JP5715883B2 - 振動源を有する排熱回収装置の設置方法及び排熱回収設備 - Google Patents

Description

本発明は、煙道や窯業炉等の炉から排熱を回収する排熱回収装置の設置方法及び排熱回収設備に関する。

排熱やバイオマスや冷熱などの熱源を有効に活用することは、環境問題及びエネルギー問題の解決に繋がる。スターリングエンジンは、熱源を選ばず、温度差があれば運転できるという特徴を持つことから、それら熱源の有効活用に適している。
特に煙道を流れる排気ガスからの熱回収は、排熱利用として注目されているが、複数のスターリングエンジンを多段化して有効に排熱を回収できる排熱回収装置が提案されている（特許文献１）。
特許文献１では、上流側に配置するスターリングエンジンと下流側に配置するスターリングエンジンでは、入熱量が異なるため、この入熱量の違いを考慮してトータルとして発電出力を高めている。

特開２００６−１１８４０６号公報

しかし、焼却炉を含めて多くの場合には、炉内は極めて汚れが激しく、この汚れにより熱交換器の伝熱性能が使用により著しく低下する。
また、耐火性や断熱性を確保するために、窯業炉等の炉などの壁体には、煉瓦材・粘度、モルタルなどの耐火材が使われることが多い。特に、煉瓦材は、局部的な繰り返し振動に対して脆く、壁体の損傷によって高温ガスが噴き出すなどの重要な問題を引き起こすことも考えられる。

そこで本発明は、汚れの激しい環境下でも熱交換器の伝熱性能を低下させず、また壁体に損傷を与えることなく、排熱回収装置を取り付けることができる設置方法、及び排熱回収設備を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の振動源を有する排熱回収装置の設置方法は、熱源側熱交換器を煙道や炉の壁体に設置して、前記壁体の内部の排熱を前記熱源側熱交換器で回収する、振動源を有する排熱回収装置の設置方法であって、前記壁体に開通部を形成し、前記開通部に、有底筒状のカバーを、底部が前記壁体の内部となるように配置し、前記熱源側熱交換器を、前記カバーの内部に配置し、前記熱源側熱交換器を配置した前記カバーの内部の隙間に、粒状、粉状、又は液状の第１の熱伝導体を充填し、前記カバーの中心軸を前記壁体の外部が前記壁体の内部よりも高くして、前記カバーを配置することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、前記開通部の前記壁体の内部側に、前記カバーとの隙間を埋める第２の熱伝導体を設けることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、前記第１の熱伝導体として、粒状又は粉状のグラファイト材を用いることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、前記第２の熱伝導体として、熱硬化性モルタル・気硬性モルタル及び水ガラス等の接着材を用いることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、前記カバーとして、炭化珪素材、リン酸アルミニウム、若しくはリン酸マグネシウムなどの耐酸化材、又は前記耐酸化材でコーティングしたグラファイト、ボイラー・熱交換器用炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、若しくは銅を用いることを特徴とする。
請求項６記載の本発明の排熱回収設備は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法によって設置した排熱回収設備であって、前記排熱回収装置として、スターリングエンジンを用いて前記壁体の内部の排熱から蓄電又は給電を行うことを特徴とする。

本発明によれば、カバー内部に熱源側熱交換器を配置し、熱源側熱交換器を直接壁体内に露出させないために、汚れの激しい環境下でも熱源側熱交換器の伝熱性能を低下させることがない。
また、本発明によれば、排熱回収装置で発生する振動を、第１の熱伝導体によって吸収してカバーに伝達しない。従って、壁体に振動が伝わることがなく、排熱回収装置で発生する振動によって壁体が損傷することがない。

