JP4570187B2 - 排ガス用熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ボイラ等の熱機器の排ガスから熱回収を行う排ガス用熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラ等の熱機器に付設され、この熱機器の排ガスから熱回収を行う排ガス用熱交換器には、顕熱を回収する顕熱回収熱交換部と潜熱を回収する潜熱回収熱交換部とを備えたものがある。この潜熱回収熱交換部は、排ガス中の水蒸気の凝縮を伴い、水蒸気が凝縮して水になる際の凝縮熱を主に回収している。
【０００３】
前記排ガス用熱交換器の構造としては、通常、複数本の伝熱管を多段に配置した第一熱交換部および第二熱交換部を備え、前記第一熱交換部を上昇流ダクト内に設けるとともに、前記第二熱交換部を下降流ダクト内に設け、前記熱機器からの排ガスを前記上昇流ダクト，前記下降流ダクトの順に流通させるとともに、被加熱流体を前記第二熱交換部，前記第一熱交換部の順に流通させる構成となっている。そして、主として、前記第一熱交換部が前記顕熱回収熱交換部となり、前記第二熱交換部が前記潜熱回収熱交換部となっている。
【０００４】
ところで、潜熱の回収が前記第一熱交換部で行われると、前記第一熱交換部で凝縮水が発生する。そうすると、凝縮水が落下する際、上昇方向へ流れる排ガスの流れを乱し、圧力損失の増大や熱回収効率の低下を引き起こす。また、下段の伝熱管に落下した凝縮水が高温の排ガスと接触して再蒸発し、排ガス中から凝縮水中へ混入している硫酸成分等の腐食成分の濃度が高くなって腐食が発生しやすくなったり、再蒸発するのに熱を奪われて伝熱管への伝熱量が減少したりする。
したがって、前記第一熱交換部を前記顕熱回収熱交換部とし、前記第二熱交換部を前記潜熱回収熱交換部となるように、両者を確実に区分する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、排ガス用熱交換器において、圧力損失の増大や熱回収効率の低下を防止するとともに、耐久性の向上を図ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、複数本の伝熱管を多段に配置した第一熱交換部および第二熱交換部を備え、前記第一熱交換部を上昇流ダクト内に設けるとともに、前記第二熱交換部を前記上昇流ダクト内の上端と連結される下降流ダクト内に設け、排ガスが前記上昇流ダクト内を下方から上方へ流れた後、前記下降流ダクト内を上方から下方へ流れるように構成し、前記第一熱交換部と前記第二熱交換部との最上段を連結し、被加熱流体が前記第二熱交換部の最下段から流入して前記第二熱交換部の最下段の前記各伝熱管から順番に次段の前記各伝熱管へ上昇して流れた後、前記第一熱交換部における最上段の前記各伝熱管から順番に次段の前記各伝熱管へ下降して流れて前記第一熱交換部の最下段から流出するように構成し、前記第一熱交換部の最上段に位置する伝熱管を、その管壁温度が露点温度を基準にして±１０℃の温度範囲内になる位置に配置し、管壁温度が前記温度範囲内にある前記第一熱交換部の伝熱管を他の伝熱管より高耐食性の材料で形成することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明に係る排ガス用熱交換器は、複数本の伝熱管を多段に配置した第一熱交換部および第二熱交換部を備え、前記第一熱交換部を上昇流ダクト内に設けるとともに、前記第二熱交換部を下降流ダクト内に設けた構成になっている。そして、ボイラ等の熱機器からの排ガスを前記上昇流ダクト，前記下降流ダクトの順に流通させるとともに、被加熱流体を前記第二熱交換部，前記第一熱交換部の順に流通させる構成としている。したがって、前記第一熱交換部が顕熱回収熱交換部となり、前記第二熱交換部が潜熱回収熱交換部となっており、両者が確実に区分された構成となっている。
【００１０】
ところで、排ガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水となり、この凝縮水へ排ガス中の硫酸成分等の腐食成分が混入すると、腐食が発生しやすくなるが、この出願の発明者らは、前記伝熱管の腐食について、つぎのような知見を得た。すなわち、前記伝熱管は、排ガス流通中において、その管壁温度が、排ガス中の水蒸気が凝縮する露点温度を基準にして所定の温度範囲内，具体的には露点温度±１０℃になる位置に配置された場合に腐食が発生しやすいということである。これは、管壁温度が露点温度近傍にある伝熱管では、まだ凝縮水の量が少ないため、相対的に腐食成分の濃度が高くなって腐食しやすくなり、それより下流側では、上方から落下してきた凝縮水が集まって凝縮水の量が多くなり、腐食成分の濃度が希釈されて腐食しにくくなるためであると考えられる。
