JPS591990A - 熱交換器の熱伝達係数の制御方法及びその制御方法を実施するための改良された熱交換器 - 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、熱交換器の内部の熱交換面と粒状材料との間
において行われる熱伝達の伝達係数を制御する方法、並
ひに、この方法を実施するための□改良された熱交換器
に関する・ 上端及び下端にそれぞれ設けられた供給オリフィスと排
出オリフィスとの間に粒状材料の充填物の下向き循環が
形成され、該充填物が移動床を形成し、この移動床が僧
の２つのレベル即ち高レベルと低レベルとの間において
檜の内部に延長する長い熱交換要素と接触して上方から
下方に移動するようにした熱交換器は、従来から知られ
ている。

熱交換要素は、充填物中に埋没させ、又は偕の内側壁を
覆うように配設してもよく、熱を運ぶ流体が内部に流れ
る管又は管束にょシ形成されていてもよい。

熱交換を助けるために１均等に分布させたガスを充填物
の内部に槽底部から噴射し、このガスが比較的低い流量
においても、下方から上方に充填物を貫流する上昇流を
形成し、循環速度が十分に高くなった時に充填物を流動
化させるようにすることは、従来から提案されている。

これＫよシ熱交換器の熱伝達係数は大きく改善される・
一般的に、この形式の熱交換器の熱変換効率は、比較的
一定であシ、熱交換器の出力を高くするには、−例とし
て、流動床を複数の隔室に区画し、所望の出力の関数と
して隔室の数を制御する。これによシ充填物の高さ又は
下向き循環速度ないしは熱を運ぶ流体の流量を変えるこ
とはできるが、その調節は限定されておシ、また瞬時的
には行われない。しかし成る用途にとっては、粒状材料
の流量に拘シなく、粒状材料の排出温度又は熱を運ぶ流
体の温度の上昇を一定に保つように熱交換器の熱交換係
数を比較的大きく且つ迅速に変化させることが時には有
利である。

本発明の目的は、熱伝達を制御する方法と、この制御方
法を実施するための改良された熱交換器を提供すること
にある。

本発明によれば、熱交換要素と接触するように配され内
部にガスが噴射されるようになった粒状材料の充填物を
含む熱交換槽を有する熱交換器において、上昇循環速度
が、最初は槽底部において、臨界の流動化速度よシも低
く、次に徐々に増大し、熱交換要素の下部レベルと上部
レベルとの間の制御可能な成るレベルにおいて、上記の
臨界の流動化速度に到達するように、下方から上方に充
填物を貫流するガスの循環条件を制御する。これにょヤ
熱交換喪素は、互に対し逆向きに高さが変化する充填物
の２つの上下に重なった領域即ち熱交換係数の低い均密
な下部領域と熱交換係数の高い流動化された上部領域と
を網羅する。流動化レベルを制御することＫよって、熱
交換器全体の熱交換係数を定めることが可能になる。

好ましくは、槽中に噴射される流動化ガスの流量を変え
ることによってガスの上昇循環速度を制御する。

粒状材料が檜の上端と下端との間において冷却される、
最も一般的な場合には、臨界の流動化速度と檜の底部に
おいての最初の噴射速度との間の差よシも大きなガスの
上昇循環速度の増大が対応の加熱によ９定められるよう
に、上向きの向流として循環されるガスの循環条件を制
御し、上記最初の噴射速度は、臨界の流動化速度が檜の
望みのレベルにおいて達せられるように、上記上昇循環
速度の増大に留意して選定する。

粒状材料の冷却に用いる熱交換器に本発明を適用する特
別の応用例においては、槽中に噴射するガスの流量を変
えることによって流動化レベルを変えることによυ、槽
の出口においての粒状材料の温度を制御する。

熱交換要素の内部に循環される熱を運ぶ流体の加熱に用
いる熱交換器に本発明を適用する別の応用例においては
、流動化レベル、従って均密な部分と流動化された部分
とにそれぞれ埋設している熱交換面の部分を変化させる
ことによって、熱を運ぶ流体の排出温度を制御する。

