JPS5918384A - 直接液−液接触式熱交換器 - 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】 本発明は地熱および排熱利用の発電プラントなどに用い
られる直接液−液接触式熱交換器に関するものである。

従来のこの種熱交換器に、は容積形並行流方式、容積形
対向流方式および表面接触形方式があシ、これらの熱交
換器は第１図ないし第３図に示すとおりである。すなわ
ち、第１図の容積形並行流方式のものは、高温熱媒体Ｃ
の流入口１ａと熱交換後の高温熱媒体Ｆの流出口１ｃお
よび低沸点媒蒸気Ｅの排出口１ｂを竹する容器１内に低
沸点媒体りの噴出枝管２を設けると共に、任意数の仕切
板４を並行に設置した構成からなる。

高温熱媒体流入口１ａから容器ＩＡ内に流入した加熱側
の熱媒体Ｃは前記噴出枝管２の間を流通し、仕切板４に
より形成された空間６で熱交換された後に高温熱媒体Ｆ
となって流出口ＩＣから排出される。一方、被加熱側の
低沸点媒体りは噴出枝管２の噴出孔３よ夕空間６へ噴出
され、この噴出された低沸点媒体りは高温熱媒体Ｃと熱
交換し、液体から気体へ相変化して蒸気泡５となる。こ
の蒸気泡５は空間６中で合体しながら上昇して液面を離
脱して低沸点媒体蒸気Ｅとして排出口１ｂより排出され
る。上記のように仕切板４を設けることによシ、蒸気泡
５の合体はその合体範囲および大きさが制約されるため
、容器ＩＡ内における気泡の片寄シは減少して均一な密
度分布となるから、渦の発生および流れの片寄シを防止
して性能の向上をはかることができる。

ところが、上述した並行上昇流による熱変換方式では、
低沸点媒体の発生蒸気によりＫ温熱媒体を気泡ポンプと
して自然循環させると、ポンプ動力としての消費電力は
少なくてよいが、前記両媒体を強制循環させれば、特に
は沸点媒体側のノズル部における圧力損失が太きいため
、サイクル内での所要動力は大きくなるなどの問題があ
る。

また低沸点媒体をノズルで初期微粒化する際に、そのノ
ズル部の構造を検討する必要がある。すなわちノズル部
の構造の如何によシ低沸点媒体液滴の分散状態が異なシ
、仕切板４で区切られた各熱交換要素内で伝熱面積を有
効に利用することができない欠点がある。

また熱媒体の温度条件および蒸気長くノズル出口から熱
媒体の自由液面までの距離）の決定の仕方によシ、蒸発
器としての作動に関し問題がある。

例えば熱媒体の温度が低く、蒸発長が小さい場合には、
低沸点媒体が完全に沸騰しないで未沸騰分の低沸点媒体
液滴を含んだ状態となシ、容器内における液−液の分離
および気液分離が困難である。

さらに二媒体の組合せによっては小過熱度の条件である
と、二媒体がちる程度溶解してエマルジョン化する可能
性があるので、本熱交換方式は液１−液分離に関して不
適格である。逆に熱媒体の温度が高く、蒸発長が大きい
場合には、発生する低沸点媒体蒸気が可１過熱されて熱
分解すると共に、不活性ガスを発生する恐れがある。

したがって、強制循環方式で二媒体が並行上昇流による
熱交換を行うことは、ある限られた運転条件のもとで、
しかも圧力損失の少ない機構のノズルにより低沸点媒体
の初期微粒化をはかυ、熱媒体容積を有効に利用しなけ
れば、高い熱交換効率をうろことはそれ程期待できない
。

一方、第２図に示す容積形対流方式のものは、温水人の
流入口６と流出口９およびイソブタンＢの流入口１０と
流出口１３を有する容器ＩＢ内に複数個の流路６を形成
する仕切板４、複数個のノズル８を有する温水分配室７
および複数個のノズル１２をゼするイソブタン分配室１
１を設けた構造からなバ温水Ａは流入口６、分配室７お
よびノズル８を経て流路６内に流入して下降する。一方
、インブタンＢは流入口１０．分配室１１およびノズル
１２を経て流路６内に流入して上昇する。

