JPS5918382A - 直接液−液接触式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は地熱および排熱利用の発電プラントなどに用い
られる直接液−液接触式熱交換器に関するものである。

従来のこの種熱交換器には容積形並行流方式、容積形対
向流方式および表面接触形方式があり、これらの熱交換
器は第１図ないし第３図に示すとおりである。すなわち
第１図の容積形並行流方式のものは、高温熱媒体Ｃの流
入口１ａと熱交換後の高温熱媒体Ｆの流出口ＩＣおよび
低沸点媒体蒸気Ｅの排出口１ｂを有する容器１内に低沸
点媒体りの噴出枝管２を設けると共に、任意数の仕切板
４を並行に設置した構成からなる。

高温熱媒体流入口１ａから容器ＩＡ内に流入した加熱側
の熱媒体Ｃは前記噴出枝管２の間を流通し、仕切板４に
より形成された空間６で熱交換された後に高温熱媒体Ｆ
となって流出口ＩＣから排出される。一方、被加熱側の
低沸点媒体りは噴出枝管２の噴出孔３より空間６へ噴出
され、この噴出された低沸点媒体りは高温熱媒体Ｃと熱
交換し、液体から気体へ相変化して蒸気泡５となる。こ
の蒸気泡５は空間６中で合体し彦がら上昇して液面を離
脱して低沸点媒体蒸気Ｅとして排出口１ｂよジ排出され
る。上記のように仕切板４を設けることにより、蒸気泡
５の合体はその合体範囲および大きさが制約されるため
、容器ＩＡ内における気泡の片寄シ注減少して均一な密
度分布となるから、渦の発生および流れの片寄りを防止
して性能の向上をはかることができる。

ところが、上述した並行上昇流による熱交換方式では、
低沸点媒体の発生蒸気により高温熱媒体を気泡ポンプと
して自然循環させると、ポンプ動力としての消費電力は
少なくてよいが、前記両媒体を強制循環させれば、特に
低沸点媒体側のノズル部における圧力損失が太きいため
、サイクル内での所要動力は大きくなるがどの問題があ
る。

捷た低沸点媒体をノズルで初期微粒化する際に、そのノ
ズル部の構造を検討する必要がある。すなわちノズル部
の構造の如何によシ低沸点媒体液滴の分散状態が異なり
、仕切板４で区切られた各熱交換要素内で伝熱面積を有
効に利用することができない欠点がある。

また熱媒体の温度条件および蒸気長（ノズル出口から熱
媒体の自由液面までの距離）の決定の仕方により、蒸発
器としての作動に関し問題がある。

例えば熱媒体の温度が低く、蒸発長が小さい場合には、
低沸点媒体が完全に沸騰しないで未沸騰分の低沸点媒体
液滴を含んだ状態となり、容器内における液−液の分離
および気液分離が困難である。

さらに二媒体の組合せによっては小過熱度の条件である
と、二媒体がある程度溶解してエマルジョン化する可能
性があるので、本熱交換方式は液−液分離に関して不適
格である。逆に熱媒体の温度が高く、蒸発長が大きい場
合には、発生する低沸点媒体蒸気が可なυ過熱されて熱
分解すると共に、不活性ガスを発生する恐れがある。

したがって、強制循環方式で二媒体が並行上昇流による
熱交換を行うことは、ある限られた運転条件のもとで、
しかも圧力損失の少ない機構のノズルにより低沸点媒体
の初期微粒化をはかり、熱媒体容積を有効に利用しなけ
れば、高い熱交換効率をうろことはそれ程期待できない
。

一方、第２図に示す容積形対流方式のものは、温水への
流入口６と流出口９およびイソブタンＢの流入口１０と
流出口１３を有する容器ＩＢ内に複数個の流路６を形成
する仕切板４、複数個のノズル８を有する温水分配室７
および複数個のノズル１２を有するイソブタン分配室１
１を設けた構造からなり、温水ＡＦｉ流入口６、分配室
７およびノズル８を経て流路６内に流入して下降する。

一方、イソブタンＢは流入口１０、分配室１１およびノ
ズル１２を経て流路６内に流入して上昇する。

このように温水ＡとイソブタンＢは流路６内を対向的に
流通して熱交換を行い、水滴のかたまりを生ずることが
ないから、熱交換器の性能低下を防止することができる
ので、小形化をはかり、発電システムガどに適用可能で
ある。

