JP2006214598A - 高温用プレートフィン型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】激しい熱負荷の変動下に状況においても、高熱交換効率を維持し、優れた高耐久性を達成できる高温用プレートフィン型熱交換器を提供する。
【解決手段】筒状の高温流体用ダクトに直結されて使用状態となる高温用プレートフィン型熱交換器であって、高温流体を流通させる高温流体通路と、一端側に低温流体を供給する低温ヘッダが接続され他端側に低温流体を排出する低温ヘッダが接続された低温流体通路とが積層配置されたコアを備え、前記コアを内設するケーシングが高温流体用ダクトと略同一の筒状断面からなり、かつ高温流体用ダクトの構成部材として接続されることを特徴とする高温用プレートフィン型熱交換器である。低温ヘッダの取り出し部において、ケーシングと低温ヘッダとをシール溶接することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば、ガスタービン発電装置の燃焼排ガス用ダクトに直結し排ガスと圧縮空気との熱交換を行う高温用プレートフィン型熱交換器の改良に関し、さらに詳しくは、高温流体および低温流体を流通させる通路が交互に積層配置されたコアを構成し、このコアを内設したケーシングを高温流体用ダクトに接続して使用する場合に、熱交換器の施工性に優れるとともに、苛酷な使用条件でも優れた耐久性と高熱交換効率を発揮することができる高温用プレートフィン型熱交換器に関するものである。

近年における、中型および小型発電設備を多数に分散させて設置する分散型エネルギーシステムの拡充にともない、中小規模の分散電源または非常用自家発電装置として、ガスタービン発電装置が見直され、実用化されている。ガスタービンは、他の内燃機関に比べて簡易な構造で量産可能であり、また保守点検が容易である等の利点を有している。

通常、中小型ガスタービン発電装置は、トータルの発電効率を向上させるため、一軸式の再生サイクルガスタービンの装置構成を採用している。具体的には、圧縮機、タービンおよび発電機が一軸に配置され、燃焼器から供給される燃焼ガスがタービンを回転させると同時に、同軸で連結される圧縮機および発電機の動力源となる。

このとき、燃焼ガスエネルギーの損失を低減させるため、タービンを回転させた燃焼排ガスは、圧縮機で加圧された空気と熱交換を行い、エネルギー変換効率を確保できるようにしている。すなわち、ガスタービンからの燃焼排ガスが保有している熱エネルギーを用いて、ガスタービンの燃焼器用の燃焼空気を予熱し、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換効率の向上を図っている。

このため、ガスタービンの燃焼排ガスと圧縮空気との間で熱交換を行う再生熱交換器が必要になるが、その性能がガスタービンの性能に大きく影響することになる。したがって、ガスタービンの設計に際し、小さな温度差であっても有効な熱交換ができる高性能な再生熱交換器の使用が必須となる。

また、中小型ガスタービン発電装置では、非常用の場合はもちろん分散電源としての用途から、始動−停止の繰り返しが多いばかりではなく、始動直後の運転立ち上がりを良好にし直ちに良質な電力を供給することが必要になることから、このような発電特性に対応できる再生熱交換器の採用が要請されている。このような機能を充分に発揮できる再生熱交換器として、プレートフィン型熱交換器が用いられている。

特開２００１−３４９６７９号公報

前述の通り、ガスタービン発電装置において、燃焼排ガスと圧縮空気との間で熱交換を行うプレートフィン型熱交換器には、優れた熱交換効率を実現し、急激な入熱、特に流体通路内の不均一な温度分布と、激しい熱負荷の変動に耐えるだけの耐久性を保有しながら、良好な熱交換効率を維持することが要求される。

先に、本発明者らは、このようなガスタービン発電装置への要請に対応するため、前記特許文献１により高温流体通路内のコルゲートフィン全体をろう付けすることなく、これを低温流体通路毎に独立させることにより、急激な入熱等が発生した場合でも、熱応力を緩和し、耐久性の向上が可能になる高温用プレートフィン型熱交換器を提案した。

