JP2684060B2

JP2684060B2 - 液槽加熱装置

Info

Publication number: JP2684060B2
Application number: JP12766788A
Authority: JP
Inventors: 治郎中丸; 義之佐野; 宏一柳; 宣雄松尾; 正行松田; 隆弘西田; 三夫今村
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1988-05-24
Filing date: 1988-05-24
Publication date: 1997-12-03
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JPH01296048A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、液槽内の流体を加熱するための液槽加熱装
置に関する。

〔従来の技術〕

塗装、鍍金の前処理工程での脱脂槽等の洗浄液や化成
液の加熱や、メッキ槽のメッキ液などの加熱は、従来よ
り、第12図や第13図に示す方式が用いられてきた。第12
図は、液槽１内に伝熱管６を配し、伝熱管６の内部にス
チーム47を通して、液槽内液体２を加熱するものであ
り、ボイラ装置等を備えた工場では、本方式が主流であ
る。しかし、本方式では液槽内液体２を加熱するため
に、その使用量にかかわらずボイラを稼動させ、スチー
ムを発生させる必要があり、ボイラ効率から考えると運
転コストは高価なものについていた。また、工場操業前
に液槽内液体２の加熱を必要とするため、早出によって
ボイラを定常状態まで運転しておく必要があった。

第13図はボイラを備えていない工場やスチームに変わ
る加熱源を使用している方式で、図に示す如く、液槽１
内に電気シーズヒータ等の電気ヒータ３を投入し、液槽
内液体２の加熱や温度維持を行うものである。この方式
は、液槽１内に電気ヒータ３を液槽１に取付けることな
く、投げ込み方式で液槽内液体２の加熱が行なえること
や、加熱体である電気ヒータ３を液槽１内に完全に浸漬
できることから簡便な方式として広く使用されている。
しかし、電気ヒータ３の電源取合部は、液槽内液体２が
侵入しない完全なシール構造が必要であることや、電気
ヒータ３を使用するために大型大容量液槽の加熱には余
り適さないこと及び、電気を加熱源とするために、運転
コストが高価になる等の問題があり、近年では、ガス燃
料等を用いた燃焼方式の加熱ヒータが使われるようにな
ってきた。その燃焼方式の加熱ヒータについて代表的な
ものを第14図〜第16図に示す。

第14図は、比較的小形の液槽に使用される加熱ヒータ
を示し、第15図は大型容量の液槽に使用される加熱ヒー
タを示す。また、第16図は第14図、第15図に示すヒータ
におけるバーナ燃焼部の構造の一例を示したものであ
る。第14図は液槽に特別な取付を要しない投込み型、第
15図は、液槽取付フランジ12による液槽取付型である。

第14図、第15図共に燃焼式加熱ヒータ４はバーナ燃焼
部５と伝熱管６とからなっている。この燃焼式加熱ヒー
タでは燃料ガス９は燃料ガスノズル７より、バーナ燃焼
用空気10は燃焼用空気ノズル８よりそれぞれバーナ燃焼
部５に供給され、バーナ燃焼部５内で燃焼し、高温の燃
焼排ガス11として液槽１内に配された伝熱管６を通り、
液槽内液体２と熱交換され、液槽内液体２を加熱した
後、低温の燃焼排ガス11として排気される。

また、バーナ燃焼部５は、第16図に一例を示す如く、
燃料ガスノズル７、燃焼空気ノズル８、燃料ガスノズル
７の先端に取付けられたバーナノズル13、保炎器16及
び、点火プラグ14、フレームロッド15からなる。燃料ガ
スノズル７から導入された燃料ガス９は、燃料ガスノズ
ル７の先端に取付けられたバーナノズル13に設けられた
燃料ガス噴出孔17よりバーナ燃焼部５内へ供給され、燃
焼空気ノズル８より導入された燃焼空気10と混合され、
点火プラグ14の電気スパークを熱源として着火燃焼す
る。点火プラグ14はフレームロッド15により、着火燃焼
が確認された後、スパークを停止する。着火後は、保炎
器16により、燃焼火炎の安定が図られ、継続燃焼する。
また、フレームロッド15は、継続燃焼後の失丈の監視を
行う。燃焼排ガス11は、バーナ燃焼部５を通り、バーナ
燃焼部５の出口に取付けられた伝熱管６へと導入され
る。

