JPS61180889A - 流動層熱交換器 - 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】 ［発明の目的］ １にへ秩肚た１ 本発明は、高温ガスから低温ガスへ熱を伝えることを目
的とした流動層を利用した熱交換器に関する。

凭迷！すｌ艷 高温ガス、例えばボイラ等の燃焼排ガスを用いて低温ガ
ス、例えばボイラ等の燃焼用空気を加熱することによっ
てボイラ等の燃料溜ｉｔを低減させる様な目的を達する
ために、従来上り種々の形状の熱交換器が用いられてき
た。

その代表的なものに、金属製の管の内外面の一方に高温
ガス他方に低温ガスを流し、金属管の壁を通して熱を伝
熱する形式の管式熱交換器と、円筒形の容器内に多数の
金属板が軸方向に収容されている蓄熱体を回転させ、交
互に高温が又と低温ガスとに接触させることにより熱を
伝達する形式の回転式熱交換器とが有る。

明が　　しよ゛とする　　ヴ 上記管式熱交換器は、構造が簡単で製造が容易である反
面、熱交換性能が低く必要性能を得るためには装置が大
型化するという欠点を有している。

一方、上記回転式熱交換器は、性能が高く装置が小型に
なるが、蓄熱体が回転するため構造が複雑になり、また
高低温両ガス開の気密を完全に保つことができないので
漏洩が発生するという欠、αを有している。

さらに画形式の熱交換器は、ともに極めて温度の高いガ
スや汚染物質や腐食物質を大量に含むガスに対しては適
用が困難であるとか、特別な対策を必要とするとかの欠
点を有している。

本発明による流動層熱交換器は、前記の従来型熱交換器
の分類の中では回転式熱交換器に類似するが、蓄熱体と
して多数の金属板の代りに粒子を用い、蓄熱体が回転す
る代りに粒子が高低温両ガス間を循環する点で、従来の
回転式熱交換器とは異なっている。

本発明による流動層熱交換器を従来の回転式熱交換器と
くらべた場合、多くの長所が挙げられる。

例えば、流動層熱交換器は構造が簡単で製造が容易なこ
と、高低温両ガス間の漏洩が防止できること、高温ガス
や汚れガス又は腐食性ガスに対しても容易に適用できる
こと、高温ガスと低温ガスとが離れた位置にあってもガ
スグクトを延長することなく熱交換できること等である
。

本発明による流動層熱交換器の顕著な特徴は、高さ２０
センチメートル又はそれ以下の流動層を用いる点と傾斜
させたガス分散板を用いる点にある。

従来上り一般的に用いられている流動層装置に於いては
、流動層の高さが１００センチメートル或はそれ以上あ
る場合が多く、この様な深い流動層ではそれを通過する
ガスの圧力損失も膨大なものとなり、一般的に熱交換器
として用いることは極めて困難であった。

また、深い流動層に於いては、層の底部、即ちガス分散
板上面と層の表面とでは大きな圧力差が存在しているの
で、ガス分散板より噴出されたγスは最初は圧縮されて
いるため小さな気泡となっているが、層内を上昇するに
したがって、膨張し層表面では大きな気泡となって破裂
するため、粒子が噴き上げられて装置外へ飛散するとい
う欠点も存在した。

これに対し、本発明による流動層熱交換器に於いて採用
されている様な浅い流動層ではガスの圧力損失は一般的
に熱交換器として許容される程度であると同時に、気泡
の破裂による粒子の飛散を実用上問題とならない程度の
少ない水準に保つことができる。したがって、従来の流
動層では粒子の飛散を防止する対策として、流動層の上
部に膨大な空塔部を必要としたため、装置が極めて大形
化する欠点があったが、本発明による流動層熱交換器で
は、空塔部は小さなものでよく、装置寸法を非常に小さ
くすることが可能になる。

また、従来の流動層装置ではガス分散板は水平に設けら
れているが、流動層が非常に高いため、装置の一方から
粒子が供給され他方から排出される様な粒子の流れが存
在しても、流動状態そのものにはあまり影響を及ぼさな
かった。