提案した高温用プレートフィン型熱交換器によれば、所定の熱交換効率を維持しつつ、耐久性の向上を図ることができるが、最近におけるガスタービンの設計に際し、一層の分散型エネルギーシステムの拡充にともない、熱負荷の変動が顕著なものとなり、さらなる耐久性を発揮することができる高性能な再生熱交換器の開発が要請されるようになる。

本発明は、上記の要請に基づいて開発されたものであり、ガスタービン発電装置における再生熱交換器などに要求される性能、すなわち激しい熱負荷の変動下においても高熱交換効率と高耐久性を実現でき、かつ施工性に優れた高温用プレートフィン型熱交換器を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成するため、燃焼排ガス用のダクトに用いられるプレートフィン型熱交換器において、高温の燃焼排ガスが流入した場合であっても、急激な熱負荷の変動により発生する熱応力を緩和することができるコア構造について鋭意検討した結果、コア全体を覆い、その内部にコアを拘束することなく配置するケーシングを準備し、ケーシングの形状を燃焼排ガス用ダクトと略同一の筒状断面とし、排ガス用ダクトに接続して、その構成部材として用いるのが有効であることを知見した。

本発明は、上記知見に基づいて完成したものであり、下記（１）〜（４）の高温用プレートフィン型熱交換器を要旨としている。
（１）筒状の高温流体用ダクトに直結されて使用状態となる高温用プレートフィン型熱交換器であって、高温流体を流通させる高温流体通路と、一端側に低温流体を供給する低温ヘッダが接続され他端側に低温流体を排出する低温ヘッダが接続された低温流体通路とが積層配置されたコアを備え、前記コアを内設するケーシングが高温流体用ダクトと略同一の筒状断面からなり、かつ高温流体用ダクトの構成部材として接続されることを特徴とする高温用プレートフィン型熱交換器である。
（２）上記（１）の高温用プレートフィン型熱交換器では、前記ケーシングの片側面または両側面に前記低温流体通路の両端に接続された低温ヘッダの取り出し部を設け、向流型のコアを構成するのが望ましく、その取り出し部において、前記ケーシングと前記低温ヘッダとをシール溶接することができる。
（３）上記（１）、（２）の高温用プレートフィン型熱交換器では、前記ケーシングと高温流体用ダクトとの接続部を角フランジで構成し、ケーシングを着脱自在に高温流体用ダクトに接続するのが望ましい。さらに、前記ケーシングに前記コアを内設する際に、両者の間隙に断熱部材を充填するのが望ましい。
（４）上記（１）〜（３）の高温用プレートフィン型熱交換器では、前記低温流体通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するコルゲートフィンが固着されたコア積層用部材を用いて、低温流体通路毎に独立して低温流体通路と高温流体通路とが積層配置されコアを形成するのが望ましい。

本発明の高温用プレートフィン型熱交換器によれば、容器として高温流体用ダクトと略同一の筒状断面からなるケーシングを設け、その内部にコアを配置するだけの構成で、かつ高温流体用ダクトの構成部材として接続することにより、高温の燃焼排ガスが急激に流入した場合であっても、熱応力を緩和できる。これにより、ガスタービン発電装置における再生プレートフィン型熱交換器などに要求される、激しい熱負荷の変動下においても、高熱交換効率を維持し、優れた高耐久性を達成できる。

さらに、熱交換器の組み立て時には、ケーシングにコアを内設するのみ、または局部的なシール溶接に限定することができるので、工程が削減でき良好な施工性を発揮することができる。

本発明の高温用プレートフィン型熱交換器に用いるコアの構造例および熱交換器の使用状態における構成例を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の高温用プレートフィン型熱交換器に用いるコアの構造例（以下、「第１のコア構造」という）を示す斜視図である。図１に示す第１のコア構造では、燃焼排ガス用ダクト内を流通する高温流体Ｈと外部から供給される低温流体Ｌとが向流で熱交換する構成を示している。具体的には、熱交換器１のコア２に対して、高温流体Ｈがダクト内を図中のコア２前方から後方に通過し、低温流体Ｌはコア２前方の右側面から供給され左側面から排出される構成である。

