特許 7217928 熱交換器及びその使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-27

(45)【発行日】2023-02-06

(54)【発明の名称】熱交換器及びその使用方法

(51)【国際特許分類】

   F24H 9/00 20220101AFI20230130BHJP

   F24H 1/10 20220101ALI20230130BHJP

   F24H 15/212 20220101ALI20230130BHJP

【ＦＩ】

F24H9/00 A

F24H1/10 N

F24H15/212

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018175675

(22)【出願日】2018-09-20

(65)【公開番号】P2020046127

(43)【公開日】2020-03-26

【審査請求日】2021-08-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000110158

【氏名又は名称】トクデン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(72)【発明者】

【氏名】外村 徹

(72)【発明者】

【氏名】藤本 泰広

【審査官】岩▲崎▼ 則昌

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０７２３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１５２７１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２４Ｈ ９／００

Ｆ２４Ｈ １／１０

Ｆ２４Ｈ １５／２１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

過熱水蒸気による流体加熱を行う熱交換器であって、
被加熱流体が流れる熱交換用配管と、
前記熱交換用配管の下流側部分を収容するとともに過熱水蒸気が供給される下流側容器と、
前記熱交換用配管の上流側部分を収容するとともに前記下流側容器を通過した水蒸気が供給される上流側容器と、
前記熱交換用配管に流入する被加熱流体温度を検出する流入温度検出機構と、
前記熱交換用配管に流入する被加熱流体量を検出する流入量検出機構と、
前記熱交換用配管から流出する被加熱流体温度を検出する流出温度検出機構と、
前記下流側容器に供給される過熱水蒸気温度を調整する過熱水蒸気温度調整機構、又は前記下流側容器に供給される過熱水蒸気量を調整する過熱水蒸気量調整機構の少なくとも１つと、
前記流入温度検出機構、前記流入量検出機構及び流出温度検出機構の検出値に基づいて、前記調整機構の少なくとも１つにおける調整量を演算する演算機構とを備え、
前記熱交換用配管の下流側部分を流れる前記被加熱流体は、前記下流側容器に供給された過熱水蒸気の顕熱によって加熱され、
前記熱交換用配管の上流側部分を流れる前記被加熱流体は、前記上流側容器に供給された水蒸気の潜熱によって加熱される、熱交換器。

【請求項2】

請求項１に記載の熱交換器の使用方法であって、
前記下流側容器に供給される過熱水蒸気の温度及び量を、前記熱交換用配管の下流側部分を流れる前記被加熱流体が１００℃以上の所望の温度となるように設定するとともに、前記下流側容器から前記上流側容器に供給される水蒸気の温度が１００℃以上となるように設定する、熱交換器の使用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、過熱水蒸気を用いた熱交換器、及び、熱交換器の使用方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

製紙や繊維および化学薬品製造工場においては多くの熱処理工程があることから、大形蒸気ボイラーを設置して熱源としていることが多い。そしてそれは乾燥に使用する熱風等の流体加熱においても、熱交換器を通して流体加熱をおこなう場合が普通である（特許文献１）。

【0003】

熱風の場合においては１５０℃程度に空気を加熱して利用することが多いが、ボイラーから距離がある工場に高圧蒸気を流しても、配管における圧力低下があって１３０℃程度まで温度低下していることが多い。このことから、余剰蒸気があるにもかかわらず熱源として利用できない場合が多々見られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－２２４８１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

この余剰蒸気を熱源として有効利用するには、圧力と温度が低下した蒸気を所望の温度に再加熱して過熱水蒸気とする方法があるが、過熱水蒸気を用いた熱交換器で空気などの流体を所望の温度に加熱する場合、飽和蒸気圧における水沸点以上の温度を得るには、基本的に過熱水蒸気の入排出温度を水沸点以上の温度にしなければならない。

【0006】

しかしこの方法では水沸点以上の温度の過熱水蒸気を排出することになってしまい、過熱水蒸気が持つ水蒸気潜熱を廃棄することになってしまう。

【0007】

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、過熱水蒸気が持つ水蒸気潜熱を有効利用して被加熱流体を加熱することをその主たる課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

