JP2011506908A

JP2011506908A - 上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器

Info

Publication number: JP2011506908A
Application number: JP2010539283A
Authority: JP
Inventors: キム、ヨン−ブン; ミン、ミョン−ギ
Original assignee: キュンドンナビエンシーオー．，エルティーディー．
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-11-18
Publication date: 2011-03-03
Also published as: CN101903711A; EP2232161A1; KR20090067760A; WO2009082090A1; AU2008341389B2; US20110114300A1; AU2008341389A1

Abstract

【課題】潜熱熱交換部において排ガスの流れ方向と凝縮水の落下方向とを一致させることによって、潜熱回収効率を極大化させることができる上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明は、上向き燃焼式バーナーで発生した燃焼顕熱を吸収する顕熱熱交換部と、該顕熱熱交換部で熱交換を終えた排ガスに含まれた水蒸気の潜熱を吸収する潜熱熱交換部と、該潜熱熱交換部で生成された凝縮水を排水させるための凝縮水受け部とを備えてなる上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器において、前記顕熱熱交換部を通過した上向き流れの排ガスが下向き流れに変わって前記潜熱熱交換部を通過し、前記潜熱熱交換部を通過する排ガスの流れ方向と前記潜熱熱交換部で発生した凝縮水の落下方向が鉛直下方向に一致するように、前記潜熱熱交換部が設置されることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器に関し、より詳細には、上向き燃焼式バーナーの上部に顕熱熱交換器と潜熱熱交換器を順次配置した上向き燃焼式コンデンシングボイラーに関する。

近年に生産されるボイラーは、熱効率を増大させるために、燃焼室で発生した燃焼排ガスの顕熱を吸収する顕熱熱交換部と、該顕熱熱交換部で熱交換を終えた排ガスで残熱及び潜熱を吸収する潜熱熱交換部とで構成される熱交換器を具備し、このような方式のボイラーをコンデンシングボイラーと言う。

このようなコンデンシングボイラーは、ＬＮＧまたはＬＰＧなどのガス燃料を使用するガスボイラーだけでなく、油燃料を使用する油ボイラーで実用化され、ボイラー効率の増加及び燃料費の節減に大きく寄与している。

図１は、従来の下向き燃焼式コンデンシングボイラーの構造を示す概略図である。
図１を参照すれば、下向き燃焼式バーナー１２で発生した排ガスは、顕熱熱交換部１３を通過しながら約２００℃程度の温度に冷却され、さらに潜熱熱交換部１４を通過しながら約４０〜７０℃程度に冷却される。

前記熱交換部１３、１４を経由しながら加熱された暖房水は、供給管１５を介して室内に移送され、熱エネルギーを伝達した後、冷却され、還水管１６に戻るようになる。前記還水管１６に戻る暖房水は、必ず潜熱熱交換部１４に流入されるようになっている。これは、潜熱熱交換部１４で潜熱を効率的に吸収することができるようにするためである。すなわち、顕熱熱交換部１３を通過した排ガスが露点（Dew Point）温度以下になれば、排ガス中に含まれた水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が凝縮され、潜熱を暖房循環水に伝達することができるからである。

このような下向き式コンデンシングボイラーにおいては、凝縮水の重力による落下方向（すなわち、鉛直下方向）と、顕熱及び潜熱熱交換部を通過する排ガスの流れ方向とが自然に一致するようになり、これは、コンデンシングボイラーの効率向上に非常に重要な要因となる。

すなわち、潜熱熱交換部を通過しながら排ガス内の水蒸気が凝縮され、潜熱を暖房循環水に伝達した後、排ガスの温度は大きく冷却される。したがって、凝縮水受け部１７内部の温度は、非常に低く形成されるので、凝縮水に液化された水蒸気の再気化による熱損失を最小化することができる。

このように、下向き燃焼式コンデンシングボイラーは、潜熱を最大限回収することができる構造であるという点から、最も好ましいコンデンシングボイラーの構造として評価されているが、下向き燃焼が可能なバーナーが必須であるという問題がある。

一般的に、ボイラーに適用されるバーナーは、ブンゼン（Bunsen）方式と予混合（Pre-mixed）方式とに分けられる。ブンゼンバーナーは、ガスを噴射するノズル部で燃焼に必要な最小限の１次空気を供給し、火炎が形成される部位に過剰２次空気を供給し、完全燃焼を実現させるバーナーであって、燃焼安定性が非常に高いという長所があるが、２次空気による火炎が形成されるので、火炎の長さが長くなり、下向き燃焼が不可能であるという短所がある。すなわち、ブンゼンバーナーは、２次空気と反応する火炎（外炎）の長さが長く、火炎密度が低いため、上方向に向かう傾向を有するので、上向き燃焼式だけに適用可能である。

