JP4754959B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に係り、特に腐食性成分と水分を含有する高温ガスと低温流体との間で間接熱交換を行う熱交換器に関するものである。

熱交換器は、その用途により、排ガス冷却器、空気予熱器、廃熱回収装置、エコノマイザなどと呼ばれており、熱交換器の型式としては、シェルアンドチューブ熱交換器、多管式熱交換器、プレート式熱交換器などがある。これらの熱交換器は、都市ごみ焼却施設、下水やし尿の汚泥焼却施設やその他の焼却施設、ボイラ設備などをはじめとして、様々な分野で広範囲に使用されている。

このような熱交換器の中には、腐食性成分と水分を含有する高温ガスと低温流体との間で間接熱交換を行う熱交換器がある。このような腐食性成分と水分を含有する高温ガスとしては、例えば、都市ごみや下水汚泥、し尿汚泥、各種産業廃棄物、建築廃材、マテリアルリサイクルにおける回収残渣などを焼却した際に発生する焼却排ガス、石炭、コークス、オイルサンド、石油、天然ガスなどの化石燃料やバイオマスなどを燃料とするボイラから発生するボイラ排ガス、各種化学プロセスにおいて発生するプロセスガスなどが挙げられる。また、このような高温ガスと熱交換させる低温流体としては、温度の低下した上記と同様のガスや空気、蒸気、ボイラ給水、プロセス流体などが挙げられる。

従来の熱交換器は、２枚の金属製管板の間に金属管または金属管群が架け渡されたもので、金属製管板に形成された孔に金属管が挿通されており、これらの金属管と管板とが拡管または溶接によって一体化される。

金属管の内部と外部にはそれぞれ別個の流路が形成されており、一方の流路（主として金属管の外部）には、腐食性成分と水分を含有する高温ガスが流通される。そして、他方の流路（主として金属管の内部）には低温流体が流通される。このような構成により、高温ガスと低温流体とを互いに混合させることなく、金属管の壁面などの伝熱面を介して連続的に高温ガスから低温流体に熱伝達を行い、高温ガスの温度を下げると同時に低温流体の温度を上げるようになっている。なお、プレート式熱交換器と呼ばれる型式においては、上述した金属管群の代わりに成型した金属板を合わせることで流路が形成される。

このような熱交換器においては、高温ガスに曝される金属管表面の温度が、低温流体による冷却によって露点以下に下がり、高温ガス中の水分が腐食性成分を溶かし込んだ状態で結露する。このように、高温ガスに曝される金属管表面が濡れた状態になると、激しい腐食（いわゆる低温腐食）が引き起こされる。この腐食は、露点に近い比較的高い温度領域で起こるため、その進行が激しく、特に濡れた領域と乾いた領域の境界の近傍では、溶けていた腐食性成分が水分の蒸発により濃縮され、強い腐食性を呈するため、極端な腐食減肉が生じる。

上述した腐食性成分としては、主として塩素、硫酸、フッ酸、ナトリウム、カリウム、カルシウム、鉄、銅その他の元素からなる種々の塩類やそのイオンなどが挙げられる。また、高温ガス中にＳＯｘや塩化鉄、塩化カルシウムなどの低融点成分あるいは水の蒸気圧を下げる成分が共存したり、これらの成分が高温ガスに接触する伝熱面に付着していたりすると、上述した露点は上昇する傾向にある。

特に、都市ごみ焼却施設や廃棄物焼却施設、廃棄物を燃料とするボイラなどにおける高温ガスは、腐食性成分としての塩化水素、フッ化水素、ＳＯｘ等の酸性ガスに加えて、ダストとして塩を多量に含み、かつ塩化鉄や低融点の塩化亜鉛や塩化銅ないしは硫酸銅を含むことがある。このため、露点が上昇し、水の飽和点が通常７０〜８０℃前後であるような水蒸気分圧に対して１００℃を超えるところまで露点が上昇する場合が多い。したがって、例えば、通常の直接水噴霧冷却式都市ごみ焼却の直接水噴霧冷却後の排ガスに用いる熱交換器においては、排ガス側の伝熱管の表面温度を少なくとも１１０℃、好ましくは１３０℃前後以上に保つ必要がある。

