TW202012862A - 熱交換器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供熱交換器及其使用方法，有效利用過熱水蒸氣所具有的水蒸氣潛熱對加熱流體，熱交換器包括：被加熱流體流動的熱交換用配管（2）。下游容器（3），收納熱交換用配管（2）的下游部分（2a）並供給過熱水蒸氣。上游容器（4），收納熱交換用配管（2）的上游部分（2b）並供給通過了下游容器（3）的水蒸氣，在熱交換用配管（2）的下游部分（2a）流動的被加熱流體利用向下游容器（3）供給的過熱水蒸氣的顯熱被加熱，在熱交換用配管（2）的上游部分（2b）流動的被加熱流體利用向上游容器（4）供給的水蒸氣的潛熱被加熱。

Description

熱交換器及其使用方法
本發明涉及使用過熱水蒸氣的熱交換器和熱交換器的使用方法。
在造紙、纖維和化學藥品製造工廠中有許多熱處理工序，因此通常設置大型蒸汽鍋爐作為熱源。並且，即使在用於乾燥的熱風等的流體加熱中，通常也透過熱交換器來進行流體加熱（專利文獻1）。
在熱風的情況下，大多將空氣加熱到150℃左右來使用，但是即便使高壓蒸汽向距鍋爐有一定距離的工廠流動，通常因配管中的壓力下降溫度也往往下降到130℃左右。因此，大多存在即使有剩餘蒸汽也不能作為熱源來利用的情況。
專利文獻1：日本專利公開公報特開2013-224810號
為了將該剩餘蒸汽作為熱源來有效利用，可採用將壓力和溫度下降的蒸汽再加熱到所希望的溫度來作為過熱水蒸氣的方法，但是當由使用過熱水蒸氣的熱交換器將空氣等流體加熱到所希望的溫度時，為了得到飽和蒸汽壓的水沸點以上的溫度，基本上必須使過熱水蒸氣的入排出溫度為水沸點以上的溫度。
但是，在上述方法中，雖排出了水沸點以上的溫度的過熱水蒸氣，但廢棄了過熱水蒸氣所具有的水蒸氣潛熱。
為了解決上述問題，本發明的課題在於有效利用過熱水蒸氣所具有的水蒸氣潛熱對被加熱流體進行加熱。
即，本發明提供一種熱交換器，熱交換器，利用過熱水蒸氣對流體進行加熱，其包括：被加熱流體流動的熱交換用配管；下游容器，收納所述熱交換用配管的下游部分並供給過熱水蒸氣；以及上游容器，收納所述熱交換用配管的上游部分並供給通過了所述下游容器的水蒸氣，在所述熱交換用配管的下游部分流動的所述被加熱流體利用向所述下游容器供給的過熱水蒸氣的顯熱被加熱，在所述熱交換用配管的上游部分流動的所述被加熱流體利用向所述上游容器供給的水蒸氣的潛熱被加熱。
按照這種構成，向下游容器供給過熱水蒸氣並利用該過熱水蒸氣的顯熱將被加熱流體加熱到所希望的溫度，並且從下游容器向上游容器供給水蒸氣並利用該水蒸氣的潛熱對被加熱流體進行加熱（預熱），因此能夠有效利用過熱水蒸氣所具有的水蒸氣潛熱對被加熱流體進行加熱。另外，雖然向上游容器供給的水蒸氣有失去潛熱而液化的水蒸氣和未液化而保持水蒸氣的狀態排出的水蒸氣，但是液化的部分的潛熱被有效利用了。
具體地說，優選的是，向所述下游容器供給的過熱水蒸氣的溫度和量設定為使在所述熱交換用配管的下游部分流動的所述被加熱流體成為100℃以上的所希望的溫度，並且設定為使從所述下游容器向所述上游容器供給的水蒸氣的溫度成為100℃以上。
其中，在將被加熱流體作為空氣的情況下，能夠利用水蒸氣潛熱加熱到最高100℃，為了加熱到100℃以上的溫度而利用水蒸氣顯熱進行加熱。雖然過熱水蒸氣所具有的能量中潛熱佔有大部分的比例，但利用本發明、過熱水蒸氣能夠利用的潛熱比例的計算值如表1所示。另外，表1是利用過熱水蒸氣對20℃的空氣進行加熱時的潛熱利用率（%）。
