JP2012251687A - Heat exchanger system - Google Patents

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Katsunori Sakai
勝則 酒井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat exchanger system preventing the deposition of a calcium carbonate in a heat exchanger.SOLUTION: The heat exchanger system includes: the heat exchanger 14 having a gas flow path 15 of a high temperature side and a liquid flow path 16 of a low temperature side; a gas supply path 17 for supplying a hot gas to an entrance side of the gas flow path 15; a gas discharge path 18 for discharging a combustion exhaust gas after a heat exchange that flows out of an outlet side of the gas flow path 15; a liquid feed path 19 for supplying a tap water to an entrance side of the liquid flow path 16; a liquid discharge path 20 for discharging liquid after the heat exchange that flows out of the outlet side of the liquid flow path 16 to load equipment; and a combustion exhaust gas injection means 24 for injecting the combustion exhaust gas into the tap water of the liquid feed path 19.

Description

本発明は水道水(市水)を熱交換器で熱交換する際に、熱交換器内部に多く析出し易いスケール(CaCO)を効率よく抑制できる熱交換器システムに関する。 The present invention relates to a heat exchanger system that can efficiently suppress scale (CaCO 3 ) that is likely to precipitate in the heat exchanger when heat exchange is performed on tap water (city water) with a heat exchanger.

ボイラや給湯器等の給湯装置では、都市ガス等の燃料を燃焼し、そのとき発生した熱で水を加熱して温水を生成する。また、近年商品化されているエンジンや燃料電池を用いた家庭用コジェネレーションシステム(以下、コジェネレーションシステムをコージェネシステムと略称する)においては、燃料を発電部に供給し、そのとき副生した熱(燃焼排ガス)で水を加熱して温水を生成する。   In a hot water supply apparatus such as a boiler or a hot water heater, fuel such as city gas is burned, and water is heated by the heat generated at that time to generate hot water. In a domestic cogeneration system using an engine or a fuel cell that has been commercialized in recent years (hereinafter, the cogeneration system is abbreviated as a cogeneration system), fuel is supplied to the power generation unit, and heat generated as a by-product at that time is supplied. Water is heated with (combustion exhaust gas) to produce hot water.

これらには、燃料燃焼系の熱回収熱交換器システムが配置されるが、ここでは、その一例として、SOFC燃料電池装置の燃焼排ガスの排熱回収を行うコージェネシステムの例を挙げて技術の説明を以下に行う。図3はSOFC燃料電池装置の燃焼排ガスの排熱回収を行うコージェネシステムの例を示すプロセスフロー図である。   These are equipped with a fuel combustion heat recovery heat exchanger system. Here, as an example, a description will be given of an example of a cogeneration system that performs exhaust heat recovery of combustion exhaust gas of a SOFC fuel cell device. Is performed as follows. FIG. 3 is a process flow diagram showing an example of a cogeneration system that performs exhaust heat recovery of combustion exhaust gas of the SOFC fuel cell device.

図3において、1はSOFC燃料電池装置としてのSOFC発電ユニット、2は燃料電池、3は予備改質器、4は蒸発器、5は空気予熱器、6は空気極、7は燃料極、10は給湯ユニット、11は給湯タンク、12は給水ポンプ、13は切換弁、14は熱交換器、15はガス流通路、16は液体流通路、17はガス供給路、18はガス排出路、19は液体供給路、20は液体排出路、21,22,23は給湯タンク11周りの配管である。   In FIG. 3, 1 is a SOFC power generation unit as a SOFC fuel cell device, 2 is a fuel cell, 3 is a pre-reformer, 4 is an evaporator, 5 is an air preheater, 6 is an air electrode, 7 is a fuel electrode, 10 Is a hot water supply unit, 11 is a hot water tank, 12 is a water supply pump, 13 is a switching valve, 14 is a heat exchanger, 15 is a gas flow path, 16 is a liquid flow path, 17 is a gas supply path, 18 is a gas discharge path, 19 Is a liquid supply path, 20 is a liquid discharge path, 21, 22 and 23 are pipes around the hot water supply tank 11.

SOFC発電ユニット1において、燃料電池2から排出する高温の燃焼排ガスは予備改質器(又は改質器)3、蒸発器4および空気予熱器5を順に通過し、それぞれ都市ガス等の燃料ガス、水、空気と熱交換してそれらを加熱し所定温度に昇温する。空気予熱器5で加熱された空気が燃料電池2の空気極に供給され、蒸発器で蒸発した水蒸気は予備改質器3に供給され、そこで改質触媒の存在下で都市ガスと水蒸気が反応して水素を含む改質ガスを生成し、生成した改質ガスが燃料電池2の燃料極7に供給される。   In the SOFC power generation unit 1, high-temperature combustion exhaust gas discharged from the fuel cell 2 sequentially passes through a pre-reformer (or reformer) 3, an evaporator 4 and an air preheater 5, respectively, and a fuel gas such as city gas, Heat is exchanged with water and air to raise the temperature to a predetermined temperature. The air heated by the air preheater 5 is supplied to the air electrode of the fuel cell 2, and the water vapor evaporated by the evaporator is supplied to the pre-reformer 3, where the city gas reacts with the water vapor in the presence of the reforming catalyst. Thus, a reformed gas containing hydrogen is generated, and the generated reformed gas is supplied to the fuel electrode 7 of the fuel cell 2.

