JP6812077B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

ここに開示された技術は、流体と熱交換する熱交換器に関する。

例えば、特許文献１に記載の熱交換器は、蒸気を供給する蒸気供給管と、蒸気と熱交換する伝熱部としての伝熱管とを備えている。伝熱管の内部には、媒体が流通している。蒸気供給管から供給された蒸気は、伝熱管内の媒体と熱交換することによって冷却される。

特開２０１０−１１７１０６号

前述のような熱交換器においては、媒体の流量が熱交換効率に大きく影響する。つまり、媒体の流量が大きくなるほど、熱交換効率が向上する。しかしながら、媒体を圧送する能力にも限界があるため、媒体の流量を無制限に増大できるわけではない。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱交換器の熱交換効率を向上させることにある。

ここに開示された熱交換器は、第１流体を供給する供給部と、内部を第２流体が流通し、前記第１流体と熱交換する伝熱部と、前記第２流体の流通方向における前記伝熱部よりも下流に設けられ、前記伝熱部から前記第２流体を吸引するエゼクタとを備えている。

前記熱交換器によれば、熱交換効率を向上させることができる。

図１は、熱交換器の模式的な縦断面図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、熱回収システム１００の模式的な配管図である。

熱回収システム１００は、熱交換器１と貯留タンク５とを備えている。

熱交換器１は、容器１０と、容器１０内に蒸気を供給する蒸気供給部２と、容器１０内に収容され、内部を水が流通し、蒸気と熱交換する伝熱管３と、水の流通方向における伝熱管３よりも下流に設けられ、伝熱管３から水を吸引するエゼクタ４とを備えている。伝熱管３には、貯留タンク５に貯留された水が供給されている。伝熱管３から排出される水は、エゼクタ４を介して貯留タンク５に還流される。熱交換器１は、蒸気供給部２から供給される蒸気と伝熱管３の水とを熱交換させ、蒸気を冷却する一方で蒸気の熱を温水として回収する。温水は、貯留タンク５に還流される。

容器１０は、円筒状に形成された周壁１１と、天井部１２と、底部１３とを有している。容器１０の下部は、蒸気が凝縮して生成されたドレンや洗浄水を貯留する貯留部１８となっている。底部１３には、貯留部１８に溜まったドレン等の液体を排出する第１排出管１４が接続されている。

容器１０の中央には、容器１０の軸心に沿って延びる大気開放管１５が設けられている。大気開放管１５の上部は、天井部１２を貫通して容器１０の外方まで延び、大気に開放されている。大気開放管１５の下部は、底部１３の近傍まで延び、下方に向かって開口している。尚、大気開放管１５の下端と底部１３との間には、間隙が設けられている。

また、容器１０の底部１３には、容器１０内に貯まり過ぎたドレンを排出するオーバーフロー管１６が設けられている。オーバーフロー管１６は、底部１３を貫通し、容器１０の軸心に沿って延びている。オーバーフロー管１６は、大気開放管１５よりも小径であり、大気開放管１５の下端から大気開放管１５内に進入している。オーバーフロー管１６の上端は、大気開放管１５の下端よりも高い位置に位置し、上方に開口している。オーバーフロー管１６の下端には、第２排出管１７が接続されている。

貯留部１８には、オーバーフロー管１６の上端の高さまでドレンが溜まるようになっている。オーバーフロー管１６の上端を超える量のドレンは、オーバーフロー管１６を介して第２排出管１７へ排出される。

蒸気供給部２は、容器１０の比較的上部に設けられている。蒸気供給部２には、蒸気供給管２２が接続されている。蒸気供給管２２には、例えば、蒸気使用装置の出口側又はドレンタンク等に接続されており、蒸気が供給される。

尚、蒸気供給部２は、供給部の一例であり、蒸気は、第１流体の一例である。

伝熱管３は、大気開放管１５の周囲を周回するようにコイル状に形成されている。伝熱管３の内部には、流体が流通する流路３０が形成されている。伝熱管３の一端部は、底部１３を貫通し、容器１０の外部に露出している。伝熱管３の一端部に第２流体の入口３１が形成されている。伝熱管３の他端部は、周壁１１を貫通し、容器１０の外部に露出している。伝熱管３の他端部に第２流体の出口３２が形成されている。伝熱管３において、入口３１から流入した水は、流路３０に沿って螺旋状に上方へ流れていき、出口３２から排出される。水は、伝熱管３を流通する際に蒸気と熱交換して蒸気から熱を回収する。

伝熱管３の入口３１には、水を供給する第１供給管５１が接続されている。第１供給管５１は、貯留タンク５から延び、貯留タンク５の水を供給する。第１供給管５１には、第１ポンプ５２が設けられている。第１ポンプ５２は、貯留タンク５の水を第１供給管５１を介して伝熱管３に供給する。

伝熱管３の出口３２には、接続管５４を介してエゼクタ４が接続されている。伝熱管３から排出される水は、エゼクタ４に吸引される。

尚、伝熱管３は、伝熱部の一例であり、水は、第２流体の一例である。

エゼクタ４は、駆動流体を噴出するノズル４１と、少なくともノズル４１の先端を収容し、ノズル４１からの駆動流体の噴出により生じる負圧によって吸引流体を吸引する吸引室４２と、吸引室４２から駆動流体及び吸引流体を混合して排出するディフューザ４３とを有している。

