JP5356105B2 - 加熱器 - Google Patents

Description

この発明は、船舶に搭載するのに好適な加熱器に関する。

陸上プラントなどに用いられる給水加熱器として、特許文献１のようなドレンクーラを内蔵したものが知られている。
具体的には、図５のように、従来の給水加熱器２は、横向き円筒形のケーシング１０と、ケーシング１０の中に支持される複数の横向きＵ字型の伝熱管２０とを備えている。
そして伝熱管２０内に水を通し、ケーシング１０内に加熱蒸気を通すことで、伝熱管２０の管壁を介して水と蒸気との間で熱交換をおこない、水を加熱する仕組みになっている。

伝熱管２０の両端部はそれぞれケーシング１０の外周に設けられた供給口１２と排出口１３に接続され、供給口１２から伝熱管２０内に水が供給され、蒸気により加熱された後に排出口１３から伝熱管外へと排出される。
この加熱蒸気は、ケーシングの外周に形成された蒸気口１４から供給されている。
ここで伝熱管２０の管壁を介した水との熱交換により冷却された蒸気は、凝集してドレンＤとなりケーシング１０の底部に溜まる。

ケーシング１０内部の供給口１２近辺は、伝熱管２０の周囲を取り巻くように区画されてドレンクーラ３０が形成されている。
このドレンクーラ３０には、ケーシング１０の底部に溜まったドレンＤの液面下に没するように取り込み口３１が形成されている。
この取り込み口３１から、ケーシング１０の底部に溜まったドレンＤがドレンクーラ３０内へと取り込まれ、これによってドレンクーラ３０内はドレンＤで満たされるようになっている。
ここでドレンクーラ３０は伝熱管２０の周囲を取り巻いているため、ドレンＤは伝熱管２０の管壁を介して水と熱交換される。
こうして熱を失ったドレンＤは、ケーシング１０の外周に設けられた取り出し口から排出される。

たとえば陸上プラントにおいては、上記のようにして給水加熱器２により加熱された水はボイラに送られ、ここでさらに加熱されて蒸気になり、この蒸気は次にタービンに送られて発電などの用に供される。
さらに蒸気は、タービンから戻り蒸気口１４からケーシング１０内に供給され、供給口１２を通じて伝熱管内に供給されている後続の水の加熱に用いられる。
この加熱された水はボイラに送られ、蒸気になってタービンに送られ、給水加熱器２に戻されてさらに後続の水を加熱する。
このようにして、水を蒸気で加熱するサイクルが繰り返されることになる。

特開２００３−１５６２０２号公報

このような従来のドレンクーラ内蔵型の給水加熱器２を船舶に搭載した場合、船舶は陸上プラントなどと異なって大きく縦揺れ（ピッチ）するため、ケーシング１０の底部にたまったドレンＤの液面も大きく変動する。
ドレンＤの液面が変動すると、その液面下に没していたドレンクーラ３０の取り込み口３１は、液面上に姿を現したり、再び液面下に没したりを繰り返すようになる。
ここで、図５（ｂ）のように、取り込み口３１が液面下にあるときはドレンクーラ３０にドレンＤがスムーズに導入されて内部が満水状態となる。
しかし、図５（ａ）のように、取り込み口３１が液面上にあるときは、ドレンクーラ３０にドレンＤがほとんど導入されず内部は逸水状態（液で満たされない状態）となる。

このようにして、ドレンＤの満水逸水が繰り返されてドレンクーラ３０内の状態が不安定であると、給水加熱器２全体の熱交換率が安定せず、所望の性能を発揮できなくなる。
さらに、ドレンクーラ３０の取り込み口３１が水面上に現れたときには、ケーシング１０内の蒸気を誤ってドレンクーラ３０内に取り込んでしまう。
そのため、この蒸気がドレンクーラ３０に囲まれている伝熱管２０の管壁を侵食し、管壁の破孔に至るなどして、給水加熱器２の劣化を早めてしまう。