在表1中，超過100%的情況表示利用水蒸氣潛熱不能使溫度上升到100℃的情況，表示需要使供給的過熱水蒸氣量增加並進行調節溫度等控制的情況。
從下述計算結果可以看出，熱源的過熱水蒸氣越為高溫，潛熱的利用率越高。此外，向上游容器供給的過熱水蒸氣溫度盡可能在100℃以上且為接近100℃的溫度能夠提高潛熱的利用率，因此設計熱交換器要使向上游容器供給的過熱水蒸氣溫度為100～110℃。 表1
Figure 108131288-A0304-0001
優選的是，所述熱交換器包括：檢測流入所述熱交換用配管的被加熱流體溫度的流入溫度檢測機構、檢測流入所述熱交換用配管的被加熱流體量的流入量檢測機構、或檢測從所述熱交換用配管流出的被加熱流體溫度的流出溫度檢測機構的至少一個；調節向所述下游容器供給的過熱水蒸氣溫度的過熱水蒸氣溫度調節機構、或調節向所述下游容器供給的過熱水蒸氣量的過熱水蒸氣量調節機構的至少一個；以及運算機構，基於所述至少一個檢測機構的檢測值，計算所述調節機構的至少一個中的調節量。
此外，本發明還提供一種熱交換器的使用方法，所述熱交換器包括：被加熱流體流動的熱交換用配管；下游容器，收納所述熱交換用配管的下游部分並供給過熱水蒸氣；以及上游容器，收納所述熱交換用配管的上游部分並供給通過了所述下游容器的水蒸氣，所述熱交換器的使用方法是將向所述下游容器供給的過熱水蒸氣的溫度和量設定為使在所述熱交換用配管的下游部分流動的所述被加熱流體成為100℃以上的所希望的溫度，並且設定為使從所述下游容器向所述上游容器供給的水蒸氣的溫度成為100℃以上。
按照這樣構成的本發明，能夠有效利用過熱水蒸氣所具有的水蒸氣潛熱對被加熱流體進行加熱。
下面，參照附圖，對本發明的熱交換器的一種實施方式進行說明。
>1.裝置構成>
本實施方式的熱交換器100將過熱水蒸氣用作熱源對空氣等流體進行加熱。另外，作為用於熱交換器100的過熱水蒸氣設想利用過熱水蒸氣生成裝置對具有大型鍋爐的工廠的剩餘蒸汽進行再加熱，但是也可以是透過了過熱水蒸氣裝置的處理爐的已利用的過熱水蒸氣，還可以是對該已利用的過熱水蒸氣進行了再次加熱的過熱水蒸氣。
具體地說，如圖1所示，熱交換器100包括：被加熱流體流動的熱交換用配管2；下游容器3，收納熱交換用配管2的下游部分2a並供給過熱水蒸氣；以及上游容器4，收納熱交換用配管2的上游部分2b並供給通過了下游容器3的水蒸氣。
熱交換用配管2具有導入被加熱流體的導入口P1和匯出被加熱流體的匯出口P2。此外，熱交換用配管2在各容器3、4內形成有像蛇一樣蜿蜒曲折前行的流道，以使熱交換面積變大。另外，作為熱交換用配管的材質，能夠使用奧氏體不銹鋼、因科耐爾合金等。
下游容器3具有收納熱交換用配管2的下游部分2a的一個空間3S，並且具有供給過熱水蒸氣的供給口P3和排出冷凝水（drain）的排水口P4。另外，雖然理想上在下游容器3中不需要排水口P4，但是由於實際上存在冷凝水流出的情況，所以設置有排水口4。
上游容器4具有收納熱交換用配管2的上游部分2b的一個空間4S，並且具有供給通過了下游容器3的水蒸氣的供給口P5和排出水蒸氣或冷凝水的排出口P6。
