(57)【要約】【課題】本発明は、特許請求の範囲に定めるような潜熱交換チャンバの配置を通じて総潜熱伝達係数を高めるとともに、潜熱交換器の凝縮面と蒸発面との間の温度差又は温度勾配を低減することを目的とする。【解決手段】本発明は、蒸留装置において使用できる潜熱交換器チャンバであって、内面上の毛管蒸発領域内のエバポレータと、外面上の毛管凝縮領域内のコンデンサとを備え、内側エバポレータ面の微細溝又は微小うねり内に液体を注入供給するシステムがエバポレータ面上の薄い水膜の形成を防いで高潜熱伝達係数を達成する潜熱交換器チャンバの配置に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面上で凝縮を行って内面上で蒸発を行う潜熱交換チャンバの配置であって、このチャンバの前記外面は、前記凝縮が毛管領域において実行されて凹形の気液界面を有する濃縮液体のメニスカスが形成される微細溝又はその他の毛管構造で少なくとも部分的に覆われ、前記チャンバの前記内面は、前記蒸発する液体が流れて凹形の気液界面を有するメニスカスを形成する微細溝又は微小うねりで少なくとも部分的に覆われ、前記蒸発は、該蒸発の効率が最も高い前記メニスカスの上端から行われ、前記蒸発する液体は、各チャンバの蒸発内面上で、前記微細溝又は微小うねりにおける望ましくない液体のあふれを伴わず、乾燥領域を減少又は排除し、直接的な制御された形で妨害されることなく供給され、前記潜熱交換チャンバは、気相が凝縮して凝縮潜熱を放出する凝縮メニスカスの表面と、液相が蒸発して蒸発潜熱を吸収する蒸発メニスカスの端部との間に液層のない熱経路を有する、ことを特徴とする配置。
【請求項２】
前記微細溝又は微小うねりの方向におけるチャンバ壁の１つの断面は、ジグザグ形状、ギザギザ形状又は波形形状を有する、請求項１に記載の配置。
【請求項３】
前記潜熱交換チャンバは、楕円形断面（１）を有する、請求項１に記載の配置。
【請求項４】
前記潜熱交換チャンバは、円形断面（１）を有する、請求項１に記載の配置。
【請求項５】
前記潜熱交換チャンバは、長方形又は正方形断面（１）を有する、請求項１に記載の配置。
【請求項６】
微細溝又は微小うねりは、水平構成の潜熱交換器を使用するために前記チャンバの中心軸に垂直である、請求項１に記載の配置。
【請求項７】
前記微細溝又は微小うねりは、垂直構成の潜熱交換器を使用するために前記チャンバの中心軸に平行である、請求項１に記載の配置。
【請求項８】
前記潜熱交換チャンバは、前記液体をシャワー、散水、スプレー又はミストで供給する少なくとも１つの注入装置を有する、前記蒸発する液体を供給するための少なくとも１つのダクトを内部に備える、請求項１に記載の配置。
【請求項９】
前記潜熱交換チャンバは垂直構成を有し、各チャンバの前記上端に、前記蒸発する液体を前記チャンバの前記内面上に重力注入するための少なくとも１つの機構又は設計を有する、請求項１に記載の配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸留装置に適用可能な、内面にエバポレータを備えて外面にコンデンサを備えた潜熱交換器チャンバの配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
解決すべき技術的課題は以下の通りである。
外面が蒸発性であってその上の薄い下降膜領域（ｔｈｉｎ ｄｅｓｃｅｎｄｉｎｇ ｆｉｌｍ ｒｅｇｉｍｅ）に蒸発する液体流体（ｌｉｑｕｉｄ ｆｌｕｉｄ）が供給される滑らかな又は波形の管又はチャンバを有する現在の管及びケーシング又はチャンバの水平潜熱交換器は、蒸発面上の薄い下降液膜の熱抵抗、及び凝縮面上の凝縮水層（ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ ｗａｔｅｒ ｌａｙｅｒｓ）の抵抗によって潜熱伝達係数（ｌａｔｅｎｔ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が制限される。波状面を有する管又はチャンバの使用は、交換面を増加させて、熱的性能を向上させる効率的な液流乱流効果（ｌｉｑｕｉｄ ｆｌｏｗ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔｓ）を生みだすが、追加伝達係数（ａｄｄｅｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）は、依然として液層の熱抵抗によって制限される。液体流体の薄い下降層（ｄｅｓｃｅｎｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）の熱抵抗は、特に水又は水溶液の場合、外側の蒸発面上の蒸発蒸気の温度と内側の凝縮面上の凝縮蒸気の温度との間の現在使用されている温度勾配を決定する、管又はチャンバの追加潜熱伝達係数を低減する。
