JP2011137577A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換後の排ガスを大気中に排気する際に、その白煙化を抑制することができる熱交換器を提供する。
【解決手段】伝熱管６群で熱交換した後の排ガス出口側通路１１の排ガスを、伝熱管６群で熱交換する前の排ガス入口側通路５の高温の排ガスによって、仕切板１５を介して加熱し、排ガス出口側通路１１の排ガスの温度を高め、これによって、排ガス出口側通路１１の排ガスを、大気中に排気したときに、排ガス中の水分が凝縮する露点温度以上とし、排ガスの白煙化を防止するようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラ等の燃焼機器が発生した燃焼ガスが排ガスとして通過する排ガス通路内に配置されて当該排ガス通路内の排ガスと熱交換を行う熱交換器に関するものであり、より詳しくは、前記熱交換器において、熱交換後の排ガスが排ガス通路出口から大気中に排出されるに際して白煙化することを抑制することに関するものである。

前記ボイラにおいては、前記熱交換器の一例としてエコノマイザが広く使用されている。エコノマイザは、周知のように、ボイラが発生した排ガスが通過する排ガス通路内に配置されて、排ガス通路から排気筒を経て大気中へ排気される排ガスが有する熱をボイラへの給水の予熱に利用することで、ボイラ効率の向上を図ったものである(例えば、特許文献１参照)。

特開２００５−９０８１８号公報

このようなエコノマイザにおいては、ボイラへの給水を予熱した後の排ガスが排気筒から大気中へ排気される際、大気温度が低いと、排ガスが当該大気との接触で冷却され、これにより当該排ガス中の水分が過飽和となって凝縮して水滴化し、排気筒から上がる白煙として目視される。

このような排気筒から白煙が発生している状態が目視される様子は、景観や美観に好ましくない場合もあり、また、場合によっては、その白煙が大気汚染しているといった誤解を与えることもあり、こうした観点からは、上述した白煙の発生は、極力、抑制することが望まれる。

本発明は、上述に鑑みて為されたものであって、排ガスが熱交換後に排気筒から大気へと排気される際に白煙化することを抑制ないしは防止可能とした熱交換器を提供することを目的とする。

（１）本発明第１にかかる熱交換器は、排ガス通路に配置される熱交換器であって、当該熱交換器の排ガス出口側通路の排ガスと、前記熱交換器の排ガス入口側通路の排ガスとを熱交換させる熱交換手段を設け、前記熱交換手段は、排ガス案内通路によって案内される前記排ガス出口側通路の排ガスおよび前記排ガス入口側通路の排ガスの内のいずれか一方の排ガスと他方の排ガスとを間接熱交換させる間接熱交換部を備え、前記間接熱交換部は、前記一方の排ガスと前記他方の排ガスとを仕切る仕切板を有すると共に、該仕切板は、前記排ガス入口側通路の排ガスが有する熱を排ガス出口側通路の排ガスへ伝熱する伝熱面を備えていることを特徴とする。

前記熱交換器は、排ガス入口側通路に導入される排ガスによって、給水や空気などを予熱するものであるのが好ましい。

前記仕切板は、前記いずれか一方の排ガスと前記他方の排ガスとを仕切ることによって当該両排ガス間で間接的に熱交換させることができる機能を備えるものであればよく、板状、隔壁状、等、その名称を問わない。

前記伝熱面には、前記仕切板の板面で構成した伝熱面を含むことができるが、当該仕切板に設けたフィンなどを伝熱面に含むことができる構成としてもよい。

本発明第１の熱交換器は、熱交換手段により前記したように当該熱交換器の排ガス出口側通路の排ガスと、前記熱交換器の排ガス入口側通路の排ガスとを熱交換させるに際して、その熱交換手段が備える間接熱交換部により排ガス案内通路によって案内される前記排ガス出口側通路の排ガスおよび前記排ガス入口側通路の排ガスの内のいずれか一方の排ガスと他方の排ガスとを間接熱交換させる。そして、その間接熱交換においては前記間接熱交換部が有する仕切板により、前記一方の排ガスと前記他方の排ガスとを仕切ると共に、その仕切板に備えた伝熱面により、前記排ガス入口側通路の排ガスが有する熱を排ガス出口側通路の排ガスへ伝熱する構成としたので、排ガス入口側通路における熱交換前の高温の排ガスが有する熱を、前記仕切板の伝熱面により排ガス出口側通路における熱交換後の排ガスに伝熱することで当該排ガス出口側通路の排ガスの温度を当該排ガス中の水分が凝縮する露点温度以上に高めることができるようになる。その結果、本発明の熱交換器では、排ガス出口側通路の排ガスを、排気筒から大気中へ排出したときに、当該大気温度が低くても、当該排ガスの白煙化を抑制、防止することができるようになる。