すなわち本発明に係る熱交換器は、過熱水蒸気による流体加熱を行う熱交換器であって、被加熱流体が流れる熱交換用配管と、前記熱交換用配管の下流側部分を収容するとともに過熱水蒸気が供給される下流側容器と、前記熱交換用配管の上流側部分を収容するとともに前記下流側容器を通過した水蒸気が供給される上流側容器とを備え、前記熱交換用配管の下流側部分を流れる前記被加熱流体は、前記下流側容器に供給された過熱水蒸気の顕熱によって加熱され、前記熱交換用配管の上流側部分を流れる前記被加熱流体は、前記上流側容器に供給された水蒸気の潜熱によって加熱されることを特徴とする。

【0009】

このようなものであれば、下流側容器に過熱水蒸気を供給して当該過熱水蒸気の顕熱により被加熱流体を所望の温度に加熱し、下流側容器から上流側容器に水蒸気を供給して当該水蒸気の潜熱により被加熱流体を加熱（予熱）するように構成しているので、過熱水蒸気が持つ水蒸気潜熱を有効利用して被加熱流体を加熱することができる。なお、上流側容器に供給される水蒸気は、潜熱を失って液化するものと液化せず水蒸気のまま排出されるものがあるが、液化した分の潜熱が有効利用されたことになる。

【0010】

具体的には、前記下流側容器に供給される過熱水蒸気の温度及び量は、前記熱交換用配管の下流側部分を流れる前記被加熱流体が１００℃以上の所望の温度となるように設定されるとともに、前記下流側容器から前記上流側容器に供給される水蒸気の温度が１００℃以上となるように設定されていることが望ましい。

【0011】

ここで、被加熱流体を空気とした場合、水蒸気潜熱で加熱できるのは最高１００℃迄であり、それ以上の温度に加熱するためには水蒸気顕熱で加熱することになる。過熱水蒸気が持つエネルギは潜熱が大きな割合を持つことになるが、本発明によって過熱水蒸気が利用できる潜熱の割合の計算値を図２に示す。なお、図２は、過熱水蒸気で２０℃の空気を加熱する場合の潜熱利用率（％）である。

【0012】

図２において、１００％を超えるところは、水蒸気潜熱で１００℃まで温度上昇させることが無理なことを示しており、供給する過熱水蒸気量を増加させ且つ温度を調整する等の制御が必要であることを示している。

【0013】

上記の計算結果から言えることは、熱源の過熱水蒸気が高温であるほど潜熱の利用率が高くなることである。また、上流側容器に供給される過熱水蒸気温度はできる限り１００℃以上且つ１００℃に近い温度であることが潜熱の利用率を高めることになるので、上流側容器に供給される過熱水蒸気温度が１００～１１０℃になるように熱交換器の設計を行う。

【0014】

前記熱交換用配管に流入する被加熱流体温度を検出する流入温度検出機構、前記熱交換用配管に流入する被加熱流体量を検出する流入量検出機構、又は前記熱交換用配管から流出する被加熱流体温度を検出する流出温度検出機構の少なくとも１つと、前記下流側容器に供給される過熱水蒸気温度を調整する過熱水蒸気温度調整機構、又は前記下流側容器に供給される過熱水蒸気量を調整する過熱水蒸気量調整機構の少なくとも１つと、前記少なくとも１つの検出機構の検出値に基づいて、前記調整機構の少なくとも１つにおける調整量を演算する演算機構とを備えることが望ましい。

【0015】

また、本発明に係る熱交換器の使用方法は、被加熱流体が流れる熱交換用配管と、前記熱交換用配管の下流側部分を収容するとともに過熱水蒸気が供給される下流側容器と、前記熱交換用配管の上流側部分を収容するとともに前記下流側容器を通過した水蒸気が供給される上流側容器とを備える熱交換器の使用方法であって、前記下流側容器に供給される過熱水蒸気の温度及び量を、前記熱交換用配管の下流側部分を流れる前記被加熱流体が１００℃以上の所望の温度となるように設定するとともに、前記下流側容器から前記上流側容器に供給される水蒸気の温度が１００℃以上となるように設定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

このように構成した本発明によれば、過熱水蒸気が持つ水蒸気潜熱を有効利用して被加熱流体を加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態に係る熱交換器の構成を模式的に示す図である。

