JP2022068974A - ドレン排出機構を有する熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドレンを確実に排出することができるドレン排出機構を有する熱交換装置の提供。【解決手段】ヒーター1の蒸気管6内に表面張力によってドレン60が滞留し、詰まり状態が発生した場合、この詰まり状態による出口側ヘッダー3内の温度の低下を温度センサ28が検出する。そして、検出信号をエアーバルブ24は取り込み、予め設定された温度になった時点でエアーバルブ24は開弁し、エアー供給ライン16及び第二分岐ライン15を同時に開放して、エアー供給ライン16を通じて入口側ヘッダー2に高圧のエアーを供給する。これによって、蒸気管6に詰ったドレン60が加圧され、ドレン60は出口側ヘッダー3に落下して詰まり状態が解消され、ドレンは確実に排出される。【選択図】図１

Description

本願に係るドレン排出機構を有する熱交換装置は、熱交換によって装置内部に発生したドレンを装置の外部に排出するための技術に関する。

ドレン排出機構を有する熱交換装置としては、外気処理空調機である蒸気熱交換器がある。この蒸気熱交換器は、ボイラで生成された高温の蒸気を取り込み、蒸気を外気との間で熱交換させて外気を温める。この熱交換によって蒸気は凝縮し、ドレン（凝縮水）が発生するが、蒸気熱交換器の適正な動作を確保するために、発生したドレンを排出機構によって外部に排出する必要がある。

熱交換器のこのようなドレン排出機構として、後記特許文献1に開示されている蒸気熱源熱交換器のドレン排出装置がある。このドレン排出装置が設けられる蒸気熱源熱交換器4には、上部ヘッダ部7と下部ヘッダ部8の間に縦型の蒸気コイル9が多数、配置されている。

そして、蒸気熱源熱交換器4の下部ヘッダ部8の底部8Aにはドレン管14が連結され
ており、ドレン管14が分岐して構成される第1分岐管16及び第2分岐管17には、それぞれ第1ポンピングトラップ18及び第2ポンピングトラップ22が連結されている。

なお、第1分岐管16の途中には第1ドレン用開閉弁19が介装されており、第1ポンピングトラップ18は第1冷却器20を有し、第1冷却器20の両端は冷却源21に接続されている。また、第2分岐管17の途中には第2ドレン用開閉弁23が介装されており、第2ポンピングトラップ22は第2冷却器24を有し、第2冷却器24の両端は冷却源21に接続されている。

さらに、第1ポンピングトラップ18及び第2ポンピングトラップ22には、それぞれ第1圧力供給管25及び第2圧力供給管26が連結されている。そして、第1圧力供給管25及び第2圧力供給管26の途中にそれぞれ第1切換弁27及び第2切換弁28が装着されている。第1圧力供給管25、第2圧力供給管26は圧力本管29の一端から分岐しており、圧力本管29の他端は蒸気配管10に連結されている。

このような構成において、第1ポンピングトラップ18及び第2ポンピングトラップ22にドレンを溜める時と、第1ポンピングトラップ18及び第2ポンピングトラップ22から排出する時に応じて、第1、第2ドレン用開閉弁19、23及び第1、第2切換弁27、28の開閉の組合せを選択し、蒸気熱源熱交換器の使用時（ポンピングトラップ内にドレンを溜める時）には、第1ポンピングトラップ18及び第2ポンピングトラップ22内を冷却することにより真空に近い状態にする。

これによって、第1ポンピングトラップ18及び第2ポンピングトラップ22内を蒸気熱源熱交換器内より低圧にし、ドレンを蒸気熱源熱交換器から第1ポンピングトラップ18及び第2ポンピングトラップ内に引き込み、蒸気熱源熱交換器内にドレンが滞留することを防止している。

特開平8-94097号公報

しかし、前述の特許文献１に開示された蒸気熱源熱交換器のドレン排出装置においては、単に第1ポンピングトラップ18及び第2ポンピングトラップ22内を蒸気熱源熱交換器内より低圧にしてドレンを引き込む構成である。このため、蒸気コイル9内で発生したドレンが落下せず滞留することがあり、蒸気熱源熱交換器4から適正に排出されないという問題がある。