しかし、本発明による流動層熱交換器の様に浅い流動層
では、粒子の水平方向の流れが不均一にかふとガスの噴
撫鯖は霊のＨｊ　’Ｊｐ　ｈｅ髭ｎ　舶ｆｌｈ　（）　
、１！Ｉ！　Ａｔ阻害される恐れがあるが、ガス分散板
に粒子の入口側を高く出口側を低（する様な方向で適度
の傾斜を与えることにより、均一な粒子の流れを確保す
ることができる。

また、傾斜の角度を調整することにより粒子の流動層内
に於ける滞留時間を変化させることができるので、最適
の熱交換性能を容易に得ることができる。

本発明の目的とするところは、流動層粒子を円滑に流下
せしめて均一な浅い流動層を確保すると共に、高低両ガ
スの位置が相当離れていてもガスの圧力損失や放熱損失
もなく熱交換することが可能で、また装置も安価に製造
することのできる流動層熱交換器を提供することにある
。

［発明の構成］ ヴを　　するための 本発明の流動層熱交換器は、高温が六個ダクトと低温ガ
ス側ダクトとは隣接せずに離れた位置に配置すると共に
、各ダクトはそれぞれ独立した傾斜ガス分散板と粒子の
入口及び出口とを備え、流動層粒子はまず高温ガス側ダ
クト側に供給され傾斜したガス分散板上で高さが２０セ
ンチメートル又はそれ以下の浅い流動層を形成しつつ流
れ下り、加熱された後コンベア等の輸送装置により低温
ガス側ダクトの位置まで輸送されて冷却され、その後、
粒子返送装置により高温ガス側ダクトの位置まで返送さ
れることを特徴とするものである。

Ｋ（鮭 以下に本発明を実施例に基き、更に詳細に説明する。

第１図は、本発明による流動層熱交換器の一実施例の側
面図である。

本発明による流動層熱交換器に於いては、高温ガス側ダ
クト７６と低温ガス側ダクト７９とは隣接しておらず相
当能れた位置にあり、高温ガスは入ロア７より入ってガ
ス分散板９０および流動層８３を通過して出ロア８より
排出され、低温ガスは入口８０より入ってガス分散板９
１および流動層８７を通過して出口８１より排出される
。

一方、粒子は高温ガス側の入口８２より入って、流動／
［８３において加熱された後、出口８４より排出されて
コンベア等の輸送手段８５により低温ガス側の入口８６
まで輸送され、流動層８７において冷却された後、出口
８８より排出され、コンベア等の輸送手段８９により高
温ガス側の入口８２まで返送される。

ここで使用される粒子としては、平均粒径が０゜４ミリ
メートルから１．２ミリメートルの間にある粒状のアル
ミナ或はシリカが代表的であるが、これ以外の寸法及び
材質の粒子を用いることもある。

高温ガス側ダクト７６及び低温ガス側ダクト７９の断面
積は、出口におけるガス８４及び８８の流速が上記の様
な使用粒子の最小流動化速度の２倍乃至５倍程度になる
様な大きさにする。この様なガス流速の下では、流動層
８３及び８７は流動せざる状態の時の高さの１．２倍乃
至３倍程度の高さに膨張している。ガス分散板９０及び
９１の傾斜角は、流動／１８３及び８７がそれぞれガス
分散板９０及び９１上を通過するに要する時間が５秒乃
至６０秒程度になる様に選、！ｚ。

本発明による流動層熱交換器が達し得る理論温度効率は
、高温ガスと低温ガスとの熱容量、即ち流量と比熱との
積が等しい場合５０パーセントであるが、実際的には粒
子の粒径と物性値、ガスの流速と物性値、粒子の滞留時
間、流動層の高さなどの要因によって左右される。