【０００３】
外面がコンデンサとして動作し、内面が下降膜式又は上昇膜式エバポレータとして動作する滑らかな又は波形の管を有する現在の垂直管及びケーシング熱交換器は、交換器管の両側の液層の熱抵抗によって潜熱伝達熱係数（ｌａｔｅｎｔ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が制限される。両側にダブルフルーテッド波形管（ｄｏｕｂｌｅ−ｆｌｕｔｅｄ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｐｉｐｅｓ）を使用すれば、液流内で発生する乱流及び交換面の増加によって追加潜熱伝達係数が向上するが、この係数は、液層の熱抵抗によって依然として制限される。これらの装置の管又はチャンバの両側の現在温度差（ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）も、特に水又は水溶液の場合、垂直管壁の両側を少なくとも部分的に覆う液膜の熱抵抗によって条件付けられる。
【０００４】
内面上の毛管凝縮領域及び外面上の毛管蒸発領域にコンデンサ−エバポレータ管（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ−ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｔｕｂｅｓ）を有する現在の熱交換器は、蒸発外面（ｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇ ｏｕｔｅｒ ｆａｃｅ）上で蒸発する液体流体の供給について以下の実際的問題を示す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
潜熱交換器において通常配置されるように管束の形で配置された管の蒸発外面上に位置する微細溝（ｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅｓ）又は微細間隙（ｍｉｃｒｏｇａｐｓ）内に液体流体を供給しようと試みる際に、微細溝又は微細間隙をあふれさせずに液体供給を行うことは非常に困難である。蒸発外面の毛管構造内に規則正しく導入されるように流体を供給することがこのように困難であるため、蒸発毛管上の液体流体の供給が過剰であることによって薄い下降層が出現し、或いは供給が不十分であると乾燥領域が出現してしまう。両現象は、これらの潜熱交換器の壁部の実際の総潜熱交換係数（ａｃｔｕａｌ ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｌａｔｅｎｔ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ）を制限する。
【０００６】
管束内の全ての管への供給に必要な流量は、各管の微細溝の内部に導くことができる流量よりも大きいので、管束の中心に位置する水平管の外面上で微細溝を超えて液体をあふれさせることなく蒸発するように液体を供給することはほとんど不可能である。従って、蒸発するように意図された液体が、最終的に外面上の微細溝を覆って薄膜を形成し、微細溝が毛管蒸発領域で作用するのを防ぎ、交換器管の追加潜熱伝達係数を低減する熱的絶縁層を形成してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、特許請求の範囲に定めるような潜熱交換チャンバの配置を通じて総潜熱伝達係数を高めるとともに、潜熱交換器の凝縮面と蒸発面との間の温度差又は温度勾配を低減しようとするものである。
【０００８】
この潜熱交換チャンバは、以下の特徴を有する。
内側の圧力と、チャンバを含むハウジング内の圧力との間の差異又は勾配を維持するのに十分なレベルの気密性（ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ）を有するチャンバである。
【０００９】
水平又は垂直潜熱交換器において使用できるように形成することができる。
【００１０】
外面は、凝縮する気相が凝縮熱を放出するコンデンサである。内面は、蒸発する液相が蒸発潜熱を吸収するエバポレータである。
【００１１】
内側蒸発面は微細溝又は微細間隙で覆われ、その内部を蒸発する液体が流れて、凹形の気液界面を有するメニスカスを形成する。
【００１２】
外側凝縮面は微細溝又は別の毛管構造で覆われ、凝縮する蒸気が毛管凝縮領域において凝縮して凹形の気液界面を有するメニスカスを形成する。
【００１３】
