JP2011033229A - 排ガス熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスを排ガス入口から排ガス冷却管を流動させて水と熱交換させることにより、排ガスの流速を上げるとともに排ガス熱交換器の直径を増加することなく、排ガスと水との熱貫流率を大きくして排熱回収効率を向上した排ガス熱交換器を備えた排ガス熱回収装置を提供する。
【解決手段】排ガス入口ヘッダー１１に連通される排ガス上昇路１２と、入口ヘッダー第１室Ａから下方に伸びて出口ヘッダー第１室Ｃに連通される排ガス下降管７ｃと、出口ヘッダー第１室Ｃから上方に伸びて入口ヘッダー第２室Ｂに連通される排ガス上昇管７ｂと、入口ヘッダー第２室Ｂから下方に伸びて出口ヘッダー第２室Ｄに連通される排ガス出口管７ａとの３パスの排ガス流路を有し、排ガス下降管７ｃ、排ガス上昇管７ｂ及び排ガス出口管７ａを冷却室で覆うことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、コジェネレーションガスエンジン発電装置等に適用され、エンジン等の排ガスが導入される排ガス入口と、該排ガス入口に連通されるとともに排ガス入口ヘッダーの内周の中央部の下方に延設された排ガス入口管と、該排ガス入口管の下部に設置される排ガス出口ヘッダーと、該排ガス出口ヘッダーに接続される排ガス出口とを有する排ガス熱交換器を備えた排ガス熱回収装置に関する。

エンジンに装着された、排ガス熱交換器を備えた排ガス熱回収装置の１つとして、特許文献１（特許第４１０９７５９号公報）が提供されている。

かかる技術においては、図６に示すように、排ガスが導入される排ガス入口と該排ガス入口に連通され、排ガス入口中央部に延設された大径の排ガス入口管０１３と、該排ガス入口管０１３に連通される排ガス通路０３１等を備え、該排ガス通路０３１の内部に水冷却管０３２等を通して、該水冷却管０３２を流れる水で排ガス通路０３１の排ガスを冷却して、排ガスの熱を水で回収している。

特許第４１０９７５９号公報

前記特許文献１においては、水冷却管０３２を流れる水と該水冷却管０３２の外側を流れる排ガス通路０３１の排ガスとの熱伝達は、水冷却管０３２内の水と冷却管壁との熱伝達率は水冷却管の水量に従い大きな値が得られるが、冷却管壁の外周面と排ガスとの熱伝達率は排ガスの流動方向が一定してなく大きく取れない。すなわち、図６に示すように、水冷却管０３２の中間部は環状の仕切板０３５によって支持されており、また仕切板０３５で複数の室Ｃ１〜Ｃ４に区画されており、各仕切板０３５には、切欠孔０３６が開口され、上下の仕切板０３５の切欠孔０３６は相互に略１８０°の位相がずらされているので、排ガスの流動はジグザグとなるため、水冷却管３２内の水と冷却管壁を介した排ガスとの熱貫流率は大きくとれず、排ガス熱交換器の排熱回収効率が悪い。