排ガスと伝熱管の表面との熱交換量は、両者の温度差にほぼ比例し、伝熱管の表面温度が高くなって温度差が小さくなるほど熱交換量は少なくなる。実用的な熱交換においては、通常、この排ガスと伝熱管の表面との温度差が５０℃程度であるため、排ガス温度１８０℃程度が実用的な熱交換や熱回収の限界であった。このように、低温腐食が熱回収をする上での技術上の障害となり、熱回収効率を上げる障害となっていた。

このような低温腐食のために、熱交換器は定期的に点検を行う必要がある。例えば、孔が空いたり、減肉の激しい伝熱管の両端を栓で塞いで部分的に使用を取り止めて運転を続け、使用を取り止めた伝熱管が全体の２０〜３０％と無視できない割合になる数年〜十数年ごとに熱交換器全体を交換するというメンテナンスが行われることが多い。

また、低温流体の温度を上げて高温ガスに接触する伝熱管の表面温度を露点以上にするという対策もよく行われる。しかしながら、この場合には、低温流体の温度を上げることにより排ガスと伝熱管の表面との温度差が小さくなるため、伝熱面積を増やさなければならず、熱交換器のサイズや重量が大きくなってしまい、機器の製造コストや建設コストが上昇してしまう。

特に蒸気などの熱源が利用できない場合には、熱交換後の昇温した低温流体を低温流体入口に戻して熱交換器に導入される低温流体の温度を上げる方法がある。図１は、このような方法を用いた従来の焼却処理の流れを示すフロー図である。

図１に示す例では、焼却炉１００で発生した排ガスはガス冷却室１１０に導入されて冷却された後、熱交換器１２０に導入される。この熱交換器１２０には、押込送風機１３０により低温流体としての空気が導入され、排ガスと空気との間で熱交換が行われるようになっている。この熱交換により昇温された空気の一部は燃焼用空気として焼却炉１００に送られ、残りの空気は循環されて熱交換器１２０に導入される空気が昇温されるようになっている。また、排ガスは、熱交換器１２０での熱交換により冷却され、バグフィルタ１４０を通過した後、誘引送風機１５０により煙突１６０から大気中に排出される。

ここで、熱交換器１２０から出る予熱空気の一部を押込送風機１３０の吸込側に再循環させるために、熱交換器１２０に供給する低温流体（空気）の流量をこの再循環させる分だけ増やさなければならない。通常、再循環させる空気の量は、再循環させない場合の空気量の５０％前後と無視できない大きな量であるため、熱交換器１２０のサイズや重量が大きくなってしまい、機器の製造コストや建設コストが上昇してしまう。

この問題に対する対策として、耐食金属材料、例えばステンレス材を用いることも行われているが、様々な腐食性成分が混じり、腐食性成分の濃度が高く、かつダスト付着や温度変化も伴うため、孔食や粒界腐食を生じて孔が空いたり割れが生じたりしやすい。また、チタンやニッケルまたは合金成分の濃度が極端に高いハステロイなどのように高い耐食性を持つ材料を用いたとしても、上述した濡れた状態においては完全とは言えず、しかもこれらの材料は実用的に価格が高すぎる。

また、高価な金属材料を使わずに、ガラス製の伝熱管を用いた熱交換器も実用化されてきてはいるが、このような伝熱管は物理的な衝撃に弱く、伝熱管の肉厚を厚くせざるを得ないにもかかわらず、ガラスの熱伝導率が低いために伝熱面積を大きくしなければならない。また、ガラス製の伝熱管を用いた熱交換器には、熱的ないしは物理的な衝撃や熱膨張差から生じる応力による破損、シール部の弛みや損傷などの問題があり、一般的に実用化される段階には至っていない。

さらに、高温ガスと接触する金属伝熱面をフッ素樹脂や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、フレークライニングなどの非金属材料からなるライニング層で覆うことも防食技術として一般的に行われているが、これらの材料と金属材料との間に熱膨張差があるため、温度変化を伴う使用を繰り返すことでやがてライニング層が破損したり密着性を損なったりする。あるいは、水分がライニング層を浸透し金属面で凝縮して水滴を形成することでライニング層が破損したり密着性を損なったりする。

また、当初施工したライニングが不完全であった場合やライニング層が破損した場合には、ライニングが不完全な部分や破損した部分から腐食性物質が入りこんでライニング層の下に錆の層を形成してしまう。この錆は、ライニング層を押し上げ剥がしながら広がっていく。