【図2】過熱水蒸気で２０℃の空気を加熱する場合の潜熱利用率を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下に本発明に係る熱交換器の一実施形態について図面を参照して説明する。

【0019】

＜１．装置構成＞
本実施形態に係る熱交換器１００は、熱源として過熱水蒸気を用いて空気などの流体を加熱するものである。なお、熱交換器１００に用いる過熱水蒸気としては、大形ボイラーを有した工場の余剰蒸気を過熱水蒸気生成装置により再加熱することを想定しているが、過熱水蒸気装置の処理炉を通過した利用済の過熱水蒸気であってもよいし、当該利用済みの過熱水蒸気を再度加熱した過熱水蒸気であってもよい。

【0020】

具体的に熱交換器１００は、図１に示すように、被加熱流体が流れる熱交換用配管２と、熱交換用配管２の下流側部分２ａを収容するとともに過熱水蒸気が供給される下流側容器３と、熱交換用配管２の上流側部分２ｂを収容するとともに下流側容器３を通過した水蒸気が供給される上流側容器４とを備えている。

【0021】

熱交換用配管２は、被加熱流体が導入される導入ポートＰ１と、被加熱流体が導出される導出ポートＰ２を有している。また、熱交換用配管２は、各容器３、４内において、熱交換面積を大きくするために蛇行した流路を形成している。なお、熱交換用配管の材質としては、オーステナイト系ステンレス鋼やインコネル合金等を用いることができる。

【0022】

下流側容器３は、熱交換用配管２の下流側部分２ａを収容する１つの空間３Ｓを有しており、過熱水蒸気が供給される供給ポートＰ３と、ドレンを排出するドレンポートＰ４とを有している。なお、理想的には下流側容器３にはドレンポートＰ４は必要ないが、実際にはドレンが出る場合もあるので設けている。

【0023】

上流側容器４は、熱交換用配管２の上流側部分２ｂを収容する１つの空間４Ｓを有しており、下流側容器３を通過した水蒸気が供給される供給ポートＰ５と、水蒸気又はドレンが排出される排出ポートＰ６とを有している。

【0024】

本実施形態では下流側容器３及び上流側容器４は、１つの容器を仕切壁５により仕切ることによって構成されている。そして、当該仕切壁５に下流側容器３及び上流側容器４を接続する接続路５１が設けられており、当該接続路５１が上流側容器４の供給ポートＰ５となる。なお、下流側容器３及び上流側容器４の材質としては、オーステナイト系ステンレス鋼やインコネル合金等を用いることができる。

【0025】

この熱交換器１００において、熱交換用配管２の下流側部分２ａを流れる被加熱流体は、下流側容器３に供給された過熱水蒸気の顕熱によって加熱され、熱交換用配管２の上流側部分２ｂを流れる被加熱流体は、上流側容器４に供給された水蒸気の潜熱によって加熱されるように構成されている。

【0026】

具体的には、下流側容器３に供給される過熱水蒸気の温度Θｓ及び量Ｑｓは、熱交換用配管２の下流側部分２ａを流れる被加熱流体が１００℃以上の所望の温度となるように設定されるとともに、下流側容器３から上流側容器４に供給される水蒸気の温度Θｓｃが１００℃以上となるように設定されている。

【0027】

＜２．設計方法＞
ここで、本実施形態の熱交換器１００の設計方法について説明する。

【0028】

まず耐久性や製作コストの面から、過熱水蒸気処理装置又は過熱水蒸気供給装置（不図示）から熱交換器１００へ供給する過熱水蒸気の最高温度Θｓｍを決定する。
次に、供給する過熱水蒸気が最高温度Θｓｍであり、９０℃程度の空気（被加熱流体）が最大流入量Ｑａｍの場合に、被加熱流体を所望の最高流出温度Θｍに加熱するために必要な過熱水蒸気量Ｑｓｍを設定する。
続いて、下流側容器３から上流側容器４に流入する水蒸気の温度Θｓｃが１００～１１０℃程度となるように、下流側容器３の熱交換用配管２の熱交換面積Ｓ１を設定する。
上流側容器４の熱交換用配管２は、１００℃の水蒸気によって、流入温度Θａ（例えば２０℃）の被加熱流体を９５～１００℃に加熱するために必要な熱交換面積Ｓ２を設定する。

