(57)【要約】【課題】Ｕ字チューブの長手方向への熱伸びを許容して、Ｕ字チューブの損傷を防止すること。【解決手段】一端に第１の流体入口２１が設けられ、前記一端と対向する他端に第１の流体出口２２が設けられているとともに、前記第１の流体入口２１と、前記第１の流体出口２２とが、前記第１の流体入口２１から前記第１の流体出口２２に向かって真っ直ぐに延びる第１の流路２５を介して接続されたケーシング１１と、前記ケーシング１１に収容されて、その内部を流れる流体が、前記第１の流路２５を流れる流体と熱交換されるチューブ群１２とを備えた熱交換器１０であって、前記チューブ群１２が、前記第１の流路２５に沿って複数配列されているとともに、前記チューブ群１２を形成する複数本のＵ字チューブ２４が、前記第１の流路２５と平行になるようにして配置され、かつ、前記Ｕ字チューブ２４の両端部に位置する管板２３のみに固定されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に第１の流体入口が設けられ、前記一端と対向する他端に第１の流体出口が設けられているとともに、前記第１の流体入口と、前記第１の流体出口とが、前記第１の流体入口から前記第１の流体出口に向かって真っ直ぐに延びる第１の流路を介して接続されたケーシングと、
前記ケーシングに収容されて、その内部を流れる流体が、前記第１の流路を流れる流体と熱交換されるチューブ群とを備えた熱交換器であって、
前記チューブ群が、前記第１の流路に沿って複数配列されているとともに、前記チューブ群を形成する複数本のＵ字チューブが、前記第１の流路と平行になるようにして配置され、かつ、前記Ｕ字チューブの両端部に位置する管板のみに固定されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記Ｕ字チューブの直線部とターン部とを仕切る仕切板が、前記第１の流路と平行になるようにして配置され、かつ、前記仕切板に設けられて前記Ｕ字チューブの直線部が挿通される管穴の内周面と、前記Ｕ字チューブの外周面との間に、隙間が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
上流側に位置するチューブ群の出口端と、その下流側に位置するチューブ群の入口端と連通するヘッダが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記Ｕ字チューブは、前記管穴内に挿入された前記Ｕ字チューブの各端部が拡管されることにより、前記管板に固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器を、圧縮機から吐出された高圧の圧縮性作動流体を、タービンから排出された高温の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器として具備していることを特徴とする太陽熱ガスタービン発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、特に、太陽光を利用して加熱する空気等の圧縮性作動流体により駆動される太陽熱ガスタービンの再熱器として好適な熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化等の環境問題を解決するため、太陽光や風力等の自然エネルギーが注目されている。
そこで、自然エネルギーの一つである太陽光を利用し、太陽光の熱により高温高圧の圧縮性作動流体を生成して駆動する太陽熱ガスタービン、そして、この太陽熱ガスタービンにより発電機を駆動して発電する太陽熱ガスタービン発電装置が提案されている。
このような太陽熱ガスタービンおよび太陽熱ガスタービン発電装置としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２８１２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さて、太陽熱ガスタービンにおいて、圧縮機から吐出された高圧の圧縮性作動流体を、タービンから排出された高温の圧縮性作動流体との熱交換で予熱する再熱器の内部は、タービンから排出された高温の圧縮性作動流体が通過するため非常に高温になる。そのため、例えば、特開２００１−１４７０９３号公報に開示された熱交換器を、太陽熱ガスタービンの再熱器として採用した場合には、Ｕ字管（以下、「Ｕ字チューブ」という。）