JP2010169364A - サーモサイフォン式蒸気発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト化を維持することができ、蒸気利用装置での蒸気消費の減少や停止に対応し、優れた応答性で蒸発器および気液分離ドラム内の圧力上昇を抑えることができるサーモサイフォン式蒸気発生装置を提供することを目的とする。
【解決手段】蒸気発生装置１は、熱媒を流通させる伝熱コア６を有する蒸発器２と、水１１を貯溜する気液分離ドラム３とが、互いの上部と下部をそれぞれ上部配管４と下部配管５で連通してなり、気液分離ドラム３の内部に、冷媒の流通およびその流通の停止が可能な凝縮器２０が設けられている。蒸気利用装置での蒸気消費の減少や停止に対応し、凝縮器２０に冷媒を流通させることにより、気液分離ドラム３に継続して供給される蒸気をその冷媒との熱交換で逐次冷却し凝縮させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱媒を流通させる伝熱コアを有する蒸発器と、水を貯溜する気液分離ドラムとが、互いの上部と下部をそれぞれ上部配管と下部配管で連通してなり、サーモサイフォン現象を利用して蒸発器に水を循環供給し、蒸発器で生成した蒸気を気液分離ドラムから送り出すサーモサイフォン式蒸気発生装置に関する。

近年、発電設備や工業プラントなどの種々の産業分野において、エネルギーの有効利用という観点から、分散型エネルギーシステムが有望視され、小型ガスタービンなどの熱機関や、化学プロセスを経て燃料から直接発電を行う高温型燃料電池（ＳＯＦＣと称される固体酸化物形燃料電池や、ＭＣＦＣと称される溶融炭酸塩形燃料電池など）の開発が盛んに行われている。これらのエネルギーシステムでは、ガスタービンからの燃焼排ガスや燃料電池で使用された高温ガスなどを熱媒として利用し、蒸気を発生させる蒸気発生装置が採用されている。例えば、燃料電池においては、燃料として水素が必要とされ、この水素を生成するガス改質装置で天然ガスとともに蒸気が必要とされることから、蒸気発生装置が欠かせない。

分散型エネルギーシステムで用いられる蒸気発生装置は、熱媒との熱交換により水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器を必要とし、この蒸発器には、優れた熱交換効率でコンパクト化を実現できることが要求される。この要求に応えるには、蒸発器としてプレートフィン型熱交換器を採用するのが有効である。

蒸発器としてのプレートフィン型熱交換器は、熱媒を流通させる熱媒通路と、水を流通させる水通路とが、交互に積層配置された伝熱コアを有する。伝熱コアは、熱媒と水を流通させる両通路がチューブプレートで仕切られ、各通路内にコルゲートフィンが配置され、各通路の側部がスペーサーバーで封止された構成である。プレートフィン型熱交換器を採用した蒸発器では、伝熱コアの水通路を流通する水が、熱媒通路に流通させる熱媒と効率良く熱交換を行い、加熱されて蒸発し、これに伴い蒸気を生成することができる。

ところで、蒸発器、すなわちプレートフィン型熱交換器のみで蒸気発生装置を構成した場合、蒸発の進行に伴い伝熱コア内で水が完全に蒸発する事態が起こるため、伝熱コアに熱応力が発生し、伝熱コアが短期間で破損する。このため、分散型エネルギーシステムには、伝熱コア内で水が完全に蒸発するのを回避するため、サーモサイフォン現象を利用し、蒸発量以上の水を蒸発器に循環供給することができるサーモサイフォン式蒸気発生装置が採用されている。

図１は、従来のサーモサイフォン式蒸気発生装置の構成を示す模式図である。サーモサイフォン式蒸気発生装置１は、蒸発器２と気液分離ドラム３を並設し、蒸発器２と気液分離ドラム３とが互いの上部と下部をそれぞれ上部配管４と下部配管５で連通して構成される。

蒸発器２は、プレートフィン型熱交換器であり、伝熱コア６を有する。伝熱コア６は、熱媒を流通させる熱媒通路と、水を流通させる水通路とが、交互に積層配置され、鉛直方向に水通路が形成された構成である。伝熱コア６の下端には、水通路の入口に対応して入側ヘッダータンク７が連結され、上端には、水通路の出口に対応して出側ヘッダータンク８が連結されている。入側ヘッダータンク７には下部配管５が接続され、出側ヘッダータンク８には上部配管４が接続されている。