また、前記特許文献１においては、水冷却管０３２が、大径の排ガス入口管０１３の外側に且つ該水冷却管０３２を囲んで排ガス通路０３１が形成され、また水冷却管０３２と排ガス通路０３１とは、基本的には１方向（１パス）での熱交換であるため、排ガス熱交換器の直径が大きくなるとともに、１方向流（１パス流）であるため排ガス通路が十分大きく取れず、排ガス熱交換器の排熱回収効率が悪くなる。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、排ガスを排ガス入口から排ガス冷却管を流動させて水と熱交換させることにより、排ガスの流速を上げるとともに排ガス熱交換器の直径を増加することなく、排ガスと水との熱貫流率を大きくして排熱回収効率を向上した排ガス熱交換器を備えた排ガス熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、排ガスが導入される排ガス入口と、該排ガス入口に連通されるとともに排ガス入口ヘッダーの内周の中央部の下方に延設された排ガス入口管と、該排ガス入口管の下部に設置される排ガス出口ヘッダーと、該排ガス出口ヘッダーに接続される排ガス出口とを有する排ガス熱交換器を備えた排ガス熱回収装置において、
前記排ガス熱交換器は、前記排ガス入口管の下部から上昇して前記排ガス入口ヘッダーに連通される排ガス上昇路と、前記排ガス入口ヘッダーに形成されて前記排ガス上昇路に連通される入口ヘッダー第１室と、該第１室と仕切板で区切られる入口ヘッダー第２室と、前記排ガス出口ヘッダーに形成される出口ヘッダー第１室と、該第１室と仕切板で区切られ前記排ガス出口が開口される出口ヘッダー第２室とを備え、前記入口ヘッダー第１室から下方に伸びて前記出口ヘッダー第１室に連通される排ガス下降管と、前記出口ヘッダー第１室から上方に伸びて前記入口ヘッダー第２室に連通される排ガス上昇管と、前記入口ヘッダー第２室から下方に伸びて前記排ガス出口ヘッダー第２室に連通される排ガス出口管とを備え、前記排ガス下降管、排ガス上昇管及び排ガス出口管を覆う冷却室を備えてなることを特徴とする。

かかる発明において、好ましくは、前記排ガス下降管、排ガス上昇管、および排ガス出口管はそれぞれ周方向に等間隔に同心円状に配置された複数本の管群から構成される。

また、かかる発明において、好ましくは、前記排ガス入口管の下部に触媒を装填し、該排ガス入口管の上部にカバーを固定して該カバー及び前記排ガス入口管を触媒とともに着脱可能に構成する。

本発明によれば、排ガス熱交換器は、排ガス流を排ガス管内に流動させ、かかる排ガスを冷却室で冷却する排ガス流動方式であり、排ガス流を、前記排ガス入口管の下部から上昇して前記排ガス入口ヘッダーに連通される排ガス上昇路と、前記入口ヘッダー第１室から下方に伸びて前記出口ヘッダー第１室に連通される排ガス下降管と、前記出口ヘッダー第１室から上方に伸びて前記入口ヘッダー第２室に連通される排ガス上昇管と、前記入口ヘッダー第２室から下方に伸びて前記排ガス出口ヘッダー第２室に連通される排ガス出口管との、３パスで排ガス流を流すので、つまり、管通路によって排ガス流を排ガス熱交換器の軸方向に直線的に往復させるように流すので、従来技術のように軸方向の流れに対して仕切板を設けてジグザグ状に流すものに比べて排ガス流速に大きな減速を生じることがなく熱交換をさせることができる。

従って、排ガスの流速の増大により、排ガス下降管、排ガス上昇管、排ガス出口管のそれぞれの表面における熱伝達率が上昇し、これに伴い前記管通路内の排ガスと前記冷却室内のクーラント等の冷却媒体との熱貫流率が向上し、排ガス熱の回収効果が上昇する。
さらに、３パス（３方向流）によって排ガスと冷却媒体との熱交換が行われるため、従来技術のように１方向流においての熱交換長に比べて、熱交換長さが伸びるため排ガス熱交換器の軸方向長さの限られたスペースにおける熱交換効率が向上する。その結果、排ガス熱交換器のサイズをコンパクト化することができる。

また、前記排ガス下降管、排ガス上昇管、および排ガス出口管はそれぞれ周方向に等間隔に同心円状に配置された複数本の管群からなるとよい。
かかる構成によれば、前記排ガス下降管、排ガス上昇管、および排ガス出口管をそれぞれ周方向に等間隔に同心円状に配置した複数本の管群から構成するので、前記排ガス下降管及び排ガス上昇管及び排ガス出口管を平行に設置して外筒内にコンパクトに纏めることができ、小型コンパクトで前記のような熱交換効率が向上した排ガス熱交換器が得られる。

また、排ガス入口管の下部に触媒を装填し、該排ガス入口管の上部にカバーを固定して該カバー及び前記排ガス入口管を触媒とともに着脱可能に構成すれば、
カバーと同時に下部に触媒を取り付けた排ガス入口管を簡単に取出しあるいは装着でき、触媒の交換が簡単にできる。

