JP5968586B2

JP5968586B2 - 蒸気熱交換器の設計方法

Info

Publication number: JP5968586B2
Application number: JP2010210263A
Authority: JP
Inventors: 正明花村
Original assignee: 正明花村
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2010-09-18
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2030-09-18
Also published as: JP2011085382A

Description

本発明は、蒸気熱交換器の設計方法に関する。

従来、蒸気の潜熱を利用して貯留槽内に貯留されたメッキ液などの液体を加熱する蒸気熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の蒸気熱交換器は、伝熱管から所定量のドレンを排出するとともに、液体に浸漬された伝熱管の部位に蒸気の乾き度が０となる境界位置を有するように設計されている。このような設計によって、伝熱管の下流側を水封し、蒸気が凝縮するときの潜熱を利用して熱交換を行う部位（以下、凝縮伝熱部とする）と、ドレンの顕熱を利用して熱交換を行う部位（以下、顕熱伝熱部とする）とを液体に浸漬された伝熱管の部位（以下、伝熱部とする）に備えている。したがって、この蒸気熱交換器は、蒸気の潜熱のみならず、ドレンの顕熱をも利用して液体を加熱することができる。このため、蒸気の潜熱のみを利用して液体を加熱する従来の蒸気熱交換器と比較して貯留槽内の液体を効率よく加熱することができる。

国際公開第２００７／０５８２５６号

ところで、特許文献１に記載の蒸気熱交換器を含めた従来の蒸気熱交換器において、伝熱管内で発生するドレンは、重力の作用によって伝熱管内の鉛直下方側に溜まるので、蒸気の乾き度が０となる境界位置に存在する蒸気と、ドレンとの境界面（以下、水封面とする）は水平方向となる。このドレンは、水封面の鉛直下方側に接続された伝熱管を介して排出される。したがって、水封面における流れ方向は鉛直下方向となる。このように、特許文献１に記載の蒸気熱交換器では、水封面の鉛直下方側に伝熱管を接続しなければならないので、伝熱管の形状の制限がある。このため、凝縮伝熱部と、顕熱伝熱部とを伝熱部に備え、前述したような伝熱管の形状の制限なしに、貯留槽内の液体を効率よく加熱することができる新たな方法が望まれている。

本発明の目的は、貯留槽内の液体を効率よく加熱することができる蒸気熱交換器の設計方法を提供することである。

かかる課題を解決すべく、本発明は、蒸気熱交換器の設計方法を提供する。蒸気熱交換器は、両端を液面から突出させて加熱対象の液体に浸漬されるとともに、一端から蒸気が供給される伝熱管と、伝熱管の他端から所定量のドレンを排出させる排出装置とを有する。蒸気熱交換器の設計方法は、液体に浸漬された伝熱管の部位に蒸気の乾き度が０となる境界位置を有し、境界位置における流れ方向を、伝熱管の軸方向とするように伝熱管を設計するとともに、蒸気の流速を、水撃作用を生じる流速よりも速く設計する。

ここで、本発明において、第１のステップと、第２のステップと、第３のステップとを有することが好ましい。第１のステップは、蒸気の熱量と、飽和水の熱量との差を、液体の温度が加熱目標温度に達した定常状態における伝熱管の単位長さあたりの蒸気と、液体との交換熱量で除算して算出される長さを基準長とする。第２のステップは、基準長と、所定の長さとを加算することによって、液体に浸漬された伝熱管の部位の長さを設計する。第３のステップは、基準長と、所定の長さとの境界位置における流れ方向を、伝熱管の軸方向とするように伝熱管を設計する。

ここで、本発明において、所定の長さは、飽和水の熱量と、伝熱管の他端から排出されるドレンの目標温度に基づく熱量との差を、定常状態における伝熱管の単位長さあたりのドレンと、液体との交換熱量で除算して算出される長さとされることが好ましい。

