(57)【要約】【課題】耐久性を向上した低温層用の伝熱エレメント積層体を提供する。【解決手段】回転再生式熱交換器用の伝熱エレメントを複数積層した伝熱エレメント積層体であって、各伝熱エレメントは、山部および谷部からなる複数のノッチ部と、複数の隣接するノッチ部間のフラット部またはアンジュレーション部と、から構成され、第１の伝熱エレメントのノッチ部の山部と谷部との中央が、前記第１の伝熱エレメントに隣接する第２の伝熱エレメントのフラット部またはアンジュレーション部の中央±Ｎ２／２以内の範囲に一致するように、前記第１の伝熱エレメントのノッチ部の山部の頂は、前記第２の伝熱エレメントのフラット部またはアンジュレーション部に接触し、Ｎ２は、ノッチ部の山部の頂と谷部の頂との水平距離である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転再生式熱交換器用の伝熱エレメントを複数積層した伝熱エレメント積層体であって、
各伝熱エレメントは、山部および谷部からなる複数のノッチ部と、複数の隣接するノッチ部間のフラット部またはアンジュレーション部と、から構成され、
第１の伝熱エレメントのノッチ部の山部と谷部との中央が、前記第１の伝熱エレメントに隣接する第２の伝熱エレメントのフラット部またはアンジュレーション部の中央±Ｎ２／２以内の範囲に一致するように、前記第１の伝熱エレメントのノッチ部の山部の頂は、前記第２の伝熱エレメントのフラット部またはアンジュレーション部に接触し、
Ｎ２は、ノッチ部の山部の頂と谷部の頂との水平距離である、
伝熱エレメント積層体。
【請求項２】
隣接するノッチ部間にアンジュレーション部が設けられる場合、
アンジュレーション部の高さＵとノッチ部の高さＮとの比は、Ｕ／Ｎ≦０．０９である、
請求項１に記載の伝熱エレメント積層体。
【請求項３】
ノッチ部の高さＮは、Ｎ≦２０ｍｍである、
請求項１または２に記載の伝熱エレメント積層体。
【請求項４】
前記水平距離Ｎ２と、フラット部またはアンジュレーション部の長さＦと、の関係は、Ｎ２≦Ｆである、
請求項１〜３のいずれかに記載の伝熱エレメント積層体。
【請求項５】
スートブロワに直接噴射される領域に用いられる、
請求項１〜４のいずれかに記載の伝熱エレメント積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転再生式熱交換器用の伝熱エレメントを複数積層した伝熱エレメント積層体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、回転再生式熱交換器は、ハウジング内にローター本体を回転自在に装備して、このローター本体を放射状のダイヤフラムにより多数（例えば１２または２４）区画したセクター内にバスケットを挿入し、このバスケット内に蓄熱体としての伝熱エレメントを複数積層した状態で装填し、この伝熱エレメントに高温流体（排ガスなど）と低温流体（燃焼用空気など）とを交互に接触させることにより、高温流体の熱を低温流体に伝達させるように構成されている（特許文献１参照）。
【０００３】
近年、環境問題への配慮から、排ガス内の窒素酸化物を除去するための脱硝装置が回転再生式熱交換器の上流側に設けられている。しかしながら、このような脱硝装置が設けられている場合、排ガス中に含まれる三酸化硫黄がアンモニアと反応し、低融点化合物である酸性硫安が、回転再生式熱交換器の中温層の伝熱エレメントに生成するという問題が生じた。中温層の伝熱エレメントに酸性硫安が生成し、その部分の付着物を除去するために、スートブロワのクリーニング力を高める必要が生じたが、スートブロワのクリーニング力を高めると、スートブロワに直接噴射される領域（エアヒーターの場合主に低温層）の伝熱エレメントが損傷するおそれがあった。
【０００４】
従来、スートブロワに直接噴射される領域（エアヒーターの場合主に低温層）には、ＮＦエレメント、すなわち、Ｎ型の伝熱エレメント（山部および谷部からなる複数のノッチ部と隣接するノッチ部間のフラット部とから構成される）と、フラットなＦ型の伝熱エレメントと、を交互に積層した伝熱エレメント積層体が用いられている（特許文献２参照）。このＮＦエレメントは、積層時に、Ｎ型の伝熱エレメントのノッチ部およびフラット部と、隣接するＦ型の伝熱エレメントと、により形成される流路が遮断された、いわゆるクローズドチャネルタイプを構成するので、スートブロワの圧力を中温層まで届けることができ、クリーナビリティに優れている。
