JP2011106785A - 流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 流体加熱装置の最適設計をすることができ、これによりサイズダウン、コストダウンを図る。
【解決手段】 燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる燃焼装置と、この燃焼装置からの熱エネルギーで流体を加熱する加熱器からなる流体加熱装置において、この加熱器の少なくとも一部が間隙を保ってプレートを積層したプレート部からなり、これらのプレートの間隙を熱エネルギーを有する流体と被加熱流体が交互に流れ、被加熱流体が加熱されるように加熱部と被加熱部とを構成した流体加熱装置であって、前記プレート部は、燃焼火炎５中に置かれる下プレート部分６と燃焼火炎後に置かれる上プレート部分７の２箇所に配置され、燃焼火炎は下プレート部分を水平に流れた後、上方に屈曲して上プレート部分を上方に向かって流れ、被加熱流体は下プレート部分を上方に流れた後、上プレート部分の下部から入って上部へ流れる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料を燃焼させて燃焼ガスにより液体等の流体を加熱する装置、詳しくはプレートを積層して熱エネルギーを有する流体と被加熱流体とを交互に流すようにした部位を一部または全部の加熱部に適用した装置、詳しくは燃焼火炎を水平に流した後、上方に屈曲させて流すようにした流体加熱装置に関するものである。

従来、燃料の燃焼部に収熱部と呼ばれる円管や異形管などの伝熱管群を配置し、その後流に熱回収部の伝熱管群を配置した構成が知られている。
伝熱管群を用いる場合、形状の制約、および管ピッチが溶接しろの制約を受けるなど、最適設計ができないという欠点があった。また製作の複雑なことによるコストアップ、最適形状が得られないことによるサイズアップの問題があった。

特許第２９４８１８０号公報 特開２００４−３２４９１１号公報 特開２００１−１５３３０２号公報 特開２００３−１８５２９３号公報

解決しようとする問題点は、流体加熱装置を設計するに際し、形状が嵩張ってコンパクトな最適形状に設計できない点である。

本発明は、流体加熱装置の最適設計を行うために、燃焼による熱エネルギーで流体を加熱する加熱器の少なくとも一部（一部または全部）を、間隔を保ってプレートを積層したプレート部（プレート積層体）とし、燃焼火炎を水平に流した後、上方に屈曲させて流すようにすることを最も主要な特徴としている。

本発明の流体加熱装置は、燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる燃焼装置と、この燃焼装置からの熱エネルギーで流体を加熱する加熱器からなる流体加熱装置において、この加熱器の少なくとも一部（一部または全部）が間隙を保ってプレートを積層したプレート部からなり、これらのプレートの間隙を熱エネルギーを有する流体と被加熱流体が交互に流れ、被加熱流体が加熱されるように加熱部と被加熱部とを構成した流体加熱装置であって、前記プレート部は、燃焼火炎中に置かれる下プレート部分と燃焼火炎後に置かれる上プレート部分の２箇所に配置され、燃焼火炎は下プレート部分を水平に流れた後、上方に屈曲して上プレート部分を上方に向かって流れ、被加熱流体は下プレート部分を上方に流れた後、上プレート部分の下部から入って上部へ流れるようにしたことを特徴としている。

この装置において、燃焼火炎中に置かれる下プレート部分におけるプレートの積層が、燃焼火炎後に置かれる上プレート部分におけるプレートの積層より疎であるようにすることがある。

また、これらの装置において、燃焼火炎中に置かれる下プレート部分の代わりに、ごばん目状および千鳥状のいずれかの円管群を配置することがある。また、燃焼火炎中に置かれる下プレート部分の代わりに、異形管で構成された異形管群を配置した構成とすることがある。この場合、異形管群が楕円管および扁平管のいずれかで構成された管群とすることが好ましい。

これらの装置において、プレート間の間隙が加熱部と被加熱部で異なるようにした構成とすることがある。また燃焼火炎中に置かれる加熱部のプレート間隙が燃焼ガス流速および圧力損失の少なくともいずれかを均一に近づけるように決められた構成とすることがある。さらに、加熱部のプレート間の間隙が被加熱部のプレート間の間隙より大きくなっている構成とすることがある。

これらの装置において、燃焼火炎後に置かれる上プレート部分が熱エネルギーの流れに沿って複数のプレート群に分かれているようにすることがある。この場合、複数のプレート群において、それぞれのプレート群の積層が下流になるほど密になっているように構成することがある。また、加熱部のプレート間の間隙が下流方向に行くにつれて狭まり、被加熱部が下流方向に行くにつれて広くなっている構成とすることがある。この場合、加熱部および被加熱部が燃焼火炎中に置かれているようにしたり、加熱部および被加熱部が燃焼火炎後に置かれているようにすることがある。