本発明の一実施例による排熱回収装置の設置状態を示す断面図 本発明の他の実施例による排熱回収装置の設置状態を示す断面図

本発明の第１の実施の形態による振動源を有する排熱回収装置の設置方法は、壁体に開通部を形成し、開通部に、有底筒状のカバーを、底部が壁体の内部となるように配置し、熱源側熱交換器を、カバーの内部に配置し、熱源側熱交換器を配置したカバーの内部の隙間に、粒状、粉状、又は液状の第１の熱伝導体を充填し、カバーの中心軸を壁体の外部が壁体の内部よりも高くして、カバーを配置するものである。本実施の形態によれば、カバー内部に熱源側熱交換器を配置し、熱源側熱交換器を直接壁体内に露出させないために、汚れの激しい環境下でも熱源側熱交換器の伝熱性能を低下させることがない。また、排熱回収装置で発生する振動を、第１の熱伝導体によって吸収してカバーに伝達しない。従って、壁体に振動が伝わることがなく、排熱回収装置で発生する振動によって壁体が損傷することがない。また、カバーの内部の隙間に充填する第１の熱伝導体が、振動にともなって、カバー外部に流出することを防止できる。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、開通部の壁体の内部側に、カバーとの隙間を埋める第２の熱伝導体を設けるものである。本実施の形態によれば、第１の実施の形態によってカバーが振動しないために、カバーと壁体との間を埋めることができ、カバーと壁体との間を第２の熱伝導体で埋めることで、壁体の内部側の高温排熱をカバーに伝達することができる。更に、この第２の熱伝導体を開通部の壁体の内部側に設けることで、壁体の外部側の低温による影響を受けないため、壁体の内部側の高温排熱をカバーに有効に伝達することができる。

本発明の第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態による振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、第１の熱伝導体として、粒状又は粉状のグラファイト材を用いるものである。本実施の形態によれば、４００度程度の排熱にも耐え、酸素雰囲気にいて、酸化により、グラファイト材が消失しても、簡便に定期時に補充することができるため、排熱を熱源側熱交換器に有効に伝達することができる。また、半導体製造装置等の無酸素雰囲気では、さらに、超高温状態でも、効率よく、熱源側熱交換器に熱を取り込むこことができる。

本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態による振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、第２の熱伝導体として、熱硬化性モルタル・気硬性モルタル及び水ガラス等の接着材を用いるものである。本実施の形態によれば、カバーを壁体に固定することができるとともに、壁体の排熱を熱源側熱交換器に有効に伝達することができる。

本発明の第５の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、カバーとして、炭化珪素材、リン酸アルミニウム、若しくはリン酸マグネシウムなどの耐酸化材、又は前記耐酸化材でコーティングしたグラファイト、ボイラー・熱交換器用炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、若しくは銅を用いるものである。また、半導体製造装置等の無酸素雰囲気では、さらに、超高温状態でも、効率よく、熱源側熱交換器に熱を取り込むことができる。第１から第６の実施の形態による振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、カバーとして、ボイラー・熱交換器用炭素鋼やステンレス鋼を用いることで、ボイラー等で使われる腐食雰囲気においても、安価なカバー材料で、有効に熱源側熱交換器に熱を取り込むこことができる。本実施の形態によれば、４００度を超える排熱にも耐え、排熱を熱源側熱交換器に有効に伝達することができる。

本発明の第６の実施の形態による排熱回収設備は、第１から第５の実施の形態による振動源を有する排熱回収装置の設置方法において、排熱回収装置として、スターリングエンジンを用いて壁体の内部の排熱から蓄電又は給電を行うものである。本実施の形態によれば、スターリングエンジンにおけるわずかな振動の影響も壁体に与えることなく、排熱を有効に電力として利用することができる。

以下本発明の一実施例による振動源を有する排熱回収装置の設置方法について説明する。
図１は、本実施例による排熱回収装置の設置状態を示す断面図である。
本実施例の排熱回収装置１０に用いるスターリングエンジンは、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２とを有し、ディスプレーサピストン１によって分離される一方の空間を高温空間３、他方の空間を低温空間４とし、高温空間３と低温空間４との間で作動ガスを移動させる。ここで、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２とが排熱回収装置１０の振動源となる。

加熱部（熱源側熱交換器）９ａは高温空間３を挟んでディスプレーサピストン１と対向する位置に、再生部５及び冷却部６はディスプレーサピストン１の外周に配置している。ここで加熱部９ａは、高温作動ガスを移動させる伝熱管により構成している。
ディスプレーサピストン１及びパワーピストン２は、それぞれクランクシャフト７に連結され、クランクシャフト７の一端には、発電機用シャフト８が接続される。
再生部５は筒状に形成され、再生部５の内部には、オーステナイト系ステンレス鋼や黄銅等の金網の蓄熱材が設けられ、この蓄熱材によって、高温作動ガスから吸熱し低温作動ガスに放熱する。
冷却部６も筒状に形成され、冷却部６の内部は、冷却水が流れる通路と作動ガスが流れる通路に区分され、作動ガスは冷却水で冷却される。
加熱部９ａは再生部５と接続され、再生部５は冷却部６と接続される。加熱部９ａは高温空間３と連通し、冷却部６は低温空間４と連通している。

