JP3611272B2

JP3611272B2 - 回転再生式熱交換器

Info

Publication number: JP3611272B2
Application number: JP34987697A
Authority: JP
Inventors: 康森; 彰橋本; 純一宮川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: EP0924489A2; DE69816406T2; CN1144017C; CN1232958A; TW414855B; DE69816406D1; JPH11183071A; EP0924489B1; HK1022347A1; AU746601B2; EP0924489A3; US6328094B1; AU9407398A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転再生式熱交換器に係わり、特に、蒸気原動機や内燃機関等に適用可能な回転再生式熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ボイラ等における燃焼用空気を予熱するためのエアヒータと呼ばれている回転再生式熱交換器が知られている。以下、従来の回転再生式熱交換器の構造を図６と図７により説明する。
図６に示すように、回転再生式熱交換器１は、中心軸２の周りを回転する円筒形のロータ４と、このロータ４を収容するように配置されたハウジング６を備えている。ロータ４には、蓄熱と放熱を繰り返して行う蓄熱体８が詰め込まれている。ハウジング６の上部の右半分にはエア出口ダクト１０が上部の左半分にはガス入口ダクト１２がそれぞれ設けられ、一方、ハウジング６の下部の右半分にはエア入口ダクト１４が下部の左半分にはガス出口ダクト１６がそれぞれ設けられている。
【０００３】
このように構成された回転再生式熱交換器１においては、ロータ４が回転することにより、ロータ４内の蓄熱体８が、エアＡとガスＧに交互にさらされ、ガスＧの熱を蓄熱しエアＡに放熱する動作を繰り返して行うことにより、ガスＧの持つ熱をエアＡに回収するようにしている。
この回転再生式熱交換器１は、例えば、蒸気原動所では、図７に示すように配置されている。この図７において、ボイラ１８に供給される燃焼用空気であるエアＡは、ファン（図示せず）により回転再生式熱交換器１に送り込まれ、回転再生式熱交換器１にて熱交換により昇温した後、ボイラ１８に送られる。ボイラ１８から排出されたガスＧは、その一部が循環ガス用ファン２０により再循環ガスＧＲとして再度ボイラ１８に戻され、残りのガスＧは、回転再生式熱交換器１に送られ、エアＡと熱交換して降温し、その後、煙突（図示せず）に送られて大気中に放出される。
【０００４】
ここで、図７に示す回転再生式熱交換器１において、入口エア圧力（Ｐａｉ）、出口エア圧力（Ｐａｏ）、入口ガス圧力（Ｐｇｉ）及び出口ガス圧力（Ｐｇｏ）は、以下の関係を有する。
Ｐａｉ＞Ｐａｏ＞Ｐｇｉ＞Ｐｇｏ
この関係から明らかなように、エア側とガス側との圧力差により、回転再生式熱交換器１の内部でエアＡとガスＧの種々のリーク（漏洩）が発生する。
これらのリークは、図６及び図７に示すように、エアＡとガスＧの出入口のロータ４の上端面で発生する高温ラジアルリークＨＲＬ及び下端面で発生する低温ラジアルリークＬＲＬ（図７参照）、エアＡとガスＧの出入口の中心軸２の周りに発生するポストリークＰＬ、ロータ４とエア側のハウジング６との間の空間をバイパスするエアバイパスリークＡＢＬ及びロータ４とガス側のハウジング６との間の空間をバイパスするガスバイパスリークＧＢＬ（図７参照）、並びに、ロータ４のハウジング６の間の空間をエア側からガス側に流れるアキシャルリークＡＬ、とそれぞれ呼ばれている。
【０００５】
これらのリークを低減させるために、従来の回転再生式熱交換器１には、図６に示すように、ロータ４の側には、ロータ４の上端面及び下端面においてエア側とガス側との間をシールするように半径方向に延びるように設けられたラジアルシール２２と、エアＡとガスＧの出入口の中心軸２の周りに設けられたロータポストシール２４と、ロータ４の上下端面の外周縁に設けられたリング形状のバイパスシール２６と、ロータ４の外周部にエア側とガス側をシールするように垂直方向に設けられたアキシャルシール２８が設けられている。
