JPS6032797B2 - 気体と液体または液体と液体の直接接触による熱交換方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、気体と液体または液体と液体の直接接触に
よる熱交換方法および装置に関するものである。

直接接触による熱交換装置は伝熱隔壁を有しないので伝
熱抵抗が極めて小さいことが特徴である。

隔壁を有する間接的な従来の方法による熱交換の場合の
総括伝熱系数Ｕは通常は数１０〜数１００Ｋｃａぞ／従
・ｈｒ・ｄｅｇであるが、直接接触方法ではこの値が数
１０００〜１００００Ｋｃａ夕／で・ｈｒ・ｄｅｇにも
達することが報告されている。

このように伝熱系数が大きいことに加えて、単位体積当
りの伝熱面積ａ（〆／れ）を大きくとることのできる気
体と液体（以下、気−液と略称する）の直接接触による
熱交換装置を第１図に示す。

第１図において、 １は熱交換装置のケーシング、２は回転ドラムである。

ケーシングーは主ケーシング３と副ケーシング４とに分
かれている。５は気体導入管、５′は気体導入口、６は
気体排出管、６′は気体排出口、７は液体導入管、８は
液体排出管である。

回転ドラム２は軸１１および軸１２を介して軸受（図示
してない）によって支えられる。

軸１２は回転ドラム２にとりつけられたボス１５に固定
される。１７，１８はパッキン、１９はベルト車である
。

ベルト車１９はＶベルト１６を介して動力装置２１に連
結される。回転ドラム２にはその円周方向および長手方
向にわたって多数の噴出孔を設け、噴出孔に噴出管２０
をそう入し、回転ドラム２に固着する。

噴出管２０の先端は回転ドラム２の外壁より適当な長さ
ほど突出させる。なお、回転ドラム２は必ずしも多数の
ノズルを有する第１図ないし第２図に示すようなもので
ある必要はなく、例えば第４図ないし第５図に示すよう
に軸１１，１２の両端に円筒部２２，２３を設けて２２
，２３間に羽根板２４を放射状に一定間隔で取付けた構
成としても特定条件下では第１図のものと同様な作動を
するが、このことについては後述する。

上記のように構成されているのでつぎのように操作され
る。

液体は液体導入管７より主ケーシング３内に導入され、
所定量ほど（少くとも回転ドラムが水没する以上）ため
られる。

つぎに動力装置２１が起動され、その動力はベルト車１
９を介して軸１２に伝えられる。

軸１２の回転により回転ドラム２は軸１１に支えられて
回転する。回転ドラム２が回転を始めると気体は気体導
入管５より副ケーシング４を経てさらに回転ドラム２内
の内壁と藤１２のポス１５との間のすき間より回転ドラ
ム２内に進入し、多数の噴出管２０（以下ノズルという
）より主ケーシング３内の液中に微細かつ一様の大きさ
の気泡となって放出される。

・液中に放出された気
泡は液体と接触しながら浮上し、主ケーシング３の気体
排出口６′より外部にとり出される。

一方、気体との接触を終えた液体は回分または連続的に
液体排出管８より外部に排出され、新しい液体は液体導
入管７より主ケーシング３内に送り込まれる。

勿論、運転条件に応じて液体導入管７および液体排出管
８の取付位置は変更してもよい。なお、第１図には回転
ドラム２は１個だけ示してあるが処理ガス量が多い場合
は複数個とりつけることも可能であり、また、副ケーシ
ングをドラムの両側に取り付けて気体をドラムの両側か
ら送り込むこともできる。

その作動上の特徴は第２図に示すように、回転ドラム２
を回転させたときには回転ドラム２の円筒表面に接して
いる液は円筒表面と殆んど等しい周速度で回転するが、
円筒表面から遠ざかるにつれて速度は急速に小さくなる
ので、ガスの出口であるノズルの先端部においては先端
の閉口部と液との間には大きな速度差が生じている。

