(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温熱を保有する汚濁温熱液を、容器内に貯溜された、より密度の大きな別種の揮発性液体に噴射し、両液体が直接接触する部分で揮発性液体が蒸発することにより伝熱を行うことを特徴とする汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器。
【請求項２】
高所に設けた汚濁温熱液貯溜部から低所に設けた揮発性液体容器にノズル管を設け、汚濁温熱液をその重力エネルギーにより揮発性液体容器の揮発性液体の表面または液中に噴射するようにしたことを特徴とする請求項１記載の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器。
【請求項３】
揮発性液体の層の上に形成された汚濁温熱液の層から離れた上方に凝縮器を配置し、汚濁温熱液の層中を上昇した揮発性液体の蒸気泡が汚濁温熱液の層から離れた上方にある凝縮器外表面で凝縮し、凝縮液となって落下して、汚濁温熱液の層中を沈降しつつ一部が蒸発し、再び上昇し始めることにより熱交換機構を形成することを特徴とする請求項１または請求項２記載の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器。
【請求項４】
汚濁温熱液の保有する温熱を揮発性液体の蒸発潜熱として凝縮器内部を流れる熱抽出水へと輸送することにより汚濁温熱液と熱抽出水との間の熱交換を可能とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は比較的温度の低い、100℃以下の温熱を有する各種の汚濁排水からの温熱の回収と利用、サーマルリサイクルにおけるスラグ状廃棄物からの高温排熱回収装置などにおける温熱回収用熱交換器に関する。
なお、本明細書においては、温熱を有する各種の汚濁排水、スラグ状廃棄物等を汚濁温熱液と総称する。
【０００２】
【従来の技術】
汚濁排水等からの熱回収は環境保全、熱エネルギー有効利用の観点から重要である。しかし、図６に示すような通常の熱交換器を用いた場合、温熱源である排水が熱交換器の伝熱面と接触するため伝熱面上に汚損物質が生じ、これによる伝熱性能の劣化、場合によっては熱交換器の腐食を引き起こす事も想定される。
【０００３】
従来このような問題への解決策として、汚濁排水中に固体微粒子を混入し、この粒子が流れつつ固体熱交換面に当たる事による汚損物質の除去効果を利用した方法、微粒子の代わりにスポンジボールを利用した方法などが実用化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の手法による場合、粒子やスポンジのリニューアル、調質など、維持・管理面での手間が必要である。また固体微粒子の場合には、微粒子により伝熱面が傷つき、伝熱管の損傷を引き起こし、ひいては使用期間（寿命）を縮める事も懸念される。よって、伝熱管の損傷を引き起こさず、メンテナンスの容易な汚濁温排水からの熱回収手法が必要である。
【０００５】
本発明は、汚濁流体と固体金属熱交換面とが直接接しないように離し、両者の間を熱輸送する別種の流体を用いることにより、伝熱面汚損の問題を回避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、本発明の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器は、温熱を保有する汚濁温熱液を、容器内に貯溜された、より密度の大きな別種の揮発性液体に噴射し、両液体が直接接触する部分で揮発性液体が蒸発することにより伝熱を行うことを特徴とする。
また、本発明の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器は、高所に設けた汚濁温熱液貯溜部から低所に設けた揮発性液体容器にノズル管を設け、汚濁温熱液をその重力エネルギーにより揮発性液体容器の揮発性液体の表面または液中に噴射するようにしたことを特徴とする。
また、本発明の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器は、揮発性液体の層の上に形成された汚濁温熱液の層から離れた上方に凝縮器を配置し、汚濁温熱液の層中を上昇した揮発性液体の蒸気泡が汚濁温熱液の層から離れた上方にある凝縮器外表面で凝縮し、凝縮液となって落下して、汚濁温熱液の層中を沈降しつつ一部が蒸発し、再び上昇し始めることにより熱交換機構を形成することを特徴とする。
また、本発明の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器は、汚濁温熱液の保有する温熱を揮発性液体の蒸発潜熱として凝縮器内部を流れる冷却剤へと輸送することにより汚濁温熱液と冷却剤との間の熱交換を可能とすることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図１および図２に基づき説明する。
図１は、本発明の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器の実施の形態に係る平面図を、また、図２は、同正面図を示したものでである。
汚濁温熱液貯溜部１には、温熱を有する各種の汚濁排水、スラグ状廃棄物等の汚濁温熱液２が貯溜されている。また、汚濁温熱液貯溜部１より低い位置に揮発性液体容器３が設置され、該揮発性液体容器３内には揮発性液体４が所要量充填されている。揮発性液体４は、低沸点で汚濁温熱液２に比較して比重が重い液体、例えば、パーフロロカーボン（沸点約３０℃）等が使用される。汚濁温熱液貯溜部１と揮発性液体容器３とはノズル管６で結ばれており、ノズル管６の先端開口部を揮発性液体４の表面あるいは液中に臨ませて設けることにより、汚濁温熱液貯溜部１内の汚濁温熱液２がその重力のエネルギーで揮発性液体４の表面または液中に噴流８を形成して供給されるようになっている。揮発性液体容器３内に噴流８を形成して供給された汚濁温熱液２は、揮発性液体４より比重が小さいため、揮発性液体４の層の上部に貯溜され、排出管７よりオーバーフローすることにより常時ほぼ一定の高さに保持されている。
