JP2006118802A - 温水器 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室内に送水管を螺旋状に配置し、その螺旋を多重構造として、効率的な熱交換を可能とし、さらに、水素ガスを熱源とすることによって、高熱でしかもクリーンな燃焼環境を実現した温水器を提供する。
【解決手段】 燃焼室内に燃料を噴射するノズルと、燃焼室内に配置されて、ノズルからの噴射火炎を取り巻く状態で配置された送水管を備え、火炎からの熱を受けて、高温水または蒸気を得る温水器において、前記送水管は、火炎に近接する内周の螺旋環と、その内周の螺旋環の外側を取り巻く、外周の螺旋環を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼室内に送水管を螺旋状に配設した温水器に関する。

一般的に、プラント施設、工場、大型ビル、商業施設では集約した給湯設備を備え、これらの熱源として重油、灯油、ガス等を使用し、灯油ボイラー、ガスボイラー等によって、水を加熱して高温水を発生する構成となっている。
また、温水ボイラーから発生した蒸気は、施設における作業用、加熱用、および一般暖房用など、または、蒸気タービンなどの原動機を動かしたりする動力源としても利用される。
これらボイラーの燃焼方法としては、燃料と空気を異なる噴出口から供給し、燃焼室内で混合させながら燃焼させる拡散燃焼と、燃料と空気を混合させた後燃焼させる予混合燃焼が採用されている。
拡散燃焼では、燃焼室内での燃料と空気が均一に混合されずに、空気比が希薄な領域が必ず存在するため、ＮＯｘの低減が一般に困難であるとされる。
一方、予混合燃焼では、燃料と空気が十分に混合されるため、燃焼の反応領域を小さくすることが可能であり、火炎を短くすることができ、また、従来よりも高負荷燃焼できるという利点を有している。そして、燃料稀薄予混合燃焼法を用いることにより、拡散燃焼に比べてＮＯｘ排出量が低減されるという利点を有している。
このような、予混合燃焼によりＮＯｘを低減させる燃焼機に関する技術として特開平５−１０６８０６号公報記載の技術が知られている。
特開平５−１０６８０６号公報

しかしながら、前記特開平５−１０６８０６号公報記載の技術は、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油、アルコール等の液体化石燃料のみを使用する構成であるため、排出されるＮＯｘを低減するといっても、そのレベルには限界があり、相当量の濃度のＮＯｘの発生は避けられない。
そこで、本願出願人は、先に、燃焼室内に螺旋状の送水管を配設して、水素ガスを燃焼させることによって、温水を得る技術として、特願２００３−１３４９４１号を出願している。
前記特願２００３−１３４９４１号記載の技術は、水素ガスを燃焼させることによって、有害な排気ガスを低減し、水の熱交換を行う技術であるが、本願は、さらに、この技術に改良を加え、効率的に温水または蒸気を得るようにしたものである。
すなわち、本願の目的とするところは、燃焼室内に送水管を螺旋状に配置し、その螺旋を多重構造として、効率的な熱交換を可能とし、さらに、水素ガスを熱源とすることによって、高熱でしかもクリーンな燃焼環境を実現した温水器を提供することにある。

前記目的を達成するための手段として、請求項１記載の温水器では、燃焼室内に燃料を噴射するノズルと、燃焼室内に配置されて、ノズルからの噴射火炎を取り巻く状態で配置された送水管を備え、火炎からの熱を受けて、高温水または蒸気を得る温水器において、前記送水管は、火炎に近接する内周の螺旋環と、その内周の螺旋環の外側を取り巻く、外周の螺旋環を有して構成されている。

請求項２記載の温水器では、請求項１記載の温水器において、前記螺旋環は、火炎に近接する内側の螺旋環と、その外周を取り巻く中間の螺旋環と、さらにその外周を取り巻く外側の螺旋環によって、３重構造とされている。

請求項３記載の温水器では、請求項２記載の温水器において、前記螺旋環は送水管が螺旋状に回転しながら環状に構成され、そして、螺旋環には送水管と送水管の間に所定間隔で隙間が構成され、そして、その隙間に面して、外周の送水管が螺旋状に配設されている。

