JPH03118801A - 蒸発装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は化学プラントなどで使われている蒸発装置に関
し、さらに詳しくは、例えばオンサイト型燃料電池用改
質装置に適する、構造が比較的簡単で、負荷応答性の高
い原料等の蒸発装置に関する。

〔従来の技術〕

化学プラントや産業設備に用いられる蒸発装置であって
、蒸発させようとする液体をスプレー等により細かい滴
状にならしめて、蒸発面に噴霧し、加熱された蒸発面に
て急速に蒸発させる構造を有する装置があり、比較的に
必要蒸発量の小さい場合によく使われる。この場合、伝
熱蒸発面を構成するものとしては、いわゆる濡れ面積を
大きくし接触効率を向上させるために化学プラントでよ
く使用される充填塔用バッキング（充填材）が容器内に
充填されて設けられる。通常は常時、例えば水蒸気など
からの熱供給を受けており、いわば蓄熱された状態であ
る。

この形式をもつ蒸発装置は、上記に述べたように、瞬間
的に蒸発がなされるので、定常状態にあっては必要蒸発
量の迅速な供給が可能であり、応答性の高いことが特徴
である。さらには構造が比較的簡単であることにより、
蒸発装置として広く使われている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの先行的技術にあってはなお、改善を要する技術
的課題がある。

上記の蒸発装置にあっては、蒸発面を多く持つために、
即ち接触濡れ面を多く形成して、しかもその濡れ面が薄
膜を形成しやすくするために、充填塔に用いられる充填
物が採用されているが、これへの熱供給は基本的に点接
触の熱伝導によって行われている。即ち、伝熱コイルの
管壁から、コイルに接触している充填物の壁に熱伝導に
て伝熱し、次いで相接している充填物同志の壁間で熱伝
導にて熱が供給されており、いずれも点接触が主体であ
る。このため、充填物全体に熱が行き渡るのが遅く、冷
起動の場合には所定の温度に達するまでにかなりの時間
がかかることになり、起動時間を短縮したい場合などに
は不適当である。例えば、オンサイト型燃料電池にあっ
てはＤ　Ｓ　Ｓ　（Ｄａｉｌｙ　５ｔａｒｔ　ａｎｄＳ
ｔｏｐ）が要求されるので、このような場合には冷起動
からのシステム立ち上がり時間を極力短縮し、必要蒸発
量を速やかに供給することが切に望まれる。このような
用途にあっては、従来方式によるかかる蒸発装置を用い
るのは適切ではない。

伝熱コイルの配置されている部位から離れた位置にある
充填物は伝熱不良となり、温度降下が著しくなるので、
充填物を均等な温度状態にするためには、コイルの配置
等に充分な配慮を払うことが必要となる。この配慮をし
ても具体的設備では必ずしも万全でない場合が殆どで、
金属充填物の表面温度が蒸発に適切である様に充分に制
御できているとはいえない。このため、運転についても
余裕をもたせる必要が生じ、例えば加熱蒸気温度を必要
以上に高くする必要があるなどの問題を生じる。充填物
は濡れ面積を大きくするとともに、ガスを通過させる必
要から空間的にある程度の容積を占めることになる。

このため、装置の小型化に対しては限界がある。

給熱源としては通常飽和蒸気が用いられるが、蒸気は容
器内に設けられたコイル内に供給される。コイルを構成
するものとしては通常熱伝導の良い金属管が用いられる
。この場合、熱の移動は伝熱コイル管壁、管壁に接して
いる充填物への熱伝導、次いで充填物同志の点接触によ
る熱伝導によりなされ、最終的に蒸発に必要な熱が伝え
られる。ここに、細かい霧状に供給されだ液体が接触す
ると、薄い液膜を瞬時に形成しこれが熱を受けて瞬時に
蒸発することになる。

いわば、熱く熱せられている石に水をかける状態に類し
たことがなされている。

化学プラントで一般に行われている蒸発装置として、多
管式熱交換器の伝熱管の外部周囲（胴側）に、又は場合
によっては管の内部（管側）に液体を保有している構造
の蒸発装置がある。この場合には、保有する液体の全体
を沸点まで加熱する必要があることにより、応答性を要
求する場合には難がある。さらに、伝熱面の伝熱効率は
管の外または内表面積で決まってしまい、表面積を増加
するために受熱側及び／又は放熱側の管表面に突起物を
設けたりする。さらに、管表面では膜沸騰が行われるた
めに、蒸発効率をさらに向上させるために放熱側管表面
に突起物を設けたりすることもある。このような多管式
熱交換器は、大型の設備には適するが小型には適さない
。

