JPWO2016167237A1 - 温水生成装置 - Google Patents

Abstract

水を蒸気で加熱する熱交換器を備えた温水生成装置において、省エネルギー化を図ること。温水生成装置（１）は、蒸気供給管（１１）および水供給管（２１）が接続され、水供給管（２１）から供給された水が蒸気供給管（１１）から供給された蒸気と熱交換して温水になる主熱交換器（２２）と、主熱交換器（２２）で蒸気が凝縮して発生したドレンが流入し、該流入したドレンを圧送するドレン圧送装置（３４）とを備える。さらに温水生成装置（１）は、水供給管（２１）の途中に設けられ、ドレン圧送装置（３４）から圧送されたドレンが流入する容器状の胴体（２８ａ）と、該胴体（２８ａ）内に設けられ且つ水供給管（２１）の水が流通する伝熱管（２８ｂ）とを有し、伝熱管（２８ｂ）の水が胴体（２８ａ）内のドレンと熱交換して加熱されるシェルアンドチューブ式の予熱熱交換器（２８）を備える。

Description

本願は、蒸気で水を加熱して温水を生成する温水生成装置に関する。

例えば特許文献１に開示されているように、蒸気で水を加熱して温水を生成する温水生成装置が知られている。この温水生成装置は、熱交換器、ヘッダータンクおよびドレン圧送装置を備えている。熱交換器は、水供給管から供給された水が蒸気供給管から供給された蒸気と熱交換して温水になり、蒸気は凝縮してドレン（復水）になる。蒸気使用機器で発生したドレンは、ヘッダータンクに一時的に貯留され、ドレン圧送装置によって所望の場所へ圧送される。

特許第４６４８４３０号公報

ところで、上述したような温水生成装置では、熱交換器への蒸気供給量をできるだけ減らして、省エネルギー化を図りたいという要望があった。

本願に開示の技術は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水を蒸気で加熱する熱交換器を備えた温水生成装置において、省エネルギー化を図ることにある。

本願に開示の技術は、上記目的を達成するために、熱交換器で蒸気が凝縮して発生したドレンの高温熱を利用して、熱交換器（主熱交換器）に供給される水を予熱するようにした。

具体的に、本願の温水生成装置は、主熱交換器と、ドレン圧送装置と、予熱熱交換器とを備えている。上記主熱交換器は、蒸気供給管および水供給管が接続され、該水供給管から供給された水が上記蒸気供給管から供給された蒸気と熱交換して温水になるものである。上記ドレン圧送装置は、上記主熱交換器で蒸気が凝縮して発生したドレンが流入し、該流入したドレンを圧送するものである。上記予熱熱交換器は、上記水供給管の途中に設けられている。そして、上記予熱熱交換器は、上記ドレン圧送装置から圧送されたドレンが流入する容器状の胴体と、該胴体内に設けられ且つ上記水供給管の水が流通する伝熱管とを有し、上記伝熱管の水が上記胴体内のドレンと熱交換して加熱されるシェルアンドチューブ式のものである。

以上のように、本願の温水生成装置によれば、主熱交換器に供給される水を予熱熱交換器で加熱（予熱）するようにしたため、主熱交換器における蒸気供給量を低減することができる。しかも、予熱熱交換器では主熱交換器で発生した高温のドレンによって水を加熱（予熱）するようにしたため、排熱を利用して水を加熱することができる。つまり、熱回収を行うことができる。以上により、本願の温水生成装置では省エネルギー化を図ることができる。

さらに、予熱熱交換器では、ドレン圧送装置から圧送されたドレンを伝熱管（チューブ）ではなく胴体（シェル）に流入させるようにした。そのため、ドレン圧送装置からのドレンを伝熱管に流入させる場合に比べて、ドレン圧送装置における必要な圧送力を低減することができる。即ち、シェルアンドチューブ式の予熱熱交換器において、胴体（シェル）は伝熱管（チューブ）よりも流路が大きいため流通抵抗が小さい。したがって、ドレン圧送装置では、ドレンを伝熱管に圧送するよりも胴体に圧送する方がその圧送に必要な圧送力は小さくてすむ。このように、本願の温水生成装置では、ドレン圧送装置の必要な圧送力が低減されるので、その圧送力を発生させるためのエネルギーを削減することができる。これにより、一層の省エネルギー化を図ることができる。