また、ハウジング６の側には、ロータ４の上端面及び下端面においてエア側とガス側との間をシールするようにロータ４の上下端面に対向するように配置されたセクタプレート３０と、エア側とガス側をシールするようにロータ４の外周部に沿って垂直方向に設けられたアキシャルプレート３２が設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなシール構造を持つ従来の回転再生式熱交換器１においては、ハウジング６に固定されたセクタプレート３０とアキシャルプレート３２の上を、ロータ４に取り付けられたラジアルシール２２、ロータポストシール２４、バイパスシール２６及びアキシャルシール２８が摺動し、これらのプレートとシールの機械的な接触により、リークを防止するようにしている。しかしながら、このような機械的な接触によりリークを防止する構造では、ロータ４が熱変形しプレートとシールの間の隙間が設計値と異なる状態となった場合などには、十分なシール効果が得られないという問題が発生する。
また、図７に示すように、エアバイパスリークＡＢＬの発生により、回転再生式熱交換器１の入口の低温エアＡと出口の高温エアＡとが混合し、その結果、このリークが無い場合と比較して、出口のエアＡの温度は低下する。これにより、ボイラ１８に供給される燃焼用エアＡの温度が低下し、ボイラ１８の熱効率がその分だけ低下するという問題もある。
【０００７】
さらに、図７に示すように、ガスバイパスリークＧＢＬの発生により、回転再生式熱交換器１における加熱流体であるガスの量が減少し、ボイラ１８の熱効率がその分だけ低下するという問題もある。
そこで、本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、エアバイパスリーク又はガスバイパスリークを有効に防止することができる回転再生式熱交換器を提供することを目的としている。
また、本発明は、エアバイパスリーク又はガスバイパスリークを有効に防止してボイラの熱効率を向上させることができる回転再生式熱交換器を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、中心軸の周りを回転するロータと、このロータ内に詰め込まれロータが回転することにより被加熱流体と加熱流体とが交互にその内部を通過して蓄熱と放熱を繰り返す蓄熱体と、ロータを収容するように設けられたハウジングとを有する回転再生式熱交換器において、加熱流体の一部を蓄熱体を通過する前に取り出す取出手段と、この取り出された加熱流体が被加熱流体のロータの入口圧力（Ｐａｉ）以上となるまで加圧する加圧手段と、この加圧された加熱流体をロータ、被加熱流体側ハウジング、バイパスシール及びアキシャルシールに囲まれた第１空間、並びに、ロータ、加熱流体側ハウジング、バイパスシール及びアキシャルシールの間に囲まれた第２空間にそれぞれ投入するように分岐してハウジングにそれぞれ設けられた加圧流体投入通路と、この加圧流体投入通路の第２空間に加熱流体を投入する部分に設けられ加圧された加熱流体を加熱流体のロータの入口圧力（Ｐｇｉ）と同程度の圧力となるように調整する調圧手段と、を有することを特徴としている。
【０００９】
このように構成された本発明においては、ロータが回転することにより、蓄熱体の内部を被加熱流体（エア）と加熱流体（ガス）とが交互に通過し、蓄熱体が加熱流体の熱を蓄熱し被加熱流体に放熱する動作を繰り返して行うことにより、加熱流体（ガス）の持つ熱を被加熱流体（エア）に回収するようにしている。また、取出手段により加熱流体の一部が蓄熱体を通過する前に取り出され、この取り出された加熱流体が加圧手段により被加熱流体（エア）のロータの入口圧力（Ｐａｉ）以上となるまで加圧され、加圧流体投入通路によりこの加圧された加熱流体（ガス）がロータ、被加熱流体側（エア側）ハウジング、バイパスシール及びアキシャルシールに囲まれた第１空間、並びに、ロータ、加熱流体側（ガス側）ハウジング、バイパスシール及びアキシャルシールに囲まれた第２空間のそれぞれに投入される。このとき、調圧手段（調圧弁）により、加圧された加熱流体（ガス）は加熱流体（ガス）のロータの入口圧力（Ｐｇｉ）と同程度の圧力となるように調整される。その結果、その第１空間及び第２空間内の圧力が高くなり、従来発生していたエアバイパスリーク及びガスバイパスリークが有効に防止される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図１乃至図５を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、これらの図面において、従来技術と同一部分には同一符号を付しそれらの説明は省略する。
