問題 15

次の各文章の【1】～【12】の中に入れるべき最も適切な字句等をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。なお、【1】、【2】、【6】及び【8】は複数箇所あるが、それぞれ同じ記号が入る。 また、【A ab.c】～【C ab.c】に当てはまる数値を計算し、その結果を答えよ。ただし、解答は解答すべき数値の最小位の一つ下の位で四捨五入すること。(配点計40点) (1) 冷却を目的とした熱交換について考える。 空調設備や熱利用設備では、そこで発生する熱を大気へ放熱するために、一般的には冷却塔が用いられ、設備機器との間で冷却水を循環し放熱している。 冷却塔の方式は、冷却水と大気との接触形態の違いにより大きく二つに分けられ、直接接触により熱交換する【 1 】式と、間接接触により熱交換する【 2 】式がある。 【 1 】式は、冷却水を大気に直接接触させることで、冷却水の一部が気化することにより冷却水の温度を下げるため、熱交換の効率は高い。一方、直接接触することで冷却水中に大気中の種々の汚れが蓄積し、また溶解している塩類等の濃縮が起きるため、冷却水を使用する熱利用設備側の熱交換器の伝熱性能の低下を引き起こす。それを抑えるために水質の管理が必要である。 【 2 】式の冷却塔は、一般に冷却塔内の充てん層中に冷却水管を挿入し、冷却水管外面に散布される水の気化熱を利用して冷却水管を冷却することで、管内の冷却水の温度を間接的に下げるため、熱交換の効率は【 1 】式より低い。この方式は、大気と冷却水が直接接触しないので、冷却水が清浄に保たれ、熱利用設備側で汚染を避ける場合に用いられる。 冷却塔で放熱により得られる冷却水の温度は、大気の【 3 】温度より低くすることができるが、大気の【 4 】温度より低くすることはできない。冷却塔の性能は夏期の大気条件で設計されるので、一年を通して使用する場合、中間期や冬期には、大気の温度や湿度に応じて冷却水の流量や冷却塔の送風量を適切に運転管理することが求められる。

(2) 各種の排熱回収の方法について考える。 1) 高温の固体から熱回収する例としてコークス【 5 】消火設備がある。これは、赤熱したコークスを冷却室に入れて【 6 】により冷却し、高温となった【 6 】を排熱ボイラに導入して蒸気として熱回収するものである。

2) 燃焼排ガスから高温で熱回収する例として、セラミックを蓄熱体として用いた蓄熱式空気予熱器がある。この蓄熱式空気予熱器は、燃焼排ガスを蓄熱体に通した後、燃焼用空気を通すことで蓄熱体との熱交換により、高温の燃焼用空気として熱回収することができる。 燃焼用空気を高温に予熱できる小型の蓄熱体とバーナを一体とした【 7 】では、燃焼用空気の温度を1000℃以上に高めることができる。

(3) 熱交換器の省エネルギー上の留意点について考える。 1) 熱交換器は流体中に混在する固形物が伝熱面に付着したり、溶解している塩類等が伝熱面に析出したりすることによって【 8 】が増大すると、熱交換器を利用する系の様々なところで損失が増加するようになる。 例えば、冷凍機で低温のブラインを製造し、一定流量のブラインをタンク内の伝熱管内に通してタンク内の冷水を一定温度に保持しているような系を考える。冷熱負荷が同じであれば、伝熱面の【 8 】が増大すると、ブライン流量が一定のままでは冷水の温度が【 9 】なるため、ブラインの入口温度を【 10 】必要がある。それが冷凍機の動力増加という形で損失の増加となる。さらに、伝熱管の内部に固形物が蓄積して圧力損失が増加すると、一定流量のブラインを供給するにはポンプの圧力を高くする必要があるため、搬送動力の増加という形で損失の増加となる。

2) 被加熱媒体を水蒸気で直接加熱するような装置で、その排ガス中に大量の水蒸気が含まれる場合、潜熱も回収することで回収熱量が増大し、省エネルギー効果を高くすることができる。 このような排熱回収に用いられる熱交換器としては、単位体積当たりの伝熱面積の大きい【 11 】熱交換器が使われることが多い。この熱交換器の排ガス側の伝熱面では、凝縮を伴う伝熱となるため【 12 】が非常に大きい。使用される熱交換器の効率を維持するためには、排ガスへの空気等の混入をできる限り少なくするとともに、熱交換器の伝熱面の汚れ対策の実施や、揮発成分などが含まれる場合の腐食対策の実施等を検討することも必要である。