図１は、実施形態に係る温水生成装置の概略構成を示す配管系統図である。 図２は、実施形態に係る予熱熱交換器の内部構成を上方から視て示す平面図である。 図３は、図２におけるＡ−Ａ線の断面図である。

以下、本願の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、本実施形態の温水生成装置１は、蒸気供給系統１０と、水加熱系統２０と、ドレン排出系統３０とを備えている。なお、図１の配管系統図は、各機器の接続関係を模式的に示したものであり、以下で特に言及しない限り、各機器における管の接続箇所や各機器の設置高さを具体的に示すものではない。

蒸気供給系統１０は、水加熱系統２０に加熱媒体である蒸気を供給するものである。蒸気供給系統１０は、水加熱系統２０に接続され、蒸気を供給する蒸気供給管１１を備えている。蒸気供給管１１には、上流側から順に、開閉弁１２、制御弁１３および電磁弁１５が設けられている。制御弁１３は、気体である蒸気と液体であるドレンとを分離する気液分離部１４を有しており、気液分離部１４で分離された蒸気が下流側に流れる。つまり、制御弁１３は蒸気のみを下流側に流すように構成されている。また、制御弁１３は蒸気の流量が調節可能な流量調整弁である。

水加熱系統２０は、主熱交換器２２と予熱熱交換器２８を備えている。主熱交換器２２は、入口側（上流側）に水供給管２１が接続され、出口側（下流側）に温水送出管２３が接続されている。また、主熱交換器２２には蒸気供給系統１０の蒸気供給管１１が接続されている。主熱交換器２２は、いわゆるシェルアンドチューブ式の熱交換器であり、水供給管２１から冷水（水）が供給されると共に蒸気供給管１１から蒸気が供給される。主熱交換器２２では、供給された冷水が、蒸気と熱交換して加熱され所定温度の温水になる。一方、蒸気は凝縮してドレン（復水）になる。つまり、主熱交換器２２は、冷水が蒸気の凝縮潜熱によって加熱される潜熱熱交換器である。こうして主熱交換器２２で生成された温水は、温水送出管２３を流れて利用側へ送られる。なお、主熱交換器２２の入口側には冷水が溜められる水溜部２４が設けられている。

予熱熱交換器２８は、水供給管２１の途中に設けられており、主熱交換器２２に供給される水供給管２１の冷水を加熱（予熱）するものである。この予熱熱交換器２８の詳細については後述する。

また、水加熱系統２０は、循環用管２５、循環ポンプ２６および電磁弁２７を備えている。循環用管２５は、一端が水供給管２１における予熱熱交換器２８の上流側に接続され、他端が温水送出管２３に接続されている。循環ポンプ２６および電磁弁２７は、循環用管２５に水供給管２１側から順に設けられている。水加熱系統２０では、電磁弁２７が開くと共に循環ポンプ２６が駆動されることにより、主熱交換器２２の温水が、水溜部２４、予熱熱交換器２８、循環用管２５および温水送出管２３を通って再び主熱交換器２２に戻る温水の循環動作が行われる。なお、この温水の循環動作は、上述した循環方向と逆方向で行うようにしてもよい。

ドレン排出系統３０は、ヘッダータンク３２とドレン圧送装置３４を備え、主熱交換器２２で蒸気が凝縮して発生した高温のドレンを排出するものである。ヘッダータンク３２は、水平方向に延びる円柱状の容器であり、ドレン排出管３１を介して主熱交換器２２に接続されている。ドレン排出管３１は、ヘッダータンク３２の上部に接続されている。ヘッダータンク３２は、主熱交換器２２のドレンがドレン排出管３１を通って流入し一時的に貯留されるものである。

