JP2016217960A - 気体加熱器及び気体加熱器の流量測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、同心状に配置された外筒及び内筒と、内筒の外周面に巻き回されたシーズヒータを有し、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生する気体加熱装置が記載されている。
従来、被加熱気体の流量測定は、気体加熱器の外部に差圧式やカルマン渦式などの単体の流量計を別途設けることによって行っていた。しかし、このような流量計を設置するためには、流路をバイパスさせる配管を設置する必要があり、また流量計自体も比較的大型であることから、多くのスペースが必要となる。
また、このような流量計の使用温度は、耐熱性や耐食性などの面から比較的低い範囲に制限されることから、例えば出口温度が約500℃に到達する場合のある過熱水蒸気の流量測定は困難である。
さらに、このような流量計は、通常相当に高価であることから、コスト面でも不利である。
しかし、専ら流量測定のために比較的微小な熱量で加熱する熱式流量計と異なり、気体の加熱を主目的とし、比較的大きな熱量によって例えば数百℃の昇温を行う気体加熱器においては、装置表面から外部への放熱量が大きいうえ、放熱量自体も装置が設置される雰囲気の温度(外気温)に依存して変化することから、測定精度の確保が困難である。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、高温の気体の流量を簡素な構成によって精度よく測定可能な気体加熱器及び気体加熱器の製造方法を提供することである。
請求項1に係る発明は、被加熱気体が通過する気体流路と、前記気体流路に設けられたヒータと、前記気体流路における前記ヒータの上流側及び下流側において前記被加熱気体の温度をそれぞれ測定する上流側温度検出手段及び下流側温度検出手段と、前記上流側温度検出手段及び前記下流側温度検出手段の検出温度の差及び前記ヒータの出力に基づいて前記被加熱気体の流量を演算する流量演算手段とを備える気体加熱器であって、前記気体加熱器の周囲の温度を検出する外気温検出手段を備え、前記流量演算手段は、前記上流側温度検出手段、前記下流側温度検出手段、前記外気温検出手段の検出温度に基づいて演算される放熱量に応じて前記流量を補正することを特徴とする気体加熱器である。
これによれば、ヒータの発熱量及び外部への放熱量が大きい気体加熱器であっても、各温度検出手段の検出温度から求められる放熱量に応じて流量を補正することによって、被加熱気体の流量を精度よく測定することができる。
また、既存の気体加熱器に対して温度検出手段及び演算手段を設けることによって流量測定機能を付加することができ、単体の流量計を気体加熱器の外部に設ける従来技術に対して、構造の簡素化、設置スペースのコンパクト化、重量及びコストの低減が可能となる。
また、耐熱性や耐食性といった耐久性の確保も容易である。
これによれば、比較的軽い演算負荷によって、上述した効果を確実に得ることができる。
請求項3に係る発明は、前記被加熱気体は蒸気であり、前記ヒータは飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の気体加熱器である。
これによれば、出口温度が例えば500℃程度の高温となり、単体の流量計での測定が困難な過熱蒸気の流量を適切に測定することができる。
請求項5に係る発明は、前記ヒータの上流側及び下流側の前記被加熱気体の温度の平均値と、前記周囲の温度との差分に、予め設定された定数を乗じることによって前記放熱量を演算することを特徴とする請求項4に記載の気体加熱器の流量測定方法である。
請求項6に係る発明は、前記被加熱気体は蒸気であり、前記ヒータは飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生することを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の気体加熱器の流量測定方法である。
これらの各発明においても、上述した気体加熱器の各発明と実質的に同様の効果を得ることができる。
図1は、実施例1の気体加熱器の構成を示す図である。
気体加熱器1は、内筒10、ヒータ20、外筒30、断熱材40、上流側温度センサ50、下流側温度センサ60、外気温センサ70、演算手段100等を有して構成されている。
内筒10は、例えばステンレス系合金によってチューブ状に形成され、被加熱気体が、例えば、約500℃の過熱水蒸気であっても十分な耐熱性、耐食性を確保するよう構成されている。
