JP7738247B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、工業用途での脱脂洗浄排水や、業務用食洗器から排出される暖かい排液（以下、温排液という）や温泉施設の温排液等から熱回収を行う装置（以下、「排熱回収装置」という）に関する。

現在、政府主導のもと、「地球温暖化対策計画」が進められている。この「地球温暖化対策計画」の中で日本は、２０２１年４月に、「２０３０年度において、温室効果ガス４６％削減（２０１３年度比）を目指すこと、さらに５０％の高みに向けて挑戦を続けること」を表明している。温室効果ガス排出の大きな原因は、化石燃料の燃焼による電気と熱の生成であり、電気または熱の使用量の減少。省エネルギー化を実施することで温室効果ガスの排出量を削減しなければならない。

温暖効果ガスの排出量削減の問題に対する解決アプローチとして熱量を持った排液からの熱回収装置が存在する（特開２００３－４２５３９号公報参照）。高温の生活排液または工業排液をただ捨てるのではなく、これら高温排水を利用することにより、上水道等の給液源からの流路中に熱回収装置を設置し、熱回収装置に高温の工業排液または生活排液を供給することで給液源から供給される液体を外部からエネルギーを与えることなくの昇温することができる。このような熱回収装置として「シェル＆チューブ式熱交換器」「プレート式熱交換器」といった方式の熱交換器が存在しているが、何れも大規模かつ高価であり、導入コストおよび保守コストの面で導入難易度が高く、さらに排液と接触する部位の汚れによる性能低下と構造上の洗浄性・メンテナンス性の低さなどが障害となり、普及が進まず、省エネ化が進みにくい状態になっている。

特開２００３－４２５３９号公報 特開２０２２－１５８６７２号公報 特開２０２２－１５１９９５号公報

そこで本発明は温排液の熱の回収における装置の小型化を図ると共に、効率よく、且つ低コストで導入することが可能であり高いメンテナンス性を有する排熱回収装置の構造の提供を課題とする。

課題を解決するための手段

上記課題を達成するために、使用液体の昇温を目的とした液体間の排熱回収装置であって、排液槽１と、使用液体ＩＮ配管２－１並びに熱交換コイル２－２と、断熱管３－１と、高さ調整可能な架台４と、立ち上げ排液配管５を備える液体間の排熱回収装置を提供する。

発明の効果

排液槽内に設置された熱交換コイルが常に排液に浸漬され、熱交換コイルを通過させる昇温対象の液体（以下、使用液体という）と、排液槽に入り、その後立ち上げ配管より排出される温排液間で断熱管による断熱効果と排液槽内の熱対流を利用することで連続的に熱効率の高い向流形の熱交換を実施できる形態をとることにより、高効率で使用液体を昇温することができる。

本発明によれば、専用設計品を必要とせず規格化された市販の資材を使用し製作する構造とすることが容易であって装置の小型化と低コスト化を実現し易い。排液槽、熱交換コイルと、断熱管と、架台と、立ち上げ排液配管はすべて分解可能であり洗浄性・メンテナンス性も高く、且つ構成部品の入手が容易であることにより導入ハードルの低い排熱回収装置を提供することができる。

さらに、熱交換コイルについては、たとえば市販の資材として蛇腹形状の水道用ステンレスフレキシブル管を使用することにより、通過する使用液体と排液槽に満たされた温排液間の接触面積を同一の長さを持つ同一呼び径の直管に対して約３０％増加と大きくとることができ、熱回収効率の向上ができ、酸またはアルカリ洗浄を用いた熱交換コイルの洗浄も実施可能である。

図１－１は本発明の排熱回収装置の概要図である。 図１－２は本発明の排熱回収装置の側面図である。 図２－１は従来の洗浄工程の接続図である。 図２－２は本発明を追加した洗浄工程の接続図である。 図３は本発明の排熱回収装置の断面図である。 図４は本発明の排熱回収装置の各点における温度分布のグラフである。 図５－１は本発明の排熱回収装置の使用液体ＩＮ配管と熱交換コイル（熱交換部）の外観図である。 図５－２は本発明の排熱回収装置の断熱管（接続構造）の外観図である。 図５－３は本発明の排熱回収装置の断熱管（接続構造）の側面図である。 図６－１は本発明の排熱回収装置の実施例であり熱交換コイル（１本構造）の外観図である。 図６－２は本発明の排熱回収装置の実施例であり断熱管（切り欠き構造）の外観図である。