図２は、第１のコア構造における流体通路の構成を説明する図であり、（ａ）は低温流体通路４の構成を、（ｂ）は高温流体通路３の構成を示している。図２（ａ）に示すように、低温流体通路４には低温流体Ｌを供給または排出する低温ヘッダ５が接続されている。ノズル６ａを経て低温ヘッダ５ａから供給された低温流体Ｌは、入側のディストリビューター部４ａを通過して、メインフィン部４ｂに分配される。その後、高温流体Ｈとの間で熱交換が行われた低温流体Ｌは、出側のディストリビューター部４ｃによりメインフィン部４ｂから集合されて、低温ヘッダ５ｂおよびノズル６ｂから排出される。

一方、図２（ｂ）に示すように、燃焼排ガス用ダクト内を流通する高温流体Ｈは、コア入側３ａから直ちにメインフィン部３ｂに供給され、低温流体Ｌとの間で向流による熱交換が行われたのちコア出側３ｃから排出され、同ダクトの下流側に向けて流通する。

上記図１、２に示すコア構造は向流型を示しているが、本発明の高温用プレートフィン型熱交換器ではこれに限定されるものではなく、低温流体通路４と高温流体通路３との積層配置方法の選択により、向流や直交流などの組合せを適宜選択できる。

図３は、第１のコア構造に適用できる低温流体通路４および高温流体通路３のメインフィン部に用いられるコア積層部材のコルゲートフィン配置状況を示す図である。図３（ａ）に示す配置状況では、コア２内における高温流体通路３と低温流体通路４が交互に積層配置される構成からなり、両通路はチューブプレート７を介してコルゲートフィン３ｄ、４ｄを配置し、外周部をスペーサーバー３ｅ、４ｅで閉塞するようにこれらの部材をろう付け一体化することにより構成される。

一方、図３（ｂ）に示す配置状況では、低温流体通路４は２枚のチューブプレート７の間にコルゲートフィン４ｄを挟み、外周部をスペーサーバー４ｅで閉塞し、これらの部材をろう付け一体化する通路構成である。さらに、低温流体通路４の２枚のチューブプレート７の外面には、それぞれ高温流体通路３内のコルゲートフィン３ｄをろう付けする。

図４は、本発明の高温用プレートフィン型熱交換器に用いるコアの他の構造例（以下、「第２のコア構造」という）を示す斜視図である。図４に示す第２のコア構造であっても、高温流体Ｈと低温流体Ｌが向流で熱交換する構成を採用しており、高温流体Ｈがダクト内を図中のコア２前方から後方に通過し、低温流体Ｌはコア２前方の右側面から供給され、熱交換後、コア２後方の左側面から排出される。

図５は、第２のコア構造における流体通路の構成を説明する図であり、（ａ）は低温流体通路４の構成を、（ｂ）は高温流体通路３の構成を示している。図５（ａ）に示すように、低温流体通路４には低温流体Ｌを供給または排出する低温ヘッダ５ａ、５ｂが接続され、供給された低温流体Ｌは入側のディストリビューター部４ａを通過し、メインフィン部４ｂで高温流体Ｈとの間で熱交換が行われた後、出側のディストリビューター部４ｃを経て、低温ヘッダ５ｂおよびノズル６ｂから排出される。

一方、図５（ｂ）に示すように、高温流体Ｈはコア入側３ａから直ちにメインフィン部３ｂに供給され、低温流体Ｌとの間で向流による熱交換が行われたのちコア出側３ｃから排出される。第２のコア構造においても、向流型に限定されるものではなく、向流や直交流などの組合せを適宜選択することができる。