これらの装置において、燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる燃焼装置が、多孔プレートを用いた面燃焼バーナであるように構成したり、燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる燃焼装置が、耐熱金属繊維を用いた面燃焼バーナであるように構成される。

また、これらの装置において、熱エネルギーで流体を加熱する加熱器からなる下プレート部分および上プレート部分を囲んで外箱が設置され、この加熱器と外箱の間に被加熱流体が充墳されているとともに、被加熱流体のプレート間の間隙が外箱と連通しており、燃焼火炎後に置かれる上プレート部分の外側に被加熱流体が流れるようにした構成とすることができる。この場合、被加熱流体は流体加熱装置の外部より、外箱の上部および下部のいずれかに設けられた被加熱流体供給管を経て流入し、外箱の上部より流出するようにする。

また、燃焼火炎後に置かれる上プレート部分の被加熱部の上部の側方に、被加熱部に連通する気液分離器を備えた気液分離室が設けられ、この気液分離室の上部および上側部のいずれかに蒸気出口が設けられて、被加熱流体は加熱され沸騰して蒸気を発生し、蒸気と液は燃焼火炎後に置かれる上プレート部分より気液分離室に流入し、気液分離器で蒸気が液流体と分離されて蒸気が外部へ流出し、液は気液分離室の下部より流出するようにした構成とすることができる。

この装置において、気液分離室の下部の内側および外側のいずれかに、液流体出口を備えた液溜まりを設け、この液溜まりに液面検知器を設けて液面検知部を構成し、被加熱流体供給管の液流体入口に流量制御弁を設け、この弁と前記液面検知器とを接続して、被加熱部の下部の内側および外側のいずれかに流出する流体の液面を検知し、この液面が一定になるように被加熱部に流入する流体流量を調節するようにした構成とすることができる。

これらの装置において、被加熱流体が吸収液であり、流体加熱装置が吸収式冷凍機の再生器であるように構成する場合がある。

本発明の流体加熱装置は、従来の水管部の全部または一部をプレート式にすることにより、自由に燃焼ガス流路を設定でき、かつ、プレート部をセットするだけであるので、構造が簡単になり、製作容易でコストダウンを図ることができる。また、最適設計することができ、これにより、無駄なスペースがなくサイズダウンを図ることができるという利点がある。

図１は本発明の流体加熱装置の要部を示す斜視説明図である。 図２は図１におけるプレート部の一例を示す説明図である。 図３は図１におけるプレート部の他の例を示す説明図である。 図４は前部のプレート部分の代りにごばん目状または千鳥状の円管群を用いる場合の説明図である。 図５は前部のプレート部分の代りに異形管で構成された異形管群を用いる場合の説明図である。 図６は加熱部と被加熱部の一例を示す説明図である。 図７は加熱部と被加熱部の他の例を示す説明図である。 図８は燃焼火炎後に置かれるプレート部分を分割した一例を示す説明図である。 図９は加熱部と被加熱部のさらに他の例を示す説明図である。 図１０は燃焼装置の一例を示す説明図である。 図１１は本発明の流体加熱装置の一例を示す説明図である。 図１２は図１１に示す流体加熱装置の断面説明図である。 図１３は本発明の流体加熱装置の他の例を示す説明図である。 図１４は図１３に示す流体加熱装置の断面説明図である。 図１５は本発明の流体加熱装置の他の例を示す説明図である。 図１６は本発明の流体加熱装置のさらに他の例を示す説明図である。

流体加熱装置をコンパクトかつ安価に設計するという目的を、流体を加熱する加熱器の一部または全部をプレート積層体とすることにより実現した。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図１６に基づいて説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施できるものである。
図１は、本発明の流体加熱装置の要部を示している。１は加熱器で、加熱部２と被加熱部３とからなっている。この加熱器１に隣接して燃焼装置（図示せず）が配置されている。

加熱器１の全部または一部は、間隔を保ってプレート４を積層したプレート部からなり、これらのプレート４の間隙を熱エネルギーを有するガス体等の流体と、被加熱流体が交互に流れて、被加熱流体が加熱されるように構成されている。図１は、燃焼装置（図示せず）において燃料が水平方向に燃焼し、発生した燃焼ガスがプレート部１に水平入り、被加熱流体が下方から入って上方へ流れるように構成されている。すなわち、燃焼ガスの流れと被加熱流体の流れが直交している。

さらに、図２に示すように、プレート部は、燃焼火炎５中に置かれる下プレート部分６と燃焼火炎後に置かれる上プレート部分７の２箇所に分割して配置され、燃焼火炎５は下プレート部分６を水平に流れた後、上方に屈曲して上プレート部分７を上方に向かって流れる。一方、被加熱流体は下プレート部分６を上方に流れた後、上プレート部分７の下部から入って上部へ流れるように構成されている。また、図３に示すように、前の下プレート部分６を疎に、後の上プレート部分７を密にする場合もある。