本発明によれば、液体に浸漬された伝熱管の部位に蒸気の乾き度が０となる境界位置を有しているので、凝縮伝熱部と、顕熱伝熱部とを伝熱部に備えることができる。したがって、貯留槽内の液体を効率よく加熱することができる。また、境界位置における流れ方向は、伝熱管の軸方向とされている。これによれば、蒸気の流れによって、ドレンは伝熱管の軸方向に沿って流れることになるので、水封面は、伝熱管の径方向に形成される。すなわち、新たな方法よって伝熱管の下流側は水封される。なお、境界位置における流れ方向を伝熱管の軸方向とするには、例えば、１本の連続する伝熱管における任意の位置に水封面が形成されるように伝熱管を設計すればよい。

本発明によれば、第１のステップにおいて、蒸気の熱量と、飽和水の熱量との差を、液体の温度が加熱目標温度に達した定常状態における伝熱管の単位長さあたりの蒸気と、液体との交換熱量で除算して算出される長さを基準長としている。ここで、液体の温度が加熱目標温度よりも低い場合には、伝熱管の単位長さあたりの交換熱量は大きくなるので、凝縮伝熱部の長さは、基準長よりも短くなる。すなわち、基準長は、凝縮伝熱部の長さの最大値に相当する。このため、第２のステップにおいて、基準長と、所定の長さとを加算することによって、伝熱部の長さを設計すれば、凝縮伝熱部と、顕熱伝熱部とを確実に伝熱部に備えることができる。したがって、貯留槽内の液体を効率よく加熱することができる。そして、第３のステップにおいて、基準長と、所定の長さとの境界位置における流れ方向を、伝熱管の軸方向とするように伝熱管を設計している。したがって、水封面は、伝熱管の径方向に形成される。すなわち、新たな方法によって伝熱管の下流側は水封される。

第１の実施形態に係る蒸気熱交換器の断面模式図液体の温度が加熱目標温度となったときの蒸気熱交換器の断面模式図蒸気熱交換器を動作させたときの状態遷移図蒸気の流速と、凝縮伝熱部のドレンとの関係図蒸気の流速と、伝熱管に生じる振動との関係図第２の実施形態に係る蒸気熱交換器の断面模式図

（第１の実施形態）
図１は、第１実施形態に係る蒸気熱交換器の断面模式図である。蒸気熱交換器１は、貯留槽２と、伝熱管３と、オリフィス４とを有する投込み式の蒸気熱交換器である。貯留槽２は、メッキ液などの加熱対象の液体２１を貯留する。伝熱管３は、１本の連続した管に形成され、両端を液面から突出させて液体２１に浸漬されている。また、この伝熱管３の一端（図１の左端）からは蒸気Ｓが供給される。排出装置としてのオリフィス４は、所定量のドレンＤを伝熱管３の他端（図１の右端）から排出させる。具体的には、オリフィス４の排出量は、オリフィス４の前後の圧力差と、オリフィス４の径とに基づいて設計することができる。なお、本実施形態では、排出装置をオリフィス４としているが、スチームトラップなどを用いてもよい。

次に、蒸気熱交換器１において、液体２１を加熱するメカニズムについて説明する。なお、本実施形態では、液体２１の初期温度を３０℃とし、加熱目標温度を９０℃として説明する。蒸気熱交換器１において、伝熱管３の一端から高温（例えば、１３０℃，０．２７ＭＰａ）の蒸気Ｓが供給されると、伝熱管３内に存在していた空気などの流体がオリフィス４を介して排出されるとともに、伝熱管３を介して蒸気Ｓと、３０℃の液体２１との間で熱交換が行われる。そして、熱交換が行われることによって、蒸気Ｓは凝縮してドレンＤとなる。この際、熱交換は、伝熱管３の伝熱部全体で行われるので、ドレンＤは、オリフィス４の排出量を超えて発生する。また、伝熱管３は、１本の連続した管に形成されているため、蒸気Ｓは、伝熱管３の軸方向に沿って流れる。したがって、オリフィス４を介して排出しきれないドレンＤは、蒸気Ｓの流れによって、伝熱管３の下流側を水封するように伝熱管３内に溜まることになる。