SOFC発電ユニット1からユニット外に排出される燃焼排ガスは、ガス供給路17により給湯ユニット10を構成する熱交換器14のガス流通路15の入口側に供給され、ガス流通路15の出口側から排出する熱交換後の燃焼排ガスは、排出路18を経てコージェネシステムの系外に排出される。例えば家庭用のコージェネシステムでは給湯ユニット10に供給される水は水道水(市水)であり、その水道水は配管21から給湯タンク11に供給される。   The combustion exhaust gas discharged from the SOFC power generation unit 1 to the outside of the unit is supplied to the inlet side of the gas flow passage 15 of the heat exchanger 14 constituting the hot water supply unit 10 through the gas supply path 17, and from the outlet side of the gas flow passage 15. The exhaust gas after the heat exchange to be discharged is discharged out of the cogeneration system via the discharge path 18. For example, in a household cogeneration system, the water supplied to the hot water supply unit 10 is tap water (city water), and the tap water is supplied from the pipe 21 to the hot water supply tank 11.

給湯タンク11に貯留される液体(水または温水)の一部は給水ポンプ12を設けた液体供給路を経て熱交換器14における液体流通路16の入口側に供給され、その出口側から排出する熱交換後の水は、液体排出路20を経て負荷設備としての給湯タンク11に排出する。なお給湯タンク11の付帯設備として、図示のような三方切換弁22aが必要に応じて設けられるが、この三方切換弁22aは水道水を給湯タンク11に通さず直接図示しない設備に供給する場合などに操作し使用される。   Part of the liquid (water or hot water) stored in the hot water supply tank 11 is supplied to the inlet side of the liquid flow passage 16 in the heat exchanger 14 through the liquid supply path provided with the water supply pump 12, and discharged from the outlet side thereof. The water after the heat exchange is discharged to the hot water supply tank 11 as a load facility through the liquid discharge path 20. As an incidental facility for the hot water tank 11, a three-way selector valve 22a as shown is provided as needed. However, the three-way selector valve 22a supplies tap water directly to an unillustrated facility without passing through the hot water tank 11. Used to operate.

一般にSOFC発電ユニット1から排出される燃焼排ガスの温度は300℃程度の比較的高温の状態で熱交換器14に供給され、そこで水道水と熱交換する。一方、熱交換器14で熱交換されて排出する水道水の温度は通常、75℃〜80℃程度の範囲になる。   In general, the temperature of combustion exhaust gas discharged from the SOFC power generation unit 1 is supplied to the heat exchanger 14 in a relatively high temperature state of about 300 ° C., and exchanges heat with tap water there. On the other hand, the temperature of tap water that is heat-exchanged by the heat exchanger 14 and discharged is usually in the range of about 75 ° C to 80 ° C.

熱交換器14に供給される水道水中には、通常、スケール成分(硬度成分)が含まれるが、それが温度上昇によりスケール(析出物)となって析出する。析出物は熱交換器14の内部の配管内壁などに付着して、配管詰まりや流量低下、熱伝達率の悪化等を引き起こし、熱交換効率などの低下原因になる。   The tap water supplied to the heat exchanger 14 usually contains a scale component (hardness component), which precipitates as a scale (precipitate) as the temperature rises. Precipitates adhere to the inner wall of the pipe inside the heat exchanger 14 and cause clogging of the pipe, a decrease in flow rate, a deterioration in heat transfer coefficient, and the like, leading to a decrease in heat exchange efficiency.

上記のスケール成分としては、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、シリカ(Si)等が存在するが、析出物の中でカルシウム成分に由来する炭酸カルシウム(CaCO)が最も多く、その炭酸カルシウムの析出を出来るだけ防止することが、熱交換器14を長期間安定に且つ高効率で稼働させるために重要な要素となる。 As the scale component, calcium (Ca), magnesium (Mg), silica (Si) and the like are present, but among the precipitates, calcium carbonate (CaCO 3 ) derived from the calcium component is the most, and the calcium carbonate It is an important factor to operate the heat exchanger 14 stably for a long period of time and with high efficiency.

炭酸カルシウムの析出の主な原因は、前記のように熱交換器内の水温上昇であるが、メカニズムとしては、水温上昇により水道水中に含まれている二酸化炭素の水への溶解度が低下し、水に溶解していた二酸化炭素が脱気し、その平衡状態が変化することにより起こる。   The main cause of precipitation of calcium carbonate is the increase in water temperature in the heat exchanger as described above, but as a mechanism, the solubility of carbon dioxide contained in tap water decreases due to the increase in water temperature, This occurs when carbon dioxide dissolved in water is degassed and its equilibrium changes.

すなわち上記平衡式は「CaCO+CO+HO⇔Ca2++2HCO -」の反応式で示されるが、二酸化炭素(CO)が脱気すると反応が左に進み、炭酸カルシウム(CaCO)が析出する。 That is, the equilibrium is "CaCO 3 + CO 2 + H 2 O⇔Ca 2+ + 2HCO 3 - " are shown by the reaction formula, the process proceeds react with carbon dioxide (CO 2) is degassed to the left, calcium carbonate (CaCO 3 ) Precipitates.