１８ａの長手方向への熱伸びがＵ字管固定管板１９によって拘束され、Ｕ字チューブ１８ａが損傷してしまうおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、Ｕ字チューブの長手方向への熱伸びを許容して、Ｕ字チューブの損傷を防止することができ、熱の放散を少なくし、熱効率を向上させ、点検・補修が容易であり、温度脈動が少ない圧縮空気を得られる熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る熱交換器は、一端に第１の流体入口が設けられ、前記一端と対向する他端に第１の流体出口が設けられているとともに、前記第１の流体入口と、前記第１の流体出口とが、前記第１の流体入口から前記第１の流体出口に向かって真っ直ぐに延びる第１の流路を介して接続されたケーシングと、前記ケーシングに収容されて、その内部を流れる流体が、前記第１の流路を流れる流体と熱交換されるチューブ群とを備えた熱交換器であって、前記チューブ群が、前記第１の流路に沿って複数配列されているとともに、前記チューブ群を形成する複数本のＵ字チューブが、前記第１の流路と平行になるようにして配置され、かつ、前記Ｕ字チューブの両端部に位置する管板のみに固定されている。
【０００７】
本発明に係る熱交換器によれば、Ｕ字チューブは、管板に設けられて当該Ｕ字チューブの両端部が挿通される管穴のみに、片端固定の状態となる。
これにより、Ｕ字チューブの長手方向への熱伸びを許容することができ、Ｕ字チューブの損傷を防止することができる。
また、本発明に係る熱交換器によれば、第１の流体入口と、第１の流体出口とが、第１の流体入口から第１の流体出口に向かって真っ直ぐに延びる第１の流路を介して１パスで接続されることになる。
これにより、第１の流路の圧力損失を低減させることができ、かつ、第１の流路に大量の流体を流すことができて、熱交換効率を向上させることができる。
【０００８】
上記熱交換器において、前記Ｕ字チューブの直線部とターン部とを仕切る仕切板が、前記第１の流路と平行になるようにして配置され、かつ、前記仕切板に設けられて前記Ｕ字チューブの直線部が挿通される管穴の内周面と、前記Ｕ字チューブの外周面との間に、隙間が設けられているとさらに好適である。
【０００９】
このような熱交換器によれば、第１の流路の外側に、仕切板とケーシングとにより形成された空間が形成され、前記空間内に第１の流路を通過する流体の一部が滞留することになる。
これにより、空間内に存する流体が断熱層の役割を果たし、第１の流路を通過する流体の保温性が高められて、熱交換効率をさらに向上させることができる。
【００１０】
上記熱交換器において、上流側に位置するチューブ群の出口端と、その下流側に位置するチューブ群の入口端と連通するヘッダが設けられているとさらに好適である。
【００１１】
このような熱交換器によれば、上流側に位置するチューブ群を通過する際に、第１の流路を通過する流体と熱交換された流体を、その下流側に位置するチューブ群に導いて、第１の流路を通過する流体とさらに熱交換させることができ、熱交換効率をさらに向上させることができる。
【００１２】
上記熱交換器において、前記Ｕ字チューブは、前記管穴内に挿入された前記Ｕ字チューブの各端部が拡管されることにより、前記管板に固定されているとさらに好適である。
【００１３】
このような熱交換器によれば、Ｕ字チューブの各端部は、溶接接合を用いることなく、拡管のみで管板に固定されることになる。
これにより、溶接接合では問題となる管板の材質と、Ｕ字チューブの材質との組み合わせを考慮しなくてもよくなり、管板の材質およびＵ字チューブの材質を自由に選択することができる。
【００１４】
本発明に係る太陽熱ガスタービン発電システムは、上記いずれかの熱交換器を、再熱器として具備している。
【００１５】
本発明に係る太陽熱ガスタービン発電システムによれば、Ｕ字チューブの長手方向への熱伸びが許容され、Ｕ字チューブの損傷を防止することができる熱交換器を再熱器として具備していることになるので、当該太陽熱ガスタービン発電システムの信頼性を向上させることができる。
また、本発明に係る太陽熱ガスタービン発電システムによれば、熱交換効率のよい熱交換器を再熱器として具備していることになるので、タービンに導入される圧縮性作動流体の温度をさらに上昇させることができ、熱サイクルのサイクル効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、仕切板とチューブは接合されていないので、Ｕ字チューブの長手方向への熱伸びを許容することができ、Ｕ字チューブの損傷を防止することができるという効果を奏する。