ドレン圧送装置３４は、ヘッダータンク３２のドレンが流入し、その流入したドレンを圧送するものである。具体的に、ドレン圧送装置３４は、ドレンの流入口３４ａおよび圧送口３４ｂと、蒸気の導入口３４ｃおよび排出口３４ｄとを有している。流入口３４ａは、ドレン流入管３３を介してヘッダータンク３２に接続されている。ドレン流入管３３は、ヘッダータンク３２の底部に接続されている。圧送口３４ｂは、ドレン圧送管３５を介して予熱熱交換器２８に接続されている。なお、ドレン排出系統３０は、予熱熱交換器２８に接続され、該予熱熱交換器２８からドレンが排出されるドレン排出管３６を備えている。ドレン流入管３３およびドレン圧送管３５には、逆止弁３７，３８が設けられている。逆止弁３７は、ドレン流入管３３におけるヘッダータンク３２からドレン圧送装置３４へ向かう流体の流れのみを許容する。逆止弁３８は、ドレン圧送管３５におけるドレン圧送装置３４から予熱熱交換器２８へ向かう流体の流れのみを許容する。導入口３４ｃは、蒸気導入管３９を介して制御弁１３の気液分離部１４に接続されている。蒸気導入管３９には、気液分離部１４側から順に、ストレーナ４２および減圧弁４３が設けられている。排出口３４ｄは、蒸気排出管４１を介してドレン排出管３１に接続されている。

ドレン圧送装置３４は、図示しないが、ドレンの貯留室を有しており、その貯留室にフロートが配置されている。ドレン圧送装置３４は、フロートが所定の低位まで下降すると、導入口３４ｃが閉じると共に排出口３４ｄが開き、フロートが所定の高位まで上昇すると、導入口３４ｃが開くと共に排出口３４ｄが閉じるように構成されている。ドレン圧送装置３４では、導入口３４ｃが閉じて排出口３４ｄが開くと、ヘッダータンク３２のドレンがドレン流入管３３を通って流入口３４ａから貯留室に流入する。このドレンの流入に伴い、貯留室の蒸気が排出口３４ｄから蒸気排出管４１に排出される。また、ドレン圧送装置３４では、導入口３４ｃが開いて排出口３４ｄが閉じると、気液分離部１４の蒸気が蒸気導入管３９を通って導入口３４ｃから貯留室に流入する。この蒸気の導入により、貯留室のドレンが圧送口３４ｂからドレン圧送管３５に圧送（排出）される。こうして、ドレン圧送装置３４はヘッダータンク３２のドレン（即ち、主熱交換器２２で蒸気が凝縮して発生したドレン）を圧送する。

さらに、ドレン排出系統３０には、２つのドレン排出管４５，４８と、エア抜き管４９が設けられている。ドレン排出管４５は、一端（流入端）が蒸気導入管３９における減圧弁４３の下流側に接続され、他端（流出端）がドレン排出管３６に接続されている。ドレン排出管４５には、蒸気導入管３９側から順に、スチームトラップ４６および逆止弁４７が設けられている。スチームトラップ４６は、自動的にドレンのみを下流側に排出するものである。こうしたドレン排出管４５およびスチームトラップ４６が設けられることにより、気液分離部１４から蒸気と共にドレンが蒸気導入管３９に流入した場合でも、蒸気導入管３９からドレンのみをドレン排出管４５を通じて排出することができる。逆止弁４７は、ドレン排出管４５における蒸気導入管３９からドレン排出管３６へ向かう流体の流れのみを許容する。

ドレン排出管４８は、一端（流入端）が制御弁１３の気液分離部１４に接続され、他端（流出端）がドレン排出管４５におけるスチームトラップ４６と逆止弁４７との間に接続されている。ドレン排出管４８は、気液分離部１４で分離されたドレンが排出される。エア抜き管４９は、一端（流入端）がヘッダータンク３２の上部に接続され、他端（流出端）がドレン排出管４８に接続されている。エア抜き管４９には、ヘッダータンク３２側から順に、エアベント５１および逆止弁５２が設けられている。逆止弁５２は、ヘッダータンク３２からドレン排出管４８へ向かう流体の流れのみを許容する。エア抜き管４９は、ヘッダータンク３２内の初期空気を排出するものである。なお、ドレン圧送装置３４には、ドレン圧送管３５とは別に、貯留室のドレンを排出するためのドレン排出管５３が接続されている。ドレン排出管５３には、ブロー弁５４が設けられている。

