JP6713345B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、気体と液体等の熱回収媒体との熱交換を行う熱交換器に関する。

地球温暖化に対して近年取り組まれている対策の一つとして、製鉄所等といった工場の排ガスからＣＯ_２を分離回収する技術の開発が進められている。
この分離回収技術の代表例としては物理吸着法や化学吸収法が挙げられる。

物理吸着法では、ＣＯ_２の吸着材への吸着及び脱離のため、送風機や真空ポンプが必要となり、大きな電力を必要とする。
また、化学吸収法では、ＣＯ_２を吸収した吸収液を再生するための多量の蒸気を必要とする。
しかしながら、これらの電力や蒸気を供給するために化石燃料を用いたのでは、地球温暖化対策とはならない。

そこで、工場から大気放散されている低温（例えば４００℃以下）排ガスからさらに熱回収を行い、発電や蒸気の供給に利用する技術が検討されている。ＣＯ_２回収に必要な熱量は多量であることから、熱回収も高効率に行うことが期待されている。
熱回収で利用される熱交換器は、排ガスと熱回収媒体との熱交換を担う。上記で述べたＣＯ_２回収目的の場合、熱回収媒体は液体である。以下の説明では、熱交換器で用いる熱回収媒体は液体であるものとする。

熱交換器として、高効率な熱交換が可能であるプレート型又はプレートフィン型のものが知られている。これらの熱交換器は一般に、熱交換コア部と、分配／集合部と、ヘッダ部と、を備える。熱交換コア部は、熱交換を担い、分配／集合部は、熱交換コア部に流入する流体を分配し、又は熱交換コア部から流出した流体を集合させ、ヘッダ部は、外部から分配／集合部に流体を導入し、又は分配／集合部から外部に流体を排出する。
なお、これらの部分のうち２つまたは３つをまとめて一体化した熱交換器も存在する。

熱交換コア部において熱交換される流体が均等に流動したとき（偏流がないとき）に、その熱交換器は最大効率を発揮する。すなわち、交換熱量が最も大きくなり、高効率な熱交換が達成できる。
そのような背景から、特許文献１〜３にはいずれも、偏流を低減し流量を均等にするための分配／集合部に関する技術が開示されている。

熱交換に係る伝熱現象においては、一般的に圧損と伝熱能力には正の相関がある。
そこで、熱交換器においては、熱交換器全体の圧損に対して、熱交換コア部での圧損は相対的に最も大きくし、熱交換への寄与が低い分配／集合部及び熱交換への寄与が一般的にはないヘッダ部では圧損を相対的に小さくすることが一般的である。
このような圧損バランスとすることで、ヘッダ部−分配／集合部間での均一な流体流量配分、及び、分配／集合部−熱交換コア部での均一な流体流量配分となることが期待できる。

特開２００７−１３９３４４号公報 特開昭５９−２２９１９３号公報 特開平１−１０２２９４号公報

ここで、上記のような排ガスからの熱回収を行う場合、排ガスは体積流量が多いことから送風のためのブロア動力も大きく、熱交換器における少なくとも排ガス側の圧損を可能な限り低くしたいという要望がある。
一方で、熱回収媒体（液体）は排ガスに対して熱容量が圧倒的に大きいため、その体積流量は少なく、ポンプ動力は小さく無視できる。

したがって、熱交換器全体において、熱回収媒体側の圧損が高くとも、排ガス側の圧損を最小化することが全体的な動力コスト低減につながる。
その実現のためには、煙道や煙突の排ガス主流方向に沿って熱交換コア部が配設されるように熱交換器を設置することが望ましい。これにより排ガス側にはヘッダ部や分配／集合部がほぼ不要となり、これらの部分での圧損が生じないからである。

それに対し、熱回収媒体側は、ヘッダ部や分配／集合部が必要である。特に分配／集合部は排ガス流れにも重なるため、可能な限りコンパクトな構造が望ましい。
分配／集合部をコンパクトにすると、熱交換コア部における圧損よりも分配／集合部における圧損が相対的に大きくなる。したがって、分配／集合部に要求される流体流量の均一配分性が満足されないという問題があった。