本発明は、檜の下部から上部に向って噴射されるガスの
上昇循環速度を、臨界の流動化速度よりも低い成る初速
から始まって漸進的に増大させる速度増大手段と、臨界
の流動化速度が達せられるレベルを制御するべく檜の底
部罠おいての最初の速度を制御する速度制御手段とを備
えた、上述の制御方法を実施するための、熱、交換係数
可変の熱交換器を提供する仁とも対象としている。

本発明の好ましい実施態様によれば、上記速度増大手段
は、槽の下部から上部へとガスの通路断面積を徐々に狭
くすることによシ形成される。

本発明の別の好ましい実施態様によれば、上記速度増大
手段は、櫂の高さに亘るいろいろのレベルに分布されて
檜の全幅圧延在し個々に噴射量制御手段を備えている複
数の噴射ランプ（ｒａｒｎｐ　）によって形成される。

次に本発明の好ましい実施例による熱交換器及びその１
つの応用例を示した添付図面を参照して更に説明する。

第１図に略示した熱交換器は、粒状材料の充填物２を満
たした垂直軸線の熱交換槽１によって形成され、この粒
状材料は、熱交換槽ｌの上部に開口する供給管３から供
給され４普通はＰ耳形の熱交換槽１の底ｓ１１の排出管
４から排出される。

供給管３及び排出管４は好ましくは流量制御弁３１．４
１をそれぞれ有し、これらの流量制御弁によって、熱交
換槽１の円筒部分中にある充填物２の高さｈが調節され
る。

熱交換槽１の円筒部分中には、熱交換面の大きな熱交換
要素５例えば管束が、高レベルＡと低レベルＢとの間に
延長するように配置してあり、熱交換要素５の内部には
、熱を運ぶ流体が流れる。

熱交換槽１の下部の、円筒部分よシも下方に、ガスを上
向きに噴射するための複数の噴射ノズルを備えた少くと
も１個のランデ６が配設されており、このガスは、粒状
材料の充填物２中に一様に分配され、充填物２を横切っ
て下方から上方に循環するように上昇する。ランプ６は
噴射されるガスの流量を制御するための流量制御弁６１
を備えている。周知の分配グリッドを用いることによつ
工、熱交換４１１１の全幅に亘ってガスが一様に分配さ
れる。

ガスの種類は必要に応じ適宜選択してよく、−例として
、空気、酸素、炭酸ガス又は不活性ガスが使用される。

このようにして、熱交換槽１の内部に、熱交換要素５と
接触して上方から下方に移動する充填物２の移動床が形
成される。周知のように、熱交換要素５の内部に循環さ
れる熱を運ぶ流体と充填物２との間の熱交換係数は、こ
の場合は比較的低いので、粒状材料を流動化させるに足
る速度で充填物２の下部にガスを噴射して、熱交換係数
を高くする。

特に、槽１の下部に噴射され、供給管３又は換気筒を軽
て排出されるガスは、槽１の内部において、粒状材料の
充填物２に対する向流として流れることによ）、充填物
２と熱交換される。

粒状材料の充填物２が熱交換要素５と接触して上方から
下方Ｋかけて冷却される場合には、粒状材料を冷却させ
る大きな役目を噴射ガスに与えるにはガスの流量が不足
するとしても、充填物２に対する向流として循環される
ガスの温度が上昇することが認められる。第２図の線図
にはガスの温度（ｔＣ）の変化が横軸に、また高さくｈ
）が縦軸にそれぞれプロットされている。温度の上昇は
、高さｈにほぼ比例して、檜ｌの底部に噴射されるガス
の各々の流ＪＩＫ、勾配の異なる１本宛の直線が対応し
ている。またガスの比容積は温度にほぼ比例することが
知られている。他方では、非常に均質な粒状材料の場合
に、移動床が高密度ならば、ガスの通過断面ｉは、熱交
換器の断面積に依存し、熱交換器が円筒状ならば、通過
断面積は一定とみることができる。従って債ｌ中を上昇
するあいだにガスが受ける温度の上昇（これには比容積
の相応する増大が対応している）は、上昇循環速度の連
続した上昇を規定する。この速度を横軸にプロットし、
尺度上賢明に定めるならは、高さの関数としての上昇循
ｆｊ！速度の変化は、第２図の線図上で、各々噴射ガス
の成る流量に°対応している直線と同一の直線によシ表
わされることになる。

