(57)【要約】【課題】蒸気の温度が設計値から変動する場合であっても、蒸気の潜熱を利用して第１の対象物を加熱するとともに、蒸気の顕熱を有効に利用して第２の対象物を効率的に加熱することができる蒸気熱交換システムの提供。【解決手段】蒸気熱交換システム１は、一端から蒸気が供給される凝縮伝熱部２と、凝縮伝熱部２の他端に一端が接続される顕熱伝熱部４と、顕熱伝熱部４の他端から所定量の凝縮水を排出させる主オリフィス５とを備える。凝縮伝熱部２は、蒸気が凝縮するときの潜熱を利用して熱交換を行うことによって、液体Ｌ１を加熱する。また、顕熱伝熱部４は、蒸気の顕熱を利用して熱交換を行うことによって、液体Ｌ２を加熱する。また、蒸気熱交換システム１は、蒸気の流量を規制する副オリフィス６を備え、この副オリフィス６は、凝縮伝熱部２と、顕熱伝熱部４との間に設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端から蒸気が供給されるとともに、前記蒸気が凝縮するときの潜熱を利用して熱交換を行うことによって、第１の対象物を加熱する凝縮伝熱部と、
前記凝縮伝熱部の他端に一端が接続されるとともに、前記蒸気の顕熱を利用して熱交換を行うことによって、前記第１の対象物とは異なる第２の対象物を加熱する顕熱伝熱部と、
前記顕熱伝熱部の他端から所定量の凝縮水を排出させる排出装置と、
前記凝縮伝熱部と、前記顕熱伝熱部との間に設けられ、前記蒸気の流量を規制する規制手段とを備え、
前記規制手段は、前記凝縮水に対する圧力損失が小さく、前記蒸気に対する圧力損失が大きい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に記載された蒸気熱交換システムにおいて、
前記規制手段は、前記蒸気の温度が前記凝縮伝熱部の伝熱面積の算定に用いられた蒸気の温度の設計値よりも低くなった場合であっても、前記顕熱伝熱部の交換熱量が前記第２の対象物の温度を加熱目標温度に保つための熱負荷を超えないように設計されることを特徴とする蒸気熱交換システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された蒸気熱交換システムにおいて、
前記規制手段は、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、蒸気熱交換システムに関し、特に蒸気の潜熱のみならず、蒸気の顕熱を利用して対象物を加熱することができる蒸気熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気の潜熱を利用して貯留槽内に貯留された液体などの対象物を加熱する蒸気熱交換システムが知られている。例えば、特許文献１に記載された蒸気熱交換システムは、一端から蒸気が供給される伝熱管と、この伝熱管の他端から所定量のドレン（凝縮水）を排出させる排出装置とを備えている。
そして、この蒸気熱交換システムは、排出装置によるドレンの排出量と、熱交換による蒸気凝縮量とを一致させるように設計されている。また、この蒸気熱交換システムは、液体に浸漬された伝熱管の部位に、蒸気が流れる上流側と、圧縮水が流れる下流側とを隔てる気液境界面を有し、蒸気熱交換システムの下流側を水封するように設計されている。
【０００３】
このような設計によって、特許文献１に記載された蒸気熱交換システムは、伝熱管の上流側の部位において、蒸気が凝縮するときの潜熱を利用して熱交換を行い（以下、凝縮伝熱部とする）、この伝熱管の上流側の部位に連続して、伝熱管の下流側の部位において、蒸気の顕熱を利用して熱交換を行っている（以下、顕熱伝熱部とする）。
したがって、この蒸気熱交換システムは、蒸気の潜熱のみならず、蒸気の顕熱を利用して対象物を加熱することができる。このため、蒸気の潜熱のみを利用して対象物を加熱する従来の蒸気熱交換システムと比較して対象物を効率よく加熱することができる。
【０００４】
