(57)【要約】【課題】樹脂チューブを用いた伝熱管であっても伝熱性能が向上する熱交換器及び熱交換システムを提供する。【解決手段】熱回収用又は熱交換用の複数の伝熱管を有する熱交換器であって、前記伝熱管が樹脂チューブからなると共に、前記樹脂チューブ２０が、樹脂チューブ内を通過する際に熱交換する伝熱媒体を供給・排出するヘッダ部から垂下するＵ字型の樹脂チューブであり、前記樹脂チューブの鉛直軸方向の伝熱性能を、樹脂チューブ外壁に形成される液膜２５の膜厚に対して変化してなる。【選択図】図３
2014185810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱回収用又は熱交換用の複数の伝熱管を有する熱交換器であって、
前記伝熱管が樹脂チューブからなると共に、
前記樹脂チューブが、樹脂チューブ内を通過する際に熱交換する伝熱媒体を供給・排出するヘッダ部から垂下するＵ字型の樹脂チューブであり、
前記樹脂チューブの鉛直軸方向の伝熱性能を、樹脂チューブ外壁に形成される液膜の膜厚に対して変化してなることを特徴とする樹脂製熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、
前記樹脂チューブの厚みを、液膜の膜厚が厚くになるにつれて、薄くすることを特徴とする樹脂製熱交換器。
【請求項３】
請求項１において、
前記樹脂チューブの厚みが一定の場合、液膜厚が厚くになるにつれて、高熱伝導性物質の含有量を多くすることを特徴とする樹脂製熱交換器。
【請求項４】
請求項１において、
前記樹脂チューブの厚みを、液膜の膜厚が厚くになるにつれて、薄くすると共に、
前記樹脂チューブの厚みが一定の場合、液膜厚が厚くになるにつれて、高熱伝導性物質の含有量を多くすることを特徴とする樹脂製熱交換器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つの樹脂製熱交換器からなる熱回収器と、
請求項１乃至４のいずれか一つの樹脂製熱交換器からなる再加熱器とからなることを特徴とする熱交換システム。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一つの樹脂製熱交換器からなる熱回収器と、
請求項１乃至４のいずれか一つの樹脂製熱交換器と金属製熱交換器との併合再加熱器とからなることを特徴とする熱交換システム。
【請求項７】
請求項５又は６において、
熱回収器が、ガス流れ上流側に金属製熱交換器を配し、ガス流れ後流側に請求項１乃至４のいずれか一つの樹脂製熱交換器を配する併合型であることを特徴とする熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及び熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラントや化学プラント用のボイラの排ガス処理装置は、システム構成の一般的な一例として、排ガス流路に脱硝装置、空気予熱器、エアヒータ、再加熱用ガスガスヒータの熱回収器、乾式電気集塵器、湿式脱硫装置、上記ガスガスヒータの再加熱器及び煙突が順に配設されている。ここで水管式ガスガスヒータは、上記熱回収器と再加熱器とを冷温水循環ラインで接続して水を媒体として循環ポンプにより排ガスと熱交換を行なうものである。
【０００３】
この処理装置では、ボイラの排ガスをエアヒータに導き燃焼用空気と熱交換して排ガス温度を例えば１３０〜１５０℃程度まで冷却してガスガスヒータ熱回収器に導き更に排ガス温度を冷却した後、電気集塵装置に導きフライアッシュを除去した後、電気集塵装置の出口における高温排ガスを水との熱交換により更に低温にして湿式脱硫装置に導く。湿式脱硫装置では、排ガス中のＳＯ2を例えば石灰石をスラリー状に溶かし込んだ吸収液で吸収除去し、更にこの気液接触過程で、排ガス中の残存フライアッシュも除去する。次いでＳＯ2及びフライアッシュが除去された排ガスをガスガスヒータ再加熱器に導く。ここでは、湿式脱硫装置の処理過程においてＳＯ2吸収液等で降温された排ガス温度をガスガスヒータ再加熱器に配された配管内部を通過する熱媒水との熱交換により高める。このことにより煙突から大気放出する際、水分凝縮量の低減による白煙発生防止と、温度上昇による拡散効率向上の機能を果たしている。