内筒10には、図示しないボイラによって発生した例えば100℃程度の飽和水蒸気が上流側の端部から導入される。
飽和水蒸気は、内筒10の内部でヒータ20によって加熱され、例えば300〜500℃程度の過熱水蒸気となって下流側の端部から流出する。
ヒータ20は、例えば、内筒10の中間部において外周面部に圧着するように巻き回されたシーズヒータである。
ヒータ20は、内蔵された抵抗線にヒータ電源21から電力を供給されることによって発熱する。
ヒータ20は、例えば3000乃至4000W程度の出力を有し、例えば10kg/h程度の100乃至110℃程度の飽和水蒸気を、500℃以上の過熱水蒸気とする能力を有する。また、20kg/h程度の100乃至110℃程度の飽和水蒸気を、300℃以上の過熱水蒸気とする能力を有する。
ヒータ電源21は、電圧可変式電源であって、ヒータ20への供給電力を演算装置100へ伝達するようになっている。
外筒30は、内筒10と実質的に同心に配置されている。
外筒30の内周面は、ヒータ20と間隔を隔てて対向して配置されている。
端面31,32は、外筒30の中心軸と直交する平面に沿って形成された平坦な円盤状の部材であって、中央部には内筒10が挿入される開口が形成されている。
外筒30及び端面31,32は、例えば、ステンレス系合金によって形成されている。
下流側温度センサ60は、下流側(出口側)のアタッチメント12と端面32との間において、内筒10内を通過する被加熱気体の温度(ヒータ20による加熱後の温度)を検出するものである。
外気温センサ70は、外筒30の外周面近傍における周囲雰囲気の気温(外気温)を検出するものである。
上流側温度センサ50、下流側温度センサ60、外気温センサ70として、例えば、シース熱電対センサを用いることが可能である。
演算装置100は、例えば、CPU等の情報処理手段、RAM、ROM、HDD等の記憶手段、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を有して構成されている。
ここで、
Q:ヒータ20の発熱量(kcal/h)
Qloss:外筒30等から外部への放熱量(kcal/h)
Cp:被加熱気体の定圧比熱(kcal/kg・℃)
T1:上流側温度センサ50の検出温度(℃)
T2:下流側温度センサ60の検出温度(℃)
Qloss=K(Tm−Ta) ・・・(式2)
Kは、一般に、放熱する表面積と熱通過率との積によって表され、気体加熱器1の断熱条件(熱が通過する各部材の熱伝導率、厚さ等)と被加熱気体の種類によって異なる。
気体加熱器1の構成及び被加熱気体の種類が同じであれば、Kとして実験的に求めた近似値を用いることが可能である。
一般には、気体の種類や断熱状態により、KがGの変化に応じて変化する。
この場合、K=aG+b(a,b:定数)とすると、式2のQlossは、以下の式3によって表される。ここで求まるKは、実験的にa,bを求めて近似したものであり、式3は近似式の一例である。
Qloss=(aG+b)(Tm−Ta) ・・・(式3)
式3を式1に代入し、整理すると、以下の式4が得られる。
Tm=(T1−T2)/2 ・・・(式5)
図2は、実施例1の気体加熱器1によって測定(演算)された流量と、流量計を用いて測定された流量との推移の一例を示すグラフである。
横軸は時間を示し、縦軸は流量及び上流側と下流側の温度差を示している。
図2において、単体流量計によって測定された流量を実線、演算装置100が算出した流量を破線、上流側温度センサ50の検出温度と下流側温度センサ60の検出温度との温度差を一点鎖線で図示している。
図2に示すように、実施例1の演算結果は、単体の流量計の測定結果と実質的に一致している。
表1に示すように、流量計の測定値と実施例1の演算結果との誤差は最大でも約12%以下であり、単体の流量計を設けなくても、用途によっては十分な測定精度を確保できることがわかる。
表1に示す誤差は、測定結果より流量測定値と実施例1の演算結果で起こり得る最大誤差を示す。
(1)例えば既存の熱式流量計のように、専ら測定のために微小な熱量を与えるものに対して、気体の加熱を主目的とし、ヒータ20の発熱量及び外部への放熱量が比較的大きい気体加熱器1であっても、外部への放熱の影響を反映させて被加熱気体である蒸気の流量を精度よく測定することができる。
また、既存の気体加熱器に対して各温度センサ50,60,70及び演算装置100を設けることによって簡単に流量測定機能を付加することができ、単体の流量計を気体加熱器の外部に設ける従来技術に対して、構造の簡素化、設置スペースのコンパクト化、重量及びコストの低減が可能となる。
