(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気熱交換器（１）と、
処理液（２）を貯留するための処理槽（３）とを有し、
前記蒸気熱交換器（１）は、前記処理槽（３）に配置した蒸気管（４）と、蒸気を前記蒸気管（４）の上流端に導く蒸気供給管（５）と、蒸気管（４）の下流端に接続されたドレン管（７）と、前記処理液（２）から引き出されている前記ドレン管（７）の下流側部分に接続されているスチームトラップ（８）とを備え、
前記蒸気管（４）は、その上流側の凝縮伝熱管部分（１１）と、その下流側の顕熱伝熱管部分（１２）とを備え、
前記スチームトラップ（８）のドレン排出能力は、前記凝縮伝熱管部分（１１）において、前記処理液（２）の加熱温度である前記蒸気熱交換器（１）の使用温度において発生する蒸気凝縮量に等しくなるように設定されており、これによって、前記顕熱伝熱管部分（１２）が圧縮水によって封鎖された状態が形成および維持されることを特徴とする蒸気熱交換システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記スチームトラップは所定の穴径のオリフィスであることを特徴とする蒸気熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メッキ加工における加温処理槽を加熱する場合などに用いるのに適した蒸気熱交換器に関するものである。更に詳しくは、顕熱を利用することにより、少ない蒸気使用量で効率良く加熱対象物を加熱することのできる蒸気熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メッキ加工などにおけるワークの加温処理槽においては、槽内の底面側に蒸気加熱管が配置された構成の蒸気熱交換器を用いて、処理液が貯留された加熱処理槽内に入れたワークが加熱されるようになっている。図３および図４には、開放型の処理槽に設置された従来の蒸気熱交換器の例を示してある。【０００３】
図３に示す蒸気熱交換器１００はリフトフィッティング方式の蒸気熱交換器であり、処理液１０１が貯留されている開放型の加熱処理槽１０２の底面近傍位置において、上下二段となるように蛇腹状に引き回された蒸気加熱管１０３を有している。蒸気加熱管１０３にはボイラーなどの蒸気供給源１０５から蒸気供給管１０４を介して所定圧力の蒸気が供給される。蒸気加熱管１０３を介して、供給された蒸気の潜熱を利用して、処理液１０１との間で熱交換が行われる。熱交換後の蒸気は凝縮水（飽和水）となって下側の蒸気加熱管１０３ａに入り、ここを経由して、ドレン導管１０６からスチームトラップ１０７などのドレン排出装置を介して回収される。【０００４】
また、図４に示す蒸気熱交換器２００は、開放槽２０１の底からドレンを排出し、リフトフィッティングを必要としない蒸気熱交換器の例である。この蒸気熱交換器２００は、開放槽２０１の側部に蒸気供給口２０２および蒸気排出口２０３を備え、ここから槽内部に水平にＵ状に蒸気加熱管２０４が延びている。この場合においても、蒸気加熱管２０４を通る蒸気の潜熱を利用して、槽内の処理液２０５との間で熱交換が行われる。【０００５】
ここで、蒸気の潜熱を利用して熱交換を行う従来の蒸気熱交換器では、一般に次のような構造、使用方法が採用されている。【０００６】
(１)蒸気の凝縮熱伝達率が大きいことを利用するので、凝縮水が伝熱面から円滑に剥離し、伝熱面が水没せずに常に蒸気で覆われる構造とされる。
(２)蒸気熱交換器から凝縮水を円滑に排出するために、スチームトラップは始動負荷を考慮し、蒸気熱交換器の使用温度における所要凝縮量より大きい排出能力とされ、通常は倍以上の排出能力とされる。
(３)熱交換に利用される蒸気の蒸発熱は圧力の上昇と共に減少する。このため、蒸気熱交換器は出来る限り低圧で運転される。この結果、復水回収において、ドレンリフター、真空ポンプなどのドレン回収装置が必要となる場合がある。
(４)蒸気熱交換器の熱効率上昇のため、スチームトラップから排出されたドレンを利用した予熱器を設置する場合がある。この場合には、水撃作用防止のためにフラッシュ蒸気しか利用できず、また、ドレン回収管の圧力の制約もあるので、対費用効果が低いことが多い。
(５)蒸気は容積当たりの熱容量が小さいので、立ち上がり時間の遅い蒸気熱交換器においては、蒸気の制御は二位置制御で充分である。位置比例制御においては、熱交換器蒸気部の真空現象を含め、蒸気部がスチームトラップ背圧より低圧となり易い。この結果、円滑なドレン排出が困難となって位置比例制御の意味をなさない場合が多い。
【発明の開示】
【０００７】
本発明の課題は、従来において利用されていない顕熱も利用して効率良く熱交換を行うことのできる蒸気熱交換システムを提案することにある。