チャンバ壁は、凝縮メニスカス及び蒸発メニスカスがチャンバ壁の両側に並置され、又は両メニスカス間の短い熱経路によって分離されるように、ジグザグ、ギザギザ又は波形の断面を有することができる。
【００１４】
凝縮外面上で放出される凝縮潜熱及び蒸発内面上で吸収される潜熱からの熱経路では、以下の要素の組み合わせによって熱的絶縁液体の層が低減又は排除される。
【００１５】
凝縮面の微細溝又はその他の毛管構造は、凝縮メニスカスとこれを収容する毛管構造の端部との間に液層のない領域が存在するように、濃縮液体を排出するのに必要な形状、傾斜及び断面を有する。
【００１６】
蒸発面上の微細溝又は微小うねり（ｍｉｃｒｏ ｕｎｄｕｌａｔｉｏｎｓ）は、蒸発する液体を導いて残りの蒸発しなかった液体を所望の塩濃度で排出し、蒸発メニスカスとこれを収容する微細溝又は微小うねりの端部との間に微細溝又は微小うねりに沿って少なくとも１つの液体のないゾーンが存在することを確実にするのに必要な形状、傾斜及び断面を有する。
【００１７】
蒸発面上の微細溝又は微小うねり内の蒸発する液体の規則的な供給をする。チャンバ内のエバポレータ面の配置は、ありとあらゆるチャンバ内部への容易なアクセス、及び各チャンバのエバポレータ面の微細溝又は微小うねり内への規則的かつ均一な液体の供給を可能にし、微細溝を超えてあふれる液体を最小限に抑えて乾燥領域を最小化し、従って管から管へのカスケード式の給水（ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｎ ａ ｔｕｂｅ−ｔｏ−ｔｕｂｅ ｃａｓｃａｄｅ）では外側蒸発面の微細溝が収容できるよりも高い流量が示唆されることによって交換器の管束の中心部に位置する管に液膜を形成することなく液体を供給することがほとんど不可能な最新式の管の外面上に蒸発表面が存在する水平管束で構成された交換器管の現在の問題点が解決されるようになる。最新の水平管束の構成では、外側蒸発面上に追加潜熱伝達係数を低減する薄い水膜が必然的に形成される。一方で、エバポレータ面が管の内部に存在すれば、内部の各管に直接アクセスして、あふれた水の層を形成することなく微細溝内への制御された定量的で均一で正確な供給を行うことができる。
【００１８】
搬送システムによる蒸発内面上への良好な液体の注入と、蒸発内面を覆う毛管構造内部の蒸発との組み合わせは、蒸発面上の液層の低減又は排除を可能にする。
【００１９】
潜在的凝縮熱放出点（ｌａｔｅｎｔ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｒｅｌｅａｓｅ ｐｏｉｎｔ）と潜在的蒸発熱吸収点（ｌａｔｅｎｔ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）との間の経路に熱抵抗を有する液層が存在しないことにより、交換器の潜熱伝達係数を高めて、凝縮側の蒸気と蒸発側の蒸気との間の差異又は温度勾配の低減を可能にすることができる。
【００２０】
添付図に基づく以下の説明に本発明のさらに詳細な解説を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】潜熱交換チャンバ及びその蒸発する液体の供給システムの断面、並びに微細溝又はその他の毛管構造で少なくとも部分的に覆われた潜熱交換チャンバの凝縮外壁のビューを示す図である。
【図２】微細溝がチャンバの軸に垂直な１つの実施形態における潜熱交換チャンバの長手方向断面、及びそのジグザグ断面の拡大した詳細を示す図である。
【図３】チャンバが重なり合った行の形で配置された１つの実施形態における水平ハウジング及びチャンバ装置の断面を示す図である。
【図４】波形の不規則断面を有する実施形態におけるチャンバの断面、及び微細溝又は微小うねりを有するその外面のビューを示す図である。
【図５】垂直に配置されたチャンバを有する装置の断面、及び内部食塩水搬送システムを有するチャンバの詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１及び図２に、外面上で凝縮を行って内面上で蒸発を行う潜熱交換チャンバ１の配置を示す。
【００２３】
熱交換チャンバの外面４は、毛管凝縮領域において蒸気が凝縮する微細溝又はその他の毛管構造で少なくとも部分的に覆われる。外面上の濃縮液体は、凹形の気液界面を有するメニスカス８を形成する。このメニスカス上で毛管凝縮が行われ、潜熱の形でエネルギーが放出される。
【００２４】
潜熱交換チャンバの内面は、蒸発する液体が規則的に流れて凹形の気液界面を有するメニスカス７を形成する微細溝又は微小うねりで少なくとも部分的に覆われる。これらのメニスカス７の上端から、最も効率的な蒸発が行われて潜熱が吸収される。
【００２５】