このようにライニング層の密着性が損なわれたり錆層が形成されたりすると、形成される隙間や錆層により熱伝達率が大きく損なわれる。したがって、ライニング層によって防食を行う場合には、メンテナンスを定期的に行わなければならない。しかしながら、熱交換器の奥の方にある伝熱管群のライニングについてはメンテナンスを行うことが困難である。このような理由により、熱交換器に関しては、ライニングによる腐食防止は一般的ではなかった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、少ない伝熱面積で熱回収率を向上させることができ、メンテナンスが容易でコンパクトな構成の熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、腐食性成分と水分を含有する高温ガスと低温流体との間で間接熱交換を行う熱交換器が提供される。この熱交換器は、変形性を有する非金属材料からなる伝熱管と、上記伝熱管を挿通させる孔が形成された一対の管板と、上記伝熱管の端部に挿入され、上記伝熱管の径を拡げて上記伝熱管の外周面と上記管板の孔とを密着させるテーパ状の外周面を有する拡管部材と、上記拡管部材を上記伝熱管の内部に押し込むことにより、上記伝熱管を上記管板に固定する押込部材と、上記伝熱管の内部に収容される骨材と、上記押込部材と上記骨材を緊結し、上記押込部材を引張するロッドと、を備えたことにより上記伝熱管の交換を容易としたことを特徴とする。

上記骨材は螺旋面を有していることが好ましい。

本発明の一参考例によれば、腐食性成分と水分を含有する高温ガスと低温流体との間で間接熱交換を行う熱交換器が提供される。この熱交換器は、一対の管板と、上記一対の管板の間に架け渡された伝熱管と、上記伝熱管の内部に形成された、上記低温流体を流通させるための流路と、上記伝熱管の外部に形成された、上記高温ガスを流通させるための流路と、上記低温流体が接する上記管板の表面に配置された断熱材とを備えている。

また、本発明の他の参考例によれば、腐食性成分と水分を含有する高温ガスと低温流体との間で間接熱交換を行う熱交換器の製造方法が提供される。この方法によれば、変形性を有する非金属材料からなる伝熱管を一対の管板に形成された孔に挿通させて該一対の管板の間に架け渡し、上記伝熱管の端部にテーパ状の外周面を有するテーパ管を押し込み、上記伝熱管の径を拡げて上記伝熱管の外周面と上記管板の孔とを密着させて熱交換器を製造する。

本発明のさらに他の参考例によれば、腐食性成分と水分を含有する高温ガスと低温流体との間で間接熱交換を行う方法が提供される。この方法によれば、変形性を有する非金属材料からなる伝熱管を一対の管板に形成された孔に挿通させて該一対の管板の間に架け渡し、上記伝熱管の端部にテーパ状の外周面を有するテーパ管を押し込み、上記伝熱管の径を拡げて上記伝熱管の外周面と上記管板の孔とを密着させ、上記伝熱管の内部に形成された流路に上記低温流体を流通させるとともに、上記伝熱管の外部に形成された流路に上記高温ガスを流通させることで、上記高温ガスと上記低温流体との間で間接熱交換を行う。

本発明によれば、少ない伝熱面積で熱回収率を向上させることができ、メンテナンスが容易でコンパクトな構成の熱交換器を提供することができる。

以下、本発明に係る熱交換器の実施形態について図２から図５を参照して詳細に説明する。なお、図２から図５において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図２は、本発明の一実施形態における熱交換器の要部を示す断面図、図３は、図２の側面図である。この熱交換器は、変形性を有する材料からなる少なくとも１本の伝熱管と、この伝熱管を挿通させる孔が形成された一対の管板とを備え、管板の孔に伝熱管を挿通させて一対の管板の間に伝熱管を架け渡したものである。図２および図３は、１本の伝熱管１０が一方の管板２０に挿通された箇所のみを拡大して示したものである。

図２および図３に示すように、管板２０には孔２２が形成されており、この孔２２には伝熱管１０が挿通されている。この伝熱管１０は、変形性を有する材料、例えばフッ素樹脂などの非金属の材料から形成されている。例えば、肉厚が０．５〜３ｍｍ程度、内径が２０〜８０ｍｍ程度のフッ素樹脂チューブを伝熱管１０として用いることができる。

