JP2004125267A

JP2004125267A - 燃焼装置

Info

Publication number: JP2004125267A
Application number: JP2002289775A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Fukuzawa; 福澤　清
Original assignee: Gastar Co Ltd
Current assignee: Gastar Co Ltd
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: JP3848912B2

Abstract

【課題】使用状況に応じた結露限界で運転することのできる燃焼装置を提供する。
【解決手段】熱交換器３０を迂回するバイパス路４３と、バイパス路に流れる流体の流量を制御する流量制御手段４４、１０２と、結露が生じない範囲における熱交換器の出口温度の下限温度を導出する結露下限温度導出手段１０３とを有し、結露下限温度導出手段は、バーナに供給する燃料の量とバーナに供給する給気量とバーナに供給する給気の湿度とから前記下限値を求め、流量制御手段は、熱交換器の出口温度が前記下限値になるように、バイパス路への流量を制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を燃焼させるバーナと、その排気経路に配置された熱交換器とを有する燃焼装置にかかわり、特に、結露を防止しつつ熱効率を改善した燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスや石油等の燃料を燃焼させ、その排気経路に熱交換器を配置して熱回収を行う給湯器等の燃焼装置では、熱交換器の受熱管を通る被加熱流体の入口温度に対する出口温度の上昇が少ないほど高い熱効率を得ることができる。つまり、被加熱流体の流量を多くして温度上昇を少なく抑えた方が熱効率が良い。
【０００３】
一方、ガスや石油を燃焼させた排気には多量の水蒸気が含まれるので、出口温度をあまり低くすると、熱交換器のフィン部分で結露が生じる。この結露は、排気中の窒素酸化物によって強酸性になっているので腐食の原因になる。したがって、結露の生じない範囲で、出口温度をできる限り低くすることが望ましい。
【０００４】
たとえば、熱交換器を迂回するバイパス路と、このバイパス路側に流す流量を調整する流量制御弁と、熱交換器の出口における被加熱流体の温度を検出する温度センサとを設け、これが検出する温度に応じてバイパス路側へ流す被加熱流体の流量を調整することによって、熱交換器のフィン部分を露点温度以上に維持するようにした装置がある（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３０４６８７号公報（第００１４段落、第００１５段落）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
熱交換器からの出口温度に基づいてバイパス路に流す流量を調整すれば、結露を防止することは可能である。しかし、露点は、燃焼させる燃料の量や給気の温度等によって変化するので、目標とする出口温度を固定的に設定した場合には、最も結露の発生し易い条件を想定して、比較的、高めの出口温度を採用しなければならない。このため、実際に結露が生じる温度よりも高い出口温度で運転する場合が多くなり、充分に高い熱効率を得ることができなかった。
【０００７】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、使用状況に応じた結露限界で運転することのできる燃焼装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。
［１］燃料を燃焼させるバーナ（２０）と、その排気経路に配置された熱交換器（３０）とを有する燃焼装置において、
前記熱交換器（３０）を迂回するバイパス路（４３）と、前記バイパス路（４３）に流れる流体の流量を制御する流量制御手段（４４、１０２）と、結露下限温度導出手段（１０３）とを有し、
前記結露下限温度導出手段（１０３）は、前記バーナ（２０）に供給する燃料の量と前記バーナ（２０）に供給する給気の量と前記バーナ（２０）に供給する給気の湿度とから、前記熱交換器（３０）で結露が生じない範囲における前記熱交換器（３０）の出口温度の下限値を求め、