なお、中温層には、積層時に隣接する伝熱エレメントにより形成される流路が遮断されていない、いわゆるオープンチャネルタイプの伝熱エレメントが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−４５４９９号公報
【特許文献２】特開２００３−１０６７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明では、スートブロワに直接噴射される領域（エアヒーターの場合主に低温層）の伝熱エレメントが損傷するという従来の問題点を解消し、耐久性を向上した伝熱エレメント積層体を提供することを目的とする。
スートブロワに直接噴射される領域（エアヒーターの場合主に低温層）にオープンチャネルタイプの伝熱エレメント積層体を用いると、スートブロワの圧力を中温層まで届けることができないため、本発明の伝熱エレメント積層体は、クローズドチャネルタイプ（またはそれに近い性能を有するタイプ）の伝熱エレメント積層体とする必要があった。そこで、新規形状の伝熱エレメント積層体を発明した。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨は、以下のとおりである。
回転再生式熱交換器用の伝熱エレメントを複数積層した伝熱エレメント積層体であって、
各伝熱エレメントは、山部および谷部からなる複数のノッチ部と、複数の隣接するノッチ部間のフラット部またはアンジュレーション部と、から構成され、
第１の伝熱エレメントのノッチ部の山部と谷部との中央が、前記第１の伝熱エレメントに隣接する第２の伝熱エレメントのフラット部またはアンジュレーション部の中央±Ｎ２／２以内の範囲に一致するように、前記第１の伝熱エレメントのノッチ部の山部の頂は、前記第２の伝熱エレメントのフラット部またはアンジュレーション部に接触し、
Ｎ２は、ノッチ部の山部の頂と谷部の頂との水平距離である、
ことを特徴とする。
【０００８】
隣接するノッチ部間にアンジュレーション部が設けられる場合、
アンジュレーション部の高さＵとノッチ部の高さＮとの比は、Ｕ／Ｎ≦０．０９である、
ことが好ましい。
【０００９】
ノッチ部の高さＮは、Ｎ≦２０ｍｍである、
ことが好ましい。
【００１０】
前記水平距離Ｎ２と、フラット部またはアンジュレーション部の長さＦと、の関係は、Ｎ２≦Ｆである、
ことが好ましい。
【００１１】
スートブロワに直接噴射される領域に用いられる、
ことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る伝熱エレメント積層体の一部断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る伝熱エレメント積層体の一部断面図である。
【図３】オープンチャネルタイプとクローズドチャネルタイプの特性を示す図である。
【図４】摩擦係数とレイノルズ数の関係を、Ｕ／Ｎを変えて測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る伝熱エレメント積層体の一部断面図である。
第１実施形態に係る伝熱エレメント積層体１０は、伝熱エレメント１−ｘを複数積層してなる。図示例では、３層の伝熱エレメント１−１、１−２、１−３が積層されている。各伝熱エレメント１−ｘは、山部および谷部からなり、流体の流れ方向に延在するノッチ部ｎと、隣接するノッチ部ｎ間のフラット部ｆと、から構成されている。山部は、各伝熱エレメント１−ｘの面に対して第１の方向に突出し、谷部は、各伝熱エレメント１−ｘの面に対して第１の方向とは反対の第２の方向に突出する。山部および谷部は、それぞれ、Ｕ字形状を有する。
第１の伝熱エレメント１−１のノッチ部ｎの山部と谷部との中央が、第１の伝熱エレメント１−１に隣接する第２の伝熱エレメント１−２のフラット部ｆの中央±Ｎ２／２以内の範囲に一致するように、第１の伝熱エレメント１−１のノッチ部ｎの山部の頂は、第２