本発明の実施例にかかるコジェネレーションガスエンジン発電装置の排ガス熱交換器の正面外観図である。 本発明の実施例における排ガス熱交換器の平面図である。 本発明の実施例における図２のA―A線断面図である。 本発明の実施例における図１のB−B線断面図である。 本発明の実施例における図１のC−C線断面図である。 従来技術の説明図である。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１において、この例はコジェネレーションガスエンジン発電装置の排ガス熱交換器２００であって、排ガスを排ガス管内に流動させ、かかる排ガスを冷却室で冷却する排ガス流動方式である。
かかる排ガス熱交換器２００は、エンジン（図示しない）からの排ガスが導入される排ガス入口２と、図２〜５に示される該排ガス入口２に連通されるとともに排ガス入口ヘッダー１１の内周の中央部の下方に延設された排ガス入口管９と、該排ガス入口管９の下部に設置される排ガス出口ヘッダー８と、該排ガス出口ヘッダー８に接続される排ガス出口３とを備えている。
該排ガス熱交換器２００には、下方の冷却媒体入口４から排ガス熱交換器２００内の排ガスから熱を奪う冷却媒体が前記冷却室に導入され、該排ガスの熱を含んだ冷却媒体は上方の冷却媒体出口５から外部に放出される。該排ガス熱交換器２００には、カバー６が装着されている。

前記排ガス熱交換器２００の、内部構造を示す図３〜５において、該排ガス熱交換器２００は、外筒１内に下記の種々の装置が設置され、上面をカバー６でボルト締め（ボルトは省略）されている。
前記排ガス入口管９は、前記排ガス入口２に連通されるとともに前記カバー６の下部に固定されて、前記外筒１の中央部の下方に延設されている。
該排ガス入口管９の下部には触媒１０を装填し、該排ガス入口管９の上部に前記カバー６を固定して、該カバー６及び前記排ガス入口管９を触媒１０とともに着脱可能に構成している。前記触媒１０は、排ガス中の有害物質や臭気を浄化するための触媒で酸化触媒である。
従って、前記カバー６と同時に下部に触媒１０を取り付けた排ガス入口管９を簡単に取出しあるいは装着でき、触媒１０の交換が簡単にできる。

前記排ガス入口管９の外側は、該排ガス入口管９と同心の外周仕切板２４が設置され、区切られている。
該外周仕切板２４の内周と、前記排ガス入口管９の外周の間には、排ガスが前記排ガス入口管９の下部の触媒１０出口から上昇して、前記排ガス入口ヘッダー１１に連通される排ガス上昇路１２が設けられている。
前記排ガス入口ヘッダー１１は、図４に示すように、前記複数の排ガス下降管７ｃの上端が連通する入口ヘッダー第１室Ａが形成され、該入口ヘッダー第１室Ａは、外壁１１ｓ、仕切板１１ａ、１１ｂ、及び冷却室蓋１３aにて区画された領域として形成されている。
また、複数の排ガス上昇管７ｂと複数の排ガス出口管７ａのそれぞれの上端が連通する入口ヘッダー第２室Ｂが形成されている。この入口ヘッダー第２室Ｂは、外壁１１ｓ、仕切板１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び冷却室蓋１３aにて区画され、前記入口ヘッダー第１室Ａとは反対側の残りの領域として区画されている。

また、前記排ガス出口ヘッダー８には、図４の破線で示す位置に対応した位置に仕切板８ｂが、さらに図４の仕切板１１ａに対応する位置に仕切板８ａが設けられ、図５に示すように出口ヘッダー第１室Ｃと出口ヘッダー第２室Ｄとを、外壁８ｓ、仕切板８ａ、８ｂ、８ｃで区画して形成されている。そして、出口ヘッダー第２室Ｄには、外筒１の中央部に位置して形成された前記排ガス出口３が開口されている。
前記排ガス上昇路１２の排ガスは、図３に示すように、前記排ガス入口ヘッダー１１の入口ヘッダー第１室Ａに入り、そこで下方に折れて複数の排ガス下降管７ｃに入り、下方に向かって出口ヘッダー第１室Ｃに流れる。

