JPH0726791B2 - 蒸気直接加熱型熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は大容量の原水を収容する
タンク内に設置される蒸気直接加熱型熱交換器に関し、
特に高温及び高圧の蒸気と原水たる冷水を騒音を発生す
ることなく直接混合するとともに大量の工業用水を短時
間内で高温にする小型の蒸気直接加熱型熱交換器に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高温の工業用水を得る方法として
は、エゼクタとディフューザの原理を用いる加熱器（熱
交換器）をタンクに結合して設置するか、あるいは流体
移送管上に連結して設置し、高温及び高圧の蒸気を圧送
して管内に流れる冷水と混合することにより、高温の工
業用水を得るようにしている。

【０００３】このような従来の方法の作用原理をより詳
しく説明すると、流通路が次第に狭くなってから次第に
広くなるベンチュリ形態のノズルを有するディフューザ
に、冷水である原水を一方向へ流入するように設け、前
記ディフューザの原水流れ方向後方に前記ディフューザ
と同じ形態のノズルの流通路を有するエゼクタを設置す
る。そして高温及び高圧の蒸気を前記エゼクタを経てデ
ィフューザの原水流れ方向前方に向けて圧送することに
より、冷水はディフューザのノズルを通過しながら前記
高温の蒸気と混合し、この混合過程で冷水と蒸気との熱
交換作用が行なわれ高温の工業用水が得られるものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の方法を適用するにあって、要求する工業用水
が比較的少量であるときは何の問題なく目的を達成し得
るが、大量の工業用水を得ようとするときは次のような
種々の問題点があった。即ち、大量の冷水を高温化する
ためには相対的に大量の蒸気を圧送すべきであり、この
ような条件を満たすためには内径が大きく長いエゼクタ
とディフューザを設置しなければならないため、非常に
高い設備費を要するという問題点があった。しかもその
装置を使用するに際しても低密度の高圧力を有する大量
の蒸気が大量の冷水と混合される過程でエントロピの急
速増加現象が生じ、このエントロピの急速増加現象によ
る不均衡な熱交換作用のために蒸気ハンマリング（stea
m hammering)現象とウォーターハンマリング（water ha
mmering ）現象とが同時に起こって非常に高い騒音と振
動が発生するという問題点があり、さらにこのような騒
音と振動が繰り返し続いて発生するにつれてタンク等の
構造物の亀裂と破損を招くという問題点があった。

【０００５】従って、本発明は叙上の問題点に鑑みてこ
れを解決するために開発されたもので、温水の循環誘導
方式を採用して複数の小型のエゼクタとディフューザを
同一軸線上に設置して装置全体の大きさを小さく形成す
ると共に、大量の原水を加熱可能でかつ未混合状態の蒸
気と流体を蒸気圧を用いて薄膜（thin film ）現象を発
生して消音可能な小型の蒸気直接加熱型熱交換器を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の蒸気直接加熱型熱交換器は、原水内に設置
する外筒１内に適宜間隔を介して内筒２を設け、前記内
筒２の一端と外筒１の一端との間を端壁１５で閉塞して
熱交換室２０を形成する。そして前記熱交換室２０内
に、対を成すそれぞれベンチュリ形態のノズルを有する
円筒形状の蒸気流入口２１と蒸気噴出口２２を備える分
割エゼクタ３及び原水流入口２４と混合流体噴出口２５
を備える同形状の分割ディフューザ４を、前記分割エゼ
クタ３の蒸気噴出口２２を前記分割ディフューザ４の原
水流入口２４内に間隙２３を介して同一軸線上に挿入し
て複数対設ける。さらに前記熱交換室２０内の分割エゼ
クタ３と分割ディフューザ４の間隙２３に原水を流入す
る流入孔７（８，９）を設ける。さらに前記分割エゼク
タ３の蒸気流入口２１に高圧蒸気供給源を連通し、前記
分割ディフューザ４の混合流体の噴出方向前方に、内筒
２の他端に連設しかつ前記外筒１の内壁面に向かって鋭
角に傾斜するテーパ管１０を設けたことものである。

