JP6604469B2 - 蛇管式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、蛇管式熱交換器に関する。さらに詳しくは、槽などに収容された液体を加熱するために使用される蛇管式熱交換器に関する。

反応槽やメッキ処理槽などのように、槽内に収容された液体を所定の温度まで加熱する場合、蒸気を使用した熱交換器が使用される。かかる熱交換器は中空な配管を有しており、この配管内に蒸気を流すことによって蒸気の熱を槽内の液体に供給する構成を有している。また、特許文献１には、蒸気の熱に加えて、蒸気が液化した液体の熱（顕熱）も利用して槽内の液体を加熱する技術が開示されている。

ＷＯ２００７/０５８２５６

ところで、上述したような熱交換器では、通常は、潜熱を利用して熱交換を行うため、配管内において蒸気は相変化を起こし、ドレン(熱水)となる。熱交換器では、上部から蒸気を供給して下部から蒸気を排する構成を採用しているので、ドレンは配管の下部から排出されている。

しかし、ドレンの量が増加すると、ドレンは配管の下部に溜まっていき、ドレンによって管路が水封される場合がある。かかる水封が発生すると、蒸気圧により急激にドレンが排出され、排出側の配管がハンマリンングを起こす場合がある。かかるハンマリンングが生じれば、配管には大きな衝撃が加わるので、配管が損傷する可能性があり、また、排出側の配管に接続されたドレン排出装置の故障を引き起こす可能性がある。

また、配管からドレンが排出される際に、ドレンと共に蒸気も排出されるので、蒸気ロスが生じ、熱交換効率が低下する。

本発明は上記事情に鑑み、ドレンを効率よく排出でき、配管の損傷や熱交換効率の低下を防ぐことができる蛇管式熱交換器を提供することを目的とする。

第１発明の蛇管式熱交換器は、一端から蒸気が供給される蛇管と、該蛇管の他端に連結された排出部と、を有する蛇管式熱交換器であって、前記排出部は、内部に液体を貯留し得る貯留空間を有する、両端が閉塞した筒状体の貯留部と、該貯留部の貯留空間と連通され、該貯留空間内に貯留された液体を排出する排出管と、を備えており、前記蛇管の他端は、前記貯留部の側面における上端部側に偏った位置に接続されており、前記貯留部の上端部の側面に接続されており、前記排出管は、その一端が前記貯留部の下端に接続されており、その流路の断面積が、前記蛇管の流路の断面積よりも小さいものであることを特徴とする。
第２発明の蛇管式熱交換器は、第１発明において、前記貯留部は、その貯留空間の断面積が、前記蛇管の流路の断面積よりも大きいことを特徴とする。
第３発明の蛇管式熱交換器は、第１または第２発明において、前記貯留部の貯留空間に貯留される液体の液面が、前記蛇管の他端よりも下方に位置するように設けられていることを特徴とする。
第４発明の蛇管式熱交換器は、第１、第２または第３発明において、前記貯留部は、その両端に鏡板を有する筒状体であることを特徴とする。

第１発明によれば、排出管の流路の断面積が蛇管の流路の断面積よりも小さいので、蒸気が相変化した液体によって常時排出管内を満たし、かつ、貯留部内も常時液体が溜まった状態とすることができる。すると、液体を連続的かつ効率よく排出することができる。しかも、排出管を通って蒸気が流出することを防ぐことができるので、配管の損傷や熱交換器の熱交換効率の低下を抑制することができる。また、貯留部の側面における上端部側に偏った位置に蛇管の他端が連通されているので、蒸気の流れを貯留部で緩めることができる。しかも、排出管の一端は、貯留部の下端に接続されている。すると、蒸気が排出管に直接流入したり、蒸気が貯留部内の液体に混入したりして、蒸気が排出管に流入する可能性を低くすることができる。
第２発明によれば、相変化する液体の量に変動があっても、貯留部内の液面変動を抑えることができるので、排出管４内に蒸気Ｇが混入することを防ぐことができる。
第３発明によれば、貯留部内の液体に蒸気が混入することを防ぐことができるので、蒸気が排出管に流入することを防止することができる。
第４発明によれば、貯留部の強度を高めることができるので、貯留部の板厚を薄くできる。すると、貯留部を軽量かつ安価に製造できるし、貯留部からの伝熱性も向上できる。

本実施形態の蛇管式熱交換器１の使用状況の概略説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の蛇管式熱交換器１における貯留部５の拡大説明図であり、（Ｃ）は貯留部５の断面図である。

本発明の蛇管式熱交換器は、槽内の液体などを加熱するために使用される熱交換器であって、配管内に溜まったドレンの排出を効率よく行えるようにしたことに特徴を有している。

本発明の蛇管式熱交換器が使用される装置は、反応槽や融解槽、保温槽等であるが、液体を加熱する必要がある装置であれば、これらに限定されない。また、本発明の蛇管式熱交換器によって加熱される液体も特に限定されない。