上記のカルシウム析出問題を解決するため、熱交換器に供給する水にボンベ等から二酸化炭素を供給して注入する方法が特許文献1や特許文献2などに記載されている。これらの方法は二酸化炭素を注入することにより、前記平衡式が右に進行して析出物を生じることを防止して問題を解決しようとするものである。   In order to solve the above calcium precipitation problem, Patent Document 1 and Patent Document 2 describe a method in which carbon dioxide is supplied from a cylinder or the like to water supplied to a heat exchanger. These methods are intended to solve the problem by injecting carbon dioxide to prevent the equilibrium equation from proceeding to the right and generating precipitates.

特開2010−78239号公報JP 2010-78239 A 特開2010−223525号公報JP 2010-223525 A

しかし前記の従来技術においては、特別に用意した二酸化炭素ボンベ等から二酸化炭素を供給するので、例えば家庭用のコージェネシステムのように、高圧設備の取り扱いにおける安全性やスペース制約などからボンベを設置することが困難な場合は、その適用が困難であり、併せて稼働コストも高くなるという問題がある。そこで本発明はこのような問題の解決を課題とし、ボンベ等の二酸化炭素源を使用する必要のない熱交換器システムを提供することを目的とする。   However, in the above-mentioned prior art, carbon dioxide is supplied from a specially prepared carbon dioxide cylinder or the like, so that the cylinder is installed due to safety or space restrictions in handling high-pressure equipment, such as a cogeneration system for home use. If this is difficult, there is a problem that its application is difficult and the operating cost is also increased. Therefore, the present invention aims to solve such a problem, and an object thereof is to provide a heat exchanger system that does not require the use of a carbon dioxide source such as a cylinder.

前記課題を解決する本発明の熱交換器システムは、高温側のガス流通路と低温側の液体流通路を有する熱交換器と、ガス流通路の入口側に高温ガスを供給するガス供給路と、ガス流通路の出口側から流出する熱交換後のガスを排出するガス排出路と、液体流通路の入口側に水道水を供給する液体供給路と、液体流通路の出口側から流出する熱交換後の液体(水道水)を負荷設備に排出する液体排出路と、前記液体供給路の水道水に燃焼排ガスを注入する燃焼排ガス注入手段を備えた熱交換システムである。そして、前記ガス供給路に燃焼系から排出するCOを含む燃焼排ガスが供給され、前記燃焼排ガス注入手段に前記ガス排出路を流通する熱交換後の燃焼排ガスを注入するガス注入路が連通され、前記液体排出路に気液分離手段が設けられ、該気液分離手段で熱交換後の液体に含まれているガスを分離するように構成されている(請求項1)。 The heat exchanger system of the present invention that solves the above problems includes a heat exchanger having a high temperature side gas flow passage and a low temperature side liquid flow passage, and a gas supply passage that supplies high temperature gas to the inlet side of the gas flow passage. A gas discharge path for discharging the gas after heat exchange flowing out from the outlet side of the gas flow path, a liquid supply path for supplying tap water to the inlet side of the liquid flow path, and heat flowing out from the outlet side of the liquid flow path It is a heat exchange system including a liquid discharge path for discharging the exchanged liquid (tap water) to load equipment, and combustion exhaust gas injection means for injecting combustion exhaust gas into the tap water in the liquid supply path. A combustion exhaust gas containing CO 2 discharged from a combustion system is supplied to the gas supply path, and a gas injection path for injecting the combustion exhaust gas after heat exchange flowing through the gas discharge path is communicated with the combustion exhaust gas injection means. The liquid discharge path is provided with gas-liquid separation means, and the gas-liquid separation means is configured to separate the gas contained in the liquid after heat exchange (claim 1).

上記熱交換システムにおいて、前記燃焼排ガス注入手段はエジェクター方式で燃焼ガスを水道水中に注入するように構成されているものを使用することができる(請求項2)。   In the heat exchange system, the combustion exhaust gas injecting means may be configured to inject combustion gas into tap water by an ejector method (claim 2).

上記熱交換システムにおいて、前記燃焼排ガス注入手段には、マイクロバブル発生器を配置することができる(請求項3)。   In the heat exchange system, a microbubble generator can be arranged in the combustion exhaust gas injection means.

本発明の熱交換システムは、請求項1に記載のように、前記ガス供給路に燃焼系から排出するCOを含む燃焼排ガスを供給し、前記燃焼排ガス注入手段に前記ガス排出路を流通する熱交換後の燃焼排ガスを注入するガス注入路を連通し、前記液体排出路に気液分離手段を設け、該気液分離手段で熱交換後の液体に含まれているガスを分離するように構成している。このように二酸化炭素源として熱交換器で熱交換した後の燃焼系の燃焼排ガスを利用すると、従来のように特別な二酸化炭素ボンベ等を用意する必要がなく、稼働コストも抑制される。そして液体に混入したガス成分は気液分離手段で分離・除去されるので、給湯システム等に影響を及ぼすこともない。 The heat exchange system of the present invention supplies combustion exhaust gas containing CO 2 discharged from a combustion system to the gas supply path, and circulates the gas exhaust path to the combustion exhaust gas injecting means. A gas injection path for injecting combustion exhaust gas after heat exchange is communicated, gas-liquid separation means is provided in the liquid discharge path, and gas contained in the liquid after heat exchange is separated by the gas-liquid separation means. It is composed. As described above, when the combustion exhaust gas of the combustion system after heat exchange with the heat exchanger is used as the carbon dioxide source, it is not necessary to prepare a special carbon dioxide cylinder or the like as in the conventional case, and the operation cost is also suppressed. Since the gas component mixed in the liquid is separated and removed by the gas-liquid separation means, the hot water supply system and the like are not affected.