さらに、本実施形態の温水生成装置１は、フロースイッチ６１、温度センサ６２、２つの圧力計６３，６４、制御部７０を備えている。フロースイッチ６１は、水供給管２１における予熱熱交換器２８の上流側に設けられており、冷水の流れを検出するものである。温度センサ６２は、温水送出管２３における循環用管２５の接続部１７よりも上流側に設けられており、温水の温度を検出するものである。２つの圧力計６３，６４は、蒸気導入管３９における減圧弁４３の上流側と下流側に設けられている。制御部７０は、フロースイッチ６１や温度センサ６２の検出信号に基づいて、制御弁１３や電磁弁１５等を制御するものである。具体的には次の通りである。

制御部７０は、温度センサ６２の検出温度（温水の温度）が設定温度になるように、制御弁１３の開度を調節する。例えば、温度センサ６２の検出温度（温水の温度）が設定温度よりも高くなると制御弁１３の開度は減小され、温度センサ６２の検出温度が設定温度よりも低くなると制御弁１３の開度は増大される。また、制御部７０は非常時には電磁弁１５を閉じる。例えば、制御弁１３の開度が下限値に達したことにより或いは制御弁１３の故障により、温度センサ６２の検出温度が設定温度よりも所定温度以上高くなると、電磁弁１５は閉じられる。また、温水の利用が停止された場合（即ち、主熱交換器２２から温水送出管２３への温水の流出が停止した場合）において、温度センサ６２の検出温度が設定温度よりも所定温度以上高くなると或いはフロースイッチ６１で冷水の流れが検出されなくなると、電磁弁１５は閉じられる。こうして電磁弁１５が閉じられることにより、温水の温度が異常高温になるのを防止することができると共に、蒸気が主熱交換器２２に無駄に供給されることを回避することができる。

また、制御部７０は、非常時には、上述した電磁弁１５の制御と併せて或いは単独で、循環用管２５の循環ポンプ２６および電磁弁２７を制御する。つまり、温水の利用が停止された場合において、温度センサ６２の検出温度が設定温度よりも所定温度以上高くなると或いはフロースイッチ６１で冷水の流れが検出されなくなると、電磁弁２７が開かれ、循環ポンプ２６が駆動される。そうすると、上述したように、主熱交換器２２の温水が、水溜部２４、予熱熱交換器２８、循環用管２５および温水送出管２３を通って再び主熱交換器２２に戻る温水の循環動作が強制的に行われる。これにより、温水が主熱交換器２２に滞留することを防止できるので、主熱交換器２２に残存する蒸気によって温水が設定温度以上に加熱されることを抑制することができる。しかも、上述した温水の循環動作では、温水が水溜部２４を通過することで温水の温度が低下するので、温水が設定温度以上になるのを一層抑制することができる。そして、温水の利用が再開された場合には、循環用管２５から温水送出管２３に流れる比較的低温の温水を優先的に利用側へ送ることができる。

〈予熱熱交換器の構成および作用〉
予熱熱交換器２８は、いわゆるシェルアンドチューブ式の熱交換器であり、上述したように水供給管２１の途中に設けられている。図２および図３に示すように、予熱熱交換器２８は、胴体２８ａ（シェル）および複数の伝熱管２８ｂ（チューブ）を有している。胴体２８ａは、水平方向且つ上下流方向に延びる円柱状の容器である。複数の伝熱管２８ｂは、直線状の管であり、胴体２８ａの内部に設けられている。伝熱管２８ｂは、上下流方向に延びる状態で設けられている。胴体２８ａには、ドレンの流入口２８ｅおよび排出口２８ｆが設けられ、流入口２８ｅにドレン圧送管３５が接続され排出口２８ｆにドレン排出管３６が接続されている。また、胴体２８ａには、入口側（上流側）に水供給管２１と連通する流入室２８ｃが形成され、出口側（下流側）に水供給管２１と連通する流出室２８ｄが形成されている。複数の伝熱管２８ｂは、一端（流入端）が流入室２８ｃに連通し、他端（流出端）が流出室２８ｄに連通している。

