JP7514779B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
本開示は、熱交換器に関する。
例えば発電用ガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ：Gas Turbine Combined Cycle）プラントでは、ガスタービンに供給する燃料の温度制御のために燃料系統に、燃料加熱装置（ＦＧＨ：Fuel Gas Heater）を設置している。燃料加熱装置では、排熱回収ボイラー（ＨＲＳＧ：Heat Recovery Steam Generators）からの加熱水と熱交換することで、燃料ガスを加熱している。すなわち燃料加熱装置は、熱交換器である。
ところで、上述した燃料加熱装置において、燃料ガスは、硫黄（Ｓ）分が含まれることから、この硫黄分と燃料加熱装置の容器や伝熱管などに含まれる鉄（Ｆｅ）分とが反応することで、硫化鉄（ＦｅＳ）の粒子が異物として生成されることがある。そのため、燃料加熱装置、すなわち熱交換器において、この異物が伝熱面に付着すると、伝熱面における熱伝達率が低下して、熱交換効率が低下してしまう。また、長期間利用していると、異物が堆積し流路が閉塞してしまうおそれがある。そのため、伝熱面に異物が付着し難くすることが望ましい。
本開示の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みて、異物が付着し難い熱交換器を提供することを目的とする。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る熱交換器は、
第１流体が接線方向に沿って導入されて下方に向かって前記第１流体が流れるサイクロン流路と、
前記サイクロン流路の下方に位置して前記サイクロン流路よりも流路面積が大きい下部空間を形成する下部筐体と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、前記下部空間に連通する第１出口流路と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、第２流体が導入される第２入口流路と、
前記サイクロン流路の内周側に位置する第２出口流路と、
前記第２入口流路と前記第２出口流路とを接続する第２中間流路と、
を備える。
第１流体が接線方向に沿って導入されて下方に向かって前記第１流体が流れるサイクロン流路と、
前記サイクロン流路の下方に位置して前記サイクロン流路よりも流路面積が大きい下部空間を形成する下部筐体と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、前記下部空間に連通する第１出口流路と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、第２流体が導入される第２入口流路と、
前記サイクロン流路の内周側に位置する第２出口流路と、
前記第２入口流路と前記第２出口流路とを接続する第２中間流路と、
を備える。
本開示の少なくとも一実施形態によれば、熱交換器において、異物の除去が容易となる。
以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図１は、一実施形態に係る熱交換器の模式的な外観図である。
図２Ａは、一実施形態に係る第１流路の概要を説明するための模式的な図である。
図２Ｂは、幾つかの実施形態に係る第２流路の概要を説明するための模式的な図である。
図２Ｃは、他の実施形態に係る第１流路の概要を説明するための模式的な図である。
図３Ａは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＡ－Ａ矢視断面図である。
図３Ｂは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＢ－Ｂ矢視断面図である。
図３Ｃは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＣ－Ｃ矢視断面図である。
図３Ｄは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＤ－Ｄ矢視断面図である。
図３Ｅは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＥ－Ｅ矢視断面図である。
図２Ａは、一実施形態に係る第１流路の概要を説明するための模式的な図である。
図２Ｂは、幾つかの実施形態に係る第２流路の概要を説明するための模式的な図である。
図２Ｃは、他の実施形態に係る第１流路の概要を説明するための模式的な図である。
図３Ａは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＡ－Ａ矢視断面図である。
図３Ｂは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＢ－Ｂ矢視断面図である。
図３Ｃは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＣ－Ｃ矢視断面図である。
図３Ｄは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＤ－Ｄ矢視断面図である。