特許文献１〜３のいずれにおいても、このような観点からの検討はない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、分配／集合部がコンパクトな構造を有する場合であっても、排ガスと熱回収媒体との間で高効率に熱交換することが可能な熱交換器を提供することをその目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、気体側プレートと熱回収媒体側プレートの組が複数積層され、気体が流れる流路と熱回収媒体が流れる流路とが交互に積層配置されるプレート型またはプレートフィン型の熱交換器であって、前記熱回収媒体が流れる流路毎に、気体と熱回収媒体との熱交換を行う熱交換コアと、該熱交換コアへ熱回収媒体を分配して導入する分配部と、前記熱交換コアから排出された熱回収媒体を集合させる集合部と、外部から前記分配部に熱回収媒体を導入する導入ヘッダと、前記集合部からの熱回収媒体を外部に排出する排出ヘッダと、を備え、前記分配部と前記集合部は、所定方向から見て前記熱交換コアと重なる部分に位置し、前記導入ヘッダ及び前記排出ヘッダは、前記所定方向から見て前記熱交換コアの外側に位置し、前記導入ヘッダは、前記所定方向から見て、前記熱交換コアを挟み、前記排出ヘッダとは反対側に位置し、前記分配部と前記集合部の圧損の合計は、前記熱交換コアの熱回収媒体に係る圧損以上であり、前記分配部は、前記導入ヘッダからの熱回収媒体の導入方向に関し、前記導入ヘッダ側から流路の断面積が単調減少する形状を有し、前記集合部は、前記排出ヘッダからの熱回収媒体の排出方向に関し、前記排出ヘッダ側へ流路の断面積が単調増加する形状を有し、前記分配部と前記集合部の前記流路の断面積の最大値と最小値の比が０．１以下であることを特徴としている。

本発明によれば、導入ヘッダ及び排出ヘッダが、気体側の熱交換コアへの気体の導入／排出の妨げとなることがなく、さらに、分配／集合部がコンパクトな構造であり分配／集合部における圧損が高い場合でも、液体側の熱交換コア内の液体の流量が均一となる。したがって、分配／集合部がコンパクトな構造であっても高効率で熱交換することができる。

前記所定方向は例えば気体の流れる方向である。

前記熱回収媒体は例えば液体である。

本発明によれば、コンパクトな分配／集合部であっても、排ガスと熱回収媒体との間で高効率に熱交換することができる。

本発明に係る熱交換器の一例を模式的に示した斜視図である。 図１の熱交換器の液体側プレートの要部を説明するための模式図である。 液体側プレートの一例を説明するための図である。 液体側プレートの他の例を説明するための図である。 液体側プレートの別の例を説明するための図である。 液体側プレートの別の例を説明するための図である。 図１の気体側プレートの一例を模式的に示した図である。 気体側プレートの他の例を模式的に示した図である。 比較例の液体側プレートを模式的に示した図である。 他の比較例の液体側プレートを模式的に示した図である。 別の比較例の液体側プレートを模式的に示した図である。 シミュレーションの条件等を説明するための図である。 シミュレーション結果を示す図である。 他のシミュレーションの条件を説明するための図である。 他のシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明に係る熱交換器の一例を模式的に示した斜視図である。
図１の熱交換器１は、気体と熱回収媒体との熱交換を行うプレート型またはプレートフィン型の熱交換器である。熱交換器１は、不図示のエンドプレートの間に、複数の気体側プレート１０、熱回収媒体側プレート２０の組が積層されている。これらプレートの外周部分同士を溶接などにより接合することで、エンドプレートとプレート１０、２０で囲われた内部に、高温の気体（例えば排ガス）が流れる高温流路と、低温の熱回収媒体（例えば液体）が流れる低温流路とが交互に積層配置される。以下の説明では、熱回収媒体側プレート２０を液体側プレート２０と省略する。

