(57)【要約】【課題】伝熱体へのスケールの付着を抑制可能な熱交換器及びエネルギ回収システムを提供する。【解決手段】熱交換器２０は、伝熱体を備え、伝熱体は、伝熱体本体と、伝熱体本体の表面に形成されたアルミ拡散処理層と、を含む。エネルギ回収システム１は、循環ライン６と、循環ライン６に接続された蒸発器２と、循環ライン６において蒸発器２の下流に接続されたタービンと、循環ライン６においてタービン１５の下流に接続された凝縮器４と、を備える。蒸発器２及び凝縮器４の少なくとも一方は、伝熱体を備え、伝熱体は、伝熱体本体と、伝熱体本体の表面に形成されたアルミ拡散浸透処理層と、を含む。伝熱体の熱伝導率の低下を抑制しつつ、伝熱体へのスケールの付着を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱体本体と、
前記伝熱体本体の表面に形成されたアルミ拡散浸透処理層と、を含む伝熱体を備えた熱交換器。
【請求項２】
前記伝熱体として伝熱プレートを備え、
前記伝熱プレートは、流路となる凹部が設けられた前記伝熱体本体であるプレート本体と、
前記プレート本体の表面に形成された前記アルミ拡散浸透処理層と、を含み、
複数の前記伝熱プレートが厚み方向に重ねられている請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
循環ラインと、
前記循環ラインに接続された蒸発器と、
前記循環ラインにおいて前記蒸発器の下流に接続されたタービンと、
前記循環ラインにおいて前記タービンの下流に接続された凝縮器と、を備え、
前記蒸発器及び前記凝縮器の少なくとも一方は、請求項１又は２に記載の熱交換器であるエネルギ回収システム。
【請求項４】
前記蒸発器に導入される高温側流体は、ミネラルを含む環境水である請求項３に記載のエネルギ回収システム。
【請求項５】
前記凝縮器に導入される低温側流体は、ミネラルを含む環境水である請求項３又は４に記載のエネルギ回収システム。
【請求項６】
前記タービンの回転駆動力を受けて発電する発電機を更に備えた請求項３〜５の何れか一項に記載のエネルギ回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱交換器及びエネルギ回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種排熱を利用して、作動媒体を加熱し、加熱された作動媒体を用いてタービンを回転させてエネルギを回収するシステムがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のシステムは、作動媒体を加熱する蒸発器（熱交換器）と、作動媒体を膨張させる膨張機（タービン）と、タービンの回転により発電する発電機と、作動媒体を凝縮させる凝縮器（熱交換器）と、作動媒体を移送する循環ポンプと、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−７１３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱交換器の伝熱体の表面にスケールが付着すると、伝熱効率の低下につながる。これを改善するために、熱交換器の洗浄等の頻度が増加すると、運転停止期間の増加及び保全費の増加に繋がる。本開示は、伝熱体へのスケールの付着を抑制可能な熱交換器及びこれを備えたエネルギ回収システムを説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る熱交換器は、伝熱体本体と、伝熱体本体の表面に形成されたアルミ拡散浸透処理層と、を含む伝熱体を備える。
【０００６】
本開示の熱交換器の伝熱体では、表面にアルミ拡散浸透処理層が形成されているので、アルミ拡散浸透処理層が形成されていない伝熱体と比較して、表面が硬い。表面が硬いので、アルミ拡散浸透処理層にスケールが付着することが抑制される。アルミ拡散浸透処理層の熱伝導率は、例えばシリコーン樹脂系のコーティング層の熱伝導率よりも高い。そのため、熱交換器における伝熱効率の低下を抑制しつつ、伝熱体へのスケールの付着を抑制することができる。