上記熱交換システムにおいて、請求項2に記載のように、前記燃焼排ガス注入手段はエジェクター方式で燃焼ガスを水道水中に注入するように構成したものを使用することができる。このようなエジェクター方式を採用すると、燃焼排ガス経路に特別なガス移送動力を設ける必要がない。   In the above heat exchange system, as described in claim 2, the combustion exhaust gas injecting means may be configured to inject combustion gas into tap water by an ejector method. When such an ejector method is employed, it is not necessary to provide special gas transfer power in the combustion exhaust gas path.

上記熱交換システムにおいて、請求項3に記載のように、前記燃焼排ガス注入手段には、マイクロバブル発生器が配置されることで、燃焼排ガスをマイクロバブルにして注入することができる。COがリッチな燃焼排ガスをマイクロバブルとすることで、気液の接触面積が広げられると共に、水の表面張力によって気泡内部の圧力が大気圧より高くなり、COの水への溶解度を向上させることができ、水への二酸化炭素の溶解速度を速めることができる。 In the heat exchange system, as described in claim 3, the combustion exhaust gas injection means is provided with a micro bubble generator, so that the combustion exhaust gas can be injected as micro bubbles. By making CO 2 rich combustion exhaust gas into microbubbles, the gas-liquid contact area is expanded, and the surface tension of water makes the pressure inside the bubbles higher than atmospheric pressure, improving the solubility of CO 2 in water. And the rate of dissolution of carbon dioxide in water can be increased.

またマイクロバブルは、マイクロバブル同士が反発しやすいため結合しづらく、マイクロバブル同士の結合による大きな気泡の形成が生じにくい。したがって、上記構成の如く燃焼排ガスをマイクロバブルとすることでCOの水への分散性が向上する。 In addition, the microbubbles are not easily bonded because the microbubbles are easily repelled, and formation of large bubbles due to the bonding between the microbubbles hardly occurs. Therefore, the dispersibility of CO 2 in water is improved by making the combustion exhaust gas into microbubbles as described above.

本発明の熱交換システムのプロセスフロー図。The process flow figure of the heat exchange system of this invention. 図1に示す熱交換器14とその周辺機器を拡大してしますプロセスフロー図。The process flow figure which expands the heat exchanger 14 shown in FIG. 1 and its peripheral equipment. 従来のコージェネシステムの1例を示すプロセスフロー図。The process flow figure which shows one example of the conventional cogeneration system. 水へのCO溶解度に対する温度の影響を示すグラフ。Graph showing the effect of temperature on the CO 2 solubility in water. 各温度における気泡径と気泡内圧の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the bubble diameter and bubble internal pressure in each temperature.

次に図面に基づいて本発明の最良の実施形態を説明する。
図1は本発明の熱交換器システムを利用したコージェネシステムの例を示すプロセスフロー図であり、図2は図1に示す熱交換器14部分とその周辺機器の拡大図である。
これらの図において、前記図3と同じ部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a process flow diagram showing an example of a cogeneration system using the heat exchanger system of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of the heat exchanger 14 shown in FIG. 1 and its peripheral devices.
In these drawings, the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1において、SOFC発電ユニット1から排出する燃焼排ガスは、配管で構成したガス供給路17を経て熱交換器14に供給される。熱交換器14から排出する熱交換後の燃焼排ガスは配管で構成したガス排出路18から排出される。   In FIG. 1, the combustion exhaust gas discharged from the SOFC power generation unit 1 is supplied to the heat exchanger 14 through a gas supply path 17 constituted by piping. The combustion exhaust gas after heat exchange discharged from the heat exchanger 14 is discharged from a gas discharge path 18 constituted by piping.

一方、給湯ユニット10の給湯タンク11の下部は配管21から水道水が補給され、給湯タンク11に貯留する水道水(又は温水)の一部が配管及び給水ポンプ12で構成した液体供給路19から熱交換器14に供給され、熱交換後の液体(水道水)は熱交換器14から配管で構成した液体排出路20から排出する。燃焼排ガス注入手段24が液体供給路19に設けられる。燃焼排ガス注入手段24は熱交換器14に供給される水道水に二酸化炭素を含む燃焼排ガスを細かい(もしくは微細な)バブルとして均一に分散注入するもので、CO注入のための燃焼排ガスはガス排出路18に連通する配管で構成したガス注入路25から供給される。 On the other hand, the lower part of the hot water supply tank 11 of the hot water supply unit 10 is replenished with tap water from a pipe 21, and a part of tap water (or hot water) stored in the hot water supply tank 11 is from a liquid supply path 19 constituted by the pipe and the water supply pump 12. The liquid (tap water) that is supplied to the heat exchanger 14 and has undergone heat exchange is discharged from the heat exchanger 14 through a liquid discharge path 20 configured by piping. A combustion exhaust gas injection means 24 is provided in the liquid supply path 19. The combustion exhaust gas injection means 24 uniformly injects combustion exhaust gas containing carbon dioxide into the tap water supplied to the heat exchanger 14 as fine (or fine) bubbles, and the combustion exhaust gas for CO 2 injection is gas. It is supplied from a gas injection path 25 constituted by a pipe communicating with the discharge path 18.

