JPH03282101A

JPH03282101A - 蒸気発生装置

Info

Publication number: JPH03282101A
Application number: JP8450590A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyoshi Ishida; 哲義石田; Koujirou Yamada; 山田　紘二郎; Ikuo Kotaka; 高鷹　生男; Tadayuki Fujiwara; 忠幸藤原
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1991-12-12
Anticipated expiration: 2016-04-09
Also published as: JP3153867B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、蒸気使用量が大きく変動する場合に好適な蒸
気発生装置に関する。

〔従来の技術〕

蒸気は、一般にボイラを使用し、化石燃料の燃焼、又は
電力によって水を加熱することによって、発生されてい
る。この蒸気は、加熱用、暖房用、殺菌用、洗浄用等に
利用される。

しかし、ボイラで代表される従来の蒸気発生装置は、蒸
気使用量が時間的に大きく変動するような運転方法につ
いては、配慮がされておらず、このような場合は、第８
図に示すような蒸気アキュムレータ５２の追設が必要で
あった。このため、従来の蒸気発生装置は、大きさおよ
び価格の点で経済的な装置となっていなかった。特に、
殺菌用又は洗浄用の蒸気使用の場合は、極端な間歇的、
集中的な蒸気使用となっており、従来の蒸気発生装置で
は、特に経済的に問題があった。

たとえば、１３０℃〜１５０℃で数十秒間加熱するよう
な食品の殺菌、数分間加熱すような食品容器や試験用サ
ンプリング容器等の殺菌に蒸気を使用するような短期間
の蒸気使用においては、特に、大容量の蒸気アキュムレ
ータ５２を設置することとなり、消費蒸気量に対して大
がかりな装置となっていた。また、第８図において蒸気
５７の供給を行わない時間も蒸気アキュムレータ５２へ
蒸気５６を供給する必要からボイラ５１を運転する必要
があった。この蒸気アキュムレータ５２内は高温高圧の
温水・蒸気を保有する必要がら、運転操作においては安
全上についても十分注意を払う必要があった。

この問題を解決する手段として、従来においても蓄熱材
を用いてその中に加熱源及び水が導入される伝熱管が配
設された蒸気発生器がある（実願昭６３−１２５９８６
号）。しかし、この蓄熱材を用いた蒸気発生器は、蓄熱
温度、蓄熱方法、出熱方法が明確でなく、また、十分な
蓄熱及び出熱が行われない欠点があった。例えば、蓄熱
材に代表的なマグネシアを用いたものは、蓄熱時におい
ては、加熱源である電気ヒータで蓄熱材を加熱する際、
該電気ヒータから蓄熱材へ熱が十分な速度で伝わらず、
電気ヒータが焼損する問題が見られた。また、出熱時に
おいて、蓄熱材が十分な高温であっても、蒸気を発生で
きなくなる問題が見られた。その理由は、蓄熱材とヒー
タ及び蓄熱材と伝熱管の間に空気層が生じており、この
空気層によってヒータと蓄熱材の間の熱伝達が低下して
いることによると思われる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のうち、ボイラで代表される蒸気発生装置
は殺菌用等の蒸気使用量が時間的に太きく変動する使用
に対して十分な配慮がされておらず、このような使用の
蒸気発生装置としては、経済上の問題があった。また蓄
熱材を用いた蒸気発生装置は蓄熱材内の熱移動について
十分な配慮がされておらず、十分な蓄熱・出熱が行われ
ない問題があった。

つまり、従来技術の蒸気発生器は、蒸気使用量が時間的
に大きく変動する殺菌用、洗浄用等の蒸気発生装置には
適しない問題があった。

本発明の目的は、蓄熱材とヒータ又は伝熱管と間の熱移
動を促進し、時間的に大きく変動する蒸気使用において
も、十分な蓄熱・出熱が行われる蓄熱材を用いた蒸気発
生装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、蓄熱材とヒータ及び伝熱管との間に生じる
空気層に、液相の熱媒体を充填させることにより、達成
される。