【０００７】
いくつかの態様において、熱交換器は、伝熱体として伝熱プレートを備え、伝熱プレートは、流路となる凹部が設けられた伝熱体本体であるプレート本体と、プレート本体の表面に形成されたアルミ拡散浸透処理層と、を含み、複数の伝熱プレートが厚み方向に重ねられている構成でもよい。プレート式熱交換器において、伝熱プレートの表面にアルミ拡散浸透処理層を形成することができる。
【０００８】
本開示の一態様に係るエネルギ回収システムは、循環ラインと、循環ラインに接続された蒸発器と、循環ラインにおいて蒸発器の下流に接続されたタービンと、循環ラインにおいてタービンの下流に接続された凝縮器と、を備える。蒸発器及び凝縮器の少なくとも一方は、上記の熱交換器である。
【０００９】
本開示のエネルギ回収システムでは、蒸発器及び凝縮器の少なくとも一方の熱交換器において、伝熱体本体の表面にアルミ拡散浸透処理層が形成されている。この熱交換器の伝熱体では、表面にアルミ拡散浸透処理層が形成されているので、アルミ拡散浸透処理層が形成されていない伝熱体と比較して、表面が硬い。これにより、アルミ拡散浸透処理層にスケールが付着することが抑制される。
【００１０】
いくつかの態様において、蒸発器に導入される高温側流体は、ミネラルを含む環境水でもよい。いくつかの態様において、凝縮器に導入される低温側流体は、ミネラルを含む環境水でもよい。環境水とは、例えば河川水、地下水、温泉水、湖水、雨水、海水等を含む。ミネラルを含む環境水を蒸発器又は凝縮器に導入しても、伝熱体の表面へのスケールの付着を抑制できる。
【００１１】
本開示のエネルギ回収システムは、タービンの回転駆動力を受けて発電する発電機を更に備えた発電システムでもよい。これにより熱源の熱エネルギを電気エネルギに変換して利用できる。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、伝熱体へのスケールの付着を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示の一実施形態の熱交換器である蒸発器及び凝縮器を含むバイナリー発電装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１中の蒸発器及び凝縮器に適用されるプレート式熱交換器を示す分解斜視図である。
【図３】表面にアルミ拡散浸透処理層が設けられた伝熱プレートを示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１に示されるバイナリー発電装置１は、例えば温水を熱源として利用して、発電を行うシステムである。バイナリー発電装置１は、例えば温泉施設等に設置される。バイナリー発電装置１は、例えば工場、焼却施設、ボイラー設備、地熱発電所、その他の排熱利用設備等に設置されていてもよい。バイナリー発電装置１では、例えばオーガニックランキンサイクル（Organic  Rankine  Cycle；ＯＲＣ）が採用される。バイナリー発電装置１では、熱源と作動媒体との間で熱交換が行われる。バイナリー発電装置１で使用される作動媒体は、水よりも沸点の低い媒体であり、例えば代替フロン等である。作動媒体として、例えば不活性ガスを用いてもよく、その他の流体を用いることができる。
【００１６】
バイナリー発電装置１は、蒸発器２、タービン発電機（膨張発電機）３、凝縮器４及び循環ポンプ５を備える。バイナリー発電装置１は、これらの蒸発器２、タービン発電機３、凝縮器４及び循環ポンプ５を接続する循環ライン６を備える。循環ライン６は第１配管７、第２配管８、第３配管９及び第４配管１０を含む。第１配管７は、蒸発器２とタービン発電機３とを接続する。タービン発電機３は、循環ライン６において蒸発器２の下流に接続されている。第２配管８は、タービン発電機３と凝縮器４とを接続する。凝縮器４は、循環ライン６においてタービン発電機３の下流に接続されている。第３配管９は、凝縮器４と循環ポンプ５とを接続する。第４配管１０は、循環ポンプ５と蒸発器２とを接続する。作動媒体は、循環ライン６を通り、各機器（蒸発器２、タービン発電機３、凝縮器４及び循環ポンプ５）を循環する。