例えば石炭火力発電所における大型のガスガスヒータ熱回収器及び再加熱器の熱交換方式としてフィンチューブ式熱交換器が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、再加熱器にて必要とされる熱量を十分に回収するためには、排ガス中水分を伝熱管表面で凝縮させ、潜熱を回収する必要があるが、従来の金属製伝熱管では耐食性の観点から対応不能であったため、蒸気導入等の加熱手段を別途講じなければならない、という問題があった。
【０００５】
また、蒸気レス化、排ガス低温化に対応するために、金属製の伝熱管から樹脂製の伝熱管に変更することによって耐食性を向上し、潜熱回収を可能とすることの提案がある（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３０４１３８号公報
【特許文献２】特開平０９−２４３０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、樹脂製の伝熱管を用いた熱交換器では、伝熱チューブの熱伝導率が低いため、伝熱性能が低下するので、製品サイズの増大や、コスト増大を引き起こす、という問題がある。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑み、樹脂チューブを用いた伝熱管であっても伝熱性能が向上する熱交換器及び熱交換システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、熱回収用又は熱交換用の複数の伝熱管を有する熱交換器であって、前記伝熱管が樹脂チューブからなると共に、前記樹脂チューブが、樹脂チューブ内を通過する際に熱交換する伝熱媒体を供給・排出するヘッダ部から垂下するＵ字型の樹脂チューブであり、前記樹脂チューブの鉛直軸方向の伝熱性能を、樹脂チューブ外壁に形成される液膜の膜厚に対して変化してなることを特徴とする樹脂製熱交換器にある。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記樹脂チューブの厚みを、液膜の膜厚が厚くになるにつれて、薄くすることを特徴とする樹脂製熱交換器にある。
【００１１】
第３の発明は、第１の発明において、前記樹脂チューブの厚みが一定の場合、液膜厚が厚くになるにつれて、高熱伝導性物質の含有量を多くすることを特徴とする樹脂製熱交換器にある。
【００１２】
第４の発明は、第１の発明において、前記樹脂チューブの厚みを、液膜の膜厚が厚くになるにつれて、薄くすると共に、前記樹脂チューブの厚みが一定の場合、液膜厚が厚くになるにつれて、高熱伝導性物質の含有量を多くすることを特徴とする樹脂製熱交換器にある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、樹脂チューブの鉛直軸方向の伝熱性能を、樹脂チューブ外壁に形成される液膜の膜厚に対して変化してなるので、樹脂チューブを用いた伝熱管であっても伝熱性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施例１に係る熱交換器が適用される排ガス処理システムの概略図である。
【図２】図２は、伝熱管の概略図である。
【図３】図３は、樹脂チューブの鉛直軸方向に沿った断面図である。
【図４−１】図４−１は、樹脂チューブの鉛直軸方向に直交する方向の断面図である。
【図４−２】図４−２は、樹脂チューブの鉛直軸方向に直交する方向の断面図である。
【図４−３】図４−３は、樹脂チューブの鉛直軸方向に直交する方向の断面図である。
【図５】図５は、実施例２に係る樹脂チューブを有する熱回収器を備えた排ガス処理システムの概略図である。
【図６】図６は、実施例３に係る樹脂チューブを有する熱回収器を備えた排ガス処理システムの概略図である。
【図７】図７は、実施例４に係る樹脂チューブを有する熱回収器を備えた排ガス処理システムの概略図である。
【図８】図８は、実施例５に係る樹脂チューブを有する熱回収器を備えた排ガス処理システムの概略図である。
【図９】図９は、有効伝熱面積と、交換熱量との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本実施例に係る熱交換器が適用される排ガス処理システムの概略図である。