上記構成において、スタート時には発電機を動力源としてディスプレーサピストン１を動作させることで、高温空間３と低温空間４とを作動ガスが移動する。作動ガスは、加熱部９ａで加熱・膨張して高温空間３に導入され、冷却部６で冷却・収縮して低温空間４に導入されることで、高温空間３及び低温空間４に圧力変動が生じる。この圧力変動によってパワーピストン２が動作することで出力を得ることができる。
すなわち、加熱部９ａで加熱されることによって、封入されている作動ガスが膨張して、差圧を受けることで、ディスプレーサピストン１を下方へ移動させる。ディスプレーサピストン１の下方への移動によって、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２との間の低温空間４にある作動ガスが圧縮されてパワーピストン２を下方へ移動させる。パワーピストン２の下方への移動によって、作動ガスはディスプレーサピストン１の上部（高温空間３）から、加熱部９ａ、再生部５、及び冷却部６を通過してディスプレーサピストン１の下部（低温空間４）に移動する。そしてディスプレーサピストン１の上方への移動によって、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２との間の低温空間４が低圧になることで、パワーピストン２は上方へ移動する。ディスプレーサピストン１の下部に移動した作動ガスは、パワーピストン２の上方への移動によって、冷却部６、再生部５、及び加熱部９ａを通過して、ディスプレーサピストン１の上部に移動する。
このように、加熱部９ａでの加熱と冷却部６での冷却によって、作動ガスは膨張収縮を行いながらディスプレーサピストン１の上部と下部を往復することで、ディスプレーサピストン１を移動させるとともに、パワーピストン２を移動させて発電を行うことができる。

排熱回収装置１０は、排気ガスが流れる煙道や炉の壁体２０に設置して、壁体２０の内部の排熱を加熱部９ａで回収する。壁体２０には通常、耐火材として煉瓦材・粘度、モルタルなどの耐火材が用いられるが、耐火ボード材やセメントが用いられる場合もある。

次に、この排熱回収装置１０の設置方法について説明する。
まず、壁体２０に開通部２１を形成する。このとき、開通部２１の軸を壁体２０の外部が壁体２０の内部よりも高くなるように形成する。
開通部２１には、有底筒状のカバー３０を配置する。
カバー３０は、開通部２１の内径よりも小さな外径で加熱部９ａの外径より大きな内径からなる筒部３１と、筒部３１の一端に形成された底部３２と、筒部３１の他端に形成された開口部３３とからなる。カバー３０には、炭化珪素材、リン酸アルミニウム、若しくはリン酸マグネシウムなどの耐酸化材、又は前記耐酸化材でコーティングしたグラファイト、ボイラー・熱交換器用炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、若しくは銅を用いる。
カバー３０は、底部３２が壁体２０の内部となるように配置する。カバー３０は、中心軸を壁体２０の外部が壁体２０の内部よりも高くして配置する。

フランジ３４を壁体２０に当接させるが、カバー３０を、中心軸を壁体２０の外部が壁体２０の内部よりも高くして配置するため、フランジ３４と壁体２０の外壁面との隙間には部材３５を設けている。部材３５はセラミックウールのような柔らかい繊維状のものを開口部２１に詰めることでも、同様な効果を得ることができる。
カバー３０の内部には、加熱部９ａが配置される。そして加熱部９ａを配置したカバー３０の内部の隙間には、粒状、粉状、又は液状の第１の熱伝導体４１を充填する。
第１の熱伝導体４１は、粒状又は粉状のグラファイト材を用いる。また、液状の第１の熱伝導体４１としては、熱伝導性の高いイオン液体（溶融塩）やシリコンオイルを用いる。
カバー３０と開通部２１の壁体２０の内部側との間は、必要に応じて第２の熱伝導体４２で埋める。