(2)演算装置100は、上流側温度センサ50、下流側温度センサ60の検出温度の平均値と外気温センサ70の検出温度との差分に定数を乗じて演算した放熱量Qlossを用いて流量Gを補正することによって、軽い演算負荷によって上述した効果を確実に得ることができる。
(3)単体の流量計を設ける従来技術に対して耐熱性、耐食性などの確保が容易であり、例えば500℃程度の高温となり単体の流量計での測定が困難な過熱水蒸気であっても適切に流量を測定することができる。
上述した実施例1と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図3は、実施例2の気体加熱器の構成を示す図である。
図3に示すように、実施例2においては、ヒータ20としてニクロム線などの発熱線がコイル状に巻き回されかつ露出したものを用いる。
ヒータ20におけるコイル状の発熱部は、内筒10の内径側に、例えば内筒10と実質的に同心となるように配置される。
以上説明した実施例2においては、上述した実施例1の効果と実質的に同様の効果に加えて、ヒータ20が被加熱気体に直接接触することによって、加熱性能を向上するとともに、装置外部への放熱を抑制して流量測定精度を向上することができる。
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
(1)気体加熱器を構成する各部材の形状、構造、材質、製法、配置等は、上述した実施例に限定されず適宜変更することができる。
例えば、内筒外側にヒータを配置し、被加熱気体がヒータに加熱された内筒に接触する構造とすることができる。
また、例えば、気体加熱器の断熱構造は、実施例のような断熱材を充填するものに限らず、真空層などを設けたものであってもよい。
(2)実施例において説明した各数式は一例であって、適宜変更することが可能である。例えば、他の補正項を付加してもよい。
(3)実施例において、被加熱気体は一例として水蒸気であったが、これ以外の蒸気やその他の各種気体を被加熱気体とすることができる。
10 内筒 11,12 アタッチメント
20 シーズヒータ 21 ヒータ電源
30 外筒 31,32 端面
40 断熱材 50 上流側温度センサ
60 下流側温度センサ 70 外気温センサ
100 演算手段
Claims (6)
- 被加熱気体が通過する気体流路と、
前記気体流路に設けられたヒータと、
前記気体流路における前記ヒータの上流側及び下流側において前記被加熱気体の温度をそれぞれ測定する上流側温度検出手段及び下流側温度検出手段と、
前記上流側温度検出手段及び前記下流側温度検出手段の検出温度の差及び前記ヒータの出力に基づいて前記被加熱気体の流量を演算する流量演算手段と
を備える気体加熱器であって、
前記気体加熱器の周囲の温度を検出する外気温検出手段を備え、
前記流量演算手段は、前記上流側温度検出手段、前記下流側温度検出手段、前記外気温検出手段の検出温度に基づいて演算される放熱量に応じて前記流量を補正すること
を特徴とする気体加熱器。 - 前記流量演算手段は、前記上流側温度検出手段と前記下流側温度検出手段との検出温度の平均値と、前記外気温検出手段の検出温度との差分に、予め設定された定数を乗じることによって前記放熱量を演算すること
を特徴とする請求項1に記載の気体加熱器。 - 前記被加熱気体は蒸気であり、前記ヒータは飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生すること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の気体加熱器。 - 被加熱気体が通過するとともにヒータが設けられた気体流路を有する気体加熱器における前記ヒータの上流側及び下流側の前記被加熱気体の温度差と、前記ヒータの出力から前記被加熱気体の流量を演算する気体加熱器の流量測定方法であって、
前記気体加熱器の周囲の温度を検出し、前記ヒータの上流側及び下流側の温度と、前記周囲の温度とに基づいて演算される放熱量に応じて前記流量を補正すること
を特徴とする気体加熱器の流量測定方法。 - 前記ヒータの上流側及び下流側の前記被加熱気体の温度の平均値と、前記周囲の温度との差分に、予め設定された定数を乗じることによって前記放熱量を演算すること
を特徴とする請求項4に記載の気体加熱器の流量測定方法。 - 前記被加熱気体は蒸気であり、前記ヒータは飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生すること
を特徴とする請求項4又は請求項5に記載の気体加熱器の流量測定方法。
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