また、第１の仕切り板とケーシングとの間の空間を澱み域とし、流体流路より隔離したので、澱み域が断熱効果を発揮し熱の放散が少なくなるという効果を奏する。
さらに、ヘッダ自体を人が入れる程度のサイズにし、チューブとの拡径接続部の点検作業用出入り口をヘッダに設け、ヘッダ内部に梯子を設けたので、点検が容易となり、チューブに穿孔損傷が発生してもチューブに栓を施すことが容易な構造になっている。
さらにまた、ヘッダを管路途中に複数個設けたことにより、圧縮による昇温された空気を熱交換器により更に加熱された空気がヘッダにおいて混合され均一な温度となり受熱器に送られるので、受熱器から排出される空気は温度の脈動がなくなり、発電機に直結されたタービン回転数の微変動がなくなり、周波数変動が極めて少ない良質な電力がえられるという効果も奏する。
さらにまた、ケーシングを固定したまま、ヘッダとチューブ群を引き抜くことができ、チューブ劣化におけるチューブの取替を容易としている。
さらにまた、チューブ群の間に隙間を設けることとなり、その領域で第１の流体が均一化され、温度効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱交換器を、太陽熱ガスタービンおよび太陽熱ガスタービン発電装置の再熱器として適用した場合の一具体例を示す構成図（系統図）である。
【図２】本発明の一実施形態に係る熱交換器の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る熱交換器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係る熱交換器、特に、太陽光を利用して生成される空気等の圧縮性作動流体を用いて駆動される太陽熱ガスタービンの再熱器として用いられて好適な熱交換器について、図１から図３を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る熱交換器を、太陽熱ガスタービンおよび太陽熱ガスタービン発電装置の再熱器として適用した場合の一具体例を示す構成図（系統図）、図２は本実施形態に係る熱交換器の斜視図、図３は本実施形態に係る熱交換器の断面図である。
【００１９】
図１に示すように、太陽熱ガスタービンＧＴは、圧縮性作動流体を圧縮して昇圧させる圧縮機１と、太陽光を変換した熱により圧縮性作動流体を加熱して昇温させる受熱器２と、高温高圧の圧縮性作動流体が保有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン３と、を主な構成要素とする装置である。すなわち、太陽熱ガスタービンＧＴは、天然ガス等の燃料を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器に代えて、太陽光の熱エネルギーを利用して、高圧の圧縮性作動流体を加熱して昇温する受熱器２を設けたものである。
【００２０】
この場合の受熱器２は、太陽光を熱エネルギーに変換するための装置であり、図示しない集光器（ヘリオスタット）により集めた光の熱を用いて、高圧の圧縮性作動流体を加熱して昇温させることができる。
また、発電機４を太陽熱ガスタービンＧＴと同軸に連結し、太陽熱ガスタービンＧＴで発電機４を駆動するように構成すれば、太陽光を利用して発電する太陽熱ガスタービン発電装置となる。
さらに、再熱器５は、タービン３で仕事をした後に煙突６から大気へ排出される圧縮性作動流体の排熱を用い、圧縮機１で昇圧された高圧の圧縮性作動流体を予熱するものである。
【００２１】
本実施形態に係る熱交換器１０は、特に、太陽熱ガスタービンＧＴの再熱器５として用いられて好適な熱交換器であり、図２または図３に示すように、ケーシング１１と、複数（本実施形態では四つ）のチューブ群１２と、を備えている。
ケーシング１１は、おおよその外観形状が直方体形状または立方体形状を呈するとともに、内部にチューブ群１２を収容する筐体である。ケーシング１１の正面には、正面視矩形状の開口からなり、高温の流体（タービン３から排出された高温の圧縮性作動流体）が流入する第１の流体入口２１が設けられ、背面には、背面視矩形状の開口からなり、内部で熱交換された流体が流出する第１の流体出口２２が設けられており、第一面には、管板２３が設けられている。また、正面、背面、および第一面以外の三つの面は、第一面とともに正面および背面を取り囲むようにして配置された第二面、第三面および第四面により塞がれている。