このような蒸気熱交換システムにおいて、水封状態を安定して維持するためには、排出装置によって排出されるドレンの温度は、排出装置の２次側で再蒸発するような温度であってはならないという制限がある。換言すれば、このような蒸気熱交換システムでは、排出装置の２次圧における水の飽和温度（以下、再蒸発温度とする）未満の温度までしか対象物を加熱することはできないという制限がある。例えば、排出装置の２次側を大気開放した場合には、排出装置の２次圧は大気圧となるので、再蒸発温度は水の沸騰点となる。
【０００５】
そこで、加熱目標温度を再蒸発温度以上とする対象物を加熱するために、凝縮伝熱部にて第１の対象物を加熱するとともに、顕熱伝熱部にて第２の対象物を加熱する蒸気熱交換システムが考えられる。この蒸気熱交換システムによれば、蒸気の潜熱を利用して加熱目標温度を再蒸発温度以上とする第１の対象物を加熱するとともに、蒸気の顕熱を利用して加熱目標温度を再蒸発温度未満とする第２の対象物を加熱することができる。
【０００６】
図３は、凝縮伝熱部にて第１の対象物を加熱するとともに、顕熱伝熱部にて第２の対象物を加熱する蒸気熱交換システムの一例を示す図である。
蒸気熱交換システム１００は、図３に示すように、一端（図３の左端）から導管１１１を介して蒸気が供給される凝縮伝熱部１１０と、凝縮伝熱部１１０の他端に連結管１２０を介して一端が接続される顕熱伝熱部１３０と、顕熱伝熱部１３０の他端に設けられた導管１３１に取り付けられた排出装置としてのオリフィス１４０とを備える。
【０００７】
凝縮伝熱部１１０は、加熱目標温度を再蒸発温度以上とする第１の対象物としての液体Ｌ１に浸漬される。この液体Ｌ１は、高温処理槽Ｔ１に貯留されている。
顕熱伝熱部１３０は、加熱目標温度を再蒸発温度未満とする第２の対象物としての液体Ｌ２に浸漬される。この液体Ｌ２は、低温処理槽Ｔ２に貯留されている。
オリフィス１４０は、所定量の凝縮水を顕熱伝熱部１３０の他端から導管１３１を介して排出させる。
【０００８】
この蒸気熱交換システム１００は、オリフィス１４０による凝縮水の排出量と、熱交換による蒸気凝縮量とを一致させるように設計されている。また、この蒸気熱交換システム１００は、液体Ｌ１に浸漬された凝縮伝熱部１１０と、液体Ｌ２に浸漬された顕熱伝熱部１３０との間、すなわち連結管１２０に、蒸気が流れる上流側と、圧縮水が流れる下流側とを隔てる気液境界面を有し、蒸気熱交換システム１００の下流側を水封するように設計されている。
したがって、凝縮伝熱部１１０にて加熱目標温度を再蒸発温度以上とする液体Ｌ１を加熱するとともに、顕熱伝熱部１３０にて加熱目標温度を再蒸発温度未満とする液体Ｌ２を加熱することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−８５３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このような蒸気熱交換システム１００は、蒸気の温度（凝縮伝熱部１１０に供給される蒸気の温度）が設計値（凝縮伝熱部１１０の伝熱面積の算定に用いられた蒸気の温度の設計値）から変動すると、オリフィス１４０による凝縮水の排出量と、熱交換による蒸気凝縮量との釣り合いが崩れ、水封状態を安定して維持することができなくなる場合があるという問題がある。
【００１１】
具体的には、蒸気の温度が設計値よりも高くなると、蒸気の温度と、液体Ｌ１の温度との差は大きくなり、蒸気凝縮量も大きくなるので、蒸気熱交換システム１００は、水封状態を安定して維持することができる。
これに対して、蒸気の温度が設計値よりも低くなると、蒸気の温度と、液体Ｌ１の温度との差は小さくなり、蒸気凝縮量も小さくなるので、蒸気熱交換システム１００は、水封状態を安定して維持することができなくなる場合がある。水封状態を安定して維持することができなければ、蒸気熱交換システム１００は、蒸気の顕熱を有効に利用することができなくなるので、液体Ｌ２を効率的に加熱することができなくなるという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、蒸気の温度が設計値から変動する場合であっても、蒸気の潜熱を利用して第１の対象物を加熱するとともに、蒸気の顕熱を有効に利用して第２の対象物を効率的に加熱することができる蒸気熱交換システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の蒸気熱交換システムは、一端から蒸気が供給されるとともに、蒸気が凝縮するときの潜熱を利用して熱交換を行うことによって、第１の対象物を加熱する凝縮伝熱部と、凝縮伝熱部の他端に一端が接続されるとともに、蒸気の顕熱を利用して熱交換を行うことによって、第１の対象物とは異なる第２の対象物を加熱する顕熱伝熱部と、顕熱伝熱部の他端から所定量の凝縮水を排出させる排出装置と、凝縮伝熱部と、顕熱伝熱部との間に設けられ、蒸気の流量を規制する規制手段とを備え、規制手段は、凝縮水に対する圧力損失が小さく、蒸気に対する圧力損失が大きいことを特徴とする。