その結果、まず関口部付近に静圧の低下を生じるので、
その圧力が液圧以下になればノズル内のガスは吸い出さ
れることになり、液中に自噴することになる。

そして、ノズルを出て行くガスは、液との速度差のため
に強制的に数断作用をうけて分散し、関口部の大きさと
は殆んど無関係に均一微細な気泡となる。また、この強
制敷断作用による直接分散作用は、自噴能力をこえる大
量のガスを強制通気するときにも強力に作用するので、
従来の単に円筒面に多数の４・孔をあげた方式に比べて
数１併音のガス分散能力を有する。以上のごとく円筒面
に多数のノズルを有する回転ドラムは噴出ガスを強制的
に鯛断するため極めて大きな分散能力を有するが、その
理由はガスの噴出部において噴出口とそれに接する液と
の間に大きな速度差を生じさせている点にあり、したが
って、この速度差さえ発生させることができれば回転ド
ラムは必ずしも多数のノズルを有する構造とする必要は
なく、その変形とみられる第３図あるいは第４図のよう
な構造でも一定条件のもとでは噴出口と液との間に大き
な速度差を発生させることができる。

その条件というのは、開口部の面積が円筒面の面積の中
で占める割合、つまり開口比をきわめて大きくすること
であり、このようにすることにより液が実質的に円筒面
に接する面積が少くなり、液が円筒面の回転に追従でき
なくなり円筒面上においてすでに閉口部と液との間に有
効な速度差が生じ開□部を出て行くガスに直接に強力な
灘断作用が作用する。

そこで関口比と速度差との関係をしらべるために次のよ
うな実験を行った。

前述のごとく、開口部とそれに接する液との間に速度差
があるときには、静圧が低下し、その圧力が液深圧以下
となれば自噴現象が起きるが、そのときの速度差を△Ｖ
（ｍ／Ｓ）、静圧の降下を△Ｐ（ｋｇ／で）、液の比重
量をｙＬ（ｋｇ／で）、重力の加速度をｇ（ｍ／ｓｅｃ
２）とすると、Ｐ＝海△Ｖ２となり両辺をｙＬで割って
水頭の形にまとめると△Ｐ：△Ｈ＝安（ｍ）ｙＬ となりこの△日が閉口部の位置の液深以上になれば自噴
が行われる。

一方、△Ｖ＝滋△日 であるから△日がわかれば△Ｖの逆算ができる。

したがって、関口部の回転直径Ｄ（ｍ）の回転ドラムを
液深日（ｍ）の位置で回転させ、次第に回転数をあげて
行き、Ｎｃｒｐｍとなったときに自噴が始まったとし、
回転ドラムの周速度をＶｏ（ｍ／Ｓ）とすれば、ＶＤ＝
匹地 ６０ また、△Ｖ＝滋△日において、この場合は△Ｈ＝日であ
るから△Ｖ／Ｖｏをすべり率と定義しＳで表わすことに
すると、ｓ＝等＝瀬／雫砦 となるから自噴を開始したときの日とＮｃを測定すれば
Ｓを逆算でき、実験結果から計算すると第１図のような
ノズルつきドラムでは約０．９であるのに対し第３図あ
るいは第４図の構造のドラムでも関口比を０．７以上に
とればＳが０．８以上となりノズル形に近いすべり率と
なっていることがわかった。

以上のような分散機構を有する第１図に示した気−液接
触装置によれば良好な運転条件下では、単位体積当りの
伝熱面積ａは約１５００れ／でが得られ、従釆の間接接
触方法に比べて単位体積当りの伝熱面積が圧倒的に大き
いことがわかった。

しかも、熱交換装置の大きさは最終的にはＵ×ａの大き
なもの糧小さくなるので、第１図に示す熱交換装置は従
来の間接的なものに比べて非常にコンパクトになる可能
性をもつている。気−液の接触に限らず液−液の接触方
法においても第１図に示す熱交換装置のほうが従来の間
接的なものより有利であることは勿論である。直後接触
による熱交換装置は以上述べたように非常に優れた熱交
換能力を有しているが、この装置による熱交換方法の必
然的な結果として高温流体と低圧流体の圧力は熱交換装
置内で同一にならざるを得ないという欠点をもっている
。

例えば高温低圧の熱ガス（温度ＴＧ）を第１図に示す熱
交換装置内に導入し、低温の液体（温度ＴＬ）を加熱す
る場合、低温液体の圧力も排ガスと同じ低圧とならざる
を得ないから、その低圧に対応する液体の飽和温度Ｔｓ
がＴＧよりも低いと液体の加熱は最高でもＴＬ＝Ｔｓ＜
Ｔｃとなった時点以上には進まず、液体は沸騰をはじめ
る。