請求項４記載の温水器では、請求項１〜３いずれか記載の温水器において、螺旋環を水平方向に配置し、その水平方向の環状部分に向かって水平方向にノズルから水素燃料を噴射する構成とした。

請求項５記載の温水器では、請求項１〜４いずれか記載の温水器において、灯油、重油、軽油等の液体化石燃料と空気を混合し、その混合燃料を噴射する液体燃料噴射ノズルと、水素ガスと酸素を混合し、その混合水素ガスを噴射する水素ガス噴射ノズルとを備え、前記液体燃料噴射ノズルからの噴射燃料を燃焼させて火炎を形成し、その火炎に向かって水素ガス噴射ノズルから混合水素ガスを噴射燃焼させる構成とした。

請求項６記載の温水器では、請求項５記載の温水器において、液体燃料噴射ノズルを水平に配置し、その液体燃料噴射ノズルからの噴射燃料に交差するように、前記液体燃料噴射ノズルの上方から斜め下方に向かって混合水素ガスを噴射する構成とした。

本発明では、前記構成を採用したことにより、次の効果を奏する。
請求項１記載の温水器においては、燃焼室内に多重構造の送水管（螺旋環）を配置したので、内周の螺旋環と、外周の螺旋環が多重的に熱を吸収する。そのため、燃焼室内に対流する熱が効率的に吸収される。

請求項２記載の温水器においては、火炎に近接する内側の螺旋環と、その外周を取り巻く中間の螺旋環と、さらにその外周を取り巻く外側の螺旋環によって、３重構造としたので、これらの３つの螺旋環が効率的に熱を吸収する。また、熱の吸収効率が増加するために、燃焼室を縮小することが可能となり、同一規模の燃焼室であっても、従来に比べ短時間で高温水の生成が可能となる。

請求項３記載の温水器においては、送水管と送水管の間に所定間隔で隙間を形成したので、その隙間を通して外周の螺旋環に熱が伝達される。また、隙間に面して、外周の送水管を配設したので、隙間から直接、火炎の熱が照射される。

請求項４記載の温水器においては、水素燃料を使用する構成としたので、灯油、重油、軽油等の液体化石燃料に比較して、高温の火炎を得ることができる。
また、水素燃料は爆発力が強いため、水平方向へ火炎が延びて燃焼室を均一に加熱する。
また、水平方向へノズルを配置するので、ノズルにカーボン等の異物が詰まるおそれがない。

請求項５記載の温水器においては、液体化石燃料と水素ガスを同時に燃焼させる構成としたので、水素ガスの燃焼が液体化石燃料の燃焼を補助し、不完全燃焼による排気のオイル臭、排煙を低減する。
また、水素ガスの燃焼は直線的であるが、液体化石燃料と共に燃焼させることにより、火炎が燃焼炉内に広がり、炉内全体を加熱し、熱交換性を向上させる。
さらに、水素ガスの燃焼により発生熱量が増大し、水素ガスの爆発力により、火炎長・加熱炉を水平に長く確保して熱交換面積を広く確保することができる。

請求項６記載の温水器においては、液体燃料噴射ノズルの上方から斜め下方に向かって水素ガスを噴射する構成としたので、水素ガスの燃焼が液体化石燃料の燃焼を補助しながら、それらが協働して燃焼効果を発揮する。
また、水素ガスの爆発力により、火炎が水平に維持される。
特に、ブラウンガスを使用することにより、化石燃料が完全燃焼に近く、クリーンな排気となり、スス（カーボン）が減少し、メンテナンス面からも省エネとなる。

以下、図面に基づいて本発明の水素ガス燃焼機を実現する最良の形態を説明する。

本発明の温水器は、図１に示すように、水平方向に伸びる円筒形の燃焼室１（燃焼筒）と、燃焼室１の基端側から挿入された液体燃焼噴射ノズル２と、同じく、燃焼室１の基端側から挿入されて、燃焼ガス噴射ノズル２の上側に並設挿入された水素ガス噴射ノズル３と、燃焼室１の先端に接続された排気口４と、燃焼室内に配置された螺旋状の送水管５を主要な構成としている。

