(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を加熱熱媒として熱交換器に導入するとともに、該熱交換器の熱媒出口側で蒸気トラップにより蒸気をトラップしつつ熱交換器で被加熱物を加熱する蒸気加熱方法において、蒸気による加熱を開始する際に、熱交換器の熱媒出口から排出される流体の温度を測定し、該測定温度が設定温度を上回るまで該流体を蒸気トラップの上流側で排除し、前記測定温度が設定の温度を上回った場合に排除完了の決定を行い、その決定以降、流体を蒸気トラップに導入することを特徴とする蒸気加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蛇管式、多管式、螺旋管式、等のように細いチューブで構成された熱交換器等で蒸気による加熱を行う蒸気加熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
▲１▼従来技術の構成
図３に、従来の蒸気加熱装置の系統図を示す。
該装置では、熱交換器シェル１内に、蒸気が通るチューブ２が配置されており、該チューブ２の開口端部は外部との蒸気出入り口を接続するシェルヘッド３に接続されている。なおチューブ２は、シェルヘッド３側でチューブシート４によってシェル１に固定されており、他端側はシェルには固定されていない遊動エンドプレート５によって束ねられている。なお、シェルヘッド３内には、シェルヘッド３に出入りする蒸気の流れを分配する仕切り板６が設けられている。
さらに上記熱交換器シェル１の外部には蒸気加熱源１１があり、該加熱源１１は、蒸気熱交換器のシェルヘッド３の入口側に配管接続されている。一方、シェルヘッド３の出口側には、熱交換器で冷やされた蒸気が凝縮してできた水のみを通過させて蒸気を留める蒸気トラップ１２が配管接続されており、該蒸気トラップ１２をバイパスする配管に、加熱初期に開放して熱交換器および配管内の水や空気を排出する開閉弁１３が設けられている。
【０００３】
▲２▼従来技術の作用の説明
次に、上記した従来の蒸気加熱装置の行程を図４に基づいて説明する。
図４（Ａ）に示される状態は、加熱前（シェル１への蒸気導入前）の状態であり、熱交換器チューブ２内には前行程などで使用した残水がたまっている。次に、図４（Ｂ）は蒸気源１１から熱交換器シェル１に徐々に蒸気が供給されている状態を示しており、開閉弁１３は開かれている。この蒸気の導入により上記残水がシェルヘッド３の出口から放出され、開かれている開閉弁１３を通して排出される。図４（Ｃ）は熱交換器シェル１内に蒸気が回りきり、開閉弁１３を閉じて蒸気トラップ１２から凝縮水を放出している状態を示している。この状態において熱交換器シェル１内の被加熱体（図示しない）が加熱され始めている。
なお、上記図４（Ｃ）の行程において開閉弁１３を閉じる操作はタイマー作動か作業者の判断に基づく手動によって行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の装置では、上記したように図４（Ｃ）の行程においてタイマーによって開閉弁１３を閉じるか、作業者が熱交換器内に蒸気が回ったのを見て手動で開閉弁１３を閉じている。しかし、外気条件や熱交換条件等の内外乱によって水の排出時間が異なったり、作業者によって弁を操作する時間にばらつきを生じたりすることもあり、必ずしも適切な時期に開閉操作がなされているものではない。この開閉弁の操作が遅れると蒸気を無駄に系外に放出してしまい、逆に開閉弁の操作が早いと水の排出が不足して昇温に余計な時間を要してしまうことがある。また、チューブの列が複数ある場合、開閉弁の操作が早すぎると、まだ水が抜けずに昇温されないチューブが残っている状態で弁が閉じて圧力が上昇するため、水が抜けたチューブでは供給蒸気の圧力における飽和温度まで上昇し、水が抜けないチューブでは水の温度に近い温度になり、同じ段のチューブ間で大きな温度差（例えば５気圧の蒸気では１５０℃−残水の温度２０℃＝１３０℃）を生じるため、熱膨張差が発生し、チューブの変形が生じて、水の排出不良やチューブの破損につながるおそれがある。
【０００５】