先ず、図１及び図２により本発明の第１実施形態を説明する。図１は本発明による回転再生式熱交換器の第１実施形態を示す一部切欠斜視図であり、図２はボイラ及び本発明による回転再生式熱交換器の第１実施形態を示す全体概略構成図である。
本発明の第１実施形態においては、回転再生式熱交換器４０から出て煙突（図示せず）に流れるガスの一部を取り出すために、回転再生式熱交換器４０の出口に分岐配管４１が設けられている。また、この分岐配管４１には、取り出されたガスを加圧するためのシールガス用ファン４２が接続されている。このシールガス用ファン４２の下流側にはシールガス用配管４４が接続して配置され、さらに、このシールガス用配管４４は、エア側のハウジング６に取り付けられその一端がロータ４とエア側のハウジング６との間に開口するシールガス投入用ダクト４６に接続されている。ここで、シールガスＳＧは、シールガス用ファン４２により加圧され、上述した入口エア圧力（Ｐａｉ）以上の値に設定される。
【００１１】
このように構成された第１実施形態の動作を説明する。回転再生式熱交換器４０から出て煙突（図示せず）に流れるガスの一部が分岐配管４１によりシールガスＳＧとして取り出され、シールガス用ファン４２により入口エア圧力（Ｐａｉ）以上の値まで加圧される。この加圧されたシールガスＳＧは、シールガス用配管４４を経由してシールガス投入用ダクト４６に到達し、このシールガス投入用ダクト４６から、ロータ４、エア側のハウジング６、バイパスシール２６及びアキシャルシール２８により囲まれた空間内に投入される。
この結果、この空間内の圧力が高くなり、従来発生していたエアバイパスリークＡＢＬが有効に防止できる。さらに、エアバイパスリークＡＢＬが有効に防止できるため、入口の低温のエアＡが出口の高温のエアＡに混じることがなく、そのため、出口のエアＡの温度を高温となり、ボイラの熱効率を向上させることができる。
【００１２】
なお、この第１実施形態においては、上記空間内のシールガスＳＧは、シールガス高温リークＳＧＨＬとしてエアの出口側に流出して出口のエアＡに混入されるが、このときのシールガスＳＧの温度は、入口のエア温度よりも高温であるため、エアバイパスリークＡＢＬが発生していた従来の回転再生式熱交換器と比較して、ボイラ１８の熱効率を低下させる影響は少ない。また、シールガスアキシャルリークＳＧＡＬも生じるが、このリークはボイラ１８の熱効率には何ら影響しない。
この第１実施形態においては、従来の回転再生式熱交換器と比較して、シールガス用ファン４２等を更に設ける必要があるが、これらを設ける費用は僅かであり、ボイラ１８や回転再生式熱交換器４０により構成される蒸気原動所全体での熱効率は、従来のものより向上する。
【００１３】
次に、本発明の第２実施形態を図３により説明する。図３は、ボイラ及び本発明による回転再生式熱交換器の第２実施形態を示す全体概略構成図である。
この第２実施形態においては、ボイラ１８から排出されたガスを、回転再生式熱交換器４０及び循環ガス用ファン２０を設けた位置より上流側で、回転再生式熱交換器４０に流入するガスの一部を分岐させて取り出すための分岐配管４７が設けられている。また、この分岐配管４７には取り出されたガスを加圧するためのシールガス用ファン４８が接続して設けられている。このシールガス用ファン４８の下流側にはシールガス用配管５０が接続して配置され、さらに、このシールガス用配管５０は、エア側のハウジング６に取り付けられその一端がロータ４とエア側のハウジング６との間に開口するシールガス投入用ダクト４６に接続されている。ここで、シールガスＳＧは、シールガス用ファン４８により加圧され、第１実施形態と同様に、上述した入口エア圧力（Ｐａｉ）以上の値に設定される。
【００１４】
このように構成された第２実施形態の動作を説明する。ボイラ１８から排出されたガスの一部が、回転再生式熱交換器４０及び循環ガス用ファン２０を設けた位置より上流側で分岐配管４７によりシールガスＳＧとして取り出され、シールガス用ファン４８により入口エア圧力（Ｐａｉ）以上の値まで加圧される。この加圧されたシールガスＳＧは、シールガス用配管５０を経由してシールガス投入用ダクト４６に到達し、このシールガス投入用ダクト４６から、ロータ４、エア側のハウジング６、バイパスシール２６及びアキシャルシール２８により囲まれた空間内に投入される。
この結果、この空間内の圧力が高くなり、従来発生していたエアバイパスリークＡＢＬが有効に防止できる。さらに、エアバイパスリークＡＢＬが有効に防止できるため、入口の低温のエアＡが出口の高温のエアＡに混じることがなく、そのため、出口のエアＡの温度を高温となり、ボイラの熱効率を向上させることができる。
