WO2016166781A1 - 熱交換器及びこれを用いたｖｏｃ処理装置 - Google Patents

熱交換器及びこれを用いたｖｏｃ処理装置 Download PDF

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heat exchanger
heat exchange
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fluid
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Inventor
今村　啓志
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カンケンテクノ株式会社
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    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
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    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention mainly relates to a heat exchanger suitable for a thermal decomposition process such as exhaust gas and a VOC (volatile organic compound) processing apparatus using the heat exchanger.
  • the heat exchanger has at least two flow paths that are divided from each other by a heat transfer plate, and allows a low-temperature heat receiving fluid (gas or liquid, the same applies hereinafter) to flow through one flow path, while the other.
  • the heat transfer (heat transfer) is performed between the heat-dissipating fluid and the heat-receiving fluid by passing a high-temperature heat-dissipating fluid through the channel.
  • Such a heat exchanger is used in various processes using heat, and one of them is a “VOC processing apparatus”.
  • VOCs Volatile Organic Compounds
  • formaldehyde, toluene, chlorofluorocarbons, benzene, dichloromethane, and cyclohexane are widely used as cleaning agents, solvents, or fuels.
  • it is a compound that causes a health disorder such as sick house syndrome or a photochemical oxidant.
  • the thing (apparatus) used in order to remove VOC in air is a "VOC processing apparatus.”
  • this VOC treatment device there are catalytic combustion type, direct combustion type and thermal storage combustion type, but at present, VOC can be decomposed and removed most efficiently by the following Patent Document 1. It is a regenerative thermal oxidizer (RTO) as described.
  • RTO regenerative thermal oxidizer
  • Thermal storage combustion exhaust gas treatment equipment is generally a combustion furnace equipped with multiple series of thermal storage bodies (heat exchangers) and burners formed of ceramic honeycombs, intake fans, valves, piping and control equipment connecting them.
  • the VOC-containing gas which is the gas to be processed, is pushed into the combustion furnace with an intake fan, heat exchanged with the heat storage body in the furnace, and then heated with a burner to 800 It is an apparatus that burns at ⁇ 900 ° C.
  • This heat storage combustion type exhaust gas treatment device uses a heat storage ceramic instead of the metal used in the catalytic combustion type or direct combustion type VOC treatment device as a heat exchanger material, so the heat recovery rate is high. Very high at 90-95%.
  • the heat recovery rate in a catalytic combustion type or direct combustion type VOC processing apparatus using a metal having no heat storage property as a heat exchanger material is about 40 to 60%.
  • the valves are operated so as to appropriately switch the series of the heat storage material through which the VOC-containing gas passes. Can be used without waste, and the fuel used in the burner can be reduced.
  • the conventional heat storage combustion exhaust gas treatment apparatus has the following problems. That is, since the ceramic honeycomb forming the heat storage body (heat exchanger) is heavy and large, for example, when tar or the like adheres and the flow path of the heat storage body is blocked, maintenance becomes extremely difficult. Further, in the heat storage combustion exhaust gas treatment apparatus that requires a plurality of heat storage bodies formed of such heavy and large ceramic honeycombs, the apparatus becomes large, and thus a large installation space is required. Furthermore, the conventional heat storage combustion type exhaust gas treatment apparatus requires a plurality of valves as operation parts in order to appropriately switch the series of heat storage materials through which the VOC-containing gas passes, but such operation parts are used over time. There is also a problem that it is necessary to constantly monitor during operation and maintenance to prepare for the failure because of the high probability of failure due to the above.
  • the main problem of the present invention is to provide a heat exchanger that can stably realize high heat exchange efficiency for a long period of time despite using a metal having no heat storage property as a heat exchanger material. is there. Furthermore, a further object of the present invention is to provide a VOC processing apparatus that uses such a heat exchanger, is compact and excellent in energy saving, and can efficiently perform thermal decomposition (detoxification) of a large-capacity VOC-containing gas. It is to be.
  • the heat exchanger 10 is configured as follows. That is, a flat plate formed in a square, a pair of base plates 14 facing each other by opening the space 12a, and a plurality of heat transfer tubes 16 disposed so as to be substantially parallel to each other in the space 12a, A rectangular frame is formed by supporting both ends of the tube 16 in the axial direction while securing the internal flow of the tube 16 and connecting side portions of the base plate 14 facing each other through the space 12a.
  • the heat exchange unit 12 comprised with a pair of tube sheet 18 which forms 12b is provided.
  • An even number of heat exchange units 12 of the same shape and the same size are arranged so that the axial directions of the tubes 16 of the adjacent heat exchange units 12 are orthogonal to each other, and the base plates 14 are connected while being overlapped.
  • a fluid flow path is provided to alternately flow between the inside and the outside of the tube 16.
  • the present invention has the following effects, for example. Since the heat exchanger 10 is formed by connecting the heat exchange units 12 that exchange heat inside and outside the tubes 16 while overlapping them, it is necessary to adjust the number of the heat exchange units 12 to be connected. It is possible to easily obtain the heat exchanger 10 having the heat exchange performance. In addition, an even number of heat exchange units 12 of the same shape and the same size are arranged so that the axial directions of the tubes 16 of the adjacent heat exchange units 12 are orthogonal to each other and connected while overlapping the base plates 14, When the heat receiving fluid 20 and the heat radiating fluid 22 flowing in a countercurrent flow sequentially through the superimposed heat exchange units 12, a fluid flow path is configured to alternately flow between the inside and the outside of the tube 16. Since the heat receiving fluid 20 and the heat radiating fluid 22 flow through the heat exchanger 10, the flow channel shape and the flow channel surface area are equal to each other, and the heat exchange efficiency between the fluids 20 and 22 is improved. be able to.