前記のように、熱交換器14から排出する液体は液体排出路20に流出するが、この液体排出路20の途中には気液分離手段30が設けられ、そこで液体に混入した気体(ガス)成分が分離される。気液分離手段30はこの分野で一般に使用されている遠心分離型、フィルタ型等を利用できる。気体分離後の液体は気液分離手段30の出口側の液体排出路20を経て、熱交換器14の負荷設備としての給湯タンク11の上部に戻される。   As described above, the liquid discharged from the heat exchanger 14 flows out to the liquid discharge path 20, and the gas-liquid separation means 30 is provided in the middle of the liquid discharge path 20, and the gas (gas) mixed in the liquid there. The components are separated. As the gas-liquid separation means 30, a centrifugal separation type, a filter type or the like generally used in this field can be used. The liquid after the gas separation is returned to the upper part of the hot water supply tank 11 as a load facility of the heat exchanger 14 through the liquid discharge path 20 on the outlet side of the gas-liquid separation means 30.

一方、気液分離手段30で分離された気体は、配管で構成した気体放出路31から流出するが、その気体放出路31の先端部が前記ガス排出路18に連通しており、そのガス排出路18を経て熱交換後の燃焼排ガスと共にシステムの系外に放出される。   On the other hand, the gas separated by the gas-liquid separation means 30 flows out from the gas discharge path 31 constituted by piping, but the tip of the gas discharge path 31 communicates with the gas discharge path 18, and the gas discharge It is discharged out of the system together with the flue gas after heat exchange via the path 18.

図2において、熱交換器14には前記のようにガス流通路15と液体流通路16が設けられるが、ガス流通路15の入口側15aにガス供給路17が連通すると共に出口側15bにガス排出路18が連通し、液体流通路16の入口側16aに燃焼排ガス注入手段24の下流側の液体供給路19が連通すると共に出口側16bにガス排出路20が連通する。   In FIG. 2, the heat exchanger 14 is provided with the gas flow path 15 and the liquid flow path 16 as described above. The gas supply path 17 communicates with the inlet side 15a of the gas flow path 15 and the gas is supplied to the outlet side 15b. The discharge path 18 communicates, the liquid supply path 19 downstream of the combustion exhaust gas injection means 24 communicates with the inlet side 16a of the liquid flow path 16, and the gas discharge path 20 communicates with the outlet side 16b.

熱交換器14はケーシング内に高温側のガス流通路15と低温側の液体流通路16を有する。ガス流通路15または液体流通路16の少なくとも一方は断面が円形又は楕円形の金属チューブで構成される。例えば液体流通路16がチューブで形成される場合、該チューブの外側空間がガス流通路15を形成し、両流通路は互いにチューブの金属壁で隔離され、その金属壁を通して燃焼排ガスと水道水は間接接触により互いの熱交換が行われる。逆にガス流通路15をチューブで形成し、その外側空間を液体流通路16とすることもできる。   The heat exchanger 14 includes a high-temperature gas flow passage 15 and a low-temperature liquid flow passage 16 in the casing. At least one of the gas flow passage 15 and the liquid flow passage 16 is formed of a metal tube having a circular or elliptical cross section. For example, when the liquid flow passage 16 is formed of a tube, the outer space of the tube forms a gas flow passage 15, both flow passages are separated from each other by the metal wall of the tube, and the flue gas and tap water are passed through the metal wall. The mutual heat exchange is performed by indirect contact. Conversely, the gas flow passage 15 may be formed of a tube, and the outer space thereof may be the liquid flow passage 16.

本実施例における燃焼排ガス注入手段24は、図2に示すようなエジェクター26とマイクロバブル発生器27で構成される。ガス注入路25から供給される燃焼排ガスはエジェクター26により吸引され、マイクロバブル発生器27に導入される。マイクロバブル発生器27は、燃焼排ガス注入手段24の上流側に配置した給水ポンプ12の吐出圧を利用した旋廻流式、ベンチュリー式スタティックミキサー式が、小型及び簡易構造により好ましい。   The combustion exhaust gas injection means 24 in the present embodiment includes an ejector 26 and a microbubble generator 27 as shown in FIG. The combustion exhaust gas supplied from the gas injection path 25 is sucked by the ejector 26 and introduced into the microbubble generator 27. The micro bubble generator 27 is preferably a swirl type or venturi type static mixer type using the discharge pressure of the feed water pump 12 arranged on the upstream side of the combustion exhaust gas injection means 24 because of its small size and simple structure.

次に、上記の様に構成した本実施形態において、本発明にかかる熱交換器の水側におけるスケール析出防止方法の形態について説明する。   Next, in the present embodiment configured as described above, an embodiment of a method for preventing scale deposition on the water side of the heat exchanger according to the present invention will be described.

(スケールの析出機構)
スケール成分としてはカルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、シリカ(Si)等があるが、中でもカルシウムが最も多く水道水に含まれている。スケールとしての炭酸カルシウムの析出は、水中のCOと密接な関係がある。
(Scale precipitation mechanism)
Scale components include calcium (Ca), magnesium (Mg), silica (Si), etc., among which calcium is the most contained in tap water. The precipitation of calcium carbonate as a scale is closely related to CO 2 in water.

図4は、水中でのCO濃度の温度依存性を説明する図(グラフ)である。図4では、水道水へのCO溶解度(モル分率×10の6乗)を示しているが、ここでは、一般の大気中のCO濃度0.04%より、算出したものである。 FIG. 4 is a diagram (graph) illustrating the temperature dependence of the CO 2 concentration in water. FIG. 4 shows the solubility of CO 2 in tap water (mole fraction × 10 6), but here it is calculated from the CO 2 concentration of 0.04% in general air.