特に、蒸気コイル9は外気との間で効率的な熱交換を行うことができるように、細いチューブ状に構成されていることが多いことから、チューブ内のドレンの表面張力によってドレンが落下せず、蒸気コイル9内に滞留してドレンの詰まりが発生することがある。

蒸気コイル9内にドレンの詰まりが発生すると熱交換器全体の加熱能力が低下してしまう。また、詰まりによるドレンの滞留によって熱交換器内部でウォーターハンマー（水撃現象）が発生する危険もある。

そこで本願に係るドレン排出機構を有する熱交換装置は、これらの問題を解決するため、ドレンを確実に排出することができるドレン排出機構を有する熱交換装置を提供することを課題とする。

本願に係るドレン排出機構を有する熱交換装置は、
入口部及び出口部を有する複数の加熱管であって、入口部から出口部に向かって加熱用流体が流入する複数の加熱管、
加熱用流体から発生し、前記加熱管に沿って落下するドレンを、外部に向けて排出するドレン排出手段、
前記ドレン管におけるドレンの落下状況に応じて変動する変動状態を検出する検出手段、
前記検出手段が検出したドレン管の変動状態に基づいて、入口部から前記ドレン管に排出用流体を導入し、ドレンの落下を促す排出補助手段、
を備えたことを特徴とする。

本願に係るドレン排出機構を有する熱交換装置においては、排出補助手段は、検出手段が検出した変動状態に基づいて、入口部からドレン管に排出用流体を導入し、ドレンの落下を促す。このため、ドレン管内のドレンの落下を促進することができ、ドレンを確実に排出することができる。

本願に係るドレン排出機構を有する熱交換装置の第１の実施形態を示すヒーター1の全体構成を示すブロック図である。

［実施形態における用語説明］
実施形態において示す主な用語は、それぞれ本願に係るドレン排出機構を有する熱交換装置の下記の要素に対応している。
ヒーター1・・・熱交換装置
入口側ヘッダー2・・・入口部
出口側ヘッダー3・・・出口部
蒸気管6・・・加熱管
スチームトラップ22・・・ドレン排出手段
エアーバルブ23・・・排出補助手段
温度センサ28・・・検出手段
出口側ヘッダー3内の温度・・・変動状態
エアー、窒素・・・加熱用流体

［第１の実施形態］
本願に係るドレン排出機構を有する熱交換装置の第１の実施形態を説明する。本実施形態では、熱交換装置としてヒーター1を例示する。

（ヒーター1の構成の説明）
ヒーター1は多数の蒸気管6を備えており、各蒸気管6は所定の間隔をおいた状態で鉛直方向に配置されている。各蒸気管6の上端は入口側ヘッダー2に接続され、下端は出口側ヘッダー3に接続されている。なお、各蒸気管6は、入口側ヘッダー2及び出口側ヘッダー3に連通している。

そして、入口側ヘッダー2には蒸気供給ライン11が接続されており、蒸気供給ライン11上に設けられた蒸気バルブ21を介して、入口側ヘッダー2には蒸気が供給される。出口側ヘッダー3には温度センサ28が取り付けられており、出口側ヘッダー3内の温度を検出し温度信号を出力している。

また、出口側ヘッダー3には、ドレン排出ライン12が接続されており、このドレン排出ライン12にはスチームトラップ22が設けられている。本実施形態では、スチームトラップ22として、フロート式スチームトラップを用いる。フロート式スチームトラップは、弁室に中空のフロートを浮動自在に内蔵しており、弁室に流入したドレンが一定水位を超えた場合、フロートが浮上してオリフィスを開放して開弁し、自動的にドレンを外部に排出する。

出口側ヘッダー3にはエアー排出ライン13が接続されており、このエアー排出ライン13は第一分岐ライン14及び第二分岐ライン15に分岐している。そして、第一分岐ライン14には感温バルブ23が設けられている。

この感温バルブ23は周辺温度に反応して伸縮する感温部材を内蔵している。そして、感温バルブ23は通常時には閉弁しているが、エアー排出ライン13及び第一分岐ライン14内の温度が低下し、予め設定された温度a以下になった状態で開弁するように構成されている。