このように温水ＡとイソブタンＢは流路６内を対向的に
流通して熱交換を行い、水滴のかたまシを生ずることが
ないから、熱交換器の性能低下を防止することができる
ので、小形化をはかシ、発電システムなどに適用可能で
ある。

しかし、上述の対向流熱交換方式では、第１図に示す並
行流方式のものと同様に仕切板４で仕切られた流路、す
なわち一つの熱交換要素について考察すると種々の問題
点がある。例えば熱交換後の液−液分離まで考えると、
二媒体の比重差を利用した予熱器として使用する際には
問題はない。

ところが、蒸発器として上述した対向流方式を採用する
と、低沸点媒体であるイソブタ／Ｂを容器ＩＢの流入口
１０、供給室１１およびノズル１２を経て流路６内に上
向きに流入する際に、温水人は流入口６、供給−７およ
びノズル８を経て流路６内に下向きに流入するので、流
路６内でイソフ。

タンＢが液相から気相へ相変化することによシボイドを
発生する。このため温水の流れ方向とイソブタン蒸気の
発生による流れ方向との相違７５−ら不安定な流動を生
ずるようになる。

また対向流方式は並行流方式に比べて二媒体の混合、攪
拌作用が激しくなるので、低沸点媒体の発泡は促進され
るが、熱交換容積が太きいときには過熱蒸気を発生し易
くなる欠点がある。また熱交換する二媒体はノズル８，
１２によりそれぞれ適宜大きさの液滴に分散されるが、
この際にノズル機構、特に下部のノズル１２の圧力損失
を考慮する必要がある。さらに実験条件として、ｚＪｚ
３墨熱度および小魚気長で二媒体が熱交換を行うと、発
生蒸気による気液分離は容易であるが、二媒体の溶解に
よるエマルジョン化した液−液の分離は困難であシ、未
沸騰分の低沸点媒体液滴の流出は必ず不安定流動を生ず
る。

上記のような現象を考慮すると、対向流方式の熱交換器
は、低沸点媒体の相変化を伴わない予熱器としては液−
液分離を含めても非常に有用であるが、相変化を伴う蒸
発器として考えた場合には、熱交換後の低沸点媒体蒸気
および未沸騰液滴の分離機構として、イソブタンＢが流
出口１３から流出した後に数段の気液分離器を設ける必
要があるので、実際には熱交換器が小形化されても、そ
の補機類に手間がかかるなどの欠点がある。

さらに第３図に示す従来の表面接触方式の熱交換器は、
容器ＩＣ内に高温熱媒体槽１４および低沸点媒体ノズル
１６を複数組設けた構造からなシ、高温熱媒体槽１４内
に溜められた高温熱媒体１５の自由表面上に、ノズル１
６から低沸点媒体１７を微細化して噴射することにより
、高温熱媒体槽１４内で二媒体が熱交換する。この際、
沸騰し蒸発した低沸点媒体蒸気Ｅは、容器ＩＣ内の空間
を上昇して外部へ流出する。このように高温熱媒体１５
の自由表面上で二媒体が直接に接触する場合には、低沸
点媒体が余分に熱交換されるから、過熱蒸気が発生する
恐れはない。すなわち低沸点媒体は液体から蒸気へ、相
変化し、飽和蒸気温度に近い状態で流出する。

ところが、表面接触方式の熱交換器は過熱蒸気の発生を
防ぎ、気液分離機構が容易である長所を有する反面、次
に述べるような短所が （１）ある限られた高温熱媒体槽１４の自由液面と衝突
する低沸点媒体１７の接触面積を増加するため、ノズル
１６で低沸点媒体１７をかなυ均一に微粒化する必要が
ある。したがって、ノズル１６の構造の工夫はもとより
、ノズル１６部への加圧のためにポンプ吐出圧を上昇さ
せる問題があるので、ノズル部における圧力損失が太き
いから、ポンプの所内動力は犬きくなる欠点がある。

（２）高温熱媒体槽１４の深さと高温熱媒体１５の温度
との条件により熱交換性能へ大きな影響を与える。例え
ば高温熱媒体１５の深さに関係なく、高温熱媒体温度の
大きな過熱度の場合には、微細化された低沸点媒体液滴
は、例えば高温金属面をはねまわる水滴と同じようなラ
イデン７０スト影響を生ずる。すなわち高温熱媒体の自
由液面と回転楕円体状の低沸点媒体液滴とは、薄い蒸気
層を介した膜沸騰による熱伝達が起るので、熱伝達率が
小さい上に二媒体の接触面積も液滴下部のみとなシ、熱
移動量および接触時間は小さい。