【０００８】
本発明の蒸気熱交換システムは、
蒸気熱交換器（１）と、
処理液（２）を貯留するための処理槽（３）とを有し、
前記蒸気熱交換器（１）は、前記処理槽（３）に配置した蒸気管（４）と、蒸気を前記蒸気管（４）の上流端に導く蒸気供給管（５）と、蒸気管（４）の下流端に接続されたドレン管（７）と、前記処理液（２）から引き出されている前記ドレン管（７）の下流側部分に接続されているスチームトラップ（８）とを備え、
前記蒸気管（４）は、その上流側の凝縮伝熱管部分（１１）と、その下流側の顕熱伝熱管部分（１２）とを備え、
前記スチームトラップ（８）のドレン排出能力は、前記凝縮伝熱管部分（１１）において、前記処理液（２）の加熱温度である前記蒸気熱交換器（１）の使用温度において発生する蒸気凝縮量に等しくなるように設定されており、これによって、前記顕熱伝熱管部分（１２）が圧縮水によって封鎖された状態が形成および維持されることを特徴としている。
【０００９】
ここで、前記スチームトラップは所定の穴径のオリフィスであることを特徴としている。
【００１３】
本発明の蒸気熱交換器では、凝縮伝熱部に加えて顕熱伝熱部が備わっているので、顕熱も利用することができ、その分、熱交換器の伝熱量を増加でき、蒸気使用量を低減できる。ここで、単にドレン排出量を調整しただけでは、凝縮伝熱部にドレンが滞留して伝熱面が水没状態になるので伝熱量が著しく減少してしまうが、本発明ではこのような弊害が発生しない。
【００１４】
また、送気中に顕熱伝熱部に入った凝縮水は圧縮水となり、送気中に顕熱伝熱部に気部が存在しない。送気を停止すると顕熱伝熱部内の圧縮水は飽和水となり、再蒸発する場合もあるが、送気を開始して加圧されると同時に再び凝縮する。よって、電磁弁などの一次側蒸気弁が急開閉しても水撃作業が発生しない。
【００１５】
したがって、本発明の蒸気熱交換器によれば次の作用効果が得られる。
(ａ)水撃作用の危険を伴うこと無く蒸気の顕熱まで使用することができるので、熱を有効利用できる。この結果、一次側蒸気流量を低減し、ボイラーなどの蒸気発生源の負荷を軽減できるという効果が得られる。
(ｂ)顕熱伝熱部の面積を考慮することにより、熱効率を減ずることなく蒸気を高圧のまま使用できる。このため、ドレン回収側において真空ポンプなどのドレン回収機器が不要になり、また、蒸気制御弁および蒸気配管の口径を小さくできるという効果が得られる。
(ｃ)顕熱伝熱部の面積を考慮することにより、ドレン導管内での再蒸発を防止できる。このため、復水管系の口径を小さくでき、また、ドレンの温度も低いので、復水管系からの放熱損失を大幅に低減できるという効果が得られる。
(ｄ)顕熱伝熱部の面積と取り付け位置を考慮することにより、熱交換器の使用温度以下まで凝結水の温度を下げることが可能になる。
(ｅ)顕熱伝熱部以降には圧縮水しか存在しないので、スチームトラップなどのドレン排出装置の代わりに、顕熱伝熱部の二次側に、所定の穴径のオリフィスを設けるだけでよい。また、オリフィスの取り付け位置としては、この修理が不要であれば、顕熱伝熱部の中に設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は本発明による蒸気熱交換器を備えた加熱システムを示す概略構成図であり、（ｂ）はスチームトラップの代わりにオリフィスを用いた場合の説明図である。
【図２】本発明による蒸気熱交換器を備えた加熱システムの別の例を示す概略構成図である。
【図３】従来の蒸気熱交換器を示す概略構成図である。
【図４】従来の蒸気熱交換器の別の例を示す概略構成図である。
【図５】昇温試験結果の蒸気使用割合を蒸気線図と共に示す説明図である。
【図６】昇温試験における温度測定位置を示す説明図である。
【図７】昇温試験におけるサンプルＢ−３の場合の各測定位置での温度変化の状態を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した蒸気熱交換器を備えた蒸気熱交換システムの実施の形態を説明する。【００１８】
(実施の形態１)
図１（ａ）は本発明を適用した蒸気熱交換器を備えた蒸気熱交換システムを示す概略構成図である。蒸気熱交換システム１０Ａは、蒸気熱交換器１と、加熱対象の処理液２が貯留されている開放型の加熱処理槽３とを有している。蒸気熱交換器１は、加熱処理槽３の内部の底面近傍に水平に配置されている蛇管型の蒸気加熱管４を有している。蒸気加熱管４の上流側の端部からは垂直に蒸気供給管５が立ち上がっており、この蒸気供給管５を介してボイラーなどの蒸気発生源６から所定温度の蒸気が供給される。蒸気加熱管４の下流側の端部からは垂直にドレン導管７が立ち上がっており、当該ドレン導管７およびスチームトラップ８を介してドレンが排出されるようになっている。【００１９】