図４は、燃焼火炎５中に置かれるプレート部分の代りに、ごばん目状または千鳥状の円管群８を配置した例を示している。また、図５は、円管群の代りに、楕円管または扁平管で構成された異形管群９を配置した例を示している。

図６は、プレート４の間隙が加熱部２と被加熱部３とで異なるようにした場合、例えば加熱部２の間隙を被加熱部３の間隙より広くした場合を示している。
また、図７に示すように、燃焼火炎中または／および燃焼火炎後に置かれる加熱部のプレート間隙は、燃焼ガス流速または燃焼ガス圧力がほぼ均一になるように決定される。

図８は、燃焼火炎後に置かれるプレート部分が、熱エネルギー（燃焼ガス）の流れに沿って複数のプレート群、例えば３つのプレート群１０、１１、１２に分割されて配置されて場合を示している。この場合、それぞれのプレート群１０、１１、１２のプレートの積層が、下流に（上方に）行くほど密になるように構成することが好ましい。

図９は、加熱部２のプレート間の間隙が、下流方向に行くにつれて狭くなり、被加熱部３のプレート間の間隙が下流方向に行くにつれて広くなるように構成した場合を示している。この場合、加熱部２および被加熱部３は、燃焼火炎中または燃焼火炎後に置かれる。

燃料を燃焼させて熱エネルギー（燃焼ガス）を発生させる燃焼装置としては、図１０に示すような、多孔プレート１３を用いた面燃焼バーナ１４や、耐熱金属繊維を用いた面燃焼バーナ（図示せず）等が用いられる。

図１１およびず２は、加熱器を外箱で囲む場合を示している。すなわち、熱エネルギーで流体を加熱する加熱器からなる下プレート部分６および上プレート部分７を囲んで外箱１５が設置され、これらの加熱器と外箱１５の間に被加熱流体が充墳されているとともに、被加熱流体のプレート間の間隙が外箱１５と連通しており、燃焼火炎後に置かれる上プレート部分７の外側に被加熱流体が流れるように構成されている。
この場合、図１３および図１４に示すように、被加熱流体は流体加熱装置の外部より、外箱１５の上部および下部のいずれかに設けられた被加熱流体供給管１６、１７を経て流入し、外箱１５の上部より流出するように構成することが好ましい。

図１５は、気液分離室を備えた加熱器の一例を示している。すなわち、燃焼火炎後に置かれる上プレート部分７の被加熱部の上部の側方に、被加熱部に連通する気液分離器２０を備えた気液分離室２１が設けられ、この気液分離室２１の上部および上側部のいずれかに蒸気出口２２が設けられて、被加熱流体は加熱され沸騰して蒸気を発生し、蒸気と液は燃焼火炎後に置かれる上プレート部分７より気液分離室２１に流入し、気液分離器２０で蒸気が液流体と分離されて蒸気が外部へ流出し、液は気液分離室２１の下部より流出するように構成されている。

さらに、図１６に示すように、気液分離室２１の下部の内側および外側のいずれかに、液流体出口２３を備えた液溜まり２４を設け、この液溜まり２４に液面検知器２５を設けて液面検知部２６を構成し、被加熱流体供給管１７の液流体入口２７に流量制御弁２８を設け、この弁２８と前記液面検知器２５とを接続して、被加熱部の下部の内側および外側のいずれかに流出する流体の液面を検知し、この液面が一定になるように被加熱部に流入する流体流量を調節するように構成することがある。２９は制御器である。

上記の構成において、被加熱流体が吸収式冷凍機（冷温水機を含む）の吸収液であり、流体加熱装置が吸収式冷凍機（冷温水機を含む）の再生器であるように構成することが好ましい。

加熱流体として、燃料をバーナで燃焼させた燃焼ガスを用い、被加熱流体として吸収液を用いることにより、吸収式冷凍機または吸収式冷温水機（単に吸収式冷凍機と記している場合もある）の再生器として用いることができる。

１ 加熱器
２ 加熱部
３ 被加熱部
４ プレート
５ 燃焼火炎
６ 下プレート部分
７ 上プレート部分
８ 円管群
９ 異径管群
１０、１１、１２ プレート群
１３ 多孔プレート
１４ 面燃焼バーナ
１５ 外箱
１６、１７ 被加熱流体供給管
２０ 気液分離器
２１ 気液分離室
２２ 蒸気出口
２３ 液流体出口
２４ 液溜まり
２５ 液面検知器
２６ 液面検知器
２７ 液流体入口
２８ 液流体入口の流量制御弁
２９ 制御器

Claims (21)

