JP2007170733A - Latent heat recovery type heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼排気中の水蒸気を凝縮させて潜熱を回収するようにした潜熱回収型熱交換器に関する。 The present invention relates to a latent heat recovery type heat exchanger that recovers latent heat by condensing water vapor in combustion exhaust gas.
従来、この種の潜熱回収型熱交換器として、燃焼排気が流れる胴部内に蛇行形状の吸熱管を複数本配置し、これら吸熱管の一端部と他端部とを夫々流入側ヘッダと流出側ヘッダとに接続して、流入側ヘッダから流出側ヘッダにこれら吸熱管を介して被加熱流体を流し、燃焼排気中の水蒸気を吸熱管の外面で凝縮させて潜熱を回収するようにしたものは知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as this type of latent heat recovery type heat exchanger, a plurality of meandering endothermic tubes are arranged in a body portion through which combustion exhaust flows, and one end portion and the other end portion of these endothermic tubes are respectively connected to an inflow side header and an outflow side. Connected to the header, the fluid to be heated is flowed from the inflow side header to the outflow side header via these endothermic tubes, and water vapor in the combustion exhaust is condensed on the outer surface of the endothermic tube to recover the latent heat It is known (see, for example, Patent Document 1).
これを詳述するに、吸熱管は、燃焼排気の流れに平行な方向をX軸方向、X軸に直交する胴部の幅方向をY軸方向、X軸及びY軸に直交する方向をZ軸方向として、X軸方向に等ピッチで配置されるY軸方向に真直な複数の直管部とX軸方向に隣接する直管部同士を結ぶUターン部とを有する蛇行形状に形成されている。そして、複数本の吸熱管がZ軸方向に積層されると共に、Z軸方向に隣接する吸熱管同士がX軸方向に位置をずらして配置されている。ここで、Z軸方向に隣接する吸熱管同士のX軸方向のずれ量は各吸熱管の直管部のX軸方向の配置ピッチの1/2に設定され、Z軸方向に隣接する吸熱管の各直管部がX軸方向に等間隔で千鳥状に整列して配置される。 In detail, the endothermic tube has a direction parallel to the flow of the combustion exhaust in the X-axis direction, a width direction of the body perpendicular to the X-axis is the Y-axis direction, and a direction perpendicular to the X-axis and the Y-axis is Z As the axial direction, it is formed in a meandering shape having a plurality of straight pipe portions arranged in the X-axis direction at equal pitches and straight in the Y-axis direction and U-turn portions connecting the straight pipe portions adjacent in the X-axis direction. Yes. A plurality of endothermic tubes are stacked in the Z-axis direction, and the endothermic tubes adjacent in the Z-axis direction are arranged with their positions shifted in the X-axis direction. Here, the amount of deviation in the X-axis direction between the endothermic tubes adjacent in the Z-axis direction is set to ½ of the arrangement pitch in the X-axis direction of the straight tube portion of each endothermic tube, and the endothermic tubes adjacent in the Z-axis direction Are arranged in a staggered manner at equal intervals in the X-axis direction.
ところで、潜熱の回収効率を向上させるには、燃焼排気の流れを乱流化して、吸熱管の外表面に燃焼排気の滞留層を生じないようにし、更に、水蒸気の凝縮が進んだ燃焼排気の部分(乾排気部分)と水蒸気の凝縮が遅れている燃焼排気の部分(湿排気部分)との混合を促進し、燃焼排気の流れ方向下流側に位置する吸熱管の部分でも水蒸気が効果的に凝縮されるようにする必要がある。ここで、吸熱管の直管部が千鳥状に配置されていれば、燃焼排気の流れがある程度乱流化されるが、吸熱管の直管部が千鳥状ではあってもX軸方向に等間隔で整列して配置されると、燃焼排気の流れがそれなりに安定して、乾排気部分と湿排気部分との混合が不十分になりやすく、潜熱の回収効率を向上させるにも限度がある。
本発明は、以上の点に鑑み、乾排気部分と湿排気部分との混合を促進して、潜熱の回収効率を向上し得るようにした潜熱回収型熱交換器を提供することをその課題としている。 In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a latent heat recovery type heat exchanger that promotes mixing of a dry exhaust portion and a wet exhaust portion to improve the recovery efficiency of latent heat. Yes.