前記燃焼室１の基部には一次燃焼室６が配置され、耐火性の砕石とアルミナ質の水硬セメントのような結合剤を混合生成したキャスタブル７によって耐熱構造となっている。
一次燃焼室の外側径は５００ｍｍ、キャスタブルの厚さは約６０ｍｍ、長さは６００ｍｍの形状となっている。
一次燃焼室に続く二次燃焼室８は内直１０００ｍｍ、長さ１７００ｍｍの円筒形の耐熱性セメント（キャスタブル７）によって構成されている。この二次燃焼室８の基部には一次燃焼室６が接続され、先端には排気口４が接続されている。
一次燃焼室６ではノズルから噴射される燃料に点火し、二次燃焼室８ではその火炎が広がり、送水管５が加熱される。
また、この火炎は内側の螺旋環９の中心を目がけて噴射される。

前記送水管５は燃焼室内で螺旋状に回転しながら配置され、内側の螺旋環９と、その外周を通過する中間の螺旋環１０と、さらにその外周を通過する外側の螺旋環１１を構成している。
これらの螺旋環は燃焼筒内に沿って、環が水平方向に３重に重なっている。
送水管５は内径２３ｍｍ、外形２７ｍｍの耐熱性合金によって構成され、内側の螺旋環９の環径は３３０ｍｍ、中間の螺旋環１０の環径は５５０ｍｍ、外側の螺旋環１１の環径は６３０ｍｍとなっている。
これらの螺旋環を構成する送水管は一連の連続管によって構成され、燃焼室の外から、ポンプによって圧力を掛けて水を送り込むと、外側の螺旋環１１から、中間の螺旋環１０へ、そして、最終的に内側の螺旋環９を通過して、熱交換を受けて、高温水または蒸気として取り出される。

外側の螺旋環１１の送水口１２から送り込まれた水は、燃焼室の基部方向から、送水管内を螺旋状に流れて、徐々に燃焼室１の後方へ進行する。
後方へ達した水は、一旦燃焼室の外へ取り出された後、循環路１３を通過して、再び燃焼室の基部方向へ戻され、そこから、中間の螺旋環１０へ送り込まれる。
次に、中間の螺旋環１０を通過して、徐々に燃焼室１の後方へ進行する。
後方へ達した水は、一旦燃焼筒の外へ取り出された後、循環路１４を通過して、再び燃焼室の基部方向へ戻され、そこから、内側の螺旋環９へ送り込まれる。
内側の螺旋環９では、最も火炎に近接するので、そこを通過する際に、高温水となり、後方の排出口１５から取り出され、各所に配送される。
このように、ポンプによって圧を掛けられた水は外側の螺旋環１１から中間の螺旋環１０、内側の螺旋環９を通過して最終的に、高温水として取り出される。

内側の送水管５は所定ピッチで回転して螺旋環９を構成し、その螺旋環９には、送水管と送水管の間に隙間１６が形成されている。送水管５の外径は２７ｍｍであり、この隙間も同様の２７ｍｍ程度の幅に形成されている。そして、その隙間１６に面して外側に送水管が通過している。
すなわち、隙間１６に沿ってその外側に送水管５が通過しているので、隙間１６を通して火炎の熱が直射され、効率的に熱が吸収される。
また、外側の螺旋環１１は、中間の螺旋環１０の隙間に沿ってその外側に送水管５が通過している。
このように、内側、中間、外側のそれぞれの螺旋環が交互に交差するように、配置されている。この交差する隙間１６から熱が伝導されて、外側の螺旋環１１まで効率的に熱が伝導される。