  • the heat exchange units 12 arranged so that the axis of the tube 16 faces in the horizontal direction are stacked in the vertical direction, and the outer periphery thereof is surrounded by the heat insulating material 52 so that the heat receiving fluid 20 flows from the bottom to the top.
  • the heat-dissipating fluid 22 is passed from top to bottom. In this case, since heat moves from the lower side to the upper side, the heat dissipation loss of the heat exchanger 10 can be minimized.
  • the total internal volume of the tubes 16 in the heat exchange unit 12 is preferably within the range of 40 to 60% of the internal volume of the frame 12b.
  • the flow channel shape and the flow channel surface area that affect the flow resistance when the heat receiving fluid 20 and the radiating fluid 22 flow through the heat exchanger 10 are equal to each other, but also the flow channel surface area is maximized. Therefore, heat exchange between the fluids 20 and 22 can be maximized.
  • the VOC processing apparatus 50 which concerns on 2nd invention is an apparatus using the heat exchanger 10 mentioned above, Comprising: As shown in FIG.1 and 2, for example, the VOC processing apparatus 50 was comprised as follows. It is. That is, the reaction furnace 30 includes a heating unit 40 that heats the VOC-containing gas to be processed that has flowed through the heat exchanger 10 as the heat receiving fluid 20. In the reaction furnace 30, a heat storage material 42 is disposed on the downstream side of the heating means 40 in the gas flow direction.
  • a heat exchanger capable of stably realizing long-term high heat exchange efficiency despite the use of a metal having no heat storage property as a heat exchanger material, and such a heat exchanger It is possible to provide a VOC processing apparatus that is compact, excellent in energy saving, and capable of efficient thermal decomposition (detoxification) processing of a large-capacity VOC-containing gas.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 1. It is a figure which shows an example of the heat exchange unit which forms the heat exchanger of this invention.
  • FIG. 3A is a schematic perspective view of a heat exchange unit. 3B is a cross-sectional view taken along line B-B ′ in FIG. 3A. 3C is a cross-sectional view taken along line C-C ′ in FIG. 3A. It is a schematic diagram at the time of forming the heat exchanger by laminating
  • FIG. 1 shows an outline of a VOC processing apparatus 50 equipped with the heat exchanger 10 of the present invention
  • FIG. 2 shows a cross section taken along the line A-A 'of FIG.
  • This VOC treatment device 50 is for removing VOC (Volatile Organic Compounds) such as formaldehyde, toluene, chlorofluorocarbons, benzene, dichloromethane and cyclohexane contained in the gas to be treated. 10 and a reaction furnace 30 for thermally decomposing VOC in the gas to be treated whose temperature has been raised by the heat exchanger 10.
  • VOC Volatile Organic Compounds
  • the heat exchanger 10 is attached to the even number of heat exchanger units 12 stacked in the vertical direction (six in the illustrated embodiment) and the side surfaces of these heat exchange units 12 to receive heat.
  • the heat exchange unit 12 and the duct 24 are both made of a metal material that is excellent in heat resistance and thermal conductivity, such as stainless steel or Hastelloy (registered trademark of Haynes).
  • the heat exchange unit 12 is formed of a flat plate formed in a square shape, and has a pair of base plates 14 that face each other by opening a space 12 a.
  • a plurality of heat transfer tubes 16 are disposed so as to be substantially parallel to each other.
  • a pair of tube plates 18 are attached to support the 16 internal passages while securing them. And this pair of tube sheet 18 connects the side parts of the said base board 14 which mutually face through the space 12a, and forms the square frame 12b.
  • the total internal volume of the tubes 16 in the heat exchange unit 12 is preferably in the range of 40 to 60% of the internal volume of the frame body 12b (ie, the volume of the space 12a), more preferably 45%. It is in the range of ⁇ 50%.
  • the ratio of the total internal volume of the tube 16 and the internal volume of the frame 12b within the above range, the flow resistance when the heat receiving fluid 20 and the heat radiating fluid 22 flow through the heat exchanger 10 is affected.
  • the flow path surface area can be maximized, and the transfer of heat between the fluids 20 and 22 can be maximized.
  • reference numeral “26a” attached to the heat exchanger 10 is a “heat receiving fluid inlet” for taking the VOC-containing processing target gas to be the heat receiving fluid 20 into the heat exchanger 10.
  • “26b” is a “heat receiving fluid outlet” for taking out the heat receiving fluid 20 that has flowed through the heat exchanger 10.
  • the reference numeral “28a” attached to the heat exchanger 10 is a “radiating fluid inlet” for taking the gas to be processed after the VOC decomposition and removal, which becomes the radiating fluid 22, into the heat exchanger 10.
  • “28 b” is a “radiating fluid outlet” for taking out the radiating fluid 22 that has flowed through the heat exchanger 10.
  • the downstream end of the processing target gas supply pipe 32 is connected to the heat receiving fluid inlet 26a, and the processing target gas pyrolyzed in the reaction furnace 30 is released to the atmosphere at the radiating fluid outlet 28b.
  • the upstream end of the cracked gas discharge pipe 34 is connected.
  • An exhaust fan 36 is connected in the middle of the cracked gas discharge pipe 34.