次いで、図３および図５に示すように、前記排ガス下降管７ｃが連通した出口ヘッダー第１室Ｃは、外筒１内を周方向に伸びて通路状に形成されているため、出口ヘッダー第１室Ｃに流入した排ガスは２ｔ方向（図５）に流れ、そして、出口ヘッダー第１室Ｃから上方に伸びて前記排ガス入口ヘッダー１１の入口ヘッダー第２室Ｂに連通して設けられ複数の排ガス上昇管７ｂを通って入口ヘッダー第２室Ｂに流入する。
さらに、図４に示すように、前記排ガス入口ヘッダー１１の入口ヘッダー第２室Ｂは、前記出口ヘッダー第１室Ｃと同様に外筒１内を周方向に伸びて通路状に形成されているため、入口ヘッダー第２室Ｂに流入した排ガスは２ｓ方向（図４）に流れ、そして、入口ヘッダー第２室Ｂから下方に伸びて形成された複数の排ガス出口管７ａを通って、図５に示すように前記排ガス出口ヘッダー８の出口ヘッダー第２室Ｄに流入し、該出口ヘッダー第２室Ｄから排ガス出口３に導かれる。

そして、前記排ガス上昇路７ｂの外周仕切板２４から外周側の、前記複数の排ガス出口管７ａ、複数の排ガス上昇管７ｂ及び複数の排ガス下降管７ｃの外周は、図４に示すように、冷却室１３内の冷却媒体に浸漬されており、外周から前記複数の排ガス出口管７ａ、複数の排ガス上昇管７ｂ及び複数の排ガス下降管７ｃを冷却している。なお、区画されているのは両ヘッダー８、１１の排ガス通路のみで、冷却室１３は１室となっていて、冷却室蓋１３ａと冷却室底１３ｂを有して構成されている。

かかる実施例においては、排ガス入口ヘッダー１１に形成されて排ガス上昇路１２に連通される入口ヘッダー第１室Ａと、該第１室Ａと仕切板１１ａ、１１ｂ、１１ｃで区切られる入口ヘッダー第２室Ｂと、排ガス出口ヘッダー８に形成された出口ヘッダー第１室Ｃ及び該第１室Ｃと仕切板８ａ、８ｂ、８ｃで区切られた出口ヘッダー第２室Ｄを備え、排ガスを排ガス上昇路１２で入口ヘッダー第１室Ａに通し、該入口ヘッダー第１室Ａから出口ヘッダー第１室Ｃに連通される排ガス下降管７ｃ、該出口ヘッダー第１室Ｃから上方に伸びて前記入口ヘッダー第２室Ｂに連通される排ガス上昇管７ｂ、該入口ヘッダー第２室Ｂから下方に伸びて前記出口ヘッダー第２室Ｄに連通される排ガス出口管７ａの、３パス（３方向流）で排ガス入口ヘッダー１１と排ガス出口ヘッダー８との間を流すことによって、つまり、排ガス下降管７ｃ、排ガス上昇管７ｂ、排ガス出口管７ａによって排ガス流を排ガス熱交換器２００の軸方向に直線的に往復させるように流すので、従来技術のように軸方向の流れに対して仕切板を設けてジグザグ状に流すものに比べて排ガス流速に大きな減速を生じることがなく熱交換をさせることができる。

従って、排ガスの流速の増大により、排ガス下降管７ｃ、排ガス上昇管７ｂ、排ガス出口管７ａのそれぞれの表面における熱伝達率が上昇し、これに伴い排ガスと冷却媒体との熱貫流率が向上し、排ガス熱の回収効果が上昇する。
さらに、３パス（３方向流）によって排ガスと冷却媒体との熱交換が行われるため、従来技術のように１方向流においての熱交換長に比べて、熱交換長さが伸びるため排ガス熱交換器２００の軸方向長さの限られたスペースにおける熱交換効率が向上する。その結果、排ガス熱交換器２００のサイズをコンパクト化することができる。