本発明の高温用プレートフィン型熱交換器では、高温流体用ダクトと略同一の筒状断面からなるケーシングを作製し、得られたケーシングに前記図１および図４に示す第１および第２のコア構造を内設する。このように構成することによって、ケーシングをコア容器として機能させるとともに、高温流体用ダクトと略同一の筒状断面として構成することから、高温流体用ダクトの構成部材として接続でき、高温用プレートフィン型熱交換器を使用状態にすることができる。

図６は、第１のコア構造を内設するケーシングを高温流体用ダクトと接続した使用状態における構成例を示す図である。また、図７は、第２のコア構造を内設するケーシングを高温流体用ダクトと接続した使用状態における構成例を示す図である。ケーシング８は高温流体用ダクト９と略同一の筒状断面で構成されることから、高温流体用ダクト９の構成部材として使用でき、適切な箇所でダクトと直結することができる。このとき、ケーシング８の片側面または両側面に低温流体通路の両端に接続された低温ヘッダ５の取り出し部を設ける。

高温流体用ダクト９との直結に際しては、図６、図７に示すように、ケーシング８と高温流体用ダクト９との接続部に角フランジ１０を設け、ケーシング８を着脱自在な構造とする。このように構成することによって、ユニット化が図れ、流体通路の閉塞などの問題が生じた場合に、容易に交換が可能であり、メンテナンスの上で有利になる。

本発明の高温用プレートフィン型熱交換器では、第１および第２のコア構造をケーシング８に内設するのみであり、コア２のいずれの箇所もケーシング２とは固着していない。このため、熱交換器が使用状態になり高温流体Ｈが急激に流入し、高温流体通路の入側が急激に加熱された場合であっても、第１および第２のコア構造はケーシング８に拘束されておらず、熱応力を蓄積することなく、低温流体通路内に高温流体Ｈの熱を効率よく伝導できる。

また、本発明の高温用プレートフィン型熱交換器では、例えば、図６、図７中のＡ部で示す低温ヘッダ５とケーシング８端部とをシール溶接することができる。Ａ部で示す低温ヘッダ５は低温流体通路の入側端部に接続されており、熱応力の発生が比較的少ないことによる。ケーシング８とコア２とをシール溶接することによって、熱交換器の組み立て工数の低減が図れ、施工性を向上させることが可能になる。

さらに、ケーシング８にコア２を内設するに際に、ケーシング８とコア２との間隙に断熱部材１１を充填するのが望ましい。前記図６、図７に示すように、両者の間隙に断熱部材１１を充填し、高温流体が迂回する間隙を低減することによって、さらに熱交換効率を向上させることができる。

また、本発明の高温用プレートフィン型熱交換器では、図示しないが、高温流体用ダクト９を延長して高温流体Ｈの上流側と下流側にそれぞれ別個の熱交換器を配置することができる。このように配置すれば、例えば、上流側をガスタービン発電装置における再生器とし、下流側を水蒸気または温水発生器として排熱回収が可能になり、極めて熱回収効率のよい熱交換システムを構成できる。

本発明の高温用プレートフィン型熱交換器では、コアの構成材料を特に限定しないが、耐熱性を考慮する場合はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、３０４Ｌ、３１６、３１６Ｌ、３２１、３１０Ｓ等）や耐熱合金等が採用でき、その他の場合にはアルミニウム合金（Ａｌ系、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）が適宜採用できる。

ガスタービン発電装置の再生熱交換器として、図６に示す構成例でオーステナイトステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる高温用プレートフィン型熱交換器を採用し、燃焼排ガス用ダクトの上流側に接続した。

上記の構成でダクト内の燃焼排ガス温度を８００℃と９００℃の２種を設定し、これと圧縮吸気（０．４ＭＰａ）との熱交換を行った。いずれの場合も良好な熱交換効率を得ることができた。