気液分離ドラム３は、鉛直方向に沿った円筒状であり、側壁に接続された給水管９から水が適宜補給され、水１１を貯留する。気液分離ドラム３の下端壁には下部配管５が接続され、気液分離ドラム３の上部における側壁には上部配管４が接続されている。さらに、気液分離ドラム３の上端壁には、生成した蒸気をガス改質装置などの蒸気利用装置に送り出す蒸気送出管１０が接続されている。

このような構成のサーモサイフォン式蒸気発生装置１では、サーモサイフォン現象により、気液分離ドラム３内の水１１が下部配管５を通じ蒸発器２に供給される。蒸発器２に供給された水は、伝熱コア６の水通路を流通する過程で、熱媒通路を流通する熱媒との熱交換により加熱され、蒸発する。蒸発器２で生成した蒸気は、上部配管４を通じ気液分離ドラム３に供給される。気液分離ドラム３に供給された蒸気は、蒸気中に含まれる水分を気液分離ドラム３内で分離された後、蒸気送出管１０から送り出される。このときに分離された水分は、気液分離ドラム３内に貯留され、再び下部配管５を通じ蒸発器２に供給される。

上述の通り、サーモサイフォン式蒸気発生装置は、蒸発器としてプレートフィン型熱交換器を採用することから、優れた熱交換効率で蒸気を生成し、コンパクト化を実現できる。しかも、サーモサイフォン現象を利用して蒸発器に水を循環供給できることから、伝熱コア内で水が完全に蒸発するのを回避できる。これらのことから、近年の分散型エネルギーシステムには、サーモサイフォン式蒸気発生装置が好適に用いられている。

通常、分散型エネルギーシステムでは日常的に起動と停止が行われる。また、運転中の負荷変動に伴い蒸気利用装置での蒸気の消費が減少することがある。蒸気利用装置での蒸気の消費が減少したり停止した場合、サーモサイフォン式蒸気発生装置においては、蒸発器で蒸気の生成が継続して行われるため、上部配管を通じ気液分離ドラムに蒸気が継続して供給される。このため、蒸発器および気液分離ドラム内に蒸気が充満し、その過剰な体積膨張により、蒸発器および気液分離ドラム内の圧力が著しく上昇し、気液分離ドラムや上部配管、さらに蒸発器の伝熱コアが破損するおそれがある。

蒸気利用装置での蒸気消費の減少や停止に対応し、蒸発器の伝熱コアに流通させる熱媒の供給を減少させたり停止させても、これに直ちに追従して蒸発を減少させることは困難であり、蒸発器および気液分離ドラム内の圧力上昇を回避できない。

このようなサーモサイフォン式蒸気発生装置に特有の問題を解消する技術として、特許文献１には、気液分離ドラムに相当する蒸気ドラムの外部に凝縮器を配設し、この凝縮器と蒸気ドラムとを、個々に弁を設けた蒸気側連絡管と水側連絡管で接続したボイラが開示されている。また、特許文献２には、気液分離ドラムに相当する気液分離器の外部に凝縮器を配設し、この凝縮器を、蒸気送出管から分岐し弁を設けたバイパス配管に接続するとともに、下部配管に相当する経路に接続した蒸気タービン発電装置が開示されている。

特許文献１、２に記載の技術では、凝縮器に接続された配管の弁を開き、気液分離ドラム内の過剰な蒸気を配管を介して凝縮器に導入し凝縮させることにより、気液分離ドラム内の圧力上昇の防止を図っている。

特開平１０−２４６４０２号公報 特開２００８−８２１７号公報

しかし、前記特許文献１、２に記載の技術では、気液分離ドラムの外部に凝縮器を配設した構成であるため、凝縮器を設置するスペースを外部に確保する必要があり、蒸気発生装置全体が大型化する。このため、サーモサイフォン式蒸気発生装置に要求されるコンパクト化が損なわれる。

