JPH0713559B2

JPH0713559B2 - 熱交換器を交互に加熱，冷却する方法と装置

Info

Publication number: JPH0713559B2
Application number: JP62148129A
Authority: JP
Inventors: ウルリヒシェーファーオトマー
Original assignee: オトマ− ウルリヒシエ−フア−
Priority date: 1986-06-20
Filing date: 1987-06-16
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPS633179A; DE3620623C1; US4804039A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、各々類別されている特許請求の範囲第１項と
第５項において説明するように、熱交換器を交互に加
熱，冷却する方法と装置に関する。

〔従来の技術と発明が解決しようとする問題点〕

ここで用いられている意味における熱交換器は、処理装
置の一部か又は処理装置それ自身でもよい。熱交換器
は、処理装置又は物品に関し交互に異なる温度制御を行
なうために使用され、処理物品は、一般には水である熱
媒体を使用する処理装置により処理され又は取り扱わ
れ、熱媒体は、システム中で処理物品と接触しない。こ
のような処理装置の例は、プレスである。

交互に加熱と冷却をする熱交換器のための非常に広範囲
の種々の型式の方法と装置は公知である。ドイツで発行
された明細書（DE−AS）第10 13 062号とドイツ特許明
細書第1 188 092号では、例えば、水が加熱媒体と冷却
媒体として使用される温水装置が記載されている。ま
た、蒸気が加熱媒体として使用され、水が冷却媒体とし
てそして可能なら予備加熱媒体として使用される装置も
知られている（ドイツ特許明細書第2 943 797号を参
照）。交互の加熱と冷却のためのこれらの２つの基本的
型式の装置は、各々、利点と欠点を有しており、以下に
説明される本発明の理解を高めるため、第１図と第２図
を参照して、これらの利点と欠点が説明される。

第１図は、同時に、上方部2aが温水製造手段か又は発生
装置である貯蔵手段２と、交互に加熱及び冷却される熱
交換器４と、冷却器６及びクーリングタワー８とを具備
する温水装置の基本的構造を示している。貯蔵手段２の
温水製造部2aは、導管10を経由して蒸気発生装置（図示
せず）に連結されている。貯蔵手段２の底中に開口し、
締め切りバルブ12が設けられている復水吐出14は、蒸気
発生装置（図示せず）の給水部に連結されることができ
る。貯蔵手段２の下方端部を温水製造部2aに連結する導
管16と、ポンプ18と、バルブ20と、調節器22と、センサ
ー24とは、貯蔵手段２のための負荷調節システムの部分
品である。貯蔵手段２の中に含まれる水は、ポンプ18に
よって、温水製造部2aを通過させられ、それによって加
熱される。このように、熱交換器４を加熱するのに実質
的に必要な全熱エネルギーは、貯蔵手段２中に貯蔵され
ることができる。従って、貯蔵手段はエネルギー緩衝器
に相当し、そのエネルギー緩衝器は、蒸気発生装置に影
響を有する熱交換器４による熱エネルギーの消費レベル
の実質的変動を阻止し、それによって、蒸気発生装置は
半連続的な平均的負荷を受けることになる。

貯蔵手段２の上方部分は、加熱流導管26とポンプ28を経
由して熱交換器４の供給側に連結されている。熱交換器
に相当する冷却器６の第１の回路の一端は、冷却流導管
30とポンプ28を経由して熱交換器４の供給側に連結して
いる。締め切りバルブ34と混合バルブ36とを有する加熱
戻り導管32は、熱交換器４の吐出側を貯蔵手段２の下方
端部に連結する。締め切りバルブ38を有する冷却戻り導
管40は、冷却器６の第１の回路の他端を熱交換器４の吐
出側に連結している。冷却器６の第２の回路は、導管42
と44とポンプ46とを経由してクーリングタワー８に連結
する。導管26と32を経由する加熱回路と、導管30と40を
経由する冷却器６の第１の回路とは、閉回路であり、導
管42と44とクーリングタワー８とを経由する冷却器６の
第２の回路は、開放した冷却回路である。

