(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を加熱源とする伝熱面をもった熱交換器の水蒸気室容量よりも大きい保有水量を有する水タンクと、
水蒸気室下部と水タンク下部を連通するドレン配管と、
水タンクの所定のレベルに取り付けられ、水蒸気の凝縮により水量が増加した場合には、該所定のレベルからの溢流水を排水して、内部の保有水水位を自動的に調整する排水ラインとを備え、
前記水タンクの設置高さは、定格水蒸気圧力において熱交換器内の水位が伝熱面より低くなり、かつ、熱交換器の負荷減少に伴いその水蒸気室の水蒸気圧力が減少すると、熱交換器の伝熱面積が自動的に負荷に見合ったものになるように設定されている、ことを特徴とする熱交換器の容量調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気を加熱源とする熱交換器の容量調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、化学プラント、発電プラント、大型の冷凍機等において、水蒸気を加熱源とする熱交換器として広く用いられているシェル・アンド・チューブ熱交換器の構成図である。この図において、１は耐圧容器を構成するシェル、２は伝熱管（チューブ）、３はバッフル、４はヘッダである。水蒸気を用いた加熱器として用いる場合には、図に例示するように、通常、チューブ２の内側に被加熱流体５を流し、シェル１内に水蒸気６を供給する。また、逆にチューブ内に水蒸気６を流し、シェル内に被加熱流体５を流す場合もある。なお、この図で６ｂはドレントラップであり、凝縮水（ドレン）を排水するようになっている。また、このドレントラップに替えて調整弁を使用することもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した水蒸気を加熱源とする熱交換器では、図３に例示するように水蒸気供給ラインに流量調節弁７を備え、被加熱流体５の温度を温度センサ８で検出し、この温度が所定範囲に入るように流量調節弁７を調節する。この場合、熱交換器における伝熱量Ｑは、熱交換器の伝熱基本式（Ｑ＝ＵＡΔＴ）であらわされる。ここで、Ｕは熱通過率、Ａは伝熱面積、ΔＴはチューブ内外の温度差である。
【０００４】
しかし、かかる熱交換器において、負荷減少時に伝熱量（負荷）を小さくするために、流量調節弁７を絞り、供給水蒸気量を小さくしても、熱通過率Ｕの蒸気圧力による変化は小さく、蒸気温度もあまり変化しないため温度差ΔＴの変化も少ない。そのため、流量調節弁７を絞っても、ドレントラップ６ｂが閉じて内部にドレンが溜まり、伝熱面積Ａが小さくなるまで、伝熱量が小さくならない問題点があった。
【０００５】
そのため、従来の熱交換器では、その負荷を減じてゆくとき、例えば、ドレンが溜まるまで３０分〜１時間以上もかかることがあり、その間被加熱側が過熱されてしまい、負荷低減時の制御性が極めて悪い問題点があった。また、負荷低減のために流量調節弁７を完全に全閉にしてしまうと、残留した水蒸気の凝縮に伴い内部が負圧化し、外気から空気が侵入し、熱交換器の機能を阻害するおそれがあった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、内部に負圧を発生させることなく水蒸気を加熱源とする熱交換器の負荷低減時の応答性を大幅に高めることができる容量調整装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した水蒸気を加熱源とするこの種の熱交換器では、低負荷への対応は、ドレンによって伝熱面積を制御する手段が最も効果的であり、この手段を迅速に行うことがポイントである。本発明はかかる新規の着想に基づくものである。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、水蒸気を加熱源とする伝熱面をもった熱交換器の水蒸気室容量よりも大きい保有水量を有する水タンクと、水蒸気室下部と水タンク下部を連通するドレン配管と、水タンクの所定のレベルに取り付けられ、水蒸気の凝縮により水量が増加した場合には、該所定のレベルからの溢流水を排水して、内部の保有水水位を自動的に調整する排水ラインとを備え、前記水タンクの設置高さは、定格水蒸気圧力において熱交換器内の水位が伝熱面より低くなり、かつ、熱交換器の負荷減少に伴いその水蒸気室の水蒸気圧力が減少すると、熱交換器の伝熱面積が自動的に負荷に見合ったものになるように設定されている、ことを特徴とする熱交換器の容量調整装置が提供される。
【０００９】