ノズル４１には、第１供給管５１（詳しくは、第１供給管５１のうち第１ポンプ５２よりも下流側の部分）から分岐する分岐管５３が接続され、分岐管５３を介して水が供給される。つまり、ノズル４１には、貯留タンク５の水が駆動流体として供給されている。

吸引室４２には、ノズル４１の少なくとも噴出口が収容されている。吸引室４２には、接続管５４を介して伝熱管３の出口３２が接続されている。つまり、吸引室４２は、伝熱部３の出口３２から排出される水を吸引流体として吸引する。

ディフューザ４３の上流端は、吸引室４２に接続されている。ディフューザ４３の流路断面積は、上流から下流に向かって、一旦縮小した後、最終的に拡大している。ディフューザ４３を通過する流体は、最終的に減速すると共に昇圧する。ディフューザ４３の下流端は、排出管５５を介して貯留タンク５に接続されている。つまり、ディフューザ４３は、水を貯留タンク５へ還流させる。

吸引室４２では、ノズル４１から水が噴出することによって生じる負圧（圧力降下）により伝熱管３からの水が接続管５４を介して吸引される。つまり、吸引室４２では、ノズル４１のジェットポンプ効果によって生じる負圧により、伝熱管３からの水を吸引するための吸引力が発生する。

尚、貯留タンク５には、第２供給管５６が接続されている。第２供給管５６には、第２ポンプ５７が設けられている。第２供給管５６の下流端は、温水使用装置としてのボイラ５８が接続されている。つまり、貯留タンク５の水（温水）は、第２ポンプ５７によってボイラ５８に供給される。

このように構成された熱交換器１の動作について説明する。

伝熱管３には、貯留タンク５から第１ポンプ５２によって供給された水が流通している。一方で、蒸気供給部２から容器１０内に蒸気が供給される。容器１０内に供給された蒸気は、伝熱管３により冷却されて凝縮し、ドレンとなる。

発生したドレンは、容器１０の貯留部１８に溜まっていく。貯留部１８に溜まったドレンは、通常、第１排出管１４を介して排出される。貯留部１８に溜まったドレンが多すぎる場合には、ドレンの一部はオーバーフロー管１６から排出される。

さらに、容器１０内の蒸気により容器１０内の圧力が高くなった場合には、大気開放管１５よりも外側の領域のドレン水位が蒸気に押し下げられ、押し下げられたドレンは、大気開放管１５を通ってオーバーフロー管１６から排出される。容器１０内の圧力がさらに大きくなると、ドレン水位は、大気開放管１５の下端近傍まで押し下げられ、蒸気の一部は大気開放管１５を介して容器１０外へ開放される。

一方、伝熱管３に伝達した蒸気の熱は、伝熱管３内の水に伝わり、水によって回収される。そのため、伝熱管３から排出される水は、温水となっている。伝熱管３から排出される温水は、エゼクタ４を介して貯留タンク５へ還流される。

エゼクタ４のノズル４１には、第１供給管５１から分岐した水が分岐管５３を介して供給される。分岐管５３から供給される水の圧力は、伝熱管３の入口３１の水の圧力と同程度である。一方、吸引室４２には接続管５４を介して伝熱管３の出口３２が接続されている。伝熱管３には圧力損失があるため、伝熱管３の入口３１の水の圧力に比べて、伝熱管３の出口３２での水（温水）の圧力は低くなっている。つまり、エゼクタ４においては、比較的高圧の水が駆動流体としてノズル４１に供給され、伝熱管３の圧力損失によって圧力が低下した水が吸引流体として吸引室４２に吸引される。

エゼクタ４から排出される水は、排出管５５を介して貯留タンク５へ流入する。つまり、熱交換器１で回収された熱は、貯留タンク５に回収される。貯留タンク５の水は、様々な用途に使用され得る。例えば、貯留タンク５の水は、第２ポンプ５７によって第２供給管５６を介してボイラ５８に供給される。

このような熱交換器１の熱交換効率は、伝熱管３の水の流量に大きく影響を受ける。つまり、水の流量が大きくなるほど、熱交換効率が向上する。しかしながら、第１供給管５１等の配管、第１ポンプ５２及び熱交換器１の耐圧性能上の制約から、伝熱管３に供給する水の圧力をどこまでも上げることはできない。それに対し、伝熱管３の出口３２をエゼクタ４の吸引室４２に接続することによって、伝熱管３の出口３２から排出される水をエゼクタ４により発生する負圧で吸引することができる。これにより、伝熱管３を流通する水の流量を増大させることができ、その結果、熱交換器１の熱交換効率を向上させることができる。

以上のように、熱交換器１は、蒸気（第１流体）を供給する蒸気供給部２（供給部）と、内部を水（第２流体）が流通し、蒸気と熱交換する伝熱管３（伝熱部）と、水の流通方向における伝熱管３よりも下流に設けられ、伝熱管３から水を吸引するエゼクタ４とを備えている。