予熱熱交換器２８では、ドレン圧送装置３４から高温のドレンがドレン圧送管３５を介して胴体２８ａ内に圧送される（流入する）。一方、予熱熱交換器２８では、水供給管２１の冷水が、流入室２８ｃに流入して複数の伝熱管２８ｂに流れる。そして、予熱熱交換器２８では、伝熱管２８ｂを流通する冷水が、胴体２８ａ内のドレンと熱交換して加熱（予熱）される。加熱された伝熱管２８ｂの冷水は、流出室２８ｄから水供給管２１に流れて主熱交換器２２に流入する。一方、伝熱管２８ｂの冷水と熱交換した胴体２８ａ内のドレンは、ドレン排出管３６に排出される。このように、本実施形態の温水生成装置１では、冷水が主熱交換器２２に流入する前に予熱（昇温）される。

また、予熱熱交換器２８の胴体２８ａでは、ドレンの流入口２８ｅおよび排出口２８ｆが上下方向（鉛直方向）における略中央位置に設けられている。つまり、胴体２８ａにおいて流入口２８ｅおよび排出口２８ｆは互いに同じ高さに設けられている。ドレン圧送装置３４から圧送されたドレンの幾分かはドレン圧送管３５を流れる間に再蒸発（フラッシュ）するため、胴体２８ａにはドレンと共に幾分かの蒸気が流入する。そして、胴体２８ａ内では、下部にドレンが位置し上部に蒸気が位置する。したがって、予熱熱交換器２８では、下部に位置する伝熱管２８ｂの冷水は概ねドレンと熱交換し、上部に位置する伝熱管２８ｂの冷水は概ね蒸気と熱交換する。ここで、蒸気の熱伝達率はドレンの熱伝達率よりも高いため、胴体２８ａ内において蒸気の占める容積をできるだけ増やすことで、ドレンおよび蒸気と冷水との熱交換効率を高めることができる。

この点、本実施形態の予熱熱交換器２８では、上述したようにドレンの排出口２８ｆを胴体２８ａの上下方向における略中央位置に設けているので、仮にドレンの排出口等を胴体２８ａの上部に設けた場合に比べて、胴体２８ａ内において蒸気の占める容積を充分に稼ぐことができる。つまり、胴体２８ａにおいて排出口２８ｆが上下方向における略中央位置に設けられているため、胴体２８ａにおいてドレンは排出口２８ｆが位置する高さ以上には貯留されない。したがって、本実施形態では、胴体２８ａ内の下半部はドレンが占め、胴体２８ａ内の上半部は蒸気が占める。

また、本実施形態の予熱熱交換器２８では、ドレンの流入口２８ｅおよび排出口２８ｆが、ドレン圧送装置３４の圧送口３４ｂと同じ高さとなる位置に設けられている。つまり、ドレン圧送管３５はドレン圧送装置３４の圧送口３４ｂから水平に延びて予熱熱交換器２８の流入口２８ｅに接続されている。こうすることにより、例えばドレンの流入口がドレン圧送装置３４の圧送口３４ｂよりも高い位置に設けられている場合と比べて、ドレン圧送装置３４における必要な圧送力が低減される。

以上のように、上記実施形態の温水生成装置１によれば、主熱交換器２２に供給される水を予熱熱交換器２８で加熱（予熱）するようにしたため、蒸気供給管１１から主熱交換器２２への蒸気供給量を低減することができる。しかも、予熱熱交換器２８では主熱交換器２２で発生した高温のドレンによって水を加熱（予熱）するようにしたため、排熱を利用して水を加熱することができる。つまり、熱回収を行うことができる。以上により、上記実施形態の温水生成装置１では省エネルギー化を図ることができる。