この発明は、加圧水蒸気圧力が低い場合に特に適している。すなわち上記本発明の構成によれば、熱交換器のドレンの排水側を高く配置し、かつそこに十分な保有量を有する水タンクを設置し、定格水蒸気圧力において熱交換器内の水位が伝熱面より低くなるように設定されているので、定格負荷時には定格水蒸気圧力により熱交換器内の水位が十分低く、全伝熱面積をそのまま有効に活用することができる。
【００１０】
また、負荷減少時には加熱用水蒸気流量が絞られ凝縮圧力が低下するので、水タンク内の水圧により水を逆に熱交換器に送り込んで伝熱面積を小さくすることができる。この際、水タンクの水位は十分高いため、この差圧によって自動的に水が熱交換器側に送り込まれ、負荷に見合った伝熱面積となる水位でバランスする。水配管（ドレン配管）を十分な太さにしておけば、流れ抵抗は低く水は速やかに移動するため負荷低減時の応答性を大幅に高め、応答遅れは無視できるほど小さくできる。
【００１１】
更に、水蒸気の凝縮により水量が増加した場合には、水タンクの所定のレベルから排水ラインを介して溢流水を排水することができ、内部の保有水水量を一定の範囲に自動的に調節することができる。従って、背圧を一定範囲内に維持でき、凝縮圧力をほぼ一定に保持できる。特に、この容量調整装置では、負荷減少に伴う凝縮圧力の低下が応じて水が送り込まれるため、特別な制御装置は不要であり、高い信頼性を得ることができる。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
従って、本発明により、被加熱流体の過熱や、凝縮圧力の負圧化も発生せず、低負荷（理論的には０％）まで安定した運転状態が得られ、熱交換器の負荷低減時の応答性を大幅に高めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態を説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し説明の重複を省略する。図１は、本発明の実施形態を示す熱交換器の容量調整装置の構成図である。この図において、熱交換器１０は、シェル１内を通る伝熱管（チューブ）２を有し、チューブ２の内側に被加熱流体５を流し、シェル１内に蒸気ライン６ａを介して水蒸気６を供給して被加熱流体５を加熱するようになっている。従って、伝熱管２が伝熱面であり、シェル１の一部が水蒸気室１０ａとなる。また、蒸気ライン６ａには流量調節弁１１が設けられており、被加熱流体５の温度を検出する温度センサ１２の出力が設定温度になるように、流量調節弁１１を調節するようになっている。また、１３は負荷を調整するための流量調節弁である。
【００１６】
なお、熱交換器１０は、シェル・アンド・チューブ熱交換器であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、水蒸気を加熱源とする伝熱面をもった間接加熱方式である限りで、その他の形式の熱交換器であってもよい。また、熱交換器１０内には通常のシェル・アンド・チューブ熱交換器と相違しバッフルがないか、ある場合でも通気孔を有し、内部に溜まったドレン水がバッフルを通して自由に連通するようになっているのがよい。更に、この図では横型の熱交換器を示しているが、縦型であってもよい。
【００１７】
図１において、本発明の容量調整装置１４は、水タンク１５、ドレン配管１６及び排水ライン１７を備えている。水タンク１５は、熱交換器１０の水蒸気室１０ａの容量よりも大きい保有水量を有し、かつ図に示すように高い位置に設置されている。ドレン配管１６は、水蒸気室１０ａの下部と水タンク１５の下部を連通している。排水ライン１７は、水タンク１５の所定のレベルからの溢流水を排水するようになっている。水タンク１５は、上部が大気と連通し大気圧になるようになっている。
【００１８】
更に、水タンク１５の設置高さＨは、熱交換器１０の定格水蒸気圧力において熱交換器内の水位が伝熱面より低くなるように設定されている。すなわち、熱交換器１０内の水位９が水蒸気室１０ａの下部より低くなるレベル（図に０で示す）から、水タンク１５から水が溢流するレベルまでのヘッド差Ｈｍが、熱交換器１０の定格水蒸気圧力Ｐにほぼ一致するように設定されている。
【００１９】
従って、定格水蒸気圧力Ｐが例えば０．５ｋｇ／ｃｍ2 ｇ（すなわち０．５ａｔｇ）の場合には、ヘッド差Ｈを約５ｍに設定し、１ａｔｇの場合には約１０ｍに設定する。なお、この実施形態の容量調整装置は、加圧水蒸気圧力が低い場合に特に適しており、加圧水蒸気圧力が高い場合には、後述する参考例を用いるのが好ましい。
【００２０】