【００１４】
このような構成によれば、蒸気熱交換システムは、蒸気が凝縮するときの潜熱を利用して熱交換を行うことによって、第１の対象物を加熱する凝縮伝熱部と、蒸気の顕熱を利用して熱交換を行うことによって、第１の対象物とは異なる第２の対象物を加熱する顕熱伝熱部とを備えるので、蒸気の潜熱を利用して第１の対象物を加熱するとともに、蒸気の顕熱を利用して第２の対象物を加熱することができる。
【００１５】
また、蒸気熱交換システムは、凝縮伝熱部と、顕熱伝熱部との間に設けられるとともに、蒸気の流量を規制する構造簡単な規制手段によって、蒸気の温度が設計値から変動する場合であっても、水封状態を安定して維持することができる。したがって、蒸気熱交換システムは、蒸気の顕熱を有効に利用して第２の対象物を効率的に加熱することができる。
【００１６】
具体的には、蒸気の温度が設計値よりも高くなると、蒸気凝縮量は大きくなるので、規制手段には、凝縮水だけが流れることになる。ここで、規制手段は、凝縮水に対する圧力損失が小さいので、凝縮水の流量は規制されないことになる。したがって、蒸気熱交換システムは、水封状態を安定して維持することができる。
これに対して、蒸気の温度が設計値よりも低くなると、蒸気凝縮量は小さくなるので、規制手段には、蒸気が流れようとすることになる。ここで、規制手段は、蒸気に対する圧力損失が大きいので、蒸気の流量は規制されることになる。したがって、蒸気熱交換システムは、水封状態を安定して維持することができる。
【００１７】
本発明では、規制手段は、蒸気の温度が凝縮伝熱部の伝熱面積の算定に用いられた蒸気の温度の設計値よりも低くなった場合であっても、顕熱伝熱部の交換熱量が第２の対象物の温度を加熱目標温度に保つための熱負荷を超えないように設計されることが好ましい。
【００１８】
このような構成によれば、蒸気熱交換システムは、蒸気の温度が設計値よりも低くなった場合であっても、第２の対象物の温度を加熱目標温度以下に保つことができる。したがって、蒸気熱交換システムは、蒸気の顕熱を有効に利用して第２の対象物を効率的に加熱することができる。
【００１９】
本発明では、規制手段は、オリフィスであることが好ましい。
【００２０】
このような構成によれば、蒸気熱交換システムは、簡素な構成で蒸気の顕熱を有効に利用して第２の対象物を効率的に加熱することができる。また、オリフィスは、交換することによって径を容易に調整することができるので、蒸気熱交換システムの全体の調整を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る蒸気熱交換システムを示す図
【図２】副オリフィスを設けた場合と、設けない場合とを比較する図
【図３】複数の対象物を加熱する蒸気熱交換システムの一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る蒸気熱交換システムを示す図である。
蒸気熱交換システム１は、図１に示すように、一端（図１の左端）から導管２１を介して蒸気が供給される凝縮伝熱部２と、凝縮伝熱部２の他端に連結管３を介して一端が接続される顕熱伝熱部４と、顕熱伝熱部４の他端に設けられた導管４１に取り付けられた排出装置としての主オリフィス５とを備える。
【００２３】
凝縮伝熱部２は、加熱目標温度を再蒸発温度以上とする第１の対象物としての液体Ｌ１に浸漬される。この液体Ｌ１は、高温処理槽Ｔ１に貯留されている。
顕熱伝熱部４は、加熱目標温度を再蒸発温度未満とする第２の対象物としての液体Ｌ２に浸漬される。この液体Ｌ２は、低温処理槽Ｔ２に貯留されている。