予混合バーナーは、燃焼用ガスと空気を混合室であらかじめ混合した予混合ガスを燃消させる方式であって、火炎が形成される部位に過剰空気が存在しない方式である。この方式は、火炎の長さが非常に短く、火炎密度が高いため、上向きや下向き、側向など燃焼方向に関係なく、バーナーを設置することができるという長所があるのに対し、燃焼に必要な適正空気をあらかじめ十分に混合しなければならないので、燃焼制御が非常に複雑で、外乱の影響を受けやすいなど燃焼安定性が低下するという短所がある。

前述したように、コンデンシングボイラーの効率を極大化するためには、凝縮水の落下方向と排ガスの流れ方向を重力方向に一致させることが重要なので、下向き燃焼が可能な予混合バーナーを使用することが一般的である。

しかし、予混合バーナーは、燃焼安定性が低く、非常に複雑な燃焼制御を具現するために、高価の制御システムを使用しなければならないという問題がある。

このような問題を克服するために、上向き燃焼方式のブンゼンバーナーを使用してコンデンシングボイラーの熱交換器を構成するための多様な方法が提示されて来た。そのような熱交換器の一例が図２に示されている。

図２は、従来の上向き燃焼式コンデンシングボイラーの構造を示す概略図である。
図２を参照すれば、潜熱熱交換部２４を顕熱熱交換部２３の上部に傾くように配置し、顕熱熱交換部２３を通過した排ガスが凝縮水受け部２７の側傍を経由した後、潜熱熱交換部２４を通過するようになっている。ここで、潜熱熱交換部２４は、アルミニウム転造パイプまたはステンレスたわみ管などが提案されている。

図２の場合、顕熱熱交換部２３の上部に潜熱熱交換部２４を配置することによって、比較的容易にコンデンシングボイラーを構成することができ、製品を小型化することができるという長所がある。

しかし、伝統的な下向き燃焼方式のコンデンシングボイラー製品に比べて凝縮効率が３〜５％低下する問題点が提起された来た。このような凝縮効率の低下は、大きく、次の２つの原因によるものと把握される。

（１）凝縮水受け部２７が顕熱熱交換部２３の直上部に位置することによって、その温度が非常に高く加熱される。したがって、排ガスが潜熱熱交換部２４を通過しながら生成された凝縮水が凝縮水受け部２７に落下するとしても、加熱された凝縮水受け部２７に起因して相当量の凝縮水がさらに蒸発するようになる。したがって、凝縮により回収された潜熱がさらに気化熱の形態で排出されるので、最大凝縮効率を得ることはできない。このような問題点を克服するために、凝縮水受け部２７に遮熱板２５構造を使用することが提案されたこともあるが、制限的な効果があるだけである。

（２）凝縮効率を低下させるさらに根本的な要因は、顕熱熱交換部２３を通過した非常に高温の湿排ガス（水蒸気を含む排ガス）が凝縮水と接触することである。これは、凝縮水の落下方向と排ガスの流動方向が直交することによって現われる不可欠な現象である。したがって、高温の湿排ガスが当接する部分では、凝縮が生じにくくなり、潜熱熱交換部２４の相当部分は、凝縮回収の本来役目を確実に行うことができない。従って、潜熱熱交換部２４の大きさが顕熱熱交換部２３に比べて非常に大きくなって、コンデンシングボイラーの経済性が低下する１つの原因として作用するようになる。

図３は、一般的なフィンチューブ方式の熱交換器を示す概略図である。
従来の上向き燃焼式コンデンシングボイラーは、顕熱熱交換部に一般的に使用されるフィンチューブ（Fin-Tube）方式の熱交換器度３の構造を適用しにくいという問題がある。

フィンチューブは、熱交換配管３１と伝熱フィン３２とで構成され、通常、銅（Ｃｕ）またはステンレス材質よりなり、ろう付け（Brazing）により接合される。このようなフィンチューブ熱交換器は、小型であり、且つ多い伝熱面積を確保することができ、効率的なので、ボイラー用熱交換器として最も広く使用される。前記フィンチューブ熱交換器を使用する場合、排ガスの流路方向は、図３の地面に対して垂直な方向にならなければならないことは当然である。