図３Ｅは、図１、図２Ａ及び図２ＢにおけるＥ－Ｅ矢視断面図である。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、第１流体と第２流体との間で熱交換をさせるためのものである。幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、例えば比較的温度が低い燃料ガスＦＧと、比較的温度が高い水Ｗとの間での熱交換に用いることができる。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、例えばガスタービン等で燃料として用いられる燃料ガスの昇温のために用いることができる。
なお、説明の便宜上、以下の説明では、第１流体が燃料ガスＦＧであり、第２流体が水Ｗであるものとする。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、例えばガスタービン等で燃料として用いられる燃料ガスの昇温のために用いることができる。
なお、説明の便宜上、以下の説明では、第１流体が燃料ガスＦＧであり、第２流体が水Ｗであるものとする。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、第１流体が接線方向に沿って導入されて下方に向かって第１流体が流れるサイクロン流路１３と、サイクロン流路１３の下方に位置してサイクロン流路１３よりも流路面積が大きい下部空間１５を形成する下部筐体３３とを備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る熱交換器１は、サイクロン流路１３の外周側に位置し、下部空間１５に連通する第１出口流路１７と、サイクロン流路１３の外周側に位置し、第２流体が導入される第２入口流路２３とを備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る熱交換器１は、サイクロン流路１３の内周側に位置する第２出口流路２７と、第２入口流路２３と第２出口流路２７とを接続する第２中間流路２５とを備える。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、第１円環流路１９と、第２円環流路２１とを備える。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、サイクロン流路１３と、第１出口流路１７と、第１円環流路１９と、第２円環流路２１と、第２入口流路２３と、第２中間流路２５と、第２出口流路２７とが内部に形成されている上部筐体３１とを備える。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、上部筐体３１の外部に設けられた、第１供給流路１０１と、第１排出流路１０３と、第２供給流路２０１と、第２排出流路２０３とを備える。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、下部筐体３３の外部に設けられた下部連通部１０５を備える。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、上部筐体３１と下部筐体３３とを例えばフランジ結合することによって、上部筐体３１に対する下部筐体３３の着脱が容易となる。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、サイクロン流路１３と、第１出口流路１７と、第１円環流路１９と、第２円環流路２１と、第２入口流路２３と、第２中間流路２５と、第２出口流路２７とが内部に形成されている上部筐体３１とを備える。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、上部筐体３１の外部に設けられた、第１供給流路１０１と、第１排出流路１０３と、第２供給流路２０１と、第２排出流路２０３とを備える。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１は、下部筐体３３の外部に設けられた下部連通部１０５を備える。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、上部筐体３１と下部筐体３３とを例えばフランジ結合することによって、上部筐体３１に対する下部筐体３３の着脱が容易となる。
なお、幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、上部筐体３１は、円筒形状を有している。そこで、以下の説明では、単に周方向と称した場合、円筒形状を有する上部筐体３１の軸線ＡＸを中心とした周方向を指すものとする。同様に、以下の説明では、単に径方向と称した場合、軸線ＡＸを中心とした径方向を指すものとし、以下の説明では、単に軸方向と称した場合、軸線ＡＸ方向を指すものとする。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、上部筐体３１の姿勢は、軸線ＡＸ方向が鉛直方向と一致するように設定されているものとする。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、上部筐体３１の姿勢は、軸線ＡＸ方向が鉛直方向と一致するように設定されているものとする。
幾つか実施形態に係る熱交換器１は、例えば積層造形法によって造形することができる。