以下、本発明の実施の形態（以下、本実施形態という）を、図面に基づいて説明する。なお、説明する実施の形態は、本発明を以下に説明する具体的な構成に限定するものではなく、本発明を実施するにあたっては、実施の形態に応じた具体的な構成が適宜採用されることが好ましい。

本発明の排熱回収装置による排熱回収システムは、各種施設から排出される温排液から排熱を回収し、回収した熱により使用液体の昇温を実施するシステムであり、温排液が存在し、かつ付近に昇温したい使用液体が存在する条件において様々な設備に幅広く実施、応用できる。

図１－１および図１－２は本発明の排熱回収装置の概要図とその側面図である。排液槽１の内部、断熱管（接続構造）３－１の外側の範囲に温排液を供給（以下、温排液ＩＮ６という）し、温排液ＩＮ６は排液槽１と立ち上げ配管５を満たしてゆき、立ち上げ配管５の配管内部高さを超える高さまで排液槽１内の温排液ＩＮ６の液面が達したのち、立ち上げ配管５から温排液ＯＵＴ９として排出される。また、使用液体については断熱管（接続構造）３－１に使用液体ＩＮ配管接続口３－４で接続された使用液体ＩＮ配管２－１に供給（以下、使用液体ＩＮ７という）し、断熱管（接続構造）３－１と熱交換コイル（熱交換部）接続口３－５で接続された熱交換コイル（熱交換部）２－２に向かい、排液槽１のなかで熱交換コイル（熱交換部）２－２が温排液に浸漬された範囲を通過することで熱回収を実施し昇温された使用液体ＯＵＴ８として出力される。

排液槽１はたとえば底部に穴をあけてタンク取り出し金具を取り付けたステンレス製タンクやステンレス鍋を使用し、断熱処理としてステンレスタンク外周にスポンジテープのような保温材を巻き付ける処理を行うことで温排液の熱を排液槽外部へと逃しにくい形態をとり、熱回収効率の向上と製造コスト低減を特徴とする。また、断熱処理の方法としては断熱塗料の塗布や発泡ウレタン樹脂の塗布、樹脂素材の貼り付けといった方法を用いてもよい。

熱交換コイル（熱交換部）２－２は、たとえば水道用ステンレスフレキシブル管を使用し、図５－１のような形状をとる。断熱管（接続構造）３－１の、熱交換コイル（熱交換部）接続口３－５に接続され、断熱管（接続構造）３－１の外側を排液槽１の外周へ向かい複数回巻回し、一段上昇し、また排液槽１の外周へ向かい複数回巻回され・・・を繰り返す形状をとる。図５－１は２回巻回の例である。巻回数、段数については排液槽１の大きさと断熱管（接続構造）３－１の大きさ、使用する熱交換コイル（熱交換部）２－２の長さ等条件により適宜設定可能であるが、熱交換コイルを長く設定するほどに熱回収効率が高くなるため、設定出来うる長さの最大値で設定することが好ましい。なお、水道用ステンレスフレキシブル管を熱交換コイル（熱交換部）２－２とした場合、管表面の蛇腹形状により単純なパイプ形状の管を曲げて製作した場合よりも表面積を約３０％大きくとれ、伝熱面積の増加、熱交換効率の上昇が期待でき、また耐酸および耐アルカリ性、耐薬品性を持ち、使用液体・温排液の種類を選ばず使用することが可能である。

熱交換コイル２－２については、表面に輻射塗料による塗装を行うことにより輻射熱を有効活用できるようになり、高い熱交換効率を得ることができる。

断熱管（接続構造）３－１は使用液体ＩＮ配管２－１の使用液体ＩＮ７から使用液体ＩＮ配管接続口３－４までの断熱を目的として設置されており、図５－２および図５－３のような形状をとる。温排液内で浮き上がることなく最初は冷たい使用液体ＩＮ７が使用液体ＩＮ配管２－１の部分で排液槽１内の温度の高い温排液間で熱交換されることを防ぎ、使用液体が熱交換コイル（熱交換部）接続口３－５に到達したところから温排液と使用液の温度差により熱交換を開始し、排液槽１上部へと進む中で、排液槽１内部の温排液の温度分布は排液槽１の上側の温排液ほど温度が高く、排液槽１下部に向かうほど使用液と熱交換されているので温排液は温度が低い状態となる。また同時に使用液は熱交換コイル（熱交換部）２－２の内部を進み昇温された使用液体ＯＵＴ８に到達するまでに徐々に温度をあげてゆく。この一連の状態は常に温排液と使用液の温度の差を高くすることに有効であり、これにより熱交換効率の高い向流形の熱交換を実現できる形態をとる。