前記一次燃焼室６の基部の中央には液体燃料噴射ノズル２が水平に挿入され、そのノズル２からは燃焼室１の中心へ液体燃料が噴射される。
これらの液体燃料は重油、灯油、軽油等の液体化石燃料を使用することができ、液体燃料を霧状とした後に、空気と混合して、圧力を掛けて噴射する。

前記水素ガス噴射ノズル３は液体燃料噴射ノズル２の上側から、斜め下方に向かって挿入され、水素ガス噴射ノズル３の噴出口は液体燃料噴射ノズルからの火炎の根元部分に位置している。
水素ガス噴射ノズル３からはブラウンガスが噴射され、液体燃料噴射ノズル３からの噴射火炎に接触して、火炎が水平方向に噴射しながら、共に燃焼する。これらの火炎は内側の螺旋環の中心部分へ噴射される。

ここで、ブラウンガスとは、水素及び酸素ガスをそのモル比が水素：酸素で２：１となるように均一に混合して得られたガスである。このブラウンガスの燃焼により生じる炎は、その周囲の温度が火炎では２０００〜２５００℃と非常に高く、これより遠ざかると温度が急激に低くなる性質を有している。また、ブラウンガスは燃焼後には水蒸気となる。

次に、本発明の温水器の作用を説明する。
灯油、重油、軽油等の液体化石燃料を霧化して空気と混合し、圧力を掛けて液体燃料噴射ノズル２から噴射する。噴射すると同時に、点火装置によって燃焼し、火炎を形成する。
次に、水素ガス噴射ノズル３からブラウンガス（水素ガス）を噴射する。この水素ガス噴射ノズル３は液体燃料噴射ノズル２の上から噴射燃料をゆるい角度で横切るように噴射されるので、液体燃料の火炎の噴出し部分に接触して、共に燃焼する。
前記水素ガスは燃焼により高熱を発し、液体燃料の燃焼を補助する。また、水素ガスの燃焼は直線的であるが、液体燃料との接触により、内側の螺旋環９に火炎が広がり、内側の螺旋環９を全体的に加熱する。

燃焼室内では、螺旋環が３重に配設されているので、外側の螺旋環１１では、燃焼室内に滞留する熱気によって、緩やかに加熱される。
そして、やや加熱された水は次に、中間の螺旋環１０に送り込まれ、ここでは、火炎に近づくので、火炎からの放射熱によって、さらに加熱される。
そして、中間の螺旋環１０で加熱された温水は最終的に、内側の螺旋環９に送り込まれ、ここで、７５℃〜９０℃へ最終的に、加熱される。
このように、３重の螺旋環を通過しながら、熱交換を受けるので、熱利用を効率的に行うことができ、従来では、７５℃〜９０℃の高温水を得るためには、同規模の熱量を発するバーナーでは、長い燃焼室と、それに沿った螺旋環が必要であったところ、本発明では、３重構造とすることにより、熱交換を行う接触面積が増大し、螺旋環の距離を短縮し、小さな燃焼室によって実現する事が可能となった。
また、螺旋環は内側、中間、外側へそれぞれ、火炎の熱を受ける面が交差して配置されているので、隙間を通して効率的に熱が伝達される。
従来では、内側の螺旋環９に相当する部位を長く確保しなければ、高温水を得ることができなかったが、本発明では、中間の螺旋環１０及び外側の螺旋環１１によって、予め暖水が生成されるので、その暖水を最終的に内側の螺旋環によって高温へ加熱するので、短い距離によって高温水の生成が可能となる。