この状態において、伝熱管３の上流側に位置し、蒸気Ｓによって熱交換が行われる部位は、凝縮伝熱部として機能する。また、伝熱管３の下流側に位置し、ドレンＤによって熱交換が行われる部位は、顕熱伝熱部として機能する。ドレンＤが溜まることによって、凝縮伝熱部の長さが短くなってくると、蒸気凝縮量（ドレンＤの発生量）は減少する。そして、蒸気凝縮量と、オリフィス４の排出量とが釣り合うと、水封面ＳＤは、伝熱部におけるある位置（例えば、図１に示す位置）で瞬間的に停止する（以下、初期平衡状態という）。換言すれば、水封面ＳＤは、図１の右側から左側に向かって移動し、伝熱部におけるある位置で瞬間的に停止する。

図２は、液体の温度が加熱目標温度となったときの蒸気熱交換器の断面模式図である。凝縮伝熱部における蒸気Ｓの潜熱と、顕熱伝熱部によるドレンＤの顕熱とによって液体２１の温度が上昇すると、凝縮伝熱部における交換熱量が減少するので、蒸気凝縮量も減少する。蒸気凝縮量が減少すると、オリフィス４の排出量は、蒸気凝縮量に対して相対的に大きくなるので、蒸気凝縮量と、オリフィス４の排出量とが釣り合うように水封面ＳＤが移動する。具体的には、水封面ＳＤは、蒸気凝縮量が増加する方向、すなわち伝熱管３の下流側に向かって移動する（図２の矢印Ａ）。そして、液体２１の温度が加熱目標温度の９０℃になると、液体２１の温度は上昇しなくなり、凝縮伝熱部における交換熱量が変化しなくなる定常状態となる。したがって、水封面ＳＤは、伝熱部における所定の位置（例えば、図２に示す位置）で停止する。すなわち、蒸気熱交換器１は、初期平衡状態から定常状態に至るまで伝熱部に水封面ＳＤを有し、水封面ＳＤにおける流れ方向は、伝熱管３の軸方向とされている。

図３は、蒸気熱交換器を動作させたときの状態遷移図である。なお、図３は、蒸気Ｓの供給が開始されてから液体２１が加熱目標温度に達するまでの時間を横軸にとり、蒸気凝縮量Ｄ１と、オリフィス４の排出量Ｄ２と、液体２１の温度Ｔ１と、伝熱管３の他端から排出されるドレン（以下、排出ドレンとする）の温度Ｔ２とを縦軸にとったグラフである。蒸気Ｓの供給が開始されてから初期平衡状態となるまでの間は（図２の区間Ａ１）、蒸気凝縮量Ｄ１は、排出量Ｄ２よりも多い。したがって、オリフィス４を介して排出しきれないドレンＤは、伝熱管３内に溜まることになる。この間、排出ドレンの温度Ｔ２は、顕熱伝熱部の長さが長くなるにしたがってドレンＤの顕熱を多く利用することができるようになることから下降する。また、液体２１の温度Ｔ１は、蒸気Ｓの潜熱と、ドレンＤの顕熱とによって上昇する。その後、初期平衡状態に達すると、蒸気凝縮量Ｄ１と、排出量Ｄ２とは略一致し、前述したように、水封面ＳＤが徐々に下流側に向かって移動していく（図２の区間Ａ２）。この間、液体２１の温度Ｔ１は、蒸気Ｓの潜熱と、ドレンＤの顕熱とによって上昇する。また、排出ドレンの温度Ｔ２は、液体２１の温度が上昇するにしたがって上昇する。