  • the high temperature side is the upper part and the low temperature side is the lower part, and heat exchange efficiency is low with less heat dissipation.
  • it is ideally placed as an energy-saving device.
  • the heat exchanger 10 was constructed by stacking six heat exchange units 12 arranged in a vertical direction so that the 31.8 mm ⁇ 500 mm long tubes 16 were arranged in parallel so as to be parallel to each other. About this heat exchanger 10, air at room temperature (20 ° C.) is introduced from the bottom of the heat exchanger 10 as the heat receiving fluid 20, discharged from above at an air volume of 3 m 3 / min, and heated to 360 ° C. as the radiating fluid 22. The introduced air was introduced from above the heat exchanger 10 and discharged from below at an air volume of 3 m 3 / min.
  • the temperature of the heat receiving fluid 20 that has passed through the heat exchanger 10 has been raised to 258 ° C.
  • the temperature of the radiating fluid 22 that has passed through the heat exchanger 10 has been lowered to 60 ° C.
  • the heat recovery rate of the heat exchanger 10 is calculated, it is 85%, and it can be seen that the heat recovery rate is extremely high as a material using a metal as the heat exchanger material.
  • the reaction furnace 30 is connected to the upper part of the heat exchanger 10 and is a device for combusting the VOC-containing process target gas (that is, the heat receiving fluid 20) heated through the heat exchanger 10. , A heating means 40 and a heat storage material 42 are provided.
  • the casing 38 is a sealed container having an inner surface made of a refractory material such as castable or a metal material such as stainless steel or Hastelloy (registered trademark of Haynes), and having a gas processing space R formed therein.
  • a processing target gas supply port 38a for introducing the VOC-containing processing target gas into the gas processing space R is opened at the bottom surface of the casing 38, and the partition wall 38x is separated from the bottom surface of the casing 38.
  • a processed gas discharge port 38b for discharging the processing target gas in which the VOC is burned in the casing 38 (that is, in the gas processing space R) to the atmosphere is provided. It is open.
  • the heat receiving fluid outlet 26b of the heat exchanger 10 is connected to the processing object gas supply port 38a, and the radiating fluid inlet 28a of the heat exchanger 10 is connected to the processed gas discharge port 38b.
  • FIG. 1 shows a case where the processing target gas supply port 38a and the processed gas discharge port 38b are both provided on the bottom surface of the casing 38. However, the processing target gas supply port 38a and the processed gas discharge port are shown in FIG. The position where 38b is provided can be appropriately changed according to the installation status of the equipment.
  • the heating means 40 is a heat source for burning the VOC contained in the gas to be processed.
  • the heating means 40 is made of ceramic such as alumina or a protective tube made of metal such as Hastelloy (registered trademark of Haynes) or stainless steel, ceramic such as SiC, nichrome wire or Kanthal (Sandvik AB An electric heater equipped with a heating resistor made of a metal wire such as a registered trademark) wire is used.
  • a flame type burner is generally used as a heat source of a VOC treatment device, particularly a direct combustion type or regenerative combustion type device. Therefore, this flame burner may be used as the heating means 40 in the VOC processing apparatus 50 of the present invention.
  • the heat exchanger 10 according to the present invention has an extremely high heat recovery rate of approximately 90% or more, and therefore, an electrothermal heater can be used as the heating means 40 as described above. . By using such an electric heater, combustion processing of a large amount of gas to be processed becomes possible.
  • a plurality of (two in FIG. 1) electrothermal heaters are used as the heating means 40 in the gas flow direction upstream in the gas processing space R close to the processing target gas supply port 38a.
  • the aspect of the heating means 40 is not limited to this,
  • the number of installation of an electrothermal heater is not plural but one as mentioned above.
  • the installation location may be any location as long as the gas processing space R can be appropriately heated.
  • the heat storage material 42 is a member formed of a ceramic honeycomb. In the illustrated embodiment, the heat storage material 42 crosses the flow path of the gas to be processed on the downstream side of the heating means 40 in the gas flow direction in the gas processing space R. It is constructed between the inner wall of the casing 38 and the partition wall 38x. The heat storage material 42 stores the combustion heat of the VOC, thereby making it possible to maintain the combustion temperature in the gas processing space R while reducing the fuel consumption in the heating means 40.
  • the heat insulating material extends from the outer surface of the reaction furnace 30 to the upper portion of the outer surface of the heat exchanger 10. 44.
  • the entire outer surface of the reaction furnace 30 and the heat exchanger 10 may be covered with the heat insulating material 44, but as described above, if the flow path of the entire heat exchanger 10 and the arrangement of its temperature distribution are viewed, the high temperature side is Since the upper portion and the low temperature side are ideally arranged as the lower portion, heat utilization efficiency can be improved by providing a heat insulating material on at least the outer surface of the reactor 30 and the upper outer surface of the heat exchanger 10. It can be improved sufficiently.
  • the operation switch (not shown) of the VOC processing apparatus 50 is turned on to turn on the reactor.
  • the heating means 40 in 30 is operated, and heating in the gas processing space R is started.
  • the exhaust fan 36 is operated and the VOC processing device 50 is operated.
  • the introduction of the VOC-containing process target gas is started.
  • the gas to be treated passes through the heat exchanger 10 (heat receiving fluid flow path) ⁇ the reaction furnace 30 ⁇ the heat exchanger 10 (radiating fluid flow path) in this order, and the VOC in the gas is burned.