（３）高温熱媒体温度の小さな小過熱度の場合には、二
媒体間の熱交換は核沸騰による現象に支配されるため、
低沸点媒体液滴は蒸気層を形成しないからゆるやかな蒸
気爆発的現象を生ずる。しだがって、前記膜沸騰の場合
に比べると、接触面積は増加する傾向があるが、その逆
に接触時間が小さくなるので、熱移動量としてはそれ程
大差はない。これをカバーするため、高温熱媒体槽１４
内部を有効に利用しようとする場合、第１図および第２
図に示すような容積形直接熱交換器内へ液滴を分散させ
るよシ至難で、高温熱媒体槽内の高温熱媒体の有効利用
は期待できない。

（４）実機への適用を与えてこれらの一装素をモジュー
ル化すると、高温熱媒体１４と低沸点媒体ノズル１６を
容器ＩＢ内に配置する場合、容器ＩＢ内の空間利用が適
切でないため、容積形に比べて直接液−液接触式熱交換
器として期待するような小形化は不可能である。

本発明は上記にかんがみ高温熱媒体液と低沸点媒体蒸気
との気液分離を容易にすると共に、前記媒体蒸気の過熱
を防止して熱交換効率の向上をはかることを目的とする
もので、容器内に鉛直に設けた前記二媒体の供給用二重
管と、この二重管の外周面に多段に取付けた二媒体用ガ
イドとによシ熱交換体を構成し、前記二重管の内、外管
にそれぞれ設けた各ノズルから前記二媒体をそれぞれ前
記ガイドの傾斜面上に薄液膜状態に流して直接に接触し
ながら熱交換させるようにしたことを特徴とするもので
ある。

以下本発明の実施例を図面について説明する。

第４図ないし第７図に示す第１実施例において、１８は
上、下端に低沸点媒体蒸気Ｅの排出口２４および熱交換
後の高温熱媒体Ｆの排出口２５を有する容器、１９は容
器１８内の中央部に鉛直に設けられた内、外管１９ａ、
１９ｂからなる二重管で、この内管１９ａ内には高温熱
媒体ｃ１外管１９ｂ内には低沸点媒体りがそれぞれ供給
される。

２０．２１は内、外管１９ａ、１９ｂにそれぞれ設けら
れた供給ノズル、２２は前記二重管１９の外周面に多段
に取付けられた二媒体Ｃ，Ｄ用ガイドで、このガイド２
２にはスパイラル形状の傾斜面２２ａおよび多数の流通
孔２２ｂが設けられている。２３は容器１８内の頂部に
設けられたデミスタ、２６は容器１８内の底部に取付け
られた二重管１９の支持部材、２８は支持部材２６の下
部に設置された通気性固体２７を内蔵する液だめである
。

次に上記のような構成からなる本実施例の作用について
説明する。

第８図に示すように二重管１９の内管１９ａに設けた供
給ノズル２０から高温熱媒体Ｃが、外管１９ｂに設けた
供給ノズル２１から低沸点媒体りがそれぞれガイド２２
の傾斜面２２ａ上に噴射されると、これらの噴射された
媒体Ｃ，Ｄは前記傾斜面２２ａ上で薄液膜を形成しなが
ら直接液−液接触による熱交換を行う。この場合、傾斜
面２２ａはスパイラル形状に形成されているためスワー
ル効果を生ずるので、二媒体の混合、攪拌が著しく促進
される。このため薄液膜状の二媒体は傾斜面２２ａ上を
流通して直接液−液接触によシ熱交換を行う。そして二
媒体は多段化された傾斜面２２ａ上で熱交換し、この間
に低沸点媒体りは完全に沸騰して蒸気化する。

上述した第１実施例によれば、二層液流の流れを支配す
る傾斜面２２ａの傾斜角度を定めることによυ、二媒体
Ｃ，Ｄの薄液膜の流下速度は増速されるため、二媒体の
接触時間は短かくなるけれども、二媒体は強制的に混合
、攪拌されるから熱交換性能は向上する。またスパイラ
ル形状傾斜面２２ａの傾斜効果によシ、熱交換後に高温
熱媒体Ｆ中に未沸騰分の低沸点媒体液滴を残留させる心
配がなく、二層液流の下部方向への流れは安定である。