【００１７】
蒸発器２は、熱交換器であり、熱源の熱によって作動媒体を蒸発させる。蒸発器２として例えばプレート式熱交換器（図２参照）２０を使用することができる。プレート式熱交換器２０の説明は後述する。蒸発器２は、プレート式熱交換器に限定されず、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器でもよく、その他の熱交換器でもよい。蒸発器２には、配管１１及び配管１２が接続されている。熱源である温水は、配管１１内を流れて、蒸発器２に流入する。作動媒体は、第４配管１０内を通り、蒸発器２に流入する。蒸発器２では、温水の熱が作動媒体に伝熱され、作動媒体は加熱され蒸発する。蒸発した作動媒体は、第１配管７内を流れて、蒸発器２からタービン発電機３に流入する。温度が低下した温水は、配管１２を流れて蒸発器２から排出される。
【００１８】
タービン発電機３は、タービン１５、発電機１６及び回転軸等を備える。タービン１５は、タービンインペラ及びタービンハウジングを含む。発電機１６は、発電機ハウジング、ロータ部及びステータ部を備える。タービン発電機３の回転軸は、発電機ハウジング内からタービンハウジング内にかけて延在している。発電機ハウジングとタービンハウジングとの間には、回転軸を貫通させる貫通孔が設けられている。タービンインペラは、タービンハウジング内で、回転軸の先端部に取り付けられている。発電機１６のロータ部は磁石を含み、発電機ハウジング内で、回転軸に装着されている。ステータ部は、コイル部を含み、ロータ部を包囲するように発電機ハウジング内で保持されている。
【００１９】
タービン１５に流入した作動媒体は、タービンインペラを回転させる。タービン発電機３の回転軸が回転して、ロータ部が回転し、ステータ部のコイル部に電流が流れる。これにより、発電される。
【００２０】
凝縮器４は、熱交換器であり、冷却源を用いて作動媒体を冷却し凝縮させる。凝縮器４として例えばプレート式熱交換器を使用することができる。凝縮器４は、プレート式熱交換器に限定されず、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器でもよく、その他の熱交換器でもよい。凝縮器４には、配管１３及び配管１４が接続されている。冷却源である冷却水は、配管１３内を流れて、凝縮器４に流入する。タービン発電機３から排出された作動媒体は、第２配管８内を流れて、凝縮器４に流入する。凝縮器４では、作動媒体の熱が冷却水に伝熱され、作動媒体は冷却されて凝縮され液化する。液化した作動媒体は、凝縮器４から排出されて、第３配管９内を流れる。凝縮器４で作動媒体から伝熱された冷却水は、配管１４を流れて排出される。
【００２１】
循環ポンプ５は、作動媒体を循環させるためのポンプである。循環ポンプ５として例えばターボ式ポンプを使用することができる。作動媒体は、第３配管９内を流れて、循環ポンプ５に流入する。循環ポンプ５から排出された作動媒体は、第４配管１０内を流れて、蒸発器２に供給される。
【００２２】
次に、図２を参照してプレート式熱交換器２０について説明する。プレート式熱交換器２０は、第１カバープレート２１と、第２カバープレート２２と、複数の伝熱プレート（伝熱体）２３とを備える。伝熱プレート２３は、プレート本体（伝熱体本体）２４を含む。プレート本体２４には、流路となる凹部２４ａが形成されている。プレート本体２４の材質は、例えばステンレス鋼を用いることができる。ステンレス鋼として、オーステナイト系ステンレス鋼を用いることができ、例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等を用いることができる。プレート本体２４の材質は、例えばチタンでもよく、その他の金属材料でもよい。
【００２３】