この燃焼式加熱ヒータは、燃焼ガス11と液槽内液体２
を伝熱管６を介して直接熱交換を行うため熱効率も比較
的高く、また、燃料ガスの直接燃焼方式であるため、前
記した電気ヒータ方式に比べ、運転コストが安価である
等、有益な方式である。しかし、火炎を形成して燃焼す
るため、火炎が液槽内液体２内に浸漬されたバーナ燃焼
部５の本体壁面に接触すると、火炎が冷却され、不完全
燃焼を起し、燃焼ガス中に一酸化炭素（CO）や燃料ガス
成分（CH₄やＣ₃H₈等の炭化水素）の未燃ガスを含有して
排気される問題である。そのため、第14図〜第15図に示
す如く、バーナ燃焼部５を液槽内液体２の液面より上部
か又は液槽１の外に配置せざるを得ない。

第14図に示す投込型については、液槽内液体２の液面
より上部にバーナ燃焼部５を配しているが、メッキ槽や
洗浄槽等においては、製品又は半製品を液槽へ搬入する
空間が液槽の上部である場合が多く、作業性等の悪化を
招く。そのために第15図に示すように液槽１の側面に液
槽取付フランジ12等で固定して取付る方式が多く採用さ
れている。しかし、この場合、ヒータ取付のために液槽
１にバーナ燃焼部５挿入用の排気用の二つの孔を設ける
必要があり、そのための液槽１の加工や工事が必要であ
り、加熱ヒータ４のメンテナンスに際しても液槽内液体
２の抜出しが必要となり不便である。また、燃焼部５本
体が、液槽内液体２の液面より上部か又は、液槽１の外
側に位置するため、最も温度の高くなる燃焼部５本体か
らの放熱は、液槽内液体２の加熱に有効に利用されるこ
となく、損失熱となるため、熱効率の面でマイナスとな
っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記した従来の燃焼式液槽加熱ヒータは、火炎の冷却
による不完全燃焼を防止するため燃焼部を液槽内液体の
液面より上部の空間か又は、液槽外に配置する必要があ
り、投込型においては液槽内に浸漬する製品の運搬通路
を邪魔する等の問題があった。一方、その問題を解決す
るために、製品運搬通路の邪魔にならない液槽側面への
固定取付型の燃焼式液槽加熱ヒータについては、取付に
際し、液槽の加工や改造を必要とし、加熱ヒータのメン
テナンスに手間がかかることや、取付部からの液の漏れ
の心配等の問題があった。また、燃焼部からの放熱が液
体の加熱に有効に利用できないという問題もあった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、
液槽容量に係わらず対応でき、かつ運転コストの低減を
図ることが可能な燃焼部を熱エネルギーの有効利用がで
きるように液槽内に配置で、かつメンテナンスの容易な
投込型とすることができる液槽加熱装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的は、燃料と空気等の酸化剤との混合気が
供給される燃焼装置を、液体中に浸漬可能な密閉構造と
し、その内部に燃焼触媒を設置し、液中に燃焼触媒によ
る燃焼部を形成すると共に燃焼触媒と容器内周面との間
に断熱材を介在させることによって達成される。

〔作用〕

燃焼触媒を用いた触媒燃焼は、触媒成分であるPd、P
t、Ph等の貴金属元素又はCu、Ni等の非金属元素のもつ
酸化促進作用により、触媒の表面で燃料ガスと酸素（空
気等）を接触燃焼させる。

