JP2011085369A - 潜熱回収型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 潜熱の回収効率を高めた熱交換器を提供する。
【解決手段】 本発明の潜熱回収型熱交換器は、熱交換器へ導入する加湿エアの導入部付近に、水滴を混合するための混合口を設けたことを特徴とする。水滴を混合すること以外は、従来の熱交換器を用いることができる。混合する水は、熱交換器で発生した凝縮水を用いることができる。このような熱交換器を燃料電池あるいはガスエンジン等のコジェネレーションシステムの排出ガスの熱交換に利用すれば省エネ効果を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池やガスエンジン等のコジェネレーションシステムや給湯器の排気ガスなどに含まれる水蒸気を凝縮する際に放出される潜熱（凝縮熱）を回収する潜熱回収型熱交換器に関する。

潜熱回収型熱交換器は、例えば、特許文献１に開示されているように、給湯器において、一次熱交換器のバーナの排気ガスの流れの下流側に、二次熱交換器として配置されており、一次熱交換器で熱交換されたバーナの燃焼による排気ガスが、この二次熱交換器である潜熱回収型熱交換器でさらに熱交換される。

また、特許文献２には、熱交換器として、図５に示すように、筐体１と、排ガスの流通する内部空間と、該内部空間に設けられた排ガス流れ方向を軸として蛇行もしくは螺旋状に水の流通する配管２と、排ガス流れ方向に略平行となるように前記配管の外壁に設けられた複数のフィン３とを有し、該フィンが排ガス流れ方向に対して複数に分割されたものが開示されている。

加湿エアである排ガス４は気体導入口６から入り、排気口７から排出される。水５は、給水口８から配管２に入り、排水口９から排出される。その間に、フィン３等により熱交換されて水の温度が上昇し、排ガスの温度は低下する。

この文献では、フィンを排ガス流れ方向に対して複数に分割する必要があるので、加工が複雑になりコストがかさむという問題がある。また、元々の排ガスの温度は７００℃以上であるが、熱交換器に流入する排ガスの温度を２５０℃以下に下げる必要があるので、排ガスの熱（温度）を効率良く回収できているとは言い難い。潜熱回収型熱交換器では、潜熱の回収効率を上げることが、常に要求されている。

特開昭５８−０３１２８７号公報 特開２００６−１２７７８４号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、潜熱の回収効率を高めた潜熱回収型熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、熱交換器に外部から供給する加湿エアの導入部分において、水滴を混合し気化させ、加湿エアの露点を上げ（湿度を上げ）、加湿エアに含まれている水蒸気の熱交換器での凝縮量を増やし、より多くの潜熱を冷水に熱交換させれば、潜熱の回収効率を上げることができることを見出した。

また、混合する水滴は、熱交換器で発生する凝縮水を用いることができる。これにより、外部から供給する配管等を簡略化できる。

また、本発明の熱交換器は、燃料電池やガスエンジン等のコジェネレーションシステムの排出ガスの潜熱を効率良く回収することができる。

本発明によれば、潜熱の回収効率を高めた潜熱回収型熱交換器を提供することができる。

本発明の潜熱回収型熱交換器の断面構造の一例を示す。 本発明の潜熱回収型熱交換器の断面構造の他の例を示す。 本発明の潜熱回収型熱交換器の断面構造の他の例を示す。 本発明の潜熱回収型熱交換器の断面構造の他の例を示す。 従来の潜熱回収型熱交換器の断面構造を示す。

図１を参照して、本発明の潜熱回収型熱交換器は、従来の潜熱回収型熱交換器の気体の導入部分に水滴を混合するための混合口１０を有しており、この混合口から、水滴を混合することによって、潜熱の回収効率が上がることを見出した。

混合する水滴は、平均直径５０μｍ未満の微細水滴（ミスト）であればなお良い。水滴の生成方法は特に問わないが、例えば、超音波振動器で得られるミストは、周波数によって平均直径が２μｍや５μｍ程度のものを生成できる。また、スプレーノズルで得られる水滴は、ノズルの径によって平均直径１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ程度の任意の平均直径のものを生成できる。また、インクジェットプリンタに使われるような圧電素子を使ったインクジェットノズルによっても水滴を生成することができる。

外部での水滴の生成が困難な場合、例えば、外部から混合口に至るまでに、金属やセラミックスの多孔質体を加湿エアに接するように設置し、前記多孔質体に水を注入することで、加湿エアが多孔質体を温め、毛細管現象で浸透してきた水が多孔質体の表面からミスト化し気化させ、露点を上げることが可能である。この場合、ミスト化したときの直径は、注入する水の圧力や多孔質体の空孔の大きさに依存する。多孔質体に代えて不織布やガラス繊維を用いることもできる。

混合する水滴は、図１のように、外部から供給してもよいが、熱交換器で発生する凝縮水を用いてもよい。この場合は、図２に示すように、筐体の外側に凝縮水を戻す経路１１を設けてもよいし、図３に示すように筐体の内部に凝縮水を戻す経路１２を設けてもよい。なお、図２、３では、凝縮水の回収機構や、回収した凝縮水を混合口に送る機構は省略している。