そして、本発明第１の熱交換器を、例えば、エコノマイザに適用した場合、ボイラへの給水の予熱に利用する熱交換前の排ガスによって、前記予熱に利用された熱交換後の排ガスの温度を高めることができるので、エコノマイザにおいて、そのボイラ効率向上という有用性を損なうことなく、白煙発生を確実に抑制することが可能となる。

（２）本発明第１の熱交換器の好ましい実施態様では、前記いずれか一方の排ガスと前記他方の排ガスとを仕切る前記仕切板を、Ｌ字状に屈曲形成している。

この実施態様によると、前記仕切板により排ガス入口側通路と排ガス出口側通路の両排ガスを鉛直方向および水平方向に延びる通路に沿ってＬ字状に仕切る状態で熱交換を行うことができるようになり、結果、前記両排ガス間での熱交換時間を長く確保して確実かつ効率的に熱交換を行うことができるようになり、より白煙発生の抑制には好ましくなる。

（３）本発明第２にかかる熱交換器は、排ガス通路に配置される熱交換器であって、当該熱交換器の排ガス出口側通路の排ガスと、前記熱交換器の排ガス入口側通路の排ガスとを熱交換させる熱交換手段を設け、前記熱交換手段は、前記排ガス入口側通路と前記排ガス出口側通路とを連通して前記排ガス入口側通路の排ガスの一部を、前記排ガス出口側通路に導入する連通路を備えている。

前記連通路は、前記排ガス入口側通路の排ガスの一部を、前記排ガス出口側通路に導入する機能を備えれば、その導入の通路形状や通路形態を問うものではなく、例えば管路や、開口、その他でもよい。

本発明第２の熱交換器によると、前記連通路を備えたので、当該連通路を介して、排ガス出口側通路の排ガス、すなわち、熱交換後の排ガスに、排ガス入口側通路の排ガス、すなわち、熱交換前の高温の排ガスの一部を、導入することで、排ガス出口側通路の排ガスの温度を高めることができ、これによって、排ガス出口側通路の排ガスを、大気温度が低い大気中に排出しても、排ガス中の水分が凝縮する露点温度以上とすることができ、排ガスの白煙化を効果的に抑制、防止することができるようになる。

（４）本発明第２の熱交換器の好ましい実施態様では、前記熱交換手段は、前記連通路内の排ガス流量を弁開度により制御する制御弁と、温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出出力に基づいて、前記制御弁を制御する制御部とを備えている。

制御弁の弁開度の程度は特に限定されず、全開と全閉との制御だけでもよいし、それら以外の開度を含んでもよい。

温度センサは、大気の温度あるいはそれに関連する温度を検出するのが好ましく、例えば、当該熱交換器の近傍の温度、当該熱交換器からの排ガスを排出する排気筒の近傍の温度などであってもよいし、あるいは、排ガス自体の温度を検出してもよい。

この実施態様によると、大気や排ガスなどの温度を温度センサによって検出し、それに基づいて、制御弁を制御することができるので、大気の温度が高く、白煙化の虞がないときには、排ガス入口側通路の排ガスを、排ガス出口側通路の排ガスに導入せず、また、大気の温度が低く、白煙化の虞があるときには、排ガス入口側通路の排ガスを、排ガス出口側通路の排ガスに導入するといったことが可能となり、当該熱交換器で効率的に熱交換をしながら、排ガスの白煙化を抑制、防止することができるようになる。

本発明によれば、熱交換後の排ガスである排ガス出口側通路の排ガスを、熱交換前の高温の排ガスである排ガス入口側通路の排ガスによって加熱し、その温度を高めるので、排ガス出口側通路の排ガスを、大気中に排出したときに、排ガス中の水分が凝縮する露点温度以上とすることができ、排ガスの白煙化を抑制、防止することができる。

図１は本発明の実施形態１に係り、ボイラの一部とエコノマイザの断面構成とを示す図である。 図２は図１のII−II線に沿うエコノマイザの断面構成を示す図である。 図３は図２のIII−III線に沿うエコノマイザの断面構成を示す図である。 図４は本発明の実施形態２に係るエコノマイザとその制御系統とを示す図である。 図５は本発明の実施形態３に係るエコノマイザとその制御系統とを示す図である。