【００１１】
そこで、この発明においては、前記両熱交換部の最上段に位置する伝熱管のうちいずれか一方または両方の伝熱管を、その管壁温度が前記温度範囲内になる位置に配置し、潜熱回収の開始部が前記第二熱交換部の最上段に位置するようにしている。そうすることにより、多量の凝縮水の発生が前記第二熱交換部で行われるようにし、前記第一熱交換部では、ほとんど凝縮水が発生しないようにしている。したがって、前記第一熱交換部における凝縮水の落下を確実に防止して、凝縮水の落下に伴う圧力損失の増大や熱回収効率の低下を防止することができる。
また、前記第一熱交換部における凝縮水の再蒸発に伴う腐食の発生も防止することができる。
【００１２】
ここにおいて、管壁温度が前記温度範囲内になる位置に配置される伝熱管は、前記両熱交換部における最上段の伝熱管を含めて、この最上段の伝熱管から所定数下段の伝熱管までとすることもできる。
【００１３】
また、前記両熱交換部における伝熱管のうち、管壁温度が前記温度範囲内にある伝熱管を他の伝熱管より高耐食性の材料で形成している。そうすることにより、腐食の発生を確実に防止することができるとともに、経済性にも優れている。
【００１４】
【実施例】
以下、この発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の一実施例における縦断面説明図であり、また図２は、図１のII−II線に沿う縦断面説明図である。
【００１５】
この発明に係る排ガス用熱交換器は、上昇流ダクト１および下降流ダクト２を備え、これらのダクト１，２の上端開口部同士が、連結ダクト３で連結されている。また、前記上昇流ダクト１の下端側方部には、排ガス流入口４が設けられており、一方前記下降流ダクト２の下端側方部には、排ガス流出口５が設けられている。前記上昇流ダクト１内には、複数本の伝熱管６，６，…を多段に配置した第一熱交換部７が設けられている。同様にして、前記下降流ダクト２内にも、複数本の伝熱管６，６，…を多段に配置した第二熱交換部８が設けられている。前記各伝熱管６は、ほぼ水平に配置されているとともに、排ガスの流れ方向に沿って千鳥状に配置されている。また、前記各伝熱管６には、多数の伝熱フィン９，９，…が設けられている。
【００１６】
図２に示すように、前記第二熱交換部８において、前記各伝熱管６の両端は前記下降流ダクト２の側壁を貫通して設けられ、第一ヘッダ１０および第二ヘッダ１１にそれぞれ連通している。これらの両ヘッダ１０，１１内には、複数の仕切部材１２，１２，…が設けられ、これらの各仕切部材１２で仕切られた小室（符号省略）には、上下方向に隣接する２段分の前記各伝熱管６がそれぞれ連通している。ただし、前記第一ヘッダ１０の最下方に位置する小室には、最下段の前記各伝熱管６のみが連通しているとともに、被加熱流体の流入管１３が接続されている。また、前記第二ヘッダ１１の最上方に位置する小室には、最上段の前記各伝熱管６のみが連通しているとともに、前記第一熱交換部７と前記第二熱交換部８とを連結する連結管１４が接続されている。
【００１７】
したがって、前記流入管１３から流入した被加熱流体としての水は、前記第二熱交換部８において、最下段の前記各伝熱管６から順番に次段の前記各伝熱管６へ流れ、方向を転換しながら上昇し、前記連結管１４から前記第一熱交換部７へ流れるようになっている。一方、前記第一熱交換部７も前記第二熱交換部８と同様の構成になっており（図示省略）、前記連結管１４から流入した被加熱流体は、最上段の前記各伝熱管６から順番に次段の前記各伝熱管６へ流れ、方向を転換しながら下降し、最下段の流出管（図示省略）から外部へ流出するようになっている。
【００１８】
このようにして、被加熱流体は、前記第二熱交換部８，前記第一熱交換部７の順に流通し、一方ボイラ等の熱機器（図示省略）からの排ガスは、前記排ガス流入口４から前記上昇流ダクト１内へ流入し、前記上昇流ダクト１，連結ダクト３，下降流ダクト２の順に流通し、前記排ガス流出口５から外部へ流出する。これらの流通過程において、排ガスと被加熱流体との熱交換が行われる。
【００１９】