さらに、上記実施形態の予熱熱交換器２８では、ドレン圧送装置３４から圧送されたドレンを伝熱管２８ｂ（チューブ）ではなく胴体２８ａ（シェル）に流入させるようにした。そのため、ドレン圧送装置３４からのドレンを伝熱管２８ｂに流入させる場合に比べて、ドレン圧送装置３４における必要な圧送力を低減することができる。即ち、シェルアンドチューブ式の予熱熱交換器２８では、胴体２８ａは伝熱管２８ｂよりも流路が大きいため流通抵抗が小さい。したがって、ドレン圧送装置３４では、ドレンを伝熱管２８ｂに圧送するよりも胴体２８ａに圧送する方がその圧送に必要な圧送力を小さくすることができる。このように、上記実施形態の温水生成装置１では、ドレン圧送装置３４の必要な圧送力を低減することができるので、その圧送力を発生させるためのエネルギーを削減することができる。これにより、一層の省エネルギー化を図ることができる。

また、上記実施形態の予熱熱交換器２８では、胴体２８ａにおいてドレンの排出口２８ｆを上下方向における略中央位置に設けるようにした。したがって、胴体２８ａ内において蒸気の占める容積をできるだけ稼ぐことができる。これにより、予熱熱交換器２８におけるドレンおよび蒸気と水との熱交換効率をできるだけ高めることができる。そうすると、ドレン圧送装置３４から予熱熱交換器２８に供給するドレンの流量を低減することができ、一層の省エネルギー化を図ることができる。

さらに、上記実施形態の予熱熱交換器２８では、胴体２８ａにおいてドレンの流入口２８ｅを排出口２８ｆと同じ高さ（即ち、上下方向における略中央位置）に設けるようにした。こうすることで、ドレン圧送管３５からのドレンおよび蒸気を、胴体２８ａ内において貯留されているドレンの水面付近に流入させることができる。これにより、ドレン圧送管３５からのドレンは胴体２８ａ内のドレン領域に、ドレン圧送管３５からの蒸気は胴体２８ａ内の蒸気領域に、それぞれ直接的に導かれる。例えば、流入口が排出口よりも低い位置に設けられている場合、ドレン圧送管３５からの蒸気は胴体２８ａ内においてドレン領域を通過して蒸気領域に導かれることになる。そうすると、蒸気はドレン領域を通過する際にドレンと熱交換して凝縮してしまい、蒸気が失われる（蒸気ロス）。この点、上記実施形態ではドレン圧送管３５からの蒸気は胴体２８ａ内の蒸気領域に直接的に導かれるので、上述した蒸気ロスを防止することができる。

なお、上記実施形態において、予熱熱交換器２８の胴体２８ａの流入口２８ｅおよび排出口２８ｆの位置は、上述した位置よりも下方の位置または上方の位置であってもよい。

本願に開示の技術は、蒸気で水を加熱して温水を生成する熱交換器を備えた温水生成装置について有用である。

１ 温水生成装置
１１ 蒸気供給管
２１ 水供給管
２２ 主熱交換器
２８ 予熱熱交換器
２８ａ 胴体
２８ｂ 伝熱管
２８ｅ 流入口
２８ｆ 排出口
３４ ドレン圧送装置

Claims (3)

1. 蒸気供給管および水供給管が接続され、該水供給管から供給された水が上記蒸気供給管から供給された蒸気と熱交換して温水になる主熱交換器と、
   上記主熱交換器で蒸気が凝縮して発生したドレンが流入し、該流入したドレンを圧送するドレン圧送装置と、
   上記水供給管の途中に設けられ、上記ドレン圧送装置から圧送されたドレンが流入する容器状の胴体と、該胴体内に設けられ且つ上記水供給管の水が流通する伝熱管とを有し、上記伝熱管の水が上記胴体内のドレンと熱交換して加熱されるシェルアンドチューブ式の予熱熱交換器とを備えている
   ことを特徴とする温水生成装置。
2. 請求項１に記載の温水生成装置において、
   上記予熱熱交換器の上記胴体には、ドレンの排出口が、上下方向における略中央位置に設けられている
   ことを特徴とする温水生成装置。
3. 請求項１または２に記載の温水生成装置において、
   上記予熱熱交換器の上記胴体には、上記ドレン圧送装置から圧送されたドレンの流入口が、上下方向における略中央位置に設けられている
   ことを特徴とする温水生成装置。
   

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