なお、本実施形態では、高温処理槽Ｔ１に貯留された液体Ｌ１の加熱目標温度を１４０℃とし、低温処理槽Ｔ２に貯留された液体Ｌ２の加熱目標温度を８０℃とする。
【００２４】
主オリフィス５は、所定量の凝縮水を顕熱伝熱部４の他端（図１の右端）から導管４１を介して排出させる。具体的には、主オリフィス５による凝縮水の排出量は、主オリフィス５の前後の圧力差と、主オリフィス５の径とに基づいて設計することができる。
なお、本実施形態では、排出装置を主オリフィス５としているが、スチームトラップなどを用いてもよい。
【００２５】
ここで、蒸気熱交換システム１は、主オリフィス５による凝縮水の排出量と、熱交換による蒸気凝縮量とを一致させるように設計されている。また、蒸気熱交換システム１は、液体Ｌ１に浸漬された凝縮伝熱部２と、液体Ｌ２に浸漬された顕熱伝熱部４との間、すなわち連結管３に、蒸気が流れる上流側と、圧縮水が流れる下流側とを隔てる気液境界面を有し、蒸気熱交換システム１の下流側を水封するように設計されている。
【００２６】
したがって、凝縮伝熱部２は、蒸気が凝縮するときの潜熱を利用して熱交換を行うことによって、液体Ｌ１を加熱する。また、顕熱伝熱部４は、蒸気の顕熱を利用して熱交換を行うことによって、液体Ｌ１とは異なる液体Ｌ２を加熱する。
なお、本実施形態では、凝縮伝熱部２の伝熱面積の算定に用いられた蒸気の温度の設計値を１６０℃とする。
【００２７】
また、蒸気熱交換システム１は、連結管３に設けられた副オリフィス６を備える。すなわち、副オリフィス６は、凝縮伝熱部２と、顕熱伝熱部４との間に設けられている。この副オリフィス６は、蒸気の流量を規制する規制手段として機能する。
【００２８】
具体的には、蒸気の温度（凝縮伝熱部２に供給される蒸気の温度）が設計値よりも高くなると、蒸気凝縮量は大きくなるので、副オリフィス６には、凝縮水だけが流れることになる。ここで、副オリフィス６は、凝縮水に対する圧力損失が小さいので、凝縮水の流量は規制されないことになる。したがって、蒸気熱交換システム１は、水封状態を安定して維持することができる。
これに対して、蒸気の温度が設計値よりも低くなると、蒸気凝縮量は小さくなるので、副オリフィス６には、蒸気が流れようとすることになる。ここで、副オリフィス６は、蒸気に対する圧力損失が大きいので、蒸気の流量は規制されることになる。したがって、蒸気熱交換システム１は、水封状態を安定して維持することができる。
【００２９】
なお、本実施形態では、副オリフィス６の径は、蒸気の温度が設計値よりも低くなった場合であっても、顕熱伝熱部４の交換熱量が液体Ｌ２の温度を加熱目標温度に保つための熱負荷を超えないように設計される。
【００３０】
図２は、蒸気熱交換システム１に副オリフィス６を設けた場合と、蒸気熱交換システム１に副オリフィス６を設けない場合とを比較する図である。この図２は、蒸気の温度を横軸とし、主オリフィス５から排出された凝縮水の温度（ＴＡ１，ＴＡ２）と、連結管３内における気液境界面近くの蒸気の温度（ＴＢ１，ＴＢ２）と、蒸気の流量（Ｇ１，Ｇ２）とを縦軸としたグラフである。
【００３１】
具体的には、図２では、蒸気熱交換システム１に副オリフィス６を設けた状態において、図１のＡ点における凝縮水温度をＴＡ１とし、図１のＢ点における蒸気温度をＴＢ１とし、蒸気流量をＧ１としている。また、図２では、蒸気熱交換システム１に副オリフィス６を設けない状態において、図１のＡ点における凝縮水温度をＴＡ２とし、図１のＢ点における蒸気温度をＴＢ２とし、蒸気流量をＧ２としている。
【００３２】
蒸気熱交換システム１に副オリフィス６を設けた状態においては、蒸気の温度が設計値よりも低くなった場合（１４０℃〜１６０℃）であっても、凝縮水温度ＴＡ１は、低温処理槽Ｔ２に貯留された液体Ｌ２の加熱目標温度である８０℃に近くなっている。これは、蒸気の顕熱を有効に利用して液体Ｌ２を効率的に加熱することができているからである。
これに対して、蒸気熱交換システム１に副オリフィス６を設けない状態においては、蒸気の温度が設計値よりも低くなった場合（１４０℃〜１６０℃）には、凝縮水温度ＴＡ２は、低温処理槽Ｔ２に貯留された液体Ｌ２の加熱目標温度である８０℃よりも相当に高くなっている。これは、蒸気の顕熱を有効に利用して液体Ｌ２を効率的に加熱することができていないからである。