この問題から、船舶に搭載する給水加熱器については、ドレンクーラを別置にしたものを用いることも考えられる。
このように給水加熱器とドレンクーラとを別体にして、給水加熱器の内部にドレンの液面が形成されないようにすると、船舶の揺れにかかわらずドレンクーラを常に満水状態に維持することも可能ではある。
しかし、別体のドレンクーラの分だけ設置スペースをとる。またドレンクーラを別体として構成するのは、部品点数が増えるなどしてコスト的にも不利である。

以上のような、ドレンクーラを別体にすることによる設置スペース増大の問題およびコスト増大の問題は、給水加熱器に限られず、加熱器の全般に共通している。
たとえば、エンジンに供給する燃料油を事前に加熱して粘度を低くするための燃料油加熱器においても事情は同じである。

そこでこの発明は、ドレンクーラ内蔵型の加熱器全般について、船舶に搭載しても安定した熱交換性能を発揮できるようにすることである。

以上の問題を解決するため、この発明のドレンクーラ内蔵型加熱器では、ケーシングにその底部から下方に膨出するドレンポットを設け、このドレンポットにドレンクーラの取り込み口を差し込む構成を採用したのである。

詳しくは、発明にかかる加熱器を、横向き筒形で内部に加熱蒸気が流通するケーシングと、このケーシングの中に支持され、内部に被加熱流体が流通する横向きＵ字型の伝熱管と、前記ケーシングの中で前記伝熱管の一部を取り巻いて配置され、加熱蒸気が凝集してケーシングの底部にたまったドレンを内部に取り込むドレンクーラと、を備え、前記ケーシングは、その底部から下方に膨出するドレンポットを有し、前記ドレンクーラは、このドレンポットに差し込まれる取り込み口を有する構成にしたのである。

船舶が縦揺れしてもそのピッチングは最大で７．５度程度であるから、この揺れによりドレンの液面が最大限に変動したとしても、ケーシングの底部にあるドレンポットが逸水することはほとんどない。
したがって、ドレンポット内は縦揺れの有無にかかわらずドレンで満たされ、ここに差し込まれた取り込み口からドレンクーラにドレンがスムーズに取り込まれることになる。
そのため、揺れの大きな環境下でも、ドレンクーラの満水状態を維持でき、従来のドレンクーラ内蔵型の加熱器と比較して熱交換性能が安定する。
また取り込み口が常にドレンの液面下にあるため、ドレンクーラ内に蒸気を取り込む心配もなく、加熱器の劣化が抑制される。
さらに、ドレンクーラ外置型の加熱器と比較すると、ドレンクーラを内蔵している分だけ省スペース化が図られると同時に、部品点数が少ないためコストも低廉である。

なお、この加熱器は船舶に搭載するのに好適であるが、陸上プラント等に用いても良いのは無論である。また、被加熱流体の種類は特に限定されず、水や燃料油が例示される。

上記した構成において、ドレンポットがケーシングの一端側底部に配置される場合には、ケーシングは、その他端側底部から延びてドレンポットに連通する回収管をさらに有するのが好ましい。
このように構成すると、ケーシングが大きく傾斜してドレンポットから離れた側にドレンが溜まっている場合にも、その溜まったドレンが回収管を通じてドレンポット内に回収可能となる。
したがって、船舶に特に大きな揺れがある場合でも、ドレンポット内は確実に満水状態に維持され、熱交換性能が一層安定する。

加熱器を以上のように構成したので、船舶に搭載しても安定した熱交換性能を発揮できる。

実施形態の加熱器の部分破断側面図 実施形態の加熱器の正面図 実施形態の加熱器を用いた加熱システムの概略図 実施形態の加熱器の使用状態を示す部分破断側面図 従来の加熱器の使用状態を示す部分破断側面図

以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。

図１および図２に示す実施形態の給水加熱器１は、船舶に搭載されている。
給水加熱器1は、ケーシング１０と、ケーシング１０の中に配置された複数の伝熱管２０とを備えており、このケーシング１０の内部に加熱蒸気を流通させ、伝熱管２０の内部に水を流通させることで、伝熱管２０の管壁を介して水を加熱蒸気によって加熱するしくみになっている。
なお、ここでいう船舶には発電バージが含まれるものとする。また、給水加熱器１には、高圧給水加熱器と低圧給水加熱器の双方が含まれるものとする。
給水加熱器１の材質は特に限定されないが、ステンレス、銅合金、チタンなどが例示される。