ここで、プレート本体２４の表面には、図３に示されるように、アルミ拡散浸透処理層２４ｂが形成されている。アルミ拡散浸透処理は、プレート本体２４の表面にアルミニウム（Ａｌ）を拡散浸透させる処理である。まず、アルミ拡散浸透処理では、被処理物であるプレート本体２４を調合剤と共に加熱用箱内に埋め込み密閉する。調合剤は、例えばＦｅ（鉄）−Ａｌ合金粉末及びＮＨ４Ｃｌ（塩化アンモニウム）粉末を含む。加熱用箱は鋼製であり、耐熱性を有する。次に、加熱用箱を加熱炉内に配置して加熱する。加熱炉内の温度は例えば９００℃以上１０５０℃以下とすることができる。このように加熱することで、Ｆｅ−Ａｌ合金粉末中のＡｌはＨＣｌ（塩化水素）と反応しＡｌＣｌ３（塩化アルミニウム）蒸気となる。このＡｌＣｌ３蒸気は、プレート本体２４の表面で、被処理物の金属Ｍｅと置換反応し、Ａｌが析出し拡散浸透する。これにより、プレート本体２４の表面にアルミ拡散浸透処理層が形成される。加熱炉から取り出された伝熱プレート２３に対して成形を行い、形状を修正してもよい。
【００２４】
図２に示される複数の伝熱プレート２３は、当該伝熱プレート２３の厚み方向に重ねられて、第１カバープレート２１及び第２カバープレート２２によって挟まれて保持される。例えば、ボルト及びナットを用いて、複数の伝熱プレート２３、第１カバープレート２１及び第２カバープレート２２を厚み方向の外側から締め付けることができる。これにより、複数の伝熱プレート２３を、第１カバープレート２１と第２カバープレート２２との間で保持することができる。
【００２５】
第１カバープレート２１には、高温側流体入口ノズル２５、高温側流体出口ノズル２６、低温側流体入口ノズル２７、低温側流体出口ノズル２８が設けられている。伝熱プレート２３には、複数の開口部２９〜３２が形成されている。複数の開口部２９〜３２は、それぞれ、高温側流体入口ノズル２５、高温側流体出口ノズル２６、低温側流体入口ノズル２７、低温側流体出口ノズル２８に対応する位置に配置されている。開口部２９，３１を通過した流体の一部は、厚み方向に隣接する伝熱プレート２３間の隙間である流路内を流れる。例えば、伝熱プレート２３の一方の面側に高温側流体Ｆ１が流れ、反対側の他方の面側に低温側流体Ｆ２が流れる。高温側流体Ｆ１及び低温側流体Ｆ２は、伝熱プレート２３を挟んで、交互に流れている。高温側流体Ｆ１の熱は、伝熱プレート２３を介して、低温側流体Ｆ２に伝熱される。高温側流体Ｆ１は、冷却されて温度が下がり、低温側流体は、加熱されて温度が上がる。
【００２６】
蒸発器２として用いられるプレート式熱交換器２０に導入される高温側流体Ｆ１は、熱源である温水であり、低温側流体Ｆ２は、タービン１５に供給前の作動媒体である。凝縮器４として用いられるプレート式熱交換器２０に導入される高温側流体Ｆ１は、タービン１５から排出された作動媒体であり、低温側流体Ｆ２は、冷却源である冷却水である。
【００２７】
熱源である温水として、高温の環境水を用いることができる。冷却源である冷却水として、低温の環境水を用いることができる。環境水としては、例えば、温泉水、地下水、河川水、湖水、海水等が挙げられる。例えば、地中から汲み上げられた高温の温泉水を、蒸発器２の熱源として利用することができる。例えば、河川水を凝縮器４の冷却源として利用することができる。環境水には、例えば、ミネラルが含まれている。ミネラルとしては、例えば炭酸カルシウム等が挙げられる。
【００２８】
このようなプレート式熱交換器２０の伝熱プレート２３では、表面にアルミ拡散浸透処理層２４ｂが形成されているので、アルミ拡散浸透処理層２４ｂが形成されていない伝熱体と比較して、表面が硬くなっている。表面が硬いと、表面が軟らかい場合と比較して、スケールが付着しにくい。これにより、アルミ拡散浸透処理層２４ｂにスケールが付着することが抑制される。アルミ拡散浸透処理層２４ｂの熱伝導率は、シリコーン樹脂系のコーティング層の熱伝導率よりも高い。そのため、プレート式熱交換器２０における伝熱効率の低下が抑制される。アルミ拡散浸透処理層の熱伝導率は、例えば２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。ステンレス鋼であるプレート本体２４の熱伝導率は、例えば２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。シリコーン樹脂の熱伝導率は、例えば０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。アルミ拡散浸透処理層２４ｂは、離型性が高く他の物体が付着しにくい。離型性とは、例えば成形型が剥離しやすい性質を示す。離型性が高いと、スケールも付着しにくい。