また、入口側ヘッダー2にはエアー供給ライン16が接続されており、このエアー供給ライン16を通じて入口側ヘッダー2に高圧のエアーが供給されるようになっている。そして、エアー供給ライン16と前述の第二分岐ライン15には単一のエアーバルブ24が設けられている。エアーバルブ24は電磁弁で構成されており、エアー供給ライン16及び第二分岐ライン15を同時に開閉する。

エアーバルブ24は前述の温度センサ28からの温度信号を受信している。そして、エアーバルブ24は通常時には閉弁しているが、出口側ヘッダー3内の温度が低下し、予め設定された温度bになった状態で開弁して、エアー供給ライン16及び第二分岐ライン15を同時に開放する。なお、エアーバルブ24が開弁動作を行う基準である温度bは、前述の感温バルブ23が開弁動作を行う基準である温度aよりも小さな値として設定されている。

（ヒーター1の動作の説明）
次に、ヒーター1の動作を説明する。ヒーター1を作動する場合、蒸気バルブ21を開弁し、蒸気供給ライン11を通じて入口側ヘッダー2に蒸気を供給する。入口側ヘッダー2に供給された蒸気は各蒸気管6に流入し、それぞれの蒸気管6の間を流れる外気との間で熱交換して外気を温める。各蒸気管6は細いチューブ状に構成されているため、外気との間で効率的な熱交換を行うことができる。

蒸気管6内の蒸気は外気との間の熱交換によって凝縮し、ドレンを生じさせる。ドレンは蒸気管6に沿って落下し、出口側ヘッダー3に溜まる。そして、出口側ヘッダー3内のドレンはドレン排出ライン12を通じてスチームトラップ22に流入し、スチームトラップ22の開弁によって自動的に外部に排出される。

ここで、各蒸気管6は細いチューブ状に構成されているため、蒸気管6内のドレンの表面張力によってドレンが落下せず、蒸気管6内に滞留してドレンの詰まりが発生することがある。図1に示すドレン60はこの滞留した詰まり状態のドレンである。

蒸気管6内にドレンの詰まりが発生した場合、出口側ヘッダー3に流入する高温のドレンや蒸気の量が減少するため、出口側ヘッダー3内の温度が時間の経過とともに徐々に低下する。

そして、まず出口側ヘッダー3内の温度が温度aになった時点で感温バルブ23が開弁し、エアー排出ライン13を通じて出口側ヘッダー3内の蒸気やエアーが外部に排出される。このときの蒸気やエアーの排出の流れの影響を受けてドレン60が落下し、蒸気管6内のドレンの詰まり状態が解消することがある。なお、感温バルブ23の開弁によって、蒸気管6内のエアバインディング（空気障害）を解消することもできる。

ところが、感温バルブ23が開弁しても、蒸気管6内のドレンの詰まり状態が解消しないことがある。この場合、出口側ヘッダー3内の温度は引き続き低下する。出口側ヘッダー3内の温度は温度センサ28によって検出され、この温度信号がエアーバルブ24に取り込まれることにって、エアーバルブ24は温度低下を把握する。そして、出口側ヘッダー3内の温度が温度bになった時点でエアーバルブ24が開弁し、エアー供給ライン16及び第二分岐ライン15を同時に開放する。

エアーバルブ24が開弁したことによって、エアー供給ライン16を通じて入口側ヘッダー2には高圧のエアーが供給され、入口側ヘッダー2は出口側ヘッダー3よりも高圧になって差圧が生じる。そして、高圧のエアーは入口側ヘッダー2から各蒸気管6に流入し、詰まり状態のドレン60を加圧してドレン60の落下を促し強制的に落下させる。これによって、ドレン60は出口側ヘッダー3に落下し、ドレンの詰まり状態が確実に解消される。

エアー供給ライン16を通じて供給されたエアーは、出口側ヘッダー3からエアー排出ライン13に流れ込み、第二分岐ライン15を通じて外部に排出される。また、このとき感温バルブ23は開弁したままの状態であるため、エアーは第一分岐ライン14からも同時に排出される。

