JPH0771705A - プレートフィン型蒸発器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水蒸気を製造する蒸発器の小型化を図りかつ
気液の平衡界面に硬度成分を析出し難い構成からなり、
製造が容易な蒸発器の提供。 【構成】 加熱媒体通路と蒸発用水通路を向流通路配置
となしたプレートフィン型熱交換器９の上部に蒸発側流
体通路１１の上端部と連通する気液分離ドラム１２を設
けて、該ドラム１２内に気液界面１４を設定するだけの
極めて簡単な構成からなり、プレートフィン型熱交換器
９のすぐれた熱交換効率を生かし、下部導入入口６から
供給した水を上部のドラム１２で蒸発させることが可能
で、容易に飽和蒸気を得ることとができ、貫流式水管ボ
イラーと異なりプレートフィンのコア内での硬度成分の
析出が抑制され、また循環式水管ボイラーのように循環
ドラムを外部に設ける必要がないため、配管も不要とな
り、より小型化に最適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、蒸気を発生させる蒸
発器に係り、特に、コジェネプラント等に使用するのに
適したプレートフィン型蒸発器と気液分離ドラムとを一
体化した小型なプレートフィン型蒸発器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、コジェネプラントの排熱等を利用
して蒸気を発生させる蒸発器には、図５に示す多管式の
ケトル式蒸発器５１がある。このケトル式蒸発器５１
は、加熱側流体１を加熱管５２内に流し、蒸発側流体５
として例えば水を加熱管５２の外側に流し加熱すること
により蒸気７を発生させるものである。このような方式
は、例えば、燃料電池を用いたコジェネプラント等で採
用されており、加熱側流体１としてプラント排熱である
電池冷却水を流し、水蒸気を発生させることによって排
熱を有効に回収し、プラントの総合効率を高めている。

【０００３】ところで、燃料電池を用いたコジェネプラ
ント等では、プラントの小型化、コストダウンが強く求
められており、図５に示す多管式のケトル式蒸発器の代
替として、図６に示す蒸発器システムが検討されてい
る。図６の蒸発器システムは、熱交換器部としてのプレ
ートフィン型熱交換器９と、蒸気７を発生させる別置き
の気液分離ドラム１２、接続配管６１および循環管６２
等によって構成されている。プレートフィン型熱交換器
９は、薄板を波形に成形加工したものをプレートを介し
て積層した熱交換器で、単位体積当たりの伝熱面積が大
きく取れるため、多管式の熱交換器と比べて非常に小型
であることを特徴としている。

【０００４】次に図６の蒸発器システムの構成および機
能を説明する。加熱側流体入口２より流入した加熱流体
１はプレートフィン型熱交換器９内の加熱側流体通路１
０を下方に流れ、その際に隣り合う蒸発側流体通路１１
内を流れる蒸発側流体５に熱を与えて温度降下しつつ、
相変化することなしに加熱側流体出口４より流出する。
一方、蒸発側流体５は、プレートフィン型熱交換器９の
下部に設けられた蒸発側流体入口６より流入して蒸発側
流体通路１１を上方に流れる際に、加熱側流体１から熱
を与えられ温度上昇する。そして、蒸発側流体出口３か
ら液体の状態で接続配管６１を通って、気液分離ドラム
１２に流れ込み、その際、一部の蒸発側流体５はフラッ
シュして蒸気となる。発生した蒸気はデミスタ１３で水
分が除去され、乾燥蒸気となって、蒸気出口８より流出
する。また、フラッシュせずに残った蒸発側流体５は液
溜１５に溜まり、サーモサイホン効果により循環管６２
を下降して再びプレートフィン型熱交換器９に流れ込
む。なお、気液分離ドラム１２内には、液溜５と蒸気７
を区分する気液界面１４が設定され、図示しないコント
ローラによって、常にレベル制御されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、プレートフ
ィン型熱交換器９を用いた蒸発器システムとしては、蒸
気の気液分離ドラム１２を省略し、プレートフィン型熱
交換器のみで蒸発器として機能させることも構成として
可能である。しかし、この場合は、気液界面１４をプレ
ートフィン型熱交換器９の内部に設定しなければなら
ず、以下の二つの問題が発生する。一つは、細かい波形
フィンで構成されるプレートフィン型熱交換器の内部で
気液界面１４が変動して乾湿を繰り返すことにより、局
部的な熱応力による疲労損傷を引き起こし易いという問
題である。二つめは、蒸発側流体５に含まれるＣａやＳ
ｉ等の硬度成分が、気液界面１４近傍の伝熱面に析出
し、細かい波形フィンで構成される蒸発側流体通路１１
が閉塞し易いという問題である。