【００２９】
プレート式熱交換器２０では、伝熱プレート２３の表面にスケールが付着しにくく、伝熱効率の低下が抑制されるので、伝熱プレート２３の洗浄、交換等の頻度を抑制できる。これにより、バイナリー発電装置１の運転停止期間の増加を抑制することができる。バイナリー発電装置１では、伝熱プレート２３の洗浄、交換等の保全費の増加を抑制できる。
【００３０】
バイナリー発電装置１では、蒸発器２及び凝縮器４にプレート式熱交換器２０が採用されているので、ミネラルを含む環境水を使用しても、伝熱プレート２３の表面へのスケールの付着を抑制できる。スケールとは、水中のミネラルが析出したものである。
【００３１】
バイナリー発電装置１では、熱源からの熱エネルギを作動媒体に伝達し、タービン発電機３を用いて、熱エネルギを電気エネルギに変換して利用できる。タービン発電機３におけるタービンインペラの回転数は、例えば２万ｒｐｍ以上、３万ｒｐｍ以下とすることができる。タービン発電機３における最大出力は例えば１００ｋｗ以上とすることができる。タービン発電機３の最大出力は、１００ｋｗ以下でもよく、例えば２０ｋｗでもよい。
【００３２】
本開示は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。
【００３３】
上記の実施形態では、バイナリー発電装置１について説明しているが、本開示の熱交換器は、バイナリー発電装置１に使用されるものに限定されず、その他の装置に利用することができる。本開示の熱交換器は、蒸発器又は凝縮器に限定されず、その他の加熱用熱交換器及び冷却用熱交換器に適用できる。例えば、予熱器である熱交換器において、伝熱体本体の表面にアルミ拡散浸透処理層２４ｂが設けられていてもよい。熱交換器に導入される流体は、作動媒体、環境水に限定されず、その他の流体でもよい。
【００３４】
熱交換器は、プレート式熱交換器２０に限定されず、例えばシェル・アンド・チューブ式の熱交換器でもよく、その他の構造の熱交換器でもよい。チューブ本体（伝熱体本体）の表面にアルミ拡散浸透処理を施してもよい。エネルギ回収システムは、発電装置に限定されず、例えば熱エネルギを変換して、回転駆動力として利用するものでもよく、熱エネルギを蓄熱して利用するものでもよく、その態様でエネルギを利用する他のエネルギ回収システムでもよい。
【００３５】
上記のバイナリー発電装置１では、蒸発器２及び凝縮器４の両方の熱交換器において、伝熱体本体の表面にアルミ拡散浸透処理層２４ｂが設けられているが、蒸発器２のみに、アルミ拡散浸透処理層２４ｂが設けられていてもよく、凝縮器４のみに、アルミ拡散浸透処理層２４ｂが設けられていてもよい。アルミ拡散浸透処理層２４ｂは、伝熱体本体の表面の全てに設けられていてもよく、伝熱体本体の表面において部分的に設けられていてもよい。例えば、環境水と接触する領域のみに、アルミ拡散浸透処理層２４ｂが設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１  バイナリー発電装置（エネルギ回収システム）
２  蒸発器（熱交換器）
３  タービン発電機（発電機）
４  凝縮器（熱交換器）
６  循環ライン
７  第１配管（循環ライン）
８  第２配管（循環ライン）
９  第３配管（循環ライン）
１０  第４配管（循環ライン）
１５  タービン
１６  発電機
２０  プレート式熱交換器
２３  伝熱プレート（伝熱体）
２４  プレート本体（伝熱体本体）
２４ａ  凹部
２４ｂ  アルミ拡散浸透処理層
Ｆ１  高温側流体
Ｆ２  低温側流体
【図１】
2019219144.tif 000003
【図２】
2019219144.tif 000004
【図３】
2019219144.tif 000005