すなわち、本発明は、蓄熱材を備えた蓄熱槽と、この蓄
熱槽内に配設された加熱源及び液体が導入される伝熱管
と、を備えた蒸気発生装置において、前記蓄熱材は固体
より成る第１物質と蓄熱温度域で液体となる第２物質と
を備えていることを特徴とする蒸気発生装置である。こ
こで、第１物質はマグネシアを主成分とする物質である
のがよい。

また、第２物質は硝酸ナトリウム、亜硝酸ナトリウム及
び硝酸カリウムの混合物、又は、硝酸ナトリウム及び硝
酸カリウムの混合物であるのがよい。

前記蒸気発生装置において、蓄熱槽出口側の伝熱管外表
面に伝熱フィンが設けられ、伝熱管の単位長さ当りの伝
熱面積は蓄熱槽出口側が蓄熱槽入口側より大きく形成さ
れているものがよい。また。

伝熱管はＣｒが１４重量％以上、Ｃが０．０３重量％以
下のオーステナイト系ステンレス鋼であるものがよい。

また、蓄熱槽入口の伝熱管内部が二重管に形成されてい
るものがよい。

〔作用〕

蓄熱材の構成要素であるマグネシア等から成る第１物質
と電気ヒータ等の加熱源との間、及びこの第１物質と伝
熱管との隙間に生じている空気層に加熱されて液体とな
った熱媒体である第２物質が供給されると、この部分の
熱伝達は、熱媒体が供給されない場合の数倍〜数十倍に
増加する。

それによって、蓄熱時においては、ヒータから蓄熱材へ
の熱伝達が良好となるので、ヒータの焼損がなくなる。

また、出熱時においては、蓄熱材から伝熱管への熱伝達
が良好となるので、十分な熱量を蓄熱材から取り出せる
ようになり、従来装置において見られた蓄熱材が高温状
態でも蒸気が発生しないという問題がなくなる。

〔実施例〕

本発明の一実施例は、蓄熱材とヒータ及び蓄熱材と伝熱
管の間の空気層に、硝酸塩、亜硝酸塩を供給するもので
ある。

この蓄熱材を用いた蒸気発生装置は、第１図に示した如
く、蓄熱槽１１及び膨張タンク１８から主に構成される
。蓄熱槽１１内には、電気ヒータ１４及び伝熱管１３が
設置され、蓄熱材１２の構成要素である固体の第１物質
としてマグネシア、蓄熱温度域で液体となる第２物質す
なわち熱媒体として硝酸ナトリウム／亜硝酸ナトリウム
／硝酸カリウムの混合物（俗称ＨＩＴＥＣ）又は硝酸ナ
トリウム／硝酸カリウムの混合物（俗称Ｄ　ｒａｗＳａ
ｌｔ）が充填されている。

本発明の一実施例に要いるＨＩＴＥＣは、硝酸ナトリウ
ム、亜硝酸ナトリウム、硝酸カリウムの三成分の混合剤
であり、これら三成分の重量比率は、それぞれ６．９％
、４８．９％、４４．２％。

または、その近傍の値である。これら三成分から成るＨ
ＩＴＥＣは、融点が１４２℃、熱分解開始温度が約６０
０℃である。上記三成分の重量比率が上記数値よりずれ
ると、融点が次第に上昇し、熱分解温度が次第に低下す
る。極端な場合として、硝酸ナトリウム、亜硝酸ナトリ
ウムまたは硝酸カリウムの単一成分にすると、融点は、
それぞれ、３０８℃、２７０℃、３３３℃となる。また
、熱分解開始温度は、それぞれ、３８０”Ｃ１３２０℃
、３３３℃となる（共立出版、化学大辞典より）。

したがって、ＨＩＴＥＣのように上記三成分の混合剤に
すると、単一成分より、融点が１３０℃以上低下し、熱
分解開始温度が約３３０℃上昇する。

本発明の一実施例の第２物質（熱媒体）にＨＩＴＥＣを
用いるとこの熱媒体は１４２℃から約６００℃の範囲で
、安定した液体状態にあって、蓄熱材とヒータ及び蓄熱
材と伝熱管との間の空気層を埋めることができる。これ
により、この部分の熱伝達が良好となって間歇的、集中
的な使用となる殺菌用等の蒸気使用に応えることができ
る。