図4中の前記水道水へのCO溶解度は、水温の上昇に伴い、水中でのCO濃度(溶存CO濃度)が低下している。このことから、水の加熱により水温が上昇することで、水に溶解していた溶存COの脱気が生じることを理解できる。例えば図4中に図示した矢印は、水温が20℃から80℃に上昇した場合に溶解しきれなくなり、脱気するCO量を示すことになる。 In the CO 2 solubility in the tap water in FIG. 4, the CO 2 concentration in water (dissolved CO 2 concentration) decreases as the water temperature increases. From this, it can be understood that the degassing of dissolved CO 2 dissolved in water occurs due to the water temperature rising due to the heating of water. For example, the arrow shown in FIG. 4 indicates the amount of CO 2 that is not completely dissolved and degassed when the water temperature rises from 20 ° C. to 80 ° C.

このように、COの脱気が生じると、
「CaCO+CO+HO⇔Ca(HCO」の反応式で示される平衡状態がずれ、逆反応の進行が促進されるため、炭酸カルシウムの析出が加速してしまう。したがって、水側への熱移動が伴う熱回収式の熱交換器14においては、液体流通路入口側16a側から出口側16bに向かってCOが脱気しやすく、前記平衡状態のずれが生じ、特に、水温80℃近くまで加熱される出口側16b付近では、炭酸カルシウムの析出が生じてしまうことが明らかである。
Thus, when CO 2 degassing occurs,
Since the equilibrium state shown by the reaction formula of “CaCO 3 + CO 2 + H 2 O⇔Ca (HCO 3 ) 2 ” is shifted and the reverse reaction is promoted, the precipitation of calcium carbonate is accelerated. Therefore, in the heat recovery type heat exchanger 14 accompanied by heat transfer to the water side, CO 2 is easily degassed from the liquid flow passage inlet side 16a side to the outlet side 16b, and the shift of the equilibrium state occurs. In particular, it is apparent that precipitation of calcium carbonate occurs in the vicinity of the outlet side 16b heated to a water temperature close to 80 ° C.

そこで本実施例では、図1で示したSOFC発電ユニット1から排出する燃焼排ガスをガス流通路17及び、燃焼ガス注入手段24を介して、液体流通路入口側16aに注入する構成をとるが、一般的なSOFC発電ユニットの燃焼排ガス中のCO含有量は約5%程度であり、大気中の平均的なCO濃度0.04%に比べて、極めてCOリッチなガスになっている。 In this embodiment, therefore, the combustion exhaust gas discharged from the SOFC power generation unit 1 shown in FIG. 1 is injected into the liquid flow passage inlet side 16a via the gas flow passage 17 and the combustion gas injection means 24. The CO 2 content in the combustion exhaust gas of a general SOFC power generation unit is about 5%, which is extremely rich in CO 2 compared to the average CO 2 concentration of 0.04% in the atmosphere. .

更に、前記燃焼排ガスは、前記燃焼ガス注入手段24に配置されたマイクロバブル発生器27を通過するので、液体流通路入口側16a中の水道水中には、マイクロバブルの形態で注入される。このとき、マイクロバブルはその気泡の表面張力により気泡の半径に反比例して気泡内の圧力が上昇するので、気泡内部の圧力が圧力容器や圧縮機を用いることなく水圧よりも高くなり、水への溶解度を向上させることが可能となる。   Further, since the combustion exhaust gas passes through the microbubble generator 27 arranged in the combustion gas injection means 24, it is injected into the tap water in the liquid flow passage inlet side 16a in the form of microbubbles. At this time, since the pressure inside the bubble rises in inverse proportion to the radius of the bubble due to the surface tension of the bubble, the pressure inside the bubble becomes higher than the water pressure without using a pressure vessel or a compressor. It becomes possible to improve the solubility of.

図5に各温度における気泡径と気泡内圧の関係のグラフを示す。図5に示すように、気泡径が10μmより小さくなると、その気泡内圧は極めて大きくなることが明らかである。上記の燃焼排ガス中の高いCO濃度と、マイクロバブルによる気泡内圧上昇効果により、熱交換器14の液体流通路16中の水道水に注入された燃焼排ガスマイクロバブルの気液境界液側近傍では、COの高い溶解度を実現することができる。 FIG. 5 shows a graph of the relationship between the bubble diameter and the bubble internal pressure at each temperature. As shown in FIG. 5, when the bubble diameter is smaller than 10 μm, it is clear that the bubble internal pressure becomes extremely large. In the vicinity of the gas-liquid boundary liquid side of the combustion exhaust gas microbubbles injected into the tap water in the liquid flow passage 16 of the heat exchanger 14 due to the high CO 2 concentration in the combustion exhaust gas and the effect of increasing the bubble internal pressure due to the microbubbles. , High CO 2 solubility can be achieved.

図4中には、SOFC燃焼排ガスの各気泡径における気泡からの溶解度(気液境界液側近傍)データを追記してある。このデータからも分かるように、温度80℃においても、燃焼排ガスの気泡近傍においては、極めて高いCOの溶解度が生じていることが明らかである。 In FIG. 4, solubility data from the bubbles (near the gas-liquid boundary liquid side) at each bubble diameter of the SOFC combustion exhaust gas is additionally shown. As can be seen from this data, it is clear that even at a temperature of 80 ° C., extremely high CO 2 solubility occurs in the vicinity of the bubbles of the combustion exhaust gas.

