JP2017067412A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】海水を利用して冷却媒体を冷却する熱交換器において、冷却管入口に付着する異物や海洋生物を効果的に洗浄、除去できる熱交換器を提供すること。【解決手段】熱交換器１は、導入室５０において導入室５０側の仕切板１２に対して間隔をあけて配置され、超音波振動を発生させる平板状の振動子７０を有する超音波発生部５と、導入室５０に接続され、超音波発生部５と複数の冷却管入口１６ａの間に海水を送り込む海水導入管２０と、を備える。振動子７０は複数の冷却管入口１６ａに対面する位置関係であり、超音波発生部５が駆動されると、超音波による泡が仕切板１２及び複数の冷却管入口１６ａに衝突して超音波洗浄が行われる。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波洗浄機能を有する熱交換器に関する。

従来から、発電プラントには、各種の機器を冷却するための冷却系統を設けられることが知られている。この冷却系統は、淡水冷却系統と、海水冷却系統とからなり、淡水冷却系統は、冷却媒体としての淡水を循環させて各種の機器を冷却する。

図５を参照して従来の冷却系統について説明する。図５に示すように、海水冷却系統は、冷却媒体として海から取水した海水を熱交換器１００に導入し、熱交換器１００において淡水との熱交換によって昇温した海水を海に放出する。熱交換器１００は、海水が通る複数の冷却管と、複数の冷却管が収納され、淡水が通る熱交換室を備えている。淡水冷却系統を循環する淡水は、各種の機器との熱交換によって昇温した後、熱交換器１００の熱交換室に導入され、冷却管を通る海水によって冷却されて、再び各種の機器との熱交換に用いられる。

海水冷却系統における熱交換器１００の上流側には、ストレーナ１５０が設けられており、このストレーナ１５０によって海水に含まれる異物が除去される。ストレーナ１５０により異物が除去された海水が、熱交換器１００に導入される。ストレーナ１５０は、比較的大きな異物は除去することが可能である。しかし、ヘドロのような微細な異物あるいは貝の幼生のような微小な海洋生物は、除去しきれずにストレーナ１５０を通過し、熱交換器１００に進入して、熱交換器１００の内部に付着するおそれがある。海水冷却系統における熱交換器１００の上流側に設置される電解装置２００は、次亜塩素酸ソーダを生成するものであり、電解装置２００によって生成された次亜塩素酸ソーダは、海水冷却系統の海水に注入される。次亜塩素酸ソーダは、漂白、殺菌作用を有しており、海水に次亜塩素酸ソーダが注入されることにより、海水に含まれる微小な海洋生物を低減させるとともに、海水冷却系統の配管及び熱交換器１００が洗浄される。

上述した手段は、漂白作用を有する薬品を用いて熱交換器１００内を洗浄するものであるが、別の手段として、熱交換器１００内に洗浄器を設置することが考えられる。この種の技術を開示するものとして例えば特許文献１がある。特許文献１には、原子力発電所において、冷却用に利用する海水からごみ、砂、貝殻等の混入物を濾過して除去するストレーナにおいて、ストレーナ本体に設けたフィルターエレメント内に超音波振動子を設置する、という技術が開示されている。

特開２００４−９７８６７号公報

熱交換器１００内に付着した貝の幼生が成長した場合、熱交換器１００内の表面が凹凸になって異物が更に付着し易くなり、冷却管入口が異物によって塞がれてしまうおそれがある。冷却管入口が塞がれると、冷却管を流れる海水量が減少するため、発電プラントの各種の機器を冷却する淡水の冷却効率が低下し、各種の機器を十分に冷却できなくなるおそれがある。

熱交換器１００内の防汚効果を高めるための手段として、次亜塩素酸ソーダの注入量を多くすることが考えられる。しかし、近年、環境保護のために、海に放出する塩素量を低減することが求められており、海に放出できる塩素量は予め定められている。このため、次亜塩素酸ソーダ注入量を増やすことは困難である。更に、残留塩素の計測装置が不調の場合あるいは計測装置の点検時には、次亜塩素酸ソーダを生成する電解装置を停止しなければならないので、その間に海洋生物が熱交換器１００内に進入し、内部に付着してそのまま残留するおそれがある。また、上述したように海に放出できる塩素量が定められているため、以前に排出した塩素量によっては、海水に次亜塩素酸ソーダを注入できない場合がある。このような場合に海洋生物が熱交換器内に進入し、付着するおそれがある。