在本實施方式中，下游容器3和上游容器4透過由隔壁5隔開一個容器而構成。並且，在該隔壁5上設置有連接下游容器3和上游容器4的連接通道51，該連接通道51成為上游容器4的供給口P5。另外，作為下游容器3和上游容器4的材質，能夠使用奧氏體不銹鋼、因科耐爾合金等。
在該熱交換器100中，在熱交換用配管2的下游部分2a中流動的被加熱流體被向下游容器3供給的過熱水蒸氣的顯熱加熱，在熱交換用配管2的上游部分2b中流動的被加熱流體被向上游容器4供給的水蒸氣的潛熱加熱。
具體地說，向下游容器3供給的過熱水蒸氣的溫度Θs和量Qs設定為使熱交換用配管2的下游部分2a中流動的被加熱流體達到100℃以上的所希望的溫度，並且設定為使從下游容器3向上游容器4供給的水蒸氣的溫度Θsc為100℃以上。
>2.設計方法>
在此，對本實施方式的熱交換器100的設計方法進行說明。
首先根據耐久性和製造成本，確定從過熱水蒸氣處理裝置或過熱水蒸氣供給裝置（未圖示）向熱交換器100供給的過熱水蒸氣的最高溫度Θsm。
接著，在供給的過熱水蒸氣為最高溫度Θsm且90℃左右的空氣（被加熱流體）為最大流入量Qam時，設定為了將被加熱流體加熱到所希望的最高流出溫度Θm所需要的過熱水蒸氣量Qsm。
接著，設定下游容器3的熱交換用配管2的熱交換面積S1，以使從下游容器3流入上游容器4的水蒸氣的溫度Θsc達到100～110℃左右。
設定上游容器4的熱交換用配管2為了利用100℃的水蒸氣將流入溫度Θa（例如20℃）的被加熱流體加熱到95～100℃所需要的熱交換面積S2。
在作為額定的最大流入量Qam且最高流出溫度Θm的情況下，以上述方式設計的熱交換器100以過熱水蒸氣量Qsm使過熱水蒸氣達到最高溫度Θsm時潛熱利用率為最高。並且，從熱交換用配管2流出的流出溫度Θ的控制可以考慮如下方式：首先設定輸出空氣為最大量Qam且為了成為最高溫度Θm所需要的供給過熱水蒸氣的最高溫度Θsm和量Qsm，接著透過調節過熱水蒸氣的溫度Θs進行精密的控制。
並且，本實施方式的熱交換器100具有運算機構6，該運算機構6根據流出溫度（控制設定值）Θ、被加熱流體的流入溫度Θa和被加熱流體的流入量Qa，計算過熱水蒸氣的最高溫度Θsm下的必要過熱水蒸氣量Qs。如果具有該運算功能，則即使在運轉條件變更時，也能夠設定該運轉條件下的必要過熱水蒸氣量Qs，從而能夠進行熱交換器100中的潛熱利用率為最高的控制。
由此，熱交換器100包括：檢測流入溫度Θa的流入溫度檢測機構7；檢測流入量Qa的流入量檢測機構8；以及檢測被加熱流體的流出溫度Θ的流出溫度檢測機構9。此外，熱交換器100包括過熱水蒸氣量調節機構10，該過熱水蒸氣量調節機構10調節向下游容器3供給的過熱水蒸氣量Qs。並且，運算機構6基於各檢測機構7～9的檢測值，計算過熱水蒸氣量調節機構10中的調節量並對必要過熱水蒸氣量Qs進行控制。此外，熱交換器100可以具有過熱水蒸氣溫度調節機構，該過熱水蒸氣溫度調節機構調節向下游容器3供給的過熱水蒸氣溫度Θs，運算機構6基於各檢測機構7～9的檢測值，計算過熱水蒸氣溫度調節機構中的調節量並對必要過熱水蒸氣溫度Θs進行控制。
>3.具體例>
以如下方式表示具體例。
在熱交換器100中，當以流入量Qa、流入溫度20℃、流出溫度300℃、過熱水蒸氣量Qsm和過熱水蒸氣溫度600℃運轉時，潛熱利用率為最高，達到22.8%（參照表1）。