特に比較的均質な成る粒状材料について、それ以下では
粒状材料の充填物が均密なままであるがそれ以上では粒
状材料が流動化されるような、成る臨界の流動化速度が
存在することが知られている。例えはグリッド状カーゲ
ンの場合には臨界の流動化速度は１．３ｍ／秒のオーダ
ーである０第２図の線図で、縦軸に平行で横軸の座標値
が１．５に等しいように直線を引くことができる。容易
に□わかるように、ガス流量が５ｍ１秒の場合には、ガ
スが充填物２の全高さに亘って流過した後も、臨界の流
動化速度に到達することはなく、充填物２は均密な床の
状態になっている。ガス流量が６ｍ／秒の場合にはガス
の速度は徐々に増大し、熱交換器のレベルＣＫ在る点Ｍ
において１．５ｍ１秒という臨界速度に到達する。ガス
の温度も同様に点Ｍｔで徐々に上昇する。レベルＣよシ
も上方の充填物２の全ての領域２１は高さｈｌに亘って
流動化される。この場合には粒状材料は流動化感れた全
高さに亘って同じ温度になることがわかっている。その
ためレベルＣよ〕も上方ではガスは点Ｍにおいて到達し
た温度になっておシ、ガスの速度も同様に、臨界の流動
化速度に保たれている。

従って充填物２の内部に２つの重なり合う領域が熱交換
要素５のレベルＡ％Ｂの間に形成される。

これらは、レベルＡ％Ｃの間にある高さｈｌ　　の流動
化された上部領域２１と、レベルＣ，８の間にある高さ
ｈ２　　の均密な下部領域２２とである。流動化によっ
て熱交換係数の非常に大きな変化が惹起され、その値は
一例として移動床中の２０Ｗ／ｍ２　／　Ｃｐｈら流動
床中の２００　Ｗ　／　ｍ２　／　℃　になシ得る。こ
のように熱交換係数の非肩に異なる２つの領域が熱交換
器の内部に、熱交換要素５の全高に亘シ形成され、熱交
換要素５の下方にラング６により噴射されるガスの流量
を調節することによって２つの領域２１，２２０相対高
さを互に逆の方向に変化させることができる。実際に噴
射ガスの流量を増大させると、上向き循環流の初速が増
大し、循頃流の速度は、よシすみやかに臨界の流動化速
度に到達する。他方では、第２図に示すように、流量が
増大すると、高さの増大に対する速度の増大の比率が大
きくなる。それは熱交換器中の同一の通路断面積に対し
て、同一の温度上昇による容積の相対的な増大がガスの
よシ大きな容積について成立つためである。

このようにして熱交換器の全体的な熱変換係数を大きく
変更する仁とができる。

一例として、熱父換槽ｌ中においての粒状物２の成る与
えられた流量において、熱交換要素５中の熱を運ぶ流体
の流量を変えずに、流量制御弁６１を調節して噴射流体
の流量を増大させ、流動化された領域２１に含まれる熱
交換器の高さｈｌ　　（従って熱を運ぶ流体に充填物２
から伝達される熱量）を増大させるだけでよい。従って
充填物２と熱を運ぶ流体とのうちどちらか一方の温度が
変化しても、充填物２及び熱を運ぶ流体の流量を変える
ことなく、単に噴射流体の流量を変えるだけで、そのど
ちらか他方の温度を一定に保つことができる。流ｉｋ　
ｆｌｊｌＪ御弁６１の調節は、一定に保とうとする温度
の測定に従属させてもよい。

しかし成る一定の流体流量については、熱交換器の自動
調節作用も得られる。

実際に充填物２の平均温度は、レベル＾、Ｃの間の流動
化され九部分でははｔ！一定であり、レベルｃ、ｅの間
の均密な部分では、ごくわずか変化し、この部分では熱
交換係数は低い。他方ではガスと充填物２との間の交換
が、すみやかなため、各々のレベルにあるガスの温度は
、同じレベル、特に熱交換器の基部のレベルＢＦ：ある
粒子の温度にほぼ等しくなる。成る与えられたガス流量
についての温度の上昇は、高さに比例するものであり、
流動化速度は、臨界の流動化温度の達成を可能にする速
度の増大に対応した成る温度において達せられ、この温
度は、充填物２の全ての流動化された部分の平均温度で
ある。従って流動化は、成る与えられたガスの流量につ
いて、流動化部分の温度を定める成るレベルにおいて達
せられ、成る一定のガス流量については、この流動化レ
ベルＣは一定になる。実際に流動化の高さｈｌ　　が何
らかの理由で増大すると、熱交換面も°同様に増大し、
温度が低下すると流動化高さは上昇する傾向を示し、流
動化高さを減少させる。