また、室温まで冷却しているガスタービン発電装置の始動を行い、所定時間後に所定温度まで冷却し再び起動する、起動−停止の繰り返しによる耐久性の加速試験を行った。その結果は、燃焼排ガスの圧力損失、圧縮吸気圧、熱交換効率のいずれも変動することなく、熱交換器の各部の剥離、クラックも発生しなかった。

本発明の高温用プレートフィン型熱交換器によれば、容器として高温流体用ダクトと略同一の筒状断面からなるケーシングを設け、その内部にコアを配置するだけの構成で、かつ高温流体用ダクトの構成部材として接続することにより、高温の燃焼排ガスが急激に流入した場合であっても、熱応力を緩和できる。これにより、ガスタービン発電装置における再生プレートフィン型熱交換器などに要求される、激しい熱負荷の変動状況においても、高熱交換効率を維持し、優れた高耐久性を達成できる。

さらに、熱交換器の組み立て時には、ケーシングにコアを内設するのみ、または局部的なシール溶接による拘束に限定することができるので、工程が削減でき良好な施工性を発揮することができる。このような顕著な利用性により、ガスタービン発電装置における再生プレートフィン型熱交換器として広く適用することができる。

本発明の高温用プレートフィン型熱交換器に用いる第１のコア構造を示す斜視図である。 第１のコア構造における流体通路の構成を説明する図であり、（ａ）は低温流体通路の構成を、（ｂ）は高温流体通路の構成を示している。 第１のコア構造に適用できる低温流体通路および高温流体通路のメインフィン部に用いられるコア積層部材のコルゲートフィン配置状況を示す図である。 本発明の高温用プレートフィン型熱交換器に用いる第２のコア構造を示す斜視図である。 第２のコア構造における流体通路の構成を説明する図であり、（ａ）は低温流体通路の構成を、（ｂ）は高温流体通路の構成を示している。 第１のコア構造を内設するケーシングを高温流体用ダクトと接続した使用状態における構成例を示す図である。 第２のコア構造を内設するケーシングを高温流体用ダクトと接続した使用状態における構成例を示す図である。

符号の説明

１：熱交換器、 ２：コア
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ：高温流体通路
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ：低温流体通路
５、５ａ、５ｂ：低温ヘッダ
６、６ａ、６ｂ：ノズル
７：チューブプレート、 ８：ケーシング
９：高温流体用ダクト（燃焼排ガス用ダクト）
１０：角フランジ、 １１：断熱部材
Ｈ：高温流体、 Ｌ：低温流体

Claims (6)

1. 筒状の高温流体用ダクトに直結されて使用状態となる高温用プレートフィン型熱交換器であって、
   高温流体を流通させる高温流体通路と、一端側に低温流体を供給する低温ヘッダが接続され他端側に低温流体を排出する低温ヘッダが接続された低温流体通路とが積層配置されたコアを備え、
   前記コアを内設するケーシングが高温流体用ダクトと略同一の筒状断面からなり、かつ高温流体用ダクトの構成部材として接続されることを特徴とする高温用プレートフィン型熱交換器。
2. 前記ケーシングの片側面または両側面に前記低温流体通路の両端に接続された低温ヘッダの取り出し部を設け、向流型のコアを構成すること特徴とする請求項１に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。
3. 前記ケーシングの片側面または両側面に設けられた取り出し部において、前記ケーシングと前記低温ヘッダとがシール溶接されること特徴とする請求項１または２に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。
4. 前記ケーシングと高温流体用ダクトとの接続部が角フランジで構成され、前記ケーシングが着脱自在に高温流体用ダクトに接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高温用プレートフィン型熱交換器。
5. 前記低温流体通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するコルゲートフィンが固着されたコア積層用部材を用いて、低温流体通路毎に独立して低温流体通路と高温流体通路とが積層配置されコアを形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高温用プレートフィン型熱交換器。
6. 前記ケーシングに前記コアを内設する際に、ケーシングとコアとの間隙に断熱部材が充填されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高温用プレートフィン型熱交換器。
   

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