くわしくは、横向き円筒形のケーシング１０は、内部が気密水密状態に保持されており、その底部の船尾側と船首側にそれぞれ設けられた脚部１１により、船舶上に支持されている。
このケーシング１０の船尾側の外周底部には供給口１２が、船尾側の外周頂部には排出口１３がそれぞれ形成されている。
また、ケーシング１０の排出口１３よりも船首側の外周頂部には蒸気口１４が形成されており、外周の側部には取り出し口１５が形成されている。
ケーシング１０は、図中鎖線で示すように、断熱材、保温材などで被覆されてもよい。

さらに、ケーシング１０の船尾船首方向の中程の外周底部は、下方へと円筒形に膨出してドレンポット１６となり、その内部に液体を貯留できるようになっている。
また、ケーシング１０の船首側の外周底部からは回収管１７が下方に延出し、次いで船尾側に折れ曲がってドレンポット１６の外周へと連通している。

一方、各伝熱管２０はケーシング１０の中で船尾側から船首側に延び、この船首側で上下方向に折り返して船尾側へと戻り、全体として横向きＵ字形状をなしている。
これら伝熱管２０は、ケーシング１０内に船尾側から船首側にかけて多数並列する支持板１８により支持されている。
ここで各伝熱管２０の両端部は、上述したケーシング１０外周の供給口１２と排出口１３にそれぞれ接続されている。

ケーシング１０の供給口１２の近辺は、伝熱管２０を取り巻くように隔壁で区画されてドレンクーラ３０を構成している。
上述したケーシング１０外周側部の取り出し口１５は、このドレンクーラ３０に連通している。
ここで図示のように、ドレンクーラ３０の船首側は、上述したケーシング１０のドレンポット１６のほぼ真上に位置している。
そしてドレンクーラ３０の船首側の底部からは、下方に向けてパイプ形の取り込み口３１が延び、この取り込み口３１がドレンポット１６に差し込まれている。
差し込まれた取り込み口３１の下端とドレンポット１６の底壁との間には、所定の隙間が形成されている。
このドレンクーラ３０の内部には、船尾船首方向に並列する多数の邪魔板３２が配設され、かつドレンクーラ３０の内部空間は取り込み口３１から取り出し口１５にかけて連通している。

実施形態の給水加熱器１の構成は以上のようであり、図３に示すように、供給口１２からはポンプＰ等を用いて水が伝熱管２０内に供給され、蒸気口１４からはケーシング１０内に加熱蒸気が供給されて伝熱管２０に達する。
そして、伝熱管２０の管壁を介した熱交換により、水は加熱された後に排出口１３から排出される。
一方、熱交換により冷却された加熱蒸気は凝集してドレンとなり、ケーシング１０の底部に溜まるため、ケーシング１０の底部から下方に膨出するドレンポット１６へと流れ込む。
こうしてドレンポット１６に回収されたドレンは、取り込み口３１を通じてドレンクーラ３０内に導入され、邪魔板３２の作用により蛇行しながら取り出し口１５に向けて流通する。
ここでドレンクーラ３０は、伝熱管２０を取り囲むように形成されているため、ドレンクーラ３０内で管壁を介してドレンと水とが熱交換されることになる。
すなわち、給水加熱器１全体としては、供給口１２から給水されて間もない低温の水が、まずドレンに残存する熱により加熱され、次いでドレンよりも高温の加熱蒸気によりさらに加熱されることになる。
こうして熱を失ったドレンは、取り出し口１５より排出される。

たとえば、上記のようにして給水加熱器１により加熱された水は船舶に備え付けられたボイラＢに送られ、ここでさらに加熱されて蒸気になり、この蒸気は次に船舶に備え付けられたタービンＴに送られて発電などの用に供される。
さらに蒸気は、タービンＴから戻り蒸気口１４からケーシング１０内に供給され、供給口１２を通じて伝熱管２０内に供給されている後続の水の加熱に用いられる。
この加熱された水はボイラＢに送られ、蒸気になってタービンＴに送られ、給水加熱器１に戻されてさらに後続の水を加熱する。
このようにして、水を蒸気で加熱するサイクルが繰り返されることになる。
なお、排出されたドレンＤは、脱気器や他機器等に送られて、溶存ガスの除去等がおこなわれ、最後には船外に排出される。