しかし、上述の対向流熱交換方式では、第１図に示す並
行流方式のものと同様に仕切板４で仕切られた流路、す
なわち一つの熱交換要素について考案すると柚々の問題
点がある。例えば熱交換後の液−液分離まで考えると、
二媒体の比重差を利用した予熱器として使用する際には
問題はない。

ところが、蒸発器として上述した対向流方式を採用する
と、低沸点媒体であるイソブタンＢを容器ＩＢの流入口
１０、供給室１１およびノズル１２を経て流路６内に上
向きに流入する際に、温水Ａは流入口６、供給室７およ
びノズル８を経て流路６内に下向きに流入するので、流
路６内でイソブタンＢが液相から気相へ相変化すること
によりボイドを発生する。このため温水の流れ方向とイ
ソブタン蒸気の発生による流れ方向との相違から不安定
な流動を生ずるようになる。

！！、た対向流方式は並行流方式に比べて二媒体の混合
、攪拌作用が激しくなるので、低沸点媒体の発泡は促進
されるが、熱交換容積が太きいときには過熱蒸気を発生
し易くなる欠点がある。また熱交換する二媒体はノズル
８，１２によりそれぞれ適宜大きさの液滴に分散される
が、この際にノズル機構、特に下部のノズル１２の圧力
損失を考慮する必要がある。さらに実験条件として、小
過熱度および小蓋気長で二媒体が熱交換を行うと、発生
蒸気による気液分離は容易であるが、二媒体の溶解によ
るエマルジョン化した液−液の分離は困難であり、未沸
騰分の低沸点媒体液滴の流出は必ず不安定流動を生ずる
。

」１記のような現象を考慮すると、対向流方式の熱交換
器は、低沸点媒体の相変化を伴わない予熱器としては液
−液分離を含めても非常に有用であるが、相変化を伴う
蒸発器として考えた場合には、熱交換後の低沸点媒体蒸
気および未沸騰液滴の分離機構として、インブタンＢが
流出口１３から流出した後に数段の気液分離器を設ける
必要があるので、実際には熱交換器が小形化されても、
その補機類に手間がかかる々どの欠点がある。

さらに第３図に示す従来の表面接触方式の熱交換器は、
容器ＩＣ内に高温熱媒体槽１４および低沸点媒体ノズル
１６を複数組設けた構造からなり、高温熱媒体槽１４内
に溜められた高温熱媒体１５の自由表面上に、ノズル１
６から低沸点媒体１７を微細化して噴射することにより
、高温熱媒体槽１４内で二媒体が熱交換する。この際、
沸騰し蒸発した低沸点媒体蒸気Ｅは、容器ｌｃ内の空間
を上昇して外部へ流出する。このように高温熱媒体１５
の自由表面上で二媒体が直接に接触する場合には、低沸
点媒体が余分に熱交換されるから、過熱蒸気が発生する
恐れはない。すなわち低沸点媒体は液体から蒸気へ相変
化し、飽和蒸気温度に近い状態で流出する。

ところが、表面接触方式の熱交換器は過熱蒸気の発生を
防ぎ、気液分離機構が容易である長所を有する反面、次
に述べるような短所が （１）　　ある限られた高温熱媒体槽１４の自由液面と
衝突する低沸点媒体１７の接触面積を増加するため、ノ
ズル１６で低沸点媒体１７をがなり均一微粒化する必要
がある。したがって、ノズル１６の構造の工夫はもとよ
りノズル１６部への加圧のためにポンプ吐出圧を上昇さ
せる問題があるので、ノスル部における圧力損失が大き
いから、ポンプの所内動力は犬きくなる欠点がある。

（２）高温熱媒体槽１４の深濱と高温熱媒体１５の温度
との条件により熱交換性能へ大きな影響を与える。例え
ば高温熱媒体１５の深さに関係なく、高温熱媒体温度の
大きな過熱度の場合には、微細化された低沸点媒体液滴
は、例えば高温金属面をはねまわる水滴と同じようなラ
イデンフロスト影響を生ずる。すなわち高温熱媒体の自
由液面と回転楕円体状の低沸点媒体液滴とは、薄い蒸気
層を介した膜沸騰による熱伝達が起るので、熱伝達率が
小さい上に二媒体の接触面積も液滴下部のみとなり、熱
移動量および接触時間は小さい。