他方では、熱交換器の人口においての充填物２の温度又
は流量が変化すると、流動化レベルは変化して、流動化
部分中に埋没した熱交換面積を適応させる。温度は一定
の値に′なっている。

上述した例によれは、一定の断面積の熱交換器において
、粒状材料の冷却（従って上昇循環速度の増大を生ずる
ガスの加熱）が行われる。しかしこの速度の上昇は他の
手段によっても達せられる０第３図に示した実施例によ
れば、熱交換ｍｌは、幅の広い基部１２（ガス噴射用の
ラング６はこの個所に設けられる）まで広がっている円
錐面状の壁によって画定され、底部１１は、上述した例
と同様に、排出管４上に開口したＰ斗の形状を有してい
る。

熱交換要素５はこの円錐形の囲いのレベルＡ。

Ｂの間に延在している。

ランデ６によυ噴射されたガスは、下方から上方にかけ
て通路断面積が減少している熱交換槽１の内部を上昇す
る。そのため純粋に機械的な手段によってガスの上昇循
環速度が増大する。レベルＢにおいての最初の循環速度
が臨界の流動化速度よりも低く、臨界の流動化速度が噴
射ガスの最初の速度従ってその流量に依存する中間レベ
ルＣにおいて達成されるように、ランプ６の噴射量を定
めることができる。

断面積の減少のみによって速度を増大させることができ
、この場合には、望みのレベルにおいて臨界の流動化速
度を達成するに足シる速度の増大が通路断面積の減少に
よって定められるように、熱交換４Ｗ１の形状及びガス
の最初の速度を定めるＯこの実施例は、熱１−．！！ぶ
流体と粒状材料との間の熱交換が粒状材料の冷却をも九
らすようになっていない場合には特に有効である。これ
は−例として粒状材料の加熱のためか又は粒状材料を一
定の温度に保つために熱交換器が使用される場合である
０ しかし第１図と第３図の頓首を組合せ、下方から上方に
循環される粒状材料を冷却するために逆円錐璧の熱交換
器を使用することもできる。実際に仁の場合には、噴射
ガスの通路断面積の減少の効果と温度上昇の効果とが相
加されるため、熱交換器の下方から上方へのガスの上昇
循環流の速度変化が大きくなる。

充填物２を通るガス循環条件の別の制御手段が、第４図
に図示されておシ、この場合には熱交換槽１の高さ方向
に間隔をおいて複数のガス噴射用のランプ６３．６４．
６５が、熱交換槽ｌの内部に設けられる。各々のランプ
６３〜６５は、複数の噴射ノズルを有し、流動化のため
のガスを一様に分布させるために、槽ｌの全幅に亘プ延
長している＠各々のランプ６３〜６５は、個別に流量制
御部材６３０．６４０．６５０も備えているＯそのため
例えば１つのランプから、そのランプの上方にある充填
物の部分の流動化をひき起こすに足シるガス量を噴射す
ることがで１！、従って流動化の始まるレベルＣと、流
動化された部分中に埋没される熱交換要素の高さｈｌ　
　とを、噴射ランプの選定によシ調節することができる
。

また同時に複数の噴射ランプを使用し、ランプを付加或
いは除去することによシ、熱交換器の下方から上方に循
環するガス流量を−節し、最も上方のレベルにあって作
動しているラングの上方にある充填物２０部分の噴射ガ
スによる流動化の始まるレベルを選定することができる
。

ガス噴射ランプの選定による速度の上昇をガス通過断面
積の減少とその温度上昇とによυ増大させ得ることから
、第４図の実施例と第１．３図の実施例とを組合せるこ
とももちろん可能である。