本実施例に於ける実際温度効率を粒子の滞留時間及び流
動層高さを変数として具体的に示すと次の様になる。

高温ガス・・・空気、入口温度５７０℃、流量１４３０
ＯＮｍ３／ｈ低温ガス・・・空気、入口温度１７０℃、
流量１２００ＯＮｍ３／ｈ上表の結果から解るように、
粒子の滞留時間と関しては時間が短かいほど温度効率が
高く、後者に関しては高さが高い程温度効率が高くなる
という傾向があることが解る。

本発明の流動層熱交換器に於いては、流動層の高さを２
０センチメートル又はそれ以下としているが、その理由
の１つは先に述べた様にガスの圧力損失を実用上可能な
水準以下に抑え且つ粒子の飛散を少なくするためである
が、他の理由は上に述べた様な流動層の高さと温度効率
との関係があるものの、詳細には指数函数的な関係にあ
り、流動層の高さを２０センチメートル以上に高くして
も温度効率の上昇はあまり期待できないからである。

本実施例に於ける流動層高さと温度効率との関係を具体
例によって示すと次の様になる。粒子の滞留時間はいづ
れも２０秒である。

高温ガス・・・空気、入口温度５００℃、流量１１００
０ＯＮコ／ｈ低温ガス・・・空気、入口温度３０℃、流
量１０１００００ｔ４／ｈ本発明による流動層熱交換器
に於いては、蓄熱体すなわち従来の熱交換器に於ける呼
称によれば伝熱エレメントに金属製の板でなく、前記の
様な耐熱性及び耐食性を有する粒子を用ν・るので、熱
交換器が高温ガス或は硫酸や塩酸等の腐食性物質を含む
ガスに対して使用されても、伝熱ニレメンＦ自体に何等
の損傷を受けることがな（、従って特別な対策を施す必
要もない。

また、従来の熱交換器に於いては、金属性の板よりなる
伝熱エレメントの表面にガス中に含まれるダストやスー
トなどの汚染物質が付着１１１：槙して熱伝達を阻害し
たり、ガスの通路を閉奉し、ガスの圧力損失が増大した
りするため、これを除去するために煤吹装置等を設ける
必要があったが、本発明による流動層熱交換器に於いて
は、粒子が流動じているため、これら汚染物質の堆積は
起らず、従って除去対策も必要としない。

第２図は本発明による流動層熱交換器のガス分散板を示
している。

１６及び１７はガス分散板の一部分を示しているが、屋
根瓦の様な構造となっており、瓦に相当する１６及Ｖ１
７は、１７が１６の上に重なる様に並んでいる。ガスは
１８より垂直上向きに入り、１６と１７との間隙を通過
する時、流路に沿って方向を転じて１９より流動層２０
中に噴出する。

流動Ｍ２０はガス分散板の傾斜に沿って２１の方向に流
れ下りているが、噴出するガスｊ９は粒子を流動化させ
るための垂直成分と移動させるための水平成分との両方
を持っているので、流動ｗ４２１の方向への移動が助長
される。

本発明の熱交換器の温度効率は、粒子の滞留時間が短い
ほど、即ち粒子の移動速度が大きいほど高くなるから、
２１の方向への移動速度を増大させることは極めて有益
である。

また、本発明による分散板を使用することによる他の艮
所は、部分１６及び１７の間隙寸法が粒子径より大きく
ても粒子が間隙より落下することがない点にある６ 従来のガス分散板に於いては、粒子の落下を防止するた
めに孔の寸法を粒子径より小さくするか、孔の上部にキ
ャップを設けるか、或は孔を複雑な構造にするかであっ
た。しかし、これらの防止策を採用すると、孔を通過す
るガスの圧力損失が増大したり、またガス中に含まれて
いるダストやスートなどの汚染物質によって孔が閉塞し
たり、或はガス分散板の製造コスＦが高くなったりする
７欠点があった。

本発明によるガス分散板９（１，９１は、板厚が１乃至
２ミリメートルの薄板を用いプレスによって一括して成
形で外るので製造コストは低度であり、また孔の寸法形
状も自由に決めることができる。