在此，如果考慮將流出溫度改變為150℃來運轉的情況，則首先以600℃的過熱水蒸氣和熱交換面積S1來計算並設定流入量Qa的90℃的空氣能夠成為150℃的過熱水蒸氣量Qsn。此時，潛熱利用率為最高的91.1%。此外，透過對過熱水蒸氣溫度Θs的控制進行流出溫度Θ的微調節。另外，如果運轉條件的一部分固定或階段性設定，則可以不需要該部分的檢測機構。
>4.熱交換器100的熱量計算>
以下計算中的空氣比熱A和過熱水蒸氣比熱S的值雖然實際上根據溫度而稍許變化，但是在此為了簡化而作為相同。
1.下游容器3中的熱量計算
（1）流出溫度Θ：150℃ 流入溫度Θa：90℃ 空氣加熱熱量：（150-90）×A×Qa150 ≈60×A×Qa150 A：空氣比熱、Qa150 ：空氣量
（2）流出溫度Θ：300℃ 流入溫度Θa：90℃ 空氣加熱熱量：（300-90）×A×Qa300 ≈210×A×Qa300 A：空氣比熱、Qa300 ：空氣量
（3）如果使過熱水蒸氣溫度600℃、從下游容器3向上游容器4的出口溫度110℃和過熱水蒸氣量Qs為一定，則過熱水蒸氣的加熱量約為（600-110）×S×Qs。其中，S是過熱水蒸氣比熱。
此時加熱到150℃和300℃的空氣量的關係約為Qa300 =（60/210）Qa150 。
因此，如果輸入與以Qa150 設計的熱交換器100相同量且相同的溫度600℃的過熱水蒸氣並使空氣量為60/210的量，則能夠得到300℃的輸出空氣，並且能夠使出口溫度達到110℃。由於熱交換量相同，所以只要確保溫度差小的150℃的熱交換面積S1，就足夠達到300℃。
（4）相對於上述的流出溫度150℃、空氣量Qa150 的運轉，當將空氣量改變為0.5 Qa150 時，用於達到過熱水蒸氣溫度600℃且出口溫度110℃所需要的必要過熱水蒸氣量約為0.5Qs。
由於熱交換量減少一半，所以熱交換面積S1足夠，但是當以設定值0.5Qa150 、150℃控制流出空氣時，由於沒有進行必要以上的熱交換，因此過熱水蒸氣的出口溫度達到110℃。
（5）如果使空氣量固定（Qa150 =Qa300 ）且過熱水蒸氣溫度600℃、出口溫度110℃，則過熱水蒸氣量Qs150 ≈（60/210）Qs300 。
因此，如果輸入與以Qa300 設計的熱交換器100相同量且相同溫度的600℃的過熱水蒸氣並使過熱水蒸氣量為60/210的量，則能夠得到150℃的輸出空氣，並且能夠使出口溫度為110℃。由於300℃的輸出空氣與150℃的輸出空氣相比熱量大，所以如果確保300℃的輸出空氣的熱交換面積S1，則150℃時也足夠。
2.上游容器4中的熱量計算
如表1的潛熱利用率所示，可知在150℃的流出溫度且600℃的過熱水蒸氣溫度下利用率為91.1%，在300℃的流出溫度下為22.8%，因此能夠將20℃的空氣加熱到90℃（計算上為100℃）。
3.整體的熱流
由於在上游容器4空氣入口側附近的熱交換器溫度變低，所以首先從入口側附近開始接受大量的飽和水蒸氣的潛熱。在熱交換面積足夠的狀態下，在上游容器4的整個熱交換器中進行熱交換，空氣的溫度上升到100℃（計算上為90℃）附近。
另一方面，即使在下游容器3中熱交換面積也足夠，因此透過供給用於使溫度上升到設定的流出溫度的、從600℃成為110℃的溫度而得到熱量的過熱水蒸氣量，能夠確保過熱水蒸氣的出口溫度110℃。
>5.本實施方式的效果>