更には、燃焼排ガスをマイクロバブルとすることで、マイクロバブル同士の反発性を利用することができ、燃焼排ガス中のCOの水への分散性を向上することが可能となる。これにより、液体流通路16内の水の流れに乗りマイクロバブルが前記液体流通路16の熱交換面にも効率的に運搬されるため、水中でのCOの存在分布を均一化することができる。更にマイクロバブルは微細な気泡であるため、COの気泡の表面積を増大させることができる。したがって、COの水への溶解度を更に向上することが可能となる。 Furthermore, by making the combustion exhaust gas into microbubbles, the resilience between the microbubbles can be used, and the dispersibility of CO 2 in the combustion exhaust gas into water can be improved. Thereby, since the microbubbles ride on the water flow in the liquid flow passage 16 and are efficiently transported to the heat exchange surface of the liquid flow passage 16 as well, the presence distribution of CO 2 in water can be made uniform. it can. Furthermore micro bubbles can increase the surface area for a fine cell, the CO 2 bubbles. Therefore, it is possible to further improve the solubility of CO 2 in water.

更に、燃焼排ガス注入手段24によるCOのマイクロバブルの注入量を、水におけるCOの飽和溶解度を超える量とすることにより、溶解しなかったマイクロバブルが残存した水と2相流として熱交換器14内を通過する。これにより、加熱によりCOが脱気しやすい伝熱面付近等において、かかる脱気により水にCOの濃度分布の差が発生したとしても、マイクロバブルが速やかに溶解するため、水中のCOの希濃度域の発生を低減し、スケールの発生を抑制することができる。 Furthermore, the heat exchange amount of injected microbubbles of CO 2 by the flue gas injection means 24, as by an amount exceeding the saturation solubility of CO 2 in water, water and 2-phase flow microbubbles undissolved remained It passes through the vessel 14. As a result, even if a difference in the concentration distribution of CO 2 occurs in the water due to such degassing near the heat transfer surface where CO 2 is easily degassed by heating, the microbubbles dissolve quickly, so 2 can be reduced, and the generation of scale can be suppressed.

以上の作用をまとめると、液体流通路16中の水道水中において、燃焼排ガスマイクロバブル注入により、前記マイクロバブル近傍に高いCO溶解度を実現できる。なお、マイクロバブルから離れるに従い、バルク条件溶解度に従ったCO脱気が生じるものの、前記マイクロバブルの高い分散性により、水中のCOの存在分布を均一且つ、バルク条件以上の溶解度を実現することができる。 In summary, the high CO 2 solubility in the vicinity of the microbubbles can be realized by injecting the combustion exhaust gas microbubbles in the tap water in the liquid flow passage 16. In addition, although CO 2 deaeration occurs according to the solubility of the bulk conditions as the distance from the micro bubbles is increased, the high dispersibility of the micro bubbles realizes a uniform distribution of CO 2 in water and a solubility higher than the bulk conditions. be able to.

(実験例)
図1に示すシステムにより、熱交換器14内部における炭酸カルシウム(CaCO)析出についての確認実験を行った。熱交換器14はケーシング内の液体流通路16として長さ0.15m、断面0.05cmの円形配管10本で構成し、その外側空間をガス流通路15としたものを使用した。
(Experimental example)
An experiment for confirming the precipitation of calcium carbonate (CaCO 3 ) inside the heat exchanger 14 was performed using the system shown in FIG. The heat exchanger 14 was constituted by ten circular pipes having a length of 0.15 m and a cross section of 0.05 cm 2 as the liquid flow path 16 in the casing, and the gas flow path 15 was used as the outer space.

熱交換器14の液体流通路16に、カルシウム含有比率が平均20ppm(高硬度水道水相当を模擬)で平均温度20℃の水道水を流量2L/minで連続流通させ、一方、ガス流通路入口側15aには、温度300℃の燃焼排ガス模擬ガス(5%CO)を供給し、液体流通路出口側16bの液温が、80℃を成立するように、前記燃焼排ガス模擬ガス流量を調整した。 Tap water having an average calcium content of 20 ppm (simulating high hardness tap water) and an average temperature of 20 ° C. is continuously circulated through the liquid flow passage 16 of the heat exchanger 14 at a flow rate of 2 L / min. The combustion exhaust gas simulation gas (5% CO 2 ) having a temperature of 300 ° C. is supplied to the side 15a, and the combustion exhaust gas simulation gas flow rate is adjusted so that the liquid temperature at the liquid flow passage outlet side 16b is 80 ° C. did.