また、伝熱管１０の端部には、テーパ状の外周面を有する金属製のテーパ管３０が挿入されている。このテーパ管３０は、伝熱管１０の径を拡げて伝熱管１０の外周面と管板２０の孔２２との間に形成される隙間をなくし、伝熱管１０の外周面と管板２０の孔２２とを密着させる拡管部材としての機能を有するものである。

このテーパ管３０は、押込部材４０によって伝熱管１０の内部に押し込まれるようになっており、テーパ管３０が伝熱管１０の内部に押し込まれることによって、伝熱管１０の外周面が管板２０の孔２２の内周面に押し付けられ、これにより伝熱管１０が管板に密着固定される。

すなわち、伝熱管１０は変形性を有する材料から形成されているため、テーパ管３０の押し込みにより伝熱管１０が隙間なく管板２０の孔２２の内周面に密着する。これにより、伝熱管１０内部の流路５０と伝熱管１０外部の流路５２とが遮断され、特にガスケットやパッキンを用いなくても、伝熱管１０内部の流路５０を流れる低温流体Ｌと伝熱管１０外部の流路５２を流れる高温ガスＨとが混じることがない。

例えば、テーパ管３０としては、鋼、真鍮、銅などの延性のある金属からなる短管の内周側にテーパが形成された円筒状の型を圧入し、この短管をテーパ状に拡管したものを使用することができる。また、厚肉のパイプから削り出しによりテーパ管３０を成型してもよく、管を絞り込んで成型してもよい。また、使用温度に問題がなければ、硬質プラスチックや繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの成型品をテーパ管３０として用いてもよい。

上述したように、伝熱管１０が変形性を有しているため、伝熱管１０の垂れ下がりや潰れが生じる可能性がある。このような伝熱管１０の垂れ下がりや潰れを防止するために、伝熱管１０の内部には、金属平板をひねった螺旋状の骨材６０が収容されており、この骨材６０は伝熱管１０のほぼ全長にわたって延びている。図２に示すように、この骨材６０の端部には、ねじ部６４を有するロッド６６が全周隅肉溶接６８により取り付けられている。

また、骨材６０は伝熱管１０内部における乱流を促進する役割も有している。すなわち、伝熱管１０内部の流路５０を流れる流体は、骨材６０の螺旋面６２に沿って流れるため、螺旋面６２に沿って旋回され、激しく掻き混ぜられる。これにより、流路５０を流れる流体は、激しい乱流状態となり、伝熱管１０の内周面での境膜伝熱係数が大きくなる。したがって、流路５０を流れる流体が空気などの気体であっても、乱流液体に相当する程度の大きな境膜伝熱係数となって、全体の伝熱抵抗の中では無視できる程度のごくわずかなものとすることができる。これにより、伝熱管１０自体の温度は、伝熱管１０内部の低温流体Ｌの温度に近くなるため、伝熱管１０の高温による劣化が抑えられ、また、高温ガスＨとこれに接触する伝熱管１０の表面との間の温度差を限界近くまで大きくすることが可能となる。

この骨材６０は、伝熱管１０の内径に近い外径を有することが好ましい。また、図２に示す例では、単一平板をひねって螺旋状にした骨材６０を用いているが、例えば、単一平板を軸方向に短い間隔で山折りと谷折りを繰り返して形成したもの、十字や３枚羽根など複数の平板を組み合わせたもの、複数の棒体を間隔をおいて円筒状に並べたもの、棒体をコイル状に形成したものなど、種々の形態の骨材を用いることができる。

また、骨材６０の四隅は伝熱管１０の内周面に接触するため、図２に示すように、面取り部６０ａが形成されており、伝熱管１０の内周面に傷がつきにくいようになっている。また、同様に、伝熱管１０に接する可能性のある管板２０やテーパ管３０の端部は、面取りを施すなどして鋭角なエッジがないようにして伝熱管１０を傷つけないようにすることが好ましい。

図２および図３に示すように、押込部材４０は、ロッド６６を挿通させる管部４２と、管部４２の両側に隅肉溶接４３により取り付けられた２枚の押込板４４とを備えている。これらの押込板４４は、伝熱管１０内部の流路５０を流れる流体の出入を阻害しないように、伝熱管１０の軸に沿って並べられており、また、テーパ管３０を押し込む力が偏らないように、伝熱管１０の軸に対してほぼ対称に配置されている。

