JP3693078B2

JP3693078B2 - 触媒燃焼加熱装置

Info

Publication number: JP3693078B2
Application number: JP31352596A
Authority: JP
Inventors: 知司山田; 祥司広瀬; 伸次庖丁
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2016-11-25
Also published as: JPH10160130A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体や気体のような被加熱流体の加熱装置として、特に触媒付熱交換器内に於いて可燃ガスを触媒によって酸化させて、その酸化反応熱によって被加熱流体を加熱する触媒燃焼加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可燃ガス（燃料ガス）の触媒による酸化反応によって発生する熱を利用して被加熱流体を加熱する所謂触媒燃焼加熱装置は既に知られており、家庭用や自動車用など、色々な用途への使用が考えられている。触媒付熱交換器を用いた触媒燃焼加熱装置においては、触媒付熱交換器の被加熱流体が流れるチューブに接合されることによって一体的に形成された多数のフィンに、例えば白金やパラジウムの様な酸化触媒を担持させておくことによって、可燃ガスが触媒担持フィンに接触したときにフィンの表面において酸化反応を起こし、その際に発生する酸化反応熱がフィンからチューブ内に伝えられて、被加熱流体を加熱するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の触媒燃焼加熱装置では、未反応で比較的低温の可燃ガスと、酸化反応熱によって温度が上昇した触媒担持フィンができる限り熱交換しないように、フィンの間隔やフィン形状を決定している。しかしながら、可燃ガスと被加熱流体の方向が対向する場合は、被加熱流体の出口付近、つまり可燃ガスの上流付近では濃度の高い可燃ガスが供給され続けて酸化反応熱が多くなる上に、チューブ内を流れる被加熱流体の気化や温度上昇によって、チューブ内への伝熱抵抗が増大しているために、触媒を担持したフィンや被加熱流体の流れるチューブが異常に高温となり、触媒燃焼加熱装置へ悪影響を与えるという問題があった。
【０００４】
また、可燃ガスと被加熱流体の流れる方向が平行となる場合には、可燃ガスの上流側では低温の被加熱流体が供給され続けるので、フィンに担持された酸化触媒の活性が低く、可燃ガスの酸化が十分行われない。その結果、システムの立ち上げ時に酸化されないで放出される可燃ガスの量が多くなるので、十分な低エミッション運転を実現するためには装置の体格を大きくする必要があったり、立ち上げ時間が長くなるという問題があった。さらに、液流体を加熱して高温のガスを得る触媒燃焼加熱装置では、液流体が気化するドライアウト点直後のフィンやチューブが異常昇温するという問題があった。
【０００５】
本発明は上記のような問題に鑑み、フィンやチューブが異常昇温することがなく、安全で熱交換効率の高い触媒付熱交換器を備えている触媒燃焼加熱装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された触媒燃焼加熱装置を提供する。
【０００７】
本発明の触媒燃焼加熱装置においては、内部を被加熱流体が流れるチューブの外表面に複数枚のフィンを接合し、そのフィンに可燃ガスと接触して酸化反応を起こさせる酸化触媒を担持させた触媒付熱交換器を備えていると共に、そのチューブの各部位における伝熱抵抗の大きさに応じて、それら各部位の触媒担持フィンの表面における酸化反応熱量が異なるようにした点に特徴がある。各部位において有効な酸化反応熱量を異ならせるための典型的な手段として、触媒担持フィンの面積及びフィンの間隔を、チューブの各部位の伝熱抵抗の大きさに応じて変化させることができる。