（第１供給流路１０１）
幾つかの実施形態に係る第１供給流路１０１は、第１流体（燃料ガスＦＧ）が流通する不図示の上流側の配管に接続されて、該配管からの第１流体を熱交換器１に供給するための配管である。幾つかの実施形態に係る第１供給流路１０１は、例えば上部筐体３１の上方に配置されている。幾つかの実施形態に係る第１供給流路１０１は、サイクロン流路１３に接続されている。
幾つかの実施形態に係る第１供給流路１０１は、第１流体（燃料ガスＦＧ）が流通する不図示の上流側の配管に接続されて、該配管からの第１流体を熱交換器１に供給するための配管である。幾つかの実施形態に係る第１供給流路１０１は、例えば上部筐体３１の上方に配置されている。幾つかの実施形態に係る第１供給流路１０１は、サイクロン流路１３に接続されている。
（サイクロン流路１３）
幾つかの実施形態に係るサイクロン流路１３は、後述する第２排出流路２０３の外周側に位置し、第２排出流路２０３の外周を取り囲むように螺旋状に延在する流路である。幾つかの実施形態に係るサイクロン流路１３は、螺旋状の仕切り壁３５によって上下方向の流路幅が規定されている。また、幾つかの実施形態に係るサイクロン流路１３は、外周側の壁部と内周側の壁部とによって螺旋の中心軸を中心とする径方向の流路幅が規定される。
なお、第１供給流路１０１から第１流体がサイクロン流路１３の接線方向に導入される場合、螺旋状の仕切り壁３５が存在しなくても、第１流体はサイクロン流路１３内を螺旋状に旋回しながら下方へ向かって流れる。したがって、幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、螺旋状の仕切り壁３５は必須ではない。
幾つかの実施形態に係るサイクロン流路１３は、下方の端部が下部空間１５に接続されている。
幾つかの実施形態に係るサイクロン流路１３は、後述する第２排出流路２０３の外周側に位置し、第２排出流路２０３の外周を取り囲むように螺旋状に延在する流路である。幾つかの実施形態に係るサイクロン流路１３は、螺旋状の仕切り壁３５によって上下方向の流路幅が規定されている。また、幾つかの実施形態に係るサイクロン流路１３は、外周側の壁部と内周側の壁部とによって螺旋の中心軸を中心とする径方向の流路幅が規定される。
なお、第１供給流路１０１から第１流体がサイクロン流路１３の接線方向に導入される場合、螺旋状の仕切り壁３５が存在しなくても、第１流体はサイクロン流路１３内を螺旋状に旋回しながら下方へ向かって流れる。したがって、幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、螺旋状の仕切り壁３５は必須ではない。
幾つかの実施形態に係るサイクロン流路１３は、下方の端部が下部空間１５に接続されている。
（下部空間１５）
幾つかの実施形態に係る下部空間１５は、下部筐体３３の内周面３３ａと、上部筐体３１の下部隔壁３１１の下面３１１ａとによって画定される、熱交換器１の内部空間である。
幾つかの実施形態に係る下部空間１５は、サイクロン流路１３よりも流路面積が大きい。
なお、幾つかの実施形態では、下部空間１５は、下部隔壁３１１の開口３１１ｂを介してサイクロン流路１３と接続されている。また、幾つかの実施形態では、下部空間１５は、下部隔壁３１１の複数の開口３１１ｃを介して第１出口流路１７と接続されている。
幾つかの実施形態では、下部空間１５は、下部筐体３３の外部に設けられた下部連通部１０５と接続されている。
幾つかの実施形態に係る下部空間１５は、下部筐体３３の内周面３３ａと、上部筐体３１の下部隔壁３１１の下面３１１ａとによって画定される、熱交換器１の内部空間である。
幾つかの実施形態に係る下部空間１５は、サイクロン流路１３よりも流路面積が大きい。
なお、幾つかの実施形態では、下部空間１５は、下部隔壁３１１の開口３１１ｂを介してサイクロン流路１３と接続されている。また、幾つかの実施形態では、下部空間１５は、下部隔壁３１１の複数の開口３１１ｃを介して第１出口流路１７と接続されている。
幾つかの実施形態では、下部空間１５は、下部筐体３３の外部に設けられた下部連通部１０５と接続されている。
なお、図２Ｃに示した他の実施形態では、下部空間１５にストレーナ６０を設けてもよい。他の実施形態に係るストレーナ６０は、例えば第１流体としての燃料ガスＦＧ中に含まれる硫黄（Ｓ）分に起因して発生する硫化鉄（ＦｅＳ）の粒子を効果的に捕集するためのものである。
図２Ｃに示した他の実施形態では、サイクロン流路１３の下端は、下部隔壁３１１の開口３１１ｂ及びストレーナ６０の開口部６１を介してストレーナ６０における異物の捕集面６２よりも下方まで延びているとよい。
図２Ｃに示した他の実施形態では、サイクロン流路１３の下端は、下部隔壁３１１の開口３１１ｂ及びストレーナ６０の開口部６１を介してストレーナ６０における異物の捕集面６２よりも下方まで延びているとよい。
（下部連通部１０５）
幾つかの実施形態に係る下部連通部１０５は、上述したように、下部筐体３３の下方の外部に設けられていて下部空間１５に接続された流路である。下部連通部１０５には開閉弁１０７が設けられている。開閉弁１０７が開かれると、下部空間１５と熱交換器１の外部とが下部連通部１０５を介して連通される。開閉弁１０７が閉じられると、下部連通部１０５を介した下部空間１５と熱交換器１の外部との連通が遮断される。