  • the heat exchanger 10 since the heat exchanger 10 is configured as described above, the following effects are exhibited during the VOC combustion process. That is, even-numbered (six) heat exchange units 12 of the same shape and size are arranged so that the axial directions of the tubes 16 of the adjacent heat exchange units 12 are orthogonal to each other, and the base plates 14 are overlapped with each other.
  • the heat receiving fluid 20 and the heat radiating fluid 22 that flow in a countercurrent flow while flowing in the vertical direction alternately flow between the inside and the outside of the tube 16 when sequentially passing through the heat exchange units 12 that are overlapped. Since the fluid flow path is configured, the flow path shape and the flow path surface area when the heat receiving fluid 20 and the radiating fluid 22 flow through the heat exchanger 10 are equal to each other, and the heat between the fluids 20 and 22 is the same. Exchange efficiency can be improved.
  • the heat recovery rate is approximately 90% or more as described above, which is very efficient. Therefore, as the heat storage material 42 disposed in the gas processing space R of the reactor 30, A small object can be used, and as a result, the reactor 30 and the VOC processing apparatus 50 as a whole can be made compact.
  • the heat exchanger 10 is formed by stacking six heat exchange units 12 in the vertical direction, but the number of heat exchange units 12 to be stacked may be an even number, Depending on the heat exchange capability required, two or four may be sufficient, and eight or more may be sufficient. Furthermore, although the case where the heat exchange unit 12 is laminated
  • the heat exchanger 10 is applied to the VOC processing device 50 .
  • the use of the heat exchanger 10 is not limited to this, and a device that requires high heat utilization efficiency. As long as it is applicable to any other apparatus.

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Abstract

熱交換器材質として蓄熱性のない金属を用いているにも関わらず、高い熱交換効率を長期的に安定して実現できる熱交換器とこれ用いたＶＯＣ処理装置とを提供する。すなわち、本発明の熱交換器１０は、正方形に形成され、空間１２ａを開けて対面する一対のベース板１４と、空間１２ａ内にて互いに略平行するよう配設された複数の伝熱用のチューブ１６と、前記チューブ１６の軸方向両端部を支持し、前記ベース板１４の側辺部同士を連結して方形の枠体１２ｂを形成する一対の管板１８とで構成された熱交換ユニット１２を備える。同形同大の偶数台の前記熱交換ユニット１２を、隣接する該熱交換ユニット１２のチューブ１６の軸方向が互いに直交するように配置すると共に前記ベース板１４同士を重ね合わせて連結する。向流となって流れる受熱流体２０及び放熱流体２２が、前記チューブ１６の内側と外側とを交互に通流するよう流体流路を構成する。

Description

熱交換器及びこれを用いたＶＯＣ処理装置
