JPS6032798B2 - 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 - 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係数
Ｕは通常は数１０〜数１００Ｋｃａそ／従・ｈｒ・ｄｅ
ｇであるが、直接接触方法ではこの値が数１０００〜１
００００Ｋｃａ〆／め・ｈｒ・ｄｅｇにも達することが
報告されている。

このように伝熱係数が大きいことに加えて、単位体積当
りの伝熱面積ａ（〆／〆）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は藤１１および軸１２を介して軸受（図示
していない）によって支えられる。

軸１２は回転ドラム２にとりつけるれたボス１５に固定
される。１７，１８はバッキン、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の外壁により適当な長
さほど突出させる。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
の内壁と軸１２のボス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
ら送りこむこともできる。

このような装置においては伝熱面積ａは１０００わ／め
以上とすることも可能で、従釆の間接式熱交換器におけ
る１００わ／淋前後の値に比べ非常に大きい。

従って第１図に示すような熱交換器は単位体積当たりの
熱交換能力が極めて大きいため、従来温度差が小さいた
めに大きな伝熱面積が必要とされ設計上の障害となって
いた地熱発電や緋熱回収等の分野で今後の活用が期待さ
れる。ところで、直接接触型熱交換器には第１図に限ら
ず他にも多くの形式があるが、いずれも熱交換に係る２
流体間に圧力差がとれないことが欠点であった。

このような欠点を改良したものに第２図に示す装置があ
る。

なお、以下の説明においては流体の分散器の形式を特定
のものに限定する必要はないので、第２図以下において
は簡略化して有孔円筒で代表させて示すことにする。第
２図に示す装置においては直接式熱交換器を２台設け、
】ａを低圧側熱交換器ケーシングとし、ｌｂを高圧側熱
交換器ケーシングとしている。

両ケーシングｌａ，ｌｂの基部間を配管２２によって連
絡し、この配管２２の途中に電動機２３によって運転さ
れるポンプ２４を介菱してある。そして、両ケーシング
ｌａ，ｌｂの池側間を配管２５によって連絡し、その途
中に絞り弁２６を介してある。符号２７で示すものは熱
媒体、２８は低圧流体、２９は高圧流体を示す。以上の
ような構造のものにおいては、熱媒体２７はケーシング
ｌａからポンプ２４により排出され、増圧されて配管２
２を介してケーシングｌｂ内に入り、ケーシングｌｂ中
の熱媒体２７は配管２５を介して排出され、絞り弁２６
により減圧されてケーシングｌａに戻り、以後この循環
をくりかえす。

低圧流体２８は流体導入管５からケーシングｌａ内に入
り、熱媒体２７と熱交換し、流体排出管６から排出され
、高圧流体２９は流体導入管５からケーシングｌｂ中に
入り、熱媒体２７と熱交換を行ない流体排出管６から排
出される。

一例として、高温低圧のガスの保有熱量を利用して高圧
のスチームを発生する場合には、熱媒体２７はケーシン
グｌａ中で熱を受けとり、ｌｂにおいて水に熱を与える
サイクルを形成する。

あるいは高圧流体の熱で低圧流体を加熱する場合はケー
シングｌｂ内で熱媒体２７が熱を受けとり、低圧ケーシ
ングｌａ内で熱を与えるサイクル形成する。このように
して、低圧流体と高圧流体との間での直接接触による熱
交換が可能となる。ところで、第２図の装暦において、
高圧側ｌｂを蒸気発生器として作動させる場合を考えて
みると、導入管５から流入する被加熱流体は液体であり
、排出管６から排出される時には気体となるので、高圧
側ケーシングｌｂ内で急激な溶頚変化をするため、流入
・流出する被加熱流体の流量をかなり厳密に管理しても
ケーシングｌｂ内の圧力の変動は不可能である。

同様の圧力変動は、凝縮器として作動させる場合にもお
こる。一方、熱媒体２７の増圧装置として容積型のポン
プなどのように、吐出圧の変化に対して吐出量の変化の
少ないものを使用した場合、駆動回転数を一定にしてお
け‘ま低圧側から高圧側への熱媒の送り込み量は、ほぼ
一定に保つことができる。