殺菌用には、１５０℃程度（圧カニ５ａｔａ）の蒸気を
使用することから、１５０℃以上の温度域で液体となる
ＨＩＴＥＣは、有効な熱媒体となりえる。

熱媒体としては、ダウサムで代表される有機系熱媒体が
よく知られている。しかし、この有機系熱媒体は３５０
〜４００℃以上になると、熱分解が発生するため、蓄熱
材の温度は３５０〜４００以下にする必要がある。

硝酸ナトリウムと硝酸カリウムの混合物（ＤＲＡＷ−８
ＡＬＴ）もＨＩＴＥＣと同様に硝酸塩であることから、
ＨＩＴＥＣと同等の温度特性を有している。

上記蓄熱材１２は、ヒータ１４からの加熱によって高温
となる。伝熱管１３への通水は、蒸気発生の要求が生じ
たときに行われる。伝熱管１３へ供給された水１５は、
高温の蓄熱材１２から加熱され、蒸気１６となって排出
される。

水１５の供給量によって蒸気１６の乾き度、過熱度が変
化する。水１５の供給量が、蓄熱材１２からの加熱量に
対して、少ないならば、発生蒸気１６は過熱蒸気となる
。水１５の供給量を増加するにしたがって、飽和蒸気、
湿り蒸気となる。

本発明の一実施例によれば、蓄熱材１２とヒータ１４及
び蓄熱材１２と伝熱管１３の間の空気層を第２物質が液
体となった熱媒体が埋めるため、熱伝達が良好となる。

このため、蓄熱時においては、蓄熱材１２に対する急速
加熱が可能となる。

また、出熱時においては、蓄熱材１２から伝熱管１３へ
の急速熱伝達が可能となる。

第２図に、本発明に係る蓄熱槽１１内に熱媒体を供給し
た場合と供給しない場合の発生蒸気量の比較を示し、第
３図に、このときの蓄熱槽１１内蓄熱材の温度変化を示
す。蓄熱材の容積は４００Ｑであり、蓄熱温度は４５０
℃、発生蒸気の圧力は５ａｔａで、蒸気流量は５０ｋｇ
／ｈの条件において比較した。第２図より本発明では５
０ｋｇ／ｈの蒸気流量で１４０分間運転を継続できるの
に対し従来は３分間で蒸気流量が低下してしまうことが
わかる。また、第３図より、本発明では蓄熱材の熱が有
効に使われたことが解る。すなわち、蓄熱槽内に熱媒体
を供給すると蒸気発生量を数十倍増加できる。

本発明の他の実施例を第４図に示す、本実施例は、伝熱
管の伝熱面積を水の流れ方向にしたがって、伝熱フィン
２０等の設置により、増加させるようにするものである
。伝熱面積の増加は、連続的でもステップ状に変化して
もよい。

本実施例の効果は、蓄熱材１２に生じる温度分布の大き
な偏差（下流側が高温になりやすい）をなくし、これに
より、蓄熱材１２からの加熱によって発生する蒸気量を
増加することができる。

伝熱管１３に供給された水１５は、蓄熱材１２から加熱
され、順次温水、湿り蒸気、乾き蒸気と変化しながら昇
温する。このため、伝熱面積が一定の場合は、蓄熱材１
２からの加熱量は、水の流れにしたがって減少し、蓄熱
材１２の温度分布に大きな偏差が生じる。上記実施例で
は下流側程伝熱性が高い構造であるため、この偏差が縮
少する。

そして１、蓄熱材１２の平均温度が従来技術より低温ま
で、蒸気１６の発生が可能となるため、従来技術よりも
多くの蒸気発生が可能となる。

第５図に伝熱管１３にフィン２０を付け、水の流れ方向
にしたがって、伝熱管の単位長さ当りの伝熱面積を３段
階に変化したときの、蓄熱材１２の温度変化の一例を示
す。フィンなしの上流側は伝熱管１ａ１１当たりの伝熱
面積が３．１４ａ＃であり、粗にフィンを設置した中間
部は伝熱面積が６．２８ａＪであり、密にフィンを設置
した下流側は９．５４ａＪである。