次に、第２実施例の温水器について説明する。
尚、本実施例の説明において、前記実施例と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明は省略する。
第２実施例の温水器は、燃焼室１を縦置き型として、噴射ノズル２，３を下から上へ噴射する構成としたものである。
そして、その構成は、図２に示すように、垂直方向に伸びる円筒形の燃焼室１（燃焼筒）と、燃焼室１の基端側から挿入された液体燃焼噴射ノズル２と、同じく、燃焼炉の基端側から挿入されて、燃焼ガス噴射ノズル２の側方に並設挿入された水素ガス噴射ノズル３と、燃焼室の先端に接続された排気口４と、燃焼室内に配置された螺旋状の送水管５を主要な構成としている。
本実施例では、前記第１実施例と同様に、内側の螺旋環９と、中間の螺旋環１０と、外側の螺旋環１１を有して構成され、それらを水が通過しながら、熱交換されて、最終的に、内側の螺旋環９によって蒸気を得る構成である。
下方から圧を掛けて送水された水が外側、中間、内側へと、螺旋環をそれぞれ上昇しながら熱交換を受け、最終的に、内側の螺旋環によって高熱とされ、蒸気を発する。
送水口１２から、ポンプによって圧力を掛けて水を送り込むと、外側の螺旋環１１から、中間の螺旋環１０へ、そして、最終的に内側の螺旋環９を通過して、熱交換を受けて排出口１５から蒸気として取り出される。
一般的に、水が沸騰すると蒸気となって上昇するが、本実施例のような縦型では、沸騰蒸気が、その圧力により自然に送水管内を上昇する。
したがって、蒸気を得るのに適した装置となっている。

以上、本発明の実施例を説明したが、具体的な構成は前記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、液体燃料噴射ノズル及び水素ガス噴射ノズルの形状、挿入位置等については、燃焼炉の機構等に応じて適宜設定を行う。
前記実施例で説明した燃料としては、水素ガス単体、または石炭を液状化し、あるいは石炭粉末を液体燃料に混合して、燃料を使用することも可能である。
また、螺旋環を３重としたが、さらに多重構造とする場合であっても本発明に含まれる。

第１実施例に係る温水器の概略断面図である。 第１実施例に係る温水器の概略断面図である。

符号の説明

１ 燃焼室
２ 液体燃料噴射ノズル
３ 水素燃料噴射ノズル
４ 排気口
５ 送水管
６ 一次燃焼室
７ キャスタブル
８ 二次燃焼室
９ 内側の螺旋環
１０ 中間の螺旋環
１１ 外側の螺旋環
１２ 送水口
１３ 循環路
１４ 循環路
１５ 排出口
１６ 隙間

Claims (6)

1. 燃焼室内に燃料を噴射するノズルと、燃焼室内に配置されて、ノズルからの噴射火炎を取り巻く状態で配置された送水管を備え、火炎からの熱を受けて、高温水または蒸気を得る温水器において、
   前記送水管は、火炎に近接する内周の螺旋環と、その内周の螺旋環の外側を取り巻く、外周の螺旋環を有して構成されたことを特徴とする温水器。
2. 前記螺旋環は、火炎に近接する内側の螺旋環と、その外周を取り巻く中間の螺旋環と、さらにその外周を取り巻く外側の螺旋環によって、３重構造とされていることを特徴とする請求項１記載の温水器。
3. 前記螺旋環は送水管が螺旋状に回転しながら環状に構成され、そして、螺旋環には送水管と送水管の間に所定間隔で隙間が構成され、そして、その隙間に面して、外周の送水管が螺旋状に配設されていることを特徴とする請求項２記載の温水器。
4. 螺旋環を水平方向に配置し、その水平方向の環状部分に向かって水平方向にノズルから水素燃料を噴射する構成とした請求項１〜３いずれか記載の温水器。
5. 灯油、重油、軽油等の液体化石燃料と空気を混合し、その混合燃料を噴射する液体燃料噴射ノズルと、
   水素ガスと酸素を混合し、その混合水素ガスを噴射する水素ガス噴射ノズルとを備え、
   前記液体燃料噴射ノズルからの噴射燃料を燃焼させて火炎を形成し、その火炎に向かって水素ガス噴射ノズルから混合水素ガスを噴射燃焼させる構成とした請求項１〜４いずれか記載の温水器。
6. 液体燃料噴射ノズルを水平に配置し、その液体燃料噴射ノズルからの噴射燃料に交差するように、前記液体燃料噴射ノズルの上方から斜め下方に向かって混合水素ガスを噴射する構成とした請求項５記載の温水器。
   

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