しかし、従来の上向き燃焼式コンデンシングボイラーの潜熱熱交換部にフィンチューブ方式を適用する場合、排ガスの流路方向が水平方向（図３のＡ方向）となるか、複数のチューブを直列で流れる垂直方向（図３のＢ方向）となり、排ガスの圧力損失が過度に大きくなるので、現実的に適用が不可能である。したがって、顕熱熱交換部に使用される熱交換器とは異なる構造の熱交換器を別に製作し使用しなければならないので、製品構成において経済性が低下するという問題がある。

一方、コンデンシングボイラーの凝縮水は、凝縮水排出口２８とこれに連結された別のホースなどを介してボイラーの外部に排出される。ところが、凝縮水排出ホースが折れるか、または冬季に凍る場合には、凝縮水の排出が円滑に行われない。

この場合、従来の上向き燃焼式コンデンシングボイラーにおいては、図２に示されたように、凝縮水受け部２７の上端２７ａである水面Ａの高さ以上凝縮水が満ちるようになり、凝縮水が凝縮水受け部２７から溢れ出すようになる。前記凝縮水受け部２７から溢れ出した凝縮水は、顕熱熱交換部２３を経てバーナー２２の燃焼部に落下するようになり、通常、顕熱熱交換部２３は、凝縮水に耐食性のない材質で作られる場合が多いので、顕熱熱交換部２３が腐食損傷され、寿命が短縮される。

また、通常的なボイラーにおいて、排気煙道２９が閉鎖される場合、これを感知してボイラー稼動が中断されるようにする風圧スイッチまたは風圧センサーなどの安全装置が装着されているが、図２に示されたように、水面Ａまで凝縮水が満ちる場合にも、凝縮水受け部２７の上端２７ａが排気煙道２９の入口側２９ａに比べて高さが低いため、排気煙道２９と連通する通路が閉鎖されないので、前記風圧スイッチまたは風圧センサーでは、排気煙道２９が閉鎖されたことを示す信号を発生しなくなる。

このような問題を防止するために、従来、上向き燃焼式コンデンシングボイラーは、凝縮水排出部の閉鎖可否を感知する別の安全装置（例えば、水位センサーを設置し、凝縮水受け部上部にたまった凝縮水の水位を感知するようにして、一定の水位以上の場合、ボイラーの稼動を停止させるようにする装置）を具備しなければならないので、構造が複雑になり、コストが上昇するという問題がある。

参照符号１１、２１は送風機を示し、１８は凝縮水排出口を示し、１９は排気煙道を示し、２２はバーナーを示す。

本発明は、前述したような諸問題点を解決するためになされたもので、その目的は、潜熱熱交換部において排ガスの流れ方向と凝縮水の落下方向とを一致させることによって、潜熱回収効率を極大化させることができる上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器を提供することにある。

本発明の他の目的は、顕熱熱交換部及び潜熱熱交換部に同一のフィンチューブタイプの熱交換器を適用することによって、潜熱熱交換部の別途製作による煩雑さを減少させることができる上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、凝縮水の詰まりなどが生じる場合にも、別の付加装置なしに安全遮断が可能な上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器は、上向き燃焼式バーナーで発生した燃焼顕熱を吸収する顕熱熱交換部と、該顕熱熱交換部で熱交換を終えた排ガスに含まれた水蒸気の潜熱を吸収する潜熱熱交換部と、該潜熱熱交換部で生成された凝縮水を排水させるための凝縮水受け部とを備えてなる上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器において、前記顕熱熱交換部を通過した上向き流れの排ガスが下向き流れに変わって前記潜熱熱交換部を通過し、前記潜熱熱交換部を通過する排ガスの流れ方向と前記潜熱熱交換部で発生した凝縮水の落下方向とが鉛直下方向に一致するように、前記潜熱熱交換部が設置されることを特徴とする。

この場合、前記潜熱熱交換部は、上下面が開放され、側面が閉鎖されたボックス形状の胴体の内部に複数の熱交換配管が水平方向に一定間隔で離隔されるように設置されるように構成されることができる。