ところが、高圧側から低圧側へ熱媒体を送り返す配管２
５に介装されている絞り弁２６はその前後の圧力差が変
化すると、熱媒体の通過流量が圧力差の１／２案に比例
して変化するため装置全体の運転が定常状態にあるとき
は別として、一般には絞り弁２６の開度をその前後の圧
力差の変化に応じてかなり厳密に制御させないと、熱媒
体２７の液面が変動して、順調な運転を続行することは
できない。また、憎圧装置として容積形以外の、例えば
遠心形などのポンプを用いれば、その流量も圧力差の影
響を受け、しかも圧力差に対する流量の変化の方向は絞
り弁と逆方向であるため、液面変動の恐れは更に大きく
なる。本発明は以上のような従釆の欠点を除去するため
になされたものであり、以下、図面に示す実施例によっ
てその詳細を説明する。

第３図は本発明の一実施例を説明するもので、図中、第
２図と同一部分は同一符号をもって示してある。

本実施例にあっては配管２５の途中に減圧装置３０が介
装されている。

この減圧装置３川ま単なる絞り弁ではなく、液圧差によ
って駆動される液圧モー夕である。その形式はいわゆる
ターボ形やまたギャ型・ベーン型・プランジャ型などの
いわゆる容積形など任意のものを使用できるが、一定回
転数のもとでは前後の圧力差の変化によって流量の変化
を生じにくい点では、容積形の方が使用し易い。このよ
うに、増圧装置として容積形の液圧モータを用い、減圧
装置として容積形の液圧モータを用い、両者の流量が等
しくなるようにそれぞれの回転数を設定してお仇よ、低
圧側と、高圧側の熱交換器内の圧力差が変動しても熱媒
体の循環量はほぼ一定に保たれるため安定した蓮転が可
能となる。

なお、第３図に示した実施例は、例えば、一方の高温ガ
スで他方のガスの温度を高めるのに用いられるが、その
場合、両方のガスを直接接触させれば両方のガスが混つ
て不都合が生じるので、本発明では、液体を介して熱交
換を行うようにした。

例えば、ボイラに燃焼用の空気を用いる場合はボイラに
供孫合する空気はできるだけ温度が高い方が燃焼効率が
増大して良い。

一方、ボィラやその他の燃焼装置や焼成装置や反応装置
等からは、高温の排ガスが排出されることが多い。しか
も、その高温の排ガスが、例えばＮＯｘやＳ○×などの
不純なものを含んでいる場合は、その高温の排ガスをボ
ィラの燃焼用空気として使用することはできない。した
がって、そのような場合は、本発明のように、液体を介
して空気等を加熱する。第３図において、例えば、高圧
側熱交換器ケーシングｌｂ用の流体導入管５から高圧流
体２９として燃焼設備等から送られて来る高温の排ガス
を導入し、一方の低圧側熱交換器ケーシングｌａ用の流
体導入管５から低圧流体２８として燃焼用の空気を導入
すれば、まず、高温の排ガス２９でケーシングｌｂ内の
熱媒体２７が加熱され、排ガス２９はケーシングｌｂの
排出口６から排出される。

そして、排ガス２９によって加熱されたケーシングｌｂ
内の熱媒体２７は、ポンプ２４の作用にともなって、配
管２５内を通って一方のケーシングｌａ内に移動する。
このケーシング１ａ内の高温になった熱媒体２７中にケ
ーシング１ａ用の流体導入管５から燃焼用の空気２８を
供給すれば、空気２８は温度が高められてケーシングｌ
ａの排出口６から拝出される。この温度が高められた空
気２８は、前記したように、例えば、ボィラ等の燃焼用
の加熱空気として使用する。ケーシングｌａ内で空気２
８との熱交換で温度が下った熱媒体２７はポンプ２４の
作用でケーシングｌｂ内に送られ、ケーシングｌｂ内で
前記したように高温の排ガス２９で加熱されて再びケー
シングｌａ内に移動する。このようにして、順次熱交換
が続けられる。そして、熱媒体２７はケーシングｌｂ内
から配管２５を通ってケーシングｌａ内へ移動する途中
で液圧装置としての液圧モータ３０を駆動させる。一方
、以上のような構造を採用した場合のもう一つの利点は
減圧装置としての液圧モー外ま圧力ェネルギの回収装置
として作動するため、その出力軸から流量と圧力差に応
じた動力を回収できることである。