この発明は上記のような従来の装置や方法の課題を解決するためになされたものであり、外乱や作業者の判断の相違等による開閉弁の開閉操作のばらつきを解消して、適切な時期に開閉弁の開閉操作を行うことができ、無駄がなく安定した加熱運転を行うことができる上記加熱方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の蒸気加熱方法は、蒸気を加熱熱媒として熱交換器に導入するとともに、該熱交換器の熱媒出口側で蒸気トラップにより蒸気をトラップしつつ熱交換器で被加熱物を加熱する蒸気加熱方法において、蒸気による加熱を開始する際に、熱交換器の熱媒出口から排出される流体の温度を測定し、該測定温度が設定温度を上回るまで該流体を蒸気トラップの上流側で蒸気トラップに至らない分岐路などで排除し、前記測定温度が設定の温度を上回った場合に排除完了の決定を行い、その決定以降、流体を蒸気トラップに導入することを特徴とする。
【０００９】
本発明装置では、蒸気を導入して熱交換により被加熱物を加熱する熱交換器を有する。該熱交換器の構成は特に限定されるものではなく、蒸気の出入りがなされて熱交換が行われるものであればよいが、通常は、蒸気の流路としてチューブを有している。この熱交換器では、蒸気を有効に利用して効率よく加熱できるように、熱交換器の出口側に蒸気トラップが設けられる。この蒸気トラップの構造も特に限定されるものではない。また、この熱交換器では、稼働の初期に、前行程で蒸気が凝縮する等した水や空気が蒸気熱媒の経路に残っている場合があり、これらを速やかに排除することにより蒸気による加熱効率が向上する。また、熱交換器は蒸気による加熱がなされるだけでなく、冷却を組み合わせたものであってもよく、例えば加熱の間に周期的に冷却行程を含んだり、加熱と冷却とを交互に行うものであってもよい。例えば、吸放熱を伴ってガスの吸放出を行う水素吸蔵合金等のガス吸放出材料を収容した熱交換器では、加熱、冷却を交互に繰り返すことによりガスの吸放出がなされる。この加熱装置では、加熱行程に移行する際に冷却行程における冷却用の熱媒（冷却水等）が熱交換器や配管に残っており、この熱媒を速やかに排除することにより蒸気による加熱効率が向上する。したがって、いずれにしても加熱効率を向上させるためには加熱の初期に熱交換器に残っている水等を排除することが有効である。
【００１０】
上記した排除は、熱交換器の出口側から蒸気トラップに至るまでの経路に残水等を排除するための流路を設け、この流路を通して残水等を速やかに取り除く。排除用の流路は、上記した蒸気トラップの上流側で分岐するように、または蒸気トラップをバイパスするように設けることができる。この排除路には開閉弁を設け、残水等を排除する際に開閉弁を開き、排除が完了した後の加熱状態では開閉弁を閉じて熱媒を蒸気トラップに導く。
従来、この開閉弁の開閉操作は加熱開始からの経過時間によるタイマや作業者の判断によって行っているが、本発明では、これらの方法に代えて、熱交換器の熱媒出口から蒸気トラップに至る流体の温度を測定し、これを基に開閉弁の開閉操作を行う。
【００１１】
上記温度の測定は、熱交換器の熱媒出口側から蒸気トラップに至る配管等において温度測定手段を用いることによって行うことができる。温度測定手段は、何らかの方法で流体の温度を測定できるものであればよく、特にその構造が限定されるものではない。ただし、開閉弁の制御を自動的に行うという観点からは測定結果として電気的な信号が得られるものが望ましく、熱電対や測温抵抗体のような温度に応じた信号を出力または変化させるものや、サーモスタットのように直接弁開閉信号や弁開閉電力を入り切りさせるものが使用可能である。
【００１２】
温度の測定は、配管等の内部に温度測定手段の一部または全部を晒すようにして行うものでもよく、また、配管壁の伝熱を通して行うものであってもよく、その方法は特に限定されない。要は、直接、間接を問わず、熱媒出口側から蒸気トラップに至る流体の温度を測定できるものであればよく、測定個所も熱媒出口側から蒸気トラップに至る間の流体の温度を測定できるものであれば特に限定されない。ただし、熱交換器内の状況をより正確に把握するためには熱媒出口に近い位置が望ましい。また、熱交換器内で熱媒が移動するチューブが並列に複数設置されている場合に熱媒出口が複数あるときには、これらが合流した下流側で温度を測定するのが望ましい。なお、上記流体は、加熱初期に残水が放出される際には気体や液体、又はこれらの混合体からなり、蒸気が放出され始めると気体を含むものとなる。