そのため、通常の火炎燃焼（バーナ燃焼）に比較し、
燃焼速度が著しく速く、したがって低温で完全酸化、燃
焼が可能であり、燃焼触媒ブロック内で燃焼を完結し、
火炎の発生がない。このため、燃焼触媒ブロックを内蔵
した触媒燃焼部本体を液体等の漏れ込みがない密閉構造
とすると、低温の液中に浸漬しても火炎燃焼の場合よう
に火炎が冷却された燃焼部本体壁面に接触することがな
く、燃焼触媒ブロックが壁面と接する支持部分のみを断
熱材により断熱することによって未燃分等のない完全燃
焼が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明になる液槽加熱装置の一実施例を第１図〜第５
図に示す。第１図は本発明になる液槽加熱装置の液槽内
の設置例を示す全体図、第２図は第１図における液槽加
熱ヒータの構造を示す詳細構造図、第３図は第２図のＡ
−Ａ線断面図、４図は大容量の場合の第２図Ａ−Ａ線相
当断面図である。また、第５図には、本発明になる液槽
加熱装置の系統の一例を示す。

この装置は、燃料ガス９を供給する燃料ガスノズル７
と燃焼用空気10を供給する燃焼用空気ノズル８を有し、
これらのノズルは混合ガス供給管41に接続されている。
この混合ガス供給管４は加熱ヒータ本体４に設けられた
混合ガスノズル25に接続されている。加熱ヒータ本体４
の本体ケーシング26内には燃焼触媒27が配置されると共
に伝熱管６が接続されている。加熱ヒータ本体４は、第
２図に示す如く円筒状の本体ケーシング26の軸方向一端
部側より挿入された混合ガスノズル25の開口部がケーシ
ング中心部に位置し、燃焼触媒27は混合ガスノズル25の
外周側に設置されている。燃焼触媒27は第３図に示す如
く断熱材30を介して多数個連接され、筒状に形成されて
いる。

また、放射能起動用に本体ケーシング26と燃焼触媒27
との間に点火プラグ14が設置されている。

次に上記のように構成される液槽加熱装置の作用につ
いて説明する。

本発明になる液槽加熱装置は、第１図に示す如く、液
槽１の液槽内液体２に完全に浸漬された形で使用され
る。この場合、バーナ燃焼（気相燃焼）方式であると、
液中にある本体ケーシング26自体が液槽内液体２によっ
て外周から冷却されており、火炎に接触すると、火炎が
冷却され、未燃成分として有害ガスが発生するという問
題がある。しかし、実施例のように燃焼部５に燃焼触媒
27を使用し、燃焼触媒27により構成される燃焼部５を本
体ケーシング26の天井部のフランジから吊り下げて配置
したことにより液槽内液体２により冷却される本体ケー
シング26の側壁と燃焼触媒27の燃焼ガス流出面との間で
空隙部27を設けたことにより燃焼部５を本体ケーシング
26から独立させ、燃焼触媒27と本体ケーシング26との接
触部を天井のみとしたことにより燃焼触媒27は冷却され
ることなく、無火炎で高温燃焼させることができる。し
たがって、燃焼触媒27と本体ケーシング26の接触する天
井フランジ部分と燃焼触媒27との間に混合ガス28のシー
ルを兼ねた断熱材30を挟み込んで断熱することができ
る。