上述した本発明の構成によれば、熱交換器１０のドレンの排水側を高く配置し、かつそこに十分な保有量を有する水タンク１５を設置し、定格水蒸気圧力Ｐにおいて熱交換器１０内の水位が伝熱面より低くなるように設定されているので、定格負荷時には定格水蒸気圧力Ｐにより熱交換器１０内の水位が十分低く、伝熱面積Ａをそのまま有効に活用することができる。
【００２１】
また、負荷減少時には流量調節弁１１により加熱用水蒸気流量が絞られ凝縮圧力が低下するので、水タンク１５内の水圧により水を逆に熱交換器に送り込んで伝熱面積Ａを小さくすることができる。この際、水タンク１５の水位は十分高いため、この差圧Ｈによって自動的に水が熱交換器１０側に送り込まれ、負荷に見合った伝熱面積Ａとなる水位でバランスする。水配管（ドレン配管１６）は抵抗の少ない十分な太さにしておくのが好ましく、これにより、水は速やかに移動するため負荷低減時の応答性を大幅に高め、応答遅れは無視できるほど小さくできる。
【００２２】
更に、水蒸気の凝縮により水量が増加した場合には、水タンク１５の所定のレベルから排水ライン１７を介して溢流水を排水することができ、内部の保有水水位を一定の範囲に自動的に調節することができる。また特に、この容量調整装置１４では、負荷減少に伴う凝縮圧力の低下がもとで水が送り込まれるため、特別な制御装置は不要であり、高い信頼性を得ることができる。
【００２３】
図２は、本発明の参考例を示す熱交換器の容量調整装置の構成図である。この図において、水タンク１５は気密タンクであり、流量調節弁１８ａを有するガスライン１８から供給されるガスで一定圧力に保持されるようになっている。このガスは、空気または窒素ガスであるのがよい。また、排水ライン１７は、ドレン配管１６から直接排水するようになっている。
【００２４】
本発明の容量調整装置１４は、更に、水タンク１５内の水位を検出する水位センサ１９と、排水ライン１７を開閉する排水弁１７ａとを備え、水位センサ１９により排水弁１７ａを操作して水タンク１５内の水位を所定の範囲に調節するようになっている。更に、この実施形態では、水タンク１５内の圧力を検出する圧力センサ２０を備え、この圧力センサ２０により内部圧を検出し、この内部圧を、熱交換器１０の定格水蒸気圧力Ｐにおいて熱交換器１０内の水位が水蒸気室１０ａの下部より低くなるように設定するようになっている。その他の構成は、図１と同様である。
【００２５】
図２の参考例は、加圧水蒸気の圧力（及び温度）が高い場合に、特に適している。上述した参考例の構成によれば、水タンク１５がガスで加圧された気密タンクであり、その内部圧が、熱交換器１０の定格水蒸気圧力Ｐにおいて熱交換器内の水位が伝熱面より低くなるように設定されているので、加圧水蒸気の圧力が例えば１０ａｔｇ以上の場合でも、水タンク１５を低い位置に設置したままで、本発明と同様に機能することができる。すなわち負荷が減少すれば、凝縮圧力が下がり、水タンク１５から水が送り込まれて伝熱面積Ａが制御されると共に、水タンク液位も低下することによってドレン排水弁１７ａも閉じる。負荷が増大すれば水位が上昇して排水弁１７ａが開き、ドレンを排水する。従って、水タンク１５の内部圧を定格水蒸気圧力Ｐに応じて一定に保持するだけで、特別な制御装置は不要であり、高い信頼性を得ることができる。またドレンの排水を、簡単な水タンクの液位制御で行うことができ、保有水を適正範囲に調節することができる。
【００２６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の熱交換器の容量調整装置は、被加熱流体の過熱や、凝縮圧力の負圧化も発生せず、低負荷（理論的には０％）まで安定した運転状態が得られ、熱交換器の負荷低減時の応答性を大幅に高めることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す容量調整装置の構成図である。
【図２】参考例を示す容量調整装置の構成図である。
【図３】従来の熱交換器の構成図である。
【符号の説明】
１ 耐圧容器（シェル）
２ 伝熱管（チューブ）
３ バッフル
４ ヘッダ
５ 被加熱流体
６ 水蒸気
６ａ 蒸気ライン
７ 流量調節弁
８ 温度センサ
９ 水位
１０ 熱交換器
１０ａ 水蒸気室
１１ 流量調節弁
１２ 温度センサ
１３ 流量調節弁
１４ 容量調整装置
１５ 水タンク
１６ ドレン配管
１７ 排水ライン
１７ａ 排水弁
１８ ガスライン
１８ａ 流量調節弁
１９ 水位センサ
２０ 圧力センサ
【図１】
0003812054.tif 000002
【図２】
0003812054.tif 000003
【図３】
0003812054.tif 000004