また、前記両熱交換部７，８の上方には、スートブロー手段１５として、複数のスートブロー管１６，１６，…がそれぞれ設けられている。これらの各スートブロー管１６の下面には、複数の洗浄流体噴出口（図示省略）が設けられている。前記スートブロー手段１５は、前記熱機器の運転時，すなわち排ガス流通時は前記第二熱交換部８へのみスートブローを行い、前記熱機器の停止時，すなわち排ガス非流通時は前記両熱交換部７，８へスートブローを行うように制御される。すなわち、排ガスが流通している前記熱機器の運転時は、洗浄流体の噴霧状態が乱されてスートブローの効果が充分でない前記第一熱交換部７へのスートブローは行わないようにしている。一方、前記両ダクト１，２の底部には、落下してきた洗浄流体を排出する排出管１７がそれぞれ設けられている。
【００２０】
前記構成において、前記両熱交換部７，８の最上段に位置する前記各伝熱管６は、排ガス流通中において、その管壁温度が、排ガス中の水蒸気が凝縮する露点温度を基準にして±１０℃の温度範囲内になる位置に配置されている。これは、前記第一熱交換部７で凝縮水の落下が生じないようにするためである。管壁温度が前記温度範囲内にあると凝縮水の発生は少なく、落下するほど多量の凝縮水は発生しない。ここで、前記両熱交換部７，８の最上段および次段に位置する前記各伝熱管６を、その管壁温度が前記温度範囲になる位置に配置することもできる。
【００２１】
ここにおいて、前記露点温度は、前記熱機器において使用される燃料の種類や、排ガス中の酸素濃度等により変化する。たとえば、ガス燃料では約５０℃，油燃料では約４５℃である。
【００２２】
以上のように、前記構成によれば、前記第一熱交換部７は顕熱を回収するための顕熱回収熱交換部となり、また前記第二熱交換部８は潜熱を回収するための潜熱回収熱交換部となって、両者は確実に区分される。したがって、凝縮水の落下は、前記第二熱交換部８でのみ発生し、前記第一熱交換部７では発生せず、凝縮水の落下に伴う圧力損失の増大や熱回収効率の低下を防止することができる。
【００２３】
また、管壁温度が前記温度範囲内にある前記各伝熱管６では、腐食が発生しやすい。そこで、管壁温度が前記温度範囲内にある前記各伝熱管６，すなわち前記両熱交換部７，８の最上段（あるいは最上段および次段）に位置する前記各伝熱管６は、高耐食性の材料，たとえばニッケル系合金鋼によって形成しており、他の前記各伝熱管６は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１０等の通常のステンレス鋼で形成している。
【００２４】
【発明の効果】
この発明によれば、第一熱交換部における凝縮水の落下を確実に防止して、凝縮水の落下に伴う圧力損失の増大や熱回収効率の低下を防止することができる。
また、第一熱交換部における凝縮水の再蒸発に伴う腐食の発生も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明における一実施例の縦断面説明図である。
【図２】図１のII−II線に沿う縦断面説明図である。
【符号の説明】
１ 上昇流ダクト
２ 下降流ダクト
６ 伝熱管
７ 第一熱交換部
８ 第二熱交換部

Claims (1)

1. 複数本の伝熱管６を多段に配置した第一熱交換部７および第二熱交換部８を備え、
   前記第一熱交換部７を上昇流ダクト１内に設けるとともに、前記第二熱交換部８を前記上昇流ダクト１内の上端と連結される下降流ダクト２内に設け、排ガスが前記上昇流ダクト１内を下方から上方へ流れた後、前記下降流ダクト２内を上方から下方へ流れるように構成し、
   前記第一熱交換部７と前記第二熱交換部８との最上段を連結し、被加熱流体が前記第二熱交換部８の最下段から流入して前記第二熱交換部８の最下段の前記各伝熱管６から順番に次段の前記各伝熱管６へ上昇して流れた後、前記第一熱交換部７における最上段の前記各伝熱管６から順番に次段の前記各伝熱管６へ下降して流れて前記第一熱交換部７の最下段から流出するように構成し、
   前記第一熱交換部７の最上段に位置する伝熱管６を、その管壁温度が露点温度を基準にして±１０℃の温度範囲内になる位置に配置し、
   管壁温度が前記温度範囲内にある前記第一熱交換部７の伝熱管６を他の伝熱管６より高耐食性の材料で形成する
   ことを特徴とする排ガス用熱交換器。

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