図２は、伝熱管の概略図、図３は樹脂チューブの鉛直軸方向に沿った断面図、図４−１〜図４−３は樹脂チューブの鉛直軸方向に直交する方向の断面図である。
図１に示すように、排ガス処理システム１０は、発電プラントや工場などのボイラ１１から排出される排ガス１２が煙突１９から放出される過程で、当該排ガス１２に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、煤塵、および硫黄酸化物（ＳＯｘ）を除去するものである。
【００１７】
先ず、ボイラ１１から排出された排ガス１２は、触媒が充填された脱硝装置１３に導入される。脱硝装置１３において、還元剤として注入される例えばアンモニア（ＮＨ３）により、排ガスに含まれる窒素酸化物が水と窒素とに還元され無害化される。
【００１８】
脱硝装置１３から排出された排ガスは、エアヒータ（図示せず）を経由し、一般に１３０℃〜１５０℃の温度に冷却される。
【００１９】
エアヒータを経た排ガスは、電気集塵器１４で集塵され、煤塵が除去される。
【００２０】
電気集塵器１４を出た排ガスは、ガスガスヒータの熱交換器である熱回収器１５に導入され、熱媒体（例えば水など）２１と熱交換を行うことにより、熱回収される。
【００２１】
熱回収された排ガスは、脱硫装置１６に導入される。脱硫装置１６では、例えば石灰石をスラリー状に溶かし込んだ吸収液により、排ガス中の硫黄酸化物が吸収除去され、副生成物として石膏（図示せず）が生成される。そして、脱硫装置１６を経た排ガスの温度は、一般に約５０℃程度まで低下する。
熱回収器１５と再加熱器１７とは熱媒体２１（２１Ｌ、２１Ｈ）が循環ポンプＰにより一対の循環配管Ｌ1を介して循環され、熱交換されている。再加熱器１７では、高温熱媒２１Ｈにより排ガスが例えば９０℃程度に加温され、煙突１９から排出されるクリーン排ガス１８の白煙防止を図っている。
【００２２】
図２に示すように、樹脂チューブ２０は熱媒（例えば水等）が導入される導入ヘッダ２２と熱交換された熱媒が排出される排出ヘッダ２３から垂下するようにＵ字型の伝熱管を構成している。
【００２３】
また、図３に示すように、樹脂チューブ２０は、排ガス中水分が凝縮して発生する液膜２５が膜厚に応じた熱抵抗となって伝熱性能が低下するので、樹脂チューブ２０の鉛直軸方向の伝熱性能を、樹脂チューブ外壁２０ａに形成される液膜２５の膜厚Ｄに対して変化するようにしている。
【００２４】
具体的には、樹脂チューブ２０の厚みｄを、液膜２５の膜厚Ｄが厚くになるにつれて、薄くするようにしている。
図３では、樹脂チューブ２０の上端側の厚さｄ1を例えば０．４〜１．０ｍｍ、好適には０．５ｍｍ程度とする場合、下端側の厚さｄ2を例えば０．１〜０．３ｍｍ、好適には０．４ｍｍ程度とするようにしている。
【００２５】
これにより樹脂チューブ２０での液膜形成のために起因する伝熱効率の低下を補うことができる。
【００２６】
また、樹脂チューブ２０の膜厚の厚さを変更する以外としては、樹脂チューブ２０の厚みが一定の場合、高熱伝導性物質を配合させ、液膜２５が厚くになるにつれて、高熱伝導性物質の含有量を多く配合するようにしてもよい。
【００２７】
ここで、高熱伝導性物質としては、例えば炭素繊維や、金属（例えば銅、アルミニウム等）等の熱伝導性の良好な材料を用いるようにしてもよい。
また、炭素繊維を配合することで、樹脂チューブの強度向上にも寄与することとなる。
【００２８】
さらに、樹脂チューブ２０の厚みを、液膜２５の膜厚が厚くになるにつれて、薄くすると共に、高熱伝導性物質の含有量を多く配合するようにしてもよい。
【００２９】
ここで、樹脂チューブの材質として、例えばポリプロピレン (ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ：ＰＰ)、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)、例えばテフロン（登録商標）等の高耐熱性樹脂を適用することができる。
【００３０】