この点、特許文献１に開示される技術では、塩素量を考慮する必要がない。特許文献１では、超音波発振器に接続する超音波振動子からの超音波をフィルターエレメント内の流体に照射し、流体粒子に振動変位を起こさせることにより、その振動による物理的剥離力によってフィルターエレメント内壁に付着するスラッジ、その他の異物等を剥離させている。

しかし、特許文献１に開示されるような従来の技術では、超音波をフィルターエレメント内の流体に照射している。そのため、冷却管入口に超音波が照射されず、ストレーナの異物を除去できたとしても、ストレーナを通り抜けて冷却管入口に付着した異物を除去することができなかった。また、熱交換器内に超音波洗浄器を設置することによって、熱交換器内における海水の流れが阻害され、結果として、淡水の冷却効率に影響を与えるおそれもある。

本発明は、海水を利用して冷却媒体を冷却する熱交換器において、冷却管入口に付着する異物や海洋生物を効果的に洗浄、除去できる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、超音波洗浄機能を有する熱交換器であって、中空に形成される本体と、前記本体内の空間を、導入室、熱交換室及び排出室に分ける２つの仕切板と、前記熱交換室に配置され、両端部が前記２つの仕切板に固定される複数の冷却管と、前記導入室において該導入室側の前記仕切板に対して間隔をあけて配置され、超音波振動を発生させる平板状の振動子を有する超音波発生部と、前記導入室に接続され、前記超音波発生部と前記複数の冷却管入口の間に海水を送り込む海水導入管と、前記排出室に接続され、前記複数の冷却管を通じて前記導入室から前記排出室に移動した海水を外部に排出する海水排出管と、前記熱交換室に接続され、外部から前記熱交換室に冷却対象の冷却媒体を導入する冷却媒体導入管と、前記複数の冷却管を流れる海水との熱交換によって冷却された前記熱交換室内の冷却媒体を外部に戻す冷却媒体排出管と、を備え、前記振動子は前記複数の冷却管入口に対面する位置関係であり、前記超音波発生部が駆動されると、超音波による泡が前記仕切板及び前記複数の冷却管入口に衝突して超音波洗浄が行われる熱交換器に関する。

前記熱交換器は、前記導入室に接続され、外部に海水を排出可能なブロー弁が取り付けられる導入室排水管を更に備え、前記導入室排水管の径は、前記冷却管入口の径よりも大きく形成されることが好ましい。

前記超音波発生部は、所定の時間間隔をあけて駆動されることが好ましい。

前記熱交換器は、前記海水導入管又は前記導入室に次亜塩素酸ソーダを注入する電解装置を更に備え、前記超音波発生部は、前記電解装置による次亜塩素酸ソーダの注入が行われていない状態で駆動されることが好ましい。

本発明によれば、海水を利用して冷却媒体を冷却する熱交換器において、冷却管入口に付着する異物や海洋生物を効果的に洗浄、除去できる熱交換器を提供できる。

本発明の一実施形態における熱交換器の概略構成を示す説明図である。 本実施形態の熱交換器が備える超音波発生部及びブロー弁の制御系を示すブロック図である。 振動子によって生じたキャビテーションにより、冷却管入口が洗浄される様子を模式的に示す図である。 変形例の熱交換器が備える超音波発生部及びブロー弁の制御系を示すブロック図である。 従来の熱交換器を用いた冷却系統の一例を概略的に示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態における熱交換器１の概略構成を示す説明図である。

図１に示すように、熱交換器１は、超音波発生部５と、本体１０と、仕切板１２、１４と、冷却管１６と、海水導入管２０と、海水排出管２２と、冷却媒体導入管に相当する淡水導入管３０と、冷却媒体排出管に相当する淡水排出管３２と、導入室排水管４０と、ブロー弁４２と、を備える。