【０００７】また、前記熱交換室２０内に、複数対の分
割エゼクタ３と分割ディフューザ４を前記内筒２の周囲
に環状に配設することができる。

【０００８】なお、前記内筒２に、分割エゼクタ３と分
割ディフューザ４の間隙２３に原水を流入する一次流入
孔７と、分割ディフューザ４の混合流体噴出口２５から
噴出する一次混合流体に原水を流入して二次混合流体を
形成する二次流入孔８と、さらに前記外筒１に前記二次
混合流体に原水を流入する三次流入孔９を設けると効果
的である。

【０００９】

【作用】高温蒸気供給源から熱交換室２０内に供給され
た高温高圧の蒸気が、各分割エゼクタ３の蒸気流入口２
１に流入し、蒸気噴出口２２から分割ディフューザ４内
へ噴射されると、内筒２内の原水が流入孔７（８，９）
から分割エゼクタ３と分割ディフューザ４の間の間隙２
３を経て分割ディフューザ４内へ吸入され、前記蒸気と
一次混合され熱交換された一次混合流体がテーパ管１０
の壁面に向けて噴射する。次いでテーパ管１０に強く衝
突して薄膜現象が生じて消音されかつ振動も発生せず、
テーパ管１０の他端の方向へ収束される。タンク１６の
原水は内筒２及び熱交換室２０内を再び循環し水温が上
昇する。

【００１０】そして、本発明の別の態様によれば、内筒
２内の原水が二次流入孔８から吸入されて前記一次混合
流体と二次混合され二次混合流体とした後、本発明の別
の態様によれば、外筒１の外方の原水が前記三次流入孔
９から流入して前記二次混合流体と三次混合されてテー
パ管１０及び外筒１の他端から外方に流出され、タンク
１６の原水は内筒２及び熱交換室２０内を再び循環し水
温が上昇する。

【００１１】

【実施例】以下、このように構成された本発明を添付図
面に基づいてより詳しく説明すると次のようである。

【００１２】本発明の蒸気直接加熱型熱交換器は、図１
及び図２に示すように、工業用水などの原水を収容する
タンク１６内に設置する円筒形状の外筒１内の略中央
に、適宜間隔を介して外筒１より短い円筒形状の内筒２
を設ける。さらに前記内筒２の一端と外筒１の一端との
間を端壁１５で閉塞し、内筒２の他端と外筒１の他端と
の間は内筒２の他端に漏斗状を成すテーパ管１０を外筒
１の他端に向かって傾斜するように連結し、テーパ管１
０の端部と前記外筒１の端部間に蒸気と原水の混合流体
の流出口１８を設ける。

【００１３】さらに、前記外筒１と内筒２及びテーパ管
１０、端壁１５で形成される空間内に円筒形状を成す流
路壁１３を前記内筒２の外周に同一軸線方向に設ける。
流路壁１３の一端は前記端壁１５の壁面との間に適宜間
隔を設け、流路壁１３の他端と外筒１の内壁面との間を
隔壁１４で閉塞する。流路壁１３と外筒１との間の空間
は後述する蒸気供給管１９から圧送された蒸気が前記端
壁１５の方向へ向かって一方向に流れる流路が形成さ
れ、流路壁１３の内周面と内筒２の外周面との間の空間
で熱交換室２０が形成される。

【００１４】なお、前記外筒１及び内筒２、流路壁１３
は円筒形状でなく他の形状の筒体であってもよい。

【００１５】さらに、前記外筒１の外壁面に蒸気供給管
１９を外筒１の内壁面と流路壁１３の外周面で形成され
る流路内に連通するように設け、蒸気供給管１９の一端
の蒸気供給口６の外周に設けたフランジ５を介してタン
ク１６の内壁面に固定し、前記蒸気供給口６をタンク１
６の外壁面に設けた図示せざる高圧蒸気供給源に連通す
る蒸気配管１７に連結する。したがって蒸気配管１７か
ら圧送された高圧の蒸気が蒸気供給口６を経て蒸気供給
管１９内を通過して外筒１の内部に流入する。

【００１６】また、前記熱交換室２０内には、図１に示
すように、ベンチュリ形態のノズルを有する同様の形状
を成す一の分割エゼクタ３と一の分割ディフューザ４で
一対を成すように同一軸線上に間隙２３を介して設け、
この一対を成す分割エゼクタ３と分割ディフューザ４を
複数対、前記流路壁１３と内筒２との間の熱交換室２０
内に配設する。すなわち、図２に示すように、内筒２の
周囲に環状に各分割エゼクタ３と分割ディフューザ４の
軸線方向を内筒２の軸線方向と同方向に配設する。した
がって各分割エゼクタ３と各分割ディフューザ４の数は
同数である。

