JP5602600B2

JP5602600B2 - 給湯用熱交換器

Info

Publication number: JP5602600B2
Application number: JP2010266664A
Authority: JP
Inventors: 耐事坂井; 勝則酒井; 大輔諏訪下; 真樹斎藤
Original assignee: T.RAD CO., L T D.
Current assignee: T.RAD CO., L T D.
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: JP2012117723A

Description

本発明は、主として家庭用固体酸化物形燃料電池のコジェネシステム（cogeneration system）において、高温の排ガス（３００〜４００℃）で、水を加温して給湯する給湯用熱交換器に関し、特に、熱交換器の内部に、沸騰が生じたり、スケールが付着するのを可及的に少なくしたものに関する。

家庭用燃料電池システムにおいては、給湯温度を７５℃程度に設定した貯湯タンクが用いられている。燃料電池の排ガスによる給湯システムでは、燃料電池から流出する高温ガスと水道水とを熱交換するとき、熱交換器内部で局部的な沸騰が発生し、その熱交換器の耐久性に懸念が生じる。
さらに、この熱交換器の内部に流通する水道水の流量は、一例として１５０ｃｃ／ｍｉｎ程度と比較的少ない。そのため熱交換器の水側流路内において、スケールの発生が懸念される。このスケールの発生は、水温が６５℃を超えると急激に増大する。

特開２００１−３２５９８２号公報

前述の如く、熱交換器は長期間運転後、スケールの付着により熱交換器の性能が低下すると共に、流路が閉塞するおそれがある。また、熱交換器内部に沸騰が起こると、熱交換器材料の劣化が生じるおそれがある。
そこで本発明は、係る問題点を解決することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、燃料電池から流出する高温の排出ガス(1)で、水(2)を加温して給湯する給湯用熱交換器において、
前記排出ガス(1)の導かれる上流位置に第１熱交換器(3)が配置され、下流位置に第２熱交換器(4)が配置され、被加温用の水(2)が第２熱交換器(4)に導入された後に、ついでそれが第１熱交換器(3)に供給されるように構成し、
前記第１熱交換器(3)は、一以上のチューブ(5)内に水(2)が流通し、そのチューブの外面側に排ガス(1)が流通し、
前記第２熱交換器(4)は、並列された多数の偏平チューブ(6)を有し、各偏平チューブ(6)内に排ガス(1)が流通すると共に、偏平チューブ(6)の外面側に水(2)が流通するように構成され、
前記第２熱交換器(4)内の各偏平チューブ(6)による総伝熱面積が、前記第１熱交換器(3)のチューブ(5)による総伝熱面積より大とすると共に、前記第２熱交換器(4)の熱交換量を前記第１熱交換器(3)のそれよりも大とし、
第１熱交換器(3)の水側流路(5a)の総断面積が、第２熱交換器(4)の水側流路(6a)の総断面積に比べて小さくされて、第１熱交換器(3)内の水(2)の速度が第２熱交換器(4)内のそれに比べて速くなるように構成することにより、第１熱交換器(3)の水側流路(5a)内にスケールが付着するのを可及的に小とすると共に、その水側流路(5a)内で沸騰が生じることを防止したことを特徴とする給湯用熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の給湯用熱交換器において、
前記第１熱交換器(3)の水側流路(5a)の流速が0.3ｍ/sec以上であり、第２熱交換器(4)から流出する水の温度が、65℃以下とされることを特徴とする給湯用熱交換器である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の給湯用熱交換器において、
前記第１熱交換器(3)の水側流路(5a)の流速が0.3ｍ/sec以上であり、第２熱交換器(4)から流出する水の温度が、60℃以下とされることを特徴とする給湯用熱交換器である。

請求項４に記載の本発明は、請求項１〜３に記載の給湯用熱交換器において、
前記第１熱交換器(3)のチューブ(5)は、蛇行状のスリット(7)が形成された平板(8)と、その両面に配置された一対の閉塞板(9)とからなり、そのスリット(7)内に水(2)が流通し、閉塞板(9)の外面に排ガス(1)が流通するように構成された給湯用熱交換器である。