超音波発生部５は、円板状の振動子７０と、振動子７０に固定される圧電素子と、圧電素子に交流電圧を印加する電極とを備えており、圧電素子に交流電圧を印加することにより、振動子７０が超音波振動を行う。

本体１０は、中空の略円柱体である。仕切板１２、１４は、円板状の部材であり、本体１０の内部に並べて配置されている。この仕切板１２、１４によって本体１０の内部空間が仕切られることにより、本体１０の内部に、導入室５０、熱交換室５２及び排出室５４が形成される。

ここで、超音波発生部５と仕切板１２の関係について説明する。超音波発生部５は、導入室５０の内部に配置される。本実施形態の超音波発生部５は、振動子７０の平面部分が仕切板１２に対向した状態で、該仕切板１２に対して所定の間隔を空けて配置されている。

超音波発生部５は、仕切板１２に付着した異物を除去する洗浄作業の際に駆動される。振動子７０の直径は、仕切板１２の直径に基づいて設定されている。本実施形態においては、振動子７０の直径と仕切板１２の直径とは略同一となっている。

冷却管１６は、長尺の細管からなり、複数の冷却管１６が熱交換室５２の内部に収納される。仕切板１２、１４の表面には、複数の貫通孔が形成されており、冷却管１６の一端部が導入室５０側の仕切板１２の貫通孔に挿入かつ固定され、冷却管１６の他端部が排出室５４側の仕切板１４の貫通孔に挿入かつ固定される。これにより、導入室５０と排出室５４とが複数の冷却管１６によって連通する。

本体１０に接続される配管について説明する。本体１０には、海水導入管２０、海水排出管２２、淡水導入管３０、淡水排出管３２及び導入室排水管４０が接続されている。海水導入管２０及び導入室排水管４０は、導入室５０に連通しており、海水排出管２２は、排出室５４に連通しており、淡水導入管３０及び淡水排出管３２は熱交換室５２に連通している。

海水導入管２０は、海水を導入室５０に導入する管であり、本体１０における、超音波発生部５と仕切板１２との間の位置に対応した側面に連結されている。このため、海水導入管２０から超音波発生部５と仕切板１２との間に海水が送り出される。導入室５０に導入された海水は、複数の冷却管１６を通って排出室５４に移動し、更に海水排出管２２から本体１０の外部に排出される。

淡水導入管３０は、発電プラントの各種の機器との熱交換によって昇温した、淡水冷却系統を流れる冷却媒体としての淡水を熱交換室５２に導入する管であり、熱交換室５２に導入された淡水は、冷却管１６に接触することによって内部を流れる海水との間で熱交換が行われて冷却される。冷却された淡水は淡水排出管３２を通じて本体１０から排出され、冷却媒体として淡水を用いる各種の機器に戻され、再び各種の機器での熱交換に用いられる。

淡水との熱交換によって昇温した複数の冷却管１６を通る海水は、海水排出管２２から本体１０の外部に排出されるとともに、導入室５０から冷たい海水が冷却管１６に導入さ
れる。

導入室排水管４０は、本体１０における、超音波発生部５の振動子７０と仕切板１２との間でかつ導入室５０の下部から下方に延びる管である。

ブロー弁４２は、導入室排水管４０を開閉するものである。ブロー弁４２を開放することにより、導入室５０内の海水が外部に排出される。ブロー弁４２は、通常、閉鎖されており、仕切板１２の洗浄後に一時的に開放される。

また、導入室排水管４０は、詳細については後述するが、導入室５０の下部に溜まった異物の排出を考慮して冷却管１６よりも大きい径に設定されている。本実施形態においては、例えば、直径１００ｍｍと比較的大きめに設定されている。

次に、超音波発生部５及びブロー弁４２の制御について説明する。図２は、本実施形態の熱交換器１が備える超音波発生部５及びブロー弁４２の制御系を示すブロック図である。超音波発生部５及び、ブロー弁４２は、制御部６０によって制御される。

