JP2016109374A

JP2016109374A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2016109374A
Application number: JP2014248622A
Authority: JP
Inventors: 悠一杉江; Yuichi Sugie
Original assignee: TLV Co Ltd
Current assignee: TLV Co Ltd
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】熱交換容器に蒸気と共に流入した空気等の不凝縮ガスを外部に排出し得る熱交換器を提供すること。【解決手段】熱交換器は、蒸気供給菅が接続された熱交換容器と、熱交換容器内に設けられ、被加熱流体が流れる伝熱管とを備え、蒸気供給管から熱交換容器に供給された蒸気が伝熱管の被加熱流体と熱交換して凝縮する。そして、熱交換器は、入口端４１ａが熱交換容器の内部に連通し出口端４１ｂが大気に開放され、内部に熱交換容器から大気側へ向かうガスのラビリンス通路４６が形成された筒状部材４１を有する空気排出口４０を備えている。【選択図】図２

Description

本願は、蒸気が被加熱流体と熱交換して凝縮する熱交換器に関する。

例えば特許文献１に開示されているように、蒸気使用装置で残った蒸気や、高温ドレンから発生した再蒸発蒸気（フラッシュ蒸気）等を被加熱流体と熱交換させて熱回収を行う熱交換器が知られている。この熱交換器は、熱交換容器と、該熱交換容器内に設けられた伝熱管（熱交換パイプ）と、熱交換容器内に設けられて大気に開放される大気開放管とを備えている。熱交換容器内には蒸気が供給され、伝熱管には水等の被加熱流体が流れる。熱交換器では、熱交換容器内に供給された蒸気が伝熱管の被加熱流体と熱交換して凝縮し、被加熱流体が加熱される。つまり、熱交換器では被加熱流体が蒸気の顕熱および潜熱を吸熱することで熱回収が行われる。また、熱交換器では、蒸気の凝縮によって発生したドレンが熱交換容器の底部に貯留され、そのドレンに大気開放管の下端が没することにより、空気等の不凝縮ガスが大気開放管から熱交換容器内に流入することを防止している。

特開２００２−５４８８２号公報

ところで、上記特許文献１の熱交換器では、上述したように大気開放管から空気等の不凝縮ガスが流入することは防止できるが、熱交換容器に供給される蒸気に不凝縮ガスが混入していると、蒸気と共に不凝縮ガスが流入してしまうという問題があった。熱交換容器内に不凝縮ガスが混在していると、蒸気と被加熱流体との熱交換効率が著しく低下し、熱回収が阻害されてしまう。

本願に開示の技術は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱交換容器に蒸気と共に流入した空気等の不凝縮ガスを外部に排出し得る熱交換器を提供することにある。

本願に開示の技術は、蒸気供給管が接続された熱交換容器と、該熱交換容器内に設けられ、被加熱流体が流れる伝熱管とを備え、上記蒸気供給管から上記熱交換容器に供給された蒸気が上記伝熱管の被加熱流体と熱交換して凝縮する熱交換器を前提としている。そして、本願の熱交換器は、一端が上記熱交換容器の内部に連通し他端が大気に開放され、内部に上記熱交換容器から大気側へ向かうガスのラビリンス通路が形成された筒状部材を有するガス排出口を備えているものである。

