設けたり、
液導入管の出口部分の上部を覆うような蓋部材を設け、
この蓋部材を常に液導入管の出口部分を塞ぐ方向に弾性
体で押し付けるようにしてもよい。

【００２５】ここで、図３に微細粒子８および粗粒子９
の圧力損失と液流速との関係を示す。同図において、折
れ線Ａは微細粒子８の圧力損失特性を、折れ線Ｂは粗粒
子の圧力損失特性をそれぞれ示す。一般に、流動床にお
いては液流速が小さい場合には粒子は動かず、静止床を
形成する。液流速が増加して最小流動化速度ｕ_mfに達す
ると流動を開始し、さらに液流速を増加させると、やが
て流動終端速度ｕ_t に達し、それ以上では粒子が液流体
に同伴されて流出してしまう。すなわち、液流体流速が
ｕ_mfからｕ_t の間が粒子の流動床形成範囲であり、この
間の圧力損失は液流速に関係なくほぼ一定の値となる。

【００２６】運転時の流動床部４内の液流速をｕ₁ とす
ると、ｕ₁ は微細粒子８の最小流動化速度ｕ_mf1 と流動
終端速度ｕ_t1との間に設定される。また、分散床部３の
流路断面積は、液流速が同一流量で、粗粒子９の最小流
動化速度ｕ_mf2 と流動終端速度ｕ_t2との間になるように
決定する。

【００２７】図４は、第１の発明の第２の実施例による
液相流動床熱交換器を示す図である。同図において、分
散床部３は独立した複数の分散室１４により構成されて
おり、それぞれの分散室１４内には液導入管１０が設置
されている。この実施例によれば、熱交換器が大型化し
ても液流体ａの均一な分散が容易に実現することができ
る。

【００２８】図５は、第１の発明の第３の実施例による
液相流動床熱交換器の分散床部３の一断面を示す図であ
る。同図において、分散床部３内には仕切格子１５が設
置され、分散床部３の流路断面積を狭めている。本実施
例によっても前記第１実施例と同様の効果が得られる。

【００２９】図６は、第１の発明の第４の実施例による
液相流動床熱交換器を示す図である。同図において、分
散床部３内には、分散床部３の床高さと同等の高さを有
する液導入管１０が設置されている。この実施例によれ
ば、分散床部３のどの断面においてもその一部を液導入
管１０が占めており、液体流ａが流通できる流路断面積
を流動床部４の流路断面積よりも狭くすることができ
る。本実施例によっても前記第１実施例と同様の効果が
得られる。

【００３０】（第２の発明：請求項５に記載の発明に対
応）図７は第２の発明の一実施例による液相流動床熱交
換器の運転時における状態を示す図である。同図におい
て、流動床部４には、流動床を構成する多数の微細粒子
８が保持されている。また、この流動床部４の上流側に
あたる分散床部３には微細粒子８よりも粒子径が大き
く、かつ密度の小さい多数の粗粒子９が保持されてい
る。

【００３１】運転時においては、図７に示したように、
粗粒子９が上流側に微細粒子８が下流側に分離し共に流
動状態を呈しており、微細粒子８が落下することなく流
動床部内に保持される。したがって、微細粒子８および
粗粒子９の運動による摩擦力および液流体ａの搬送力等
によって熱交換器１内へ液流体ａに含まれている廃油、
スケール成分、水棲生物等の付着、堆積を防止すること
ができる。

【００３２】但し、その他の構成要素および作用は分散
床部３の断面積が流動床部４と同じである点を除き、前
記第１の発明の第１実施例と同様である。

【００３３】ここで、関係式を用いて本第２の発明の微
細粒子８と粗粒子９との関係を説明する。

【００３４】液流開始流速ｕ_mfは、流動床の流動特性に
影響を及ぼす特性値であるアルキメデス数（Ａｒ＝ρ
（ρｐ−ρ）ｇｄｐ³ ／η² 、ここでｄｐ：粒子径、
ｇ：重力加速度、η：液流体粘性係数、ρ：液流体密
度、ρｐ：粒子密度）によって決まることが実験によっ
て確認されている。したがって、粒子径の異なる２種類
の粒子群を同時に流動化状態にするには、アルキメデス
数の近い粒子を用いれば良いことになる。第２の発明で
は、微細粒子８を保持する目的から粗粒子９の粒子径は
微細粒子８の径よりも大きい方が望ましく、微細粒子８
と粗粒子９のアルキメデス数を同程度とするためには、
粗粒子９の材質を微細粒子８の密度よりも小さい密度の
ものにすれば良いことが分かる。

【００３５】上記各実施例においては、伝熱管７を液流
体ａと直交するように水平配列として構成したが、液流
体ａと平行となるよう垂直に配列してもよく、本発明を
何等限定するものではない。