さらには、薄膜を特殊な方法で形成させて、熱交換を効
率的に行い、蒸発を効率的に行う方式の装置もある。こ
の場合、薄膜を形成する方法として、機械的に強制的に
作るために例えば遠心力を利用したり、薄膜形成のため
に特別の形状をした管を用いるなどの工夫をしているの
が現状である。

さらに、蒸発面への液の均一な供給を確保するために、
いろいろな工夫がなされているのが通例であり、このた
めに構造は複雑となり、大型化するのが通例である。こ
のため、特殊な用途に限定されている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の問題点を解決するための方法を提供する
ものであり、従来形式の上記の如き蒸発装置を改良した
、負荷変動に対し即応性の高い蒸発装置である。

即ち本発明は、給熱源とその熱を放熱する放熱面と、蒸
発させる液体をその内部に蒸発させかつ放熱面に接する
受熱空間と、蒸発させる液体を放熱面に噴射させるスプ
レーとを有する蒸発装置であって、放熱面が実質的に鉛
直方向であることを特徴とする蒸発装置である。

即ち、放熱面への蒸発させる液体のスプレーにより効果
的な蒸発を起こす。スプレーされ放熱面に与えられた液
体は直ちに蒸発し又は流下液膜を形成しつつ極めて速や
かに蒸発する。

蒸発伝熱面又は加えて薄膜形成濡れ面を形成するための
極めて効果的な方法として、例えば第２図の例の様な充
てん物別用でなく、実質的に鉛直な放熱面を有する、こ
の面に垂直方向の厚さの小さな空間に於て放熱面に対し
蒸発させる液体をスプレーする装置が本発明により提案
される。スプレーされた液体は放熱面に拡がると同時に
蒸発し、蒸発しない分は放熱面を流下しつつ蒸発する。

蒸発所要の熱が放熱面から直接液体に与えられるので効
率よく蒸発がなされる。

蒸発がなされる空間は少なくとも１つの放熱面と他の面
又は２つの放熱面にはさまれた空間とするとよい。

放熱面の面積を本発明蒸発装置の占有空間内でまとまり
よく堆して蒸発量を増大させるには、蒸発がなされる空
間を、同形のものを積層し又は１枚の同空間をロール状
に配置し、何れも同空間が放熱面を介し給熱源と接する
構成が適する。前者はプレート型熱交換器の形式であり
例えば後述第３図のプレートフィン型からフィン２２０
及び２３０を除いたものである。フィンがない分伝熱な
いし蒸発効率は劣るが、プレートにデインプルを与え又
はスペーサを介してプレートを積層すればたやすく構成
できる利点がある。

尚プレートフィン型の利用に於ては、ステンレス鋼製の
薄い板を波状に折り曲げて作られるフィンが、仕切り壁
即ちプレートにろうづけにより接合されてなるプレート
フィンを用いることがこの目的のために好ましい。これ
らのフィンによって、伝熱面（放熱面）又は加えて薄膜
形成に必要な濡れ面を同時に確保できる。

給熱源は必要な高温度にある加熱用流体とし、これを放
熱面の裏面即ち受熱面に接して流通させる。これにより
加熱用流体から蒸発させる液体へ給熱する間接熱交換器
が形成される。

加熱用流体の流路にも受熱面にろうづけ等された流路平
行のフィンがある方が伝熱がよく好ましい。

蒸発させられた液体の蒸気（蒸発したガス）と加熱用流
体の流路方向は平行（並流）、向流、交流（交差流）い
ずれでもよいが、一般に両流体夫々の出入口の設定の都
合等からは、適当交差角度の交流、特に直交流が好まし
い。尚、蒸発したガスについては必ずしも受熱空間への
入口はない。