幾つかの実施形態に係る下部連通部１０５は、上述したように、下部筐体３３の下方の外部に設けられていて下部空間１５に接続された流路である。下部連通部１０５には開閉弁１０７が設けられている。開閉弁１０７が開かれると、下部空間１５と熱交換器１の外部とが下部連通部１０５を介して連通される。開閉弁１０７が閉じられると、下部連通部１０５を介した下部空間１５と熱交換器１の外部との連通が遮断される。
（第１出口流路１７）
幾つかの実施形態に係る第１出口流路１７は、サイクロン流路１３の外周側に位置し、下部空間１５に連通する流路である。
幾つかの実施形態に係る第１出口流路１７は、図３Ｅに示すように、下部空間１５に近い下部の領域では、周方向に間隔を空けて複数形成された開口３１１ｃのそれぞれに接続された、比較的径が小さい円形断面を有する流路群である。
幾つかの実施形態に係る第１出口流路１７は、図３Ｄに示すように、下部空間１５から離れた位置で、円環形状の断面を有する流路である。
幾つかの実施形態に係る第１出口流路１７は、上端が第１円環流路１９に接続されている。
幾つかの実施形態に係る第１出口流路１７は、サイクロン流路１３の外周側に位置し、下部空間１５に連通する流路である。
幾つかの実施形態に係る第１出口流路１７は、図３Ｅに示すように、下部空間１５に近い下部の領域では、周方向に間隔を空けて複数形成された開口３１１ｃのそれぞれに接続された、比較的径が小さい円形断面を有する流路群である。
幾つかの実施形態に係る第１出口流路１７は、図３Ｄに示すように、下部空間１５から離れた位置で、円環形状の断面を有する流路である。
幾つかの実施形態に係る第１出口流路１７は、上端が第１円環流路１９に接続されている。
（第１円環流路１９）
幾つかの実施形態に係る第１円環流路１９は、図３Ｃに示すように、第１出口流路１７の上方において、サイクロン流路１３の外周側で第１出口流路１７よりも内外径が大きな円環形状を有する流路である。幾つかの実施形態に係る第１円環流路１９の径方向外側の壁部は、上部筐体３１の周壁３１３である。
幾つかの実施形態に係る第１円環流路１９は、上部筐体３１の周壁３１３に形成された開口３１３ａを介して第１排出流路１０３に接続されている。
幾つかの実施形態に係る第１円環流路１９は、図３Ｃに示すように、第１出口流路１７の上方において、サイクロン流路１３の外周側で第１出口流路１７よりも内外径が大きな円環形状を有する流路である。幾つかの実施形態に係る第１円環流路１９の径方向外側の壁部は、上部筐体３１の周壁３１３である。
幾つかの実施形態に係る第１円環流路１９は、上部筐体３１の周壁３１３に形成された開口３１３ａを介して第１排出流路１０３に接続されている。
（第１排出流路１０３）
幾つかの実施形態に係る第１排出流路１０３は、第１円環流路１９からの第１流体を熱交換器１の外部に排出するための配管である。幾つかの実施形態に係る第１排出流路１０３は、第１流体（燃料ガスＦＧ）が流通する不図示の下流側の配管に接続されている。
幾つかの実施形態に係る第１排出流路１０３は、第１円環流路１９からの第１流体を熱交換器１の外部に排出するための配管である。幾つかの実施形態に係る第１排出流路１０３は、第１流体（燃料ガスＦＧ）が流通する不図示の下流側の配管に接続されている。
（第２供給流路２０１）
幾つかの実施形態に係る第２供給流路２０１は、第２流体（水Ｗ）が流通する不図示の上流側の配管に接続されて、該配管からの第２流体を熱交換器１に供給するための配管である。幾つかの実施形態に係る第２供給流路２０１は、例えば上部筐体３１の側方に配置されている。幾つかの実施形態に係る第２供給流路２０１は、図３Ｂに示すように、上部筐体３１の周壁３１３に形成された開口３１３ｂを介して第２円環流路２１に接続されている。
幾つかの実施形態に係る第２供給流路２０１は、第２流体（水Ｗ）が流通する不図示の上流側の配管に接続されて、該配管からの第２流体を熱交換器１に供給するための配管である。幾つかの実施形態に係る第２供給流路２０１は、例えば上部筐体３１の側方に配置されている。幾つかの実施形態に係る第２供給流路２０１は、図３Ｂに示すように、上部筐体３１の周壁３１３に形成された開口３１３ｂを介して第２円環流路２１に接続されている。
（第２円環流路２１）
幾つかの実施形態に係る第２円環流路２１は、図３Ｂに示すように、後述する第２入口流路２３の上方において、サイクロン流路１３の外周側で、例えば、上述した第１円環流路１９と同等の内外径となる円環形状を有する流路である。幾つかの実施形態に係る第２円環流路２１の径方向外側の壁部は、上部筐体３１の周壁３１３である。
幾つかの実施形態に係る第２円環流路２１は、下部において第２入口流路２３の上端と接続されている。
幾つかの実施形態に係る第２円環流路２１は、図３Ｂに示すように、後述する第２入口流路２３の上方において、サイクロン流路１３の外周側で、例えば、上述した第１円環流路１９と同等の内外径となる円環形状を有する流路である。幾つかの実施形態に係る第２円環流路２１の径方向外側の壁部は、上部筐体３１の周壁３１３である。
幾つかの実施形態に係る第２円環流路２１は、下部において第２入口流路２３の上端と接続されている。
（第２入口流路２３）
幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、サイクロン流路１３の外周側に位置し、第２流体が導入される流路である。
幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、図３Ｃに示すように、第２円環流路２１に近い比較的上部の領域では、周方向に間隔を空けて複数配置された、比較的径が小さい円形断面を有する流路群である。
幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、図３Ｄに示すように、第２円環流路２１から離れた位置では、円環形状の断面を有する流路である。なお、幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、図３Ｄに示すように、第１出口流路１７を挟んで径方向内側と外側とに配置されている。
幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、下端が第２中間流路２５に接続されている。
幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、サイクロン流路１３の外周側に位置し、第２流体が導入される流路である。
幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、図３Ｃに示すように、第２円環流路２１に近い比較的上部の領域では、周方向に間隔を空けて複数配置された、比較的径が小さい円形断面を有する流路群である。
幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、図３Ｄに示すように、第２円環流路２１から離れた位置では、円環形状の断面を有する流路である。なお、幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、図３Ｄに示すように、第１出口流路１７を挟んで径方向内側と外側とに配置されている。
幾つかの実施形態に係る第２入口流路２３は、下端が第２中間流路２５に接続されている。
（第２中間流路２５）
幾つかの実施形態に係る第２中間流路２５は、後述するようにサイクロン流路１３の内周側に位置する第２出口流路２７と、第２入口流路２３とを接続する流路である。
幾つかの実施形態に係る第２中間流路２５は、径方向に延在する層状の流路であり、上下方向に沿って、サイクロン流路１３と、比較的径が小さい複数の第１出口流路１７の流路群とが貫通している。
幾つかの実施形態に係る第２中間流路２５は、後述するようにサイクロン流路１３の内周側に位置する第２出口流路２７と、第２入口流路２３とを接続する流路である。
幾つかの実施形態に係る第２中間流路２５は、径方向に延在する層状の流路であり、上下方向に沿って、サイクロン流路１３と、比較的径が小さい複数の第１出口流路１７の流路群とが貫通している。
（第２出口流路２７）
幾つかの実施形態に係る第２出口流路２７は、サイクロン流路１３の内周側に位置する路であり、軸線ＡＸ方向に沿って延在している。
幾つかの実施形態に係る第２出口流路２７は、下端が第２中間流路２５に接続され、上端が第２排出流路２０３に接続されている。
幾つかの実施形態に係る第２出口流路２７は、サイクロン流路１３の内周側に位置する路であり、軸線ＡＸ方向に沿って延在している。
幾つかの実施形態に係る第２出口流路２７は、下端が第２中間流路２５に接続され、上端が第２排出流路２０３に接続されている。
（第２排出流路２０３）
幾つかの実施形態に係る第２排出流路２０３は、第２出口流路２７からの第２流体を熱交換器１の外部に排出するための配管である。幾つかの実施形態に係る第２排出流路２０３は、第２流体（水）が流通する不図示の下流側の配管に接続されている。
幾つかの実施形態に係る第２排出流路２０３は、第２出口流路２７からの第２流体を熱交換器１の外部に排出するための配管である。幾つかの実施形態に係る第２排出流路２０３は、第２流体（水）が流通する不図示の下流側の配管に接続されている。
（流体の流れについて）
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、第１流体及び第２流体は、以下のように熱交換器１の内部を流通する。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、第１流体は、第１供給流路１０１→サイクロン流路１３→下部空間１５→第１出口流路１７→第１円環流路１９→第１排出流路１０３の順に熱交換器１の内部を流通する。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、第２流体は、第２供給流路２０１→第２円環流路２１→第２入口流路２３→第２中間流路２５→第２出口流路２７→第２排出流路２０３順に熱交換器１の内部を流通する。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、第１流体及び第２流体は、以下のように熱交換器１の内部を流通する。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、第１流体は、第１供給流路１０１→サイクロン流路１３→下部空間１５→第１出口流路１７→第１円環流路１９→第１排出流路１０３の順に熱交換器１の内部を流通する。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、第２流体は、第２供給流路２０１→第２円環流路２１→第２入口流路２３→第２中間流路２５→第２出口流路２７→第２排出流路２０３順に熱交換器１の内部を流通する。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、上述したように熱交換器１の内部を流通する過程で、第１流体と第２流体との間で熱交換される。