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼排気が流れる胴部内に、燃焼排気の流れに平行な方向をX軸方向、X軸に直交する胴部の幅方向をY軸方向、X軸及びY軸に直交する方向をZ軸方向として、X軸方向に等ピッチで配置されるY軸方向に真直な複数の直管部とX軸方向に隣接する直管部同士を結ぶUターン部とを有する蛇行形状の吸熱管が複数本収納され、これら吸熱管の一端部と他端部とを夫々流入側ヘッダと流出側ヘッダとに接続して、流入側ヘッダから流出側ヘッダにこれら吸熱管を介して被加熱流体を流し、燃焼排気中の水蒸気を吸熱管の外面で凝縮させて潜熱を回収するようにした潜熱回収型熱交換器であって、複数本の吸熱管がZ軸方向に積層されると共に、Z軸方向に隣接する吸熱管同士がX軸方向に位置をずらして配置されるものにおいて、Z軸方向に隣接する吸熱管同士のX軸方向のずれ量が各吸熱管の直管部のX軸方向の配置ピッチより小さな範囲で該配置ピッチの1/2以外の値に設定されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a body portion through which combustion exhaust flows, a direction parallel to the flow of combustion exhaust gas in the X axis direction, a width direction of the body portion orthogonal to the X axis in the Y axis direction, and the X axis. And a U-turn part connecting a plurality of straight pipe parts arranged in the X axis direction at equal pitches and straight pipe parts adjacent to each other in the X axis direction, with the direction perpendicular to the Y axis as the Z axis direction A plurality of meandering endothermic pipes are housed, and one end and the other end of each of the endothermic pipes are connected to the inflow side header and the outflow side header, respectively. A latent heat recovery type heat exchanger in which a fluid to be heated flows through a pipe and water vapor in combustion exhaust is condensed on the outer surface of the heat absorption pipe to recover latent heat, and a plurality of heat absorption pipes are arranged in the Z-axis direction. And the endothermic tubes adjacent in the Z-axis direction are shifted in the X-axis direction. In the arrangement, the amount of deviation in the X-axis direction between the endothermic tubes adjacent to each other in the Z-axis direction is in a range smaller than the arrangement pitch in the X-axis direction of the straight pipe portion of each endothermic tube. It is set to a value.
本発明によれば、Z軸方向に隣接する吸熱管の直管部同士のX軸方向間隔が狭くなる部分(狭間隔部分)と広くなる部分(広間隔部分)とがX軸方向に交互に並ぶ。そして、燃焼排気の流速が狭間隔部分では速く、広間隔部分では緩やかになり、この流速変化により広間隔部分で燃焼排気が拡散して、乾排気部分と湿排気部分との混合が促進される。その結果、燃焼排気の流れ方向下流側に位置する吸熱管の部分でも水蒸気が効果的に凝縮し、潜熱の回収効率が向上する。 According to the present invention, the portion where the X-axis direction interval between the straight tube portions of the endothermic tubes adjacent in the Z-axis direction becomes narrow (narrow interval portion) and the wide portion (wide interval portion) alternately in the X-axis direction. line up. The flow rate of the combustion exhaust gas is fast at the narrow interval portion and becomes gentle at the wide interval portion. Due to this change in the flow velocity, the combustion exhaust diffuses at the wide interval portion, and the mixing of the dry exhaust portion and the wet exhaust portion is promoted. . As a result, the water vapor is effectively condensed even in the endothermic tube portion located downstream in the flow direction of the combustion exhaust, and the recovery efficiency of latent heat is improved.
ところで、複数本の吸熱管の一端と他端の各端部は、胴部の側板に形成した各透孔を通して流入側と流出側の各ヘッダに接続される。そして、これら吸熱管の各端部間の隙間が狭くなると、側板に形成する透孔間の隙間も狭くなり、側板の強度が不足する。この場合、透孔の孔径を小さくして、透孔間の隙間を広くすれば良いが、これでは、吸熱管の各端部を透孔に合わせて縮径するスウェージング加工を施すことが必要になり、コストが高くなる。 By the way, the end portions of one end and the other end of the plurality of heat absorption tubes are connected to the headers on the inflow side and the outflow side through the respective through holes formed in the side plate of the body portion. And if the clearance gap between each edge part of these heat absorption tubes becomes narrow, the clearance gap between the through-holes formed in a side plate will also become narrow, and the intensity | strength of a side plate will be insufficient. In this case, it is only necessary to reduce the hole diameter of the through holes and widen the gap between the through holes. However, in this case, it is necessary to perform a swaging process that reduces the diameter of each end of the heat absorption tube to match the through holes. Cost.