架台４は、設置場所及び位置により、大きさが決定され、排液槽１と断熱管３および立ち上げ配管５を保持し、かつ排液槽１と断熱管３および立ち上げ配管５の高さを調整する構造を備えればよく、たとえば市販の角４０ｍｍのアルミフレーム材とその結合部品群と締結用ボルトといったものによって構成する。

立ち上げ配管５は排液槽１内の熱交換コイル２－２が排液槽１の中で常に温排液ＩＮ６に浸漬される状態を作ることを目的として設置される。たとえば排液槽１に接続され、排液槽１の外側まで導かれ、その後立ち上げられた後に下方へ温排液ＯＵＴ９を排出する形態をとり、そのなかでいちど立ち上げの流路をとることで温排液ＩＮ６がそのまま排液槽１より排出されずに、排液槽１と立ち上げ配管５を満たしてゆき、立ち上げ配管５の配管内部高さを超える高さまで排液槽１内の温排液ＩＮ６の液面が達したのち、立ち上げ配管５から温排液ＯＵＴ９として排出される。これにより、排液槽１内の温排液の液面高さは常に一定に保たれ、熱交換コイル２－２は常に温排液に浸漬されることにより効率よく熱回収を行うことが出来る形態をとる。

立ち上げ配管５の配管の形態については分解せずに清掃が行えるよう、ドレンバルブや各曲がり部分において清掃用のサービスホールを設置するものとしてもよい。

図２－１、図２－２は本実施形態に係る排熱回収システムにおける本発明の排熱回収装置の接続例を示す。例として工業用途内の中性油脂の脱脂洗浄工程を例とし、図２－１に従来の洗浄工程として使用液体ＩＮ７を供給し、電気ヒーター１０により洗浄装置で用いたい温度まで使用液体ＩＮ７を昇温し、洗浄装置１５にて使用液体を用いて洗浄を実施し、洗浄後は温排液ＯＵＴ９としてそのまま排出されている工程に対して、図２－２、本発明の排熱回収装置を追加した洗浄装置の状態では、使用液体ＩＮ７を供給し、熱回収実施のＯＮ／ＯＦＦを制御する３方弁１３を通り、本発明の排熱回収装置１１に供給され、昇温された使用液体ＯＵＴ８として出力されたのち電気ヒーター１０により洗浄装置で用いたい温度まで昇温された使用液体ＯＵＴ８を昇温し、洗浄装置１５にて使用液体を用いて洗浄を実施し、洗浄後は温排液ＩＮ６として本発明の排熱回収装置に供給され、熱回収の後、温排液ＯＵＴ９として排出される。なお、３方弁１３と逆止弁１２を用いているのは、本発明の排熱回収装置の熱交換コイル２の交換または洗浄といったメンテナンスを考えた際に、洗浄装置１５の稼働を停止することなくメンテナンスを実施できるように考慮していることが理由である。

図３は本実施形態に係る排熱回収装置の断面図である。温排液ＩＮ６が排液槽１と断熱管３の間の範囲に供給され、排液槽１と立ち上げ配管５を満たし、そのうえで温排液ＩＮ６が供給され続けることで立ち上げ配管５から温排液ＯＵＴ９が排出され、本発明の排熱回収装置１１内の温排液の液面は一定に保たれ、熱交換コイル２－２は常に温排液内に浸漬される。ここで、熱交換コイル２－２には使用液体ＩＮ配管２－１および使用液体ＩＮ配管接続口３－４、熱交換コイル（熱交換部）接続部３－５を経由し使用液体ＩＮ７が供給され、熱交換コイル２－２を通過する中で温排液との間で熱交換が行われ、昇温された使用液体ＯＵＴ８として出力される。