例えば、図３Ｄに示すように、第１流体が流れる流路と第２流体が流れる流路とが壁部を介して隣り合っている領域において伝熱量が大きくなる。
例えば、図３Ｄに示すように、第２出口流路２７とサイクロン流路１３とは、円筒壁部４１を介して径方向で隣り合っている。
サイクロン流路１３と径方向内側の第２入口流路２３とは、円筒壁部４２を介して径方向で隣り合っている。
径方向内側の第２入口流路２３と第１出口流路１７とは、円筒壁部４３を介して径方向で隣り合っている。
第１出口流路１７と径方向外側の第２入口流路２３とは、円筒壁部４４を介して径方向で隣り合っている。
例えば、図３Ｄに示すように、第１流体が流れる流路と第２流体が流れる流路とが壁部を介して隣り合っている領域において伝熱量が大きくなる。
例えば、図３Ｄに示すように、第２出口流路２７とサイクロン流路１３とは、円筒壁部４１を介して径方向で隣り合っている。
サイクロン流路１３と径方向内側の第２入口流路２３とは、円筒壁部４２を介して径方向で隣り合っている。
径方向内側の第２入口流路２３と第１出口流路１７とは、円筒壁部４３を介して径方向で隣り合っている。
第１出口流路１７と径方向外側の第２入口流路２３とは、円筒壁部４４を介して径方向で隣り合っている。
このように構成される幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、サイクロン流路１３を第２流体との熱交換を行う流路とすれば、サイクロン流路１３の内壁面、すなわち円筒壁部４１、４２においてサイクロン流路１３を向いた壁面が伝熱面となる。サイクロン流路１３を流れる流体は、サイクロン流路１３において旋回流となり流速を大きくし易くなる。そのため、該伝熱面において異物が付着し難くなるとともに、異物が付着したとしても、流体の流れによって除去され易くなる。これにより、該伝熱面での熱伝達率の低下が抑制され、熱交換効率の低下が抑制される。また、幾つかの実施形態に係る熱交換器１を長期間使用しても、異物の堆積による流路の閉塞のおそれが少ない。
また、幾つかの実施形態に係る熱交換器１によれば、サイクロン流路１３よりも流路面積が大きい下部空間１５において、流体の流速が低下することで流体から異物を分離させ易くなる。これにより、下部空間１５よりも下流側に流れる異物を抑制して、下部空間１５よりも下流側における異物の流路壁面への付着や流路の閉塞などの不具合を抑制できる。
また、幾つかの実施形態に係る熱交換器１によれば、サイクロン流路１３よりも流路面積が大きい下部空間１５において、流体の流速が低下することで流体から異物を分離させ易くなる。これにより、下部空間１５よりも下流側に流れる異物を抑制して、下部空間１５よりも下流側における異物の流路壁面への付着や流路の閉塞などの不具合を抑制できる。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、第２入口流路２３は、サイクロン流路１３における外周側の流路壁（円筒壁部４２）を隔ててサイクロン流路１３と隣り合うとよい。
これにより、サイクロン流路１３を流れる第１流体と、第２入口流路２３を流れる第２流体との間で効率的に熱交換できる。
これにより、サイクロン流路１３を流れる第１流体と、第２入口流路２３を流れる第２流体との間で効率的に熱交換できる。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、第２出口流路２７は、サイクロン流路１３における内周側の流路壁（円筒壁部４１）を隔ててサイクロン流路１３と隣り合うとよい。
これにより、サイクロン流路１３を流れる第１流体と、第２出口流路２７を流れる第２流体との間でも積極的に熱交換できる。
これにより、サイクロン流路１３を流れる第１流体と、第２出口流路２７を流れる第２流体との間でも積極的に熱交換できる。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、第２入口流路２３は、第１出口流路１７の流路壁（円筒壁部４３、４４）を隔てて第１出口流路１７と内周側及び外周側で隣り合うとよい。
これにより、第１出口流路１７を流れる第１流体と、第２入口流路２３を流れる第２流体との間でも積極的に熱交換できる。
これにより、第１出口流路１７を流れる第１流体と、第２入口流路２３を流れる第２流体との間でも積極的に熱交換できる。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、サイクロン流路１３は、螺旋状の仕切り壁３５によって上下方向の流路幅が規定されているとよい。
螺旋状の仕切り壁３５によって上下方向の流路幅が規定されることで、螺旋状の仕切り壁３５が設けられていない場合と比べて、サイクロン流路１３における流体の流速を大きくし易くなる。
螺旋状の仕切り壁３５によって上下方向の流路幅が規定されることで、螺旋状の仕切り壁３５が設けられていない場合と比べて、サイクロン流路１３における流体の流速を大きくし易くなる。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、下部筐体３３に接続され、下部空間１５と外部とを連通する下部連通部１０５を備えるとよい。