押込部材４０の管部４２に挿通されたロッド６６のねじ部６４には、ワッシャ６８を介してダブルナット６９が螺合されている。これらのダブルナット６９を締め上げると、押込部材４０によりテーパ管３０が伝熱管１０の内部に押し込まれ、これとともに骨材６０がテンションが与えられた状態で伝熱管１０内に固定される。なお、図２に示す例では、ロッド６６のねじ部６４を介して骨材６０を押込部材４０に緊結しているが、骨材６０が伝熱管１０の内部から外れなければ、どのような構造を採用してもよい。ただし、骨材６０は細長い形状となり撓みやすいため、図２に示す例のように、ねじ部６４により骨材６０の両端を引っ張って強い引張応力を与えた方が、骨材６０の撓みが少なくなるのでよい。

また、押込板４４は管板２０側に脚部４４ａを有しており、これらの脚部４４ａが管板２０の表面に接触することで、それ以上テーパ管３０を押し込まないようになっており、これにより過剰な締め付けが防止される。また、押込板４４には、テーパ管３０の端部に係合する溝４４ｂが形成されており、押込板４４がテーパ管３０を押し込む位置がずれないようになっている。なお、押込部材４０の構造は上述の構造に限定されるものではなく、伝熱管１０を押し広げるテーパ管３０の位置またはテーパ管３０に与える力を一定にできる構造であればどのようなものであってもよい。例えば、図２に示す例では、押込部材４０がダブルナット６９およびロッド６６を介して骨材６０に固定されているが、押込部材４０を骨材６０に固定せずに管板２０にねじ等を用いて固定してもよい。

ここで、伝熱管１０が劣化したり伝熱管１０に破損や減肉が生じたりした場合には、骨材６０を固定しているダブルナット６９を外すだけで、その伝熱管１０を外して新しい伝熱管に交換することができる。この場合において、伝熱管１０は非金属材料からなるため軽く、また曲げることができるため、伝熱管１０の交換作業は容易である。

また、図２に示すように、低温流体Ｌが接する管板２０の表面のうち、低温流体Ｌの温度が管板２０に接する高温ガスＨの露点温度以下である部分には、低温流体Ｌによる温度低下を抑えるために断熱材としての保温カバー７０が設けられている。これにより、管板２０が冷却されて高温ガスＨが接する管板２０の表面で結露が発生して低温腐食が生じるのを防ぐことができる。この保温カバー７０としては、例えば、珪酸カルシウムなどの軽くて断熱性のある材料を成型した断熱ボード、薄い金属板やガラスクロスなどの保温外装で覆ったロックウールやグラスウールなどを用いることができる。

上述したように、伝熱管１０は、例えばフッ素樹脂などの変形性を有する非金属材料から形成されている。ここで、フッ素樹脂とは、ポリテトラフルオロエチレンに代表される弾力性の大きくないフッ素樹脂一般を指し、特定の会社が製造するポリテトラフルオロエチレン（例えばデュポン社のテフロン（登録商標））に限定されるものではない。また、使用温度に耐える耐熱性と変形性のある樹脂であれば、フッ素樹脂以外の樹脂も用いることができる。

また、伝熱管１０内部の流路５０と伝熱管１０外部の流路５２との間の密閉性を保持するためには、塑性変形しながらも形状復元性を有し弾力性も有するフッ素ゴムなどのゴム系の樹脂を使用することが好ましい。このようなフッ素ゴムは、変形性が高まっても、内部の構造体が伝熱管１０の潰れるのを防ぐため、伝熱管１０の内部の流路５０を確保することができる。このようなフッ素ゴムとしては、デュポン社のバイトン（登録商標）があるが、これに限定されるものではない。

また、伝熱管１０を単一の材料を用いて形成するのではなく、複数の材料を用いて形成してもよい。例えば、変形性や弾力性の少ないフッ素樹脂などからなる伝熱管１０を用い、管板２０に接続される伝熱管１０の外周面に局所的に弾力性のあるゴム系樹脂を被覆して２層あるいはそれ以上の複層構造としてもよい。このような構成は、伝熱管１０内部の流路５０の変形が少なく、伝熱管１０内部の流路５０と伝熱管１０外部の流路５２との間の密閉性の保持能力に優れている。このような複層構造の伝熱管の場合、複数の材料を接着して一体化する必要は必ずしもなく、互いに位置がずれないようにすれば、その部分にガスケットやスリーブを被覆する形態であってもよい。極端には、液状ガスケットを管板２０と、それに接続される伝熱管１０の外周密着面に塗布してもよい。これにより、管板２０や伝熱管１０の外周である密着面の傷や凹凸によって間隙ができて漏れが生じるのを防ぐことができる。