第２図に示す如く、燃焼触媒27と本体ケーシング26の
接触部は、本体ケーシング26の天井部（天井部はフラン
ジ構造となっており、燃焼触媒27と本体ケーシング26か
ら取り出せる構造となっている。）のみであり、その接
触部にはシールを兼ねた断熱材30が充填されており、直
接燃焼触媒27自体が液槽内液体２、本体ケーシング26に
よって冷却されない構造となっている。同様に第３図及
び第４図に示すように燃焼触媒27の接合部や触媒サポー
ト42とのすき間にも、シールを兼ねた断熱材30が充填さ
れており、混合ガス28のショートパス（すき間等からの
リーク）を防止している。本発明において、燃焼触媒27
には、ハニカム状燃焼触媒を好適に使用される。ハニカ
ム状燃焼触媒は、コージェライト等のセラミックスをハ
ニカム状に成形した基材上に触媒成分と、高比表面積を
有するアルミナ材を担持したもので、本発明において
は、燃焼触媒27内部温度が最高900℃前後となり、燃焼
触媒27は固体輻射熱放出する。燃焼触媒27は、本体ケー
シング26の全周にわたって配置してあるため、燃焼触媒
27からの輻射熱は、本体ケーシング26の全域に渡って吸
熱される。本体ケーシング26は、液槽内液体２に完全に
浸漬し、液体により冷却されているため、吸熱された熱
は、本体ケーシング26から、液槽内液体２に有効に伝熱
され、放熱による熱ロスを生じない。発明者らが実施し
た実験において、加熱ヒータ全体の有効熱は、伝熱管の
長さを調整することによって、全投入熱量の90％以上
（熱効率）が確保できる。（これは全て、液槽内液体２
に与えられた熱である。）その90％以上の有効熱の内、
60％以上は、燃焼部５すなわち、本体ケーシング26から
伝熱された熱であり、本体ケーシング26が液槽内液体２
の加熱伝熱面として有効にずいていることが分かった。
従って、従来の方式のものに比べ伝熱管の長さを1/3程
度まで減することができる。また、本発明による加熱ヒ
ータは、液槽１の上部開放面には、燃料管７、燃焼空気
管８又は、混合ガス管41と、伝熱管６の排気口があるの
みで、大きなスペースを専有する燃焼部５が液槽内液体
２中にあるため、液槽１のオーバーヘッドスペースが製
品の運搬等に支障なく有効に活用できる利点がある上、
加熱ヒータを投込型として、液槽１内底部で自立できる
ため、取付に当たっては、液槽１の加工を必要とせず、
工事も簡単であり、メンテナンスも容易に実施できる利
点もある。

次に本発明の加熱装置の操作手順について、第５図を
基に説明する。

運転に当たってまず、運転スイッチ33をONにすると、
空気ファン32が作動し、液槽加熱ヒータ内の触媒層に燃
焼用空気10が供給される。その際、燃料９の流路に配設
された燃料電磁弁38A、38B及び空気電磁弁39A、39Bはい
ずれも閉となっている。燃焼用空気は最小量（MIN量）
が供給される。

燃焼用空気10の流路に設置された圧力スイッチ46によ
り空気圧が設定圧に達した段階で点火装置34を介して点
火プラグ14がスパークを開始する。同時に燃料電磁弁38
A及び空気電磁弁39Bが開となり、燃焼部５内の燃焼触媒
27に燃料９と燃焼用空気10との混合ガス28が混合ガスノ
ズル25を通して供給される。混合ガス28は、第２図に示
す如く、混合ガスノズル25の先端部より供給され、筒状
の燃焼触媒27の周方向に通過し、燃焼触媒27の出口で点
火プラグ14のスパークにより点火し、燃焼触媒27表面で
短炎プラグを形成して燃焼する。（以下、これを表面燃
焼と称する）この表面燃焼による燃焼触媒27は、触媒燃
焼着火温度まで予熱されると共に液槽内液体２の加熱が
開始される。この表面燃焼の条件は、空気比1.05〜1.7
であり、面負荷は、触媒外表面積に対し、10×10⁴〜20
×10⁴kcal/m²ｈ程度である。また、燃焼触媒27の予熱温
度は、燃料種によって異なるが、メタン（CH₄）系燃料
においては600℃〜800℃であり、予熱時間は１分〜10分
である。この予熱時間、すなわち表面燃焼時間内におい
て燃焼は徐々に触媒燃焼へと移行し、予熱時間は、タイ
マー35に設定されている。尚、点火に際して、点火プラ
グ14からの直接表面燃焼に点火するのではなく、パイロ
ットバーナを介して表面燃焼へ点火することが可能なこ
とは言うまでもない。