制御部６０は、超音波発生部５及びブロー弁４２を制御するためのプログラムを記憶した記憶部と、このプログラムに従って処理を行う中央処理部とを備えている。この制御部６０には、超音波発生部５と、ブロー弁４２と、日時を計数するタイマー６２と、が接続されている。

制御部６０は、タイマー６２を参照しながら所定のタイミングで超音波発生部５及びブロー弁４２に命令信号を送信する。これにより、超音波発生部５の駆動及びブロー弁４２の開閉が自動的に行われる。

本実施形態によれば、制御部６０の記憶部に、タイマー６２を参照して定期的に超音波発生部５を駆動させるプログラム、及び超音波発生部５の駆動が終了した後、ブロー弁４２を所定時間開放させるプログラムが記憶部に記憶されており、このプログラムに基づいて超音波発生部５の駆動及びブロー弁４２が制御される。

次に、超音波発生部５による洗浄処理について説明する。図３は、振動子７０によって生じたキャビテーションにより、冷却管入口１６ａが洗浄される様子を模式的に示す図である。

まず、制御部６０が、タイマー６２を参照して、前回洗浄を実行した日時から予め定められた時間が経過したと判断した場合に、制御部６０から超音波発生部５に命令信号が送信され、圧電素子に交流電圧が印加される。

図３に示すように、超音波発生部５の圧電素子に交流電圧が印加されることにより、超音波発生部５の振動子７０は超音波振動を発生する。この超音波振動の作用により、真空の泡Ｃ（キャビテーション）が発生する。超音波発生部５の振動子７０の平面部分が仕切板１２に対面しており、超音波発生部５によって生じた泡Ｃは仕切板１２及び冷却管入口１６ａに衝突して弾ける。この泡Ｃが弾ける際に強力な衝撃波が発生することにより、仕切板１２に付着している異物が衝撃を受けて仕切板１２から剥離する。なお、泡Ｃによる洗浄効果は周波数を低くするほど強くなり、高くするほど弱くなる。本実施形態においては、衝撃波による影響が冷却管１６に発生しない程度の周波数に調整されている。

ここで、仕切板１２に付着している異物は、極めて細かいものである。このため、異物は、海水とともに冷却管入口１６ａに流入し、冷却管１６、排出室５４及び海水排出管２２から本体１０の外部に排出される。また、泡Ｃの一部が冷却管１６に入り込むことにより、冷却管入口１６ａ付近に付着した異物が除去される。

超音波発生部５が所定時間駆動した後、制御部６０からの命令信号に基づいて、ブロー弁４２が開放される。これにより、冷却管１６を通過できずに導入室５０の下部に堆積した異物が、導入室５０の海水とともに外部に排出される。なお、本実施形態によれば、海水導入管２０と導入室排水管４０とが対向しているため、導入室５０の下部に堆積した異物が、海水導入管２０から供給される海水の水圧によって、導入室排水管４０側に押し流される。

以上説明した本実施形態の熱交換器１によれば、以下のような効果を奏する。本実施形態の熱交換器１は、中空に形成される本体１０と、本体１０内の空間を、導入室５０、熱交換室５２及び排出室５４に分ける２つの仕切板１２，１４と、熱交換室５２に配置され、両端部が２つの仕切板１２，１４に固定される複数の冷却管１６と、導入室５０において導入室５０側の仕切板１２に対して間隔をあけて配置され、超音波振動を発生させる平板状の振動子７０を有する超音波発生部５と、導入室５０に接続され、超音波発生部５と複数の冷却管入口１６ａの間に海水を送り込む海水導入管２０と、排出室５４に接続され、複数の冷却管１６を通じて導入室５０から排出室５４に移動した海水を外部に排出する海水排出管２２と、熱交換室５２に接続され、外部から熱交換室５２に冷却対象の冷却媒体を導入する淡水導入管３０と、複数の冷却管１６を流れる海水との熱交換によって冷却された熱交換室５２内の冷却媒体を外部に戻す淡水排出管３２と、を備える。振動子７０は複数の冷却管入口１６ａに対面する位置関係であり、超音波発生部５が駆動されると、超音波による泡が仕切板１２及び複数の冷却管入口１６ａに衝突して超音波洗浄が行われる。