【０００８】
具体的に、チューブのなかでも伝熱抵抗の高い部位では酸化反応熱量を少なくするための手段として、特に、供給する可燃ガスと被加熱流体の流れの方向が対向している熱交換器においては、可燃ガスの濃度が高く、且つ被加熱流体の温度が高い可燃ガスの流れの上流側の部位において、それよりも可燃ガスの濃度が低く、被加熱流体の温度が低い下流側の部位に比べて、触媒担持フィンの面積を小さくするので、可燃ガスの上流側では下流側よりも発熱量が小さくなる。さらに、上流側のフィンの間隔を狭くすることによって、フィンから可燃ガスへの余剰の熱量の熱伝達が増加し、フィンやチューブが異常に昇温することが防止される。
【０００９】
また、可燃ガスの濃度が高い上流側のチューブに触媒を担持しない伝熱フィンを付加したときには、可燃ガスの上流部ではフィンから未反応で比較的低温の可燃ガスや燃焼用空気への熱伝達が増加し、フィンやチューブが異常に昇温することがない上に、加熱された可燃ガスや燃焼用空気によって下流側の触媒を早期に活性化させることができる。
【００１０】
さらに、本発明の触媒燃焼加熱装置でも、触媒付熱交換器において供給される可燃ガスと被加熱流体の流れの方向が平行となっている場合には、可燃ガスの濃度が高い上流側では濃度の低い下流側よりもフィンの間隔を小さくするので、可燃ガスの上流部ではフィンから可燃ガスへの熱伝達が増加し、フィンやチューブが異常に昇温することが防止される上に、下流側の触媒を早期に活性化させることができる。
【００１１】
また、本発明の触媒燃焼加熱装置においては、触媒付熱交換器がドライアウト点を有する場合に、ドライアウト点近傍のチューブに酸化触媒を担持しない伝熱フィンを付加することができるので、ドライアウト点近傍ではフィンから可燃ガスへの熱伝達が増加し、フィンやチューブが異常に昇温することがない上に、下流側の触媒を早期に活性化させることができる。さらに、ドライアウト点近傍のフィンにルーバを形成することもできるので、それによって前述の作用が強められる。
【００１２】
可燃ガスとして水素を使用する場合には、触媒付熱交換器のチューブの各部位において必要な熱量に応じて水素の供給量を調整したり、分割供給することができるので、反応速度の高い水素をシステム全体において反応させることができ、伝熱効率が向上する上に部分的な過熱を防止することができる。
【００１３】
このように本発明によれば、必要以上の発熱を抑制してフィンやチューブが異常に昇温することを防止するので、安全で、立ち上げ時にも低エミッションの運転が可能な、熱交換効率の高い触媒燃焼加熱装置が得られる。また、低温の液流体を高温のガス流体まで加熱する触媒燃焼加熱装置においても、ドライアウト点近傍ではフィンから可燃ガスへの熱伝達量が増加し、フィンやチューブが異常に昇温することがない上に、下流側の触媒を早期に活性化させることができる信頼性の高い触媒燃焼加熱装置が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１及び図２によって本発明の触媒燃焼加熱装置の一実施形態を説明する。この触媒燃焼加熱装置において、酸化触媒に可燃ガスを供給するための燃料供給部１００の一端が触媒付熱交換器２００に接続されている。触媒付熱交換器２００は、白金やパラジウムのような酸化触媒を担持した多数のフィン２０１が、内部を被加熱流体が流れるチューブ２０２にロウ付けなどの方法によって接合されている。燃料供給部１００から触媒付熱交換器２００へ供給された可燃ガスは、触媒付フィン２０１上の触媒に接触することによって、触媒付フィン２０１の表面において酸化反応を起こし、酸化反応熱を触媒担持フィン２０１に与えて、排気ガスとなって排気ガス口３００から放出される。触媒担持フィン２０１に与えられた酸化反応熱は、フィン２０１からチューブ２０２に伝達し、その内部を流れる被加熱流体を加熱する。