図１では、気体側プレート１０と液体側プレート２０の間に隙間があるが、実際は上述のようにプレート１０、２０の外周部が接合されている。プレート１０、２０間は、外周部が接合された状態であっても中心部においては隙間があり上述の流路が形成されている。気体側プレート１０や液体側プレート２０は例えば金属板をプレス加工することにより作製される。
熱交換器１はさらに、導入ヘッダ３１と排出ヘッダ３２とを備える。これらについては後述する。

熱交換器１は、例えば、製鉄所等からの排ガスと液体との熱交換に利用される。
熱交換の際、例えば、図のＸ方向正方向に流れている排ガスは、熱交換器１内をＸ方向正方向に流れ、Ｘ方向に関し排ガスの導入側とは反対側から排出される。
一方、液体は、導入ヘッダ３１を介してＸ方向とは直交する方向から熱交換器２内に導入され、排出ヘッダ３２を介してＸ方向と直交する方向へ熱交換器２から排出される。ただし、熱交換器２内において液体の流れの主方向は図で点線矢印で示すようにＸ方向（負方向）である。
本例では、熱交換器２内において、排ガスと気体の流れの主方向は互いに反対の方向であるが、同一方向であってもよい。

図２は、熱交換器１の液体側プレート２０の要部を説明するための模式図である。
図示するように、液体側プレート２０は、排ガスと液体で熱交換する熱交換コアを形成する部分（以下、熱交換コア部）２１を有する。さらに、同プレート２０は、熱交換コア部２１へ液体を分配して導入する分配部を形成する部分（以下、分配部）２２と、熱交換コア部２１から排出された液体を集合させる集合部を形成する部分（以下、集合部）２３と、を有する。

熱交換器１は、前述の図１で示すように、複数の液体側プレート２０に対し共通する導入ヘッダ３１と排出ヘッダ３２を備える。導入ヘッダ３１は、熱交換器１の外部から分配部２２に液体を導入し、排出ヘッダ３２は、集合部２３からの液体を外部に排出する。
導入ヘッダ３１から液体側プレート２０へ導入された液体は、分配部２２、熱交換コア部２１、集合部２３、排出ヘッダ３２へと流れ、排出ヘッダ３２を介して外部へ排出される。

以下、熱交換器１の特徴的な構成について説明する。

熱交換器１では、導入ヘッダ３１及び排出ヘッダ３２は、熱交換コア部２１に対して、排ガスの流れる方向すなわち図のＸ方向から見て外側（以下、単に外側と省略）に位置する。仮に、熱交換コア部２１に対して、排ガスの流れるＸ方向から見て内側（図のＡ１、Ａ２に相当する箇所）に位置するものとすると、熱交換コア部２１と気体側すなわち排ガス側の熱交換コアとは重なる位置にあるので、排ガス側の熱交換コアへの排ガスの導入が妨げられてしまう。したがって、導入ヘッダ３１及び排出ヘッダ３２は熱交換外側に位置する。熱交換器１では、液体の流量が少ないため、上述の配置構成が可能である。

また、導入ヘッダ３１は、排ガスの流れるＸ方向から見て、熱交換コア部２１を挟み、排出ヘッダ３２とは反対側に位置する。
Ｘ方向から見て、導入ヘッダ３１及び排出ヘッダ３２が熱交換コア部２１の外側に位置した場合に、仮に、排出ヘッダ３２が、熱交換コア部２１を基準に導入ヘッダ３１と同じ側の箇所（図のＡ３に相当する箇所）に位置するものとする。この場合、分配部２２や集合部２３の圧損が大きいと、熱交換コア部２１の流量が不均一となってしまう。流体（この場合では液体）は圧損の少ない経路を流れるため、流体の導入／排出口と近い側は流量が増え、遠い側は流量が減ることが予測される。したがって、熱交換器１では、導入ヘッダ３１が上述のように熱交換コア部２１を挟み排出ヘッダ３２とは反対側に位置する配置構成を採用している。