以下に排熱回収装置１０の設置後の使用状態について説明する。
本発明が対象とする壁体２０の内部温度は、３００度から６００度程度である。６００度を越える場合には、蒸気タービンを利用することができるが、本実施例のようにスターリングエンジンを排熱回収装置１０として用いる場合には、３００度から６００度程度の排熱であっても排熱を有効に活用できる。なお、６００度を越える場合にも本実施例を適用でき、特に無酸素雰囲気では、十二分に適用可能である。
排気ガスが流れる煙道や炉の壁体２０内が３００度から６００度程度となることにより、壁体２０の内壁面、カバー３０、及び第２の熱伝導体４２による熱を加熱部９ａで利用する。カバー３０の熱は、第１の熱伝導体４１によって加熱部９ａに伝達する。また、壁体２０の内部側は、３００度から６００度程度に加熱されているため、壁体２０の内部側の高温熱は、第２の熱伝導体４２を介してカバー３０に伝達する。
一方、壁体２０の外部側は、３００度以下に低下するが、カバー３０の温度は低下しない。

また、排熱回収装置１０は、ディスプレーサピストン１やパワーピストン２の動作によって振動するが、粒状、粉状、又は液状の第１の熱伝導体４１によって振動を吸収してカバー３０に伝達しない。従って、壁体２０に振動が伝わることがなく、排熱回収装置１０で発生する振動によって壁体２０が損傷することがない。
また、カバー３０は、振動しないので、カバー３０と壁体２０との間を第２の熱伝導体４２で埋めることができ、壁体２０の内部側の高温排熱をカバー３０に伝達することができる。更に、この第２の熱伝導体４２を開通部２１の壁体２０の内部側に設けることで、壁体２０の外部側の低温による影響を受けないので、壁体２０の内部側の高温排熱をカバー３０に有効に伝達することができる。
また、カバー３０は、中心軸を壁体２０の外部が壁体２０の内部よりも高くして配置しているので、カバー３０の内部の隙間に充填する第１の熱伝導体４１が振動にともなって、カバー３０の外部に流出することを防止できる。

図２は、本発明の他の実施例による排熱回収装置の設置状態を示す断面図である。
上記実施例と同一構成には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例では、伝熱管である加熱部９ａを覆うヘッドカバー９ｂを設けた構成を示している。本実施例のようにヘッドカバー９ｂを設けてもよく、その他として加熱部９ａが加熱ブロックで構成されていてもよい。

本発明の振動源を有する排熱回収装置の設置方法又は排熱回収設備は、排熱やバイオマスなどの熱源ガスを活用した発電装置や動力装置として利用することができる。

９ａ 加熱部
９ｂ ヘッドカバー
１０ 排熱回収装置
２０ 壁体
２１ 開通部
３０ カバー
３２ 底部
４１ 第１の熱伝導体
４２ 第２の熱伝導体

Claims (6)

1. 熱源側熱交換器を煙道や炉の壁体に設置して、前記壁体の内部の排熱を前記熱源側熱交換器で回収する、振動源を有する排熱回収装置の設置方法であって、
   前記壁体に開通部を形成し、
   前記開通部に、有底筒状のカバーを、底部が前記壁体の内部となるように配置し、
   前記熱源側熱交換器を、前記カバーの内部に配置し、
   前記熱源側熱交換器を配置した前記カバーの内部の隙間に、粒状、粉状、又は液状の第１の熱伝導体を充填し、
   前記カバーの中心軸を前記壁体の外部が前記壁体の内部よりも高くして、前記カバーを配置することを特徴とする振動源を有する排熱回収装置の設置方法。
2. 前記開通部の前記壁体の内部側に、前記カバーとの隙間を埋める第２の熱伝導体を設けることを特徴とする請求項１に記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法。
3. 前記第１の熱伝導体として、粒状又は粉状のグラファイト材を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法。
4. 前記第２の熱伝導体として、熱硬化性モルタル・気硬性モルタル及び水ガラス等の接着材を用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法。
5. 前記カバーとして、炭化珪素材、リン酸アルミニウム、若しくはリン酸マグネシウムなどの耐酸化材、又は前記耐酸化材でコーティングしたグラファイト、ボイラー・熱交換器用炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、若しくは銅を用いることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の振動源を有する排熱回収装置の設置方法によって設置した排熱回収設備であって、前記排熱回収装置として、スターリングエンジンを用いて前記壁体の内部の排熱から蓄電又は給電を行うことを特徴とする排熱回収設備。