　本発明は、主として排ガス等の熱分解処理プロセスに好適な熱交換器と、これを用いたＶＯＣ（揮発性有機化合物）処理装置とに関する。
　熱交換器は、伝熱板によって互いに分割された、少なくとも２つの流路を有しており、一方の流路に低温の受熱流体（気体或いは液体、以下同じ。）を通流させると共に、他方の流路に高温の放熱流体を通流させることにより、放熱流体と受熱流体との間で熱の授受（伝熱）を行うものである。
　このような熱交換器は、熱を利用する様々なプロセスで使用されており、その一つに「ＶＯＣ処理装置」が挙げられる。
　ここで、このＶＯＣ処理装置について説明すると、ホルムアルデヒド、トルエン、フロン類、ベンゼン、ジクロロメタン及びシクロヘキサンなどのＶＯＣ（Volatile Organic Compounds；揮発性有機化合物）は、洗浄剤や溶剤、あるいは燃料として幅広く利用されている一方で、例えばシックハウス症候群などの健康障害を引き起こしたり、光化学オキシダントの生成原因となったりする化合物である。このため、空気中のＶＯＣを除去するために用いられる物(装置)が「ＶＯＣ処理装置」である。
　このＶＯＣ処理装置として、触媒燃焼式の物、直接燃焼式の物及び蓄熱燃焼式の物が有るが、現状において、ＶＯＣの分解除去を最も効率的に行なえるのは、下記の特許文献１に記載されているような蓄熱燃焼式の排ガス処理装置（ＲＴＯ；Regenerative Thermal Oxidizer）である。
　蓄熱燃焼式排ガス処理装置は、一般的にセラミックハニカムで形成される複数系列の蓄熱体(熱交換器)とバーナーとを備えた燃焼炉，吸気ファン，バルブ類，これらを繋ぐ配管類や制御機器などで大略構成されており、処理対象ガスであるＶＯＣ含有ガスを吸気ファンで燃焼炉内に押し込み、これを当該炉内の蓄熱体との間で熱交換させた後、バーナーで加熱して８００～９００℃にて燃焼処理する装置である。
　この蓄熱燃焼式排ガス処理装置は、熱交換器材質として、触媒燃焼式や直接燃焼式のＶＯＣ処理装置で用いられている金属ではなく、蓄熱性を有するセラミックを用いているので、熱回収率が９０～９５％と非常に高い。因みに、熱交換器材質として蓄熱性のない金属を用いる触媒燃焼式や直接燃焼式のＶＯＣ処理装置における熱回収率は概ね４０～６０％位である。また、蓄熱燃焼式排ガス処理装置では、このような熱交換器材質の違いに加え、上記のバルブ類を操作してＶＯＣ含有ガスが通過する蓄熱材の系列を適宜切り替えるようにしているので、熱を無駄なく利用することができ、バーナーで使用する燃料を低減させることができる。
特開２００１－３０４５３１号公報
　しかしながら、上記従来の蓄熱燃焼式排ガス処理装置には次のような問題がある。
　すなわち、蓄熱体(熱交換器)を形成するセラミックハニカムは重く大きいため、例えばタール等が付着して蓄熱体の流路が閉塞された場合、メンテナンスが極めて困難になる。また、このように重く大きなセラミックハニカムで形成された蓄熱体を複数系列必要とする蓄熱燃焼式排ガス処理装置では、装置が大型なものとなるため、広い設置スペースが必要になる。さらに、従来の蓄熱燃焼式排ガス処理装置には、ＶＯＣ含有ガスを通過させる蓄熱材の系列を適宜切り替えるため、動作部品であるバルブ類が複数必要であるが、このような動作部品は経年の使用等により故障する蓋然性が高いため、運転やメンテナンスの際に常時モニタリングして故障に備えなければならないという問題もあった。
　それゆえに、本発明の主たる課題は、熱交換器材質として蓄熱性のない金属を用いているにも関わらず、高い熱交換効率を長期的に安定して実現できる熱交換器を提供することにある。また、本発明の更なる課題は、そのような熱交換器を用い、コンパクトで省エネルギー性に優れ、大容量ＶＯＣ含有ガスの効率的な熱分解（除害）処理が可能なＶＯＣ処理装置を提供することである。
　上記の目的を達成するため、本発明は、例えば、図１から図４に示すように、熱交換器１０を次のように構成した。
　すなわち、正方形に形成された平板からなり、空間１２ａを開けて対面する一対のベース板１４と、前記空間１２ａ内にて互いに略平行するよう配設された複数の伝熱用のチューブ１６と、前記チューブ１６の軸方向両端部を当該チューブ１６の内部通流を確保した状態で支持すると共に前記空間１２ａを介して互いに対面する前記ベース板１４の側辺部同士を連結して方形の枠体１２ｂを形成する一対の管板１８とで構成された熱交換ユニット１２を備える。同形同大の偶数台の前記熱交換ユニット１２を、隣接する該熱交換ユニット１２のチューブ１６の軸方向が互いに直交するように配置すると共に前記ベース板１４同士を重ね合わせながら連結する。向流となって流れる受熱流体２０及び放熱流体２２が、重ね合わせた前記熱交換ユニット１２を順に通流する際に、前記チューブ１６の内側と外側とを交互に通流するよう流体流路を構成する。
　本発明は、例えば、次の作用を奏する。
　チューブ１６の内外で熱交換が行なわれる熱交換ユニット１２を偶数台重ね合わせながら連結することで熱交換器１０が形成されているので、連結する熱交換ユニット１２の個数を調節するだけで、必要とする熱交換性能の熱交換器１０を簡便に得ることができる。
　また、同形同大の偶数台の熱交換ユニット１２を、隣接する該熱交換ユニット１２のチューブ１６の軸方向が互いに直交するように配置してベース板１４同士を重ね合わせながら連結すると共に、向流となって流れる受熱流体２０及び放熱流体２２が、重ね合わせた熱交換ユニット１２を順に通流する際に、チューブ１６の内側と外側とを交互に通流するよう流体流路を構成するようにしているので、受熱流体２０及び放熱流体２２が熱交換器１０を通流する際の流路形状および流路表面積が互いに等しくなり、両流体２０,２２間での熱交換効率を向上させることができる。