さらに、液体側プレート２０の分配部２２は、該分配部２２への液体の導入方向（図のＹ１方向）に関し、流路の断面積が導入ヘッダ３１から単調減少する形状を有する。また、集合部２３は、該集合部２３からの排出方向（図のＹ２方向）に関し、流路の断面積が排出ヘッダ３２に向かって単調増加する形状を有する。上記断面積はそれぞれ、Ｙ１方向またはＹ２方向に延在する垂線を有する断面での分配部２２／集合部２３の面積である。上述のように単調減少／増加する形状を採用した理由は以下のとおりである。

すなわち、一般に分岐管流れ（径の大きな主管の側面に、径の小さな枝管が多数取り付けられており、主管を流れる流体流量が下流に向かって減少していく流れ）においては、下流に向かうにつれて主管内圧力が増加するため、枝管の流量分布は均一とはならず、下流に進むにつれて枝管流量が増加することが知られている。これは主管内の平均流速が下流に向かって減少するために生じる現象である。
液体側プレート２０において、分配部２２は上述の主管に該当し、熱交換コア部２１内の流路は上述の枝管に該当すると考えることができる

そこで、本例の液体側プレート２０では、分配部２２内において平均流速が一定に保たれるよう、分配部２２を上述のように単調減少する形状としている。
一方、排出側では、上記と反対側の現象が起きるので、液体側プレート２０では、集合部２３を上述のように単調増加する形状としている。

図において、分配部２２と集合部２３とは同一の形状であるが、異なる形状であってもよい。

図３〜図６は、液体側プレートの例を説明するための図であり、図２では図示を省略した後述の耳部についても図示したものである。
図３の液体側プレート２０_１は、プレート型またはプレートフィン型の熱交換器に用いられるものであり、熱交換コア部２１、分配部２２及び集合部２３の周囲を囲む耳部２４_１を有する。
耳部２４_１は、プレート同士の接合に用いられたり、気体側プレート側の耳部との間にスペーサやガスケットを挟むために用いられたりする。

図４の液体側プレート２０_２は、図３のプレート２０_１と、分配部２２及び集合部２３の形状が異なる。プレート２０_１では、分配部２２が三角形状となるように耳部２４_１が設けられていたが、プレート２０_２では、分配部２２の形状が台形状となるように耳部２４_２が設けられている。
Ｘ方向から見て熱交換コア部２１と重なる部分が単調増加／単調減少する形状であればよいため、図４のプレート２０_２のように耳部２４_２を設けてもよい。

また、図５及び図６の液体側プレート２０_３、２０_４は、外形が気体側プレートに対応した形状となるように、耳部２４_３、２４_４に幅広部２５_３、２５_４を有する。

図７は、図１の気体側プレート１０を模式的に示した図であって、該プレート１０の要部のみを示す。
気体側プレート１０は、排ガスと液体との熱交換を行う熱交換コア部に対応する部分（以下、熱交換コア部）１１と、該熱交換コア部１１の周囲を囲む耳部１２とを有する。
気体側プレート１０の熱交換コア部１１は、気体の流れ方向Ｘから見て、例えば図６の気体側プレート２０_４の熱交換コア部２１と略同じ大きさである。
図の気体側プレート１０の熱交換コア部１１では、液体側プレート２０の分配部２２及び集合部２３に対応する位置にまで延在しているが、その対応する位置は、熱交換コア部で有するフィンや凹凸のない空洞としてもよく、また、熱交換器１に加わる力を支えるための支柱等の構造を形成してもよい。

図８は、気体側プレートの他の例を模式的に示した図である。
図８の気体側プレート１０_１は、熱交換コア部１１及び耳部１２に加えて、該熱交換コア部１１に排ガスを均等に分配する分配部１３と、熱交換コア部１１から排出された排ガスを外部に排出する排出部１４とを有する。
分配部１３を設けることにより、流量が少ない場合であっても効率的に熱交換を行うことができる。

（実施例）
図２の構成の液体側プレート２０を実施例とし、図９〜図１１の構成の液体側プレートを比較例とし、熱交換コア部２１、分配部２２及び集合部２３の圧損を変化させたときの熱交換コア部２１内の流量分布についてシミュレーションを行った。