タイマー35がアップした段階で、空気電磁弁39Aは閉
となり、一方、空気電磁弁39Bが開となり、触媒燃焼の
高負荷側での燃焼が始まる。この条件は、空気比1.6〜
2.5、面負荷10×10⁴〜10×10⁴kcal/m²ｈである。液温の
調整は、液温調節計45により行われ、液温が設定値を超
えた段階で、燃料電磁弁38Aは閉となり、燃料電磁弁38B
が開となり、空気電磁弁39Bが閉となり、燃焼用空気10
は最小量（MIN量）が供給され、触媒燃焼の低負荷側で
の燃焼に切り替える。この時の条件は、空気比1.1〜2.0
であり、面負荷は、５×10⁴〜10×10⁴kcal/m²ｈであ
り、高負荷燃焼と低負荷燃焼のターンダウンは1/2〜1/4
が望ましい。

この高負荷燃焼と低負荷燃焼を液温調節計45からの指
示により繰り返し液温を一定値内に調節する。尚、本実
施例では、２段階切替の例を示したが、２段階を超えた
複数段階のコントロール及び燃焼のON-OFF制御が可能で
あることは言うまでもない。

安全装置としては、燃焼触媒27の混合ガス入口側の温
度の異常高による逆火を温度スイッチ37Bにより検知
し、燃焼触媒27の排ガス出口側の温度の異常低による表
面燃焼の点火確認と触媒燃焼時の失火や燃焼触媒26の劣
化を温度スイッチ37Aにより検知する程度で良い。

第６図〜第８図は本発明の他の実施例を示し、第６図
はその全体構成図、第７図は第６図における液槽加熱ヒ
ータの詳細構造図、第８図は第７図のＢ−Ｂ線断面図で
ある。

この液槽加熱装置は、断面矩形状の筒状本体ケーシン
グ26内を水平方向に配置した燃焼触媒27によって上下２
つの領域に区画されている。燃焼触媒27の上方に位置す
る混合ガスノズル25下方に整流板29が設けられ、燃焼触
媒27の下方のケーシング内領域は、本体ケーシング26の
長手方向に所定の間隔で配置された複数の燃料ガスノズ
ル６の開口部を連通している。

第９図〜第11図は本発明の更に他の実施例を示し、第
９図はその全体構成図、第10図は第９図における液槽加
熱ヒータの詳細構造図、第11図は第９図のＣ−Ｃ線断面
図である。

この液槽加熱装置は、断面矩形状の筒状本体ケーシン
グ26内を垂直方向に配置した燃焼触媒27によって左右２
つの領域に区画され、混合ガスノズル25の先端開口部は
前記の１つの領域の中間部に位置している。なお、第６
図及び第９図における40は、排ガスヘッダを示してい
る。