また、前記特許文献１、２に記載の技術において、蒸気利用装置での蒸気消費の減少や停止に対応し、弁を開き配管を通じて蒸気を凝縮器に導入させても、蒸気が配管を経る時間の分凝縮の開始が遅れることから、優れた応答性で蒸発器および気液分離ドラム内の圧力上昇を抑えることが困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、コンパクト化を維持することができ、蒸気利用装置での蒸気の消費が減少したり停止した場合であっても、優れた応答性で蒸発器および気液分離ドラム内の圧力上昇を抑えることができるサーモサイフォン式蒸気発生装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため、サーモサイフォン式蒸気発生装置の構成について鋭意検討を重ねた結果、気液分離ドラムの内部に凝縮器を配設するのが有効であることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記のサーモサイフォン式蒸気発生装置にある。すなわち、熱媒を流通させる伝熱コアを有する蒸発器と、水を貯溜する気液分離ドラムとが、互いの上部と下部をそれぞれ上部配管と下部配管で連通してなり、下部配管を通じ気液分離ドラム内の水を蒸発器に供給し、蒸発器に供給された水を伝熱コアを流通する熱媒との熱交換により蒸発させ、蒸発器で生成した蒸気を上部配管を通じ気液分離ドラムに供給し、気液分離ドラムに供給され水分を分離した蒸気を気液分離ドラムから送り出すサーモサイフォン式蒸気発生装置において、気液分離ドラムの内部に、冷媒の流通およびその流通の停止が可能な凝縮器を設け、この凝縮器を流通する冷媒との熱交換により気液分離ドラム内の蒸気を凝縮させることを特徴とするサーモサイフォン式蒸気発生装置である。

この蒸気発生装置では、前記凝縮器が、前記気液分離ドラムにおける前記上部配管の連通口の下方に配置されていることが好ましい。

上記の蒸気発生装置は、前記凝縮器に流通させる冷媒として気体を用いることができる。

また、上記の蒸気発生装置は、前記凝縮器に流通させる冷媒として液体を用いることができ、この場合、冷媒の流通を停止した後に前記凝縮器の冷媒通路に滞留する冷媒を排出する冷媒排出機構を備えたり、冷媒の流通を停止した後に前記凝縮器の冷媒通路に滞留する冷媒を加圧する冷媒加圧機構を備えることが好ましい。

本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置によれば、蒸気利用装置での蒸気の消費が減少したり停止した場合、凝縮器に冷媒を流通させることにより、上部配管を通じて気液分離ドラムに継続して供給される蒸気が、凝縮器を流通する冷媒との熱交換で逐次冷却され凝縮するため、過剰な体積膨張は生じず、蒸発器および気液分離ドラム内の圧力上昇を防止することができる。このとき、凝縮器に冷媒を流通させれば、気液分離ドラム内で凝縮器の周囲に存在する蒸気を直ちに凝縮させることができるため、優れた応答性で蒸発器および気液分離ドラム内の圧力上昇を抑えることが可能になる。

また、本発明の蒸気発生装置は、気液分離ドラムの内部に凝縮器を配設した構成であるため、新たに凝縮器を設置するスペースの確保は不要であり、コンパクト化を維持することができる。

従来のサーモサイフォン式蒸気発生装置の構成を示す模式図である。 本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置の構成例を示す模式図である。 本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置の他の構成例を示す模式図である。 本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置で凝縮器に流通させる冷媒として液体を用いた場合に、凝縮器の破損を防止する構成例を示す模式図である。 本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置で凝縮器に流通させる冷媒として液体を用いた場合に、凝縮器の破損を防止する他の構成例を示す模式図である。

以下に、本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置の実施形態について、図面を参照しながら詳述する。

図２は、本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置の構成例を示す模式図である。同図に示す蒸気発生装置１は、前記図１に示す蒸気発生装置の構成を基本とし、それと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図２に示すように、本発明の蒸気発生装置１は、気液分離ドラム３の内部に凝縮器２０を配設した構成である。具体的には、凝縮器２０は、気液分離ドラム３に貯留される水１１の液面の上方にあって、気液分離ドラム３の上部における側壁に接続された上部配管４の連通口４ａの下方に配置されている。

凝縮器２０は、冷媒の流通およびその流通の停止を可能とする熱交換器である。図２では、凝縮器２０として、冷媒を流通させる冷媒通路が伝熱チューブからなる熱交換器を採用した例を示している。凝縮器２０として、伝熱チューブにフィンを取り付けたフィンチューブ型熱交換器を採用しても構わない。

このような構成のサーモサイフォン式蒸気発生装置１において、蒸気利用装置での蒸気の消費が安定している場合は、凝縮器２０への冷媒の供給を行わず、冷媒の流通を停止した状態にする。この場合、前記図１に示す蒸気発生装置と同様に、サーモサイフォン現象により、気液分離ドラム３内の水１１が下部配管５を通じ蒸発器２に供給され、蒸発器２に供給された水は、伝熱コア６の水通路を流通する過程で、伝熱コア６の熱媒通路を流通する熱媒との熱交換により加熱され、蒸発する。蒸発器２で生成した蒸気は、上部配管４を通じ気液分離ドラム３に供給され、気液分離ドラム３内で蒸気中に含まれる水分を分離された後、蒸気送出管１０から送り出される。このとき、凝縮器２０は冷媒の流通が停止していることから、気液分離ドラム３内の蒸気に対し何ら影響しない。