本発明による流動層熱交換器に於いて、代表的には粒子
径が０．４乃至１．２ミリメートルの粒子粒子径の１乃
至１０倍程度の範囲に入っている。

開孔寸法をさらに大きくすることも可能であるが、その
場合ガスの噴流による流動層の吹き抜けが起きたり、大
きな気泡が発生したりして好ましい流動状態を阻害する
ことがあるため、本発明によるガス分散板では上記の範
囲の０１１孔寸法を標準としている。

従来の熱交換器に於いては、その構造上、高温ガス側ダ
クトと低温ガス側ダクトとが隣接しているか、歳は極く
近い距離に有るのでなければ適用することが不可能であ
った。従って、実際の熱交換器の設置場所から高温ガス
或は低温ガスまでの１１Ｚ臨が相当ある場合には、いず
れかのガスを熱交換器の位置まで誘導するための延長ダ
クトと、しかる後に再び本来のダクトの位置まで戻すた
めの他の延長ダクトとを必要としたため、費用がかる上
に〃大の圧力損失も無視できなかった。

本発明による流動層熱交換器に於いては、高低温両ガス
の位置が離れていても延長ダクトを設け及び経済性で非
常に有利になる。高温ガス側と低温ガス側との間で粒子
を輸送するためのコンベア等の輸送手段８５及び８９は
、粒子が外気に直接接触することを避けるために気密構
造とすることが必要である。

［発明の効果］ （１）傾斜したガス分散板上に高さ２０ｃＴ＠以下の浅
い流動層を形成させるようにしたので、ガス気泡の破裂
による流動層粒子の飛散の心配がなく、空塔部が小さな
ものでよく、装置寸法を非常に小さくすることが可能と
なり、また流動層通過によるガス圧力損失も極めて少な
くて済む。

（２）高温ガス側ダクトと低温ガス側ダクトとを離れた
位置に配置すると共に、高温ガス側ダクトで加熱された
粒子をコンベア等の輸送装置により低温ガス側ダクトま
で輸送するようにしたので、高低温両ガスの位置が相当
能れていても、ガスの圧力損失や放熱損失もな（熱交換
することが可能となり、また装置も安価に製造すること
がでさる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流動層熱交換器の概略説明図、第
２図はガス分散板の拡大断面図である。 １６・・・ガス分散板の一部分、１７・・・ガス分散板
の他の一部分、１８・・・ガス分散板へ流入するガス流
、１９・・・ガス分散板より噴出するガス流、２０・・
・流動層、２１・・・流動層の移動方向、７６・・・高
温ガス側ダクト、７７・・・高温ガス入口、７８・・・
高温ガス出口、７９・・・低温ガス側ダクト、８０・・
・低温ガス入口、８１・・・低温ガス出口、８２・・・
高温γ入側粒子入口、８３・・・高温ガス側流動層、８
４・・・高温ガス側粒子出口、８５・・・高温粒子輸送
装置、８６・・・低温ガス側粒子入口、８７・・・低温
ガス側流動層、８８・・・低温ガス側粒子出口、８９・
・・粒子返送装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高温ガスから低温ガスへ熱を伝える流動層熱交換器に於
   いて、高温ガス側ダクト７６と低温ガス側ダクト７９と
   は隣接せずに離れた位置に配置すると共に、各ダクト７
   ６、７９はそれぞれ独立した傾斜ガス分散板と粒子の入
   口８２、８６及び出口８４、８８とを備え、流動層粒子
   はまず高温ガス側ダクト７６側に供給され傾斜したガス
   分散板上で高さが２０センチメートル又はそれ以下の浅
   い流動層を形成しつつ流れ下り、加熱された後コンベア
   等の輸送装置８５により低温ガス側ダクト７９の位置ま
   で輸送されて冷却され、その後、粒子返送装置８９によ
   り高温ガス側ダクトの位置まで返送されることを特徴と
   する流動層熱交換器。