更に、燃焼排ガス注入手段24に燃焼排ガスを流量20cc/min(ボイド率1%)で連続供給した。このとき、燃焼排ガス注入手段24に配置したマイクロバブル発生器27により、燃焼排ガスは、数10μm径マイクロバブルとして液体流通路入口側16aに注入された。3カ月間の連続実験後に熱交換器14を分解し、その内部を検査した。その結果、熱交換器の液体流通路16の配管内部における炭酸カルシウム(CaCO)の析出はほとんど見当たらず、かなりの長期間運転に差し支えない程度であることが確認された。 Furthermore, the combustion exhaust gas was continuously supplied to the combustion exhaust gas injection means 24 at a flow rate of 20 cc / min (void ratio 1%). At this time, the combustion exhaust gas was injected into the liquid flow passage inlet side 16a as microbubbles having a diameter of several tens of micrometers by the microbubble generator 27 arranged in the combustion exhaust gas injection means 24. After three months of continuous experiments, the heat exchanger 14 was disassembled and the inside was inspected. As a result, almost no precipitation of calcium carbonate (CaCO 3 ) was found inside the pipe of the liquid flow passage 16 of the heat exchanger, and it was confirmed that it could be operated for a considerably long period of time.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例(態様)について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかでああり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although the suitable Example (mode) of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. It is understood.

本発明の熱交換システムは、燃料燃焼系により排出される高温燃焼排ガスから熱を回収し湯水を生成する給湯システムに配置される熱回収用ガス/液熱交換器システムに適用することができる。   The heat exchange system of the present invention can be applied to a heat recovery gas / liquid heat exchanger system disposed in a hot water supply system that recovers heat from high-temperature combustion exhaust gas discharged from a fuel combustion system and generates hot water.

1 SOFC発電ユニット
2 燃料電池
3 予備改質器
4 蒸発器
5 空気予熱器
6 空気極
7 燃料極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 SOFC power generation unit 2 Fuel cell 3 Pre-reformer 4 Evaporator 5 Air preheater 6 Air electrode 7 Fuel electrode

10 給湯ユニット
11 給湯タンク
12 給水ポンプ
13 切換弁
14 熱交換器
15 ガス流通路
15a入口側
15b出口側
16 液体流通路
16a入口側
16b出口側
17 ガス供給路
18 ガス排出路
19 液体供給路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Hot water supply unit 11 Hot water supply tank 12 Water supply pump 13 Switching valve 14 Heat exchanger 15 Gas flow path 15a inlet side 15b outlet side 16 Liquid flow path 16a inlet side 16b outlet side 17 Gas supply path 18 Gas discharge path 19 Liquid supply path

20 液体排出路
21,22,23 給湯タンク11周りの配管
24 CO注入手段
25 ガス注入路
26 エジェクター
27 マイクロバブル発生器
30 気液分離手段
31 気体放出路
20 Liquid discharge passages 21, 22 and 23 Pipes around the hot water tank 11 24 CO 2 injection means 25 Gas injection passages 26 Ejectors 27 Microbubble generators 30 Gas-liquid separation means 31 Gas discharge passages

Claims (3)

高温側のガス流通路15と低温側の液体流通路16を有する熱交換器14と、ガス流通路15の入口側15aに高温ガスを供給するガス供給路17と、ガス流通路15の出口側15bから流出する熱交換後のガスを排出するガス排出路18と、液体流通路16の入口側16aに水道水を供給する液体供給路19と、液体流通路16の出口側16bから流出する熱交換後の液体を負荷設備に排出する液体排出路20と、前記液体供給路19の水道水に燃焼排ガスを注入する燃焼排ガス注入手段24を備えた熱交換器システムであって、
前記ガス供給路17に燃焼系から排出するCOを含む燃焼排ガスが供給され、前記燃焼排ガス注入手段24に前記ガス排出路18を流通する熱交換後の燃焼排ガスを注入するガス注入路25が連通され、前記液体排出路20に気液分離手段30が設けられ、該気液分離手段30で熱交換後の液体に含まれているガスを分離するように構成されていることを特徴とする熱交換器システム。
A heat exchanger 14 having a high-temperature gas flow passage 15 and a low-temperature liquid flow passage 16, a gas supply passage 17 for supplying high-temperature gas to an inlet side 15 a of the gas flow passage 15, and an outlet side of the gas flow passage 15 The gas discharge path 18 for discharging the gas after heat exchange flowing out from 15b, the liquid supply path 19 for supplying tap water to the inlet side 16a of the liquid flow path 16, and the heat flowing out from the outlet side 16b of the liquid flow path 16 A heat exchanger system comprising a liquid discharge path 20 for discharging the liquid after replacement to a load facility, and a combustion exhaust gas injection means 24 for injecting combustion exhaust gas into the tap water of the liquid supply path 19,
A gas injection passage 25 for supplying combustion exhaust gas containing CO 2 discharged from a combustion system to the gas supply passage 17 and injecting the combustion exhaust gas after heat exchange flowing through the gas discharge passage 18 into the combustion exhaust gas injection means 24. A gas-liquid separation unit 30 is provided in the liquid discharge path 20 and is configured to separate gas contained in the liquid after heat exchange by the gas-liquid separation unit 30. Heat exchanger system.
請求項1において、前記燃焼排ガス注入手段24はエジェクター方式で燃焼ガスを水道水中に注入するように構成されていることを特徴とする熱交換器システム。   2. The heat exchanger system according to claim 1, wherein the combustion exhaust gas injection means 24 is configured to inject combustion gas into tap water by an ejector method. 請求項2において、前記燃焼排ガス注入手段24には、マイクロバブル発生器27が配置されていることを特徴とする熱交換器システム。   The heat exchanger system according to claim 2, wherein a microbubble generator (27) is disposed in the combustion exhaust gas injection means (24).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015052840A1 (en) * 2013-10-11 2015-04-16 三菱電機株式会社 Water treatment device and hot-water supply device

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