回収方法としては、発伝機を援続して電力として回収す
ることなども可能であるが、より実際的な方法として液
圧モータの出力軸とポンプの駆動軸を連結して減圧装置
で回収した動力をポンプの駆動動力の一部として返還す
ることにより、ポンプの駆動動力の節減を計ることであ
る。

また、このように連動構造を採用すると、熱負荷の増減
に応じて熱媒の循環量を変化させるときも、糟圧装置の
回転数を変えるだけで両者の流量が比例して変化するた
め、制御も楽になる。

上述のようにポンプと液圧モータの両者の軸を連動させ
るときには、同一回転数において両者の流量が等しいと
き、あるいは一定比率であるときには第４図の如く、直
結あるいは固定変速比の増（減）遠機３１を介して連結
すればよい。しかし、減密にはこのような特性のポンプ
やモータを製作することにはかなりの困難が伴い、また
、たとえ実現できても圧力差が変化すれば両者の流量に
差が発生することは避けられない。このような不都合を
解消するためには、第５図に示すようにポンプ２４と液
圧モータ３０との間を可変変速機１３２を介して連結し
、ケーシング内の液面の高さを液面制御装置３３により
検出し、その高低に応じて変速装置の変速比を変化させ
るような制御をすれば、ケーシング内の液面は、熱媒体
２７の循環量や、両ケーシングｌａ，ｌｂの圧力差が変
動しても常に一定に保つことができ、安定した状態で運
転できる。

また、変速比を制御する代りに、可変吐出型のポンプや
モータを使用してポンプあるいはモータの１回転当りの
吐出量を制御するようにしても、同様の効果が得られる
ことは勿論である。

更にまた、この種の熱交換システムを詳細に検討すると
、その熱交換能力が極めて大きいため、熱媒の循環量も
大量となる。

この結果、熱媒体の循環量と対比してかなり容積の小さ
いケーシング内の液面を一定に保つためには、大流量で
運転しているポンプ・モータに対して極めて小さい流量
変化を生じさせる様に変速機の変速比や吐出塁を調節し
てやる必要があり、システムが大容量化した場合には制
御上の支障を生じる恐れがある。このような場合には第
６図に示すようにポンプ２４と液圧モータ３０とは直結
するかあるいは固定減速比の増（減）遠機３１で連結し
ておき、その場合に生じるであろうと予測される両者の
最大の流量の差（これは全循環量に比べるとはるかに小
さい）を最大流量とするようなもう一つの小容量ポンプ
あるいは液圧モータ３４をケーシングｌａ・ｌｂ間を連
結するもう一本の配管３５に介袋し、熱媒体の流量を制
御することによってケーシング内の液面高さを制御する
方が有利である。もちろん、ポンプ２４、液圧モータ３
０の流量を粗調整するために、第５図において示した様
な変速比あるし、は吐出量の調節を併用すれば３４の負
担が軽くなり、制御上更に楽になるのは当然である。と
るで、第６図において、増圧装置２４の流量が減圧装置
３０のそれよりも大きく設計されているときは付加する
回路には液圧モータを、またその逆のときにはポンプを
つけることになるが、一般に液圧モー夕を逆駆動すれば
ポンプになるため、増庄装層２４と減圧装置３０との流
量の差に応じて、３４の回転方向・回転数あるし、は吐
出量を制御すれば配管３５を流れる媒体の流れの方向流
量は任意に制御することが可能となる。