また、伝熱管１０の材料としては、温度に耐える非金属材料であれば使用することができる。通常の焼却排ガスやボイラ排ガスでの露点は高くても１３０℃〜１５０℃前後までであり、そのような条件下においては、フッ素樹脂やフッ素ゴムであれば問題なく使用できる。フッ素樹脂やフッ素ゴムは熱伝導率が大きくないため、厚みを薄くして伝熱管１０における伝熱抵抗を小さく抑えれば、金属管を用いた熱交換器に比べてもそれほど大きくない伝熱面積で済ませることができ、かつ、伝熱管１０の材料費を節約できる。

上述したように、本実施形態に係る熱交換器によれば、変形性を有する伝熱管を用いて熱交換器を構成することができる。したがって、伝熱管を非金属材料から形成することができ、熱交換器における腐食の問題を解決することができる。特に、金属特有の低温腐食、ライニングによるライニング層の剥離や破損とそれによる母材金属の腐食を防止することが可能となる。また、低温流体に接する管板の表面に断熱材を設けているので、高温ガスが接する管板の表面で結露が発生して低温腐食が生じるのを防ぐことができる。

図１に示す従来の焼却処理において、本発明に係る熱交換器を用いた例を図４に示す。図４からわかるように、本発明に係る熱交換器１を用いることにより、押込送風機１３０に空気を再循環させる必要がなくなり、押込送風機１３０の運転温度も常温となる。これにより、押込送風機１３０の風量が通常２／３程度に小さくなるため、省エネルギー化を実現することができる。また、運転温度が低くなることで、空気の密度が上昇して風圧が生じやすくなるため、押込送風機１３０の羽根の径も小さくすることができる。したがって、押込送風機１３０のサイズや馬力を下げることが可能となる。この場合において、押込送風機１３０の風量を２／３程度に小さくできることにより、熱交換器１の伝熱面積やサイズ、重量なども小さくすることができる。また、本発明に係る熱交換器によれば、腐食による問題が解決され、熱交換器の寿命も飛躍的に延びるので、ライフサイクルコスト（ＬＣＣ）が飛躍的に改善される。このように、本発明に係る熱交換器は顕著な効果を奏するものであり、省エネルギーにも寄与するものである。

ここで、本発明に係る熱交換器は、使用する伝熱管１０の耐用温度によって使用できる温度領域が限られるため、実際の使用に際しては、図５に示すように、本発明に係る熱交換器を従来の金属製伝熱管を用いた熱交換器と組み合わせて用いることが好ましい。図５に示す熱交換システムは、本発明に係る熱交換器１と、従来の金属製伝熱管を用いた熱交換器１２０とを備えている。

図５に示す熱交換システムにおいては、まず、本発明に係る熱交換器１の伝熱管１０の内部に低温流体Ｌを通し、伝熱管１０の外部を流れる高温ガスＨとの熱交換により低温流体Ｌを高温ガスＨの露点温度程度まで昇温する。そして、伝熱管の結露による低温腐食のおそれがなくなったところで、低温流体Ｌを従来の熱交換器１２０の金属製伝熱管２１０の内部に通すように構成する。なお、図５において符号Ｍはマンホールを示す。

これらの熱交換器１，１２０は独立して配置する必要はなく、図５に示すように、低温流体Ｌの上流側が高温ガスＨの下流側となり、低温流体Ｌの下流側が高温ガスＨの上流側となるように流し、熱交換効率が高くなる向流接触の流れが形成されるように組み合わせることができる。

通常の焼却排ガスやボイラ排ガスはダストを含む場合が多いため、高温ガスＨが焼却排ガスやボイラ排ガスであった場合には、運転中に高温ガスＨが接触する伝熱管の表面にダストが付着してくることがある。また、角度の緩い面が形成されている場合などには、その面にダストが堆積する。このような伝熱管に付着したダストは、ダスト中の空隙やダスト構成固体の小さな熱伝導率のために、大きな伝熱抵抗となる。したがって、図５に示すように、スートブロワ８０を付設し、これらのスートブロワ８０から間欠的に高圧の空気または蒸気を噴出して、伝熱管１０，２１０に強い気流を吹き付けることで付着したダストを払い落とすことが好ましい。この場合において、図５に示すように、本発明の熱交換器１と従来の熱交換器１２０とでスートブロワ８０を兼用することもできる。