1. 燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる燃焼装置と、この燃焼装置からの熱エネルギーで流体を加熱する加熱器からなる流体加熱装置において、この加熱器の少なくとも一部が間隙を保ってプレートを積層したプレート部からなり、これらのプレートの間隙を熱エネルギーを有する流体と被加熱流体が交互に流れ、被加熱流体が加熱されるように加熱部と被加熱部とを構成した流体加熱装置であって、前記プレート部は、燃焼火炎中に置かれる下プレート部分と燃焼火炎後に置かれる上プレート部分の２箇所に配置され、燃焼火炎は下プレート部分を水平に流れた後、上方に屈曲して上プレート部分を上方に向かって流れ、被加熱流体は下プレート部分を上方に流れた後、上プレート部分の下部から入って上部へ流れるようにしたことを特徴とする流体加熱装置。
2. 燃焼火炎中に置かれる下プレート部分におけるプレートの積層が、燃焼火炎後に置かれる上プレート部分におけるプレートの積層より疎である請求項１記載の流体加熱装置。
3. 燃焼火炎中に置かれる下プレート部分の代わりに、ごばん目状および千鳥状のいずれかの円管群を配置した請求項１または２記載の流体加熱装置。
4. 燃焼火炎中に置かれる下プレート部分の代わりに、異形管で構成された異形管群を配置した請求項１または２記載の流体加熱装置。
5. 異形管群が楕円管および扁平管のいずれかで構成された管群である請求項４記載の流体加熱装置。
6. プレート間の間隙が加熱部と被加熱部で異なるようにした請求項１〜５のいずれかに記載の流体加熱装置。
7. 燃焼火炎中に置かれる加熱部のプレート間隙が燃焼ガス流速および圧力損失の少なくともいずれかを均一に近づけるように決められた請求項６記載の流体加熱装置。
8. 燃焼火炎後に置かれる加熱部のプレート間隙が燃焼ガス流速および圧力損失の少なくともいずれかを均一に近づけるように決められた請求項６記載の流体加熱装置。
9. 加熱部のプレート間の間隙が被加熱部のプレート間の間隙より大きくなっている請求項６記載の流体加熱装置。
10. 燃焼火炎後に置かれる上プレート部分が熱エネルギーの流れに沿って複数のプレート群に分かれている請求項１〜９のいずれかに記載の流体加熱装置。
11. 複数のプレート群において、それぞれのプレート群の積層が下流になるほど密になっている請求項１０記載の流体加熱装置。
12. 加熱部のプレート間の間隙が下流方向に行くにつれて狭まり、被加熱部が下流方向に行くにつれて広くなっている請求項１または２記載の流体加熱装置。
13. 加熱部および被加熱部が燃焼火炎中に置かれている請求項１２記載の流体加熱装置。
14. 加熱部および被加熱部が燃焼火炎後に置かれている請求項１２記載の流体加熱装置。
15. 燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる燃焼装置が、多孔プレートを用いた面燃焼バーナである請求項１〜１４のいずれかに記載の流体加熱装置。
16. 燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる燃焼装置が、耐熱金属繊維を用いた面燃焼バーナである請求項１〜１４のいずれかに記載の流体加熱装置。
17. 熱エネルギーで流体を加熱する加熱器からなる下プレート部分および上プレート部分を囲んで外箱が設置され、この加熱器と外箱の間に被加熱流体が充墳されているとともに、被加熱流体のプレートの間隙が外箱と連通しており、燃焼火炎後に置かれる上プレート部分の外側に被加熱流体が流れるようにした請求項１〜１６のいずれかに記載の流体加熱装置。
18. 被加熱流体は流体加熱装置の外部より、外箱の上部および下部のいずれかに設けられた被加熱流体供給管を経て流入し、外箱の上部より流出するようにした請求項１７記載の流体加熱装置。
19. 燃焼火炎後に置かれる上プレート部分の被加熱部の上部の側方に、被加熱部に連通する気液分離器を備えた気液分離室が設けられ、この気液分離室の上部および上側部のいずれかに蒸気出口が設けられて、被加熱流体は加熱され沸騰して蒸気を発生し、蒸気と液は燃焼火炎後に置かれる上プレート部分より気液分離室に流入し、気液分離器で蒸気が液流体と分離されて蒸気が外部へ流出し、液は気液分離室の下部より流出するようにした請求項１７または１８記載の流体加熱装置。
20. 気液分離室の下部の内側および外側のいずれかに、液流体出口を備えた液溜まりを設け、この液溜まりに液面検知器を設けて液面検知部を構成し、被加熱流体供給管の液流体入口に流量制御弁を設け、この弁と前記液面検知器とを接続して、被加熱部の下部の内側および外側のいずれかに流出する流体の液面を検知し、この液面が一定になるように被加熱部に流入する流体流量を調節するようにした請求項１９記載の流体加熱装置。
21. 被加熱流体が吸収液であり、流体加熱装置が吸収式冷凍機の再生器である請求項１〜２０のいずれかに記載の流体加熱装置。

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