また、排ガス下降管７ｃ、排ガス上昇管７ｂ、および排ガス出口管７ａは、図４のようにそれぞれ周方向に等間隔に同心円状に配置された複数本の管群からなっている。この排ガス下降管７ｃ、排ガス上昇管７ｂ、および排ガス出口管７ａのそれぞれの管群は、円周をほぼ３等分して区画された領域に配置され、同心円状に２列にしかも１列目と２列目とが千鳥状に配置されている。
従って、かかる構成によれば、排ガス下降管７ｃ、排ガス上昇管７ｂ、および排ガス出口管７ａを外筒１内にコンパクトに纏めることができ、小型コンパクトで熱交換効率を向上した排ガス熱交換器２００が得られる。

本発明によれば、排ガスを排ガス入口から排ガス冷却管を流動させてクーラント等の冷却媒体と熱交換させることにより、排ガスの流速を上げるとともに排ガス熱交換器の直径を増加することなく、排ガスと冷却媒体との熱貫流率を大きくして排熱回収効率を向上した排ガス熱交換器を備えた排ガス熱回収装置が得られ、コジェネレーションガスエンジン発電装置の排ガス熱回収装置、エンジンの排ガス熱回収装置等に広く適用できる。

１ 外筒
２ 排ガス入口
２ａ、２ｓ、２ｔ 排ガス流
３ 排ガス出口
４ 冷却媒体入口
５ 冷却媒体出口
６ カバー
７ｃ 排ガス下降管
７ｂ 排ガス上昇管
７ａ 排ガス出口管
８ 排ガス出口ヘッダー
８ａ、８ｂ、８ｃ 仕切板
８ｓ、１１ｓ 外壁
９ 排ガス入口管
１０ 触媒
１１ 排ガス入口ヘッダー
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 仕切板
１２ 排ガス上昇路
１３ 冷却室
１３ａ 冷却室蓋
１３ｂ 冷却室底
２４ 外周仕切板
２００ 排ガス熱交換装置
Ａ 入口ヘッダー第１室
Ｂ 入口ヘッダー第２室
Ｃ 出口ヘッダー第１室
Ｄ 出口ヘッダー第２室

Claims (3)

1. 排ガスが導入される排ガス入口と、該排ガス入口に連通されるとともに排ガス入口ヘッダーの内周の中央部の下方に延設された排ガス入口管と、該排ガス入口管の下部に設置される排ガス出口ヘッダーと、該排ガス出口ヘッダーに接続される排ガス出口とを有する排ガス熱交換器を備えた排ガス熱回収装置において、
   前記排ガス熱交換器は、前記排ガス入口管の下部から上昇して前記排ガス入口ヘッダーに連通される排ガス上昇路と、
   前記排ガス入口ヘッダーに形成されて前記排ガス上昇路に連通される入口ヘッダー第１室と、該第１室と仕切板で区切られる入口ヘッダー第２室と、
   前記排ガス出口ヘッダーに形成される出口ヘッダー第１室と、該第１室と仕切板で区切られ前記排ガス出口が開口される出口ヘッダー第２室とを備え、
   前記入口ヘッダー第１室から下方に伸びて前記出口ヘッダー第１室に連通される排ガス下降管と、前記出口ヘッダー第１室から上方に伸びて前記入口ヘッダー第２室に連通される排ガス上昇管と、前記前記入口ヘッダー第２室から下方に伸びて前記排ガス出口ヘッダー第２室に連通される排ガス出口管とを備え、
   前記排ガス下降管、排ガス上昇管及び排ガス出口管を覆う冷却室を備えてなることを特徴とする排ガス熱回収装置。
2. 前記排ガス下降管、排ガス上昇管、および排ガス出口管はそれぞれ周方向に等間隔に同心円状に配置された複数本の管群からなることを特徴とする請求項１記載の排ガス熱回収装置。
3. 前記排ガス入口管の下部に触媒を装填し、該排ガス入口管の上部にカバーを固定して該カバー及び前記排ガス入口管を触媒とともに着脱可能に構成したことを特徴とする請求項１記載の排ガス熱回収装置。

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