例えば、15バールの比較的高い圧力が、導管10中と貯蔵
手段２中に得られる。もし、ポンプによって生じた圧力
差が無視されるなら、この比較的高い圧力が、導管16,2
6,30,32と40、熱交換器４と冷却器６の第１の回路にも
得られる。その圧力は、過熱−冷却サイクル全体を通し
て実質的に一定に保たれ、従って、この装置は等圧温水
装置として説明されることができる。貯蔵手段２から熱
が実質的に瞬時に除去された場合の圧力降下は、調節器
22に連結されているバルブ20によって阻止され、調節器
は、センサー24により感知される圧力降下の場合にはバ
ルブ20によって貯蔵手段２の充填回路を絞る。この型式
の装置では、水が蒸発する危険を解消するため均一な圧
力が必要であり、蒸発は、特に熱交換器４への供給導管
内で起こる。混合バルブ36は、導管32からの戻り水と導
管26中の供給水を混合することにより温度調節目的のた
め役立つ。簡単のため、関連する制御器は省略される。

第１図を参照して上に述べられた等圧温水装置は、基本
的にドイツ特許明細書第1 188 092号に記載された装置
のタイプに対応し、その明細書中において述べられてい
る図解説明は、実際の状態では温度調節の目的のために
必要な混合バルブ36と、貯蔵手段の充填回路を制御する
ために必要な要素とについて言及していない。さらに、
第１図に示された図と違い、ドイツ特許明細書第1 188
092号は、貯蔵手段の下方部が交互の貯蔵手段の方法で
ある貯蔵手段のさらに詳細についても説明している。２
つの三方バルブの接続において、このシステムは、冷却
動作のはじめに熱交換器中にある温水を、冷却回路に負
荷をかけずに、貯蔵手段中に戻し、一方、加熱動作のは
じめに熱交換器中にある冷水が、加熱回路に負荷をかけ
ずに、交互の貯蔵手段中に通っていく。

蒸気装置の基本的構造が第２図に示される。第１図と第
２図において、対応する構成部品を示すため、同じ参照
番号が使用されている。蒸気装置は、熱交換器４とクー
リングタワー８とを含む。熱交換器４の供給側は、バル
ブ102を有する導管100を経由して、ここでも示されてい
ない蒸気発生装置に接続する。熱交換器４の吐出側は、
導管104を経由して、例えば、給水側にある蒸気発生回
路の部分に連結される。導管104は、復水トラップ106と
バルブ108を含む。熱交換器４の供給側は、バルブ112と
ポンプ114とを有する導管110を経由して、クーリングタ
ワー８にも直接連結されている。熱交換器４の吐出側
は、バルブ116を有する導管118を経由してクーリングタ
ワーに連結されている。この装置において、加熱段階の
間、バルブ102と108は開き、バルブ112と116は閉じてい
る。この場合、バルブ102は、調節器120とセンター122
とを有する温度調節回路の制御部品である。冷却段階の
間、バルブ102と108は閉じ、バルブ112と116は開いてい
る。構成部品120と122を除いたこの構造の装置は、ドイ
ツ特許明細書第2 943 797号中に開示され、その中で
は、熱の回収のための追加の貯蔵手段と関連して説明さ
れており、ここでは、このことについて、より詳細に説
明されない。