揮発性液体容器３内の汚濁温熱液２の層より上方には、凝縮器５が設けられている。
【０００８】
上記のように構成された汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器において、汚濁温熱液貯溜部１内の汚濁温熱液２がその重力のエネルギーで揮発性液体４の表面または液中に噴流８を形成して供給されると、噴流８が揮発性液体４の表面の液をかき乱しながら熱交換を行い、揮発性液体４の蒸発を良くするとともに、噴流８が衝突することににより揮発性液体４の表面の液が微細化されて液滴を生じる結果、単純な液滴と液連続体との直接接触よりもはるかに大きな熱交換量を生み出すことができる。
そして、汚濁温熱液２から温熱を授受された揮発性液体４は、気化され蒸気となって汚濁温熱液２の層を上昇し、凝縮器５に到達して凝縮器５内を循環する熱抽出水９に熱を授与し、凝縮液となって落下する。
【０００９】
【実施例】
実験に使用した装置の概略は図３のとおりである。温熱源としては恒温槽から供給する温水Ａを、熱輸送媒体としては、低沸点流体であるパーフロロカーボンPF5050（沸点約30℃）Ｂを用いた。蒸発器▲１▼の底部に溜まっているパーフロロカーボンＢのプール上面に温水Ａの下向き噴流をノズル▲３▼から吹き付け、加熱した。温水ＡはパーフロロカーボンＢより密度が小さいので、パーフロロカーボンＢ上に溜まり、蒸発器▲１▼の上部出口を通って恒温槽に戻った。
図４（ａ）ないし（ｆ）は、パーフロロカーボンＢ中に温水Ａの下向き噴流をノズル▲３▼から吹き付けた状態を経時的に示したものであり、両液が噴流によりかく乱され、熱交換が促進されて、パーフロロカーボンＢの蒸気泡が生成されているのが良くわかる。
【００１０】
加熱により温水Ａ−パーフロロカーボンＢ界面で生じたパーフロロカーボンＢの蒸気泡は、温水Ａプール中を上昇・通過し、凝縮器▲２▼に達した。ここで凝縮液となったパーフロロカーボンＢは温水Ａのプールへと落下後、温水Ａプール中を沈降しつつ加熱され、温水Ａプール中で再び蒸気泡となり上昇するものと、そのまま沈降して温水Ａ−パーフロロカーボンＢ界面まで戻るものとがあった。
【００１１】
実験の結果、噴流速度が極めて小さく吹きつけによる伝熱効果が無視できる場合に比べ、噴流速度が大の場合、約３倍の熱輸送量を示した。
【００１２】
図５は、横軸に温水Ａと低沸点流体Ｂとの流入時の温度差ΔＴｓをとり、温水の噴流速度ｕをパラメータとした場合の、温水加熱による全熱交換量Ｑ［Watt］、および低沸点流体Ｂの層において噴流の吹きつけにより発生した蒸気のみによる熱交換量Ｑpool［Watt］（温水層中を沈降する凝縮液滴の蒸発分を含まない。）とを示している。
この図から、ΔＴｓが比較的大きい場合には、Ｑに占めるＱpoolの割合が大きく、また、噴流速度が小さい場合には、全熱交換量Ｑのうちかなりのパーセンテージを噴流熱交換量Ｑpoolが占めていることが分かる。よってこの結果から、単純な液滴の蒸発のみの熱交換量、すなわち、○−□、●−■の部分に比べて、噴流の熱交換効果が果たす役割が極めて大きいことが分かる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の微粒子混入等による汚染除去法とは異なり、汚染物質が熱交換面と離れているため、熱交換面が汚れる懸念がない。
また、別種の揮発性液のみを用いるので維持管理も格段に容易となる。
【００１４】
更に、蒸発・凝縮を利用した潜熱輸送であるため、従来の顕熱熱交換法と比較して熱輸送の高密度化、すなわち熱交換器のコンパクト化が可能になる。
【００１５】
また、他の分野で利用されている直接接触蒸発法と比較すると、本発明では２種類の液が共に連続相である（すなわち液滴状でない）。通常、一方の液を液滴として接触（つまり伝熱）面積の増大を狙っている。これに対し本発明では、一方の液を他方の揮発性液プールに噴流として吹き付ける事により、(1)噴流がプール表面の液をかき乱して蒸発を良くする効果、ならびに(2)噴流が衝突する事によりプール表面の液が微粒化して、結果的に液滴を生じさせる効果、の二つの効果によって、単純な液滴と液連続体との直接接触よりもはるかに大きな熱交換量を生み出す事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器の実施の形態に係る平面図である。
【図２】本発明の汚濁温熱液からの温熱回収用熱交換器の実施の形態に係る正面図である。
【図３】本発明の実験に使用した装置の概略図である。
【図４】パーフロロカーボン中に温水の下向き噴流をノズルから吹き付けた状態を経時的に示したものである。
【図５】横軸に温水Ａと低沸点流体Ｂとの流入時の温度差ΔＴｓをとり、温水の噴流速度ｕをパラメータとした場合の、温水と低沸点流体との熱交換量Ｑおよび熱交換器底部にある低沸点流体層の部分における噴流吹きつけにより発生する蒸気のみによる熱交換量Ｑpoolを縦軸に示したものである。
【図６】従来の熱交換器を説明した図である。
【符号の説明】
１  汚濁温熱液貯溜部
２  汚濁温熱液
３  揮発性液体容器
４  揮発性液体
５  凝縮器
６  ノズル管
７  排出管
８  噴流
９  熱抽出水
【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】
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【図６】
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