フッ素樹脂からなる伝熱管を用いれば、フッ素樹脂特有の表面に付着を生じにくい性質により、その表面にはダストが付着しにくくなる上に、気流吹き付けの際に伝熱管自体が変形揺動したり振動したりするため付着固化物も剥離するので、ほぼ完全に付着したダストを払い落とすことができ、経時的な熱交換量の低下を抑えることができる。スートブロワ８０に用いる空気源や蒸気源がない場合には、例えば、管板や伝熱管内の骨材を槌打して伝熱管に変形揺動や振動を与えてダストを払い落としてもよい。このように、本発明に係る熱交換器は、効果的にダストを払い落とすことができ、小さな汚れ係数で設計することができる。

なお、本発明に係る熱交換器１から出た後、従来の熱交換器１２０に入る前の低温流体Ｌの温度を検出するセンサ８２を設け、低温流体Ｌの温度が、従来型の熱交換器１２０における低温腐食を防止するには十分でない温度であった場合に、温度指示警報器８４から警報を発するようにすることもできる。

以上のように、本発明によれば、熱交換器における腐食の問題を解決することができる。また、ダストの払い落としが容易になるとともに伝熱係数の経年劣化を押さえることができ、熱交換器内の伝熱管の交換も容易となる。特に、腐食の問題が解決されるので、直接冷たい低温流体と高温ガスとを向流接触させて高温ガスからの熱回収と高温ガスの冷却を同時に行うことが可能となる。このため、低温流体と高温ガスとの温度差を確保して熱交換器の効率を向上し、高い温度まで低温流体を昇温するとともに低い温度まで高温ガスを冷却することが可能となる。しかも、本発明に係る熱交換器は、伝熱面積が小さく、軽くてコンパクトな構成にすることができる。このようにコンパクトな構成であるため、既設の熱交換器を本発明に係る熱交換器に取り替えることも容易である。また、実用の範囲で熱回収効率を従来の熱交換器に比べて向上させることができる。

伝熱係数をＵ、伝熱面積をＡ、高温ガスと低温流体の平均温度差をΔｔとすると、時間あたりの交換熱量Ｑは、Ｑ＝Ｕ×Ａ×Δｔで表される。例えば、低温流体を入口温度が１２０℃となるように予熱しなければならなかったのが、２０℃でよくなったとすると、低温流体の入口温度の差は、一挙に１００℃大きなものとなる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

従来の焼却処理の流れを示すフロー図である。 本発明の一実施形態における熱交換器の要部を示す断面図である。 図２の側面図である。 本発明に係る熱交換器を用いた焼却処理の流れを示すフロー図である。 本発明に係る熱交換器を従来の熱交換器と組み合わせた熱交換システムを示す模式図である。

符号の説明

１０ 伝熱管
２０ 管板
２２ 孔
３０ テーパ管
４０ 押込部材
４２ 管部
４４ 押込板
４４ａ 脚部
４４ｂ 溝
５０，５２ 流路
６０ 骨材
６２ 螺旋面
６４ ねじ部
６６ ロッド
７０ 保温カバー
Ｈ 高温ガス
Ｌ 低温流体

Claims (6)

1. 腐食性成分と水分を含有する高温ガスと低温流体との間で間接熱交換を行う熱交換器であって、
   変形性を有する非金属材料からなる伝熱管と、
   前記伝熱管を挿通させる孔が形成された一対の管板と、
   前記伝熱管の端部に挿入され、前記伝熱管の径を拡げて前記伝熱管の外周面と前記管板の孔とを密着させるテーパ状の外周面を有する拡管部材と、
   前記拡管部材を前記伝熱管の内部に押し込むことにより、前記伝熱管を前記管板に固定する押込部材と、
   前記伝熱管の内部に収容される骨材と、
   前記押込部材と前記骨材を緊結し、前記押込部材を引張するロッドと、
   を備えたことにより前記伝熱管の交換を容易としたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記高温ガスは、焼却排ガスまたはボイラ排ガスであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記低温流体は、空気であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記伝熱管は、フッ素樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱管は、ゴム系の樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記骨材は金属平板をひねった螺旋状であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

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