その結果、図示のとおり、フィン２０を付けると伝熱管
入口近傍の温度と出口近傍の温度差は縮少しく一点鎖線
）、また、平均温度も約７０℃低下した（同図ａとｂと
の差）。そして、蒸気発生量は２５％増加した。なお、
このときの蓄熱槽の条件は、第２図、第３図と変わらな
い。

本発明の他の実施例は、伝熱管の耐熱衝撃性を向上する
ため、伝熱管の材質を選択するものである。つまり、伝
熱管材質の主成分である鉄への添加成分元素を適宜選択
するものである。添加成分として、クロムが１４重量％
以上、炭素が０．０３重量％以下であるとよい。クロム
は３０重量％以上になるとコストアップになるので、そ
れ以下とするのがよい。また、他に、ニッケルを８０重
量％以下、ケイ素を３重量％以下、マンガンを５％以下
、リンを１％以下、イオウを１％以下、モリブデンを５
％以下、チタンを５％以下、ニオブを１％以下のうち複
数の成分を含むとよい。そして、この伝熱管はオーステ
ナイト系のステンレスであると熱衝撃に強い組織となる
のでよい。

この実施例によれば、蓄熱材からの加熱により高温とな
った伝熱管へステップ状に水を供給しても伝熱管には割
れが生じなくなる。

上記した材質の伝熱管として、ＪＩＳ−Ｇ３４６３で規
定された５ＵＳ３０４ＬＴＢ　（Ｃ＜０．０３ｗｔ％、
Ｓ　ｉ　＜　１　、　ＯＯｗ　ｔ％、Ｍｎ＜２．００ｗ
ｔ％。

Ｐ　＜　０　、０４　ｗ　ｔ％、Ｓ＜０．０３０ｗｔ％
、Ｎｉ：９、ＯＯ〜１３．００ｗｔ％、Ｃｒ：　１８，
００〜２０．００ｗｔ％）を用い、蓄熱温度が６００℃
において、伝熱管内へ水を供給したときは、伝熱管に割
れが生じなかった。しかし、上記した条件を満たさない
伝熱熱管であるＪＩＳ−Ｇ３４６２で規定の５ＴＢ２０
　（Ｃ：　０．１０〜０．２０ｗｔ％、Ｓ　ｉ　：　０
．１０〜０．５ｗｔ％、Ｍｎ：０．３０〜０．６０ｗｔ
％、Ｐ＜０．０３５ｗｔ％。

Ｓ＜０．０３５ｗｔ％、　Ｃｒ　：　０．５０〜０．８
０ｗｔ％、Ｎｏ　：　０．４０”０．６５ｗｔ％）を用
いた場合は、伝熱管に割れが生じた。

本発明の他の実施例を第６図に示す。本実施例は、伝熱
管１３の水１５の入口に、断熱管２１を設置して二重管
構造にするものである。断熱管２１には、セラミック、
ニッケルクロム鉄合金管等の耐熱衝撃性の材料を用いる
。

この実施例によれば、更に高温の蓄熱材からの加熱によ
り高温となった伝熱管へステップ状に水を供給しても伝
熱管には割れが生じなくなった。

伝熱管１３に外径１５．９ｍｍ、肉厚１．２■の５ＵＳ
３０４ＬＴＢを用い、この伝熱管１３内に断熱管として
外径１５＋ｕ＋、肉厚０．３ｍｍのニッケルクロム鉄合
金管を挿入した。その結果、蓄熱温度が７００℃におい
て、伝熱管１３内へステップ状に水を供給したが、伝熱
管に割れが生じなかった。しかし、上記同条件で、断熱
管を挿入しない場合は、伝熱管に割れが生じた。

前記した蓄熱材、伝熱管、伝熱フィン及び断熱管を有す
る蒸気発生装置において、この装置の蓄熱温度（最高温
度）を４００〜６００℃にする。

蓄熱温度を高温にすると、単位容積当りの蓄熱量が増加
し、蒸気発生量を多くできるため、蓄熱槽を小型化でき
る。しかし、蓄熱温度が高くなると、伝熱管の耐熱性、
耐熱衝撃の問題、熱媒体の耐熱性の問題から、無１ｔｉ
ＩＩ＠に高くはできない。