第１図に示された等圧温水装置との比較において、第２
図の蒸気装置は、温水製造手段も追加の冷却器も必要と
せず、高価な部品を少ししか含まないので、明らかに簡
単な構造である。従って、蒸気装置は、等圧温水装置よ
り低いコストで製造できる。蒸気装置の重大な欠点は、
温度調節動作の正確度、特に加熱段階の間熱交換器中で
の温度分布の均一性が、要求よりほど遠いということで
ある。そのことは、蒸気の熱伝達率が熱交換器中のガス
や汚濁材料により悪影響を受け、温水の熱伝達率よりず
っと大きくなるという事実のためである。温水装置中の
この汚濁材料は、温水によって再び熱交換器４に流し出
されるという事実もある。蒸気加熱システムの利点は、
開放冷却回路の使用が選択できるということ、換言する
と、第２図に示されるように、熱交換器が冷却器の介在
なしにクーリングタワーに直接連結されることができる
ことである。しかし、このことは、正確には、熱交換器
中にガスや他の汚濁材料が運び込まれ、その結果前述の
ように熱交換器中の温度分布が不均一になるという危険
性の増大を含んでいる。腐食に関する理由のため、開放
冷却回路への熱交換器の接続が避けられている加熱，冷
却装置があるが、直接冷却法の利点、特により短い冷却
時間とより低いコストがきわめて重要な部分である他の
使用状態もある。蒸気装置は、これらの利点と装置の比
較的低いコストを兼ね備えるが、代わりに、不十分な温
度調節と分布の欠点がある。

すでに前に述べられた理由のため、等圧温水装置は、困
難なく、しばしば要求されるような熱交換器中での基準
の又は望ましい温度の均一分布を達成することを可能と
する。しかし、それを達成するには、このシステムは、
蒸気装置に比べ装置のコストはかなり高くなる。

一方は等圧温水装置の、他方は蒸気装置の前述の利点と
欠点とに注目すると、本発明の目的は、低い装置コスト
の利点と、温度に関し高い精度の利点とを兼ね備え、交
互に加熱，冷却する熱交換器のための方法と装置とを提
供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によると、この目的は、（ａ）熱交換器を、熱交換器の温度より高い温度の水
を有する貯蔵手段に連結することにより熱交換器を予備
加熱し、（ｂ）熱交換器を、蒸気加熱温水製造手段に連結する
ことにより熱交換器を加熱し、（ｃ）熱交換器を貯蔵手段に再び連結することにより
熱交換器を予備冷却し、（ｄ）熱交換器を冷却回路に連結することにより熱交
換器を冷却する段階を有する熱交換器を交互に加熱，冷却する方法にお
いて、（ｅ）段階（ｃ）の後で、かつ段階（ｄ）の前に、圧
力を低下するため、熱交換器が温水製造手段に連結さ
れ、（ｆ）段階（ｃ）の期間と（ｅ）の期間、温水製造手
段への蒸気供給導管が締め切られ、（ｇ）段階（ｄ）での熱交換器が開放冷却回路に連結
されることを特徴とする熱交換器を交互に加熱，冷却する方法と、蒸気加熱温水製造手段（3a）と、貯蔵手段（3b）と、冷
却手段（８）と、熱交換器を加熱回路又は冷却回路に選
択的に接続するための制御手段とを有する、熱交換器を
交互に加熱，冷却するための装置において、冷却回路
（4,8,110,118）は開いた回路であり、制御手段は、正
常動作時に、温水製造手段（3a）の蒸気供給導管（10
0）を締め切るための手段（102）を有することを特徴と
する熱交換器を交互に加熱，冷却する装置とにより達成される。

公知の等圧温水装置と対比して、本発明の装置は、変化
する又は連続的に可変の圧力温水装置として説明される
ことができる。等圧温水装置により、加熱回路と冷却回
路中の圧力が絶えず実質的に一定に保たれるということ
がもたらされるが、本発明は変化する圧力を利用し、そ
してそれにより、温水装置が開放冷却回路による直接的
な冷却と共に使用されることができる。それによって、
追加の冷却器（第１図における冷却器６に対応する）を
省略することができ、また、ある状況下において、冷却
時間をより短くするという付加的な利点を得ることがで
きる。本発明による装置の閉じた部分の最高圧力は、必
要な加熱温度に対応する値に制限されるので、温水製造
手段と貯蔵手段熱交換器は、等圧温水装置との比較にお
いて、より低い最高圧力に設計でき、従ってより安くで
きる。