これにより、熱交換器１を分解しなくても下部空間１５に堆積された異物を下部空間１５の外部に排出できるので、下部空間１５に堆積された異物の除去が容易となる。
これにより、熱交換器１を分解しなくても下部空間１５に堆積された異物を下部空間１５の外部に排出できるので、下部空間１５に堆積された異物の除去が容易となる。
幾つかの実施形態に係る熱交換器１では、下部空間１５内に配置されたストレーナ６０を備えるとよい。
これにより、下部空間１５よりも下流側への異物の流入をさらに抑制できる。
なお、ストレーナ６０は、下部筐体３３に着脱可能とすることで、ストレーナ６０の交換や清掃が容易となる。
これにより、下部空間１５よりも下流側への異物の流入をさらに抑制できる。
なお、ストレーナ６０は、下部筐体３３に着脱可能とすることで、ストレーナ６０の交換や清掃が容易となる。
なお、第１供給流路１０１と第１排出流路１０３との間に差圧計を設置し、第１供給流路１０１と第１排出流路１０３との差圧が予め設定された閾値を超えたときに、開閉弁１０７を開くように不図示の制御装置で制御するようにしてもよい。これにより、異物の排出を自動化できる。
本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る熱交換器１は、第１流体が接線方向に沿って導入されて下方に向かって第１流体が流れるサイクロン流路１３と、サイクロン流路１３の下方に位置してサイクロン流路１３よりも流路面積が大きい下部空間１５を形成する下部筐体３３とを備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る熱交換器１は、サイクロン流路１３の外周側に位置し、下部空間１５に連通する第１出口流路１７と、サイクロン流路１３の外周側に位置し、第２流体が導入される第２入口流路２３とを備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る熱交換器１は、サイクロン流路１３の内周側に位置する第２出口流路２７と、第２入口流路２３と第２出口流路２７とを接続する第２中間流路２５と、を備える。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る熱交換器１は、第１流体が接線方向に沿って導入されて下方に向かって第１流体が流れるサイクロン流路１３と、サイクロン流路１３の下方に位置してサイクロン流路１３よりも流路面積が大きい下部空間１５を形成する下部筐体３３とを備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る熱交換器１は、サイクロン流路１３の外周側に位置し、下部空間１５に連通する第１出口流路１７と、サイクロン流路１３の外周側に位置し、第２流体が導入される第２入口流路２３とを備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る熱交換器１は、サイクロン流路１３の内周側に位置する第２出口流路２７と、第２入口流路２３と第２出口流路２７とを接続する第２中間流路２５と、を備える。
上記（１）の構成によれば、サイクロン流路１３を第２流体との熱交換を行う流路とすれば、サイクロン流路１３の内壁面（円筒壁部４１、４２においてサイクロン流路１３を向いた壁面）が伝熱面となる。サイクロン流路１３を流れる流体は、サイクロン流路１３において旋回流となり流速を大きくし易くなる。そのため、伝熱面において異物が付着し難くなるとともに、異物が付着したとしても、流体の流れによって除去され易くなる。これにより、伝熱面での熱伝達率の低下が抑制され、熱交換効率の低下が抑制される。
また、上記（１）の構成によれば、サイクロン流路１３よりも流路面積が大きい下部空間１５において、流体の流速が低下することで流体から異物を分離させ易くなる。これにより、下部空間１５よりも下流側に流れる異物を抑制して、下部空間１５よりも下流側における異物の流路壁面への付着や流路の閉塞などの不具合を抑制できる。
また、上記（１）の構成によれば、サイクロン流路１３よりも流路面積が大きい下部空間１５において、流体の流速が低下することで流体から異物を分離させ易くなる。これにより、下部空間１５よりも下流側に流れる異物を抑制して、下部空間１５よりも下流側における異物の流路壁面への付着や流路の閉塞などの不具合を抑制できる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、第２入口流路２３は、サイクロン流路１３における外周側の流路壁（円筒壁部４２）を隔ててサイクロン流路１３と隣り合うとよい。
上記（２）の構成によれば、サイクロン流路１３を流れる第１流体と、第２入口流路２３を流れる第２流体との間で効率的に熱交換できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、第２出口流路２７は、サイクロン流路１３における内周側の流路壁（円筒壁部４１）を隔ててサイクロン流路１３と隣り合うとよい。
上記（３）の構成によれば、サイクロン流路１３を流れる第１流体と、第２出口流路２７を流れる第２流体との間でも積極的に熱交換できる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、第２入口流路２３は、第１出口流路１７の流路壁（円筒壁部４３、４４）を隔てて第１出口流路１７と内周側及び外周側で隣り合うとよい。