このことを考慮すると、Z軸方向に隣接する吸熱管同士のX軸方向のずれ量は各吸熱管の直管部のX軸方向の配置ピッチの1/2より大きな値に設定されていることが望ましい。これによれば、複数本の吸熱管の一端と他端の各端部間の隙間が広くなり、胴部の側板に形成する透孔の孔径を小さくしなくても、透孔間の隙間をヘッダの強度不足を生じない程度に広く確保できる。従って、吸熱管の各端部を縮径するスウェージング加工が不要になり、コスト的に有利である。 In consideration of this, the amount of deviation in the X-axis direction between the endothermic tubes adjacent in the Z-axis direction is set to a value larger than ½ of the arrangement pitch in the X-axis direction of the straight pipe portion of each endothermic tube. Is desirable. According to this, the gap between the end portions of the plurality of endothermic tubes is widened, and the gap between the through holes can be reduced without reducing the hole diameter of the through holes formed in the side plate of the trunk portion. It can be secured widely enough not to cause insufficient strength of the header. This eliminates the need for swaging for reducing the diameter of each end of the endothermic tube, which is advantageous in terms of cost.
図1を参照して、1は給湯器の外装ケースであり、外装ケース1内に、バーナ(図示せず)を内蔵する燃焼筐2と、燃焼筐2の上方の主熱交換器3と、主熱交換器3の上方の副熱交換器4とを配置している。また、燃焼筐2の下側には、燃焼筐2内に燃焼用空気を供給する燃焼ファン5が配置されている。
Referring to FIG. 1,
主熱交換器3は、バーナの燃焼排気が流れる胴部30内に前後方向(図1の紙面垂直方向)の隙間を存して積層した多数の吸熱フィン(図示せず)と、これら吸熱フィンを貫通する前後方向に長手の複数本の吸熱管31とを備えている。そして、胴部30の前後の板の外面において、図1、図2に示す如く、主熱交換器3の吸熱管31を2本宛Uベント32を介して接続し、上流端の吸熱管31−Sから下流端の吸熱管31−Eに至る一連の熱交換水路を構成している。主熱交換器3の上流端の吸熱管31―Sには副熱交換器4を介して給水管K1が接続され、下流端の吸熱管31―Eには出湯管K2が接続されている。そして、出湯管K2の下流端の出湯栓(図示せず)が開かれて副熱交換器4及び主熱交換器3に通水されたとき、バーナに点火されて、副熱交換器4及び主熱交換器3で加熱された温水が出湯栓から出湯されるようにしている。
The
副熱交換器4は潜熱回収型熱交換器であり、図2、図3に示す如く、胴部40内に配置した蛇行形状の複数本(本実施形態では6本)の吸熱管41を備えている。胴部40は底板部401を有しており、底板部401の後部に排気導入口402が開設されている。そして、主熱交換器3を通過したバーナの燃焼排気が主熱交換器3上の排気フード33を介して排気導入口402から胴部40内に流入するようにしている。また、胴部40の前面には排気排出口403が設けられており、胴部40内に排気排出口403に向けて燃焼排気が流れる。尚、底板部401と胴部40の上面とは前下がりに傾斜しており、燃焼排気は、前下がりに傾斜した図2のX軸に平行な方向に流れる。
The
胴部40の横方向一側の側板404の外面には、X軸方向前方に位置する流入側ヘッダ421と、X軸方向後方に位置する流出側ヘッダ422とが取り付けられている。そして、側板404の各ヘッダ421,422の配置部に複数本の吸熱管41用の複数の透孔を開設し、各吸熱管41の一端部と他端部とを各透孔を通して流入側と流出側の各ヘッダ421,422に接続している。また、流入側ヘッダ421に給水管K1を接続すると共に、流出側ヘッダ422に、主熱交換器3の上流端の吸熱管31−Sに連なる接続管K3を接続している。出湯栓を開くと、流入ヘッド421から流出ヘッド422に複数本の吸熱管41を介して被加熱流体たる水が流れ、燃焼排気中の水蒸気が吸熱管41の外面で凝縮して、潜熱が回収される。かくして、潜熱により予熱された水が副熱交換器4から主熱交換器3に供給される。
The outer surface of the lateral one side of the
吸熱管41は、耐食性金属、例えば、ステンレス製のコルゲート管を蛇行形状に曲げ加工して形成される。この蛇行形状は、上記X軸に直交する胴部40の幅方向たる横方向をY軸方向として、X軸方向に等ピッチで配置されるY軸方向に真直な4個の直管部41aと、X軸方向に隣接する直管部41a,41a同士を結ぶ計3個のUターン部41bとを有する蛇行形状である。そして、6本の吸熱管41をX軸及びY軸に直交するZ軸方向に積層すると共に、Z軸方向に隣接する吸熱管41,41同士をX軸方向に位置をずらして配置している。
The
より詳細には、Z軸方向下方から数えて奇数番目、即ち、1番目(#1)と3番目(#3)と5番目(#5)の吸熱管41,41,41のX軸方向位置を互いに同一にすると共に、Z軸方向下方から数えて偶数番目、即ち、2番目(#2)と4番目(#4)と6番目(#6)の吸熱管41,41,41のX軸方向位置を互いに同一にし、奇数番目の吸熱管41の位置に対し偶数番目の吸熱管41の位置をX軸方向後方にずらしている。かくして、奇数番目の吸熱管41の直管部41aと偶数番目の吸熱管41の直管部41aとが千鳥状に配置されることになる。