等圧温水装置の場合必要な負荷調節システムは、本発明
では、必要でない。

本発明の有利な展開は、従属する特許請求の範囲におい
て特徴付けられる。

〔実施例〕

本発明は、添付図面を参照して実施態様により、以下
に、より詳細に説明される。

第3a図から第3e図において、第１図と第２図各々におい
て使用された同じ参照番号は、対応構成部品を示すため
に使用される。

容器３は、その上方部に温水製造手段3aと、その下方部
に貯蔵手段3bとを有している。温水製造手段3aは、導管
100とバルブ102を経由して蒸気発生装置（図示せず）に
連結されている。バルブ102は、より詳細については以
下に説明される方法に使用されるが、システムの正常動
作においては、蒸気供給導管100を締め切り、この点が
第１図に示された等圧温水装置に比較して重要な相違で
ある。第3a図から第3e図に示された実施態様において、
バルブ102は、同時に、圧力センサー又は温度センサー1
22と調節器120とを有する温度調節回路の制御部品であ
る。圧力調節システムは、前もって決められた基準の又
は望まれる温度が、加熱段階の間熱交換器４中で維持さ
れることを保証する。この目的は、原則として、第１図
における混合バルブ36に対応する混合バルブ、すなわち
戻り混合の手段で達成される。この代わりに、蒸気供給
導管100は、システムの正常動作において導管を締め切
るため、第3a図から第3e図中のバルブ102に対応するバ
ルブを必要とする。さらに、適当な絞り手段は、導管10
0が締め切り状態にないとき、貯蔵手段3b中の温水が熱
交換器４の基準温度よりいくらか高い温度であることを
確保するため供されねばならない。

容器３の下端は、復水吐出14に接続されており、復水吐
出には締め切りバルブ12が設けられ、供給水側にある蒸
気発生装置の一部に連結されることができる。温水製造
手段3abの下方部と貯蔵手段3bの上方部とに対応する位
置において、流れ導管26は、容器３を、ポンプ28と締め
切りバルブ27を経由して、熱交換器４の供給側に連結す
る。熱交換器４の吐出側は、締め切りバルブ31を有する
戻り導管29を経由して温水製造手段3aの上方部と、締め
切りバルブ34を有する戻り導管32を経由して貯蔵手段3b
の下方部とに連結される。クーリングタワー８は、ポン
プ114とチェック部品113とを有する冷却流れ導管110を
経由して、熱交換器４の供給側に連結されている。チェ
ック部品113のかわりに、第２図のバルブ112に類似の締
め切りバルブを使用することも可能である。クーリング
タワー８は、締め切りバルブ116を有する冷却戻り導管1
18を経由して熱交換器４の吐出側にも連結されている。

第3a図から第3e図は、本発明の方法の連続する個々の段
階、すなわち、予備加熱、加熱、予備冷却、減圧と冷却
を示しており、これらは、繰り返し連続する。第3a図か
ら第3e図において、本方法の各段階において水が流れて
いる導管は、濃い線で示されている。

温度と圧力に関し、以下に説明される数値は、40℃→16
0℃→40℃の熱交換器の加熱−冷却サイクルの、例とし
てだけ与えられた状態に関するものである。

第3a図に示すように予備加熱段階において、バルブ27と
34は開いており、バルブ31、102と116は閉じている。前
のサイクルの予備冷却段階（第3c図）から、貯蔵手段3b
は、図示の例において、予備加熱段階の初期に温度が約
110℃である温水を含む。同様に、そのとき、約1.5バー
ルの圧力が容器３の中に得られる。さて、第3a図に示す
予熱段階の終わりに、貯蔵手段中の水は最初の温度110
℃から約75℃に冷却され、また、熱交換器４は、最初の
温度40℃から約85℃に予熱されていると仮定しよう。例
として与えられたこれらの数値で、バルブ102を閉じた
状態に維持しているとき、容器３中の圧力は約0.4バー
ルに下がり、すなわち、容器中に大気圧以下の圧力が存
在することとなる。これは望ましくないので、適当な方
法で、例えばバルブ102を適当に調節することによっ
て、容器３中の圧力が１バール以下に下がらないように
される。