　本発明には、例えば、図１及び２に示すように、次の構成を加えることが好ましい。
　すなわち、チューブ１６の軸が水平方向を向くように配置された熱交換ユニット１２を鉛直方向に積層すると共に、その外周を断熱材５２で囲繞し、受熱流体２０を下から上へと通流させ、放熱流体２２を上から下へと通流させる。
　この場合、熱は下方から上方へと移動することから、熱交換器１０の放熱ロスを最小限に食い止めることができるようになる。
　また、本発明では、上記各構成に加え、熱交換ユニット１２におけるチューブ１６の内部容積の合計を、枠体１２ｂの内部容積の４０～６０％の範囲内にするのが好ましい。
　この場合、受熱流体２０及び放熱流体２２が熱交換器１０を通流する際の通流抵抗に影響を及ぼす流路形状および流路表面積が互いに等しくなるばかりでなく、流路表面積を極大化させることができるので、両流体２０,２２間での熱の授受を極大化させることができるようになる。
　また、第２の発明に係るＶＯＣ処理装置５０は、上述した熱交換器１０を用いる装置であって、例えば、図１及び２に示すように、ＶＯＣ処理装置５０を次のように構成したものである。
　すなわち、反応炉３０は、受熱流体２０として熱交換器１０を通流してきた処理対象のＶＯＣ含有ガスを加熱する加熱手段４０を有する。その反応炉３０内には、ガス通流方向における加熱手段４０の下流側に、蓄熱材４２が配設されている。
　本発明によれば、熱交換器材質として蓄熱性のない金属を用いているにも関わらず、高い熱交換効率を長期的に安定して実現できる熱交換器と、そのような熱交換器を用い、コンパクトで省エネルギー性に優れ、大容量ＶＯＣ含有ガスの効率的な熱分解（除害）処理が可能なＶＯＣ処理装置を提供することができる。
本発明における一実施例のＶＯＣ処理装置の概略を示す説明図である。 図１におけるＡ－Ａ’線断面図である。 本発明の熱交換器を形成する熱交換ユニットの一例を示す図である。図３Ａは、熱交換ユニットの概略斜視図である。図３Ｂは、図３ＡにおけるＢ－Ｂ’線断面図である。図３Ｃは、図３ＡにおけるＣ－Ｃ’線断面図である。 本発明の熱交換ユニットを積層して熱交換器を形成した際の模式図であり、発明の理解を容易にするため、全周に設けられる流体流路等を省略している。
　以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の熱交換器１０を搭載したＶＯＣ処理装置５０の概略を示すものであり、図２は、図１のＡ－Ａ’線断面を示す。このＶＯＣ処理装置５０は、処理対象ガス中に含まれるホルムアルデヒド、トルエン、フロン類、ベンゼン、ジクロロメタン及びシクロヘキサンなどのＶＯＣ（Volatile Organic Compounds；揮発性有機化合物）を除去するためのもので、熱交換器１０と、この熱交換器１０で昇温させた処理対象ガス中のＶＯＣを熱分解させる反応炉３０とで大略構成されている。
　熱交換器１０は、図１又は２に示すように、鉛直方向に積層された偶数台(図示実施形態では６台)の熱交換ユニット１２と、これら熱交換ユニット１２の側面に取り付けられ、受熱流体２０となるＶＯＣ含有処理対象ガス及び放熱流体２２となるＶＯＣ分解除去後の処理対象ガスの流路を画定するダクト２４とで構成される。なお、熱交換ユニット１２及びダクト２４は、共にステンレスやハステロイ（ヘインズ社登録商標）などの耐熱性と熱伝導性とに優れる金属材料で形成されている。
　熱交換ユニット１２は、図３に示すように、正方形に形成された平板からなり、空間１２ａを開けて対面する一対のベース板１４を有する。そのベース板１４で挟まれた空間１２ａ内には、互いに略平行するように複数の伝熱用のチューブ１６が配設されており、前記チューブ１６の軸方向両端部のそれぞれには、当該チューブ１６の内部通流を確保した状態でこれらを支持する一対の管板１８が取り付けられている。そして、この一対の管板１８は、空間１２ａを介して互いに対面する前記ベース板１４の側辺部同士を連結して方形の枠体１２ｂを形成する。
　ここで、熱交換ユニット１２におけるチューブ１６の内部容積の合計は、枠体１２ｂの内部容積(即ち、空間１２ａの容積)の４０～６０％の範囲内にするのが好ましく、より好ましくは、４５～５０％の範囲である。チューブ１６の内部容積の合計と枠体１２ｂの内部容積との割合を上記範囲内にすることによって、受熱流体２０及び放熱流体２２が熱交換器１０を通流する際の通流抵抗に影響を及ぼす流路形状および流路表面積が互いに等しくなるのに加え、流路表面積を極大化させることができ、両流体２０,２２間での熱の授受を極大化させることができるようになる。
　以上のように構成された熱交換ユニット１２を用いて熱交換器１０を構成する際には、同形同大の偶数台の熱交換ユニット１２を隣接する該熱交換ユニット１２のチューブ１６の軸方向が互いに直交するように配置した後、隣接する熱交換ユニット１２のベース板１４同士を気密的に重ね合わせながら連結する。
　そして、図４に示すように、向流となって流れる放熱流体２０及び受熱流体２２が、重ね合わせた前記熱交換ユニット１２を上から下へ、或いは、下から上へと順に通流する際、前記チューブ１６の内側と外側とを交互に通流するよう、偶数台連結した熱交換ユニット１２の側面にダクト２４を取り付けて流体流路を構成する（図１及び２参照）。
　なお、図１及び２において熱交換器１０に付された符号「２６ａ」は、受熱流体２０となるＶＯＣ含有処理対象ガスを熱交換器１０内に取り込むための「受熱流体入口」であり、符号「２６ｂ」は、熱交換器１０内を通流した受熱流体２０を取り出すための「受熱流体出口」である。また、同じく熱交換器１０に付された符号「２８ａ」は、放熱流体２２となるＶＯＣ分解除去後の処理対象ガスを熱交換器１０内に取り込むための「放熱流体入口」であり、符号「２８ｂ」は、熱交換器１０内を通流した放熱流体２２を取り出すための「放熱流体出口」である。