【００１３】
温度の測定結果は、開閉弁を手動で開閉操作する際の基準とすることもできるが、開閉弁を自動で制御するための信号として利用するのが望ましい。本発明の装置では、望ましくは制御基準となる温度の設定が可能な温度調節部を有し、該温度調節部で、前記測定温度信号と設定温度に基づく信号とを比較して開閉弁に対する操作信号を発生させる。熱交換器の出力側から排出される流体は、熱交換器に残水等がある初期には温度が低い状態にあり、熱交換器に相当量の蒸気が導入された後は蒸気が排出されはじめ、その結果、上記流体は温度が高いものとなる。
【００１４】
したがって、上記操作信号は、測定温度が低い状態では開閉弁を開き、測定温度が高い状態では開閉弁を閉じるようにするものとする。操作信号の発生に際しては、測定温度信号と設定温度信号との比較において、その高低比較のみを比較方法としてもよく、また、誤差をなくすためにその高低が一定時間維持された場合に高低判断の決定を行うものであってもよい。その決定において測定温度が未だに低く残水等の排除が完了していないという判定をなした場合には開閉弁に対する開信号を発生させ、これを開閉弁に送出するか、または何らの指示信号を発生させず開閉弁が開いた状態を維持する。一方、温度比較の結果、測定温度が十分に高くなっており、残水等の排除が完了したという判定においては開閉弁に対する閉信号を発生させ、これを開閉弁に送出して開閉弁を閉じる。
上記による開閉弁の操作により、外乱等によって水の排出時間にばらつきを生じても適正なタイミングで開閉弁の制御ができ、無駄がなく安定した運転を可能とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を図１、図２に基づき説明する。
なお、この装置で従来装置（図３）と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
蒸気加熱装置は、内部にチューブ２を配した熱交換器シェル１を有しており、該熱交換器シェル１の入口部１ａに、蒸気導入管８を通して蒸気源１１が接続され、シェル１の出口部１ｂに排出管９が接続されている。この排出管９には、蒸気は留め、凝縮水のみを通す蒸気トラップ１２が設けられており、該蒸気トラップ１２をバイパスするバイパス配管１０に、自動開閉弁１４が設けられている。自動開閉弁１４は後述する温度調節部からの開閉信号によって自動的に開閉する自動操作弁であり、例えば電動弁、電磁弁、空気圧作動弁等によって構成されている。
なお排出管９の下流側（図示しない）は大気または別の機器に接続されて水または温水が排出される。
【００１６】
さらに、排出管９の出口部１ｂに近い側に、排出管９内の流体温度を測定する温度測定手段として温度測定器１５が配置されており、該温度測定器１５の出力側は温度調節部１６に接続されている。
温度調節部１６は、設定温度の入力を受けて設定温度信号を作成する設定部１６ａと、この設定温度信号を上記温度測定器１５からの温度測定信号と比較する比較部１６ｂと、該比較部１６ｂでの比較結果に基づいて自動開閉弁１４に対する開閉信号を作成する出力部１６ｃによって構成されている。
出力部１６ｃの出力側は、自動開閉弁１４の操作部に接続されており、出力信号によって自動開閉弁１４の開閉操作を行うことができる。
【００１７】
次に、この蒸気加熱装置の作用について説明する。
図２は、この発明の蒸気加熱装置の工程図を示すものであり、図２（Ａ）は加熱前の状態で熱交換器チューブ２内には水がたまっている。なお、温度調整部１６では、設定部１６ａにおいてあらかじめ基準となる温度（例えば５０℃〜１００℃）が設定されており、排出管９において内部流体の温度が温度測定器１５によって測定され、その測定結果が温度調整部１６に測定信号として出力されている。図２（Ａ）の状態での測定温度は、チューブ２および排出管９内に水がたまっているため十分に低い温度であり、温度調整部１６の比較部１６ｂにおいて測定温度と設定温度が比較され、測定温度が設定温度よりも低いという結果が出力部１６ｃに出力される。出力部１６ｃでは、この比較結果に基づいて、自動開閉弁１４の弁を開いた状態にしておくための信号を作成し出力する。
【００１８】