【００１５】
この第２実施形態では、シールガスＳＧを回転再生式熱交換器４０及び循環ガス用ファン２０を設けた位置より上流側の高温のガスから取り出すようにしているため、ボイラ１８の熱効率は影響を受けない。
なお、この第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、上記空間内のシールガスＳＧは、シールガス高温リークＳＧＨＬとしてエアの出口側に流出して出口のエアＡに混入されるが、このときのシールガスＳＧの温度は、入口のエア温度よりも高温であるため、エアバイパスリークＡＢＬが発生していた従来の回転再生式熱交換器と比較して、ボイラ１８の熱効率を低下させる影響は少ない。また、シールガスアキシャルリークＳＧＡＬも生じるが、このリークはボイラ１８の熱効率には何ら影響しない。
【００１６】
さらに、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、ボイラ１８や回転再生式熱交換器４０により構成される蒸気原動所全体での熱効率は、従来のものより向上する。
この第２実施形態では、取り出すシールガスＳＧの圧力が第１実施形態の場合よりも高いので、その分、シールガス用ファン４８の容量を小さくすることができる。
次に、本発明の第３実施形態を図４により説明する。図４は、ボイラ及び本発明による回転再生式熱交換器の第３実施形態を示す全体概略構成図である。
この第３実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態において設けられたシールガス投入ダクトを、エア側のハウジング６及びガス側のハウジング６の両方に設けるようにしている。即ち、この第３実施形態においては、ボイラ１８から排出されたガスを、回転再生式熱交換器４０及び循環ガス用ファン２０を設けた位置より上流側で、回転再生式熱交換器４０に流入するガスの一部を分岐させて取り出すための分岐配管４７が設けられている。この分岐配管４７には取り出されたガスを加圧するためのシールガス用ファン４８が接続して設けられている。このシールガス用ファン４８の下流側にはシールガス用配管５０が接続して配置され、さらに、このシールガス用配管５０は配管５０ａと５０ｂに分岐し、配管５０ａはエア側のハウジング６に取り付けられその一端がロータ４とエア側のハウジング６との間に開口するシールガス投入用ダクト４６に接続され、配管５０ｂはその一端がロータ４とガス側のハウジング６との間に開口するシールガス投入用ダクト５２に接続されている。ここで、配管５０ｂには、調圧弁５４が設けられており、この調圧弁５４により、ガス側のハウジング６に投入されるシールガスＳＧの圧力が上述の入口ガス圧力（Ｐｇｉ）と同程度となるように調整される。
【００１７】
このように構成された第３実施形態の動作を説明する。ボイラ１８から排出されたガスの一部が、回転再生式熱交換器４０及び循環ガス用ファン２０を設けた位置より上流側で分岐配管４７によりシールガスＳＧとして取り出され、シールガス用ファン４８により入口エア圧力（Ｐａｉ）以上の値まで加圧される。この加圧されたシールガスＳＧの一方は、シールガス用配管５０及び配管５０ａを経由してエア側のハウジング６に設けられたシールガス投入用ダクト４６に到達し、このシールガス投入用ダクト４６から、ロータ４、エア側のハウジング６、バイパスシール２６及びアキシャルシール２８により囲まれた空間（第１空間）内に投入される。この加圧されたシールガスＳＧの他方は、シールガス用配管５０及び配管５０ｂを経由して調圧弁５４により入口ガス圧力（Ｐｇｉ）と同程度の圧力となるように調整され、その後、ガス側のハウジング６に設けられたシールガス投入用ダクト５２に到達し、このシールガス投入用ダクト５２から、ロータ４、ガス側のハウジング６、バイパスシール２６及びアキシャルシール２８により囲まれた空間（第２空間）内に投入される。
【００１８】
この結果、上述した第１空間内の圧力が高くなり、従来発生していたエアバイパスリークＡＢＬが有効に防止できる。このエアバイパスリークＡＢＬが有効に防止できるため、入口の低温のエアＡが出口の高温のエアＡに混じることがないため、出口のエアＡの温度を高温となり、ボイラの熱効率を向上させることができる。この第３実施形態においては、さらに、上述した第２空間内の圧力も高くなり、従来発生していたガスバイパスリークＧＢＬも有効に防止できる。このガスバイパスリークＧＢＬが有効に防止できるため、第１及び第２実施形態のものよりも熱交換に寄与するガスの量が増大し、その分、ボイラ１８の熱効率を向上させることができる。