More specifically, the positions of odd-numbered, that is, first (# 1), third (# 3), and fifth (# 5)
尚、奇数番目の吸熱管41と偶数番目の吸熱管41とが交差する両者のUターン部41b,41bは、Z軸方向の厚さが直管部41aの直径よりも小さくなるように押し潰されている。そして、奇数番目の吸熱管41の直管部41aと偶数番目の吸熱管41の直管部41aとがX軸方向から見てZ軸方向に重なり合うようにしている。
The odd-numbered
また、奇数番目の吸熱管41と偶数番目の吸熱管41とのX軸方向のずれ量ΔPは、各吸熱管41の直管部41aのX軸方向の配置ピッチをPとして、0.5P<ΔP<Pに設定されている。そのため、奇数番目の吸熱管41の直管部41aと偶数番目の吸熱管41の直管部41aとの間のX軸方向間隔が広くなる部分(広間隔部分)と狭くなる部分(狭間隔部分)とがX軸方向に交互に並ぶ。
Further, the shift amount ΔP in the X-axis direction between the odd-numbered
これによれば、燃焼排気の流速が狭間隔部分では速く、広間隔部分では緩やかになる。そして、この流速変化により広間隔部分で燃焼排気が拡散して、水蒸気の凝縮が進んだ燃焼排気の部分(乾排気部分)と水蒸気の凝縮が遅れている燃焼排気の部分(湿排気部分)との混合が促進される。その結果、燃焼排気の流れ方向下流側、即ち、X軸方向前方に位置する吸熱管41の部分でも水蒸気が効果的に凝縮し、潜熱の回収効率が向上する。
According to this, the flow rate of the combustion exhaust gas is fast in the narrow interval portion and becomes gentle in the wide interval portion. Then, due to this change in flow velocity, the combustion exhaust diffuses over a wide interval portion, and the portion of the combustion exhaust where the condensation of water vapor has progressed (dry exhaust portion) and the portion of the combustion exhaust where the condensation of water vapor has been delayed (wet exhaust portion) Is promoted. As a result, the water vapor is effectively condensed also in the portion of the
尚、狭間隔部分における奇数番目の吸熱管41の直管部41aの外面と偶数番目の吸熱管41の直管部41aの外面との間の隙間δが3mm未満になると、各直管部41aの外面での水蒸気の凝縮で生ずる凝縮水同士が繋がって、直管部41a、41a間の隙間が閉塞される可能性がある。従って、上記ずれ量ΔPは隙間δが3mm以上になるように設定することが望まれる。後述する実施例の発明品ではδが3.209mmになっている。
When the gap δ between the outer surface of the straight tube portion 41a of the odd-numbered
また、ずれ量ΔPを0<ΔP<0.5Pに設定することも可能である。但し、この場合には、奇数番目の吸熱管41の一端と他端の各端部と偶数番目の吸熱管41の一端と他端の各端部との間の隙間が狭くなる。そのため、胴部40の側板404に開設する吸熱管用の透孔間の隙間も狭くなり、このままでは側板404の強度が不足する。この場合、透孔の孔径を小さくして、透孔間の隙間を広くすれば良いが、これでは、吸熱管41の各端部を透孔に合わせて縮径するスウェージング加工を施すことが必要になり、コストが高くなる。
Further, the deviation amount ΔP can be set to 0 <ΔP <0.5P. However, in this case, the gaps between the one end and the other end of the odd-numbered
これに対し、ずれ量ΔPを、本実施形態の如く、0.5<ΔP<Pに設定すれば、奇数番目の吸熱管41の各端部と偶数番目の吸熱管41の各端部との間の隙間が広くなる。そのため、透孔の孔径を小さくしなくても、透孔間の隙間を側板404の強度不足を生じない程度に広く確保できる。従って、吸熱管41の各端部を縮径するスウェージング加工が不要になり、コスト的に有利である。
On the other hand, if the amount of deviation ΔP is set to 0.5 <ΔP <P as in this embodiment, the difference between each end of the odd-numbered
尚、本実施形態では、胴部40の側板404の外面に各ヘッダ421,422を配置したが、側板404の内面に各ヘッダ421,422を配置し、吸熱管41の各端部を各ヘッダ421,422の横方向内側面に開設する各接続孔に挿入接続するようにしても良い。この場合においても、ずれ量ΔPを0.5<ΔP<Pに設定すれば、接続孔の孔径を小さくせずに接続孔間の隙間を広くして各ヘッダ421,422の強度を確保でき、吸熱管41のスウェージング加工が不要になる。
In the present exemplary embodiment has been arranged each