【００２２】
管板２３には、チューブ群１２を形成する複数本（本実施形態では３３６本）のＵ字チューブ２４の両端部が挿入される管穴（図示せず）が複数個（本実施形態では６７２個）設けられている。
なお、管穴内に挿入されたＵ字チューブ２４の各端部は、マンドレル等の工具を用いて拡管され、管板２３に片端固定される状態となる。
【００２３】
第１の流体入口２１と第１の流体出口２２とは、第１の流体入口２１から第１の流体出口２２に向かって真っ直ぐに延びる第１の流路２５を介して接続されており、第１の流体入口２１から流入した流体は、Ｕ字チューブ２４内を通過する流体（圧縮機から吐出された高圧の圧縮性作動流体）と熱交換された後、第１の流体出口２２から流出するようになっている。第１の流路２５は、管板２３と、第二面と、第三面と平行になるようにして、第三面の内側に配置された第１の仕切板（支持板）２６と、第四面との四つの面により形成されている。また、管板２３と第１の仕切板２６との間には、管板２３および第１の仕切板２６と平行になるようにして配置されて、第１の流路２５を流れ方向に沿って三つの流路に分ける第２の仕切板（支持板）２７および第３の仕切板（支持板）２８が設けられている。第１の仕切板２６、第２の仕切板２７、および第３の仕切板２８にはそれぞれ、チューブ群１２を形成する複数本のＵ字チューブ２４が挿入される管穴（図示せず）が複数個（本実施形態では６７２個）設けられている。第１の仕切板２６および第２の仕切板２７に設けられた管穴は、Ｕ字チューブ２４の長手方向（図３において左右方向）への熱伸びを拘束しないよう、Ｕ字チューブ２４の外径よりも大きな内径を有している。Ｕ字チューブ２４の直線部と曲がり部（ターン部）とを仕切るようにして配置された第３の仕切板２８に設けられた管穴は、Ｕ字チューブ２４の長手方向への熱伸びを拘束せず、かつ、第３の仕切板２８と、第三面との間に形成された空間Ｓ内に第１の流路２５内を流れる流体がわずかに流れ込むよう、第１の仕切板２６および第２の仕切板２７に設けられた管穴の内径よりも大きな内径を有している。
なお、空間Ｓは、第３の仕切板２８、第二面、第三面、第四面、第１の流体入口２１を除く正面、および第１の流体出口２２を除く背面により形成されている。
【００２４】
管板２３の外側には、複数個のヘッダ、本実施形態では３個のヘッダ３１，３２，３３が設けられている。
第１のヘッダ３１は、第１の流路２５を通過する流体と熱交換される流体を、第２の流体入口３４を介して最も上流側に位置するチューブ群１２の入口端に導き、当該チューブ群１２の出口端から流出した流体を、その下流側に位置するチューブ群１２の入口端に導く、おおよその外観形状が、両端面が塞がれた円筒半割れ形状を呈する筐体である。第１のヘッダ３１内には、第２の流体入口３４から最も上流側に位置するチューブ群１２の入口端に導かれる流体と、当該チューブ群１２の出口端から流出した流体とが混ざり合うのを防止する隔壁３５が設けられている。
【００２５】
第２のヘッダ３２は、上流側から二番目に位置するチューブ群１２の出口端から流出した流体を、その下流側に位置するチューブ群１２の入口端に導く、おおよその外観形状が、両端面が塞がれた円筒半割れ形状を呈する筐体である。
第３のヘッダ３３は、上流側から三番目に位置するチューブ群１２の出口端から流出した流体を、その下流側に位置するチューブ群１２の入口端に導き、当該チューブ群１２の出口端から流出した流体を、第２の流体出口３６を介して外部に導く、おおよその外観形状が、両端面が塞がれた円筒半割れ形状を呈する筐体である。第３のヘッダ３３内には、上流側から四番目に位置するチューブ群１２の入口端に導かれる流体と、当該チューブ群１２の出口端から流出した流体とが混ざり合うのを防止する隔壁３７が設けられている。
【００２６】
各チューブ群１２は、同じ長さの直線部と、半径の異なる曲がり部（ターン部）とを備えた複数本（本実施形態では四本）のＵ字チューブ２４が、半径の小さいＵ字チューブ２４が内側に、半径の大きいＵ字チューブ２４が外側にくるようにして、同一平面内に配置されたものを、前記平面と直交する方向に複数（本実施形態では２１）積み重ねるようにして配列したものである。
なお、同一平面内に配列されたＵ字チューブ２４とＵ字チューブ２４との間、前記平面と直交する方向に配列されたＵ字チューブ２４とＵ字チューブ２４との間にはそれぞれ、所定の隙間が設けられており、この隙間を第１の流体入口２１から第１の流体出口２２に向かって流れる流体が通過するようになっている。