以上にそのいくつかの実施例について説明した本発明は
、いろいろの用途に使用される。第５図はその特に有用
な１つの用途を示している。

この場合には、本発明による熱交換器は、分離器７１例
えばサイクロンに排気筒を介し連結された囲い７中の流
動床からの粒状材料の冷却用に用いられる。分離器７１
の下部は熱交換器１の人口オリフィス３に開口しておシ
、熱交換器１の出口４は、冷却後に粒状材料を流動床に
返送する。この構成は、流動床中に配された管路７２中
に蒸気を発生させるボイラーないしはガス化反応器を形
成する囲い７中の流動床の温度を制御するために特に用
いられる。温度の正確な制御が多くの場合に必要になシ
、このために、煙道により排出される流動床からの微小
粒子を回収し、これらの粒子を冷却し、成る制御された
流量をもって流動床に再供給することができ、過剰な粒
子は、熱交換槽１の下部を形成するホツ／Ｉ−状の底部
１１の下部１３によって排出する。この方法によれば、
熱交換器１の出口４のところで固形物の温度を正確に制
御することが必要になる。この効果を得るには、上述し
えように熱交換係数を変えられる熱交換器を使用するこ
とが特に好ましい。実際に、噴射ガスの流量調節弁６１
ｔｌ−動作させる制御回路８０において測定された温度
を表わす信号を送出する温度センサー８を、−例として
熱交換器１の出口４に設け、熱交換器ｌの入口において
の粒状材料の温度又はその流量又はその両方が変動した
場合にも粒状材料の出口の温度を一定の値に保ち得る流
動化レベルＣの変動を定めることができる。

上述した特別の用途においては、本発明による熱伝達係
数を調節し得る熱交換器は、粒状材料の温度を制御する
目的に使用されているが、明らかなように、この熱交換
器を使用して、熱交換要素５の内部に循環される熱を運
ぶ流体の温度を、流動化レベルを変化させることにより
制御することができる６Ｒ，体を循環させる信教の互に
平行なＷによって熱交換要素を形成した既知の普通の構
成においては、流体温度に対する流動１ヒレペルの変動
の効果が一様になるように、これらの管を図示のように
垂直に配向させることが好ましい。