一方、蒸気利用装置での蒸気の消費が減少したり停止した場合は、凝縮器２０に冷媒を供給し流通させた状態に変更する。この場合、蒸発器２で蒸気の生成が継続して行われるため、上部配管４を通じ気液分離ドラム３に蒸気が継続して供給されるが、その蒸気は、凝縮器２０を流通する冷媒との熱交換により、逐次冷却され、凝縮して水に戻る。このため、過剰な体積膨張は生じず、蒸発器２および気液分離ドラム３内の圧力が上昇するのを防止できる。

また、本発明の蒸気発生装置１は、気液分離ドラム３の内部に凝縮器２０を配設した構成であるため、新たに凝縮器を設置するスペースの確保は不要であり、要求されるコンパクト化を維持することができる。

さらに、凝縮器２０に冷媒を流通させれば、気液分離ドラム３内で凝縮器２０の周囲に存在する蒸気を直ちに凝縮させることができるため、優れた応答性で蒸発器２および気液分離ドラム３内の圧力上昇を抑えることが可能になる。

図３は、本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置の他の構成例を示す模式図である。同図に示す蒸気発生装置１も、前記図２に示す蒸気発生装置と同様に、気液分離ドラム３の内部に凝縮器２０を配設した構成である。図３では、凝縮器２０としてプレートフィン型熱交換器を採用した例を示している。この凝縮器２０は、冷媒通路と、蒸気を流通させる蒸気通路とが、交互に積層配置され、鉛直方向に蒸気通路が形成された伝熱コアを有する。

このサーモサイフォン式蒸気発生装置１でも、上述した図２に示す蒸気発生装置と同様の効果を得ることができる。

前記図２および図３に示す蒸気発生装置１では、凝縮器２０に流通させる冷媒として、空気、またはＨＣＦＣやＨＦＣなどのフロンガスといった気体を用いることができる。簡便には、空気を採用することが好ましい。

また、凝縮器２０に流通させる冷媒は、気体に限られず、水などの液体を用いることもできる。ただし、冷媒として液体を用いる場合は、以下の留意が必要である。

凝縮器２０に冷媒として液体を流通させ、その状態から液体の流通を停止させると、凝縮器２０の冷媒通路には液体が滞留する状態になる。このとき、冷媒通路に滞留する液体は、気液分離ドラム３に供給される蒸気と熱交換を行うため、加熱されて気化し、これに伴う過剰な体積膨張により、凝縮器２０が破損するおそれがある。このような事態を回避する構成を以下に説明する。

図４は、本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置で凝縮器に流通させる冷媒として液体を用いた場合に、凝縮器の破損を防止する構成例を示す図である。同図に示す蒸気発生装置は、凝縮器２０に流通させる冷媒として液体を採用し、冷媒通路の上方から下方に冷媒を流通させるものであり、冷媒通路に冷媒を供給する冷媒供給管２１と、冷媒通路を流通した冷媒を送り出す冷媒送出管２２とを備える。冷媒供給管２１と冷媒送出管２２には、それぞれ冷媒の供給を停止させるときに経路を閉ざす入側弁２３と出側弁２４が設けられている。さらに、冷媒送出管２２は出側弁２４の上流で分岐した排出管２５を備え、この排出管２５には排出弁２６が設けられている。

このような構成によれば、凝縮器２０に冷媒として液体を流通させ、その状態から液体の流通を停止させる際、入側弁２３および出側弁２４を閉ざすと同時に排出弁２６を開くことにより、凝縮器２０の冷媒通路に滞留する液体が排出管２５を通じて外部に排出される。これにより、冷媒通路に液体が存在しなくなるため、気液分離ドラム３に供給される蒸気との熱交換が行われても、体積膨張は生じず、凝縮器２０が破損することはない。

図５は、本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置で凝縮器に流通させる冷媒として液体を用いた場合に、凝縮器の破損を防止する他の構成例を示す模式図である。同図に示す蒸気発生装置も、前記図４に示すものと同様に、冷媒供給管２１と冷媒送出管２２を備える。ただし、図５に示す蒸気発生装置では、前記図４に示す冷媒供給管２１の入側弁２３と、冷媒送出管２２から分岐した排出管２５に代えて、冷媒供給管２１に送給ポンプ２７が設けられている。