按照以上述方式構成的熱交換器100，向下游容器3供給過熱水蒸氣，利用該過熱水蒸氣的顯熱將被加熱流體加熱到所希望的溫度，並且從下游容器3向上游容器4供給水蒸氣，利用該水蒸氣的潛熱對被加熱流體進行加熱（預熱），由於以上述方式構成，所以能夠有效利用過熱水蒸氣所具有的水蒸氣潛熱對被加熱流體進行加熱。
>6.本發明的變形實施方式>
另外，本發明並不限定於上述實施方式。
例如，在上述實施方式中下游容器3和上游容器4一體構成，但是也可以分別由單獨的容器構成。
此外，本發明不限定於上述實施方式，當然能夠在不脫離本發明宗旨的範圍內進行各種變形。
100:熱交換器 2:熱交換用配管 2a:下游部分 2b:上游部分 3:下游容器 4:上游容器 5:隔壁 51:連接通道 6:運算機構 7:流入溫度檢測機構 8:流入量檢測機構 9:流出溫度檢測機構 10:過熱水蒸氣量調節機構 P1:導入口 P2:匯出口 P3:供給口 P4:排水口 P5:供給口 P6:排出口 3S、4S:空間
圖1是示意性表示本發明一種實施方式的熱交換器的構成的圖。
100:熱交換器
2:熱交換用配管
2a:下游部分
2b:上游部分
3:下游容器
4:上游容器
5:隔壁
51:連接通道
6:運算機構
7:流入溫度檢測機構
8:流入量檢測機構
9:流出溫度檢測機構
10:過熱水蒸氣量調節機構
P1:導入口
P2:匯出口
P3:供給口
P4:排水口
P5:供給口
P6:排出口
3S、4S:空間

Claims (4)

  1. 一種熱交換器，利用過熱水蒸氣對流體進行加熱，該熱交換器包括： 一被加熱流體流動的一熱交換用配管；一下游容器，收納該熱交換用配管的一下游部分並供給過熱水蒸氣；以及一上游容器，收納該熱交換用配管的一上游部分並供給通過了該下游容器的水蒸氣，在該熱交換用配管的該下游部分流動的該被加熱流體利用向該下游容器供給的過熱水蒸氣的顯熱被加熱，在該熱交換用配管的該上游部分流動的該被加熱流體利用向該上游容器供給的水蒸氣的潛熱被加熱。
  2. 根據權利要求1所述的熱交換器，其中，向該下游容器供給的過熱水蒸氣的溫度和量設定為使在該熱交換用配管的該下游部分流動的該被加熱流體成為100℃以上的所希望的溫度，並且設定為使從該下游容器向該上游容器供給的水蒸氣的溫度成為100℃以上。
  3. 根據權利要求1所述的熱交換器，更包括： 檢測流入該熱交換用配管的被加熱流體溫度的一流入溫度檢測機構、檢測流入該熱交換用配管的被加熱流體量的一流入量檢測機構、或檢測從該熱交換用配管流出的被加熱流體溫度的一流出溫度檢測機構的至少一個；調節向該下游容器供給的過熱水蒸氣溫度的一過熱水蒸氣溫度調節機構、或調節向該下游容器供給的過熱水蒸氣量的一過熱水蒸氣量調節機構的至少一個；以及一運算機構，基於該至少一個檢測機構的檢測值，計算該調節機構的至少一個中的調節量。
  4. 一種熱交換器的使用方法，該熱交換器包括：一被加熱流體流動的一熱交換用配管；一下游容器，收納該熱交換用配管的一下游部分並供給過熱水蒸氣；以及一上游容器，收納該熱交換用配管的一上游部分並供給通過了該下游容器的水蒸氣， 該熱交換器的使用方法更包括：將向該下游容器供給的過熱水蒸氣的溫度和量設定為使在該熱交換用配管的該下游部分流動的該被加熱流體成為100℃以上的所希望的溫度，並且設定為使從該下游容器向該上游容器供給的水蒸氣的溫度成為100℃以上。
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