本願の熱交換器によれば、一端が熱交換容器に連通し他端が大気に開放され、内部にガスのラビリンス通路が形成された筒状部材を有するガス排出口を備えているため、熱交換容器に蒸気と共に流入した不凝縮ガスをガス排出口から排出させることができる。熱交換容器に混在する蒸気と不凝縮ガスは共に、筒状部材に流入するが、ラビリンス通路が存在するため、ラビリンス通路の上流側で一時的に滞留する。一方、熱交換容器では、蒸気が凝縮することで圧力が一時的に低下する。この熱交換容器の圧力低下により、筒状部材で滞留している蒸気および不凝縮ガスが熱交換容器内に引っ張られる。つまり、熱交換容器では蒸気の凝縮によって蒸気の体積が一時的に減少するため、筒状部材に滞留している蒸気および不凝縮ガスは熱交換容器に引き込まれる。熱交換容器に引き込まれた蒸気は冷水と熱交換して凝縮する一方、不凝縮ガスは凝縮せずに筒状部材の入口付近に滞留する。そして、熱交換容器には新たな蒸気（不凝縮ガスを含む）が供給される。そうすると、筒状部材の入口付近に滞留していた不凝縮ガスは新たな蒸気および不凝縮ガスに押されて再び筒状部材に流入すると共に、新たな蒸気および不凝縮ガスも筒状部材に流入する。新たに流入した蒸気および不凝縮ガスは上述したように熱交換容器に引き込まれる一方、その新たな蒸気等よりも先に流入した不凝縮ガスは筒状部材に滞留する。こうして筒状部材では、不凝縮ガスのみが滞留していくので、その不凝縮ガスは押されて少しずつラビリンス通路を流れ外部に排出される。以上のように、本願の熱交換器によれば、熱交換容器内の蒸気は流出させずに不凝縮ガスのみを排出させることができる。これにより、蒸気と被加熱流体との熱交換効率が低下するのを防止することができ、熱回収率を向上させることができる。

図１は、実施形態１に係る熱交換器を示す概略の構成図である。図２は、空気排出口の概略構成を示す断面図である。図３は、実施形態２に係る熱交換器を示す概略の構成図である。

以下、本願の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
本願の実施形態１について説明する。図１に示すように、本実施形態の熱交換器１は、熱交換容器１０と、大気開放管３１と、伝熱管３２とを備え、蒸気が被加熱流体（本実施形態では、水）と熱交換して凝縮するものである。蒸気としては、蒸気使用装置で残った蒸気や、高温ドレンから発生した再蒸発蒸気（フラッシュ蒸気）等が用いられる。つまり、熱交換器１は被加熱流体が蒸気の顕熱および潜熱を吸熱することで熱回収を行う。

熱交換容器１０は、縦長の略円柱状に形成された容器である。熱交換容器１０には、蒸気供給菅２１、ドレン排出管２２、冷水供給菅２３および温水排出管２４が接続されている。

蒸気供給菅２１は、熱交換容器１０の底壁１２（底部）に接続されており、上述したように蒸気使用装置で残った蒸気等が熱交換容器１０に供給される。ドレン排出管２２は、鉛直方向（図１において上下方向、以下同じ）に延びる直管であり、熱交換容器１０の底壁１２の中央部を貫通して接続されている。つまり、ドレン排出管２２は上端２２ａが熱交換容器１０内に開口し、下端２２ｂが外部の大気中に開口している。ドレン排出管２２は、熱交換容器１０内で蒸気の凝縮によって発生したドレンが外部（大気中）に排出される。なお、蒸気供給菅２１には弁２６が設けられている。

冷水供給菅２３は、熱交換容器１０の底壁１２を貫通して接続されており、被加熱流体である水（冷水）が熱交換容器１０に供給される。温水排出管２４は、熱交換容器１０の上壁１１を貫通して接続されており、後述する伝熱管３２で生成された温水が排出される。温水排出管２４に排出された温水は、温水の利用側（図示省略）へ送られる。なお、冷水供給菅２３および温水排出管２４には弁２７，２８が設けられている。

大気開放管３１は、鉛直方向に延びる直管であり、熱交換容器１０の上壁１１の中央部を貫通して設けられている。つまり、大気開放管３１は上端３１ａが外部の大気中に開口し下端３１ｂが熱交換容器１０内に開口している。大気開放管３１は、ドレン排出管２２よりも大径に形成され、ドレン排出管２２と同軸に配置されている。また、大気開放管３１は、下端３１ｂが熱交換容器１０の底壁１２付近まで延びており、ドレン排出管２２の上端２２ａを含む一部が大気開放管３１に挿入されている。つまり、ドレン排出管２２の上端２２ａは大気開放管３１内に開口している。