この構成によれば、エゼクタ４によって伝熱管３の出口３２の圧力が低下させられるので、伝熱管３を流通する水の流量が増加する。その結果、熱交換器１の熱交換効率を向上させることができる。

また、伝熱管３の第２流体の入口３１には、水を供給する第１供給管５１（供給管）が接続され、エゼクタ４は、ノズル４１と、少なくともノズル４１の先端を収容する吸引室４２と、吸引室４２から流体を排出するディフューザ４３とを有し、ノズル４１には、第１供給管５１から分岐した分岐管５３が接続され、分岐管５３を介して水が供給され、吸引室４２は、伝熱管３の第２流体の出口３２が接続され、伝熱管３から水が吸引する。

この構成によれば、伝熱管３に供給される水の一部が分岐してエゼクタ４を作動させる。つまり、エゼクタ４を作動させるための駆動流体を別途準備する必要がなく、伝熱管３に供給される水の一部を利用してエゼクタ４を作動させることができる。これにより、熱交換器１の構成を簡素化することができる。

また、伝熱管３への水もエゼクタ４のノズル４１への水も第１ポンプ４２によって供給される。つまり、伝熱管３及びノズル４１へ水を供給する動力源を共通にすることができるので、エゼクタ４を作動させるための動力源を別途設ける構成や伝熱管３の出口３２から水を吸引するためのポンプを別途設ける構成と比較して、全体としての消費エネルギを低減することができる。

さらに、第１供給管５１は、水を貯留する貯留タンク５から水を供給し、ディフューザ４３は、水を貯留タンク５へ還流させる。

この構成によれば、伝熱管３を流通する水及びエゼクタ４を通過する水は、貯留タンク５から供給され、貯留タンク５へ戻る。つまり、伝熱管３へ供給される水の一部がエゼクタ４の作動に利用されるので、貯留タンク５から供給される水の量は増加する。しかし、その水は、最終的には貯留タンク５に還流される。そのため、エゼクタ４を貯留タンク５の水で作動させるとしても、伝熱管３、エゼクタ４及び貯留タンク５を循環する水の循環量が増加するだけで、貯留タンク５の水の消費量が増加するわけではない。

また、熱交換器１に供給される第１流体は、蒸気であり、伝熱管３を流通する第２流体は、水である。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

例えば、熱交換器１の各要素の構成は、一例に過ぎず、様々な構成を採用することができる。

熱交換器１は、伝熱部として伝熱管３を採用しているが、これに限られるものではない。伝熱部は、内部を流体が流通する限り、任意の構成を採用することができる。伝熱管３は、コイル状でなくてもよい。また、伝熱管３は、フィンチューブ型であってもよい。さらには、伝熱部は、ヒートシンク等であってもよい。また、伝熱部の内部を流通する流体は、水に限られない。すなわち、第２流体は、水以外の媒体であってもよい。

熱交換１００は、蒸気の熱を回収するように構成されているが、熱交換する対象は、蒸気に限られない。例えば、熱交換器は、水等の液体と熱交換して熱を回収する構成であってもよい。すなわち、第１流体は、水等の液体であってもよい。その場合、蒸気供給部２は、水（液体）供給部に置き換えられる。容器１０内には、比較的高温の水が供給される。高温の水と伝熱管３とが熱交換し、熱が冷却水に回収される。容器１０内に供給された水は、貯留部１８に貯留し、第１排出管１４又はオーバーフロー管１６を介して排出される。この構成の場合、貯留部１８がドレンを貯留する場合と比較し、貯留部１８の容量が拡大され得る。例えば、オーバーフロー管１６の上端がより高い位置に位置するようになる。

以上説明したように、ここに開示された技術は、流体と熱交換する熱交換器について有用である。

１ 熱交換器
２ 蒸気供給部（供給部）
３ 伝熱管（伝熱部）
３１ 入口
３２ 出口
４ エゼクタ
４１ ノズル
４２ 吸引室
４３ ディフューザ
５ 貯留タンク
５１ 第１供給管
５３ 分岐管

Claims (2)

1. 第１流体を供給する供給部と、
   内部を第２流体が流通し、前記第１流体と熱交換する伝熱部と、
   前記第２流体の流通方向における前記伝熱部よりも下流に設けられ、前記伝熱部から前記第２流体を吸引するエゼクタとを備え、
   前記第１流体は、蒸気であり、
   前記第２流体は、水であり、
   前記伝熱部の前記第２流体の入口には、前記第２流体を供給する供給管が接続され、
   前記エゼクタは、ノズルと、少なくとも前記ノズルの先端を収容する吸引室と、前記吸引室から流体を排出するディフューザとを有し、
   前記ノズルには、前記供給管から分岐した分岐管が接続され、前記分岐管を介して第２流体が供給され、
   前記吸引室は、前記伝熱部の前記第２流体の出口が接続され、前記伝熱部から前記第２流体を吸引することを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記供給管は、前記第２流体を貯留する貯留タンクから前記第２流体を供給し、
   前記ディフューザは、前記第２流体を前記貯留タンクへ還流させることを特徴とする熱交換器。

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