また、横型の熱交換器の場合は、例えば、図４に示すように、混合口１０を気体が導入される部分にまで延伸させることが必要である。

混合口の位置は、図１から図４に示すように、導入される気体の導入部分付近であれば、特に限定されるものではない。

混合する水滴の最適量は、給気口６に導入する気体の温度に依存するが、１０ｃｃ／ｍｉｎの水分量を含む気体に対して、おおむね４〜１０ｃｃ／ｍｉｎ（水換算）である。

本発明は、上記のように熱交換器へ導入する気体の導入部において、水滴を混合すれば、潜熱の回収効率を上げることができ、混合口以外の配管やフィン、筐体等は、従来の熱交換器のものと同様のものを用いることができる。熱交換器は、フィン・チューブ式、多管式、プレート式、スパイラル式などの熱交換器に適用することができる。

図１と図５に示すような、本発明の熱交換器と従来の熱交換器を用意した。図１と図５の違いは、混合口１０の有無だけである。熱交換器は、フィン・チューブ式を用いた。

筐体１は、ステンレス製で大きさは、１００ｍｍ×１００ｍｍ×３０ｍｍとした。配管２は、ステンレス製の直径６ｍｍのパイプを用いた。フィン３は、９５ｍｍ×２９ｍｍの大きさで、厚み０．８ｍｍのステンレスの板を１８枚用いた。給気口６と排気口７は直径１２ｍｍのステンレスパイプを用いた。

筐体１に給気口６と排気口７が銀ロウ溶接され、フィン３がピッチ４ｍｍで鉛直方向に平行に配置し、フィンには、配管２が貫通する穴を開け、配管２とフィン３は熱接触をよくするために銀ロウ溶接を施した。

フィン３と筐体１とは、熱的に接触しないように離されており、配管２が筐体１と給水口８及び排水口９の部分で銀ロウ溶接される。

給気口６に導入する気体は、１０ｃｃ／ｍｉｎの水分量の水蒸気を含む３００℃の加湿エアを用い、給水口８に導入する水は、２５±１℃に温度制御された２００ｃｃ／ｍｉｎの循環水を用いた。

前記加湿エアを４０リットル／ｍｉｎで供給し、排水口９から出てくる水の温度（排水温度）、排気口７から出てくる凝縮水の温度（ドレン温度）及び排気の温度（排気温度）、量（ドレン量）を測定した。図１の本発明の熱交換器では、超音波振動器で生成した２５℃の微細水滴（平均直径５μｍ）を混合口１０から表１に示す量を混合した。

循環水の量を３００ｃｃ／ｍｉｎと１００ｃｃ／ｍｉｎにした場合の結果を表２、表３に示す。また、加湿エアを２０リットル／ｍｉｎで供給し、循環水の量を２００ｃｃ／ｍｉｎにしたときの結果を表４に示す。表１〜表４では、微細水滴の平均直径は、５μｍであるが、これを５０μｍにした場合の結果を表５に示す。表５では、平均直径以外は、表１と同様とした。

また、下記式（１）で導かれるエネルギー量を計算し、導入される気体の持つエネルギー量Ｅｇａｓと、水が得たエネルギー量Ｅｗａｔｅｒの比率（Ｅｗａｔｅｒ／Ｅｇａｓ×１００）を熱交換率として計算した。これらの結果を表１〜５に示す。

表１〜４から、本発明の熱交換器では、混合量を増やせば、熱交換率が向上することが判る。ただし、ある最適量以上の混合量で排水温度が一定になるため、見かけ上の熱交換率は下がる場合がある。

表５から、混合量が８ｃｃ／ｍｉｎ以上で、排水温度が下がり熱交換率が下がっている。これは、混合した水滴が平均直径５０μｍと比較的大きいため、混合量が多いと導入口付近で気化しきれず、フィンを直接冷やしたり、そのままドレンと一緒に排出されたことが原因であると考えられる。また、混合する水滴の最適量は導入する加湿エアに含まれる水分量、加湿エアの送り量、循環水の温度及び送り量、熱交換器の大きさおよび水滴の大きさに依存する。

本発明によれば、潜熱の回収効率を高めることがでる潜熱回収型熱交換器を提供することができ、経済的である。このような熱交換器を燃料電池やガスエンジン等のコジェネレーションシステムの排出ガスの熱エネルギーの回収に利用すれば、省エネ効果も高めることができる。

１ 筐体
２ 配管
３ フィン
４ 導入する加湿エアの流れ方向
５ 水の流れ方向
６ 給気口
７ 排気口
８ 給水口
９ 排水口
１０ 混合口
１１ 凝縮水を外部から混合口へ戻す経路
１２ 凝縮水を内部から混合口へ戻す経路

Claims (3)

1. 気液熱交換式の熱交換器において、供給する加湿エアの導入口部付近に水滴を混合するための混合口を設けたことを特徴とする潜熱回収型熱交換器。
2. 前記混合する水滴は、熱交換器で発生する凝縮水由来であることを特徴とする請求項１に記載の潜熱回収型熱交換器。
3. 前記供給する加湿エアが、燃料電池あるいはガスエンジン等のコジェネレーションシステムの排出ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の潜熱回収型熱交換器。

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