これに比べて伝熱隔壁も有する従来の間接的な熱交換装
置では低温液体の圧力は熱ガスの圧力とは無関係に設定
できるので、伝熱面積が大きくなることをいとわなけれ
ば熱ガス温度に近い温度まで低温液体を加熱することが
可能である。

第６図は本発明の熱交換方法を実施した１実施例である
。

本実施例は気体と液体の直接接触による熱交換装置を示
したものである。第６図のｌａ，ｌｂは第１図と同じく
直接接触による熱交換装置のケーシングを示す。

（２ａ，２ｂ以下はｌａ，ｌｂと同様）ｌａ・・・は低
圧側、ｌｂは高圧側の熱交換装置である。２５ａおよび
２５ｂは低圧側および高圧側のそれぞれ液体送入管、２
６は低圧側熱交換装置→高圧側熱交換装置の間で圧力を
上昇させるためのポンプ、２７は高圧側熱交換装置→低
圧側熱交換装置の間で圧力を減少させるための減圧弁で
ある。

この減圧弁２７の調整によりケーシングｌｂ内の圧力は
、任意の値に設定することができる。２８および２９は
流体輸送管、３０は低圧流体送入管、３１は低圧流体排
出管、３２は高圧流体送入管、３３は高圧流体排出管、
３４は熱媒体である。

ケーシングｌａおよびｌｂの気−液（あるいは液−液）
接触部分には熱媒体３４が満たされている。

熱媒体３４はケーシングｌａにおいて低圧流体送入管３
０によって送られてきた高温の低圧流体と直接接触によ
る熱交換によって熱を受取り、流体輸送管２８を通りポ
ンプ２６によって増庄されてケーシングｌｂ内に入る。
熱媒体３４はケーシングｌｂ内において、高圧流体送入
管３２によって送られてきた高圧流体と直接接触による
熱交換によって熱を奪われて、流体輸送管２９を通り減
圧弁２７で減圧されて再びケーシングｌａにもどる。中
間熱媒体として高温側（ｌｂ側）流体の温度において十
分低い飽和蒸気圧力をもつものを使用すれば、高圧流体
の熱エネルギーを十分回収して低温流体に与えることが
できる。

第６図に示した両熱交換装置は直接接触式であるから、
高圧流体温度に近い温度まで低温流体を加熱することは
殊更、大規模な装置を用いなくても容易に達成すること
ができる。

低温流体が高圧流体温度近くで高い飽和圧力を示すよう
な場合でも、本発明によれば高圧流体−低温流体間の圧
力差を任意に設定することが可能であるから低温流体を
十分加熱することができる。なお、上記の構成において
熱煤を低圧側から高圧側に送り込むためにポンプなどの
増圧装置を使用するので、その駆動エネルギーが必要で
あり、これはエネルギーの損失となるようにみえるが、
実際にはポンプに投入されたエネルギーはポンプ内部、
配管部および大部分は減圧弁における流体摩擦現象によ
って熱エネルギーに変換され、これは高温低圧流体から
熱煤に与えられる熱エネルギーに上乗されて低温高圧流
体の加熱に使用されるから、実際的なエネルギーの損失
とはならない。

この熱交換装置の性能を評価する代表的な数値Ｕ×ａを
従来の間接方法と本発の方法とで比較してみると、従来
の方法では ＵＸａ＝２，５００〜５０，００皿ｃａ〆／で・ｈｒ・
ｄｅｇ．ただしＵ＝５０〜５０皿ｃａそ／で・ｈｒ・ｄ
ｅｇ．ａ＝５０〜１００〆／〆となるが本発明の方法で
は ＵＸａ＝３，７５０，０００〜７，５００，０００ＫＣ
ａクノ〆・ｈｒ・ｄｅｇ．ただしＵ＝５，０００〜１０
，００皿ｃａ夕／で・ｈｒ・ｄｅｇ．ａ＝１，５００／
２＝７５０〆／洲 となる。