前記流量制御手段（４４、１０２）は、前記熱交換器（３０）の出口温度が前記下限値になるように、前記バイパス路（４３）への流量を制御する
ことを特徴とする燃焼装置。
【０００９】
［２］前記結露下限温度導出手段（１０３）は、給気の湿度に代えて、給気の温度からその温度における湿度を仮定して前記下限値を求める
ことを特徴とする［１］に記載の燃焼装置。
【００１０】
［３］前記バーナ（２０）に供給する燃料の量と前記バーナ（２０）に供給する給気の量と前記バーナ（２０）に供給する給気の温度または湿度の値の各種組合せに対する前記下限値を予め求めて記憶した記憶手段（１０４）を有し、
前記結露下限温度導出手段（１０３）は、前記記憶手段（１０４）を参照して前記下限値を求める
ことを特徴とする［１］または［２］に記載の燃焼装置。
【００１１】
次に、前記各項に記載された発明の作用について説明する。
［１］に記載の発明では、バーナ（２０）に供給する燃料の量とバーナ（２０）に供給する給気量とバーナ（２０）に供給する給気の湿度とから、熱交換器（３０）で結露が生じない範囲における熱交換器（３０）の出口温度の下限値を求め、熱交換器（３０）の出口温度がこの下限値になるように、バイパス路（４３）への流量を制御している。
【００１２】
メタンやブタンなどの燃料を燃焼させた際に発生する水蒸気量は、燃焼させた燃料の種類とその量によって定まる。したがって、単位時間に燃焼させた燃料の量と単位時間あたりの給気量とその給気に元々含まれていた水蒸気量（湿度）とから、単位量あたりの排気に含まれる水蒸気量（排気の湿度）が判り、これらから排気の結露下限温度を求めることができる。
【００１３】
また熱交換器（３０）の出口温度と、最も結露の生じやすい熱交換器（３０）のフィン部分における温度との間には相関がある。そこで、燃料の量と給気の量と給気の湿度とに基づいて、その運転状況下で結露の生じない範囲における出口温度の下限値を求め、当該出口温度になるように、バイパス流量を制御すれば、排気が結露下限温度ぎりぎりまで下がる状態で運転することができる。これにより、結露を防止しつつ熱効率を最大にすることができる。なお器具からの総吐出量、すなわち、熱交換器（３０）の受熱管からの流体とバイパス路からの流体とが合流した後の流量は一定なので、バイパス流量を増減させると、熱交換器（３０）側の流量が相対的に増減し、その結果、熱交換器（３０）の出口温度が変化するようになっている。
【００１４】
［２］に記載の発明では、給気の温度を測定し、その温度における給気の湿度を仮定して結露の生じない範囲における出口温度の下限値を求める。温度は湿度に比べて容易に測定でき、装置の構成が簡略化される。たとえば、夏場では湿度は９０％近くになることがあり、冬場は８０％を越えることは少ないので、理科年表やその他資料を参照して給気温度から適当な湿度を仮定する。または湿度として飽和状態の値を用いてもよい。最も条件の厳しい、飽和状態を仮定すれば、湿度に代えて温度を用いても、結露の発生を確実に防止できる。
【００１５】
［３］に記載の発明では、バーナ（２０）に供給する燃料の量とバーナ（２０）に供給する給気の量とバーナ（２０）に供給する給気の温度または湿度の値の各種組合せに対する前記下限値を予め求めて記憶手段（１０４）に記憶しておく。結露下限温度導出手段（１０３）は、運転時にこの記憶手段（１０４）を参照して下限値を求める。これにより、演算で求める場合に比べて、下限値を求める処理を高速かつ容易に行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施の形態にかかる燃焼装置としての給湯器１０の概略構成を模式的に示している。給湯器１０は、給水を設定温度に加熱して出湯する機能を有する。給湯器１０は、バーナ２０と、その下方から燃焼用の空気（給気）を送り込む燃焼ファン１２と、バーナ２０の上方（排気下流側近傍）に配置された熱交換器３０と、給湯器１０の各種制御を行う制御部１００を有している。
【００１７】
バーナ２０には、燃焼ガスを供給するガス供給管２１が接続されている。ガス供給管２１の途中には、バーナ２０に供給する燃焼ガスの流量を調整するガス比例弁２２が介挿されている。
【００１８】