このとき船舶に大きな縦揺れが発生すると、図４（ａ）および（ｂ）のように、給水加熱器１全体が傾斜し、ドレンの液面が大きく変動する。
図４（ａ）のように給水加熱器１の船首側が下に船尾側が上になるように傾斜した場合、ドレンＤは船首側に偏って溜まることになる。
このようにドレンＤが船首側に偏って溜まっても、ドレンポット１６はケーシング１０の外周底部からさらに下方へと膨出しているため、ドレンＤが直接流れ込みやすくなっている。
さらに、船首側の回収管１７を通じてもドレンＤはドレンポット１６に案内されるため、ドレンポット１６はこの状況の下でもドレンＤが満たされた状態になっている。
一方、図４（ｂ）のように給水加熱器１の船尾側が下に船首側が上になるように傾斜した場合にも、船尾側に偏って溜まったドレンはそのまま直接ドレンポット１６に流れ込むためドレンポット１６はドレンＤで満たされる。
以上のように、船舶がいずれの方向に揺れている場合でも、ドレンポット１６は常時ドレンＤで満たされている。

したがって、取り込み口３１を通じてドレンクーラ３０に常時ドレンＤが送り込まれるため、ドレンクーラ３０内は常に満水状態に維持できる。
このため、ドレンクーラ３０内における熱交換効率を一定に維持でき、給水加熱器１全体として安定した熱交換性能を発揮することができる。
また、取り込み口３１が常にドレンＤの液面下にあるため、ドレンクーラ３０内に加熱蒸気が侵入することがなく、加熱蒸気が伝熱管２０の管壁を侵食することも防止できる。
さらに、この給水加熱器１は、ドレンクーラ３０が給水加熱器本体に内蔵されているため、ドレンクーラ３０を別置きにする場合と比べてコンパクトである。
また、別置きに比べて部品点数が少ないためコストも低廉である。本発明者が試作したところでは、約３０％のコスト削減が達成できた。

以上の実施形態では、伝熱管２０に水を流通させる給水加熱器１を例示したが、伝熱管２０に流通させる流体はこれに限定されず、この発明は加熱器の全般に適用可能である。
たとえば、供給口１２から伝熱管２０に燃料油を流通させ、加熱蒸気により加熱する燃料油加熱器としても発明を適用できる。
この場合は、常温での粘度の高い燃料油を加熱して粘度を低くしたうえで、排出口１３からエンジンへと供給することになる。

１ 実施形態の給水加熱器
２ 従来の給水加熱器
１０ ケーシング
１１ 脚部
１２ 供給口
１３ 排出口
１４ 蒸気口
１５ 取り出し口
１６ ドレンポット
１７ 回収管
１８ 支持板
２０ 伝熱管
３０ ドレンクーラ
３１ 取り込み口
３２ 邪魔板
Ｄ ドレン
Ｐ ポンプ
Ｂ ボイラ
Ｔ タービン

Claims (1)

1. 横向き筒形で内部に加熱蒸気が流通するケーシング１０と、
   このケーシング１０の中に支持され、内部に被加熱流体が流通する横向きＵ字型の伝熱管２０と、
   前記ケーシング１０の中で前記伝熱管の一部を取り巻いて配置され、加熱蒸気が凝集してケーシング１０の底部にたまったドレンを内部に取り込むドレンクーラ３０と、を備え、
   前記ケーシング１０は、その底部から下方に膨出するドレンポット１６を有し、
   前記ドレンクーラ３０は、このドレンポット１６に差し込まれる取り込み口３１を有し、
   前記ドレンポット１６は、前記ケーシング１０の一端側底部に配置され、
   前記ケーシング１０は、その他端側底部から延びてドレンポット１６に連通する回収管１７を有する加熱器。

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