【００１７】前記一対を成す分割エゼクタ３と分割ディ
フューザ４の構成についてより詳しく説明すると、図１
に示すように、分割エゼクタ３及び分割ディフューザ４
はそれぞれベンチュリ形態のノズルを有する円筒形状を
成すもので、分割エゼクタ３は蒸気流入口２１と蒸気噴
出口２２を備え、分割ディフューザ４は原水流入口２４
と混合流体噴出口２５を備えている。分割エゼクタ３の
蒸気噴射方向前方に分割ディフューザ４を設置し、分割
エゼクタ３の蒸気噴出口２２を分割ディフューザ４の原
水流入口２４内に、タンク１６内の原水を吸入する間隙
２３介して同一軸線上に挿入している。

【００１８】また、各分割エゼクタ３はエゼクタ固定台
１１で内筒２と流路壁１３との間に固定されており、各
分割ディフューザ４はディフューザ固定台１２で内筒２
と流路壁１３との間に固定されている。なお、高圧蒸気
供給源より圧送された高圧蒸気が分割エゼクタ３内に効
果的に流入せしめるためにエゼクタ３間の内筒２と流路
壁１３との間はエゼクタ固定台１１又は他の隔壁で閉塞
することが好ましく、各分割ディフューザ４間の内筒２
と流路壁１３との間もディフューザ固定台１２又は他の
隔壁で同様に閉塞することが好ましい。したがって外筒
１と流路壁１３との間の流路を経て流れる蒸気は分割エ
ゼクタ３の蒸気流入口２１に流入しベンチュリ形態のノ
ズルを経て蒸気噴出口２２から分割ディフューザ４内へ
噴射する。

【００１９】そして、各分割エゼクタ３と分割ディフュ
ーザ４の間隙２３に内筒２内の原水が流入するように内
筒２に複数個の一次流入孔７を設ける。なお前記一次流
入孔７は前記間隙２３に近い位置の前記内筒２に設ける
ことが効果的であり、この場合、前記一次流入孔７の数
は分割エゼクタ３及び分割ディフューザ４と同数である
が、この数に限定されない。

【００２０】さらに、各分割ディフューザ４の混合流体
噴出口２５に近い位置の内筒２には、複数の二次流入孔
８を設ける。各分割エゼクタ３から噴射された蒸気と一
次流入孔７から流入した原水が各分割ディフューザ４の
ノズル内で混合されて熱交換して形成される一次混合流
体が混合流体噴出口２５から噴射する。前記複数の二次
流入孔８は前記一次混合流体に内筒２内の原水を流入し
補充して二次混合するための流入孔であるので、各分割
ディフューザ４の混合流体噴出口２５に最も近い位置の
内筒２に設けることが効果的であり好ましく分割ディフ
ューザ４と同数であるが、この数や位置は図示の実施例
に限定されない。

【００２１】前記隔壁１４より流出口１８の方向側に位
置する外筒１には、前述の二次混合された二次混合流体
に外筒１外方の原水を補充して三次混合するための複数
の三次流入孔９を適宜間隔を介して全周に設けている。
三次流入孔９を形成する位置や数は、一次流入孔７や二
次流入孔８と同様に、好ましくは分割ディフューザ４か
らの噴流位置に近く又分割ディフューザ４と同数である
がこれに限定されるものではない。

【００２２】なお、前記分割ディフューザ４の混合流体
噴出口２５から噴出する一次混合流体の噴流方向前方に
は鋭角に傾斜する前述したテーパ管１０の壁面が設けら
れている。