しかし一般に本発明による熱交換係数可変の熱交換器を
用いることが有用になるような他の多くの用途が存在す
る。

【図面の簡単な説明】

＠１図は本発明による制御方法を実施するための熱交換
器の概略縦断面図、第２図は第１図の熱交換器の作用を
説明するための線図、第３図及び第４図は熱交換器の２
つの変形例を示す概略縦断面図、第５図は本発明による
制御方法の応用例を示す縦断面図である。 符号の説明 １・・・熱交換槽、２・・・充填物、５・・・熱交換要
素、６・・・ランｆ（噴射手段）、２１・・・上部領域
、２２・・・下部領域、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・レベル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）粒状材料の充填物を移動床（２）の形で下方に向
   は循環させるための、画角軸線を備えた檀（１）、！：
   、４１Ｉ（１）の２つのレベル即チ高レベル（Ａ）と低
   レベル（Ｂ）との間に延在する長い熱交換要素（５）と
   、流動化の上昇流を形成するように均等に分布されたガ
   スを粒状材料の充填物（２）の下方に噴射する噴射手段
   （６）とを有する熱交換器について、その熱伝達効率を
   制御するに当シ、上昇循環速度が最初は檜（１）の下部
   において臨界の流動化速度よりも低く、次に徐々に増大
   し、熱交換要素（５）の高レベル（＾）と低レベル（Ｂ
   ）との間に含まれる可調節の流動化レベル（Ｃ）におい
   て上記臨界の流動化速度に到達するように、ガスの上昇
   流の循環条件を制御し、熱交換要素（５）はかくして互
   に逆向きに高さが変わる上記充填物の２つの重なシ合う
   領域即ち熱交換係数の低い下部領域（２２）と熱交換効
   率の高い流動化された上部領域（２１）とを網羅し、檀
   （１）全体の熱交換係数が流動化レベル（Ｃ）の制御に
   よって定まるようにすることを特徴とする制御方法。 ＋ｉ＋　　充填物（２）の下方に噴射される流動化のガ
   スの流ｔｔ−変えることによシ充填物（２）の流動化レ
   ベル（Ｃ）を制御することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の制御方法。 （３）粒状材料が４１１（１）の上端と下端との間で冷
   却される場合において、臨界の流動化速度と槽（１）の
   底部においての最初の噴射速度との間の差よりも大きな
   ガスの上昇°循環速度の増大が対応の加熱によシ定めら
   れるように、上向きの向流として循環されるガスの循環
   条件を制御し、上記最初の噴射速度は、臨界の流動化速
   度が檀（１）の望みのレベルにおいて達せられるように
   、上記上昇循環速度の増大に留意して選定することｔ−
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の制御
   方法。 （４）　　檀（１）の通路断面積を下方から上方にかけ
   て徐々に狭くすることによシ、ガスの上昇循環速度゛の
   増大を定めることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３
   項のいずれか１項記載の制御方法Ｏ ＋５＋４１１（１）の全幅に亘シ横方向に延在し槽（１
   ）の下方から上方に分布された３個の別々のランプ（６
   ３，６４，６５）によって、ガスを噴射することによ〕
   、流動化レベル（Ｃ）を制御し、各々のランプによる噴
   射流量は個別に調節可能とすることを特徴とする特許請
   求の範囲第１〜４項のいずれか１項記載の制御方法。 （６）　　粒状材料の冷却に用いる熱交換器に適用する
   場合の、特許請求の範囲第１〜５項のいずれか１項記載
   の制御方法において、槽（１）中に噴射するガスの流量
   を制御することによって流動化レベル（Ｃ）を変えるこ
   とによシ、槽（１）の出口（４）においての粒状材料の
   温度を制御（７）　　熱交換要素（５）の内部に循環さ
   れる熱を運ぶ流体の加熱用の熱交換器に適用される特許
   請求の範囲第１〜５項のいずれか１項記載の制御方法に
   おいて、熱を運ぶ流体に伝達される熱量を、流動化レベ
   ル（Ｃ）を変えることによシ制轡することを特徴とする
   制御方法。 （８）　　槽（１）を少くとも部分的に満たす粒状材料
   （２）の供給手段（３）及び排出手段（４）１ｃ上端と
   下端にそれぞれ備えている、垂直軸線をもった上記槽（
   １）と、槽（１）の２つのレベル即ち高レベル（＾）と
   低レベル（Ｂ）との間において槽（１）の内部に延在す
   る長い熱交換要素（５）と、僧（１）の底部にガスを噴
   射するガス噴射手段（６）とを有するものにおいて、粒
   状材料と熱交換要素との間の熱伝達制御手段があり、該
   熱伝達制御手段は、槽（１）の下部から上部に向って噴
   射されるガスの上昇循環速度を、臨界の流動化速度よシ
   も低い成る初速から始まって漸進的に増大させる速度増
   大手段と、臨界の流動化速度が達せられるレベル（Ｃ）
   ｔ−制御するべく槽（１）の底部においての最初の速度
   を制御する速度制御手段（６１）とを備えたことを特徴
   とする、熱交換係数可変の熱交換器０ （９）　上記速度増大手段が檜の下部から上部へとガス
   通路断面積を徐々に狭くすることによｐ形成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱交換器。 （ｌＩ　　槽（１）の高さに亘る複数の個所に分布され
   個別の噴射量制御手段（６３０，６４０，６５０）を備
   えた複数の噴射ランプ（６１６４，６５）により上記速
   度増大手段を形成したことを特徴とする特許請求の範囲
   第を項又は第２項記載の熱交換器。 ｕ９　　ガスによって連行される粒子の回収装置（７１
   ）Ｋ煙道（７３）によって連結され内部には固形粒子の
   流動床が形成されている囲い（７）を組合せて設け、回
   収装置（７１）は槽（１）の上部に連結されて粒状材料
   の供給手段を形成し、債（１）の下部は、４ｍｌ　（１
   ）中においての粒子の制御された冷却の後に該粒子を再
   循環させるための管路（４）によって、流動化の上記囲
   いに連結したことを特徴とする特許請求の範囲第８〜１
   ０項のいずれか１項記載の熱交換器。