熱交換器の仕様の一例としては、テフロン（登録商標）樹脂チューブを用いる場合、管外直径を８〜１５ｍｍ、好適には１０〜１４ｍｍ、伝熱管厚さを０．５ｍｍとし、伝熱管ピッチを三角配列とする場合、ガス流れ方向で、約２ｃｍ、ガス流れと垂直方向で約２ｃｍとしている。
この場合、熱交換器に導入する排ガスのガス流速を約３ｍ／ｓ程度とし、管内水の流速を０．１〜２ｍ／ｓ程度としている。
また、Ｕ字管の伝熱管長さを約５〜１２．５ｍ程度としている。
【００３１】
図９は、有効伝熱面積と、交換熱量との関係図である。従来のスパイラルフィンチューブ（金属製）の熱交換器と、樹脂チューブの熱交換器との比較図である。
ここで、樹脂チューブは管外直径を１２．５ｍｍ、伝熱管ピッチを三角鎖配列（ピッチ、２０．４ｍｍ）、伝熱管長さを約１２．５ｍとした。
ここで、金属チューブは管外直径を３８．１ｍｍ、伝熱管ピッチを三角鎖配列（ピッチ、１００×１１４．３ｍｍ）、伝熱管長さを約１２．５ｍ、フィン（高さ：１９ｍｍ、厚さ：１．６ｍｍ）とした。
【００３２】
樹脂チューブとしてベアチューブを用いた場合（図中、黒丸）と、金属チューブとしてフィンチューブを用いた場合（図中、白丸）、有効伝熱面積が同一の場合、同一レベルでの熱交換容量を得られる見込みを確認している。
【００３３】
また、図４−１〜４−３に示すように、樹脂チューブ２０の断面形状を楕円形型又は流線型とすることで、液膜２５が形成された場合でも積極的に排水し、液膜２５による熱抵抗の低減を是正するようにしてもよい。
すなわち、楕円や流線型とすることで、排ガス１２が樹脂チューブ２０の側面に当接するので、管外表面に発生した凝縮液による液膜２５を排ガス１２のガス流れ後流側へ流しやすくすることとなる。
【００３４】
また、図４−３に示すように、排ガスが当接する側の厚さｄ11を厚くすると共に、ガス流れ後流側の厚さｄ12を薄くし、伝熱性能を向上させるようにしてもよい。
排ガス１２が当接する部分を厚くすることで、樹脂チューブの強度を向上させることもできる。
【００３５】
以上のように、本発明による樹脂チューブの場合には、多種な形状に形成可能である。このため、厚さ変更も容易であるとともに、ガスの流れ場に応じ紡錘状および楕円に成形することで、伝熱性能を向上させることができる。
また、長手方向で、伝熱管外形寸法を変更(小径化)する事で、管外の伝熱性能を向上させ、液膜抵抗の増加にも対応可能となる。
【実施例２】
【００３６】
次に、本実施例の樹脂チューブを有する熱回収器を用いた熱交換システムの一例を示す。
図５は、実施例２に係る樹脂チューブを有する熱回収器を備えた排ガス処理システムの概略図である。
図５に示すように、熱回収器１５に樹脂チューブ２０を適用したガス・ガス・ヒータ（ＧＧＨ)用の熱回収器であって、電気集塵器１４が熱回収器１５の前流側へ設置されている。
なお、図１に示すシステムにおける再加熱器１７は、樹脂チューブを伝熱管とする樹脂製の再加熱器であっても、金属チューブを伝熱管とする金属製の再加熱器であっても、いずれでもよい。
【００３７】
本実施例の熱回収器１５では、熱媒体（低温）２１Ｌを熱媒体（高温）２１Ｈに加熱しており、入口ガスのガス温度が１２０℃である場合、出口ガスの温度を５０℃まで熱交換する際、樹脂チューブ２０を用いているので、凝縮液による腐食を防止するとともに回収熱量を増大させることが可能となる。
この結果、回収熱量を増大させることによって、熱交換システムにおける蒸気レス化が可能となり、省エネ性が向上する。
【実施例３】
【００３８】
次に、本実施例の樹脂チューブを有する熱回収器を用いた熱交換システムの一例を示す。
図６は、実施例３に係る樹脂チューブを有する熱回収器を備えた排ガス処理システムの概略図である。
本実施例では、樹脂製熱交換器からなる熱回収器と、樹脂製熱交換器と金属製熱交換器との併合再加熱器とから構成されている。
【００３９】
図６に示すように、本実施例では、熱回収器１５は実施例２のものを用いると共に、再加熱器を樹脂チューブ２０を伝熱管に用いた第１の再加熱器１７Ａとすると共に、金属チューブ３０を伝熱管に用いた第２の再加熱器１７Ｂとしている。
【００４０】
そして、熱回収した熱媒体（高温）２１Ｈを第２の再加熱器１７Ｂの下流側から導入し、次いで、第１の再加熱器１７Ａの下流側から導入して、脱硫装置１６からの出口飽和ガスを熱交換するようにしている。