伝熱管に５ＵＳ３０４ＬＴＢオーステナイトステンレス
鋼管を用いると、蓄熱温度は７００Ｖ程度にできるが、
熱媒体にＨＩＴＥＣを用いると蓄熱温度は６００℃以下
にする必要がある。

入熱時のヒータ近傍の熱媒体の温度は、ヒータからの加
熱によって、熱媒体の平均温度より数十℃高くなること
から、蓄熱温度は、熱媒体の耐熱温度より数十℃低い温
度が最高使用温度となる。

なお、ヒータ近傍の蓄熱材温度と蓄熱材の平均温度の差
は、ヒータの熱負荷によって変化することから、蓄熱温
度は４００〜６００℃とするのが妥当な温度である。

第７図に、本発明の一実施例及び他の一実施例である蓄
熱槽の蓄熱温度を変化したときの発生蒸気量を示す。発
生蒸気量は、蓄熱温度を高くするにしたがって増加する
。

しかし、蓄熱温度が５５０℃以上になるとＨＩＴＥＣが
分解し、二酸化窒素が発生した。電気ヒータへの印加電
圧を２００Ｖから１４０ｖに低下し、入熱速度を１０ｋ
ｗにしたところ、蓄熱温度が５７０℃以下では、二酸化
窒素を示す臭気がしなかった。一方、印加電圧を２００
■から２８０Ｖにし、入熱速度を４０ｋｗにしたところ
、蓄熱温度が５１０℃を越え、二酸化窒素の臭気がした
。

〔発明の効果〕本発明によれば、時間的に大きく変動する蒸気使用にお
いても、十分な蓄熱・８熱が行われる蓄熱材を有する蒸
気発生装置を提供できる。したがって、本発明によれば
、蒸気発生量を時間的に大きく変動できる経済的な蒸気
発生装置を提供でき把効果かえられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の蓄熱材を有する蒸気発生
装置の構成図、第２図及び第３図は、本発明の一実施例
の蓄熱材を有する蒸気発生装置の性能を示す図、第４図
は、本発明の他の一実施例である伝熱管にフィンを取り
付けた蓄熱材を有する蒸気発生装置の構成図、第５図は
１本発明の他の一実施例である伝熱管にフィンを取り付
けた効果を示す図、第６図は、本発明の他の一実施例で
ある伝熱管内への断熱管の取り付けを示す断面図、第７
図は、本発明の蓄熱材を有する蒸気発生装置の蓄熱温度
と蒸気発生量の関係を示す図、第８図は、従来技術の一
例であるボイラと蒸気アキュムレータを組み合わせた負
荷変動に適した蒸気発生装置の構成を示す図である。１１・・・蓄熱槽、１２・・・蓄熱材、１３・・・伝熱
管、１４・・・電気ヒータ、２０・・・伝熱フィン、２
１・・・断熱管。

Claims

【特許請求の範囲】１、蓄熱材を備えた蓄熱槽と、この蓄熱槽内に配設され
た加熱源及び液体が導入される伝熱管と、を備えた蒸気
発生装置において、前記蓄熱材は固体より成る第１物質
と蓄熱温度域で液体となる第２物質とを備えていること
を特徴とする蒸気発生装置。２、請求項１において、第１物質はマグネシアを主成分
とする物質である蒸気発生装置。３、請求項１又は２において、第２物質は硝酸ナトリウ
ム、亜硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムの混合物、又は
、硝酸ナトリウム及び硝酸カリウムの混合物である蒸気
発生装置。４、請求項１〜３のいずれかにおいて、蓄熱槽出口側の
伝熱管外表面に伝熱フィンが設けられ、伝熱管の単位長
さ当りの伝熱面積は蓄熱槽出口側が蓄熱槽入口側より大
きく形成されている蒸気発生装置。５、請求項１〜４のいずれかにおいて、伝熱管はＣｒが
１４重量％以上、Ｃが０．０３重量％以下のオーステナ
イト系ステンレス鋼である蒸気発生装置。６、請求項１〜５のいずれかにおいて、蓄熱槽入口の伝
熱管内部が二重管に形成されている蒸気発生装置。