JP2014037951A - 温水ボイラーの熱交換装置とその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼却炉は煙突から大量の熱エネルギーを大気に放出してしまっていたものを、熱効率のよい方法で温水に熱交換して有効利用し、その装置は低コストで実現でき、コンパクトで保守整備が容易にでき、低ランニングコストで運用可能なものを提供する。
【解決手段】基台１８の上部中央に螺旋フィン３２を持つ内水筒３０と、螺旋フィンの外周には焼却炉の熱交換装置の流入煙道口４１と排出煙道口４２を備えた外水筒４０を有する温水ボイラーの熱交換装置構造する。熱交換装置構造を実現する方法は、内水筒３０の外壁３１には、逐次溶接しつつ螺旋フィンに仕立ててゆく温水ボイラーの熱交換装置とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、焼却炉の煙道の廃熱は再生可能エネルギーであることに着目したもので、温水として変換したエネルギーを得る機器である温水ボイラーの、高効率でコンパクトな熱交換装置とその製作方法に関する。

温水ボイラーの熱交換装置には、焼却炉の煙道を複数の細管にして等価断面積を与えた装置が知られているが、大型になり、詰まりやすく保守に際して課題を残していた。
（例えば、特許文献１参照）。

また、温水ボイラーの焼却炉の煙道にコイル状の水管を通して熱交換しようとする構造が提案されているが、熱エネルギーの大部分が大気に放出されてしまう欠点があった。
（例えば、特許文献２参照）。

同様に、温水ボイラーの焼却炉の煙道の周りにコイル状の水管を通して熱交換しようとする構造もあったが、熱交換効率には問題があった。
（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１０−１２７５７５号公報 特開２０００−２４９４０４号公報 特開平１１−２４８２５０号公報

本発明が解決しようとする課題は、焼却炉は煙突から大量の熱エネルギーを大気に放出してしまっていたものを、熱効率のよい方法で温水に熱交換して有効利用したいというものである。

また、その装置は低コストで実現でき、コンパクトで保守整備が容易にでき、低ランニングコストで運用可能なものでなければならない。

この課題にたいして、基台１８の上部中央に螺旋フィン３２を持つ内水筒３０と、前記螺旋フィン３２の外周には焼却炉の熱交換装置の流入煙道口４１と排出煙道口４２を備えた外水筒４０を有する温水ボイラーの熱交換装置構造とすることで主要な解決ができる。そして前記螺旋フィン３２と外水筒の内壁４４の間には隙間４３を存在させ、前記外水筒４０の上部には、着脱可能な外水筒蓋１７とする構造とするのがよい。

さらにまた、前記構造を実現する方法として、内水筒３０の外壁３１には、逐次溶接６５しつつ前記螺旋フィン３２に仕立ててゆく温水ボイラーの熱交換装置の製作方法とすることで主要な解決ができる。そして前記螺旋フィン３２の溶接６５は、点線状の部分付けとし、前記螺旋フィン３２は、複数の扇片６０を接合して仕上げる方法を採るのがよい。

前述のような構造的手段をとることにより、温水ボイラーの焼却炉は煙突から大量の熱エネルギーを大気に放出してしまっていたものを、熱効率のよい方法で温水に熱交換して有効利用できるようになった。

また、前述のような方法的手段をとることにより、その装置は低コストで実現でき、コンパクトで保守整備が容易にでき、低ランニングコストで運用可能になった。

本発明の螺旋煙道示す原理図である。 本発明の製作方法を示す斜視図である。 本発明の扇片を示す平面図である。 本発明の熱交換装置構造を示す断面図である。 本発明の温水ボイラーのシステム構成を示す組織図である。

本発明は現場において試行錯誤しながら、最適化したものである。以下実施例として詳細に開示していく。

図１により、本発明の螺旋煙道の基本原理を説明する。
内水筒３０の外壁３１に等しいピッチＰで幅Ｈの螺旋フィン３２を巻きかけていくと、Ｐ×Ｈの断面積を持った長い筒が形成される。この長い筒を焼却炉の煙道とし、その一端を熱交換装置の流入煙道口４１とし、他端を熱交換装置の排出煙道口４２として煙を流せば、焼却炉の出口煙道路５１と熱交換装置の吸引煙道路７１とすることができる。