【０００６】上記の問題は、蒸発器としては致命的な欠
点となる。従って、プレートフィン型熱交換器９を用い
た蒸発器システムでは、これらの問題を解決する手段と
して気液分離ドラム１２は、前述したように気液界面１
４のレベル制御のため、及びプラントの安定運転の必要
性から十分な大きさの液溜１５が必要となり、そのた
め、プレートフィン型熱交換器９をとほぼ同程度の内容
積を有する容器が要求される。以上のように、図６に示
す蒸発器システムでは、小型化の目的でプレートフィン
型熱交換器９を採用したにもかかわらず、気液分離ドラ
ム１２の増設によって小型化の効果がなくなるという欠
点があった。

【０００７】この発明は、上記の問題を解決すべく、プ
レートフィン型熱交換器を用いた蒸発器システムの小型
化を図ることを目的としており、さらに飽和蒸気のみな
らず、過熱蒸気も発生可能なプレートフィン型蒸発器を
提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために、プレートフィン型熱交換器において、
該熱交換器の上部に蒸発側流体と連通する気液分離ドラ
ムを配設し、該ドラム内に蒸発側流体の気液界面を設定
したものである。さらに、プレートフィン型熱交換器の
内部を貫通し、蒸発側流体通路と平行でかつ両端が蒸発
側流体通路と連通している循環管を設ければ、後述する
理由により効率の高い蒸発器が得られる。また、同じ理
由で、蒸発側流体通路のみを複数区間連続して積層して
広い通路を形成し、これを循環通路とすることもでき
る。さらに、前記気液分離ドラムの上部に連接して過熱
器を設置すれば、過熱蒸気も発生可能な複合機能を有す
る小型な蒸発器が構成できる。

【０００９】

【作用】この発明による蒸発器は、加熱側流体と蒸発側
流体の各通路を積層したプレートフィン型熱交換器の上
部に蒸発側流体と連通する気液分離ドラムを配設し、該
気液分離ドラム内に蒸発側流体の気液界面を設定するよ
うに構成したことにより、プレートフィン型熱交換器の
すぐれた伝熱特性を有効に生かし、かつ連接した気液分
離ドラムにより安定した飽和蒸気を発生させることがで
きる。また、プレートフィン型熱交換器内に循環管およ
び循環通路を設けることにより、蒸発側流体がサーモサ
イホン効果により、循環管または通路を通って蒸発側通
路を循環するから、均一で効率の高い加熱が容易とな
る。さらに、気液分離ドラムに設けた過熱器によって、
より質の高い過熱蒸気の供給も可能となる。

【００１０】なお、プレートフィン型熱交換器と気液分
離ドラムを一体化するだけでも、小型化の効果は大きい
が、さらに、該ドラムの気液界面のレベル制御と、プラ
ントの安定運転のために、従来は気液分離ドラム内の大
きさをプレートフィン型熱交換器と同程度とする必要が
あることを前述したが、プレートフィン型熱交換器の蒸
発側流体通路がドラムの液溜の機能を併せ持つことにな
るため、当該ドラム自体の容積を半減することが可能と
なり、気液分離ドラムを小型にできる。

【００１１】

【実施例】実施例の構成および機能について図面を参照
して説明する。図１において、加熱側流体通路１０と蒸
発側流体通路１１を垂直方向に交互に積層したプレート
フィン型熱交換器９の上部に、蒸発側流体５と連通する
気液分離ドラム１２を配設する。気液分離ドラム１２の
上部にはデミスタ１３が設けられ、また、その下には液
溜１５と、蒸発側流体５の気液界面１４が設定されてい
る。その他の構成は図６の従来構成と同じである。図２
の実施例では、プレートフィン型熱交換器９の内部を貫
通し、蒸発側流体通路１１と平行な循環管２１が取り付
けられ、この循環管２１の両端は開口されて蒸発側流体
１１と連通している。その他の構成は図１の実施例と同
様である。また、図３の実施例ではプレートフィン型熱
交換器９の蒸発側流体通路１１のみを複数区間連続して
積層することにより、加熱側流体１から隔離された通路
を形成し、その隔離された通路を循環通路３１とする。
その他の構成は図１の実施例と同じである。さらに図４
では、気液分離ドラム１２の上部に連接して、例えばプ
レートフィン型熱交換器を用いた過熱器４１を設置して
おり、加熱側流体１は過熱器４１を通過して加熱側流体
入口２よりプレートフィン型熱交換器９内に流入する。
他の構成については図１、２、３と同様である。