この数値は同じ能力の熱交換装置であっても本発明の方
法のほうが従釆の方法とくらべて理想状態においては、
１／７５〜１／３０００の容積になりうる可能性を示し
ている。したがって、比較的高い温度の低圧流体により
低沸点の流体を加熱して高圧の蒸気を得るような場合は
本発明の方法によると従来の間接式熱交換装置に比較し
て格段にコンパクトになる。

最近、中低温の排ガスや熱水からのエネルギー回収が省
エネルギーの見地から重要なテーマとなっているが、従
来の方法を採用した熱交換装置をそのような分野に利用
した場合、容積が非常に大きくなり、システム全体のコ
ストアップになるなどの欠点があった。

これに対して本発明の熱交換装置を使用すれば大幅な小
形化が可能となり、とくに温度差の小さな場所に使用し
た場合の効果は著しい。また、本発明の方法を実施した
他の実施例として、第６図の高圧側の熱交換装置におい
て、高圧流体を高圧流体送入管３２および気体導入管５
ｂより主ケーシング３ｂ内に送り込む代りに、軸１１ｂ
を中空にし、中空軸１ １ｂの一端をロータリジョィン
トを介して高圧流体送入管に接続し、高圧流体を直接、
回転ドラム２ｂ内に送入するようにすると流量などのコ
ントロールがしやすくなる。

また、高圧側の熱交換装置内の設定圧力に相当する液体
の飽和温度以上に熱媒体の温度を高くしてやれば、発生
蒸気の過熱（スーパーヒート）もある程度可能である。

しかし、さらに確実に加熱することが必要な場合には、
他の実施例として第７図に示すように第６図において述
べた低圧側、高圧側熱交換装置の組合せを２組設け、１
段目の熱交換装置で蒸発を、また２段目の熱交換装置で
過熱させるようにすれば高温流体の初溢に殆んど近い温
度まで加熱された蒸気を得ることも可能である。第７図
のｌａ，ｌｂ，ｌｃ，ｌｄは第１図および第６図と同じ
く直接接触による熱交換装置のケーシングを示す。

（２ａ，２ｃ，２ｃ，２ｄ以下はｌａ，ｌｂ，ｌｃ，ｌ
ｄと同様）ｌａ，ｌｂは第１段目、ｌｃ，ｌｄは第２段
目を示し、ｌａ，ｌｃは低圧側の熱交換装置ｌｃ，ｌｄ
は高圧側の熱交換装置を示す。熱媒体３４は第１段目の
低圧側のケーシングｌａにおいて低圧流体送入管３０ａ
によって送られてきた低圧流体と直接接触による熱交換
によって熱を受取り、流体輸送管２８ａを通りポンプ２
６ａによって増圧されて高圧側のケーシングｌｂ内に入
る。

そして、ケーシングｌｂ内において高圧流体送入管３２
ｂによって送られてきた高圧流体と直接接触による熱交
換によって熱を奪われて流体輸送管２９ａを通り、減圧
弁２７ａで減圧されて再びケーシングｌａに戻る。

一方、１段目低圧側ケーシングｌａより排出された低圧
流体は低圧流体の１段目の低圧流体排出管３１ａ，２段
目の低圧流体送入管３０ｃ、回転ドラム２ｃを経て２段
目低圧側ケーシングｌｃ内に送られ、以下、上記１段目
の熱交換装置と同機の熱蝶３４′の循環を行うことによ
り、高圧流体送入管３２ｄによって送られてきた低温高
圧の流体はケーシング１−、ｄ内で熱媒３４′によって
加熱され、蒸発して排出管３３ｄから出て、１段目高圧
側ケーシングｌｂ内に送入され、１段目低圧側熱交換装
置より送られてきた熱媒３４（熱媒３４′より温度が高
い）と熱交換を行い、十分な過熱が行われる。

そして、低圧流体は第２段目の低圧流体排出管３１ｃか
ら、また高圧流体は第１段目の高圧流体排出管３３ｂか
ら系外に取出される。以上においては熱源側の流体が高
温で、この熱エネルギーを熱媒体を介して低温の受熱側
の流体に移すことによりこれを加熱および／または蒸発
させるものとして説明したが、逆に熱源側の流体が低温
つまり冷熱源であって他方を通る流体が高温でこれを熱
媒体を介して冷却および／または凝縮させることも本発
明による方法および装置で可能であり、凝縮させたとき
は凝縮液を熱蝶との比重差などによって分離して系外に
取出せばよい。