図９の比較例１の液体側プレート１００は、実施例１の液体側プレート２０と同様、熱交換コア１０１の外側に導入ヘッダ１０２及び排出ヘッダ１０３を有するが、分配部１０４が、導入ヘッダ１０２からの液体の導入方向に関し単調減少などせず一定の流路の断面積を有する形状である。集合部１０５も同様である。
図１０の比較例２の液体側プレート１１０は、図１０に示すように、比較例１の液体側プレート１００と同様な形状の熱交換コア１０１、分配部１０４及び集合部１０５を有するが、排出ヘッダ１１１が、気体の流れるＸ方向から見て、熱交換コア１０１を基準に導入ヘッダ１０２と同じ側に位置する。
また、図１１の比較例３の液体側プレート１２０は、実施例１と同様な液状の熱交換コア１０１、分配部１２１及び集合部１２２を有するが、排出ヘッダ１２３が、気体の流れるＸ方向から見て、熱交換コア１０１を基準に導入ヘッダ１０２と同じ側に位置する。

図１２は、シミュレーションの条件等を説明するための図である。
シミュレーションにおける液体側プレート２０の各部の寸法は以下の通りである。なお、以下の値は、導入ヘッダ３１及び排出ヘッダ３２の厚みＤ１を１としたときのものである。

液体側プレート２０（熱交換コア部２１）の幅Ｗ１：５
熱交換コア部２１の長さＬ１：２〜５
分配部２２の幅Ｗ２：０．２〜０．５
集合部２３の幅Ｗ３：０．２〜０．５

また、分配部２２への導入時の液体の圧力Ｐ_ｄｉｎは図の破線部Ｂ１に相当する範囲の平均値とした。以下同様に、熱交換コア部２１への導入時の液体の圧力Ｐ_ｃｉｎは破線部Ｂ２、熱交換コア部２１からの排出時の液体の圧力Ｐ_ｃｏｕｔは破線部Ｂ３、集合部２３からの排出時の圧力Ｐ_ｄｏｕｔは破線部Ｂ４に相当する範囲のそれぞれ平均値とした。
流量分布は、熱交換コア部２１の中心部（図の破線部Ｂ５）で測定した。
比較例の寸法は、実施例の寸法と同様であり、比較例の圧力、流量分布は、それぞれにおける上記Ｂ１〜Ｂ５に相当する範囲のそれぞれ平均値とした。

図１３は、比較例１〜３についてのシミュレーション結果と、実施例についてのシミュレーション結果を示す図である。
図中、横軸は、熱交換コア部２１を液体が通過する際の圧損に対する、分配部２２を液体が通過する際の圧損と集合部２３を液体が通過する際の圧損との和の比（以下、圧損の比）、縦軸は熱交換コア部２１での流量の偏りを示す流量（流速）偏差である。

圧損の比は、以下の定義の下、ｄＰｄ＝Ｐ_ｄｉｎ−Ｐ_ｄｏｕｔ、ｄＰｃ＝Ｐ_ｃｉｎ−Ｐ_ｃｏｕｔとしたときの（ｄＰｄ−ｄＰｃ）／ｄＰｃで与えられる。
Ｐ_ｄｉｎ：分配部２２への導入時の液体の圧力
Ｐ_ｃｉｎ：熱交換コア部２１への導入時の液体の圧力
Ｐ_ｃｏｕｔ：熱交換コア部２１からの排出時の液体の圧力
Ｐ_ｄｏｕｔ：集合部２３からの排出時の圧力

熱交換コア部２１での流量偏差は、流量分布測定断面内の「（最大流量−最少流量）／平均流量」で与えられる。流量偏差が０のとき、流量分布が完全に均一であることを表す。また、例えば、流量偏差が０．５のとき、平均流量に対して５０％（±２５％）の流量差があることを表す。

比較例１〜３では、図１３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、圧損の比が大きくなるにつれて流量偏差も大きくなる。比較例１〜３の構成でも、圧損の比が例えば０．１以下であれば、流量偏差は概ね１０％以下に維持できており、十分な熱交換性能を発揮しているため、圧損の比が０．１以下と少ない熱交換器には比較例１〜３の構成を採用することは可能と考えられる。
しかし、分配部／混合部がコンパクトであり熱交換コア部より分配部／混合部での圧損が多い熱交換器、すなわち圧損の比が高い熱交換器では、比較例１〜３の構成では流量偏差が大きくなるためこれらの構成を採用することはできない。