の伝熱エレメント１−２のフラット部ｆに接触する。なお、Ｎ２は、ノッチ部の山部の頂と谷部の頂との水平距離である。
図１（ｂ）に示すように、第１の伝熱エレメント１−１を右方向に＋Ｎ２／２だけ移動させ、第３の伝熱エレメント１−３を左方向に−Ｎ２／２だけ移動させると、第１の伝熱エレメント１−１の山部の頂と第３の伝熱エレメント１−３の谷部の頂とが重なってしまう。すると、この重なり部分にスートブロワによる応力が集中して、伝熱エレメント積層体１０の耐久性が悪化する。それゆえ、上述した「中央±Ｎ２／２以内の範囲」という範囲指定が重要である。
【００１４】
伝熱エレメント積層体１０は、クローズドチャネルタイプの積層体のため、スートブロワに直接噴射される領域（エアヒーターの場合主に低温層）に用いられるとスートブロワの圧力を中温層まで届けることができ、クリーナビリティに優れている。
さらに、伝熱エレメント積層体１０（発明例）と従来のＮＦエレメントの積層体（従来例）とを用いて耐久性試験を行った結果、伝熱エレメントに破損が生じるまでのスートブロワ噴射換算回数が、発明例では従来例の３倍以上であることが分かった。このように、伝熱エレメント積層体１０では、耐久性が向上しているため、従来より高いスートブロワのクリーニング力を用いることができるので、クリーナビリティをさらに向上させることができる。
【００１５】
以下にスートブロワのクリーニング力とエレメントの耐久性の検討結果を示す。
スートブロワのクリーニング力は、蒸気量と噴射圧力の積をＩｎｄｅｘとして表すことができる。
従来のＮＦエレメントに関する実績と耐久性試験結果からＩｎｄｅｘに基づく適用範囲を表すと表１の如くになり、Ｉｎｄｅｘ＝５．４（蒸気量４．５ｔｏｎ/ｈ×噴射圧力１
．２Ｍｐａ）の条件で早期の損傷が生じる事例が確認されていることから、従来のＮＦエレメントではＩｎｄｅｘ５．４未満の領域で用いることが望まれる。
一方、本発明の伝熱エレメント積層体１０は耐久性が向上しており、表２の如く、Ｉｎｄｅｘの高い領域まで適用範囲を拡大することができる。
表３に示すように、太線で囲った領域が、従来のＮＦエレメントの積層体から本発明の伝熱エレメント積層体１０にすることにより広がったスートブロワのクリーニング力の適用範囲である。このように、伝熱エレメント積層体１０では、クリーナビリティをさらに向上させることが可能である。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
【表２】
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【００１８】
【表３】
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【００１９】
発明者は、耐久性をさらに向上させるために伝熱エレメントの形状について検討を進め、各伝熱エレメント１−ｘのフラット部ｆの代わりに、微小な凹凸を設けたアンジュレーション部を有する伝熱エレメントを発明した。アンジュレーション部の凹凸は、従来のオープンチャネルタイプの伝熱エレメントに使われていたものより著しく小さいため、このアンジュレーション部を有する伝熱エレメント積層体は、以下に詳述するようにクローズドチャネルタイプに近い特性を有する。
【００２０】
図２は、本発明の第２実施形態に係る伝熱エレメント積層体の一部断面図である。
第２実施形態に係る伝熱エレメント積層体２０では、第１実施形態に係る伝熱エレメント積層体１０のフラット部ｆが、アンジュレーション部ｕに置換されている点以外は、第１実施形態に係る伝熱エレメント積層体１０と同一である。
図示例では３層の伝熱エレメント１１−１、１１−２、１１−３の各々は、山部および谷部からなるノッチ部ｎと、隣接するノッチ部ｎ間のアンジュレーション部ｕと、から構成されている。アンジュレーション部ｕには、ノッチ部ｎの山部および谷部より小さい複数の凹凸が形成されている。アンジュレーション部ｕの凸部は、各伝熱エレメント１１−ｘの面に対して第１の方向に突出し、凹部は、各伝熱エレメント１１−ｘの面に対して第１の方向とは反対の第２の方向に突出する。凸部および凹部は、それぞれ、Ｕ字形状を有する。伝熱エレメント１１−ｘの凹凸は、流体の流れ方向に傾斜する方向に沿って形成され、隣接する伝熱エレメント１１−ｘの凹凸は、相互に交差するように延在する。