請求項５に記載の本発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の給湯用熱交換器において、
前記第１熱交換器(3)のチューブ(5)の外面にアウターフィン(10)が固定され、第２熱交換器(4)の偏平チューブ(6)内にインナーフィン(11)が固定された給湯用熱交換器。

本発明は、高温の排ガス１で水２を加温して給湯する給湯用熱交換器において、排ガス１の上流側に位置される第１熱交換器３の水側流路5aの総断面積が、下流側の第２熱交換器４の水側流路6aのそれに比べて小さくされて、第１熱交換器３内の水２の速度を第２熱交換器４内のそれに比べて速くしている。
そのため、第１熱交換器３の水側流路5a内にスケールが付着することを可及的に小さくすることができる。それと共に、第１熱交換器３の水側流路5a内の流速を速くし、そこに沸騰が生じるのを防止できる。
これは、排ガス１の上流側に位置して、より高温の排ガス１が流通する第１熱交換器３内でスケールの付着や沸騰が生じがちであるのを、水２の流速を増すことにより防止したものである。
さらに、第２熱交換器４内の各偏平チューブ６による総伝熱面積を、第１熱交換器３のチューブ５のそれよりも大とすると共に、第２熱交換器４の熱交換量を第１熱交換器３のそれよりも大とする構成をとる。
そのため、第２熱交換器４の熱交換量を可及的に大きくし、その分だけ第１熱交換器３の負担を軽減して、第１熱交換器３の水２の流速を速くすることができる。それにより、第１熱交換器３の内部にスケールが付着するのを効果的に防止できる。

請求項２および請求項３に記載のように、第１熱交換器３の水側流路5aの流速を0.3ｍ/sec以上とした場合には、より確実に第１熱交換器３内のスケールの付着を防止すると共に、沸騰を防止できる。
また、第２熱交換器４から流出する水の温度を65℃または60℃以下とすることにより、流速が遅くスケールが付着し易い第２熱交換器４の、スケール析出の発生自体を抑制できる。

本発明の給湯用熱交換器の第１実施例の一部分解斜視図。同熱交換器の第２熱交換器４の要部正面図であって、第２ケーシング13を破断したもの。同熱交換器の第２熱交換器４のコアの要部斜視図。同熱交換器の他の第１熱交換器３の要部斜視図。本発明の給湯用熱交換器の第２実施例の熱交換器の要部斜視図。同第１熱交換器３の分解斜視図。同第１熱交換器３の組立て状態を示す斜視図。本発明の熱交換器の説明図。

図１〜図３は本発明の第１の実施の形態を示し、この熱交換器は第１熱交換器３と第２熱交換器４とが直列に接続されている。そして、第１熱交換器３は排ガス１の上流側に位置し、第２熱交換器４が下流側に位置する。それと共に、水２に対しては、第２熱交換器４が上流側に位置し、第１熱交換器３が下流側に位置する。そして、第１熱交換器３の第１ケーシング12の下流端と第２熱交換器４の第２ケーシング13の上流端とが接続されている。
第１熱交換器３は、この例では断面円形のチューブ５が第１ケーシング12内に位置され、そのチューブ５内に水２が流通し、チューブ５の外面側に排ガス１が流通する。この例では、チューブ５が蛇行状に曲折されて第１ケーシング12内に配置されている。

次に、第２熱交換器４は第２ケーシング13内にコア4a設けられている。コア4aは図３に示す如く、多数の偏平チューブ６の積層体からなる。各偏平チューブ６は一対の溝状プレートを組み合わせたものからなり、その両端部に厚み方向に膨出部16が形成されている。また各プレートの中間部の表面には凸部22が外面側に突出し、隣接する偏平チューブ６の凸部22どうしが接触する。そして各偏平チューブ６間に水側流路6aが形成され、各偏平チューブ６内にガス側流路6bが形成される。そのガス側流路6bにはインナーフィン11が配置され、各部品間が一体的にろう付け固定される。そしてコア4aの両端位置で筒状の第２ケーシング13の両端部外周が気密に接合され、第２ケーシング13の一側の両端部位置に一対の水パイプ14が連通される。