蒸気加熱管４は、水平に配置された上側の複数本の凝縮伝熱管部分１１と、下側の複数本の顕熱伝熱管部分１２とを備えている。凝縮伝熱管部分１１は、平行に延びる上下の複数本の配管部分１１ａ、１１ｂの両端が相互に接続された構成となっており、その一方側の端部に蒸気供給管５の下端が接続されている。凝縮伝熱管部分１１の他方側の端部は、下側に位置する顕熱伝熱管部分１２の一端側の部分に繋がっており、当該顕熱伝熱管部分１１の他端側の部分が垂直に立ち上がっているドレン導管７の下端に繋がっている。【００２０】
この構成の蒸気熱交換器１では、凝縮伝熱管部分１１においては潜熱により加熱対象の液体が加熱される。スチームトラップ８のドレン排出能力は、蒸気熱交換器１の使用温度における凝縮量に等しくなるように設定されている。よって、凝縮伝熱管部分１１で熱交換後に発生した凝縮水は実質的に当該凝縮伝熱管部分１１に留まることなく、下流側の顕熱伝熱管部分１２に入り、顕熱伝熱管部分１２を水封状態に保持する。この顕熱伝熱管部分１２において、顕熱により加熱対象の液体が加熱される。なお、顕熱伝熱管部分１２は、圧力損失の許容範囲内で、できるだけ少数列で、できるだけ小口径の管から構成するように設計すれば、伝熱面積を小さく経済的に製作できる。【００２１】
本発明者は、蒸気熱交換器１の効果を確認するために、当該蒸気熱交換器１と図３に示す従来の蒸気熱交換器１００を用いて、各種の条件の下で昇温試験を行った。表１には、昇温試験の各サンプルＡ−１〜Ａ−３およびＢ−１〜Ｂ−３の試験条件および試験結果を示してある。サンプルＡ−１〜Ａ−３は図３に示す従来構成の蒸気熱交換器１００を用いたものであり、サンプルＢ−１〜Ｂ−３は図１に示す本例の蒸気熱交換器１を用いたものである。また、図５は、試験結果の一部の蒸気使用割合を蒸気線図と共に示す説明図であり、図６は、試験時における温度測定位置を示す説明図であり、図７は、サンプルＢ−３における昇温試験における各測定位置での温度変化の状態を示すグラフである。【００２２】
【表１】
0004812040.tif 000002
【００２３】
試験結果から分かるように、本例の蒸気熱交換器１を用いれば、従来に比べて、昇温のために必要とされる所要時間および蒸気使用量を大幅に低減でき、顕熱を利用することにより効率の良い熱交換を実現できることが確認された。また、ドレン温度も低いので、復水管系からの放熱損失を大幅に低減できる。なお、本例の試験は昇温時のものであるが、定温保持時も考慮すれば、従来の蒸気熱交換器に比べて、蒸気使用量を大幅に低減できることが明らかである。【００２４】
ここで、本例ではドレン排出装置としてスチームトラップ８を用いている。スチームトラップ８を用いる代わりに、図１（ｂ）に示すように、所定の穴径のオリフィス１３を用いることもできる。すなわち、顕熱伝熱管部分１２および、その下流側には、圧縮水しか存在しないので、スチームトラップ８などのドレン排出装置の代わりに、所定の穴径のオリフィス１３を設けるだけでよい。また、オリフィス１３の取り付け位置としては、この修理が不要であれば、顕熱伝熱管部分１２の途中位置に設けることもできる。オリフィス１３を用いる場合においても、そのドレン排出能力が、蒸気熱交換器１の使用温度における凝縮量に等しくなるように、穴径を設定すればよい。【００２５】
なお、ドレン排出装置として絞り弁を用いることも可能である。また、本例の蒸気熱交換器は、圧力槽に用いる蒸気熱交換器に対しても適用可能である。【００２６】
(実施の形態２)
図２は、本発明を適用した蒸気熱交換器を備えた蒸気熱交換システムの別の例を示す概略構成図である。蒸気熱交換システム１０Ｂは、蒸気熱交換器２０と、処理液２１が貯留された縦置きの開放槽２２とを有している。蒸気熱交換器２０は、開放槽２２の側部に取り付けた蒸気供給口２３および排出口２４と、これらから内部に向けて水平に延びているＵ状の凝縮伝熱管２５と、当該凝縮伝熱管２５の下側において同じく開放槽内部に向けて水平に延びているＵ状の顕熱伝熱管２６とを備えている。顕熱伝熱管２６の上流端は開放槽２２の外側の配管２７を介して排出口２３に連通しており、顕熱伝熱管２６の下流端は、スチームトラップなどのドレン排出装置２８の側に連通している。【００２７】
この構成の蒸気熱交換システム１０Ｂにおける蒸気熱交換器２０においても前述の蒸気熱交換器１と同様な作用効果が得られる。また、蒸気熱交換器２０においても、そのドレン排出装置２８にオリフィスを用いることができる。さらに、本例の蒸気熱交換器２０は、圧力槽に用いる蒸気熱交換器に対しても適用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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