伝熱管３２は、熱交換容器１０内に設けられている。伝熱管３２は、コイル状に形成され、大気開放管３１の外周に配置されている。伝熱管３２は、入口端が冷水供給菅２３に接続され、出口端が温水排出管２４に接続され、被加熱流体である水（冷水）が下から上へ向かって流れる。熱交換容器１０の内部空間において、大気開放管３１の外周側の空間（即ち、伝熱管３２が配置されている空間）は熱交換室１４を構成している。熱交換室１４では、蒸気供給菅２１から供給された蒸気が伝熱管３２の水（冷水）と熱交換して凝縮する。

また、熱交換容器１０は、蒸気の凝縮によって発生したドレンが底部に溜まるように構成されている。熱交換容器１０の底壁１２に接続された蒸気供給菅２１は、溜まったドレン内に開口している。つまり、熱交換容器１０では、蒸気が蒸気供給菅２１から熱交換室１４に供給されると同時にドレンの液中に供給される。また、伝熱管３２の一部は溜まったドレンに没する。

そして、本実施形態の熱交換器１は、空気排出口４０を備えている。この空気排出口４０は、本願の請求項に係るガス排出口を構成している。空気排出口４０は、熱交換容器１０の熱交換室１４に混在する空気（不凝縮ガス）のみを外部に排出するものである。なお、本実施形態では不凝縮ガスの一例として空気を挙げている。

図２に示すように、空気排出口４０は、筒状部材４１とラビリンス機構４２を備え、熱交換容器１０の側壁１３の上部に設けられている。筒状部材４１は、円筒状に形成され、一端である入口端４１ａが熱交換容器１０の側壁１３に接続されて熱交換室１４に連通し、他端である出口端４１ｂが外部の大気中に開口している。つまり、筒状部材４１は水平方向に延びる状態で熱交換容器１０に取り付けられている。なお、筒状部材４１は四角形の筒状に形成されたものであってもよい。

ラビリンス機構４２は、筒状部材４１の内部に設けられている。ラビリンス機構４２は、支持軸４３、内側環状板４４および外側環状板４５を有し、筒状部材４１の内部にガスのラビリンス通路４６を形成するものである。支持軸４３は、円柱状の軸であり、筒状部材４１に挿入されている。支持軸４３は、筒状部材４１と略同じ長さに形成され、筒状部材４１と同軸に設けられている。つまり、筒状部材４１に支持軸４３が挿入されることで、筒状部材４１の内部に筒状の空間が形成される。

内側環状板４４および外側環状板４５は何れも、上述した筒状の空間に複数設けられており、ガスの邪魔板を構成している。内側環状板４４は、外径が筒状部材４１の内径よりも小さく、内径（即ち、孔４４ａの径）が支持軸４３の外径と略同じである。複数の内側環状板４４は、支持軸４３に嵌め込まれて固定されている。つまり、複数の内側環状板４４は、筒状部材４１（支持軸４３）の軸方向に等間隔で配列されており、それぞれの孔４４ａに支持軸４３が挿入されて支持されている。外側環状板４５は、外径が筒状部材４１の内径と略同じであり、内径（即ち、孔４５ａの径）が支持軸４３の外径よりも大きい。また、外側環状板４５は、内径が内側環状板４４の外径よりも小さい。複数の外側環状板４５は、筒状部材４１（支持軸４３）の軸方向に等間隔で配列され、筒状部材４１の内周面に固定されている。また、外側環状板４５は、内側環状板４４の間に位置するように配列されている。つまり、上述した筒状の空間では内側環状板４４と外側環状板４５とが交互に配列されている。