そして第２熱交換器４の第２ケーシング13の下流端には第２タンク25が接続され、その第２タンク25に出口用の排ガスパイプ26が取付けられている。また、第１熱交換器３の第１ケーシング12の一端に入口用の排ガスパイプ26が連通されている。そして第１熱交換器３の排ガスパイプ26に燃料電池から流出する高温の排ガス１が流入され、それがチューブ５の外面側を流通して、第２熱交換器４の各偏平チューブ６内を流通し、第２タンク25から排ガスパイプ26を介して外部に導かれる。
水２は、第２熱交換器４の下流端の水パイプ14から流入し、各偏平チューブ６間の水側流路6aを流通し、上流側の水パイプ14より流出する。そこから流出した水２は、第１熱交換器３のチューブ５内部の水側流路5aに導かれ、蛇行状に流通してその上流端から流出し、図８の貯湯タンク24に導かれる。そしてこの貯湯タンク24の下端から水２が前記同様に、第２熱交換器４の偏平チューブ６の外側を流通し、次いで第１熱交換器３のチューブ５内を流通する。

このとき本発明では、第２熱交換器４を流通する水２の温度は６５℃以下になるように設計される。さらに好ましくは６０℃以下である。これは６５℃を超えると水道水中の炭酸カルシウム等が急激に、水中に析出し始めるからである。即ち、水道水中に含まれる炭酸カルシム等は、熱交換によって一定以上の高温になる程、析出し、それが配管に付着するおそれがあるからである。
実験によれば、６５℃を超えると、その付着量が急激に増加する。それ以下では、炭酸カルシム等は水に溶解した状態にある。
なお、水中に析出したスケールは静水の状態にあるとき、配管系の内面に容易に付着するが、流速が高いときは配管内に殆ど付着することがない。

そこで本発明は、第２熱交換器４によって水２を６５℃以下または６０℃以下まで加熱し、温度上昇した水２を第１熱交換器３のチューブ５に導く。そのチューブ５の水側流路5aの断面積は、第２熱交換器４の総流路断面積に比べて著しく小さく、水側流路5a内の流速が速い。そのためその第１熱交換器３で７０℃以上に加熱されても、その温水中に析出したスケールがチューブ５の内面に付着することなく、貯湯タンク24に導かれる。
この実施例では、第２熱交換器４の水側流路6aは各偏平チューブ６間に存在し、その水側流路6aと偏平チューブ６の内面のガス側流路6bとの伝熱面積は、第１熱交換器３のそれに比べて著しく大きなものとなる。そのため、水２は第２熱交換器４によって効率良く暖められ一定温度に達し、それが第１熱交換器３に導かれる。第１熱交換器３のチューブ５から流出する水２の温度は、７０〜８０℃程度である。

次に、図４は第１熱交換器３のコアの他の例を示す説明図である。
この例のチューブ５は、蛇行状に曲折され且つ、それが折り返し蛇行されている。そして往路と復路との間に隙間が形成され、そこにアウターフィン10が配置されたものである。
なお、この例では一本のチューブ５を蛇行させたが、複数のチューブ５を蛇行させても良い。

次に、図５〜図７は本発明の第２の実施の形態を示し、図５はその全体を示す斜視図であり、この例が図１のそれと異なる点は、第１熱交換器３の構造及び第２熱交換器４の上流側に第２タンク25が配置されている点のみである。
第１熱交換器３は、図６に示す如く、そのチューブ５が蛇行状のスリット７を有する平板８と、その上下両面を閉塞する一対の閉塞板９とからなる。この平板８のスリット７の両端には、一対の連通孔20が設けられている。そして、閉塞板９にもそれに整合する連通孔20が設けられている。

この例では、チューブ５としてのエレメントが２段に設けられ、それらの間にアウターフィン10が配置され、そのアウターフィン10の両側に端板19とスペーサ18とが配置されている。そのスペーサ18には、一対の連通孔20が設けられている。そしてそれら各部品が積層されてコアを構成し、そのコアの両端に、ガス側の一対の第１タンク17が配置される。それと共に、一対の水パイプ21が連通孔20に連通する。この例においても、第１熱交換器３が排ガス１の上流側に位置し、第２熱交換器４が下流側に位置する。