　このうち、受熱流体入口２６ａには、処理対象ガス供給配管３２の下流端が接続され、放熱流体出口２８ｂには、反応炉３０内で熱分解処理された処理対象ガスを大気中へと放出する分解ガス排出配管３４の上流端が接続される。また、上記の分解ガス排出配管３４の途中には排気ファン３６が接続される。この排気ファン３６が稼働することによってＶＯＣ処理装置５０の内部が常に大気圧よりも低い圧力（＝負圧）に保たれる。このため、熱分解処理前のＶＯＣ含有処理対象ガスや処理済みで高温の排ガスなどが誤ってＶＯＣ処理装置５０から外部へ漏れ出すことはない。
　ここで、以上のように構成された本実施形態の熱交換器１０全体の流路とその温度分布の配置をみれば、高温側が上部、低温側が下部となっており、放熱が少なく熱交換効率が高い省エネルギー装置として理想的な配置となっている。
　具体的には、厚さ３ｍｍのＳＵＳ３０４(ＪＩＳ規格)で形成した縦５００ｍｍ×横５００ｍｍ×高さ１６０ｍｍの枠体１２ｂで囲まれた空間１２ａ内に、厚さ１．１ｍｍのＳＵＳ３０４で形成した内径３１．８ｍｍ×長さ５００ｍｍのチューブ１６が互いに平行となるよう所定の間隔を置いて４６本配設された熱交換ユニット１２を、鉛直方向に６台積層して熱交換器１０を構成した。この熱交換器１０について、受熱流体２０として室温(２０℃)の空気を該熱交換器１０の下から導入して風量３ｍ3／分にて上から排出し、放熱流体２２として３６０℃に加熱した空気を熱交換器１０の上から導入して風量３ｍ3／分にて下から排出した。この場合、熱交換器１０を通過した受熱流体２０の温度は２５８℃まで昇温されており、逆に、熱交換器１０を通過した放熱流体２２の温度は６０℃まで降温していた。かかる熱交換器１０の熱回収率を算出すると８５％であり、熱交換器材質として金属を用いているものとしては極めて高い熱回収率であることが窺える。
　反応炉３０は、熱交換器１０の上部に連結され、熱交換器１０を通って昇温されたＶＯＣ含有処理対象ガス（即ち、受熱流体２０）を燃焼処理するための装置であり、ケーシング３８，加熱手段４０及び蓄熱材４２を備える。
　ケーシング３８は、その内面がキャスタブルなどの耐火性材料、或いはステンレスやハステロイ（ヘインズ社登録商標）などの金属材料等で構成され、内部にガス処理空間Ｒが形成された密閉容器である。図示実施形態では、このケーシング３８の底面に、ガス処理空間Ｒ内へＶＯＣ含有処理対象ガスを導入するための処理対象ガス供給口３８ａが開口されており、さらにケーシング３８底面において、隔壁３８ｘを隔てて処理対象ガス供給口３８ａから離間する位置に、ケーシング３８内（すなわち、ガス処理空間Ｒ内）でＶＯＣを燃焼処理した処理対象ガスを大気中へと排出するための処理済ガス排出口３８ｂが開口されている。そして、処理対象ガス供給口３８ａには、熱交換器１０の受熱流体出口２６ｂが接続され、処理済ガス排出口３８ｂには、熱交換器１０の放熱流体入口２８ａが接続される。
　なお、上述したように、図１では処理対象ガス供給口３８ａ及び処理済ガス排出口３８ｂを共にケーシング３８の底面に設ける場合を示しているが、処理対象ガス供給口３８ａ及び処理済ガス排出口３８ｂを設ける位置は設備の設置状況等に応じて適宜変更することができる。
　加熱手段４０は、処理対象ガスに含有されるＶＯＣを燃焼処理するための熱源である。図示実施形態では、この加熱手段４０として、アルミナなどのセラミック製或いはハステロイ(ヘインズ社登録商標)やステンレスなどの金属製の保護管の内部に、ＳｉＣなどのセラミック或いはニクロム線やカンタル(サンドビックAB社登録商標)線などの金属線からなる発熱抵抗体を装填した電熱式のヒーターが用いられている。
　ここで、ＶＯＣ処理装置とりわけ直接燃焼式や蓄熱燃焼式の装置の熱源として、一般的に火炎式のバーナーが用いられる。それゆえ、本発明のＶＯＣ処理装置５０においても、加熱手段４０としてこの火炎式バーナーを用いるようにしてもよい。しかしながら、後述のように、本発明の熱交換器１０は、その熱回収率が概ね９０％以上と極めて高効率であるため、加熱手段４０として上述のように電熱式のヒーターを用いることができる。そして、このような電熱式のヒーターを用いることで、大風量の処理対象ガスの燃焼処理が可能となる。
　なお、図１に示す実施形態では、加熱手段４０として、複数本(図１では２本)の電熱式ヒーターを、ガス処理空間Ｒ内における処理対象ガス供給口３８ａに近接するガス通流方向上流側の位置に配設する場合を示しているが、加熱手段４０の態様は、これに限定されるものではなく、例えば、電熱式ヒーターの設置個数は、上述のように複数ではなく１つであってもよいし、その設置場所もガス処理空間Ｒ内を適正に加熱できる場所であれば如何なる場所であってもよい。
　蓄熱材４２は、セラミックハニカムで形成された部材で、図示実施形態では、ガス処理空間Ｒ内でのガス通流方向における加熱手段４０の下流側にて、処理対象ガスの流路を横切るような形でケーシング３８の内壁と隔壁３８ｘとの間に架設される。この蓄熱材４２は、ＶＯＣの燃焼熱を蓄熱することにより、加熱手段４０での燃料消費量を低減させつつガス処理空間Ｒ内での燃焼温度の維持を可能とする。
　以上のように構成された図示実施形態のＶＯＣ処理装置５０では、熱交換器１０の熱利用率をより一層向上させるため、反応炉３０の外表面から熱交換器１０の外側面上部にかけて断熱材４４で被覆している。勿論、反応炉３０と熱交換器１０の外表面全体を断熱材４４で被覆してもよいが、上述の通り、熱交換器１０全体の流路とその温度分布の配置をみれば、高温側が上部、低温側が下部と言った理想的な配置となっていることから、少なくとも反応炉３０の外表面と熱交換器１０の外側面上部に断熱材を配設しておけば、熱利用効率を十分向上させることができる。