ところが未沸騰分の低沸点媒体液滴が含まれている場合
には、液だめ２８内で通気性固体２７を発泡核として完
全に沸騰させることによシ、従来の容積形の熱交換方式
に比べて不安定流動の発生を免れることができる。第８
図に示すように薄液膜状の二媒体３０を直接接触させて
熱交換すると、容器１内の空間を有効に利用でき、かつ
気液分離が容易であるため、別に気液分離器を設置する
必要がないなどの利点がある。

また第６図に示すように二媒体のノズル出口２０．２１
は二重管１９の内、外管１９ａ、１９ｂに孔をあけた構
造であるから、圧力損失もそれ程大きくない。したがっ
てボンダは二媒体を供給する最上部のノズル位置までの
揚程を持っていればよく、二媒体はノズル２０．２１か
ら噴射した後に傾斜面２２ａ上を自由落下するから所内
動力は小さくてもよい。また二媒体Ｃ，Ｄの供給管１９
ａ。

１９ｂは二重管構造であるため、外管１９ｂ内の低沸点
媒体りは内管壁を介して内管１９ａ内の高温熱媒体Ｃに
よシ予熱されるので、ノズル２１から噴射された低沸点
媒体りは直ちに飽和温度に達する。さらに前記傾斜面２
２ａには流通孔２２ｂが設けられているため、その傾斜
面２２ａ上の媒体液滴２９は流通孔２２ｂを流通し、下
段の傾斜面上の薄液膜３０と衝突して沸騰するから、二
媒体Ｃ，Ｄの混合、沸騰はよシ一層に促進される。

上記のように二媒体Ｃ，Ｄは混合して薄液膜３０となり
直接Ｉ（接触して熱交換し、低沸点媒体りはその薄液膜
状態で多段のスパイラル状順が［面２２ａ上を通過しな
がら完全に沸倚する。すなわち低沸点媒体りは二重管１
９で予熱された後に、傾斜面２２ａ上を薄液膜状態で流
通して直接液−液接触熱交換を行い、同時に上段の傾斜
面の流通孔２２ｂから滴下する媒体２９と下段の傾斜面
２２ａ上の薄液膜３０は衝突して表面沸騰を生ずる。こ
れらの過程を経ても未沸騰の低沸点媒体りは、容器１内
の底部に設けられた液だめ２８内の通気性固体２７を発
泡核として完全に沸騰する。

次に薄液膜３０を形成する二媒体の熱交換状態を第９図
について説明するに、二重管１９のノズル２０．２１か
ら噴射された二媒体Ｃ，Ｄは（第８図参照）、当初二層
状態を保っているが、スパイラル状傾斜面２２ａ上を流
通する際に徐々に混合し、この液−液界面上で気泡巻き
込みによる発泡が開始される。そして、冷媒内で発生し
た気泡２６は成長し、この気泡２６はついには薄液膜３
０を破９、その冷媒蒸気Ｅが容器内を上昇する。

このような薄液膜二層状梗における熱交換では、飽和蒸
気温度に達した冷媒蒸気Ｅは余分に過熱される恐れがな
い。このため低沸点媒体は蒸気過熱により熱分解するこ
とがなくなるので、容器を小形化して平均体積熱貫流率
の向上をはかることができる。

第１０図に示す第２実施例は第１実姉例（第４図）にお
ける二重管１９とガイド２２との組合せからなる熱交換
体の一組を容器１８内に並列に設置したものである。こ
のように構成すれば、第１実施例のもの２個分と同一性
能を有するものを約１．５倍の比較的に小さい容器１８
に収納することができ、かつ低沸点媒体蒸気の上昇流路
を十分に確保し、容器内の空間を有効に活用することが
できるから気液分離機構には問題ない。

上記実施列では二媒体用ガイドとしてスノくイラル状傾
斜面を用いたが、これに代り第１１図および第１２図に
示す第３実施例は下向き円錐体２２Ｘと上向き円錐体２
２Ｙとを組合せてなる二媒体用ガイドを二重管１９に多
段に取付けた構成からなり、その他の構造は第１実施例
と同一であるから説明を省略する。このように構成すれ
ば、第１実施例よりも薄液膜状二媒体の混合が亢進され
るので、低沸点媒体の完全沸騰は進行するから総括的な
蒸発量が増加する。