第６図〜第11図に示す液槽加熱装置は、第１図に示す
実施例における効果の他に断面短形状の筒状本体ケーシ
ング26の液槽幅方向の厚みを薄くした面状に構成でき
る。したがって、液槽加熱ヒータを液槽１の底部叉は側
壁部に近接して配置でき、液槽１内のスペースを更に有
効に活用できる。本体ケーシング26を幅を薄くし、かつ
面状面積を大きくすれば、大型装置化が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、液槽内の液槽内液体中に液槽加熱ヒ
ータ（燃焼部）を完全に浸漬できるので、燃焼部の高温
となる部分からの放熱ロスをなくすことができ熱効率が
向上できる効果があると共に、液槽のオバーヘッドスペ
ースが広く使えると共に大きな障害物がなくなったこと
により、製品の運搬等の作業性が改善される。また、加
熱ヒータを投込型として使用できるため、液槽の加工等
を必要とせず、メンテナンスが容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す液槽加熱装置の全体構
成図、第２図は第１図における液槽加熱装置ヒータの詳
細構造図、第３図は第２図のＡ−Ａ線断面図、第４図は
大容量型のときの第２図Ａ−Ａ線断面相当図、第５図は
本発明になる液槽加熱装置の系統図、第６図は本発明の
他の実施例を示す全体構成図、第７図は第６図における
液槽加熱ヒータの詳細構造図、第８図は第７図のＢ−Ｂ
線断面図、第９図は本発明の更に他の実施例を示す全体
図、第10図は第９図における液槽加熱ヒータの詳細構造
図、第11図は第10図のＣ−Ｃ線断面図、第12図、第13
図、第14図及び第15図はそれぞれ従来の液槽加熱装置を
示す全体構成図、第16図は第14図及び第15図における液
槽加熱ヒータの詳細構造図である。１……液槽、２……液槽内液体、４……液槽加熱ヒー
タ、５……燃焼部、６……伝熱管、14……点火プラグ、
25……混合ガスノズル、26……本体ケーシング、27……
燃焼触媒、28……混合ガス、29……整流板、30……断熱
材、33……運転スイッチ、34……点火装置、35……タイ
マー、36……トランス、37A、37B……温度スイッチ、38
A、38B……燃料電磁弁、39A、39B……空気電磁弁、40…
…排ガスヘッダー、43A、43B……燃料調整弁、44A、44
B、44C……空気調整弁、45……液温調整計、46……圧力
スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松尾宣雄広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (72)発明者松田正行広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (72)発明者西田隆弘広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (72)発明者今村三夫広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (56)参考文献特開昭60−200045（ＪＰ，Ａ) 実公昭35−28946（ＪＰ，Ｙ１) 登録実用新案63360（ＪＰ，Ｚ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料及び空気等の酸化剤の供給管と、この
供給管からの燃料と酸化剤との混合気を燃焼させる燃焼
装置と、この燃焼装置からの燃焼排ガスを導入すると共
に液槽内の液体中に浸漬される伝熱管等の伝熱部とを備
え、燃焼排ガスと液体との熱交換により液槽内の液体を
加熱する液槽加熱装置において、前記燃焼装置が前記液
槽内に浸漬可能な密閉容器構造からなり、その容器内部
に容器内周面と間隔を保って燃焼触媒が設置され、密閉
容器と燃焼触媒との間に断熱材を介在させたことを特徴
とする液槽加熱装置。
【請求項２】前記燃焼装置は、その装置本体ケーシング
の内壁面に前記燃焼触媒による燃焼排ガスが流動する構
造からなることを特徴とする請求項（１）記載の液槽加
熱装置。
【請求項３】前記燃焼装置は、その装置本体ケーシング
が円筒状に形成され、このケーシング内部にケーシング
と同心円上に円筒状の燃焼触媒が配置され、燃焼触媒内
部に混合ガスノズルの開口部が位置していることを特徴
とする請求項（１）記載の液槽加熱装置。
【請求項４】前記加熱装置は、その装置本体ケーシング
が断面矩形状の筒体からなり、この筒体内に板状の燃焼
触媒が配置されて筒体内を２つの領域に区画し、一方の
領域に混合ガスノズルの開口部が位置していることを特
徴とする請求項（１）記載の液槽加熱装置。
【請求項５】前記混合ガスノズルの開口部が位置する領
域に整流板が設置されていることを特徴とする請求項
（４）記載の液槽加熱装置。
【請求項６】前記燃焼装置内に、起動時前記燃焼触媒の
予熱を行うための点火手段と、低負荷燃焼から高負荷燃
焼に移行するのに必要な予熱時間を設定するタイマー
と、このタイマーによる予熱時間経過後に高負荷燃焼に
必要な空気比となるように燃料及び空気の供給量を制御
する手段とを設けたことを特徴とする請求項（１）記載
の液槽加熱装置。
【請求項７】前記液槽内に液温検出器を設置し、液温検
出値に基づいて前記燃焼触媒に供給される燃料及び空気
の供給量を制御して低負荷燃焼から高負荷燃焼に切り換
える手段を設けたことを特徴とする請求項（１）記載の
液槽加熱装置。