プレートフィンは代表的には薄い波板を、その山部、谷
部に接して設けた薄板（プレート）で挟み込んで加熱流
体／蒸発させる液体双方の流路を形成し、一方を噴霧さ
れて蒸発したガスが流れる通路とし、これと上記薄板を
介して接する、類似の構造を有して設けられる他方の通
路を熱供給通路（加熱用流体流路）として用い、これら
の組み合わせを順次配列して構成され、代表的には前記
のとおり直交熱交換形式の熱交換器が形成され、両種の
流路は夫々少なくとも一層がこの熱交換器に配される。

波板をその山／谷邪に接して薄板で挟みこむ場合に、冶
金的に一体的に接合するためには溶接やろうづけが適し
ている。冶金的に一体的に接合することは、単なる接触
による接合に比べて伝熱が優れているから採用される。

フィンを構成する板を薄くすることが伝熱、機器重量、
コスト等から好ましいので、この接合には、溶接などに
よることも考えられるが、最も能率的であるのはろう材
による真空ろうづけである。

蒸発面への均一な液の供給を確保するためには、代表的
には放熱面上端付近以上の部位に適当個数のスプレーを
配し、又は一つの放熱面に対向して、多数のスプレーを
蒸発したガスの流れ方向にわたり多段に、直列又は千鳥
状配列で配しく後述第６図〜第９図）、熱交換器の伝熱
面全体に散布できるようにすることもできる。

後者の場合は受熱側空間にはフィンを設けないか、フィ
ンの配置を変える、フィンを流路の高さ（厚さ）より小
さくする等の配慮が必要である。

散布された液体はこれにより均一分布とミスト状での供
給がなされ、蒸発面での蒸発を容易にならしめることが
できる。

以下に、具体化例を示す図面を用いて、本発明の詳細な
説明する。特記なければ同じ符号は同じものを意味する
。

第２図は、従来型式の充填物式蒸発装置１００の縦断面
図である。容器の内部にコイル状に伝熱管３０を配し、
その周囲に充填塔用の充填物（バッキング）２０を充填
している。熱伝導による熱供給のために、通常は金属製
のバッキングが用いられている。このバッキングは単位
容積あたりの接触面積が大きくとれるものがよい。

容器上部には均一な液体の分配を可能にするように設計
されているスプレー１０が配置されている。液はバッキ
ングにミスト状に供給され、薄膜を形成しながら、順次
下方に降下していく。

バッキングはコイル状伝熱管からの熱伝導により熱の供
給を受けているので、バッキング表面に形成された液の
薄膜は瞬間的に蒸発する。バッキング層上部で蒸発しな
かった液は下方に降下していき、さらに蒸発することが
できる。ただし、例えばコイル状伝熱管の配置が不適当
なことなどにより、蒸発／給熱のバランスが偏ると、液
がそのまま流下する部位が生じゃすい。

蒸発した気体はバッキング層下部に設けられた、多数の
孔明けされてなる開口部から容器の管台５０を経由して
外部に導かれる。加熱源（通常は水蒸気）は管台６０を
経由してコイルに供給され、熱をバッキングに与えた後
に管台７０を経由して系外に導かれる。

第１図は本発明による蒸発装置２００の一例の縦断面図
である。本例では蒸発面（放熱面）および熱供給部を構
成するものとして多層式プレートフィンよりなる直交流
熱交換器２１０を利用しており、その上部にスプレー１
０を少なくとも１個配したものである。熱を供給するた
めの熱源としてよく用いられているのは水蒸気であり、
蒸発装置に用いられている水蒸気は通常高温であること
が要求される。このため、冷熱産業に多用されているア
ルミニウム製プレートフィン熱交換器ではこの高温使用
に対して十分ではない。

最近ステンレス鋼薄板をろうづけする技術が確立されて
おり、このような高温の使用に適するプレートフィン型
熱交換器が開発されている。

本発明にあっても、このような熱交換器が望ましい。

プレートフィン型熱交換器の横断面及び縦断面の多くは
矩形であるので、スプレーの噴霧形態もそれに適したも
のが望ましい。万一、スプレーにより均一に供給され得
ない場合にあっては金属部の温度上昇が生じるが、最高
温度は蒸気の飽和温度までであり、蒸気圧力の設定によ
り飽和温度の予測は可能であるので、設計上の不安がな
い。