またこのような場合に通す流体の熱力学的特性と運転温
度の関係で冷熱源側の圧力が被冷却側の圧力よりも高く
なるときは、第６図の２６などの増圧装置の吸入口と吐
出口をつなぎかえて熱媒の循環方向を逆にしてやればよ
い。このようにすれば、本発明の気体と液体または液体
と液体の直接接触による熱交換方法および装置は直接接
触型の冷却装置あるいは凝縮装置としても作動させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はノズル付きの回転ドラムを使用して気体を液中
に吹き込む装置の一実施例の縦断正面図、第２図は第１
図の回転ドラムの断面図に回転ドラムの表面と噴出管の
先端とにおける圧力差を示す線図を付記した図、第３図
および第４図は回転ドラムの実施例、第５図は第４図の
Ａ−Ａ断面図、第６図は本発明の気−液または液−液の
直接接触による熱交換方法を実施した装置の一実施例、
第７図は第６図の他の実施例である。 １は熱交換装置、ケーシング（ｌａ，ｌｂ，ｌｃ，ｌｄ
は１と同様に熱交換装置のケーシング；以下同様）、２
は回転ドラム、３は主ケーシング、４は副ケーシング、
５は気体導入管、５′は気体導入口、６は気体排出管、
６′は気体排出口、７は液体導入管、８は液体排出管、
１１および１２は軸、１５はボス、１６はＶベルト、１
７および１８はパツキン、１９はベルト車、２０は噴出
管、２１は動力装置、２２および２３は回転ドラムの円
筒部、２４は羽根板、２５ａおよび２５ｃは低圧側の液
体送入管、２５ｂおよび２５ｄは高圧側の液体送入管、
２６，２６ａおよび２６ｃは増圧用のポンプ、２７，２
７ａおよび２７ｃは減圧用の減圧弁、２８，２８ａ，２
８ｃおよび２９，２９ａ，２９ｃは流体輸送管、３０，
３０ａ，３０ｃは低圧流体送入管、３１，３１ａおよび
３１ｃは低圧流体排出管、３２，３２ｂおよび３２ｄは
高圧流体送入管、３３，３３ｂおよび３３ｄは高圧流体
排出管、３４，３４′は熱媒体である。 鯖／図 濠２図 嫌ヲ図 髪４図 嫁ゞ図 嫌６図 嫌７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ある液体Ａを充填したケーシング内に装架され高速
   で回転している多数のノズルを有するドラム中に他の流
   体（気体あるいは液体）Ｂを導き、ノズルからＡ中に噴
   出させるときに、ノズルの開口部とＡとの間の速度差（
   すべり）によりＢを強制的に剪断して微細な気泡あるい
   は液滴としてＡ中に分散させる気−液あるいは液−液間
   の直接接触装置を２基用い、両者のケーシング内には液
   状の熱媒体を充填し相互間を循環させ、且つ、一方のケ
   ーシング内の圧力を他方の圧力よりも高く設定しておい
   て低圧側の熱媒体に低圧高温の流体を接触させて加熱し
   、高圧側に循環して来たその加熱された熱媒体に高圧低
   温の他の流体を接触させて、その流体を加熱および／ま
   たは蒸発させることを特徴とする気体と液体または液体
   と液体の直接接触による熱交換方法。 ２ 液体が充填されたケーシングとこのケーシング内に
   液体中に没した状態で回転自在に設けられた多数のノズ
   ルをその周面に備えた中空の回転ドラムと、この回転ド
   ラム中へ気体または前記の液体とは異種の液体を供給す
   る手段と、前記回転ドラムを回転させる駆動装置とを備
   えた熱交換方法を低圧側と高圧側の２基設け、それぞれ
   のケーシング間を増圧装置を有する流体輸送回路と減圧
   装置を有する流体輸送回路の両者で連結したことを特徴
   とする気体と液体または液体と液体の直接接触による熱
   交換装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の熱交換装置を多段に設
   け前段の低圧側の低圧流体排出管と後段の低圧側の低圧
   流体送入管を連結し、また後段の高圧側の高圧流体排出
   管と前段の高圧側の高圧流体送入管を連結したことを特
   徴とする気体と液体または液体と液体の直接接触による
   熱交換装置。