【００２１】
第２実施形態に係る伝熱エレメント積層体２０では、第１実施形態に係る伝熱エレメント積層体１０と同様に、第１の伝熱エレメント１１−１のノッチ部ｎの山部と谷部との中央が、第１の伝熱エレメント１−１に隣接する第２の伝熱エレメント１１−２のアンジュレーション部ｕの中央±Ｎ２／２以内の範囲に一致するように、第１の伝熱エレメント１１−１のノッチ部ｎの山部の頂は、第２の伝熱エレメント１１−２のアンジュレーション部ｕに接触する。
【００２２】
発明者がアンジュレーション部ｕの最適な高さＵを検討していると、アンジュレーション部ｕの高さＵ単体ではなく、アンジュレーション部ｕの高さＵとノッチ部ｎの高さＮと
の比により、オープンチャネルタイプ／クローズドチャネルタイプが決定されることを発見した。すなわち、摩擦係数（抵抗率）とレイノルズ数（流速）の関係を、Ｕ／Ｎを変えて測定したところ、Ｕ／Ｎ≦０．０９の場合に、クローズドチャネルタイプの特性を示すことを発見した。以下、このような知見を得た発明者の考察について説明する。
【００２３】
図３は、オープンチャネルタイプとクローズドチャネルタイプの特性を示す図である。
オープンチャネルタイプの場合、レイノルズ数の増加に伴い摩擦係数は漸減する。
一方、クローズドチャネルタイプの場合、レイノルズ数の増加に伴い摩擦抵抗は、層流域において減少し、極小値の後、遷移域において増加し、乱流域において再度減少する。
このように、オープンチャネルタイプとクローズドチャネルタイプとでは異なる挙動を示すことが判明した。
なお、レイノルズ数は、流れの慣性力と粘性力との比を表す（∝慣性力／粘性力）。
【００２４】
表４に示すように、Ｕ／Ｎを変えたサンプル１〜６について、摩擦係数とレイノルズ数との関係を測定した。その結果を図４に示す。
【表４】
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【００２５】
図４より、サンプル１〜３は、レイノルズ数の増加に伴い摩擦係数は漸減することから、オープンチャネルタイプの特性を示し、サンプル４〜６は、傾きの異なる２種類の領域（層流域および乱流域）に分けられ、クローズドチャネルタイプの特性を示していることが分かる。図４から、Ｕ／Ｎ≦０．０９の場合に、クローズドタイプの特性を示すことを導出した。
伝熱エレメント積層体２０は、アンジュレーション部ｕを設けることにより、伝熱エレメント積層体１０より高い耐久性を有するとともに、Ｕ／Ｎ≦０．０９の場合にクローズドタイプの特性を示すため、クリーナビリティにも優れている。
【００２６】
伝熱エレメント積層体１０、２０のいずれに関しても、ノッチ部の高さＮは、現状の低温層と同等の熱効率を維持するという観点から、Ｎ≦２０ｍｍであることが好ましい。
また、ノッチ部ｎの山部の頂と谷部の頂との水平距離Ｎ２と、フラット部ｆまたはアンジュレーション部ｕの長さＦと、の関係は、Ｎ２≦Ｆであることが好ましい。Ｎ２＞Ｆの場合、ノッチ部ｎの山部の頂または谷部の頂と、フラット部ｆまたはアンジュレーション部ｕと、の接触が困難になるためである。
伝熱エレメントは、板厚が０．５ｍｍ〜１．２ｍｍの耐硫酸腐食鋼やエナメル被覆鋼から製造される。
【００２７】
伝熱エレメント積層体１０、２０は、スートブロワに直接噴射される（晒される）領域に用いられることが好ましい。
エアヒータ（ＡＨ）の場合、スートブロワは、低温層側または高温層側に設けられるが、上述したとおり、低温層側に設けられることが多い。なお、低温層の温度領域は、通常
２０℃〜２００℃である。
ガスガスヒータ（ＧＧＨ）の場合、スートブロワは、全層（温度領域は、通常４０℃〜２００℃）に設けられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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