【００３３】
また、蒸気の温度が設計値よりも低くなった場合（１４０℃〜１６０℃）には、副オリフィス６によって、蒸気の流量は規制されるので、蒸気流量Ｇ１は、蒸気流量Ｇ２と比較して少なくなっている。
なお、副オリフィス６によって、蒸気の流量が規制される範囲内では、蒸気温度ＴＢ１は、蒸気温度ＴＢ２と比較して低くなっている。これは、凝縮水とともに蒸気が副オリフィス６を流れることによる圧力降下が大きいためである。このとき、気液境界面は、顕熱伝熱部４内に存在するようになる。
【００３４】
このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）蒸気熱交換システム１は、蒸気が凝縮するときの潜熱を利用して熱交換を行うことによって、液体Ｌ１を加熱する凝縮伝熱部２と、蒸気の顕熱を利用して熱交換を行うことによって、液体Ｌ２を加熱する顕熱伝熱部４とを備えるので、蒸気の潜熱を利用して液体Ｌ１を加熱するとともに、蒸気の顕熱を利用して液体Ｌ２を加熱することができる。
（２）蒸気熱交換システム１は、凝縮伝熱部２と、顕熱伝熱部４との間に設けられるとともに、蒸気の流量を規制する副オリフィス６によって、蒸気の温度が設計値から変動する場合であっても、水封状態を安定して維持することができる。したがって、蒸気熱交換システム１は、蒸気の顕熱を有効に利用して液体Ｌ２を効率的に加熱することができる。
【００３５】
（３）副オリフィス６の径は、蒸気の温度が設計値よりも低くなった場合であっても、顕熱伝熱部４の交換熱量が液体Ｌ２の温度を加熱目標温度に保つための熱負荷を超えないように設計されるので、蒸気熱交換システム１は、蒸気の温度が設計値よりも低くなった場合であっても、液体Ｌ２の温度を加熱目標温度以下に保つことができる。
（４）規制手段は、副オリフィス６であるので、蒸気熱交換システム１は、簡素な構成で蒸気の顕熱を有効に利用して液体Ｌ２を効率的に加熱することができる。また、副オリフィス６は、交換することによって径を容易に調整することができるので、蒸気熱交換システム１の全体の調整を容易にすることができる。
【００３６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、副オリフィス６の径は、蒸気の温度が設計値よりも低くなった場合であっても、顕熱伝熱部４の交換熱量が液体Ｌ２の温度を加熱目標温度に保つための熱負荷を超えないように設計されていたが、蒸気熱交換システムの下流側の水封状態を安定して維持することができる範囲内で適宜設計すればよい。
【００３７】
前記実施形態では、液体Ｌ１の加熱目標温度を再蒸発温度以上としていたが、再蒸発温度未満としてもよい。
前記実施形態では、第１の対象物を液体Ｌ１とし、第２の対象物を液体Ｌ２としていたが、第１の対象物および第２の対象物は、気体であってもよい。要するに、第１の対象物および第２の対象物は、流体であればよい。
前記実施形態では、規制手段は、副オリフィス６であったが、例えば、連結管３の径を絞ることによって構成してもよい。要するに、規制手段は、凝縮水に対する圧力損失が小さく、蒸気に対する圧力損失が大きければよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明は、蒸気熱交換システムに対して広く適用でき、特に蒸気の潜熱のみならず、蒸気の顕熱を利用して対象物を加熱することができる蒸気熱交換システムに対して広く適用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１  蒸気熱交換システム
２  凝縮伝熱部
３  連結管
４  顕熱伝熱部
５  主オリフィス（排出装置）
６  副オリフィス（規制手段）
２１  導管
４１  導管
Ｌ１  液体（第１の対象物）
Ｌ２  液体（第２の対象物）
Ｔ１  高温処理槽
Ｔ２  低温処理槽
【図１】
2013155944.tif 000003
【図２】
2013155944.tif 000004
【図３】
2013155944.tif 000005