従来型式蒸発装置の場合と同様に、上部で蒸発されなか
った液体は薄膜を形成しながら通路内を下方に降下して
いき、順次熱を受けて蒸発することになる。

直交型熱交換器にあっては、受熱側のフィンはろうづけ
によりプレートを介して、加熱源側のフィンと冶金的に
一体的に接合されているので、効率のよい熱交換が可能
である。したがって、冷起動の際においても応答性を著
しく向上することができ、必要蒸発量を得るまでの所用
時間を著しく短縮できる。

第３図は直交型プレートフィン熱交換器を説明する図で
ある。２２０は蒸発させたい液の通路であり、２３０は
熱源側の通路である。

第４図は、直交熱交換器の蒸発ガス側を共通にさせて直
列に多段に配置した場合の図である（同図は２段の場合
）。必要蒸発量が著しく大きくなることが予想される場
合や、熱源側の温度低下が生じるなどして必要熱量を補
充する必要がある場合などには、予備として直列に多投
に配置しておけば、かかる場合にも対処できる。

１個の熱交換器で能力的に十分である場合には、下部の
熱交換器を使う必要は必ずしもない。

第５図はスプレーの上流側に例えばソレノイドバルブ３
００を設けて、オンオフを適宜させて負荷変動に対応す
ることを可能とする方式即ち、ＰＷＭ　（パルス幅変調
）方式を採用したものである。これは、システム側の負
荷の変動に応じて必要とされる蒸発量を調節したいとい
う場合に適する機能を付加したものである。

必要蒸発量の調節にあっては、通常ポンプによる液体の
供給量を調節弁などにより調整することが行われている
。この場合、ポンプの最小吐出量いわゆるミニフローに
は限度があり、吐出量をそれ以下にすると機械的にも問
題が生じ、また機械効率も低下するのが通常である。

熱源側の流量を絞るということも考えられるが、受熱側
では蒸発しない部分即ち液体になって残る部分があり、
それがガラスと共に容器外に出るので分離器が必要にな
ってくる。

スプレーにあっても同様で、小さい噴射量が要求される
場合、スプレーの元圧を圧力調節弁などにより小さくす
ればある程度の流量の変動を得られる。しかしながら、
噴射の流量を極く微量に絞るために元圧を極端に下げる
と適正な噴射速度および噴射角度での噴射ができなくな
り、液が分散不良で滴下することになる。

システムの運転の都合により、最大必要流量が確保でき
る一方、極く僅かの流量も要求される場合、即ちターン
ダウン比が大なる場合には、何らかの工夫が必要である
。これに対応する方式の１つがＰＷＭ方式である。

スプレー１０の上流に設けられたオンオフバルブ（通常
はソレノイドバルブ）３００の開閉時間を、ＰＷＭコン
トロールユニット３１０にヨリ、適宜調節して、極少量
の蒸発要求量に対して応じる事ができる。即ち、極少量
の蒸発ガスが要求される場合には、バルブの開の時間を
短くし、必要蒸発ガス量が最大可能量の例えば１００％
の量が必要とされる場合には、常時開の状態にすればよ
い。このような制御方式の例としては、自動車の燃料電
子噴射システムの例がよく知られている。

第６ａ図は複数のスプレーを蒸発ガス流れ方向にわたり
配置した場合の図（同図は、２段に直列に配置した場合
の例図）である。第６ｂ図は第６ａ図の斜視見取り図で
ある。スプレー１０は格子状配置であるが、必要に応じ
千鳥配置としてもよい。加熱流体側通路２３０はプレー
トフィンで構成されている。２２０は蒸発ガス通路であ
り、これは２３０を構成している薄板（プレート）の加
熱流体側通路の反対側に、蒸発ガス通路をはさむ他のプ
レートには届かない高さ小のフィン２５０が、ろうづけ
等で接合され、放熱（加熱蒸発）面を増加する目的で設
けられ、スプレー１０により噴霧される液体を効果的に
蒸発するのに寄与する。

同図の例では、１段に３個のスプレーを直線状に配して
いるが、所望によりその数を増減することができる。こ
れにより、必要蒸発量の大小に対処することが可能とな
る。

スプレーで噴霧された液体は、高さ小のフィン２５０上
で蒸発させられ又はさらに薄膜化されてから蒸発させら
れる。尚、十分な蒸発を確保するためにフィン２５０は
最下のスプレーよりも下方に、ある程度の長さで与えら
れると良い。