予熱段階の終わりに、制御装置（図示せず）は、バルブ
34を閉じ、かつバルブ31と102を開け、又は、制御手段
のバルブ102を調節器120によって調節する。それから、
第3b図に示された状態になり、熱交換器４は、導管26と
29を経由して温水製造手段3aに主に連結され、加熱回路
を形成する。

熱交換器４中の圧力と温度に関する実際の値がセンサー
122によって与えられる調節器120は、望ましい基準とな
る温度160℃が得られるように蒸気供給導管100中のバル
ブ102を制御する。その結果、容器３中の圧力上昇は、
１バールから約６バールとなる。

第3b図に示される加熱段階の次に、第3c図に示される予
備冷却段階が引き続く。この目的のため、前述されたが
図示されていない制御装置は、バルブ31を閉じ、バルブ
102を閉じることによって温水製造手段3aへの蒸気の供
給を締め切り、戻り導管32中のバルブ34を再び開ける。
第3c図からわかるように、熱交換器４は、導管26と32を
経由して、貯蔵手段3bを有する回路に連結される。予備
冷却段階の間、貯蔵手段3b中の水は、75℃の温度から11
0℃の温度に加熱され、一方、熱交換器４は、160℃から
115℃に冷却される。このように、加熱段階の終わりに
熱交換器４中にある熱エネルギーの一部は、次のサイク
ルの再び始まる予備加熱のために利用すべく回収され
る。熱の回収は、蒸気発生器に関して負荷のピークを減
少するため寄与する。ここで述べられた数値の例で、容
器３中の圧力は、第3c図に示す予備冷却段階の終わり
に、なお約６バールである。その圧力は、熱交換器４が
開放冷却回路に連結される前に減少されなければならな
い。

この目的は、第3d図に示された圧力減少のための段階に
よって達成される。本発明の方法においてこの段階を実
行するため、制御装置はバルブ34を閉じ、バルブ31を開
ける。そのとき、熱交換器４中にあり、110℃から115℃
の温度にすでに冷却されている水は、蒸気供導管が締め
切られた状態の温水製造手段3aを通過する。そのとき、
温水制御手段3a中の蒸気は凝縮し、その結果約1.5バー
ルに圧力が下がる。

圧力降下の後、システムは、なんの危険もなく第3e図に
示された冷却段階に切り換えられることができる。この
冷却段階において、制御装置は、バルブ27,32,34と102
を閉じた状態に保持し、バルブ16を開いた状態に保持す
る。また、制御装置は、ポンプ28のスイッチを切り、ポ
ンプ114のスイッチを入れる。第3e図に示された冷却段
階において、ここに記載された例では、熱交換器４は40
℃の温度に冷却される。引き続いて、第3a図に示された
予備加熱段階を伴う新しいサイクルが始まる。

実施例を参照して前に記載された本発明は、交互に加
熱，冷却される熱交換器を加熱することにより、不安定
で変化する圧力により操作される温水装置の使用を可能
とする。このように、熱交換器中の適切な均一の温度調
節という温水装置固有の利点と、開放冷却回路による直
接冷却を使用する可能性と、従来の温水装置に比較して
減少する装置コストとを兼ね備えることは可能である。
貯蔵手段3bによる熱の回収は、温水製造手段の上流に配
された蒸気発生器の負荷ピークを減少するので、蒸気発
生装置は、より良いレベルの効率で操作されることがで
きる。本発明の開発により、冷却段階の間、閉じたバル
ブ27,31と34により熱交換器から完全に分離されている
貯蔵手段3b中に、蒸気を注入することにより本発明の効
果は、より強化されることができる。この結果、貯蔵手
段3b中の水の温度は上昇するので、引き続く予熱段階
（第3a図）において、熱交換器４は、すでに、例えば85
℃以上の高い温度に加熱されることができる。エネルギ
ー緩衝装置として熱回収貯蔵手段を使用することの選択
は、第3e図において締め切りバルブ126を経由して、蒸
気供給導管100を貯蔵手段3bの下方部の蒸気連結部に連
結する導管124によって指示される。述べられたよう
に、締め切りバブル126は、冷却段階の間、制御装置に
よって開けられている。