なお、この第３実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、上記第１空間内のシールガスＳＧは、エア側のハウジング６内においてシールガス高温リークＳＧＨＬとしてエアの出口側に流出して出口のエアＡに混入されるが、このときのシールガスＳＧの温度は、入口のエア温度よりも高温であるため、エアバイパスリークＡＢＬが発生していた従来の回転再生式熱交換器と比較して、ボイラ１８の熱効率を低下させる影響は少ない。また、シールガスアキシャルリークＳＧＡＬも生じるが、このリークはボイラ１８の熱効率には影響しない。さらに、第２空間内のシールガスＳＧは、ガス側のハウジング６内においてシールガス低温リークＳＧＬＬとしてガスの出口側に流出して出口のガスＧに混入され、その後、煙突から排出される。
【００１９】
この第３実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、ボイラ１８や回転再生式熱交換器４０により構成される蒸気原動所全体での熱効率は、従来のものより向上する。
従って、第３実施形態では、エアバイパスリークＡＢＬ及びガスバイパスリークＧＢＬの両方を防止するようにしているため、第１及び第２実施形態と比較して、ボイラ１８の熱効率をより大きく向上させることができる。
次に、本発明の第４実施形態を図５により説明する。図５は、ボイラ及び本発明による回転再生式熱交換器の第４実施形態を示す全体概略構成図である。この第４実施形態では、上述した第３実施形態と基本構成は同じであり、以下の点が異なっている。即ち、この第４実施形態においては、ガスの一部を取り出すために分岐配管５１及び加圧用のシールガス用ファン５６が循環ガス用ファン２０の下流側に設けられている。この結果、取り出されたガスは、循環ガス用ファン２０により既にある程度加圧されているため、シールガス用ファン５６の容量を第３実施形態のものと比較してより小さくすることができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の回転再生式熱交換器によれば、エアバイパスリーク又はガスバイパスリークを有効に防止することができ、さらに、ボイラの熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転再生式熱交換器の第１実施形態を示す一部切欠斜視図
【図２】ボイラ及び本発明による回転再生式熱交換器の第１実施形態を示す全体概略構成図
【図３】ボイラ及び本発明による回転再生式熱交換器の第２実施形態を示す全体概略構成図
【図４】ボイラ及び本発明による回転再生式熱交換器の第３実施形態を示す全体概略構成図
【図５】ボイラ及び本発明による回転再生式熱交換器の第４実施形態を示す全体概略構成図
【図６】従来の回転再生式熱交換器を示す一部切欠斜視図
【図７】ボイラ及び従来の回転再生式熱交換器を示す全体概略構成図
【符号の説明】
２中心軸
４ロータ
６ハウジング
８蓄熱体
１８ボイラ
２０循環ガス用ファン
２６バイパスシール
２８アキシャルシール
３２アキシャルプレート
４０回転再生式熱交換器
４１，４７，５５分岐配管
４２，４８，５６シールガス用ファン
４４，５０シールガス用配管
４６，５２シールガス投入用ダクト
５４調圧弁
Ａエア
Ｇガス
ＡＢＬエアバイパスリーク
ＧＢＬガスバイパスリーク

Claims

中心軸の周りを回転するロータと、このロータ内に詰め込まれロータが回転することにより被加熱流体と加熱流体とが交互にその内部を通過して蓄熱と放熱を繰り返す蓄熱体と、上記ロータを収容するように設けられたハウジングとを有する回転再生式熱交換器において、
上記加熱流体の一部を上記蓄熱体を通過する前に取り出す取出手段と、
この取り出された加熱流体が上記被加熱流体のロータの入口圧力（Ｐａｉ）以上となるまで加圧する加圧手段と、
この加圧された加熱流体を上記ロータ、被加熱流体側ハウジング、バイパスシール及びアキシャルシールに囲まれた第１空間、並びに、上記ロータ、加熱流体側ハウジング、バイパスシール及びアキシャルシールの間に囲まれた第２空間にそれぞれ投入するように分岐して上記ハウジングにそれぞれ設けられた加圧流体投入通路と、
この加圧流体投入通路の上記第２空間に加熱流体を投入する部分に設けられ上記加圧された加熱流体を上記加熱流体のロータの入口圧力（Ｐｇｉ）と同程度の圧力となるように調整する調圧手段と、
を有することを特徴とする回転再生式熱交換器。