蒸気管6内のドレンの詰まり状態が解消した場合、出口側ヘッダー3に流入する高温のドレンや蒸気の量が増加し、出口側ヘッダー3内の温度が時間の経過とともに徐々に上昇する。そして、出口側ヘッダー3内の温度が温度bになった時点でエアーバルブ24が閉弁し、エアー供給ライン16及び第二分岐ライン15を同時に閉じる。また、出口側ヘッダー3内の温度がさらに上昇し、温度aになった時点で感温バルブ23が閉弁し第一分岐ライン14を閉じる。

なお、本実施形態においては、単一のエアーバルブ24によって同時にエアー供給ライン16及び第二分岐ライン15を開閉するため、簡易な構成でエアーの供給、排出を確実に制御することができる。

［その他の実施形態］
前述の実施形態においては、本願に係るドレン排出機構を有する熱交換装置の例としてヒーター1を掲げたが、蒸気等の加熱用流体から発生したドレンを排出する機構を有する熱交換装置であれば他の装置に本願に係るドレン排出機構を有する熱交換装置を適用することができる。

また、前述の実施形態においては、排出用流体としてエアーを例示したが、その他の流体、たとえば窒素を用いることもできる。さらに、前述の実施形態においては、鉛直方向に配置された複数の蒸気管6（加熱管）を示したが、これに限定されるものではない。ドレンが落下可能な構成である限り、たとえば斜め方向に配置された複数の加熱管を採用してもよい。

さらに、前述の実施形態においては、加熱用流体として蒸気を例示したが、外気との熱交換によってドレンが生じるものであれば他の流体、たとえば温水を用いてもよい。また、前述の実施形態においては、入口部及び出口部として各蒸気管6が連通する入口側ヘッダー2及び出口側ヘッダー3を掲げたが、他の形状、構造のものを採用することもできる。

また、前述の実施形態においては、ドレン排出手段としてスチームトラップ22を例示したが、加熱用流体から発生し、前記加熱管に沿って落下するドレンを、外部に向けて排出する機構を備えたものであれば他の手段を用いることができる。

また、前述の実施形態においては、排出補助手段として、エアー供給ライン16及び第二分岐ライン15を同時に開閉するエアーバルブ23を例示したが、これに限定されるものではない。たとえば、エアー供給ライン16及び第二分岐ライン15に対して別個のバルブを設けることもできる。さらに、排出補助手段として電磁弁で構成されたエアーバルブ23を例示したが、電磁弁以外のバルブを採用することもできる。

また、前述の実施形態においては、変動状態として出口側ヘッダー3内の温度を例示したが、ドレン管におけるドレンの落下状況に応じて変動するものであれば、たとえばドレン管内の蒸気の通過音（振動）をドレン管の変動状態として検出してもよい。

1：ヒーター 2：入口側ヘッダー 3：出口側ヘッダー 6：蒸気管
22：スチームトラップ 23：エアーバルブ 28：温度センサ

Claims (3)

1. 入口部及び出口部を有する複数の加熱管であって、入口部から出口部に向かって加熱用流体が流入する複数の加熱管、
   加熱用流体から発生し、前記加熱管に沿って落下するドレンを、外部に向けて排出するドレン排出手段、
   前記ドレン管におけるドレンの落下状況に応じて変動する変動状態を検出する検出手段、
   前記検出手段が検出したドレン管の変動状態に基づいて、入口部から前記ドレン管に排出用流体を導入し、ドレンの落下を促す排出補助手段、
   を備えたことを特徴とするドレン排出機構を有する熱交換装置。
2. 請求項１に係るドレン排出機構を有する熱交換装置において、
   前記検出手段は、ドレン管の変動状態として、ドレン管の出口部の温度を検出する、
   ことを特徴とするドレン排出機構を有する熱交換装置。
3. 請求項１又は請求項2に係るドレン排出機構を有する熱交換装置において、
   前記排出補助手段は、排出用流体として空気又は窒素を導入する、
   ことを特徴とするドレン排出機構を有する熱交換装置。
   
   

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