【0029】

以上のように設計された熱交換器１００は、定格である最大流入量Ｑａｍで最高流出温度Θｍの場合、過熱水蒸気量Ｑｓｍで過熱水蒸気を最高温度Θｓｍとしたときに、潜熱利用率が最高となる。ちなみに熱交換用配管２から流出する流出温度Θの制御は、まず、出力空気が最大量Ｑａｍであり、かつ最高温度Θｍとするために必要な供給過熱水蒸気の最高温度Θｓｍ及び量Ｑｓｍを設定し、次に過熱水蒸気の温度Θｓを調整することで精密な制御を行うことが考えられる。

【0030】

そして、本実施形態の熱交換器１００は、流出温度（制御設定値）Θと、被加熱流体の流入温度Θａと、被加熱流体の流入量Ｑａとから、過熱水蒸気の最高温度Θｓｍにおける必要過熱水蒸気量Ｑｓを演算する演算機構６を有している。この演算機能を有していれば、運転条件変更時においてもその運転条件における必要過熱水蒸気量Ｑｓを設定することができ、熱交換器１００における潜熱利用率が最高となる制御を行うことができる。

【0031】

このため、熱交換器１００は、流入温度Θａを検出する流入温度検出機構７と、流入量Ｑａを検出する流入量検出機構８と、被加熱流体の流出温度Θを検出する流出温度検出機構９とを備えている。また、熱交換器１００は、下流側容器３に供給される過熱水蒸気量Ｑｓを調整する過熱水蒸気量調整機構１０を備えている。そして、演算機構６は、各検出機構７～９の検出値に基づいて、過熱水蒸気量調整機構１０における調整量を演算して、必要過熱水蒸気量Ｑｓを制御する。その他、熱交換器１００が、下流側容器３に供給される過熱水蒸気温度Θｓを調整する過熱水蒸気温度調整機構を有しており、演算機構６が、各検出機構７～９の検出値に基づいて、過熱水蒸気温度調整機構における調整量を演算して、必要過熱水蒸気温度Θｓを制御するようにしても良い。

【0032】

＜３．具体例＞
具体例を示すと以下のようになる。
熱交換器１００において、流入量Ｑａ、流入温度２０℃、流出温度３００℃、過熱水蒸気量Ｑｓｍ、過熱水蒸気温度６００℃で運転されているときに、潜熱利用率は最高で２２．８％である（図２参照）。

【0033】

ここで、流出温度を１５０℃に変更して運転する場合を考えると、まず６００℃の過熱水蒸気及び熱交換面積Ｓ１で、流入量Ｑａの９０℃の空気が１５０℃にできる過熱水蒸気量Ｑｓｎを演算して設定する。このとき、潜熱利用率は最高９１．１％となる。また、流出温度Θの微調整は、過熱水蒸気温度Θｓの制御で行う。なお、運転条件の一部が固定的又は段階設定的であれば、その部分の検出機構は不要としてもよい。

【0034】

＜４．熱交換器１００の熱計算＞
下記計算における空気比熱Ａおよび過熱水蒸気比熱Ｓは、実際には温度によって若干値が変化するが、ここでは簡略化して同じとしている。
１．下流側容器３における熱計算

【0035】

（１）流出温度Θ ：１５０℃
流入温度Θａ：９０℃
空気加熱熱量：（１５０－９０）×Ａ×Ｑａ_１５０≒６０×Ａ×Ｑａ_１５０
Ａ：空気比熱、Ｑａ_１５０：空気量

【0036】

（２）流出温度Θ ：３００℃
流入温度Θａ：９０℃
空気加熱熱量：（３００－９０）×Ａ×Ｑａ_３００≒２１０×Ａ×Ｑａ_３００
Ａ：空気比熱、Ｑａ_３００：空気量

【0037】

（３）過熱水蒸気温度６００℃、下流側容器３から上流側容器４への出口温度１１０℃、過熱水蒸気量Ｑｓを一定とすると、過熱水蒸気の加熱量は約（６００－１１０）×Ｓ×Ｑｓとなる。ここで、Ｓは過熱水蒸気比熱である。