【００１２】次に機能について流体の流れに沿って説明
する。図１において、加熱された蒸発側流体５は、プレ
ートフィン型熱交換器９から気液分離ドラム１２の液溜
１５に流れ込み上昇し、気液界面１４に達して蒸発す
る。発生した蒸気７はデミスタ１３で水分が除去され、
蒸気出口８より流出する。その他の機能は従来と同じで
ある。図２においては、矢印で流れを示すように、加熱
された蒸発側流体５の一部はサーモンサイホン効果によ
り循環管２１内を下降して、下方から流れてくる低温の
蒸発側流体５と合流し、再び上昇して加熱される。これ
が繰り返されることによって、蒸発側流体５の加熱は促
進され、高い蒸発効率が得られる。図３の循環通路３１
での熱交換量は、蒸発側流体通路１１での熱交換量に比
べ微小であるため、図２の循環管２１と同じ機能を有し
ており、同様に高い蒸発効率が得られる。図４では、過
熱器４１により、質の高い過熱蒸気を得ることができ
る。

【００１３】

【発明の効果】この発明は、以上説明したような構成お
よび機能を有しているから、以下のような効果を奏す
る。伝熱特性の優れたプレートフィン型熱交換器と連接
して、気液分離ドラムを設けた一体型の蒸発器であるか
ら、高性能化が図れるとともに、飛躍的な小型化が達成
できる。さらに、循環管および循環通路を設けたことに
よって蒸発効果を高められ、また、過熱器を連接するこ
とによって複合機能を有する一体型の蒸発器が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるプレートフィン型蒸発器の構成
を示す縦断説明図である。

【図２】この発明による循環管を内蔵したプレートフィ
ン型蒸発器の構成を示す説明図であり、Ａは縦断説明
図、ＢはＡのｂ−ｂ’線における横断説明図である。

【図３】この発明による循環通路を設けたプレートフィ
ン型蒸発器の構成を示す説明図であり、Ａは縦断説明
図、ＢはＡのｂ−ｂ’線における横断説明図である。

【図４】この発明による過熱器を設けたプレートフィン
型蒸発器の構成を示す縦断説明図である。

【図５】従来の多管式のケトル式蒸発器の構成を示す縦
断説明図である。

【図６】熱交換器部としてプレートフィン型熱交換器を
使用した従来の蒸発器システムの構成を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 加熱側流体 ２ 加熱側流体入口 ３ 蒸発側流体出口 ４ 加熱側流体出口 ５ 蒸発側流体 ６ 蒸発側流体入口 ７ 蒸気 ８ 蒸気出口 ９ プレートフィン型熱交換器 １０ 加熱側流体通路 １１ 蒸発側流体通路 １２ 気液分離ドラム １３ デミスタ １４ 気液界面 １５ 液溜 ２１ 循環管 ３１ 循環通路 ４１ 過熱器 ５１ ケトル式蒸発器 ５２ 加熱管 ６１ 接続配管 ６２ 循環管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 英一 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 佐藤 洋治 兵庫県尼崎市扶桑町１番10号 住友精密工 業株式会社内 (72)発明者 岩田 克雄 兵庫県尼崎市扶桑町１番10号 住友精密工 業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相変化のない高温の加熱側流体と、低温
   の蒸発側流体を流す通路を積層したプレートフィン型熱
   交換器の上部に、蒸発側流体と連通する気液分離ドラム
   を配設し、該気液分離ドラム内に蒸発側流体の気液界面
   を設定することを特徴とするプレートフィン型蒸発器。
2. 【請求項２】 プレートフィン型熱交換器の内部を貫通
   し、蒸発側流体通路と平行な循環管を備え、この循環管
   の両端が蒸発側流体と連通していることを特徴とする請
   求項１記載のプレートフィン型蒸発器。
3. 【請求項３】 プレートフィン型熱交換器の蒸発側流体
   通路のみを複数区間連続して積層して相対的に広い通路
   を形成し、この通路を循環通路とすることを特徴とする
   請求項１記載のプレートフィン型蒸発器。
4. 【請求項４】 気液分離ドラムの上部に連接して過熱器
   を設置したことを特徴とする請求項１、請求項２または
   請求項３記載のプレートフィン型蒸発器。