また、図３中の符号３８は、点検作業用出入口を示している。
【００２７】
本実施形態に係る熱交換器１０によれば、Ｕ字チューブ２４は、管板２３に設けられて当該Ｕ字チューブ２４の両端部が挿通される管穴のみに、片端固定される状態となる。
これにより、Ｕ字チューブ２４の長手方向への熱伸びを許容することができ、Ｕ字チューブ２４の損傷を防止することができる。
【００２８】
また、本実施形態に係る熱交換器１０によれば、第１の流体入口２１と、第１の流体出口２２とが、第１の流体入口２１から第１の流体出口２２に向かって真っ直ぐに延びる第１の流路２５を介して１パスで接続されることになる。
これにより、第１の流路２５の圧力損失を低減させることができ、かつ、第１の流路２５に大量の流体を流すことができて、熱交換効率を向上させることができる。
【００２９】
さらに、本実施形態に係る熱交換器１０によれば、第１の流路２５の外側に、第１の仕切板２６とケーシング１１とにより形成された空間Ｓが形成され、この空間Ｓ内に、管穴の内周面と、Ｕ字チューブ２４の外周面との間に設けられた隙間を介して第１の流路２５を通過する流体が流れ込み、空間Ｓ内に第１の流路２５を通過する流体の一部が滞留することになる。
これにより、空間Ｓ内に存する流体が断熱層の役割を果たし、第１の流路２５を通過する流体の保温性が高められて、熱交換効率をさらに向上させることができる。
【００３０】
さらにまた、本実施形態に係る熱交換器１０によれば、上流側に位置するチューブ群１２を通過する際に、第１の流路２５を通過する流体と熱交換された流体を、その下流側に位置するチューブ群１２に導いて、第１の流路２５を通過する流体とさらに熱交換させることができ、熱交換効率をさらに向上させることができる。
【００３１】
さらにまた、本実施形態に係る熱交換器１０によれば、Ｕ字チューブ２４の各端部は、溶接接合を用いることなく、拡管のみで管板２３に固定されることになる。
これにより、溶接接合では問題となる管板２３の材質と、Ｕ字チューブ２４の材質との組み合わせを考慮しなくてもよくなり、管板２３の材質およびＵ字チューブ２４の材質を自由に選択することができる。
【００３２】
本実施形態に係る太陽熱ガスタービンＧＴによれば、Ｕ字チューブ２４の長手方向への熱伸びが許容され、Ｕ字チューブ２４の損傷を防止することができる熱交換器１０を再熱器５として具備していることになるので、当該太陽熱ガスタービンＧＴの信頼性を向上させることができる。
また、本実施形態に係る太陽熱ガスタービンＧＴによれば、熱交換効率のよい熱交換器１０を再熱器５として具備していることになるので、タービン３に導入される圧縮性作動流体の温度をさらに上昇させることができ、熱サイクルのサイクル効率を向上させることができる。
【００３３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形・変更実施可能である。
例えば、上述した実施形態では、四つのチューブ群１２を備えたものを一具体例として挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、二つ、三つ、あるいは五つ以上備えたものであってもよい。
【００３４】
また、上述した実施形態では、第１の流体入口２１の側に第２の流体出口３６を設け、第１の流体出口２２の側に第２の流体入口３４を設けるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１の流体入口２１の側に第２の流体入口３４を設け、第１の流体出口２２の側に第２の流体出口３６を設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１  圧縮機
３  タービン
５  再熱器
１０  熱交換器
１１  ケーシング
１２  チューブ群
２１  第１の流体入口
２２  第１の流体出口
２３  管板
２４  Ｕ字チューブ
２５  第１の流路
２６  第１の仕切板（仕切板）
３１  第１のヘッダ（ヘッダ）
３２  第２のヘッダ（ヘッダ）
３３  第３のヘッダ（ヘッダ）
ＧＴ  太陽熱ガスタービン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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