また、前記顕熱熱交換部及び潜熱熱交換部には、外側に伝熱フィンが結合されたフィンチューブタイプの熱交換配管が設置されるように構成されることができる。

また、前記凝縮水受け部の上端部の高さは、排ガスが排出される排気煙道の入口部の高さと同一であるか、またはさらに高いように構成されることができる。

本発明のコンデンシングボイラーの熱交換器によれば、潜熱熱交換部において排ガスの流れ方向と凝縮水の落下方向とを一致させることによって、潜熱回収効率を極大化させることができる。また、顕熱熱交換部及び潜熱熱交換部に同一のフィンチューブタイプの熱交換器を適用することによって、潜熱熱交換部の別途製作による煩雑さを減少させることができ、潜熱熱交換部の小型化が可能なので、全体製品の大きさを低減することができる。また、凝縮水の排出口が詰まっても、凝縮水が顕熱熱交換部に落下することを防止することができ、別の付加装置なしに安全遮断が可能であるという長所がある。

従来の下向き燃焼式コンデンシングボイラーの構造を示す概略図である。従来の上向き燃焼式コンデンシングボイラーの構造を示す概略図である。一般的なフィンチューブ方式の熱交換器を示す概略図である。本発明の一実施例による上向き燃焼式コンデンシングボイラーの構造を示す概略図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例に対する構成及び作用を詳しく説明する。

図４は、本発明の一実施例による上向き燃焼式コンデンシングボイラーの構造を示す概略図である。

本発明のコンデンシングボイラーは、送風機１１０の直上側に設置され、火炎が上向きに形成される上向き燃焼式バーナー１２０と、該バーナー１２０で発生した燃焼顕熱を吸収する顕熱熱交換部１３０と、該顕熱熱交換部１３０で熱交換を終えた排ガスに含まれた水蒸気の潜熱を吸収する潜熱熱交換部１５０とで構成される。

前記バーナー１２０は、ノズル部に燃焼に必要な最小限の１次空気を供給し、火炎が形成される部位に過剰２次空気を供給するブンゼンバーナー、またはガスと空気をあらかじめ混合した後、燃消させる予混合バーナーのうちいずれか１つを使用することができる。

前記バーナー１２０の直上部に設置された顕熱熱交換部１３０には、複数の熱交換配管１３１が水平方向に一定距離で離隔されて並んで配列される。前記熱交換配管１３１は、図４では、１列だけが設置されるものと示されているが、２列以上設置されてもよい。前記熱交換配管１３１の外周面には、図３に示されたような伝熱フィンが結合され、フィンチューブ方式で構成される。

前記顕熱熱交換部１３０を通過した排ガスは、流路が細くなったガス流路部１４０を経由した後、潜熱熱交換部１５０に流入される。

前記ガス流路部１４０を形成するハウジング１４１は、下側が広く、上側に行くほど幅が細くなる形状となっていて、排ガスの流れを右側に偏向されるようにする。

前記ハウジング１４１の内部に沿って上方向に流れる排ガスは、ハウジング１４１の上端部から左側方向に方向が転換された後、さらに鉛直下方向に流れ方向が転換され、潜熱熱交換部１５０に流入される。

前記潜熱熱交換部１５０は、上下面が開放されたボックス形状の胴体１５２の内部に複数の熱交換配管１５１が水平方向に一定間隔で離隔されて設置されている。前記熱交換配管１５１は、１列以上設置されることができる。

前記熱交換配管１５１の外周面には、図３に示されたような伝熱フィンが結合され、フィンチューブ方式で構成される。これは、熱交換配管１５１が配置された構造が図３のように、水平方向に一定間隔で離隔されて設置されているので、潜熱熱交換部１５０の内部を流れる排ガスの流れが前記伝熱フィンによって抵抗を受けないため、適用可能である。

したがって、上記のように、顕熱熱交換部１４０及び潜熱熱交換部１５０の熱交換配管１４１、１５１を同一に伝熱フィンが結合されたフィンチューブ方式とすることによって、潜熱熱交換部１５０の別途製作による煩雑さを減少させることができ、潜熱熱交換部１５０の小型化が可能なので、全体製品の大きさを減らすことができるようになる。

前記胴体１５２は、上下面が開放されているが、側面は閉鎖されていて、排ガスの流れが左右方向に流動せず、鉛直下方向に向かうように誘導するようになる。

したがって、前記熱交換配管１５１で発生し鉛直下方向に落下する凝縮水と排ガスの流れが一致する。

前記潜熱熱交換部１５０で最大凝縮効率を得るためには、湿排ガスが凝縮水と接触される可能性を最大限低減し、低温の乾排ガスだけが凝縮水と接触するようにすることが必要である。すなわち、排ガスと熱交換配管１５１の表面で生成される凝縮水の接触が多くなれば、排ガスと熱交換配管１５１と間の熱伝逹量が減少するようになり、高温の排ガスと凝縮水との熱交換によって凝縮水の再気化が発生するので、凝縮が十分に生じない。