【００１５】
触媒付熱交換器２００において、触媒付フィン２０１が接合されているチューブ２０２の両端は、それぞれ管寄せ２０３（２０３Ａ，２０３Ｂ）に接続されており、被加熱流体は被加熱流体導入管２０９から管寄せ２０３とチューブ２０２内を通過して被加熱流体流出管２０７へ到達する。上下の管寄せ２０３Ａ及び２０３Ｂをそれぞれ隔壁によって幾つかの部分に区画することにより、平行な複数本のチューブ２０２内にある被加熱流体の温度が互いに異なったものとなる。つまり、被加熱流体は燃料供給部１００に近づくにつれて高温に加熱される。
【００１６】
そしてこの場合は、排気ガス口３００から放出される排気ガスを、排気ガス口３００寄りの比較的低温の被加熱流体が流れるチューブ２０２Ａに接触させるので、その部位における被加熱流体と排気ガスとの比較的大きな温度差により、排気ガス中の熱を被加熱流体中へ効率よく回収することができ、高い熱交換効率が得られる。
【００１７】
この場合は、燃料供給部１００側の可燃ガスの濃度が高い部位のチューブ２０２Ｂ内を流れる被加熱流体が高温となるため、図１及び図２における触媒担持フィン２０１Ｂ及びチューブ２０２Ｂの温度が高温になりやすい。そこでこの場合は、可燃ガスの流れの下流側にある触媒担持フィン２０１Ａに対して、上流側にある触媒担持フィン２０１Ｂの面積を、チューブ２０２Ｂ内の流体に必要な熱量に応じて比較的に小さくしてある。また、高温となるフィン２０１Ｂの余剰熱が可燃ガスを含む燃焼用空気に伝達しやすいように、フィン２０１Ｂのフィンの間隔を狭くしてある。
【００１８】
そのため、従来のように、可燃ガスの濃度が高い部位のフィン２０１Ｂやチューブ２０２Ｂが異常な高温まで昇温することがなく、安定した触媒燃焼と熱交換が可能となる。さらに、高温部のフィンを小型化する結果、フィン２０１Ｂの半径方向の熱応力による変形も少なくなり、触媒の剥離などの問題を回避することができる。
【００１９】
また、触媒付熱交換器２００において例えばチューブ２０２Ｃの付近に、被加熱流体の液体が気体に変化するドライアウト点が存在する場合には、被加熱流体の流れのドライアウト点に対応する部位の直後のチューブ２０２Ｃ及びフィン２０１Ｃでは、チューブ内を流れる被加熱流体の吸収する熱量が急に減少するために、伝熱抵抗が急増して、図６に示すようにドライアウト点の直後において異常に昇温するので、この部分には触媒を担持しないフィン２０４を付加しており、触媒による酸化反応を抑えると共に、ドライアウト点付近の余剰熱を比較的低温の可燃ガスに伝達して、その部位の異常昇温防止と、余剰熱による下流側の触媒の早期活性化を図っている。
【００２０】
次に、図３及び図４によって本発明の触媒燃焼加熱装置の別の実施形態を説明する。この例では前述の例とは異なって、可燃ガスと被加熱流体の流れの方向が同じ向きになっており、酸化触媒に可燃ガスを供給する燃料供給部１００が、チューブ２０２の上流側の部位に対応して設けられている。この場合も前述の場合と同様に、触媒付熱交換器２００における触媒を担持した多数のフィン２０１が、内部を被加熱流体が流れるチューブ２０２にロウ付けなどの方法により接合されている。
【００２１】
燃料供給部１００から供給された可燃ガスは、触媒担持フィン２０１の表面において、それに担持された触媒によって酸化反応を起こし、酸化反応熱を触媒担持フィン２０１に与えた後に排気ガス口３００から放出される。可燃ガスの酸化反応によって発生した熱は、フィン２０１からチューブ２０２に伝達し、その中を流れる被加熱流体を加熱する。また、触媒付フィン２０１が接合されたチューブ２０２の両端は、内部の空間を隔壁によって幾つかの部分に区画された管寄せ２０３（２０３Ａ，２０３Ｂ）に連結されており、被加熱流体は、被加熱流体導入管２０９から管寄せ２０３とチューブ２０２内を通過して被加熱流体流出管２０７の方へ流れる。従って、被加熱流体と燃料の流れ方向は同一の軸方向である。