また、水２に対しては第２熱交換器４が上流側に位置し、第１熱交換器３が下流側に位置する。そして、先ず第１熱交換器３に導かれた排ガス１は、水２との間で熱交換されて温度低下し、その排ガス１が第２熱交換器４の各偏平チューブ６のガス側流路6b内に導かれる。そして水２が各偏平チューブ６間の水側流路6aを流通し、排ガス１との間に熱交換され、４０℃〜６５℃程度に加温されて、第１熱交換器３のチューブ５に導かれ、そこで排ガス１と熱交換して７０℃〜８０℃程度に加温され、貯湯タンク24に導かれるものである。

１排ガス
２水
３第１熱交換器
４第２熱交換器
4a コア
５チューブ
5a 水側流路
5b ガス側流路
６偏平チューブ
6a 水側流路
6b ガス側流路

７スリット
８平板
９閉塞板
10 アウターフィン
11 インナーフィン
12 第１ケーシング
13 第２ケーシング
14 水パイプ
16 膨出部

17 第１タンク
18 スペーサ
19 端板
20 連通孔
21 水パイプ
22 凸部
23 燃料電池
24 貯湯タンク
25 第２タンク
26 排ガスパイプ

Claims

燃料電池から流出する高温の排出ガス(1)で、水(2)を加温して給湯する給湯用熱交換器において、
前記排出ガス(1)の導かれる上流位置に第１熱交換器(3)が配置され、下流位置に第２熱交換器(4)が配置され、被加温用の水(2)が第２熱交換器(4)に導入された後に、ついでそれが第１熱交換器(3)に供給されるように構成し、
前記第１熱交換器(3)は、一以上のチューブ(5)内に水(2)が流通し、そのチューブの外面側に排ガス(1)が流通し、
前記第２熱交換器(4)は、並列された多数の偏平チューブ(6)を有し、各偏平チューブ(6)内に排ガス(1)が流通すると共に、偏平チューブ(6)の外面側に水(2)が流通するように構成され、
前記第２熱交換器(4)内の各偏平チューブ(6)による総伝熱面積が、前記第１熱交換器(3)のチューブ(5)による総伝熱面積より大とすると共に、前記第２熱交換器(4)の熱交換量を前記第１熱交換器(3)のそれよりも大とし、
第１熱交換器(3)の水側流路(5a)の総断面積が、第２熱交換器(4)の水側流路(6a)の総断面積に比べて小さくされて、第１熱交換器(3)内の水(2)の速度が第２熱交換器(4)内のそれに比べて速くなるように構成することにより、第１熱交換器(3)の水側流路(5a)内にスケールが付着するのを可及的に小とすると共に、その水側流路(5a)内で沸騰が生じることを防止したことを特徴とする給湯用熱交換器。
請求項１に記載の給湯用熱交換器において、
前記第１熱交換器(3)の水側流路(5a)の流速が0.3ｍ/sec以上であり、第２熱交換器(4)から流出する水の温度が、65℃以下とされることを特徴とする給湯用熱交換器。
請求項１に記載の給湯用熱交換器において、
前記第１熱交換器(3)の水側流路(5a)の流速が0.3ｍ/sec以上であり、第２熱交換器(4)から流出する水の温度が、60℃以下とされることを特徴とする給湯用熱交換器。
請求項１〜３に記載の給湯用熱交換器において、
前記第１熱交換器(3)のチューブ(5)は、蛇行状のスリット(7)が形成された平板(8)と、その両面に配置された一対の閉塞板(9)とからなり、そのスリット(7)内に水(2)が流通し、閉塞板(9)の外面に排ガス(1)が流通するように構成された給湯用熱交換器。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の給湯用熱交換器において、
前記第１熱交換器(3)のチューブ(5)の外面にアウターフィン(10)が固定され、第２熱交換器(4)の偏平チューブ(6)内にインナーフィン(11)が固定された給湯用熱交換器。