また、本発明の蛇管式熱交換器において、熱媒として使用される物質もとくに限定されず、気体（蒸気）の状態で供給され、液体の状態で排出されるものであればよい。

(本実施形態の蛇管式熱交換器１)
図１に示すように、本実施形態の蛇管式熱交換器１は、蛇管２と、この蛇管２の他端に接続された排出部３と、を備えている。本実施形態の蛇管式熱交換器１は、加熱される液体を収容する槽Ｔ内に配置されて使用されるものである。具体的には、蛇管２の全体または少なくとも下部が被加熱液体Ｌに浸漬された状態で使用される。

このため、本実施形態の蛇管式熱交換器１は、蛇管２に高温の蒸気Ｇを供給すれば、蛇管２が浸漬された被加熱液体Ｌに蒸気Ｇの熱を供給することによって、被加熱液体Ｌを加熱することができる。
なお、被加熱液体Ｌに熱を供給した蒸気Ｇは、熱を失うことによって相変化して液体（以下、ドレンＤという）になる。このドレンＤが排出部３によって外部に排出される。

（蛇管２）
図１に示すように、蛇管２は、配管をらせん状に曲げて形成されたものである。この蛇管２は、その一端（図１では上端）が加熱用の蒸気が供給される蒸気供給口となっており、この蛇管２の一端に、ボイラー等の蒸気供給手段が接続されている。この蛇管２は、被加熱液体Ｌを加熱する際には、その軸方向ＣＬがほぼ鉛直方向を向くように槽Ｔ内の被加熱液体Ｌに浸漬される。このため、蛇管２に供給された蒸気が相変化によってドレンＤとなれば、このドレンＤは、蛇管２内を下方、つまり、蛇管２の他端に向かって流れることになる。

（排出部３）
図１および図２において、符号５は、排出部３の貯留部５を示している。この貯留部５は、軸方向の両端に鏡板を有する断面略円形の筒状体であって、内部に貯留空間５ｈを有している。この貯留部５は、その貯留空間５ｈの内径ｄ５が、蛇管２の流路の内径ｄ２よりも大きくなるように形成されている。つまり、貯留部５は、その貯留空間５ｈの断面積Ａ５が、蛇管２の流路の断面積Ａ２よりも大きくなるように形成されている。

この貯留部５の側面には、蛇管２の他端（図１では下端）が接続されている。具体的には、軸方向ＣＬがほぼ鉛直方向を向くように蛇管２を槽Ｔ内の被加熱液体Ｌに浸漬したときに、貯留部５の軸方向において上方に位置する端部（以下単に貯留部５の上端部という）側に偏った位置に、蛇管２の他端が連結されている。そして、蛇管２の流路と貯留部５の貯留空間５ｈは連通されている。

また、貯留部５の下端には、排出部３の排出管４の一端が接続されており、貯留空間５ｈと排出管４の流路が連通されている。この排出管４は、その一端近傍で折り返された略Ｊ字状の管である。この排出管４の他端は、蛇管２を槽Ｔ内の被加熱液体Ｌに浸漬した状態において、被加熱液体Ｌの液面より上方に位置するように設けられている。そして、この排出管４の他端は、例えば、フロート式ドレン排出装置やディスク式ドレン排出装置、バイメタル式ドレン排出装置等のようにドレンを排出する機器に接続されている。かかる機器として、フロート式ドレン排出装置を使用すれば、後述するようなドレンＤの連続排出を最も効果的に行うことが可能となる。

そして、排出管４には、蛇管２の流路の内径ｄ２よりも流路の内径ｄ４が小さいものが使用されている。つまり、排出管４には、その流路の断面積Ａ４が、蛇管２の流路の断面積Ａ２よりも小さいものが使用されている。

以上のごとき構成であるので、蛇管２内で発生したドレンＤは、蛇管２の他端から貯留部５の貯留空間５ｈ内に流入して、貯留空間５ｈから排出管４を通って排出される。

ここで、蛇管２の流路の断面積Ａ２、貯留部５の貯留空間５ｈの断面積Ａ５、排出管４の流路の断面積Ａ４が、Ａ５＞Ａ２＞Ａ４という関係になっている。このため、蛇管２に供給される蒸気Ｇの流量、温度、被加熱液体Ｌの温度等が所定の範囲内であれば、排出管４の一端と他端との間および貯留部５の貯留空間５ｈの一定の領域をドレンＤによって満たすことができる（図２（Ｃ）参照）。つまり、蛇管２の他端と排出管４の他端との間を、ドレンＤによって気密に分離することができる。すると、貯留部５の貯留空間５ｈ内のドレンＤに加わる蒸気Ｇの圧力によって、ドレンＤを排出管４の他端から連続的に排出することができる。したがって、ドレンＤを排出する効率を高くすることができる。