【００２３】以下、前述実施例の作用を説明する。

【００２４】本発明の装置の外筒１をタンク１６内の原
水である水中に没した状態でタンク１６の内壁に蒸気供
給管１９のフランジ５を介して設置し、タンク１６外の
図示せざる高温蒸気供給源から高温の蒸気を蒸気配管１
７を経て蒸気供給管１９の蒸気供給口６に高圧供給する
と、高温の蒸気は蒸気供給管１９内を通過し外筒１と流
路壁１３との間の流路全域を経て流路壁１３の一端と端
壁１５との間の間隔を経て各分割エゼクタ３の蒸気流入
口２１内に流入しベンチュリ形態のノズルで絞られてよ
り一層高圧で噴出され蒸気噴出口２２から分割ディフュ
ーザ４のノズルへ向けて噴射される。この蒸気の噴射流
により内筒２内のタンク１６の原水が一次流入孔７から
分割エゼクタ３と分割ディフューザ４の間の間隙２３を
経て分割ディフューザ４内へ吸入され、この吸入された
原水が前記高温高圧の蒸気と一次混合されて各分割ディ
フューザ４のノズルで蒸気と原水の流体の強い圧力によ
り熱交換され一次混合流体が形成される。次いでこの一
次混合流体は各分割ディフューザ４の混合流体噴出口２
５からテーパ管１０の壁面に向けて噴射する。この一次
混合流体の噴射流により内筒２内の原水が二次流入孔８
から吸入補充されて前記一次混合流体と二次混合された
後、テーパ管１０に強く衝突して流出口１８の方向へ収
束される。そして外筒１の外方の原水が前記三次流入孔
９から流入して前記二次混合流体と三次混合されて流出
口１８から外筒１の外方に流出される。

【００２５】以上のように高温の蒸気を供給するにした
がってタンク１６の原水である冷水は内筒２内を循環
し、タンク１６内の水温が上昇する。

【００２６】なお、未混合状態の蒸気と原水の流体は蒸
気の圧力によりテーパ管１０の壁面に強く衝突すると薄
膜（thin film ）現象を起こす。

【００２７】従来の一般的なエゼクタとディフューザを
使用する加熱器の場合と、本発明装置で前記テーパ管１
０を除去した場合で実験した結果、ディフューザから流
出される流体と蒸気の混合温度が６０℃以下であるとき
はハンマリング現象と振動を全く生じないが、混合温度
が６０℃以上であるときはハンマリング現象と振動が激
しく生じた。一方、テーパ管１０を設けた本発明の装置
では混合温度が６０℃以上であってもハンマリング現象
と振動は全く生じなかった。従って、本発明の装置のテ
ーパ管１０は混合温度が６０℃を過ぎてもハンマリング
現象と振動を全く発生させない効果をもたらすもので、
本発明の装置の設置場所から１ｍ以内の距離で１０dB以
下に消音可能となるので装置自体の構造物の破壊を防止
するものとなる。

【００２８】即ち、未混合状態の高温の蒸気と原水の流
体が蒸気の力によりテーパ管１０に衝突するとテーパ管
１０の壁面に表面張力が作用して高圧状態の薄膜の温水
膜（hot water film flow）の流れが形成され、この温
水膜にぶつかる比較的低密度の分子層である未混合の湿
飽和蒸気が吸着されながら二次及び三次混合とともに瞬
く間に完全混合されて外筒１の外部へ流出される。

【００２９】前記温水膜の厚さは蒸気の圧力により調節
することができ、その温水膜の厚さの調節により騒音も
制御することができる。基本的に高温蒸気供給源は飽和
蒸気及び過熱蒸気の臨界圧２２０kg／cm²ABS以下と臨界
温度３７２℃以下で操作可能であり、エントロピ上昇
（０．０２４Kcal／Kg°K で１Kcal／Kg）操作が可能で
ある。

【００３０】また、前述実施例においては、外筒１と内
筒２との間の空間内に流路壁１３を設けたが、この流路
壁１３を形成せず、外筒１と内筒２との間の空間を熱交
換室２０とし、この内筒２内に前述実施例と同様の対を
成す分割エゼクタ３と分割ディフューザ４を複数対、内
筒２の周囲に環状に配設し、高圧蒸気供給源に連通する
蒸気供給管１９を外筒１又は端壁１５に分割エゼクタ３
の蒸気流入口２１に連通するように設けることができ
る。このとき、前記一次流入孔７及び二次流入孔８は必
ずしも前述実施例のように内筒２に形成する必要はな
く、外筒１及び又は内筒２に形成することもできる。な
お、このときの作用は前述実施例と同様である。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３２】(１)外筒と内筒との間の熱交換室内に、対
を成すそれぞれ円筒形状の分割エゼクタ及び分割ディフ
ューザを、分割エゼクタの蒸気噴出口を分割ディフュー
ザの原水流入口内に間隙を介して同一軸線上に挿入して
複数対設け、さらに前記熱交換室内の分割エゼクタと分
割ディフューザの間隙に原水を流入する流入孔を設けた
ので、外筒自体を小型に構成し得るとともにその性能が
非常に優れて少量の温水生産から大容量の工業用高温水
まで広く生産可能な蒸気直接加熱型熱交換器を提供する
ことができた。