【0038】

このときに１５０℃および３００℃に加熱する空気量の関係は約Ｑａ_３００＝（６０／２１０）Ｑａ_１５０となる。

【0039】

したがって、Ｑａ_１５０で設計された熱交換器１００に同じ量且つ同じ温度６００℃である過熱水蒸気を入力して、空気量を６０／２１０の量にすれば、３００℃の出力空気を得ることができ、且つ、出口温度を１１０℃にすることができる。熱交換量は同じであるので、温度差の小さい１５０℃での熱交換面積Ｓ１を確保しておけば、３００℃では十分に足りることになる。

【0040】

（４）上記の流出温度１５０℃、空気量Ｑａ_１５０の運転に対し、空気量を０．５Ｑａ_１５０に変更した場合、過熱水蒸気温度６００℃で出口温度１１０℃とするための必要過熱水蒸気量は約０．５Ｑｓとなる。

【0041】

熱交換量は半減するので熱交換面積Ｓ１は十分足りるが、流出空気が設定値０．５Ｑａ_１５０、１５０℃で制御される場合は、必要以上の熱交換はされないので、過熱水蒸気の出口温度は１１０℃となる。
（５）空気量を一定（Ｑａ_１５０＝Ｑａ_３００）、過熱水蒸気温度６００℃、出口温度１１０℃とすると、過熱水蒸気量Ｑｓ_１５０≒（６０／２１０）Ｑｓ_３００となる。

【0042】

したがって、Ｑａ_３００で設計された熱交換器１００に同じ量かつ同じ温度である６００℃の過熱水蒸気を入力して、過熱水蒸気量を６０／２１０の量にすれば、１５０℃の出力空気を得ることができ、且つ、出口温度を１１０℃にすることができる。３００℃の出力空気は１５０℃の出力空気に比べて熱量が大きいので、３００℃の出力空気での熱交換面積Ｓ１を確保しておけば１５０℃では十分足りることになる。

【0043】

２．上流側容器４における熱計算
図２の潜熱利用率に示すように、１５０℃の流出温度且つ６００℃の過熱水蒸気温度では利用率９１．１％、３００℃の流出温度では２２．８％なので、２０℃の空気を９０℃（計算上は１００℃）まで加熱できることは明らかである。

【0044】

３．全体の熱流
上流側容器４では空気入口側付近の熱交換器温度が低くなるので、まず入口側付近から多くの飽和水蒸気の潜熱を受け始める。熱交換面積が十分足りている状態では、上流側容器４の熱交換器全体で熱交換が行われて、空気は１００℃（計算上は９０℃）付近まで温度上昇する。

【0045】

一方、下流側容器３においても熱交換面積は足りているので、設定した流出温度まで温度上昇させるための、６００℃から１１０℃になる温度で熱量が得られる過熱水蒸気量を供給することで、過熱水蒸気の出口温度１１０℃を確保することができる。

【0046】

＜５．本実施形態の効果＞
このように構成した熱交換器１００によれば、下流側容器３に過熱水蒸気を供給して当該過熱水蒸気の顕熱により被加熱流体を所望の温度に加熱し、下流側容器３から上流側容器４に水蒸気を供給して当該水蒸気の潜熱により被加熱流体を加熱（予熱）するように構成しているので、過熱水蒸気が持つ水蒸気潜熱を有効利用して被加熱流体を加熱することができる。

【0047】

＜６．本発明の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

【0048】

例えば、前記実施形態では下流側容器３及び上流側容器４が一体構成とされているが、それぞれ別の容器から構成したものであっても良い。

【0049】

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

【符号の説明】

【0050】

１００・・・熱交換器
２ ・・・熱交換用配管
２ａ ・・・下流側部分
２ｂ ・・・上流側部分
３ ・・・下流側容器
４ ・・・上流側容器
６ ・・・演算機構
７ ・・・流入温度検出機構
８ ・・・流入量検出機構
９ ・・・流出温度検出機構
１０ ・・・過熱水蒸気量調整機構

【図1】

【図2】