以下、図面によって本発明の実施形態について詳細に説明する。

(実施形態１)
図１ないし図３を参照して実施形態１にかかる熱交換器を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る熱交換器としてのエコノマイザの断面図であり、図２は、図１のII−II線に沿う断面図であり、図３は、図２のIII−III線に沿う断面図である。本実施形態１では熱交換器としてエコノマイザに適用して説明するが、本発明をエコノマイザに限定する趣旨ではない。

これらの図に示されるボイラ１は、燃料をバーナによって燃焼させる共に、この燃焼により発生する燃焼ガスにより、エコノマイザ３から給水口１８を介して供給される水を加熱して蒸気を生成する一方、前記蒸気の生成に使用した後の燃焼ガスを排ガスとしてガス出口２からエコノマイザ３に流入させるようになっている。

エコノマイザ３では、ボイラ１からそのガス出口２を介して流入してくる排ガスが有する熱によって、ボイラ１への給水を予熱すると共に、予熱した給水をボイラ１の前記給水口１８へ供給する。

エコノマイザ３は、排ガス入口４に連通する排ガス入口側通路５を備えると共に、排ガス入口側通路５の下方に、水平方向に延びる伝熱管６が多数配列された伝熱管６群からなる熱交換部を備えている。各伝熱管６には、管外壁周囲に多数の熱吸収用のフィン６ａが取り付けられている。

伝熱管６の両端は、図２および図３に示すように、ケーシング７の両側面を貫通して両側のヘッダ８ａ，８ｂ内で折り返して連通しており、伝熱管６は、図３に示すように、水平方向に折り返されて蛇行し連続した形状に構成されると共に、その管端部が図２に示すように上下方向にも連続して水平および垂直方向に連続する一続きの蛇行する給水流路を形成する。

この給水流路への水の出入は、一方のヘッダ８ａに配設した入水管９および出水管１０から行われ、入水管９は、伝熱管６群の最下段の伝熱管６に接続され、出水管１０は、伝熱管６群の最上段の伝熱管６に接続されており、この出水管１０を介してボイラ１の給水口１８へ予熱された水が供給される。

このエコノマイザ３では、ボイラ１のガス出口２から排ガス入口４に流入した排ガスは、排ガス入口側通路５を経ると共に、排ガス入口側通路５下方の伝熱管６群と熱交換を行って伝熱管６内のボイラ１への給水を加熱しながら伝熱管６の間を下方に向けて流れる。このため、排ガスはエコノマイザ３内を下方へ行くほど、そのガス温度は低くなる一方、伝熱管６内のボイラ１への給水温度は、下段の伝熱管６ほど低く、上段の伝熱管６ほど高くなり、この上段の伝熱管６から高温の給水を、出水管１０を介してボイラ１の給水口１８へ供給する。なお、エコノマイザ３の下部には、ドレン排出用の排出管２６が接続される。

そして、本実施形態１では、伝熱管６群からなる熱交換部で給水と熱交換した後の排ガスを、図示略の排気筒から大気中へと排出するに際し、例えば、大気の温度が低いような場合に、排ガス中の水分が凝縮して白煙化するのを防止するために、熱交換器であるエコノマイザ３を次のように構成したことに特徴を有する。

すなわち、本実施形態１のエコノマイザ３では、図１で示すように、高温の排ガスを、白抜きの矢符ｇ１で示すように排ガス入口側通路５を経て、その下方の伝熱管６群からなる熱交換部をその上段から下段へと移動させつつ伝熱管６群内を通る給水と熱交換する。そして、給水と熱交換後の排ガスを、伝熱管６群下端部で矢符ｇ２に示すように排ガス案内通路１３へ折り返し、矢符ｇ３からｇ４で示すように排ガス案内通路１３によって上方の排ガス出口側通路１１に案内し、熱交換前の排ガス入口側通路５の排ガスと、間接熱交換部を構成する仕切板１５を介して間接熱交換するようにしている。

排ガス案内通路１３は、上方の排ガス入口側通路５から導入されて伝熱管６群からなる熱交換部で熱交換した後の下方の矢符ｇ２における排ガスを、折り返して矢符ｇ３で示すように上方へと向かわせるものであり、伝熱管６群の下方からその背面側を通って上方の排ガス出口側通路１１に向かうように形成されている。

仕切板１５は、前記間接熱交換部として、排ガス入口側通路５の排ガスと排ガス出口側通路１１の排ガスとを仕切る仕切壁を形成すると共に、ケーシング７と共に排ガス案内通路１３を形成する通路壁を形成するものである。そして仕切板１５は、その断面が水平仕切板部１５ａと、鉛直仕切板部１５ｂとによりＬ字状に屈曲形成された構成となっている。仕切板１５は、例えば、ステンレス鋼などからなり、排ガス入口側通路５における高温の排ガスの熱を、排ガス出口側通路１１の低温の排ガスに伝熱するものである。