したがって、本発明では、排ガスの流れ方向と凝縮水の落下方向を一致させて、排ガスと凝縮水が接触する可能性を低減することによって、最大限凝縮が生じるようにし、潜熱回収効率を極大化させることができる。

前記潜熱熱交換部１５０を上部から下部に通過した排ガスは、充分に冷却され、排ガス中の水蒸気は、潜熱熱交換部１５０の熱交換配管１５１で凝縮され、暖房循環水に潜熱を伝達するようになる。

前記潜熱熱交換部１５０で生成された凝縮水は、落下し、傾いた凝縮水受け部１６０に集水され、外部に排出される。

前記潜熱熱交換部１５０を通過した排ガスは、さらに上方向に流れが転換され、排気煙道１７０を介して外部に排出される。

また、凝縮潜熱回収を極大化するために、潜熱熱交換部１５０と顕熱熱交換部１４０との境界を成す前記凝縮水受け部１６０は、内部が断熱材１８０で充填されたステンレス材質よりなることが好ましい。これにより、顕熱熱交換部１４０を通過した高温の排ガスによって境界面が加熱され、凝縮水受け部１６０に落下した凝縮水の一部が再気化されることを防止することができるようになる。

一方、前記凝縮水受け部１６０の上端部１６０ａの高さは、排ガスが排出される排気煙道の入口部１７１の高さと同一であるか、または、それよりさらに高くなるように構成される。

したがって、凝縮水が排出されるホースの閉鎖が生じ、凝縮水が排気煙道の入口側１７１の高さまで満ちる場合にも、凝縮水が顕熱熱交換部１３０に落下し、顕熱熱交換部１３０の耐久性が損傷されることを防止することができる。

また、凝縮水が排気煙道の入口側１７１の高さまで満ちるようになれば、排気煙道１７０の閉鎖と同一の影響を及ぼすようになるので、風圧スイッチや風量センサーなどの通常的な排気閉鎖安全装置を使用して凝縮水排出部の閉鎖可否を同時に感知することができるので、水位センサーのような別の安全装置を使用しなくてもよい。

この場合、図４に示されたように、排気煙道の入口側１７１と凝縮水受け部１６０の上端部１６０ａに潜熱熱交換部１５０の胴体１５２を結合固定するように構成することができる。

本発明で提供される上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器は、潜熱熱交換部において排ガスの流れ方向と凝縮水の落下方向とを一致させることによって、潜熱回収効率を極大化させることができる上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器を提供するためのものであって、産業上の利用可能性の利点を有するようになる。

１１０送風機
１２０上向き燃焼式バーナー
１３０顕熱熱交換部
１５０潜熱熱交換部

Claims

上向き燃焼式バーナーで発生した燃焼顕熱を吸収する顕熱熱交換部と、該顕熱熱交換部で熱交換を終えた排ガスに含まれた水蒸気の潜熱を吸収する潜熱熱交換部と、該潜熱熱交換部で生成された凝縮水を排水させるための凝縮水受け部とを備えてなる上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器において、
前記顕熱熱交換部を通過した上向き流れの排ガスが下向き流れに変わって、前記潜熱熱交換部を通過し、前記潜熱熱交換部を通過する排ガスの流れ方向と前記潜熱熱交換部で発生した凝縮水の落下方向とが鉛直下方向に一致するように、前記潜熱熱交換部が設置されることを特徴とする上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器。
前記潜熱熱交換部は、上下面が開放され、側面が閉鎖されたボックス形状の胴体の内部に複数の熱交換配管が水平方向に一定間隔で離隔されるように設置されることを特徴とする請求項１に記載の上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器。
前記顕熱熱交換部及び前記潜熱熱交換部には、外側に伝熱フィンが結合されたフィンチューブタイプの熱交換配管が設置されることを特徴とする請求項１に記載の上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器。
前記凝縮水受け部の上端部の高さは、排ガスが排出される排気煙道の入口部の高さと同一であるか、またはさらに高いことを特徴とする請求項１または２に記載の上向き燃焼式コンデンシングボイラーの熱交換器。