【００３６】また、伝熱管７の側の流体ｂを冷媒として
液流体ａを冷却してもよいし、流体ｂを熱媒として液流
体ａを加熱してもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本第１の発明の、
流路断面積が流動床部よりも狭い分散床部内に、流動化
状態形成流速が微細粒子より大きい粗粒子を保持する液
相流動床熱交換器、および本第２の発明の流動床部と同
一流路断面積の分散床部に、微細粒子より粒子径が大き
く且つ密度の小さい粗粒子を保持する液相流動床熱交換
器においては、分散床部と分散床部内に埋設するように
設置された液導入管によって、微細粒子の均一な流動化
状態を保つことができ、さらに前記微細粒子を流動床部
内に保持することができる。すなわち、分散床内に液導
入管を１ないし複数個を液が均一に分散するように配置
することにより、十分な液分散機能を発揮する。

【００３８】また、微細粒子、粗粒子とも流動化状態と
することによって、熱交換部および分散床への廃油、ス
ケール成分、水棲生物等の付着、堆積を、粒子間の摩擦
力、流体流の搬送力、粒子自身の運動によって防止する
ことが可能となり、且つ微細粒子と粗粒子が共存する場
合には上流側に粗粒子、下流側に微細粒子が分離して流
動する特性を有しているため、微細粒子の落下を防止し
微細粒子を流動床内に保持することができる。

【００３９】さらに、運転中に第１の粒子群及び第２の
粒子群を常に流動状態にしているので、熱交換器本体の
内部に汚れが滞留することなく流動床を常に清浄な状態
に保つことができる。このため、汚れ除去のために流速
を一時的に増大させるなどの特別の洗浄操作が不要にな
り、定常流速で連続運転することができるので、運転の
信頼性が高く、運転効率が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本第１の発明の第１実施例による液相流動床熱
交換器の運転時における状態を示す断面図である。

【図２】本第１の発明の液相流動床熱交換器へ適用可能
な液導入管の一例を示す断面図である。

【図３】微細粒子および粗粒子の圧力損失と液流速との
関係を示す特性線図である。

【図４】本第１の発明による第２の実施例による液相流
動床熱交換器を示す断面図である。

【図５】本第１の発明による第３の実施例による液相流
動床熱交換器の分散床の一断面を示す図である。

【図６】本第１の発明による第４の実施例による液相流
動床熱交換器を示す断面図である。

【図７】本第２の発明の一実施例による液相流動床熱交
換器の運転時における状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１……熱交換器本体 ２……液流入部 ３……分散床部 ４……流動床部 ７……伝熱管 ８……微細粒子（第１の粒子） ９……粗粒子（第２の粒子） １０…液導入管 １４…分散室 １５…仕切格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊部 英紀 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 関矢 英士 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 河内 恭三 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 竹村 稔 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体流により流動せしめられる第１の粒
   子群を保持した流動床と、この流動床内に配設され、前
   記液体流との間で熱交換を行う媒体が流動する熱交換部
   と、前記流動床の上流側に設けられ、前記第１の粒子群
   よりも流動化流速が大きい粒子を含んだ第２の粒子群を
   保持し、流路断面積が前記流動床のそれよりも小さい分
   散床と、この分散床に前記液体流を導入する液導入管
   と、を具備することを特徴とする液相流動床熱交換器。
2. 【請求項２】 前記分散床は、独立した複数の分散室に
   より構成され、それぞれの分散室内に前記液導入管が設
   けられていることを特徴とする請求項１記載の液相流動
   床熱交換器。
3. 【請求項３】 前記分散床内に仕切格子が設けられてい
   ることを特徴とする請求項１記載の液相流動床熱交換
   器。
4. 【請求項４】 液体流により流動せしめられる第１の粒
   子群を保持した流動床と、この流動床内に配設され、前
   記液体流との間で熱交換を行う媒体が流動する熱交換部
   と、前記流動床の上流側に設けられ、前記第１の粒子群
   よりも流動化流速が大きい粒子を含んだ第２の粒子群を
   保持し、流路断面積が前記流動床のそれよりも小さい分
   散床と、この分散床の床高さと実質的に等しい高さを有
   し、該分散内に前記液体流を導入する液導入管とを具備
   することを特徴とする液相流動床熱交換器。
5. 【請求項５】 液体流により流動せしめられる第１の粒
   子群を保持した流動床と、この流動床内に配設され、前
   記液体流との間で熱交換を行う媒体が流動する熱交換部
   と、前記流動床の上流側に設けられ、前記の第１粒子よ
   り粒子径が大きく、かつ密度が小さい粒子を含む第２の
   粒子群を保持した分散床と、この分散床に前記液体流を
   導入する液導入管と、を具備することを特徴とする液相
   流動床熱交換器。