仕切板１５は、排ガス入口側通路５に対して、水平仕切板部１５ａによって排ガス出口側通路１１を仕切り、また、鉛直仕切板部１５ｂによって排ガス案内通路１３を仕切っている。

そして、少なくとも、仕切板１５における水平仕切板部１５ａの平板状面は、排ガス入口側通路５における高温の排ガスの熱を、排ガス出口側通路１１の低温の排ガスに伝熱する伝熱面となっている。この場合、鉛直仕切板部１５ｂの平板状面も、排ガス入口側通路５における高温の排ガスの熱を、排ガス案内通路１３の低温の排ガスに伝熱する伝熱面ともなっている。こうした伝熱面は、伝熱面積を増大させることができる形状、例えば、凹凸を有する形状とか、あるいは、波状の形状としてもよい。

仕切板１５には、その伝熱面積を増大させて伝熱を促進する多数の伝熱用のフィン１６が、取り付けられている。伝熱用のフィン１６は、Ｌ字状の仕切板１５の屈曲部分に沿うように、水平方向に延びるフィン水平部１６ａと、鉛直方向に延びるフィン鉛直部１６ｂと、を備えている。フィン水平部１６ａは、仕切板１５の水平仕切板部１５ａ上に設けられ、フィン鉛直部１６ｂは、仕切板１５の鉛直仕切板部１５ｂ上に設けられていることで、その全体がＬ字状に屈曲形成されている。

こうした多数の伝熱用のフィン１６は、排ガス入口側通路５における高温の排ガスの熱を、仕切板１５と共に、排ガス出口側通路１１の低温の排ガスに伝熱する伝熱面を構成することができる。この場合のフィン１６は、仕切板１５を主伝熱面とすれば、補助伝熱面と称することもできる。

この実施形態１のエコノマイザ３では、矢符ｇ１で示すように上方の排ガス入口側通路５から導入されて伝熱管６群と熱交換して温度が低くなった排ガスは、矢符ｇ２からｇ３で示すように、排ガス案内通路１３によって折り返されて上方の排ガス出口側通路１１に案内され、矢符ｇ４で示すように排ガス入口側通路５の排ガスと熱交換されて昇温し、その後、矢符ｇ５で示すように排ガス出口１７より排気されると共に図示略の排気筒を介して大気中へと排気される。

以上説明したように本実施形態１では、熱交換後の排ガス出口側通路１１の排ガスは、熱交換前の高温の排ガス入口側通路５の排ガスによって加熱されるので、排気筒から排出される排ガスの温度を、排ガス中の水分が凝縮する露点温度以上とすることができ、これによって、排ガスの白煙化を防止することができる。

なお、伝熱面を設けない仕切板であっても、排ガス出口側に電気ヒータ等を設けることで排ガスの白煙化を防止することができる。

(実施形態２)
図４を参照して本発明の実施形態２に係る熱交換器を説明する。図４は、本発明の実施形態２に係る熱交換器としてのエコノマイザの構成図であり、上述の実施形態１に対応する部分には、同一の参照符号を付すと共に、同一の参照符号に関してはその詳しい説明を略する。本実施形態２においても熱交換器としてエコノマイザに適用して説明するが、実施形態１と同様、本発明をエコノマイザに限定する趣旨ではない。

実施形態２における熱交換器としてのエコノマイザ３−１は、上述の実施形態１と同様に、排ガス入口側通路５の排ガスと排ガス出口側通路１１の排ガスとの間接熱交換を行う。

更に、実施形態２におけるエコノマイザ３−１では、排ガス入口側通路５と排ガス出口側通路１１とを連通して排ガス入口側通路５の排ガスの一部を、排ガス出口側通路１１に導入する連通路としての連通管２０と、この連通管２０内の排ガス流量を弁開度により制御する制御弁２１と、例えば、外気温度を検出する温度センサ２２と、この温度センサ２２の検出出力に基づいて、制御弁２１を制御する制御部２３とを備えており、これら連通管２０、制御弁２１、温度センサ２２および制御部２３によって、排ガス出口側通路１１の排ガスと、排ガス入口側通路５の排ガスと、を熱交換させる熱交換手段を構成している。

制御部２３には、排ガス出口側通路１１の排ガスが、排気筒を介して大気中に排出されたときに、その排ガス中の水分が凝縮して白煙化する虞がある温度に対応する設定温度が予め設定されている。