（３）高温熱媒体温度の小豆な小過熱度の場合には、１
媒体間の熱交換は核沸騰による現象に支配されるため、
低沸点媒体液滴は蒸気層を形成しないからゆるやかな蒸
気爆発的現象を生ずる。したがって、前記膜沸騰の場合
に比べると、接触面積は増加する傾向があるが、その逆
に接触時間が小さくなるので、熱移動量としてはそれ程
犬差はない。これをカバーするため、高温熱媒体槽１４
内部を有効に利用しようとする場合、第１図および第２
図に示すよりな容積形直接熱交換器内へ液滴を分散させ
るより至難で、高温熱媒体槽内の高温熱媒体の有効利用
は期待できない。

（４）実機への適用を考えてこれらの一要素をモジュー
ル化すると、高温熱媒体１４と低沸点媒体ノズル１６を
容器ＩＢ内に配置する場合、容器ＩＢ内の空間利用が適
切でないため、容積形に比べて直接液−液接触式熱交換
器として期待するような小形化は不可能である。

本発明は上記にかんがみ高温熱媒体液と低沸点媒体蒸気
との気液分離を容易にすると共に、前記媒体蒸気の過熱
を行止して熱交換効率の向上をはかることを目的とする
もので、容器内に任意数の平板を多段に設置してじくざ
く状流路を形成し、その最上段の平板上に低沸点媒体と
高温熱媒体を供給し、各段の平板上に前記両媒体を薄液
膜状態に流して直接に接触しながら熱交換させるように
したことを特徴とするものである。

以下本発明の実施例を図面について説明する。

第４図に示す第１実施例において、１８は上。

下端に低沸点媒体蒸気Ｅの排出口１９および熱交換後の
高温熱媒体Ｆの排出口２ｏを有する容器、２１ａ〜２１
ｎは容器１の両側の内壁に交互に突設されて多段に設置
された平板で、これらの平板２１ａ〜２１ｎにより、容
器１内にその上部から下部に至るじくざく状流路２２が
形成されている。

２３は容器１内の頂部に設置されたデミスタ、２４．２
５はそれぞれ高温熱媒体Ｃおよび低沸点媒体りの供給管
で、この両供給管２４．２５は容器１８の上部に取付け
られている。前記供給管２４．２５の先端２４ａ、２５
ａは第５図に示すように断面が矩形状に開口され、容器
１８内に設けた最上段の平板２１ａ上に重合するように
取付けられている。また平板２１ａ〜２１ｎには第６図
に示すように、液流出防止用カバー２１ｘと液流出誘導
板２１ｙが取付けらね、ている。

次に上記のような構成からなる本実施例の作用について
説明する。

高温熱媒体Ｃおよび低沸点媒体りはそれぞれ供給管２４
．２５の開口２４ａ、２５ａから最上段の平板２１ａ上
に薄液膜の状態で供給をれ、その平板２１ａ上を流通す
る過程で両媒体Ｃ，Ｄは直接に接触しながら熱交換を行
う。このような熱交換は各段の各平板２１ｂ〜２１ｎ上
においても同様に行われるため、低沸点媒体りは完全に
沸騰して蒸気化する。

上記のように薄液膜状の二媒体Ｃ，Ｄを直接に接触させ
て熱交換すると、容器１８内の空間を有効的に利用でき
、かつ気液分離が容易であるため、別個に気液分離器を
設ける必要がない。また二媒体Ｃ，Ｄの供給口２４ａ、
２５ａは断面が矩形状に形成され、圧力損失もそれ程大
きくないので、二媒体Ｃ，Ｄ’ｉ７供給する供給口２４
ａ、２５ａの位置までの揚程をポンプがもっていればよ
いから所内動力は小はくでよい。しかも供給する各媒体
Ｃ，Ｄは小流量で十分に薄液膜を形成することができ、
かつ比重の大きな低沸点媒体りと高温熱媒体Ｃをそれぞ
れ上部および下部から供給することにより二媒体Ｃ，Ｄ
の混合を促進させることができる。このため二媒体Ｃ，
Ｄは直接に接触して熱交換を行い、多段の平板２１ａ〜
２１ｎ上を薄液膜状態２７で流通しながら低沸点媒体り
は完全に沸騰するので、最下段の平板２Ｉｎを通過した
高温熱媒体Ｃはほとんど未沸騰液滴を含まない状態で排
出される。