このような構成によれば、凝縮器２０に冷媒として液体を流通させ、その状態から液体の流通を停止させる際、送給ポンプ２７を駆動させたまま出側弁２４を閉ざすことにより、凝縮器２０の冷媒通路に滞留する液体が、送給ポンプ２７の駆動に伴って加圧される。これにより、冷媒通路に滞留する液体の飽和温度が上昇するため、気液分離ドラム３に供給される蒸気との熱交換で加熱されても、気化することはない。このため、冷媒通路で体積膨張は生じず、凝縮器２０の破損を防止できる。

その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記の実施形態では、凝縮器を気液分離ドラムにおける上部配管の連通口の下方に配置しているが、気液分離ドラムの内部である限り、その連通口の上方に凝縮器を配置することもできる。凝縮器を上部配管の連通口の上方に配置した場合、凝縮器が気液分離ドラムから蒸気送出管への蒸気の流路抵抗になるが、蒸気利用装置での蒸気消費の減少や停止に対応し、蒸発器および気液分離ドラム内の圧力上昇を防止できることに変わりはないからである。

本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置によれば、蒸気利用装置での蒸気の消費が減少したり停止した場合、凝縮器に冷媒を流通させることにより、気液分離ドラムに継続して供給される蒸気が、その冷媒との熱交換で逐次冷却され凝縮するため、蒸発器および気液分離ドラム内の圧力上昇を防止することができる。このとき、凝縮器に冷媒を流通させれば、凝縮器の周囲に存在する蒸気を直ちに凝縮させることができるため、蒸発器および気液分離ドラム内の圧力上昇の抑制を優れた応答性で行うことが可能になる。

また、本発明の蒸気発生装置は、気液分離ドラムの内部に凝縮器を配設した構成であるため、新たに凝縮器を設置するスペースの確保は不要であり、コンパクト化を維持することができる。従って、本発明のサーモサイフォン式蒸気発生装置は、分散型エネルギーシステムに極めて有用である。

１：サーモサイフォン式蒸気発生装置、 ２：蒸発器、 ３：気液分離ドラム、
４：上部配管、 ４ａ：連通口、 ５：下部配管、 ６：伝熱コア、
７：入側ヘッダータンク、 ８：出側ヘッダータンク、 ９：給水管、
１０：蒸気送出管、 １１：水、
２０：凝縮器、 ２１：冷媒供給管、 ２２：冷媒送出管、 ２３：入側弁、
２４：出側弁、 ２５：排出管、 ２６：排出弁、 ２７：送給ポンプ

Claims (5)

1. 熱媒を流通させる伝熱コアを有する蒸発器と、水を貯溜する気液分離ドラムとが、互いの上部と下部をそれぞれ上部配管と下部配管で連通してなり、下部配管を通じ気液分離ドラム内の水を蒸発器に供給し、蒸発器に供給された水を伝熱コアを流通する熱媒との熱交換により蒸発させ、蒸発器で生成した蒸気を上部配管を通じ気液分離ドラムに供給し、気液分離ドラムに供給され水分を分離した蒸気を気液分離ドラムから送り出すサーモサイフォン式蒸気発生装置において、
   気液分離ドラムの内部に、冷媒の流通およびその流通の停止が可能な凝縮器を設け、この凝縮器を流通する冷媒との熱交換により気液分離ドラム内の蒸気を凝縮させることを特徴とするサーモサイフォン式蒸気発生装置。
2. 前記凝縮器が、前記気液分離ドラムにおける前記上部配管の連通口の下方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のサーモサイフォン式蒸気発生装置。
3. 前記凝縮器に流通させる冷媒が気体であることを特徴とする請求項１または２に記載のサーモサイフォン式蒸気発生装置。
4. 前記凝縮器に流通させる冷媒が液体であり、冷媒の流通を停止した後に前記凝縮器の冷媒通路に滞留する冷媒を排出する冷媒排出機構を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のサーモサイフォン式蒸気発生装置。
5. 前記凝縮器に流通させる冷媒が液体であり、冷媒の流通を停止した後に前記凝縮器の冷媒通路に滞留する冷媒を加圧する冷媒加圧機構を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のサーモサイフォン式蒸気発生装置。

Images