この状態で図２（Ｂ）に示すように蒸気源１１から蒸気導入管８、入口部１ａを通して熱交換器シェル１内に蒸気を導入する。蒸気は徐々にシェルヘッド３、チューブ２内を進み、既にこれら空間にあった水を押し進める。押し進められた水は、熱媒出口部１ｂから順次排出される。この水は排出管９を下流側に流れるが、この際に、この水の温度が上記した温度測定器１５によって測定される。したがって、温度測定器１５による測定温度は設定温度よりも低い状態にあり、温度調節部１６では、上記と同様にして自動開閉弁１４は開いた状態が維持される。これにより排出管９に押し流された水は速やかに自動開閉弁１４があるバイパス管１０を通って下流側へと排除される。
【００１９】
上記の状態が続くと、図２（Ｃ）に示されるように、チューブ２内にあった水は遂には全部が出口部１ｂを通して熱交換器シェル１から排除され、蒸気が出口部１ｂから排出し始める。この蒸気または蒸気により昇温した残余の水が排出管９に流れ始めると温度測定器１５による測定温度が上昇し、遂には設定温度を超える温度になる。この測定温度信号が温度調節部１６に入力されると、比較部１６ｂにおいて測定温度が設定温度を超えているという比較結果が得られる。出力部１６ｃでは、この比較結果に基づいて排除完了の決定をなし、自動開閉弁１４に対する閉信号を発生させ、これを自動開閉弁１４に送出する。自動開閉弁１４では、この信号に基づいて直ちに弁を閉じる。なお、この実施形態では、上記のように測定温度が設定温度を超えることによって直ちに自動開閉弁を閉じるものとしたが、タイマーによる遅延時間後に温度調節部１６から閉信号が出力されて開閉弁１４が閉じられるようにしたものであってもよい。
【００２０】
以上のように蒸気の流れに従って開閉弁１４が閉じられることにより蒸気が無駄に下流側に放出されることなく排出管９を流れ、蒸気を含む流体は蒸気トラップ１２へと導かれる。ここで蒸気は留まって凝縮水のみが下流側に放出される。このようにして蒸気が熱交換器シェル１内に導入されることにより、図示しない被加熱物が加熱される。
上記装置では、加熱（上記の導入）に際し、熱交換器１内の残水が速やかに排出され、かつ、蒸気が無駄に排出されることなくトラップできるので、効率的に蒸気加熱を行うことができる。また、熱交換器の排出側の出口側で流体の温度を測定して開閉弁の操作を行うので、外乱等によって開閉操作が乱れることはなく、常に適切なタイミングで開閉弁の開閉操作がなされる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱交換器内に蒸気が回り、排出側で温度が上昇すると開閉弁を閉じることができるので、外気条件や熱交換条件等の内外乱によって水の排出時間が異なっても、開閉弁を閉じる適切なタイミングを知ることができ、無駄な蒸気放出や昇温時間がなく、高エネルギ効率で、安定した運転を行うことができる。また、温度調整部を設け、上記温度測定手段の温度を、あらかじめ設定していた温度と比較して自動開閉弁の操作を行えば、弁操作を確実かつ適切に制御することができる。
また、本発明によれば、チューブの列が複数ある場合で、水の排出タイミングがチューブ毎に異なっていても、すべてのチューブの水が排出しないと容器出口の温度測定部の温度は上昇しないため、開閉弁が閉じるまでは、チューブ間の温度差は最大でも１気圧の飽和蒸気温度１００℃−残水の温度（例えば３０℃で差が７０℃）となり、同じ段のチューブ間温度差を大幅に低減できるため、熱膨張差が少なくなり、チューブの変形も生じにくいので、水の排出不良や、チューブの破損の発生を抑えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の蒸気加熱装置を示す系統図である。
【図２】  同じく行程図である。
【図３】  従来の蒸気加熱装置を示す系統図である。
【図４】  同じく行程図である。
【符号の説明】
１    熱交換器シェル
１ａ  入口部
１ｂ  出口部
２    チューブ
８    蒸気導入管
９    排出管
１０    バイパス配管
１１    蒸気加熱源
１２    蒸気トラップ
１３    開閉弁
１４    自動開閉弁
【図１】
0003691370.tif 000002
【図２】
0003691370.tif 000003
【図３】
0003691370.tif 000004
【図４】
0003691370.tif 000005