図５により、本発明の温水ボイラーのシステム構成を説明する。
焼却炉５０から出る高エネルギーの排煙は出口煙道路５１を通って熱交換装置２０にはいる。吸引ブロワー７０は負圧をもって熱交換装置２０からエネルギーを失った排煙を吸引煙道路７１を通って吸い込み、吸引ブロワーの排出路７２を通してサイクロン型集塵機８０に送り込む。サイクロン型集塵機８０では排煙から集塵して塵８２を取り除き清らかになった空気を大気放出路８１に送り出す。

熱交換装置２０では、温水槽１１から熱交換装置の要加熱水流入路２５を介して６５℃程度の温水を受給して、８５℃程度に加熱して熱交換装置の温水排出路２１を介して温水槽１１に返す。温水槽１１から給湯路１３を通じて温水は有用の材となし、温水槽１１には給湯路１３で消費された量と同量の水道水が水供給路（水道水路）に注がれる。
温水槽１１の設置は必須要件ではなく、熱交換装置２０から直接に給湯することも考えられる。

このシステム構成で、基本要素である焼却炉５０と、熱交換装置２０と、吸引ブロワー７０と２基のサイクロン型集塵機８０を一つの温水ユニット１０としてコンパクトにまとめた装置を出願人は試作・試験の途上にある。２基のサイクロン型集塵機８０を並列に設けたのは記すまでもないが連続運転中にも塵８２の排泄を可能にしたことによる。
焼却炉５０の燃料は主として木屑（３７００Ｋｃａｌ／Ｋｇ）とし、燃焼量は時間当たり１００Ｋｇを想定して、温水槽１１の給湯温度７０℃で平均給湯量１分当たり２５０Ｌとして設計した。
温水ユニット１０の大きさは、幅３５００ｍｍ、高さ２３００ｍｍ、奥行き１４００ｍｍに収まった。

図４により、本発明の要素である熱交換装置２０について説明する。
先ず、熱交換装置２０の大きさは、外水筒４０の外径１１１０ｍｍ、内径９１０ｍｍ、内水筒３０の外径６００ｍｍ、高さ１４００ｍｍになった。

次いで、熱交換装置２０の構造の詳細を説明する。
基台１８の上部中央に螺旋フィン３２を持つ内水筒３０は、下部を内水筒の足３６で支持され、上部には熱交換装置の要加熱水外水筒流入口３３と熱交換装置の温水排出管３５があり夫々熱交換装置の要加熱水内水筒流入路２６と熱交換装置の内水筒温水排出路２２に連結し、熱交換装置の要加熱水内水筒流入路２６は内水筒３０の底近くまで伸びて、熱交換装置の要加熱水外水筒流路３４を形成している。これは湯の温度による密度低下を利用したものである。

前記螺旋フィン３２の外周には焼却炉の熱交換装置の流入煙道口４１と排出煙道口４２を備えた外水筒４０は、下部に熱交換装置の外水筒要加熱水流入口２９があり熱交換装置の要加熱水外水筒流入路２７となり、上部に熱交換装置の外水筒排出口２８があり熱交換装置の外水筒温水排出路２３となっている。

外水筒４０と内水筒３０は共に加熱水がアウトプットとして出るから、流路の接続は直列、並列の何れもあり得る。本件試作では、外水筒４０から内水筒３０の直列流路の接続とした。

図４の螺旋フィン３２の作図は簡略法を採った。実の螺旋フィン３２はどの部分を取り出しても内水筒外壁３１に対して垂直に一体化している。
外水筒の内壁４４と内水筒外壁３１の間隔Ｈは１５５ｍｍ、螺旋フィン３２のリードＬは３００ｍｍ、従って熱交換装置２０内の煙道断面積は４６５平方ｃｍ、パイプ内径に換算すると２４０ｍｍになり、その値が焼却炉５０からサイクロン型集塵機８０に至る煙道断面すべてを貫いて採用している。
また、熱交換装置２０内の煙道の長さは６．０ｍになる。
螺旋フィン３２と外水筒の内壁４４の間には５ｍｍの隙間４３を存在させており、前記外水筒４０の上部の着脱可能な外水筒蓋１７を外すと、内水筒３０は上方向に容易に抜き取ることが出来、保守整備及び組み立てがしやすくなる。
５ｍｍの隙間４３の存在による漏洩はあるが、この程度であれば熱効率の悪化の心配はない。

図２と図３により、螺旋フィン３２の製作方法について説明する。
前記構造を実現する方法として、螺旋フィン３２の製作が困難で障害となっていた。発明者は、内水筒３０の外壁３１に油性のマジックインクで設計した螺旋ラインを描き、このラインに沿って扇片６０を逐次溶接６５しつつ前記螺旋フィン３２に仕立ててゆくことが容易であることに気づいた。