以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、吸熱管41の本数は、上記実施形態の6本より多くしても少なくしても良い。また、上記実施形態では、給湯器の副熱交換器4から成る潜熱回収型熱交換器に本発明を適用しているが、給湯器以外で使用する潜熱回収型熱交換器にも同様に本発明を適用できる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, this invention is not limited to this. For example, the number of
上記実施形態の副熱交換器4において、吸熱管41を構成するコルゲート管の大径部の直径を16mm、図2、図3の各部の寸法L1,L2,L3,L4,L5,P,ΔPを夫々L1=108mm、L2=60mm、L3=91mm、L4=215.5mm、L5=234.2mm、P=36mm、ΔP=21mmとした発明品と、ΔPをPの1/2の18mmとし、他の寸法を発明品と同一にした比較品とについて、熱流体解析ソフトウェア「FLUENT」を用い、排気導入口402から1kg当り84.1gの水蒸気を含む空気を温度443.15K、流量0.08095kg/sで流入させ、流入側ヘッダ421から15℃の水を毎分16リットルの流量で流入させた場合の凝縮水の発生量と吸熱量とを算出した。比較品では、凝縮水の発生量が0.0039202253kg/s、吸熱量が7049.607Wになり、発明品では、凝縮水の発生量が0.0039780749kg/s、吸熱量が7296.226Wになった。このように吸熱量が発明品では比較品より3.5%程度多くなっている。これは、胴部40内の気流の乱流化が促進されると共に、広間隔部分で乾排気部分と湿排気部分との混合が促進されて、潜熱の回収効率が向上したためと考えられる。
In the
4…副熱交換器(潜熱回収型熱交換器)、40…胴部、41…吸熱管、41a…直管部、41b…Uターン部、421…流入側ヘッダ、422…流出側ヘッダ。 4 ... Sub heat exchanger (latent heat recovery type heat exchanger), 40 ... Body, 41 ... Endothermic pipe, 41a ... Straight pipe part, 41b ... U-turn part, 42 1 ... Inflow side header, 42 2 ... Outflow side header .
Claims (2)
複数本の吸熱管がZ軸方向に積層されると共に、Z軸方向に隣接する吸熱管同士がX軸方向に位置をずらして配置されるものにおいて、
Z軸方向に隣接する吸熱管同士のX軸方向のずれ量が各吸熱管の直管部のX軸方向の配置ピッチより小さな範囲で該配置ピッチの1/2以外の値に設定されていることを特徴とする潜熱回収型熱交換器。 In the body part through which the combustion exhaust flows, the direction parallel to the flow of the combustion exhaust gas is the X-axis direction, the width direction of the body part perpendicular to the X-axis is the Y-axis direction, and the direction perpendicular to the X-axis and Y-axis is the Z-axis direction. A plurality of meandering endothermic tubes each having a plurality of straight pipe portions arranged in the X-axis direction at equal pitches and straight in the Y-axis direction and U-turn portions connecting the straight pipe portions adjacent in the X-axis direction are accommodated. One end portion and the other end portion of these heat absorption pipes are connected to the inflow side header and the outflow side header, respectively, and the fluid to be heated is flowed from the inflow side header to the outflow side header via these heat absorption pipes. A latent heat recovery type heat exchanger that condenses water vapor inside the heat absorption tube to recover latent heat,
A plurality of endothermic tubes are stacked in the Z-axis direction, and adjacent endothermic tubes in the Z-axis direction are arranged with their positions shifted in the X-axis direction.
The amount of deviation in the X-axis direction between the endothermic tubes adjacent in the Z-axis direction is set to a value other than ½ of the arrangement pitch in a range smaller than the arrangement pitch in the X-axis direction of the straight pipe portion of each endothermic tube. A latent heat recovery type heat exchanger.
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