次に薄液膜状の二媒体の熱交換状態を第７図について説
明する。

第７図（ａ）に示すように二媒体Ｃ１Ｄは供給口２４ａ
、２５ａから流出し、最初は二層状態を保っているが、
徐々に二媒体Ｃ，Ｄの比重差により混合が進行しミその
液−液界面上で気泡２６の巻き込みによる発泡が始まる
。そして、冷媒内に発生した気泡２６は成長し、やがて
冷媒蒸気Ｅは上部の薄液膜を破って流出し容器内の空間
を上昇する。この際、本実施例のような薄液膜二層状態
での熱交換方法によれば、第７図（ｂ）に示すように飽
和蒸気温度Ｔ　ｒ　ｍに達した冷媒蒸気Ｅが余分に過熱
されることはない友め、蒸気過熱により低沸点媒体りが
熱分解する心配はない。

本実施例では供給管の供給口２４ａ、２５ａを重合、す
なわち両供給ロ２４ａ、２５ａ間の角度を零としたが、
これに代り第８図（ａ）（ｂ）に示すようように設置し
てもよい。このように構成すれば、各供給口から流出し
た薄液膜状の二媒体は、その供給口間の角度を大きくす
るに伴って、前記二媒体の流速が増加して衝突効果も向
上するから、その二媒体の混合を促進させることができ
る利点がある。

第９図に示す他の実施例では、第１段目（最上段）の平
板２１ａ、、２１ａ、を適宜空隙２８を有するように対
役し、第２段目の平板２１ｂを前記空隙２８の直下に設
置し、第３段目および第４段目の各平板をそれぞれ第１
段目および第２段目の平板と同様に設け、以下同様に平
板を多段に設置して一組のじくざく流路２２ａ、２２ｂ
が形成されており、また低沸点媒体供給管２４の供給口
２４ａを最上段の平板２１ａ、上に、高温熱媒体供給管
２５の供給口２５ａを最上段の平板２１ａ。

上にそれぞれ開口させた構造からなる。その他の構造は
第４図に示す実施例と同一であるから説明を省略する。

このような構成からなる実施例では、二媒体は１段目の
平板２１ａ、、２１ａ、上で薄液膜を形成した後、第２
段目の平板２１ｂ上に流下し、ここで直接に接触して熱
交換が行われる。前記平板２１ｂ上に流下する際に、二
媒体は衝突により混合が可なり促進されるため、その熱
交換性能は向上する利点がある。

以上説明したように本発明忙よれば、各器内に多段に設
けた平板上に高温熱媒体と低沸点媒体を薄液膜状態に流
すことにより、低沸点媒体を完全に沸騰させることがで
きるので、気液分離を容易にすると共に、低沸点媒体の
蒸気の過熱をＭ止して熱交換効率の向上をはかることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は従来の直接液−液接触式熱交換器
の縦断面図、第４図は本発明の直接液−液接触式熱交換
器の一実施例を示す縦断面図、第５図および第６図は同
実施例の両媒体の供給口の斜視図およびその両供給口を
取付は念平板の斜視図、第７図（ａＪ（ｂ）は平板上に
おける低沸点媒体の気泡発生状態を示す図および二媒体
の温度状態図、第８図（→（ｂ）は二媒体の供給口の設
置手段の変形例を示す断面図、第９図は本発明に係わる
他の実施例の縦断面図である。 １８・・・容器、２１ａ〜２１ｎ・・・平板、２２，２
２ａ。 ２２ｂ・・・じくざく流路、２４ａ、２５ａ・・・供給
口、Ｃ・・・高温熱媒体、Ｄ・・・低沸点媒体。 Ｚｊ図 不　　２　図 第３図 Ｅ ↑ 第４図 −７ 第　５　口 劉　６　図 禎　７　図 （久う （ｂ） 第　Ｆ３　　図 （良） 第　９　　目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、容器内で高温熱媒体と低沸点媒体とを直接に接触さ
   せて熱交換を行わせ、低沸点媒体を沸騰させる直接液−
   液接触式熱交換器において、前記容器内に任意数の平板
   を多段に設置してじくざ〈状〆流路を形成し、その最上
   段の平板上に低沸点媒体と高温熱媒体を供給し、各段の
   平、板上に前記両媒体を薄液膜状態に流すようにしたこ
   とを特徴とする直接液−液接触式熱交換器。 ２、上記多段に設けた平板により一組のじくざく状流路
   を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の直接液−液接触式熱交換器。 ３、低沸点媒体と高温熱媒体の各供給口をそれぞれ断面
   矩形状に形成すると共に重合させたことを特徴とする特
   許、請求の範囲第１項一またけ第２項記載の直接液−液
   接触式熱交換器。 ４、低沸点媒体と高温熱媒体の各供給口を適宜角度を有
   するようにそれぞれ配設したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいづれか１項記載の直接液
   −液接触式熱交換器。