このように蒸発した気体は、下方の出口より系外へ導き
出される。同図では、上行する加熱流体と下行する蒸発
ガスとは向流形式にしているが、前述のとおり直交形式
であってもよい。

この場合、加熱流体上流側のスプレーの配置密度又は液
体スプレー量を増加させることが好ましいことも多い。

フィン２５０のスプレー１０に対向する部位には適宜の
孔又は切欠き等を分布させてフィン２５０の裏面側の利
用をはかってもよい。

このような組み合わされたものを１個のユニットとして
標準化し、これらを直列多段にまたは並行して配置する
ことによって、必要蒸発量の大小に対処することができ
る。第７図は、第６図の装置を直列２段に積み重ね、加
熱流体側と蒸発ガス側とは直交形式とし、スプレーを１
段とした場合の側面である。

第８図は、複数のスプレーを蒸発ガス流れ方向にわたり
多段に蒸発空間を挟んで互い違いに配置した場合の側面
である。第６図とは異なり、加熱流体通路２３０の一方
の側は放熱面として機能させないので、断熱材２６０を
これに接して設けて熱の放散を防止するのがよい。勿論
、スプレー側も断熱構造とする方が好ましい。この場合
も、前述の如く、ユニットごとに標準化し、これらを多
段に配置することにより、必要蒸発量の大小に対処でき
る。

第９図は、第６図の構成ユニットを鏡像のようにして配
置したものであり、スプレーの配置される蒸発空間の一
方を共通化させて構成したものであり、多段や並行配置
ができない場合などで、小型化が要求される場合などに
効果的である。加熱流体と蒸発ガスとは直交型式をなし
ている。

尚、上記では受熱空間で発生した蒸発ガスは、液体から
気体への変化による体積増加により専ら、同空間出口か
ら送出されるが、不活性の気体又は他の種の原料ガスを
キャリアガスとして常時又は必要時流すことをこれに併
用してもよい。

〔発明の効果〕

以上に詳述した本発明によれば次の様な効果が得られる
。

１）冷起動特性に優れているので、例えばオンサイト型
燃料電池などの用途に用いることができる。

２）　システム側の負荷変化に対して応答性の良好な蒸
発装置を提供できる。

３）プレート又はプレートフィン熱交換器形式を用いれ
ば、蒸発面を単位容積あたり大きく取れ、薄膜を形成す
ることが容易である。

４）加熱蒸発が効率的に行いつる。

５）装置の小型化を可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる蒸発装置の説明図である。第２図
は従来型式の蒸発装置の縦断面図である。第３図はプレ
ートフィン型熱交換器の説明図である。第４〜９図は本
発明になる蒸発装置の実施例図である。 １０　　スプレー ２０　　金属製バッキング ３０　　伝熱管コイル ４０　　液体人口管台 ５０　　気体出口管台 ６０　　熱媒人口管台 ７０　　熱媒出口管台 １００　　従来型式蒸発装デ ２００　　蒸発装置 ２１０　　プレートフィン熱交換器 ２２０　　蒸発液体／ガス側通路 ２３０　　熱源側通路 ３００　　ソレノイドバルブ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　給熱源とその熱を放熱する放熱面と、蒸発させる液
   体をその内部に蒸発させかつ放熱面に接する受熱空間と
   、蒸発させる液体を放熱面に噴射させるスプレーとを有
   する蒸発装置であって、放熱面が実質的に鉛直方向であ
   る蒸発装置。 ２　蒸発装置が、給熱源である給熱流体と蒸発させる液
   体の間で熱を授受する間接熱交換器である請求項１記載
   の装置。 ３　間接熱交換器がプレート又はプレートフィンを積層
   した交流型熱交換器である請求項２記載の装置。 ４　交流型熱交換器が直交型である請求項３記載の装置
   。 ５　噴射が放熱面上端付近以上からなされる請求項１記
   載の装置。 ６　受熱空間とスプレーの組を、受熱空間を直列に接続
   して、受熱空間の数だけ多段に与えた請求項１記載の装
   置。 ７　スプレーへの蒸発させる液体の供給をパルス幅変調
   方式により開閉する弁により制御する請求項１〜６のい
   ずれか１項記載の装置。 ８　放熱面の材質をステンレス鋼とする請求項１〜７の
   いずれか１項記載の装置。