しかも、蛇管２の他端と排出管４の他端との間がドレンＤによって気密に分離されているので、蒸気Ｇが直接排出管４を通って排出されることを防ぐことができる。また、貯留部５の側面に蛇管２の他端が連通されているので、蒸気Ｇの流れを貯留部５で緩めることができる。すると、蒸気Ｇが排出管４に直接流入したり、蒸気Ｇが貯留部５の貯留空間５ｈ内のドレンＤ内に混入したりして、蒸気Ｇが排出管４に流入する可能性を低くすることができる。したがって、蒸気Ｇの流出による熱交換器の熱交換効率の低下を抑制することができる。

また、蛇管２の他端と排出管４の他端との間がドレンＤによって気密に分離されているので、蒸気Ｇが間欠的に排出されたりすることも防止することができる。すると、排出管４内の圧力変動を抑制することができるので、ハンマリング等に起因する排出管４等の損傷を防止することができる。

（貯留部５について）
上記例では、蛇管２の流路の断面積Ａ２、貯留部５の貯留空間５ｈの断面積Ａ５、排出管４の流路の断面積Ａ４が、Ａ５＞Ａ２＞Ａ４という関係になっている場合を説明した。しかし、貯留部５の貯留空間５ｈの断面積Ａ５は、必ずしも、蛇管２の流路の断面積Ａ２よりも大きくなくてもよい。例えば、Ａ５≒Ａ２となっていてもよい。しかし、Ａ５＞Ａ２＞Ａ４となっていれば、蒸気Ｇの流量やその他の条件が変化して生成されるドレンＤの量がある程度変動しても、貯留部５の貯留空間５ｈ内のドレンＤの液面変動を少なくできる。すると、排出管４内に蒸気Ｇが混入することをふせぐことができる。

また、上記例では、貯留部５が両端に鏡板を有する断面円形の筒状体の場合を説明した。しかし、貯留部５は、ドレンＤを貯留でき、しかも、蒸気Ｇの圧力によって破損しないものであればよく、とくに限定されない。例えば、断面矩形の箱状体や球体等を貯留部５として使用してもよい。しかし、上記のごとく、貯留部５を両端に鏡板を有する断面円形の筒状体とすれば、貯留部の強度を高めることができるので、貯留部５を形成する素材の板厚を薄くできる。すると、貯留部５を軽量かつ安価に製造できるし、貯留部５からの伝熱性も向上できるという利点が得られる。

（貯留部５の貯留空間５ｈの液面）
さらに、貯留部５の貯留空間５ｈに貯留されるドレンＤの液面が蛇管２の他端よりも下方に位置するように、貯留部５や排出管４が構成されていることが望ましい。かかる構成とすれば、蒸気Ｇが貯留部５内のドレンＤに混入するなどして、蒸気Ｇが排出管４に流入することを防止することができる。

なお、蛇管２、貯留部５、排出管４として同じ組み合わせのものを使用した場合でも、被加熱液体Ｌの性質や蒸気Ｇの流量等の条件によって、貯留部５の貯留空間５ｈに貯留されるドレンＤの液面は変化する。したがって、ドレンＤの液面が蛇管２の他端よりも下方に位置するように、使用する条件に合わせて、蛇管２、貯留部５、排出管４は、その内径ｄや長さ等を適宜調整される。

（素材について）
蛇管２、貯留部５、排出管４を形成する素材はとくに限定されず、被加熱液体Ｌや蒸気Ｇ、ドレンＤによって腐食などを受けにくいものが好ましい。例えば、チタンやステンレス、鉄、アルミニウム等を使用することができる。

本発明の蛇管式熱交換器は、反応槽や融解槽、保温槽等に収容されている液体を加熱する熱交換器に適している。

１ 蛇管式熱交換器
２ 蛇管
３ 排出部
４ 排出管
５ 貯留部
５ｈ 貯留空間
Ｔ 槽
Ｌ 被加熱液体
Ｄ ドレン
Ｇ 蒸気

Claims (4)

1. 一端から蒸気が供給される蛇管と、該蛇管の他端に連結された排出部と、を有する蛇管式熱交換器であって、
   前記排出部は、
   内部に液体を貯留し得る貯留空間を有する、両端が閉塞した筒状体の貯留部と、
   該貯留部の貯留空間と連通され、該貯留空間内に貯留された液体を排出する排出管と、を備えており、
   前記蛇管の他端は、
   前記貯留部の側面における上端部側に偏った位置に接続されており、
   前記排出管は、
   その一端が前記貯留部の下端に接続されており、
   その流路の断面積が、前記蛇管の流路の断面積よりも小さいものである
   ことを特徴とする蛇管式熱交換器。
2. 前記貯留部は、
   その貯留空間の断面積が、前記蛇管の流路の断面積よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１記載の蛇管式熱交換器。
3. 前記貯留部の貯留空間に貯留される液体の液面が、前記蛇管の他端よりも下方に位置するように設けられている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の蛇管式熱交換器。
4. 前記貯留部は、
   その両端に鏡板を有する筒状体である
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の蛇管式熱交換器。

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