前述の実施例において、温水製造手段3aと貯蔵手段3b
は、共通の容器３中に配設されている。これは必須では
ないが、単一段階熱回収システムの場合、コストの理由
のため、有利である、前述の発明は、多段階熱回収方式
との連結にも使用されることができるが、このことはド
イツ特許明細書第2 943 797号によって公知である。こ
の場合、１つ以上与えられる温水手段と熱回収貯蔵手段
は、別のユニットの形式である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、等圧温水装置の基本的構造の線図であり、第
２図は、蒸気装置の基本的構造の線図であり、第3a図か
ら第3e図は、本発明の実施例を示しており、本発明の方
法の個々の段階を図示している。 3a……温水製造手段、3b……貯蔵手段、４……熱交換器、８……クーリングタワー、 100……蒸気供給導管、120……調節器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）熱交換器を、熱交換器の温度より
高い温度の水を有する貯蔵手段に連結することにより熱
交換器を予備加熱し、（ｂ）熱交換器を、蒸気加熱温水製造手段に連結する
ことにより熱交換器を加熱し、（ｃ）熱交換器を貯蔵手段に再び連結することにより
熱交換器を予備冷却し、（ｄ）熱交換器を冷却回路に連結することにより熱交
換器を冷却する段階を有する熱交換器を交互に加熱，冷却する方法にお
いて、（ｅ）段階（ｃ）の後で、かつ段階（ｄ）の前に、圧
力を低下するため、熱交換器が温水製造手段に連結さ
れ、（ｆ）段階（ｃ）の期間と（ｅ）の期間、温水製造手
段への蒸気供給導管が締め切られ、（ｇ）段階（ｄ）での熱交換器が開放冷却回路に連結
されることを特徴とする熱交換器を交互に加熱，冷却する方法。
【請求項２】段階（ｄ）の間、蒸気が貯蔵手段中に注入
されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方
法。
【請求項３】段階（ｂ）の間、蒸気の供給が、温度又は
圧力調節器により制御されることを特徴とする特許請求
の範囲第１項又は第２項に記載の方法。
【請求項４】段階（ｅ）において、熱交換器中の圧力が
約２バールより大きくないよう減少されることを特徴と
する特許請求の範囲第１項から第３項中のいずれか１項
に記載の方法。
【請求項５】蒸気加熱温水製造手段（3a）と、貯蔵手段
（3b）と、冷却手段（８）と、熱交換器を加熱回路又は
冷却回路に選択的に接続するための制御手段とを有す
る、熱交換器を交互に加熱，冷却するための装置におい
て、冷却回路（4,8,110,118）は開いた回路であり、制
御手段は、正常動作時に、温水製造手段（3a）の蒸気供
給導管（100）を締め切るための手段（102）を有するこ
とを特徴とする熱交換器を交互に加熱，冷却する装置。
【請求項６】熱交換器（４）が連続的に、（ａ）予備加熱動作の間、貯蔵手段（3b）を有する回
路（4,3b,26,32）に連結され、（ｂ）加熱動作の間、温水製造手段（3a）を有する回
路（4,3a,26,29）に連結され、（ｃ）予備冷却動作の間、貯蔵手段（3b）を有する回
路（4,3b,26,32）に再び連結され、（ｄ）圧力を減少するため、締め切られた蒸気供給導
管（100）を有する温水製造手段（3a）を有する回路
（4,3a,26,29）に再び連結され、（ｅ）冷却動作の間、開放冷却回路（4,8,110,118）
に連結されることができるような制御手段を特徴とする特許請求の範
囲第５項記載の装置。
【請求項７】システムの正常動作中、蒸気供給導管（10
0）を締め切るための手段（102）が、同時に、温度調節
回路の制御部品として使用されるバルブを有することを
特徴とする特許請求の範囲第５項又は第６項記載の装
置。
【請求項８】貯蔵手段（3b）中に蒸気を注入するための
手段（124,126）を特徴とする特許請求の範囲第５項か
ら第７項までのいずれか１項に記載の装置。