図３における温排液の温度分布としては、温排液ＩＮ６の位置から排液槽１下部に向かい、熱交換が行われながら、熱交換コイル（熱交換部）２－２に冷却され、冷却された温排液はその密度変化によりより早く排液槽１下部に沈降してゆく、また熱交換コイル（熱交換部）２－２と充分に接触せず、冷却具合が少ない温排液はその密度差により排液槽１の上側へと移動する形態をとり、総じて温排液は排液槽１上部で温度が高く、排液槽１下部において温度が低い熱分布の形態をとる。また、熱交換コイル（熱交換部）２－２に供給された使用液体ＩＮ７は排水槽下部、熱交換コイル（熱交換部）接続口３－５より温排液との熱交換を開始し、前述の熱交換コイル（熱交換部）２－２の形状により排液槽１下部から排液槽１上部へと使用液体を移動させつつ熱交換を実施していく形態をとる。

図４はこのときの温排液ＩＮ６が温排液ＯＵＴ９へと移動する中での熱変化と、使用液体ＩＮ７が熱交換コイル（熱交換部）接続口３－５時点より昇温された使用液体ＯＵＴ８へと変化する中での温度分布を表している。この温度分布は熱交換器内での２流体間の平均的な温度差を近似的に算出したものである対数平均温度差（ＬＭＴＤ）における向流形の熱交換の形態をとり、温排液ＯＵＴ９の温度よりも昇温された使用液体８のほうが温度が高くなるような熱回収効率の高さを示すものである。

本発明の排熱回収装置１１について、さらに導入コストを低減するために、たとえば図６－１、図６－２のような熱交換コイル（１本構造）２－３と断熱管（切り欠き構造）３－２を用いて構成してもよい。
断熱管（切り欠き構造）３－２は図６－２のような形状をとり、下端に熱交換コイルを通すことが可能な断熱管切り欠き３－３を形成する。断熱管（切り欠き構造）３－２そのものの材質をたとえばＨＴ管とすることで熱伝導率０．１６（Ｗ／（ｍ・Ｋ））密度１．６５（ｇ／ｃｍ^３）となり、温排液内で浮き上がることなく熱交換コイル３の立ち下げ部分と排液槽１内の温度の高い温排液間で熱交換されることを防ぎ、熱交換効率の高い向流形の熱交換を実現できる形態をとる。また、熱交換コイル（１本構造）２－３は前述の使用液体ＩＮ配管２－１の部分まで１本の水道用フレキシブル管を使用した形態をとり、この場合、熱交換コイル（１本構造）２－３に供給された使用液体ＩＮ７は断熱管（切り欠き構造）３－２内部の温排液を冷却するが、断熱管（切り欠き構造）３－２の有する断熱効果により断熱管（切り欠き構造）３－２の外側の温排液側からの熱の移動を防ぎ、断熱管（切り欠き構造）３－２内部の温排液は常に排液槽１下部の温度と同等程度の温度となる。そして排液槽１下部、断熱管の切り欠き部分より熱交換コイル２は温排液との接触を開始し、前述の熱交換コイル（熱交換部）２－２同様の形状により排液槽１下部から排液槽１上部へと使用液体を移動させつつ熱交換を実施していく形態をとれる。ただし、熱回収効率は断熱管（接続構造）のものよりも若干低いものとなる。状況により使い分けて導入するのが好ましい。

本発明の排熱回収装置１１について、たとえば使用液体ＩＮ７に上水道を接続する場合については、本発明の排熱回収装置を用いた排熱回収システムにおいて、排液排出設備との位置関係を工夫することにより、温排液ＩＮ６から温排液ＯＵＴ８に至る経路については外部よりポンプ動力といった追加動力を必要とせずにシステムを稼働することが可能となり、追加動力を必要としない非常にエコロジーな形態をとる。

熱交換コイル（熱交換部）２－２は、排液槽１に供給される温排液ＩＮ６に含まれる汚れ成分や、使用液体ＩＮ７に含まれる汚れ成分がその表面に付着、堆積することで熱交換効率が低下していく。しかしながら本発明の排熱回収装置１１に関しては、分解可能であり、洗浄、交換用意図する構造を有することから、他の液体間での熱交換を実施する熱交換器、たとえばシェルアンドチューブ式熱交換器やプレート式熱交換器といった熱交換器に比べ、メンテナンス性、メンテナンスコストの面で優位である。

本発明の排熱回収装置１１は、一般に入手可能な資材を組み合わせるのみで製造することが可能であり、地球上の僻地であってもこの形態を再現することが可能であり、もって広い意味でのＣＯ２削減に寄与することが可能である。