上記（４）の構成によれば、第１出口流路１７を流れる第１流体と、第２入口流路２３を流れる第２流体との間でも積極的に熱交換できる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、サイクロン流路１３は、螺旋状の仕切り壁３５によって上下方向の流路幅が規定されているとよい。
上記（５）の構成によれば、螺旋状の仕切り壁３５によって上下方向の流路幅が規定されることで、螺旋状の仕切り壁３５が設けられていない場合と比べて、サイクロン流路１３における流体の流速を大きくし易くなる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、下部筐体３３に接続され、下部空間１５と外部とを連通する下部連通部１０５を備えるとよい。
上記（６）の構成によれば、熱交換器１を分解しなくても下部空間１５に堆積された異物を下部空間１５の外部に排出できるので、下部空間１５に堆積された異物の除去が容易となる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、下部空間１５内に配置されたストレーナ６０を備えるとよい。
上記（７）の構成によれば、下部空間１５よりも下流側への異物の流入をさらに抑制できる。
１ 熱交換器
１３ サイクロン流路
１５ 下部空間
１７ 第１出口流路
２３ 第２入口流路
２５ 第２中間流路
２７ 第２出口流路
３３ 下部筐体
３５ 仕切り壁
４１、４２、４３、４４ 円筒壁部
６０ ストレーナ
１０５ 下部連通部
１３ サイクロン流路
１５ 下部空間
１７ 第１出口流路
２３ 第２入口流路
２５ 第２中間流路
２７ 第２出口流路
３３ 下部筐体
３５ 仕切り壁
４１、４２、４３、４４ 円筒壁部
６０ ストレーナ
１０５ 下部連通部
Claims (6)
- 第１流体が接線方向に沿って導入されて下方に向かって前記第１流体が流れるサイクロン流路と、
前記サイクロン流路の下方に位置して前記サイクロン流路よりも流路面積が大きい下部空間を形成する下部筐体と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、前記下部空間に連通する第１出口流路と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、第２流体が導入される第２入口流路と、
前記サイクロン流路の内周側に位置する第２出口流路と、
前記第２入口流路と前記第２出口流路とを接続する第２中間流路と、
を備え、
前記第２入口流路は、前記第１出口流路の流路壁を隔てて前記第１出口流路と前記内周側及び前記外周側で隣り合う
熱交換器。 - 第１流体が接線方向に沿って導入されて下方に向かって前記第１流体が流れるサイクロン流路と、
前記サイクロン流路の下方に位置して前記サイクロン流路よりも流路面積が大きい下部空間を形成する下部筐体と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、前記下部空間に連通する第１出口流路と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、第２流体が導入される第２入口流路と、
前記サイクロン流路の内周側に位置する第２出口流路と、
前記第２入口流路と前記第２出口流路とを接続する第２中間流路と、
を備え、
前記下部筐体に接続され、前記下部空間と外部とを連通する下部連通部
を備える
熱交換器。 - 第１流体が接線方向に沿って導入されて下方に向かって前記第１流体が流れるサイクロン流路と、
前記サイクロン流路の下方に位置して前記サイクロン流路よりも流路面積が大きい下部空間を形成する下部筐体と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、前記下部空間に連通する第１出口流路と、
前記サイクロン流路の外周側に位置し、第２流体が導入される第２入口流路と、
前記サイクロン流路の内周側に位置する第２出口流路と、
前記第２入口流路と前記第２出口流路とを接続する第２中間流路と、
を備え、
前記下部空間内に配置されたストレーナ
を備える
熱交換器。 - 前記第２入口流路は、前記サイクロン流路における前記外周側の流路壁を隔てて前記サイクロン流路と隣り合う
請求項１乃至３の何れか一項に記載の熱交換器。 - 前記第２出口流路は、前記サイクロン流路における前記内周側の流路壁を隔てて前記サイクロン流路と隣り合う
請求項１乃至４の何れか一項に記載の熱交換器。 - 前記サイクロン流路は、螺旋状の仕切り壁によって上下方向の流路幅が規定されている
請求項１乃至５の何れか一項に記載の熱交換器。
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|---|---|---|---|
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| US17/583,519 US20220260315A1 (en) | 2021-02-15 | 2022-01-25 | Heat exchanger |
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