こうして内側環状板４４および外側環状板４５が配列されることにより、筒状部材４１の内部にはラビリンス通路４６が形成される。つまり、ラビリンス通路４６は、外側環状板４５と支持軸４３との隙間、内側環状板４４と外側環状板４５との隙間、内側環状板４４と筒状部材４１との隙間が互いに連なって形成されている。筒状部材４１の内部において、入口端４１ａ側（ラビリンス通路４６の上流側）の空間はガスの滞留空間４７となっている。滞留空間４７は、熱交換室１４から流入した蒸気および空気がラビリンス通路４６によって流れ難くなり一時的に滞留する空間である。空気排出口４０の詳細な作用については後述する。

上記の熱交換器１では、蒸気供給菅２１から蒸気が熱交換容器１０のドレンの液中に供給される。ドレンの液中では、蒸気がドレンを介して伝熱管３２の冷水と熱交換する。この熱交換により、蒸気は凝縮してドレンとなり、冷水は加熱されて温水となる。ドレンの液中に供給された全ての蒸気が凝縮するのではなく、凝縮しなかった蒸気はドレンを通過して熱交換室１４の上部へ流れる。この上部へ流れた蒸気は伝熱管３２の冷水と熱交換して凝縮し、冷水は加熱されて温水となる。蒸気の凝縮によって発生したドレンは熱交換容器１０の底部に溜まる。こうして生成された温水は、温水排出管２４に排出されて利用側へ送られる。熱交換容器１０の底部に溜まったドレンは、液位がドレン排出管２２の上端２２ａまで上昇すると、ドレン排出管２２から外部に排出される。

ここで、蒸気供給から供給される蒸気に空気（不凝縮ガス）が混入していると、熱交換室１４に蒸気と空気が混在することになる。このままでは、熱交換室１４において蒸気と冷水との熱交換効率が著しく低下し、熱回収が阻害されてしまう。この点、本実施形態の熱交換器１では、熱交換室１４に混在する空気のみが空気排出口４０から排出される。

空気排出口４０による空気の排出作用について図２を参照しながら説明する。熱交換室１４に混在する蒸気と空気は共に、筒状部材４１に流入するが、ラビリンス通路４６が存在するため、筒状部材４１の滞留空間４７で一時的に滞留する。一方、熱交換室１４では、蒸気が凝縮することで圧力が一時的に低下する。この熱交換室１４の圧力低下により、筒状部材４１で滞留している蒸気および空気が熱交換室１４に引っ張られる（熱交換室への引き込み作用）。つまり、熱交換室１４では蒸気の凝縮によって蒸気の体積が一時的に減少するため、筒状部材４１に滞留している蒸気および空気は熱交換室１４に引き込まれる。熱交換室１４に引き込まれたガスのうち蒸気は冷水と熱交換して凝縮する一方、空気は凝縮せずに筒状部材４１の入口端４１ａ付近に滞留する。

そして、熱交換室１４には蒸気供給菅２１から新たな蒸気（空気含む）が供給される。そうすると、筒状部材４１の入口端４１ａに滞留していた空気は新たな蒸気および空気に押されて再び筒状部材４１の滞留空間４７に流入すると共に、新たな蒸気および空気も筒状部材４１の滞留空間４７に流入する。新たに流入した蒸気および空気は上述したように熱交換室１４に引き込まれる一方、その新たな蒸気等よりも先に流入した空気は滞留空間４７に滞留する。こうして筒状部材４１では、滞留空間４７に空気のみが滞留していき、図２に破線の矢印で示すように、最終的に空気は押されて少しずつラビリンス通路４６を流れ外部に排出される。実際、ラビリンス通路４６には幾分かの蒸気を含んだ空気が流入するが、上述した熱交換室への引き込み作用によって蒸気が含まれる割合は徐々に減少し、最終的には蒸気を殆ど含まない空気が筒状部材４１から排出される。なお、図２の破線の矢印は、太い矢印ほど蒸気が含まれる割合が多いことを示す。