　次に、本実施形態のＶＯＣ処理装置５０を用いてＶＯＣ含有処理対象ガスの燃焼処理を行う際には、まず始めに、ＶＯＣ処理装置５０の運転スイッチ(図示せず)をオンにして反応炉３０内の加熱手段４０を作動させ、ガス処理空間Ｒ内の加熱を開始する。
　続いて、ガス処理空間Ｒ内の処理対象ガス通流領域の温度が当該ガスに含まれるＶＯＣの燃焼温度(概ね７００～８００℃)に達すると、排気ファン３６が作動し、ＶＯＣ処理装置５０へのＶＯＣ含有処理対象ガスの導入を開始させる。すると、その処理対象ガスは、熱交換器１０(受熱流体流路)→反応炉３０→熱交換器１０(放熱流体流路)をこの順に通過し、当該ガス中のＶＯＣが燃焼処理される。
　本実施形態のＶＯＣ処理装置５０によれば、熱交換器１０を上記の通り構成しているので、ＶＯＣの燃焼処理の際、以下の作用を奏する。
　すなわち、同形同大の偶数台(６台)の熱交換ユニット１２を、隣接する該熱交換ユニット１２のチューブ１６の軸方向が互いに直交するように配置してベース板１４同士を重ね合わせながら鉛直方向に積層すると共に、向流となって流れる受熱流体２０及び放熱流体２２が、重ね合わせた熱交換ユニット１２を順に通流する際に、チューブ１６の内側と外側とを交互に通流するよう流体流路が構成されているので、受熱流体２０及び放熱流体２２が熱交換器１０を通流する際の流路形状および流路表面積が互いに等しくなり、両流体２０,２２間での熱交換効率を向上させることができる。
　また、本実施形態の熱交換器１０を用いれば、上述のように熱回収率が概ね９０％以上と非常に効率が良いため、反応炉３０のガス処理空間Ｒに配設する蓄熱材４２として小型の物を使用することができ、その結果、反応炉３０延いてはＶＯＣ処理装置５０全体をコンパクトな装置にすることができる。
　なお、上記の実施形態は、次のように変更可能である。
　上述のＶＯＣ処理装置５０では、熱交換ユニット１２を鉛直方向に６台積層して熱交換器１０を形成する場合を示したが、積層する熱交換ユニット１２の数は偶数台であればよく、必要とする熱交換能力に応じて２台や４台であってもよいし、８台以上であってもよい。さらに、熱交換ユニット１２を鉛直方向に積層する場合を示しているが、熱利用効率などに問題がないのであれば、熱交換ユニット１２を水平方向に重ねて連結するようにしてもよい。
　また、上述の図示実施形態では、熱交換器１０をＶＯＣ処理装置５０に適用する場合について説明したが、当該熱交換器１０の用途はこれに限られず、高い熱利用効率が求められるような装置であれば他の如何なる装置にも適用することができる。
１０…熱交換器
１２…熱交換ユニット
１２ａ…(熱交換ユニットの)空間
１２ｂ…枠体
１４…ベース板
１６…チューブ
１８…管板
２０…受熱流体
２２…放熱流体
２４…(流体流路形成用の)ダクト
３０…反応炉
３２…処理対象ガス供給配管
３４…分解ガス排出配管
３６…排気ファン
３８…ケーシング
４０…加熱手段
４２…蓄熱材
４４…断熱材
５０…ＶＯＣ処理装置
Ｒ…ガス処理空間

Claims (4)

  1. 　正方形に形成された平板からなり、空間(１２ａ)を開けて対面する一対のベース板(１４)と、前記空間(１２ａ)内にて互いに略平行するよう配設された複数の伝熱用のチューブ(１６)と、前記チューブ(１６)の軸方向両端部を当該チューブ(１６)の内部通流を確保した状態で支持すると共に前記空間(１２ａ)を介して互いに対面する前記ベース板(１４)の側辺部同士を連結して方形の枠体(１２ｂ)を形成する一対の管板(１８)とで構成された熱交換ユニット(１２)を備え、
    　同形同大の偶数台の前記熱交換ユニット(１２)を、隣接する該熱交換ユニット(１２)のチューブ(１６)の軸方向が互いに直交するように配置すると共に前記ベース板(１４)同士を重ね合わせながら連結し、
    　向流となって流れる受熱流体(２０)及び放熱流体(２２)が、重ね合わせた前記熱交換ユニット(１２)を順に通流する際に、前記チューブ(１６)の内側と外側とを交互に通流するよう流体流路を構成する、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  2. 　請求項１の熱交換器において、
    　前記チューブ(１６)の軸が水平方向を向くように配置された前記熱交換ユニット(１２)を鉛直方向に積層すると共に、その外周を断熱材(４４)で囲繞し、
    　前記受熱流体(２０)を下から上へと通流させ、前記放熱流体(２２)を上から下へと通流させる、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  3. 　請求項１又は２の熱交換器において、
    　前記熱交換ユニット(１２)における前記チューブ(１６)の内部容積の合計が、前記枠体(１２ｂ)の内部容積の４０～６０％の範囲内である、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  4. 　請求項１乃至３の何れかの熱交換器と、その熱交換器を受熱流体(２０)として通流してきた処理対象のＶＯＣ含有ガスを加熱する加熱手段(４０)を有する反応炉(３０)とを備え、
    　前記反応炉(３０)内には、ガス通流方向における前記加熱手段(４０)の下流側に、蓄熱材(４２)が配設されている、
    　ことを特徴とするＶＯＣ処理装置。
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