次に、蒸気熱交換器１の設計方法について説明する。蒸気熱交換器１を設計するに際しては、蒸気凝縮量の設計値（蒸気Ｓの供給量と、蒸気Ｓの乾き度との積）に対して伝熱管３の径を定め、蒸気Ｓの流速を決定する。ここで、蒸気の潜熱のみを利用して液体を加熱する従来の蒸気熱交換器の設計では、蒸気の流速は考慮されていなかった。また、例えば、特開２００１−１７３８７７号公報に記載の蒸気熱交換器では、蒸気の流速を速くするとドレンの流速も速くなって水撃作用を生じることから、伝熱管内にドレンの流速を抑制するための部材を設けることによって、蒸気の流速を速くした場合における水撃作用の発生を防止している。これに対して、本発明者は、鋭意研究の結果、所定量のドレンを排出させる排出装置を有し、水封面における流れ方向を伝熱管の軸方向とする蒸気熱交換器において、蒸気の流速を速くすることによって、水撃作用を抑制できることを突き止めた。

したがって、本実施形態では、蒸気Ｓの流速を、水撃作用を生じる流速よりも速い流速に決定する。なお、水撃作用を生じているか否かは、伝熱管３に生じる振動や、伝熱管３の一端から供給される蒸気Ｓの圧力などから判断することができる。また、蒸気Ｓの流速と、水撃作用の発生との関係は、伝熱管３の形状や、姿勢によって異なる。これは、伝熱管３内の蒸気Ｓの流路が上り勾配であるか、下り勾配であるかによって、水撃作用を生じる蒸気Ｓの流速が増減するからである。したがって、蒸気Ｓの流速を決定するに際しては十分に速い流速に決定することが望ましい。

図４は、蒸気の流速と、凝縮伝熱部のドレンとの関係図である。なお、図４では、左側に伝熱管３の軸方向断面図を示し、右側に伝熱管３の径方向断面図を示している。また、図４では、蒸気Ｓは左側から右側に流れているものとする。蒸気Ｓの流速が遅い場合には、図４（Ａ）に示すように、凝縮伝熱部で発生するドレンＤは、重力の作用によって伝熱管内の鉛直下方側に落下し、蒸気Ｓの流れと異なる方向に流れる。したがって、ドレンＤの流れと、蒸気Ｓの流れとが干渉し、伝熱管３内に圧力波が発生すると考えられる。したがって、この場合には水撃作用が生じる。これに対して、蒸気Ｓの流速を速くしていくと、図４（Ｂ）に示すように、伝熱管３内で発生するドレンＤは、重力の作用に逆らって伝熱管３の管壁に沿って蒸気Ｓの流れと同じ方向に流れる。したがって、この場合には水撃作用は生じない。

図５は、蒸気の流速と、伝熱管に生じる振動との関係図である。なお、図５は、蒸気熱交換器１において、オリフィス４の径を変更することによって蒸気Ｓの流速を変更し、伝熱管３に生じる振動を測定した一例を示すものである。また、図５は、蒸気Ｓの流速を横軸にとり、伝熱管３に生じる１分間あたりの振動回数を縦軸にとったグラフであり、振動回数の測定を行ったときの蒸気Ｓの流速を遅い順にＰ１〜Ｐ１０としている。測定結果を参照すると、Ｐ１では、振動回数が最も多く、蒸気Ｓの流速がＰ２、Ｐ３と速くなるにしたがって、振動回数が少なくなる。そして、Ｐ９，Ｐ１０では、振動回数が０となっている。したがって、この伝熱管３に対しては、蒸気Ｓの流速をＰ９よりも速い流速に決定することによって、水撃作用を生じる流速よりも速い流速に決定することができる。なお、蒸気熱交換器１の設計を行うに際しては、蒸気Ｓの流速を、例えば、８０ｍ／ｓ以上の十分に速い速度に決定してから伝熱管３の設計をしていくことが好ましい。また、水撃作用の発生をある程度は許容できる場合には、蒸気Ｓの流速を、例えば、Ｐ７の流速などに決定してもよい。