以上のように、上記実施形態の熱交換器１によれば、入口端４１ａが熱交換容器１０の熱交換室１４に連通し出口端４１ｂが大気に開放され、内部にガスのラビリンス通路４６が形成された筒状部材４１を有する空気排出口４０を備えるようにした。これにより、熱交換室１４に混在する空気（不凝縮ガス）のみを空気排出口４０から排出させることができる。したがって、蒸気と冷水（被加熱流体）との熱交換効率が低下するのを防止することができ、熱回収率を向上させることができる。

また、上記実施形態の熱交換器１では、蒸気の凝縮によって発生したドレンを熱交換容器１０の底部に貯留するように構成し、蒸気供給菅２１からの蒸気を熱交換容器１０のドレンの液中に供給するようにした。蒸気はドレンの液中をゆっくりと上昇するので、蒸気と冷水との熱交換の時間を稼ぐことができる。これにより、蒸気と冷水との熱交換を促進することができ、熱回収率をより向上させることができる。

（実施形態２）
本願の実施形態２について図３を参照しながら説明する。本実施形態の熱交換器１は、上記実施形態１において蒸気供給菅およびドレン排出管の構成を変更するようにしたものである。ここでは、上記実施形態１と異なる点について言及する。

本実施形態において、蒸気供給菅５１は、鉛直方向（図３において上下方向）に延びる直管であり、熱交換容器１０の上壁１１の中央部を貫通して接続されている。つまり、蒸気供給菅５１は、上端５１ａが蒸気使用装置等に接続され、下端５１ｂが熱交換容器２０内に開口している。蒸気供給菅５１の下端５１ｂは、熱交換容器１０の底壁１２付近まで延びてドレンに没している。伝熱管３２は、熱交換容器１０内において蒸気供給菅５１の外周に配置されている。ドレン排出管５２は、熱交換容器１０の底壁１２に接続されており、弁５３が設けられている。

本実施形態の熱交換器１では、蒸気供給菅５１からの蒸気がドレンの液中を流れて熱交換室１４に供給される。ドレンの液中では、蒸気がドレンを介して伝熱管３２の冷水と熱交換する。この熱交換により、蒸気は凝縮してドレンとなり、冷水は加熱されて温水となる。ドレンの液中に供給された全ての蒸気が凝縮するのではなく、凝縮しなかった蒸気はドレンを通過して熱交換室１４の上部へ流れる。この上部へ流れた蒸気は伝熱管３２の冷水と熱交換して凝縮し、冷水は加熱されて温水となる。蒸気の凝縮によって発生したドレンは熱交換容器１０の底部に溜まる。こうして生成された温水は、温水排出管２４に排出されて利用側へ送られる。熱交換容器１０の底部に溜まったドレンは、ドレン排出管５２から排出される。本実施形態の熱交換器１においても、上記実施形態１と同様の作用効果を奏する。

なお、上記の各実施形態において、空気排出口４０のラビリンス通路４６は上述した構成以外のものであってもよいし、被加熱流体は水以外の流体であってもよい。

本願に開示の技術は、蒸気が被加熱流体と熱交換して凝縮する熱交換器について有用である。

１熱交換器
１０熱交換容器
１２底壁（底部）
２１蒸気供給菅
３２伝熱管
４０空気排出口（ガス排出口）
４１筒状部材
４６ラビリンス通路

Claims

蒸気供給管が接続された熱交換容器と、該熱交換容器内に設けられ、被加熱流体が流れる伝熱管とを備え、上記蒸気供給管から上記熱交換容器に供給された蒸気が上記伝熱管の被加熱流体と熱交換して凝縮する熱交換器であって、
一端が上記熱交換容器の内部に連通し他端が大気に開放され、内部に上記熱交換容器から大気側へ向かうガスのラビリンス通路が形成された筒状部材を有するガス排出口を備えている
ことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、
上記熱交換容器は、蒸気の凝縮によって発生したドレンが底部に貯留されるように構成され、
上記蒸気供給管は、蒸気が上記熱交換容器の底部のドレン中に供給される
ことを特徴とする熱交換器。