熱交換器３０は、多数のフィン３１と、このフィン３１の取り付けられた受熱管３２とから構成され、受熱管３２の入側には給水管４１が、出側には、給湯管４２がそれぞれ接続されている。給水管４１と給湯管４２の間は、熱交換器３０の受熱管３２を迂回するためのバイパス路４３で接続されている。バイパス路４３の途中には、流量制御弁４４が介挿されている。
【００１９】
給水管４１には、給水の温度を検出する入水温度センサ５１が設けてある。熱交換器３０を経由する受熱管３２の出口近傍には、熱交換器３０から給湯管４２へ流出する流体の温度（出口温度）を検出するための熱交出口温度センサ５２が設けてある。バイパス路４３と給湯管４２との接続箇所の下流には、受熱管３２を経由した給水とバイパス路４３を経由した給水とが合流した後の水温を検出するための給湯温度センサ５３が設けてある。また燃焼ファン１２がバーナ２０へ供給する給気の温度を検出する給気温度センサ５４が設けてある。
【００２０】
制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを主要部として構成される。制御部１００には、図示省略の入出力Ｉ／Ｆを通じて、ガス比例弁２２、流量制御弁４４、各種温度センサ５１〜５４、燃焼ファン１２の駆動回路のほか各種の電気部品、電子部品が接続されている。制御部１００は、バーナ２０の燃焼を制御する燃焼制御部１０１と、流量制御弁４４の開度を調整する流量制御部１０２と、結露下限温度を導出する結露下限温度導出手段１０３としての機能を果たす。結露下限温度導出手段１０３は、各種パラメータの値の組合せと、目標とする出口温度との対応関係を予め記憶した記憶手段１０４を有している。
【００２１】
より詳細に説明すると、記憶手段１０４には、ガス比例弁２２の開度と燃焼ファン１２の風量と給気温度の値の組合せと、目標とする出口温度とを対応付けて登録した参照テーブルが記憶されている。目標とする出口温度は、予め行った実験によって求めた値である。すなわち、ガス比例弁２２の開度と燃焼ファン１２の風量と給気温度を様々に変化させ、それぞれの条件下でフィン３１の部分等で結露の生じない最も低い出口温度を実測し、それらの対応関係を参照テーブルとして記憶手段１０４に記憶してある。なお、実験で供給する給気の湿度は、飽和状態もしくはそれに近い状態（たとえば８０〜９０％）にしてある。
【００２２】
このほか制御部１００は、給湯器１０の動作を統括制御する機能を果たし、たとえば、通水を検知して点火したり、燃焼ファン１２の風量を制御したりする機能を有している。なお、流量制御手段は、流量制御弁４４と流量制御部１０２により構成される。
【００２３】
次に作用を説明する。
制御部１００の燃焼制御部１０１は、給湯動作中、設定温度の湯が出るように、バーナ２０に供給する燃焼ガスの量（ガス比例弁２２の開度）を調整するとともに、適切な空気比となるように燃焼ファン１２の風量を制御する。結露下限温度導出手段１０３は、現時点でのガス比例弁２２の開度と燃焼ファン１２の風量を表すデータを燃焼制御部１０１から受取る。これらと給気温度センサ５４の検出する温度とを入力パラメータとして記憶手段１０４を参照し、現在の運転状況に対応した結露下限温度を読み出し、その値を流量制御部１０２に与える。流量制御部１０２は、熱交出口温度センサ５２の検出する温度が結露下限温度導出手段１０３から入力された結露下限温度になるように流量制御弁４４の開度を調整する。
【００２４】
給湯管４２からの総吐出量が変化しなければ、流量制御弁４４を絞ってバイパス路４３に流れる流量を多くすると、その分、熱交換器３０の受熱管３２を流れる流量が少なくなり、熱交換器３０の出口温度（Ｔ１）が上がる。逆に流量制御弁４４を開いてバイパス路４３に流れる流量を少なくすると、その分、熱交換器３０側を流れる流量が多くなり、熱交換器３０の出口温度（Ｔ１）が下がる。このように、流量制御弁４４の開度を調整することで、熱交出口温度センサ５２の検出する出口温度は制御される。なお器具からの出湯温度（Ｔ２）は、バイパス路４３からの給水と混合されることにより、出口温度（Ｔ１）より低くなる。
【００２５】
目標の出口温度を運転状況に応じて逐次求め、実際の出口温度が目標の出口温度になるようにバイパス路４３の流量を制御することにより、出口温度を固定的に定める場合（通常、６０℃程度）に比べて、１０℃〜１５℃ほど低い温度（約４５℃）まで出口温度を下げることができた。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成はこれに限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があってもかまわない。たとえば、実施の形態では、給気の温度に基づき、その温度における湿度を仮定して目標の出口温度を求めたが、給気の湿度を実測するように構成してもよい。