外面上で凝縮を行って内面上で蒸発を行う潜熱交換チャンバは、図１に示すような水平構成又は垂直構成で実現することができる。１つの実施形態は、垂直構成で設置できるように微細溝又は微小うねりがチャンバの軸に平行である。別の実施形態は、水平構成で設置できるように微細溝又は微小うねりがチャンバの軸に垂直である。
【００２６】
潜熱交換チャンバは、図１に示すような楕円形の断面１を有することも、或いは正方形、長方形、円形、又は図４に示すような不規則断面を有することもできる。断面は、熱交換器が組み込まれた装置の特性及び実行すべき蒸留に依存するパラメータである。
【００２７】
水平構成で動作するチャンバでは、蒸発する液体を供給するための少なくとも１つの機構２がチャンバに組み込まれ、この液体の余剰分３が交換チャンバの下部領域から排出される。この蒸発する液体を供給するための機構２は、微細溝又は微小うねりを湿らせて、微細溝を超えるあふれさせることなくメニスカスを形成するスプレー又はミストを生じる、シャワー、散水、スプレー又はミストタイプのものとすることができる。余剰液３及び蒸発プロセスにおいて放出される蒸気の排出は、チャンバの少なくとも一方の端部から、又はこれらの目的でチャンバに形成された特定の開口部から行われる。
【００２８】
図５に示すように、垂直に動作するチャンバでは、各チャンバの少なくとも上部において圧力下で液体を供給するシステム１９によってチャンバの蒸発内面上に蒸発する液体を供給することができ、蒸発する液体についてはチャンバ内で重力供給機構又は設計を使用することができる。
【００２９】
図２に、チャンバの軸に垂直な微細溝を有する実施形態における潜熱交換チャンバの壁部の長手方向断面５、及び蒸発メニスカス８を蒸発メニスカス７に並置又は近接させて液層のない熱経路９を達成するそのジグザグ断面６の拡大を示す。このメニスカスと水層のない熱経路との近接性は、ギザギザの又は波形の断面でも達成することができる。
【００３０】
潜熱交換チャンバの内面は、蒸発する液体が凹形の気液界面を有するメニスカス７を形成する微細溝又は微小うねりで覆われる。最も効率的な液体の蒸発は、このメニスカス７の上端から行われる。微細溝又は微小うねりの断面及びその傾きは、このメニスカス７の端部とメニスカス７を収容する微細溝又は微小うねりの端部との間に液層又は液膜のない領域が存在するのに十分なものである。
【００３１】
潜熱交換チャンバの外面は、毛管凝縮領域において蒸気が凝縮して凹形の気液界面を有するメニスカス８を形成する微細溝又はその他の毛管構造で覆われる。微細溝又はその他の毛管構造の断面及びその傾きは、濃縮液体メニスカス８の端部とメニスカス８を収容する毛管構造の端部との間に液層又は液膜のない領域が存在するのに十分なものである。
【００３２】
内側で毛管蒸発を行って外側で毛管凝縮を行う潜熱交換チャンバ１、５、２０は、以下の要因を組み合わせることによって熱的絶縁液膜（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｍｓ）の形成を最小化する。
【００３３】
１．凝縮メニスカス８の端部とチャンバ壁の外面上の毛管構造の端部との間に、放出されたエネルギーが凝縮潜熱として効率的に伝わる濃縮液体の層がない領域が存在する。蒸発内面上にも、メニスカス端部７とこれを収容する毛管構造の端部との間に液層のないゾーンが存在する。従って、外面上で凝縮潜熱が放出される凝縮メニスカス８の上部と、潜熱が吸収される内面上の蒸発する液体のメニスカス７の上端との間に液層のない効率的な熱経路９が存在する。
【００３４】
２．内側蒸発面における液体の供給は、下降膜領域では行われない。蒸発する液体は、微細溝又は微小うねり内に供給され、ここを流れてメニスカスを形成する。潜熱交換チャンバの水平構成では、蒸発する液体を分配するための装置が管に沿って配置されたチャンバ内に、少なくとも１つのダクト２が組み込まれる。この液体分配のいくつかの形態は、全ての微細溝又は微小うねりを湿らせる微小液滴又はミストをチャンバ内に形成するシャワー、散水、スプレー又はミストによるものとすることができる。
【００３５】
熱交換チャンバの垂直構成では、蒸発する液体が、少なくとも１つの液体分配機構を有する少なくとも１つのダクト１９によってチャンバの上部に供給される。蒸発する液体を分配するいくつかの形態は、シャワー、散水、スプレー又はミストによるものとすることができる。蒸発する液体には、蒸発する液体をチャンバの内面上の微細溝又は微小うねり内に規則正しく供給するようにチャンバの上部に配置された少なくとも１つのオーバフロー又は重力供給システムを使用することもできる。
【００３６】