熱交換システムにおいて、蒸気を導入しない蒸気レス化システムとした場合は、熱媒温度が低下するため、液滴蒸発を十分に促すことができないが、樹脂チューブを適用することによって、低温液滴による第１の再加熱器１７Ａでの腐食を防止することが可能となる。そして、第１の再加熱器１７Ａの樹脂チューブ２０にて液滴を除去することにより、第２の再加熱器１７Ｂでの金属チューブ３０での腐食を防止することができる。
【００４１】
ここで、本実施例では、熱回収器１５として、樹脂チューブ２０を用いているので、出口ガスを５０℃程度まで低下させて熱回収が可能となる。
また、第１の再加熱器１７Ａとして、樹脂チューブ２０を用いているので、従来のような腐食対策のための熱媒循環ループを再加熱器の上流側から導入することがなくなり、第１の再加熱器１７Ａの全体で蒸発が可能となる。また、低温の脱硫装置１６からの出口飽和ガスに対して樹脂チューブ２０を用いているので、凝縮による腐食が防止される。
【００４２】
また、樹脂チューブ２０を第１の再加熱器１７Ａに適用することにより、低温液滴による再加熱器での腐食を防止することができる。
これは、第１の再加熱器１７Ａを樹脂チューブ２０としているので、脱硫装置１６からの低温排ガスが導入された場合でも腐食が防止される。
その後、第２の再加熱器１７Ｂの金属チューブ３０に、酸露点以上に上昇した排ガスを送り熱交換することで、金属チューブ３０での腐食が防止される。
【実施例４】
【００４３】
次に、本実施例の樹脂チューブを有する熱回収器を用いた熱交換システムの一例を示す。
図７は、実施例４に係る樹脂チューブを有する熱回収器を備えた排ガス処理システムの概略図である。
本実施例では、熱回収器が、ガス流れ上流側に金属製熱交換器を配し、ガス流れ後流側に樹脂製熱交換器を配する併合型熱回収器である。
【００４４】
図７に示すように、本実施例の熱回収器１５として、ガス流れ上流側に金属チューブ３０を伝熱管に用いた領域と、ガス流れ下流側に樹脂チューブ２０を伝熱管に用いた領域とを組み合わせている。
【００４５】
本実施例によれば、電気集塵器１４から導入される排ガスが飽和状態に達するまでの冷却（湿り空気の顕熱）に対してのみ金属チューブ３０域で熱回収することによって、腐食を生じることなく、全域を樹脂チューブ領域とした場合よりも、伝熱性能を向上させることが可能となる。
【００４６】
ここで、非凝縮域の対流伝熱は、凝縮伝熱に比べて伝熱性が著しく劣るため、伝熱面積を余計に必要とするが、金属チューブ３０を適用して伝熱性能を高めることにより、製品のコンパクト化、コスト低減が可能となる。
【実施例５】
【００４７】
次に、本実施例の樹脂チューブを有する熱回収器を用いた熱交換システムの一例を示す。
図８は、実施例５に係る樹脂チューブを有する熱回収器を備えた排ガス処理システムの概略図である。
図８に示すように、図７に示す金属チューブ３０の領域と、樹脂チューブ２０の領域とを組み合わせた場合において、樹脂チューブ２０の領域から金属チューブ３０の領域へ流入する際の熱媒温度を制御する温度制御手段４０を備えている。
【００４８】
そして、金属チューブ３０の領域内への熱媒流入温度を計測し、仮に温度が不足する場合には図示しない加熱手段により加熱するようにしている。
ここで、加熱手段としては、例えば電気ヒータ、電磁弁による迂回（バイパス）、排ガス熱を用いることができる。
【００４９】
本実施例のように、金属チューブ３０領域への排ガスの流入温度を飽和温度以上に維持することにより、金属チューブ３０の表面での凝縮を防ぎ、腐食を防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００５０】
１０  排ガス処理システム
１１  ボイラ
１２  排ガス
１３  脱硝装置
１４  電気集塵器
１５  熱回収器
１６  脱硫装置
１７  再加熱器
１８  クリーン排ガス
１９  煙突
２０  樹脂チューブ
２５  液膜
３０  金属チューブ
【図１】
2014185810.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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