【００２７】
実施の形態では、ガス比例弁２２の開度と燃焼ファン１２の駆動量（風量）と給気温度の値との組み合わせに対応する目標の出口温度を予め実験によって求め、参照テーブルとして記憶手段１０４に記憶するようにしたが、逐次、演算で求めるようにしてもよい。たとえば、上記の実験結果から目標の出口温度を得るための近似式を求めておき、運転時におけるガス比例弁２２の開度等をこの近似式に代入することで、目標の出口温度を求めるようにしてもよい。
【００２８】
また、記憶手段１０４に記憶する参照テーブルや上記の近似式を、燃焼に用いるガス種毎に用意し、使用されるガス種に応じて参照テーブルや近似式を切り換えて用いるようにすれば、多様な仕向地に対応することができる。
【００２９】
なお、実施の形態では、１つの熱交換器で熱回収を行うようにしたが、その下流に潜熱回収用の第２熱交換器を設置する構成としてもよい。この場合、本発明の技術を適用することにより、上流側の熱交換器を経由した排気の温度が、ほぼ結露限界まで下がっているので、第２熱交換器において効率良く潜熱回収を行うことができる。第２熱交換器を設ける場合、バイパス路４３は、上流側の熱交換器だけを迂回するものであっても、上流と下流の双方の熱交換器を迂回するものであってもよい。
【００３０】
本発明は給湯器に限らず、暖房装置等であってもかまわないし、バーナは、ガスを燃料とするもののほか、石油などの液化燃料を燃焼させるもの等であってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明にかかる燃焼装置では、使用状況に応じた結露限界で運転するので、結露を防止しつつ最大の熱効率を得ることができる。
【００３２】
給気の温度に基づいて湿度を仮定して、結露の生じない範囲における出口温度の下限値を求めるものでは、湿度センサに代えて温度センサを用いることができ、装置構成を簡略化できる。
【００３３】
パラメータの値の各種組み合わせに対応する下限値を予め求めて記憶手段に記憶しておき、運転時にこれを参照することで運転状況に対応した下限値を求めるものでは、演算で求める場合に比べて、下限値を求める処理を高速かつ容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る給湯器の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…給湯器
１２…燃焼ファン
２０…バーナ
２１…ガス供給管
２２…ガス比例弁
３０…熱交換器
３１…フィン
３２…受熱管
４１…給水管
４２…給湯管
４３…バイパス路
４４…流量制御弁
５１…入水温度センサ
５２…熱交出口温度センサ
５３…給湯温度センサ
５４…給気温度センサ
１０１…燃焼制御部
１０２…流量制御部
１０３…結露下限温度導出手段
１０４…記憶手段

Claims

燃料を燃焼させるバーナと、その排気経路に配置された熱交換器とを有する燃焼装置において、
前記熱交換器を迂回するバイパス路と、前記バイパス路に流れる流体の流量を制御する流量制御手段と、結露下限温度導出手段とを有し、
前記結露下限温度導出手段は、前記バーナに供給する燃料の量と前記バーナに供給する給気の量と前記バーナに供給する給気の湿度とから、前記熱交換器で結露が生じない範囲における前記熱交換器の出口温度の下限値を求め、
前記流量制御手段は、前記熱交換器の出口温度が前記下限値になるように、前記バイパス路への流量を制御する
ことを特徴とする燃焼装置。
前記結露下限温度導出手段は、給気の湿度に代えて、給気の温度からその温度における湿度を仮定して前記下限値を求める
ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記バーナに供給する燃料の量と前記バーナに供給する給気の量と前記バーナに供給する給気の温度または湿度の値の各種組合せに対する前記下限値を予め求めて記憶した記憶手段を有し、
前記結露下限温度導出手段は、前記記憶手段を参照して前記下限値を求める
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。