一方、実施例では、圧損の比が大きい場合でも流量偏差は１％程度を維持している。
このことから、分配部／混合部がコンパクトであり熱交換コア部より分配部／混合部での圧損が多い熱交換器には、実施例のような構成が好適であることが分かる。

次に、分配部／混合部の流路の断面を、どの程度まで減少／増加させれば流量偏差を抑えられるかについてシミュレーションを行った。
図１４は、シミュレーションの条件を説明するための図であり。図１５はシミュレーション結果を示す図である。

当該シミュレーションでは、分配部２２における該分配部２２に液体が導入される側の辺及び集合部２３における該集合部２３から液体が排出される辺の幅をａとし、液体の導入方向に関するこれらの辺の反対側の幅をｂとし、ｂ／ａを０〜１まで変化させた。その際、圧損の比も変化させ、そのときの流量偏差を計算した。
その他のシミュレーションの条件は前述のシミュレーションと同様である。
なお、ｂ／ａ＝０の場合は、図２の形状に相当し、ｂ／ａ＝１の場合は、図９の形状に相当する。

図１５から分かるように、幅の比ｂ／ａを０．１以下とすれば、圧損の比が１程度と大きくても、流量偏差を０．１、すなわち±５％程度と小さく抑えることができる。
したがって、分配部２２／集合部２３は、辺長さの比を０．１以下とすることが望ましい。言い換えると、分配部２２／集合部２３は、分配部２２への液体の導入方向または集合部２３からの液体の排出方向と平行な垂線を有する断面での流路の断面積の最大値と最小値の比を０．１以下とすることが望ましい。

１…熱交換器
１０，１０_１…気体側プレート
１１…熱交換コア部
１２…耳部
１３…分配部
１４…排出部
２０，２０_１，２０_２，２０_３，２０_４…熱回収媒体側プレート（液体側プレート）
２１…熱交換コア部
２２…分配部
２３…集合部
２４_１，２４_２，２４_３…耳部
２５_３，２５_４…幅広部
３１…導入ヘッダ
３２…排出ヘッダ

Claims (3)

1. 気体側プレートと熱回収媒体側プレートの組が複数積層され、気体が流れる流路と熱回収媒体が流れる流路とが交互に積層配置されるプレート型またはプレートフィン型の熱交換器であって、
   前記熱回収媒体が流れる流路毎に、
   気体と熱回収媒体との熱交換を行う熱交換コアと、
   該熱交換コアへ熱回収媒体を分配して導入する分配部と、
   前記熱交換コアから排出された熱回収媒体を集合させる集合部と、
   外部から前記分配部に熱回収媒体を導入する導入ヘッダと、
   前記集合部からの熱回収媒体を外部に排出する排出ヘッダと、
   を備え、
   前記分配部と前記集合部は、所定方向から見て前記熱交換コアと重なる部分に位置し、
   前記導入ヘッダ及び前記排出ヘッダは、前記所定方向から見て前記熱交換コアの外側に位置し
   前記導入ヘッダは、前記所定方向から見て、前記熱交換コアを挟み、前記排出ヘッダとは反対側に位置し、
   前記分配部と前記集合部の圧損の合計は、前記熱交換コアの熱回収媒体に係る圧損以上であり、
   前記分配部は、前記導入ヘッダからの熱回収媒体の導入方向に関し、前記導入ヘッダ側から流路の断面積が単調減少する形状を有し、
   前記集合部は、前記排出ヘッダからの熱回収媒体の排出方向に関し、前記排出ヘッダ側へ流路の断面積が単調増加する形状を有し、
   前記分配部と前記集合部の前記流路の断面積の最大値と最小値の比が０．１以下であることを特徴とする、熱交換器。
2. 前記所定方向は、気体の流れる方向であることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記熱回収媒体は液体であることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱交換器。