【００３３】(２)分割ディフューザの混合流体の噴出方
向前方に、内筒の他端に連設しかつ前記外筒の内壁面に
向かって鋭角に傾斜するテーパ管を設けたので、本発明
の装置の設置場所から１ｍ以内の距離で１０dB以下に消
音操作し得るために構造物の破壊を防止し得る蒸気直接
加熱型熱交換器を提供することができた。

【００３４】(３)熱交換室内に、複数対の分割エゼクタ
と分割ディフューザを前記内筒の周囲に環状に配設した
ので、高圧蒸気を効率良く各分割エゼクタの蒸気流入口
内に流入することができ、小型でかつ高性能な蒸気直接
加熱型熱交換器を提供することができた。

【００３５】(４)前記内筒に、分割エゼクタと分割ディ
フューザの間隙に原水を流入する一次流入孔と、分割デ
ィフューザの混合流体噴出口から噴出する一次混合流体
に原水を流入して二次混合流体を形成する二次流入孔
と、さらに前記外筒に前記二次混合流体に原水を流入す
る三次流入孔を設けたので、各一次、二次、三次混合に
おいてそれぞれ新たに流入した原水が高温の蒸気と効率
良く熱交換されるために効率の良い蒸気直接加熱型熱交
換器を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の一実施例による作用状態を示す
縦断面図である。

【図２】図１の側面図である。

【符号の説明】

１ 外筒 ２ 内筒 ３ 分割エゼクタ ４ 分割ディフューザ ６ 蒸気供給口 ７ 一次流入孔 ８ 二次流入孔 ９ 三次流入孔 １０ テーパ管 １５ 端壁 １９ 蒸気供給管 ２０ 熱交換室 ２１ 蒸気流入口 ２２ 蒸気噴出口 ２３ 間隙 ２４ 原水流入口 ２５ 混合流体噴出口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原水内に設置する外筒内に適宜間隔を介
   して内筒を設け、前記内筒の一端と外筒の一端との間を
   端壁で閉塞して熱交換室を形成し、前記熱交換室内に、
   対を成すそれぞれベンチュリ形態のノズルを有する円筒
   形状の、蒸気流入口と蒸気噴出口を備える分割エゼクタ
   及び原水流入口と混合流体噴出口を備える分割ディフュ
   ーザを、前記分割エゼクタの蒸気噴出口を前記分割ディ
   フューザの原水流入口内に間隙を介して同一軸線上に挿
   入して複数対設け、さらに前記熱交換室内の分割エゼク
   タと分割ディフューザの間隙に原水を流入する流入孔を
   設けると共に、前記分割エゼクタの蒸気流入口に高圧蒸
   気供給源を連通し、前記分割ディフューザの混合流体の
   噴出方向前方に、内筒の他端に連設しかつ前記外筒の内
   壁面に向かって鋭角に傾斜するテーパ管を設けたことを
   特徴とする蒸気直接加熱型熱交換器。
2. 【請求項２】 前記熱交換室内に、複数対の分割エゼク
   タと分割ディフューザを前記内筒の周囲に環状に配設し
   た請求項１記載の蒸気直接加熱型熱交換器。
3. 【請求項３】 前記内筒に、分割エゼクタと分割ディフ
   ューザの間隙に原水を流入する一次流入孔と、分割ディ
   フューザの混合流体噴出口から噴出する一次混合流体に
   原水を流入して二次混合流体を形成する二次流入孔と、
   さらに前記外筒に前記二次混合流体に原水を流入する三
   次流入孔を設けた請求項１又は２記載の蒸気直接加熱型
   熱交換器。