３．チャンバ内の蒸発面の配置は、各チャンバの蒸発面上の微細溝又は微細間隙内に、熱的絶縁液層（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｌａｙｅｒｓ）を生じさせる微細溝を超えてあふれる液体を形成することなく一定量の蒸発する液体を均一かつ定量的に供給することを可能にする。このようにして、全ての管への供給に必要な流量のためには微細溝内を流れることができる液体の体積よりも大きな厚みが必要であるという理由で蒸発微細溝（ｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅｓ）よりも大きな厚みの液膜を形成することなく束の中心に位置する管の外面上に液体を供給することが不可能な、外側蒸発面を有する水平姿勢の管束の現在の問題点が解決される。垂直構成では、各チャンバ内の注入装置、ディスペンサ又はスプレーの配置が、チャンバ内の蒸発面の全ての微細溝又は微小うねり内への均一で正確な供給を可能にする。垂直構成では、各チャンバの微細溝又は微小うねりの内部に蒸発する液体を供給する少なくとも１つの均一で正確な計量された重力オーバフローシステム（ｍｅｔｅｒｅｄ ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｏｖｅｒｆｌｏｗ ｓｙｓｔｅｍ）を有することもできる。
【００３７】
従って、外側凝縮面上のメニスカス８上の凝縮潜熱が放出される地点と、内側蒸発面上のメニスカス７の端部における蒸発潜熱の吸収地点との間で液層のない熱経路９を通じてエネルギーが伝わり、液層によって課される熱抵抗が低減又は排除される。
【００３８】
理論上、この液層又は液膜のない経路９は、内側凝縮面及び外側蒸発面上に毛管構造を有するエバポレータ−コンデンサ管でも生じる。しかしながら、実際には、これらの管が潜熱交換器内で管束を形成するように配置された場合、特に水平構成では束内の管の外面にアクセスすることが困難であり、これらの管の蒸発外面上に液体を供給すると、結局は微細溝があふれて微細溝を覆う下降膜が形成され、乾燥領域が形成される。両現象は、総潜熱伝達係数を低下させる。これらの蒸発面上の微細溝内の流体供給問題を避けるには、蒸発面の位置を反転させて、微細溝又は微小うねり内に正確な量の蒸発する液体を供給できる潜熱交換チャンバ内に配置することが不可欠である。
【００３９】
チャンバの内面上の蒸発ゾーンの配置は、定期的な化学洗浄プロセスも容易にして、プログラムされた期間中に蒸発表面全体が洗浄液に浸されることを確実にする。供給システム２は、チャンバ内における定期的な圧力洗浄の適用も可能にする。
【００４０】
潜熱交換チャンバは、これらを収容するハウジングの直径に等しい高さを有することも、又はそれより低い高さを有することもできる。図３に、水平チャンバが様々な高さで行に分類されたハウジング装置の実施形態の断面を示す。チャンバの高さは、実行すべき蒸留の条件に適応することができる。数ある要因の中でも、その高さは、微細溝又は微小うねり内を通過できる流量と、蒸発比と、蒸発していない塩水の所望の濃度との組み合わせの関数とすることができる。
【００４１】
図４に、不規則な波形断面１０の微細溝で覆われたチャンバの実施形態の外面の断面及びビューを示す。この断面１０は、最新式のシェル及び管潜熱交換器の現在の構成において管束が占める体積と同様の体積をチャンバが占めることを可能にする。
【００４２】
外面上で毛管凝縮を行って内面上の毛管内のメニスカスの端部から蒸発を行い、蒸発する液体をチャンバ内で正確に供給することによって微細溝又は微小うねり内で効率的に流体を分配する潜熱交換チャンバの配置は、以下を可能にする。
【００４３】
１．現在の潜熱交換器において得られるものよりも高い実際の潜熱伝達係数を達成する。
【００４４】
２．外面上の凝縮蒸気の温度と内面上の蒸発蒸気の温度との間のわずか０．２℃及びそれ未満の勾配にしか達しない温度差に食塩水が蒸発する沸点の上昇に必要な温度ジャンプをプラスした状態で作動する。
【００４５】
３．これらの伝達係数及び温度勾配を、低温で作動することによって達成する。具体的には、脱塩装置の場合、脱塩される常温の液体に類似又は近似できる温度で作動する。
【符号の説明】
【００４６】
１  潜熱交換チャンバ
２  液体供給機構
３  余剰液
４  外面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2021505836.tif 000007
【国際調査報告】
2021505836.tif 000008
2021505836.tif 000009
2021505836.tif 000010
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