これにより、導入室５０の仕切板１２に付着した汚れや海洋生物に対して振動子７０による超音波振動によって発生した泡Ｃ（キャビテーション）を衝突させ、その際の強力な衝撃波により、仕切板に付着した汚れや海洋生物を除去することができる。除去された異物は、冷却管１６を通り、排出室５４及び海水排出管２２を通って外部に放出されるので、異物を取り除く等の熱交換器１の内部のメンテナンス作業の負担を効果的に軽減できる。また、泡Ｃによる衝撃波が導入室５０内の微小な海洋生物に作用するため、導入室５０内における微小な海洋生物の繁殖を抑制することができる。これにより、冷却管１６における貝類の繁殖等を効果的に防止できる。

また、振動子７０と導入室５０側の仕切板１２の間に海水導入管２０によって海水が送り込まれるので、振動子７０が導入室５０から冷却管１６への海水の流れを妨げることもなく、外部からの海水を複数の冷却管１６に円滑に送り出すことができる。従って、振動子７０が海水の流れを妨げる場所に配置されることにより、冷却効率が低下する事態を防止できる。そして、このレイアウトにより、導入室５０から冷却管入口１６ａの海水の流れを利用して泡Ｃを仕切板１２及び冷却管入口１６ａに衝突させることもでき、超音波による高い洗浄効果を実現できる。

また、振動子７０による洗浄が実施されている間は海洋生物の付着防止は勿論、次亜塩素酸ソーダの海水への注入が不要になるので淡水（冷却媒体）を冷却するための冷却媒体として用いた海水を海に放出する際に、海水に含まれる残留塩素による環境への影響を心配する必要がなくなる。また、キャビテーションの効果は周波数を低くするほど強くなり、高くするほど弱くなるので、冷却管１６自体に影響がないように洗浄力を調整することも容易である。

このように、本実施形態の構成によれば、発電プラントの各種機器の冷却に使用されて昇温した冷却媒体である淡水を、冷却管１６を通る海水と熱交換し冷却する熱交換器１において、冷却管１６における冷却管入口１６ａ付近に付着している異物や海洋生物を効果的に洗浄、除去できるのである。

また、本実施形態の熱交換器１は、導入室５０に接続され、外部に海水を排出可能なブロー弁４２が取り付けられる導入室排水管４０を更に備え、導入室排水管４０の径は、冷却管入口１６ａの径よりも大きく形成される。

これにより、冷却管１６を通過できない一部の異物が、導入室５０の下部に堆積したとしても、ブロー弁４２が開放されることにより、導入室排水管４０を通じて導入室５０の下部に堆積した異物を外部に排出することが可能になる。また、仕切板１２の下部に配置されている冷却管入口１６ａが、異物によって塞がれることも効果的に防止できる。

超音波発生部５は、所定の時間間隔をあけて駆動される。これにより、導入室５０の仕切板１２の洗浄が定期的に実施され、海洋生物の付着、繁殖防止を実現するとともに、洗浄を行うためのエネルギー消費を抑制できる。また、超音波振動が継続して行われることによって熱交換器１に負荷が掛かり続ける事態を回避できる。

また、上記実施形態の構成に加えて電解装置２００を追加することもできる。次に、図４を参照して電解装置２００を備えた上記実施形態の変形例について説明する。図４は、変形例の熱交換器１が備える超音波発生部５及びブロー弁４２の制御系を示すブロック図である。なお、以下の説明において、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略することがある。

図４に示すように、制御部６０に電解装置２００が接続され、制御部６０によって電解装置２００による熱交換器１に導入される海水への次亜塩素酸ソーダの注入が制御される。変形例では、制御部６０は、タイマー６２を参照して定期的に次亜塩素酸ソーダの注入を行う。なお、本変形例における電解装置２００の注入箇所は、導入室５０の上流側である海水導入管２０や導入室５０である。なお、注入箇所は、事情に応じて適宜変更できる。