制御部２３は、温度センサ２２によって検出される検出温度が、予め設定された設定温度よりも低くなると、制御弁２１を開いて、排ガス入口側通路５の排ガスの一部を、矢符ｇ６で示すように排ガス出口側通路１１に導入し、これによって、排ガス出口１７から排気筒へ排出される排ガスの温度を高めて、矢符ｇ７で示すように、排気筒から排出される排ガスの温度を、排ガス中の水分が凝縮する露点以上の温度とし、排ガスの白煙化を防止する制御を行うようになっている。

以上説明したように本実施形態２においては、前記制御部２３により、温度センサ２２によって検出される温度に基づいて、排ガス入口側通路５の排ガスの排ガス出口側通路１１への導入を制御するので、より確実に排ガスの白煙化を防止することができる。

（実施形態３）
図５を参照して本発明の実施形態３に係る熱交換器を説明する。図５は、本発明の実施形態３に係る熱交換器としてのエコノマイザの構成図であり、上述の実施形態１、２に対応する部分には、同一の参照符号を付すと共に、同一の参照符号に関してはその詳しい説明を略する。

本実施形態３の熱交換器としてのエコノマイザ３−２では、排ガス入口４は、エコノマイザ３−２の下部に設けられると共に、上述の排ガス案内通路１３は設けられておらず、間接熱交換を行うことなく、例えば、図５に示すように、下方の排ガス入口側通路５の排ガスの一部を、上方の排ガス出口側通路１１の排ガスに導入する連通管２０を設け、温度センサ２２の検出温度に基づいて、連通管２０の流路を開閉する制御弁２１を制御するようにしている。

実施形態３のエコノマイザ３−２では、白煙化する虞れがない外気温のときには、制御弁２１を閉じて、排ガス入口側通路５の排ガスの全てを矢符ｇ８，ｇ９，ｇ１０，ｇ１１で示すように、伝熱管６群へ案内して給水を加熱して給水温度を高めてボイラ１の効率を高めることができる一方、白煙化する虞れがある外気温では、制御弁２を開いて排ガス入口側通路５の排ガスの一部を、矢符ｇ１２で示すように、上方の排ガス出口側通路１１の排ガスに導入し、排ガス出口１７から排気筒へ排出される排ガスの温度を高めて、排ガスの白煙化を防止することができる。

本発明は、排ガス通路に配置されてボイラの効率向上のため排ガスを利用するエコノマイザ等の熱交換器として有用である。

１ ボイラ
３ エコノマイザ（熱交換器）
３−１ エコノマイザ（熱交換器）
３−２ エコノマイザ（熱交換器）
５ 排ガス入口側通路
６ 伝熱管（熱交換部）
１１ 排ガス出口側通路
１３ 排ガス案内通路
１５ 仕切板（間接熱交換部）
１５ａ 水平仕切板部（伝熱面）
１５ｂ 鉛直仕切板部（伝熱面）
１６ フィン（伝熱面）
１６ａ フィン水平部
１６ｂ フィン鉛直部

Claims (4)

1. 排ガス通路に配置される熱交換器であって、
   当該熱交換器の排ガス出口側通路の排ガスと、前記熱交換器の排ガス入口側通路の排ガスとを熱交換させる熱交換手段を設け、
   前記熱交換手段は、排ガス案内通路によって案内される前記排ガス出口側通路の排ガスおよび前記排ガス入口側通路の排ガスの内のいずれか一方の排ガスと他方の排ガスとを間接熱交換させる間接熱交換部を備え、
   前記間接熱交換部は、前記いずれか一方の排ガスと前記他方の排ガスとを仕切る仕切板を有すると共に、
   当該仕切板は、前記排ガス入口側通路の排ガスの熱を排ガス出口側通路の排ガスへ伝熱する伝熱面を備える、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記いずれか一方の排ガスと前記他方の排ガスとを仕切る前記仕切板は、Ｌ字状に屈曲形成されている請求項１に記載の熱交換器。
3. 排ガス通路に配置される熱交換器であって、
   当該熱交換器の排ガス出口側通路の排ガスと、前記熱交換器の排ガス入口側通路の排ガスとを熱交換させる熱交換手段を設け、
   前記熱交換手段は、
   前記排ガス入口側通路と前記排ガス出口側通路とを連通して前記排ガス入口側通路の排ガスの一部を、前記排ガス出口側通路に導入する連通路を備える、
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 前記熱交換手段は、
   前記連通路内の排ガス流量を弁開度により制御する制御弁と、
   温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出出力に基づいて、前記制御弁を制御する制御部と、
   を備える請求項３に記載の熱交換器。

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