次に、伝熱管３の設計方法について説明する。第１のステップとして、凝縮伝熱部の長さ（基準長）を設計する。具体的には、凝縮伝熱部の長さをＬ_Ｓとすると、加熱目標温度における凝縮伝熱部の交換熱量Ｑ_Ｓは、以下の式（１）で表すことができる。ここで、Ｔ_Ｓは、蒸気Ｓの温度であり、θは、加熱目標温度である。また、Ｋ_Ｓは、凝縮伝熱部の熱通過率であり、以下の式（２）で表すことができる。ここで、α_ｉは、伝熱管３の内表面の熱伝達率であり、α_ｏは、伝熱管３の外表面の熱伝達率である。また、ｒ_ｉは、伝熱管３の内半径であり、ｒ_ｏは、伝熱管３の外半径である。さらに、λは、伝熱管３の熱伝導率である。

また、凝縮伝熱部の交換熱量Ｑ_Ｓは、以下の式（３）で表すことができる。ここで、Ｇは、蒸気凝縮量の設計値であり、蒸気Ｓの乾き度を１とみなすことができる場合には、オリフィス４の排出量と一致する値である。また、ｈ"は、乾き飽和蒸気の比エンタルピであり、ｈ'は、飽和水の比エンタルピである。ここで、飽和水は、乾き度０の蒸気をいう。

したがって、凝縮伝熱部の長さＬ_Ｓは、以下の式（４）で表すことができる。すなわち、凝縮伝熱部の長さＬ_Ｓは、蒸気Ｓの熱量と、飽和水の熱量との差を、定常状態における伝熱管３の単位長さあたりの蒸気Ｓと、液体２１との交換熱量で除算して算出される長さとしている。

第２のステップとして、顕熱伝熱部の長さ（所定の長さ）を設計する。具体的には、加熱目標温度における排出ドレンの目標温度を決定し、この目標温度をＴ_Ｄとすると、加熱目標温度における液体２１と、排出ドレンとの温度差ΔＴ_Ｗは、以下の式（５）に示すように、対数平均温度差で与えられる。

したがって、顕熱伝熱部の長さをＬ_Ｗとすると、加熱目標温度における顕熱伝熱部の交換熱量Ｑ_Ｗは、以下の式（６）で表すことができる。ここで、Ｋ_Ｗは、顕熱伝熱部の熱通過率であり、以下の式（７）で表すことができる。なお、本実施形態では、凝縮伝熱部および顕熱伝熱部の径を同一としているが、異なっていてもよい。

また、顕熱伝熱部の交換熱量Ｑ_Ｗは、以下の式（８）で表すことができる。ここで、ｃは、排出ドレンの比熱である。

したがって、顕熱伝熱部の長さＬ_Ｗは、以下の式（９）で表すことができる。すなわち、顕熱伝熱部の長さＬ_Ｗは、飽和水の熱量と、排出ドレンの目標温度に基づく熱量との差を、定常状態における伝熱管３の単位長さあたりのドレンＤと、液体２１との交換熱量で除算して算出される長さとしている。

第３のステップとして、凝縮伝熱部と、顕熱伝熱部との境界位置における流れ方向を、伝熱管３の軸方向とするように伝熱管３を設計する。具体的には、初期平衡状態から定常状態に至るまで１本の連続する伝熱管３における任意の位置に水封面ＳＤが位置するように伝熱管３を設計している。したがって、伝熱管３の形状の制限がないため、蒸気熱交換器１の設計自由度を向上させることができる。

このように、本実施形態によれば、伝熱部に水封面ＳＤを有しているので、凝縮伝熱部と、顕熱伝熱部とを伝熱部に備えることができる。したがって、貯留槽２内の液体を効率よく加熱することができる。また、水封面ＳＤにおける流れ方向は、伝熱管３の軸方向とされている。したがって、水封面ＳＤは、伝熱管３の径方向に形成される。すなわち、伝熱管３の下流側は水封される。

（第２の実施形態）
図６は、第２実施形態に係る蒸気熱交換器の断面模式図である。本実施形態の特徴は、２つの伝熱管３１，３２を束ねている点にある。なお、それ以外については、上述した第１の実施形態と同様なので、ここでの説明を省略する。