そして、超音波発生部５を駆動させる時間帯は、次亜塩素酸ソーダを注入しない時間帯に設定される。次亜塩素酸ソーダを注入しない時間帯に、制御部６０は超音波発生部５を所定の時間間隔をあけて駆動する。また、次亜塩素酸ソーダを注入しない時間によっては連続して超音波発生部５を駆動させてもよい。

以上説明したように、変形例の熱交換器１は、海水導入管２０又は導入室５０に次亜塩素酸ソーダを注入する電解装置２００を更に備え、超音波発生部５は、電解装置２００による次亜塩素酸ソーダの注入が行われていない状態で駆動される。

これにより、電解装置２００の次亜塩素酸ソーダによる殺菌を行いつつ、次亜塩素酸ソーダが注入されていない時間帯において熱交換器１に進入した異物を超音波振動により除去することが可能になる。これにより、環境の影響を考慮して電解装置２００による次亜塩素酸ソーダを停止しているときであっても超音波洗浄によって熱交換器１の内部が洗浄されるので、熱交換器１内部での海洋生物の繁殖を効果的に抑制できる。また、振動子７０による超音波洗浄が実施されている間は、電解装置２００による次亜塩素酸ソーダ注入が不要になり、その分、次亜塩素酸ソーダ注入の注入量を低減することができる。

以上、本発明の熱交換器の好ましい一実施形態及び変形例について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、超音波周波数を衝撃波による影響を考慮し、超音波周波数を可変にして適宜調整可能に構成してもよい。また、場合によっては洗浄効果を高めるため、超音波発生部５の駆動と電解装置２００による次亜塩素酸ソーダの注入を並行して行うこともできる。この場合においても、超音波発生部５の洗浄効果を考慮して次亜塩素酸ソーダの注入量を低減することができる。また、上記実施形態では、冷却媒体の例として淡水を示して説明したが、冷却媒体は淡水に限定されるわけではなく、淡水とは異なる流体を用いることができる。

１ 熱交換器
１０ 本体
１２ 仕切板
１４ 仕切板
１６ 冷却管
１６ａ 冷却管入口
２０ 海水導入管
２２ 海水排出管
３０ 淡水導入管（冷却媒体導入管）
３２ 淡水排出管（冷却媒体排出管）
４０ 導入室排水管
４２ ブロー弁
５０ 導入室
５２ 熱交換室
５４ 排出室
２００ 電解装置

Claims (4)

1. 超音波洗浄機能を有する熱交換器であって、
   中空に形成される本体と、
   前記本体内の空間を、導入室、熱交換室及び排出室に分ける２つの仕切板と、
   前記熱交換室に配置され、両端部が前記２つの仕切板に固定される複数の冷却管と、
   前記導入室において該導入室側の前記仕切板に対して間隔をあけて配置され、超音波振動を発生させる平板状の振動子を有する超音波発生部と、
   前記導入室に接続され、前記超音波発生部と前記複数の冷却管入口の間に海水を送り込む海水導入管と、
   前記排出室に接続され、前記複数の冷却管を通じて前記導入室から前記排出室に移動した海水を外部に排出する海水排出管と、
   前記熱交換室に接続され、外部から前記熱交換室に冷却対象の冷却媒体を導入する冷却媒体導入管と、
   前記複数の冷却管を流れる海水との熱交換によって冷却された前記熱交換室内の冷却媒体を外部に戻す冷却媒体排出管と、
   を備え、
   前記振動子は前記複数の冷却管入口に対面する位置関係であり、前記超音波発生部が駆動されると、超音波による泡が前記仕切板及び前記複数の冷却管入口に衝突して超音波洗浄が行われる熱交換器。
2. 前記導入室に接続され、外部に海水を排出可能なブロー弁が取り付けられる導入室排水管を更に備え、
   前記導入室排水管の径は、前記冷却管入口の径よりも大きく形成される請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記超音波発生部は、所定の時間間隔をあけて駆動される請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記海水導入管又は前記導入室に次亜塩素酸ソーダを注入する電解装置を更に備え、
   前記超音波発生部は、前記電解装置による次亜塩素酸ソーダの注入が行われていない状態で駆動される請求項１から３までの何れかに記載の熱交換器。

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