「本発明の排熱回収装置１１を、工業用途内の中性油脂の脱脂洗浄工程において使用した結果、以下のとおりとなった。

使用液体を官営の上水道から毎分秒４リットル給水し、これを市販の電気ヒーターにて６０℃まで昇温して洗浄対象部品を洗浄し、洗浄後の温排水を、本発明の排熱回収装置に接続した。本発明の排熱回収装置の規格を、排液槽容量２０リットル、熱交換コイル呼び径２０ｍｍ、コイル長１０ｍの条件とした。その結果、本発明の排熱回収装置の設置費用は、市販の排熱回収装置の３０分の１で済み、かつ、洗浄工程に給水される市水を昇温するために用いていた電気ヒーターの消費電力は、５４％削減することができた。

１ 排液槽、２－１ 使用液体ＩＮ配管、２－２ 熱交換コイル（熱交換部）、２－３ 熱交換コイル（１本構造）、３－１ 断熱管（接続構造）、３－２ 断熱管（切り欠き構造）、３－３ 断熱管切り欠き、３－４ 使用液体ＩＮ配管接続口、３－５ 熱交換コイル（熱交換部）接続口、４ 架台、５ 立ち上げ配管、６ 温排液ＩＮ、７ 使用液体ＩＮ、８ 昇温された使用液体ＯＵＴ、９ 温排液ＯＵＴ、１０ 電気ヒーター、１１ 本発明の排熱回収装置、１２ 逆止弁、１３ 三方弁、１４ ポンプ、１５ 洗浄装置

Claims (5)

1. 排液槽（１）と、使用液体ＩＮ配管（２－１）並びに熱交換コイル（２－２）と、断熱管（３－１）と、高さ調整可能な架台（４）と、立ち上げ排液配管（５）を備え、
   前記排液槽（１）は底部に第１の接続口を有し、
   前記立ち上げ排液配管（５）は前記排液槽（１）の前記第１の接続口に接続され、前記排液槽（１）の上部付近まで立ち上がり、さらに下方へ立ち下がる形状をとり、
   前記高さ調整可能な架台（４）は前記排液槽（１）と前記立ち上げ排液配管（５）を保持し、
   前記断熱管（３－１）は前記排液槽（１）内に配置され、円筒形状であるとともに、下面の中央に第２の接続口（３－４）をもち、かつ第３の接続口（３－５）をもつ、
   前記使用液体ＩＮ配管（２－１）は前記第２の接続口（３－４）に接続され、これにより前記排液槽（１）からは前記断熱管（３－１）によって隔離された 形で配置され、
   前記熱交換コイル（２－１）は前記第３の接続口（３－５）に接続され、かつ前記断熱管（３－１）の外周を巻回しつつ上方に向かう螺旋形状をとり、
   温排液（６）は前記排液槽（１）と前記断熱管（３－１）との間に注がれ、前記立ち上げ排液配管（５）の高さまで前記温排液（６）が満たされたのち、前記温排液（６）は自重により前記排液槽（１）から排液（９）として排出され、使用液体（７）は前記使用液体ＩＮ配管（２－１）に供給され、前記第２の接続口（３－４）と前記第３の接続口（３－５）を通り、前記温排液（６）に浸漬された前記熱交換コイル（２－２）の内部を通過することで、昇温された使用液体ＯＵＴ（８）として取り出される液体間の排熱回収装置。
2. 前記排液槽（１）が、ステンレス鋼製の槽であり、前記排液槽（１）の外側には断熱処理が施されたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 前記熱交換コイル（２－２）が、ステンレス製フレキシブル管によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
4. 前記断熱管（３－１）は、保温性の高い素材で形成されており、前記排液槽（１）内に配置され、使用液体ＩＮ配管との第２の接続口（３－４）と前記熱交換コイル（熱交換部）との第３の接続口（３－５）を備え、温排液（６）と前記使用液体ＩＮ配管（２－１）とを断熱することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
5. 前記高さ調整可能な架台（４）は溝付きアルミフレームと締結用ナットとボルトで構成され、前記排液槽（１）と前記立ち上げ排液配管（５）をあわせて保持し、かつ前記排液槽（１）と前記立ち上げ排液配管（５）の高さを調整することを可能とする構造を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の排熱回収装置。