扇片６０は螺旋円周で１２枚使うことにして図３のように扇片内周６１のＲを内水筒３０の半径とし、扇片外周６２は前記Ｒに扇片端面６３の長さＢを加えた半径とし、厚さ１．６ｍｍの鋼板をレーザカットした。扇片端面６３の長さＢは外水筒の内壁と内水筒外壁の間隔Ｈから５ｍｍの隙間を除した寸法で１５０ｍｍとした。
多量生産になればプレス打ち抜き加工でコストが下げられる。
幾何学的には扇片内周６１のＲは内水筒３０の半径では螺旋ラインに密着しないが、後述する点付け作業では扇片内周６１の端部が密着し好結果が得られた。

扇片６０を螺旋ラインに沿って逐次溶接６５していく場合、先ず、全部の扇片６０を点付け溶接し、内水筒外壁３１に対して垂直になっていることを確かめ、次いで、合い隣の扇片６０を溶接６５して螺旋帯を形成した後、内水筒外壁３１に点線状の部分付けする方法を採った。これは内水筒３０の歪を最小にするためである。

螺旋フィン３２は動くものではないから加工精度を要しないし、外部から見えるところでもない。煙道を通る排煙から熱エネルギーを奪い水に熱エネルギーを与える熱交換作用をうまく行うことが求められる。そのためには排煙の速度をあげ、排煙の接する面積を大きくし、しかも装置全体は低コストで実現でき、コンパクトで保守整備が容易にでき、低ランニングコストで運用可能でなければならないからこのような構造と製作方法になった。

本発明は、再生可能エネルギーを見つけ、多用されている温水に変換するものであるから、温泉施設、工場の給湯、病院などに即利用できる。

１０ 温水ユニット
１１ 温水槽
１２ 温水
１３ 給湯路
１４ 水供給路（水道水路）
１７ 外水筒蓋
１８ 外水筒基台
１９ 煙道シール
２０ 熱交換装置
２１ 熱交換装置の温水排出路
２２ 熱交換装置の内水筒温水排出路
２３ 熱交換装置の外水筒温水排出路
２５ 熱交換装置の要加熱水流入路
２６ 熱交換装置の要加熱水内水筒流入路
２７ 熱交換装置の要加熱水外水筒流入路
２８ 熱交換装置の外水筒排出口
２９ 熱交換装置の外水筒要加熱水流入口
３０ 内水筒
３１ 内水筒外壁
３２ 螺旋フィン
３３ 熱交換装置の要加熱水外水筒流入口
３４ 熱交換装置の要加熱水外水筒流路
３５ 熱交換装置の温水排出管
３６ 内水筒の足
４０ 外水筒
４１ 熱交換装置の流入煙道口
４２ 熱交換装置の排出煙道口
４３ 隙間
４４ 外水筒の内壁
５０ 焼却炉
５１ 焼却炉の出口煙道路
６０ 扇片
６１ 扇片内周
６２ 扇片外周
６３ 扇片端面
６５ 溶接
７０ 吸引ブロワー
７１ 熱交換装置の吸引煙道路
７２ 吸引ブロワーの排出路
８０ サイクロン型集塵機
８１ 大気放出路
８２ 塵
Ｂ 扇片端面の幅
Ｏ 扇片の仮想芯
Ｒ 扇片内周の半径
Ｐ 螺旋フィンのピッチ
Ｈ 外水筒の内壁と内水筒外壁の間隔

Claims (6)

1. 基台１８の上部中央に螺旋フィン３２を持つ内水筒３０と、前記螺旋フィン３２の外周には焼却炉の熱交換装置の流入煙道口４１と排出煙道口４２を備えた外水筒４０を有する温水ボイラーの熱交換装置。
2. 請求項１において、前記螺旋フィン３２と外水筒の内壁４４の間には隙間４３が存在する温水ボイラーの熱交換装置。
3. 請求項１において、前記外水筒４０の上部には、着脱可能な外水筒蓋１７を有する温水ボイラーの熱交換装置。
4. 前記内水筒３０の外壁３１には、逐次溶接６５しつつ前記螺旋フィン３２に仕立ててゆく温水ボイラーの熱交換装置の製作方法。
5. 請求項４において、前記螺旋フィン３２の溶接６５は、点線状の部分付けである温水ボイラーの熱交換装置の製作方法。
6. 請求項４と請求項５において、前記螺旋フィン３２は、複数の扇片６０を接合して仕上げる温水ボイラーの熱交換装置の製作方法。

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