具体的には、蒸気熱交換器１は、伝熱管３１，３２と、ジョイント５１，５２とを有する。伝熱管３１，３２は、伝熱部の長さが同一となるように設計されている。ジョイント５１は、伝熱管３１，３２の一端（図６の左端）を接続する。また、このジョイント５１には、蒸気Ｓが供給される。ジョイント５２は、伝熱管３１，３２の他端（図６の右端）を接続する。また、このジョイント５２は、排出装置（図示略）に接続され、所定量のドレンＤを排出させる。

このように、本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様に、凝縮伝熱部と、顕熱伝熱部とを伝熱部に備えることができる。それとともに、２つの伝熱管３１，３２を用いることができるので、蒸気熱交換器１の設計自由度を更に向上させることができる。なお、伝熱管の数は、３つ以上であってもよい。

なお、上述した各実施形態では、顕熱伝熱部の長さＬ_Ｗは、飽和水の熱量と、排出ドレンの目標温度に基づく熱量との差を、定常状態における伝熱管３の単位長さあたりのドレンＤと、液体２１との交換熱量で除算して算出される長さとしていたが、これ以外の長さとしてもよい。要するに、伝熱部の長さは、凝縮伝熱部の長さＬ_Ｓと、所定の長さとを加算することによって設計すればよい。

また、上述した各実施形態では、伝熱管３は、１本の連続した管に形成されていたが、１本の連続した管でなくてもよく、継手などを用いてもよい。要するに、水封面における流れ方向を、伝熱管の軸方向とするように伝熱管を設計すればよい。

また、上述した各実施形態では、伝熱管３の両端を液面２１から鉛直上方向に突出させて蒸気熱交換器１を構成していたが、伝熱管３の両端を貯留槽２の側面から水平方向に突出させるように構成してもよい。さらに、上述した各実施形態では、投込み式の蒸気熱交換器を例示したが、二重管式や、伝熱管内の流体を蒸気とするシェルアンドチューブ式などの他の蒸気熱交換器に本発明を適用してもよい。

以上のように、本発明は、蒸気熱交換器に対して広く適用できる。

１蒸気熱交換器
２貯留槽
３伝熱管
４オリフィス（排出装置）
２１液体
３１，３２伝熱管
５１，５２ジョイント

Claims

両端を液面から突出させて加熱対象の液体に浸漬されるとともに、一端から蒸気が供給される伝熱管と、前記伝熱管の他端から所定量のドレンを排出させる排出装置とを有する蒸気熱交換器の設計方法において、
前記液体に浸漬された前記伝熱管の部位に前記蒸気の乾き度が０となる境界位置を有し、前記境界位置における流れ方向を、前記伝熱管の軸方向とするように前記伝熱管を設計するとともに、前記蒸気の流速を、水撃作用を生じる流速よりも速く設計することを特徴とする蒸気熱交換器の設計方法。
前記蒸気の熱量と、飽和水の熱量との差を、前記液体の温度が加熱目標温度に達した定常状態における前記伝熱管の単位長さあたりの前記蒸気と、前記液体との交換熱量で除算して算出される長さを基準長とする第１のステップと、
前記基準長と、所定の長さとを加算することによって、前記液体に浸漬された前記伝熱管の部位の長さを設計する第２のステップと、
前記基準長と、前記所定の長さとの境界位置における流れ方向を、前記伝熱管の軸方向とするように前記伝熱管を設計する第３のステップと
を有することを特徴とする請求項１に記載された蒸気熱交換器の設計方法。
前記所定の長さは、前記飽和水の熱量と、前記伝熱管の他端から排出されるドレンの目標温度に基づく熱量との差を、前記定常状態における前記伝熱管の単位長さあたりの前記ドレンと、前記液体との交換熱量で除算して算出される長さとされることを特徴とする請求項２に記載された蒸気熱交換器の設計方法。