また、調節すべき流量が小さければ弁のみによる制御も
行ない易いので、場合によっては増圧装置の流量を減圧
装置の流量よりもも若干大きくしておき、上記の付加し
た回路３５の液圧モータ３４の代り‘こ小型の絞り弁を
用いることもできる。

以上は熱媒体を介して圧力差のある２流体間の熱交換を
行う場合の本発明の実施例であるが、例えば熱水によっ
て低沸点有機物を蒸発させるような場合には、熱水が前
述の説明における熱煤に相当すから、これを直接接触蒸
発器に加圧して送り込めばよいので、熱媒を加熱する為
の直接接触熱交換器は不要となる。第７図は地熱水や海
水等によって、低沸点有機物、例えばフロンやブタン、
ＬＮＧ等を蒸発させる場合の本発明の実施例である。２
２によって、直接地熱井や海から取り入れられた熱水や
海水３６は、前述の熱媒体と同様の経路をたどって２４
により増圧され、ｌｂにおいて低沸点流体と熱交換をし
、２５を通り、３０‘こおいて仕事をすることにより減
圧されて排出される。

第７図の装置を例えば海水等による水蒸気の凝縮器など
として運転する場合には、器内の圧力が負圧になるので
海水の流れの方向は上記と逆になるが、ポンプ・モータ
の組み合わせによって得られる本発明の効果は変らない
。

以上の説明から明らかなように本発明によれば、特許請
求の範囲に記載したような熱交換器を用いたので、一方
の流体と液体間で熱交換を行い、この熱交換された液体
と他の流体間で熱交換を行うことができ、前記一方の流
体と他の流体を直接接触させることなく、前記一方の流
体と他の流体間で間接的に熱交換させることができる。

したがって、例えば、高温の排ガスにより、液体の熱媒
体を介して空気を加熱し、ボィラの燃焼用空気として用
いることにより、燃焼効率を良くすることなどもできる
。また、本発明においては、熱交換を行う２個のケーシ
ング間を連結した一方の配管中に液圧ポンプである増圧
装置を設け、他方の配管中に液圧モータを設けたので、
この油圧モータによって他の装置を作動させることがで
きるなど、動力の回収ができ、システム全体としてェネ
ルギ効果が高くなる。

また、前記配管中の増圧装置の駆動軸と油圧モータの出
力軸を直接的にあるいは変速装置を介して連結したので
、熱交換する２つの流体間の圧力の差が変動しても、そ
れに対応して熱交換器内の液面しベルの調整を行うこと
ができ、流体の流入量すなわち循環量を変化させても、
レベルの調整がやり易い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従釆構造を説明する縦断正面図、第２図は他の
従来構造を説明する概略構成図、第３図〜第７図は本発
明のそれぞれ異なった実施例を説明する概略構成図であ
る。 １，ｌａ，ｌｂ・・・・・・ケーシング、２・・・・・
・流体分散器（ドラム）、２２，２５，３５・・・…配
管、２４・・・・・・増圧装置、２６・・…・絞り弁、
２７・・・・・・熱媒体、２８・・・・・・低圧流体、
２９・・・・・・高圧流体、３０…・・・液圧モータ、
３１・・・・・・増（減）速機、３２・・・・・・可変
増（減）遠機、３３…・・・液面制御装置、３４・・・
・・・ポンプあるいは液圧モータ、３６・・・・・・熱
りＫあるいは海水、５・・・・・・流体導入管、６・・
・・・・流体排出管、２３・・・・・・電動機。 嫌／図 第２図 第３図 豹４図 籍ゞ図 第５図 残７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 液体を充填した２個のケーシングを２個の配管で連
   結し、各ケーシング内にケーシング内の液体とは別の流
   体をそれぞれ分散させて前記液体と接触させるための分
   散手段をそれぞれ備えた直接接触式の熱交換器において
   、前記２個のケーシングを連結した２個の配管のうち、
   一方の配管中に増圧装置を設け、他方の配管中に循環す
   る液体によつて駆動される液圧モータを設け、この液圧
   モータの出力軸と前記増圧装置の駆動軸を直接的にある
   いは固定または可変の変速装置を介して連結したことを
   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。