第１３図および第１４図に示す第４実施例は、二重管１
９に二媒体用ガイドとして下向き円錐体２２Ｚを多段に
取付け、これらの下向き円錐体２２Ｚを最上段よシ最下
段に至るにしたがって順次に大きく形成したもので、そ
の他の構造は第１実施例と同一であるから説明を省略す
る。このように構成すれば、上段の円錐体２２Ｚ上の薄
液膜は下段の拡大された円錐体２２Ｚ上に落下して混合
効果の低下を招くが、薄液膜の直接接触熱交換は安定に
行われるから安定した流動を生ずる利点がある。

上述の谷実施例における傾斜面を多孔質材によυ構成し
、または焼結面として粗面を形成するようにすれば、液
−液の直接接触熱交換を行わせると同時に、高温熱媒体
よシ比重の大きい低沸点媒体を前記粗面に固液接触させ
ることによシ核沸騰させる効果がある。前記多孔質材と
しては水−フレオン系で腐食し難く、シかも熱容量の小
さいものがよい。

以上説明したように本発明によれば、容器内に多段に設
けたガイドのスパイラル状傾斜面または円錐状傾斜面上
に高温熱媒体と低沸点媒体を薄液膜状態に流すことによ
シ、低沸点媒体を完全に沸騰させることができるので、
気液分離を容易にすると共に、低沸点媒体蒸気の過熱を
防止して熱交換効率の向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来の直接液−液接触式熱交換器の縦
断面図、第４図は本発明の直接液−液接触式熱交換器の
一実施例を示す縦断面図、第５図〜第７図はそれぞれ同
実施例の熱交換体の斜視図、二重管の一部の縦断面図お
よび傾斜面の縦断面図、第８図および第９図は同実施例
の熱交換状態を示す説明図、第１０図、第１１図および
第１３図は本発明に係わる他の実施例の縦断面図、第１
２図および第１４図はそれぞれ第１１図および第１３図
に示す実施例の熱交換体の斜視図である。 １８・・・容器、１９・・・二重管、１９ａ・・・内管
、１９ｂ・・・外管、２０．２１・・・供給ノズル、２
２・・・二媒体用ガイド、２２ａ・・・傾斜面、２２ｂ
・・・流通孔、２２Ｘ、２２Ｚ・・・下向き円錐体、２
２Ｙ・・・上向き第１図 第　２　図 罰３図 Ｅ ↑ 第　４　　図 第ｇ図 ｆ；９図 χ　ｔθ　配 不　　ｌＩ　　　図 第　　１ｚ　　　図 第１３図 第　　／４　　図 ４１７−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、容器内で高温熱媒体と低沸点媒体とを直接に接触さ
   せて熱父換を行わせ、低沸点媒体を沸騰させる直接故−
   液接触式熱交換器において、前記容器内に鉛直に設けた
   前記二媒体の供給用二重管と、この二重管の外周面に多
   段に取付けた二媒体用ガイドとによシ熱交換体を構成し
   、前記二重管の内、外管にそれぞれ設けた各供給ノズル
   から前記二媒体をそれぞれ前記ガイドの傾斜面上に薄０
   ．膜状態に流すようにしたことを特徴とする直接数−液
   接触式熱父換器。 ２、熱交換体を各器内に並列に設置したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の直接液−液接触式熱交換
   器。 ３、二媒体用ガイドに多数の流通孔を設けたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の直接液
   −液接触式熱交換器。 ４、二媒体用ガイドが多孔質材からなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項に記載の直接液−
   液接触式熱父換器。 ５、二媒体用ガイドの傾斜面をスパイラル状に形成した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項の
   いずれか１項に記載の直接故−液接触式熱交換器。 ６、二媒体用ガイドを下向き円錐体と上向き円錐体とを
   組合せて構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第４項のいずれか１項に記載の直接液−液接触
   式熱交換器。 ７、二媒体用ガイドを下向き円錐体に形成し、これらの
   下向き円錐体を最上段よｐ最下段に至るにしたがって順
   次に太きく形成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第４項のいずれか１項に記載の直接液−液接
   触式熱交換器。