【００２２】
このように構成することによって、濃度の高い可燃ガスに接触して最も高温になりやすいフィン２０１Ａ及びチューブ２０２Ａは、その内部を流れる低温の被加熱流体によって異常に昇温することを免れることができる。しかし、システムの立ち上げ時には、可燃ガスの流れの下流側の温度が活性化温度に達する時までは触媒燃焼が十分に行われないために、排気ガス口３００から未燃ガスが放出されてエミッションが悪化する懸念がある。そこで、図３及び図４に示す実施形態においては上流側のフィン２０１Ａのフィンの間隔を狭くして、酸化反応熱の一部の余剰熱を可燃ガス及び燃焼用空気に与えて、下流側のフィン２０１Ｂを昇温させることにより、早期立ち上げ可能なシステムとしている。
【００２３】
また、図３及び図４に示す触媒付熱交換器２００において、例えば、チューブ２０２Ｃの付近に被加熱流体の液体が気体に変化するドライアウト点が存在するものとすれば、被加熱流体の流れ方向に見てドライアウト点直後のチューブ２０２Ｃ及びフィン２０１Ｃが伝熱抵抗の急増によって異常に昇温しやすいため、その部位のフィン２０１Ｃとして触媒を担持しないフィン２０４を付加しており、それによって触媒による酸化反応熱の発生を抑えると共に、ドライアウト点付近の余剰熱を比較的低温の可燃ガス及び燃焼用空気に与えることにより、その部位の異常昇温を防止すると共に、その可燃ガス及び燃焼用空気によって下流側にある触媒を加熱して活性化を促進している。
【００２４】
図５に、可燃ガスとして触媒反応速度が非常に高い水素を使用した場合の本発明の別の実施形態を示す。この例では、触媒付熱交換器２００の伝熱抵抗が急増するドライアウト点までの上流側において、可燃ガスの大半を反応させて、下流側のフィンでは上流側からの未燃ガスの浄化と排熱回収を行っている。この場合は水素を分割して導入することにより、水素の流れ方向の最上流側における異常昇温の問題や、図６に示すようなドライアウト点付近における大きな温度ギャップ発生の問題を解消している。図５に示す実施形態の基本的な構成は前述のものと同様であって、燃料供給部１００は触媒付熱交換器２００の右側に、排気ガス口３００が左側に設けられている。
【００２５】
この場合に燃料供給部１００から供給されるガスは、可燃ガスである水素の一部を含んでいてもよいが、この場合の燃料供給部１００は基本的には空気のような酸化用のガスを供給するためのものであって、可燃ガスとしての水素は、図示しない外部の水素タンクから、燃料供給部１００と触媒付熱交換器２００の部分に跨がって、図示しない被加熱流体のための管寄せの部分を避けて設けられた、相互に連通している水素導入ジャケット４００（４００Ａ，４００Ｂ）の中へ入口４０１から供給されると共に、水素導入ジャケット４００から触媒付熱交換器２００の壁面の広い範囲にわたって設けられた複数個の開口４０２によって分割して導入される。この場合も、水素を予め適量の空気と混合したものを水素導入ジャケット４００から導入してもよい。
【００２６】
水素は酸化反応の速度が非常に高いので、水素を例えば燃料供給部１００のみから集中的に供給すると、触媒付熱交換器２００の比較的上流側の部分だけで酸化反応が完了するためにその部分の温度が極端に上昇し、上流側部分の触媒担持フィン２０１やチューブ２０２が異常昇温することになるが、この実施形態のように、水素を複数個の開口４０２から分割して比較的広い範囲にわたって導入することにより、局部的な異常昇温を避けることができ、図６に示すような温度ギャップを緩やかなものとすることができる。
【００２７】
また、水素を分割して導入する複数個の開口４０２の口径を相互に異ならせるとか、開口４０２にそれぞれバルブや絞りのような流量調整手段を設けることによって、各開口４０２の個々の水素供給量を調整して、チューブ２０２の各部位における伝熱抵抗や必要な熱供給量に応じた、きめ細かな水素供給の制御を行うことができる。このようにして、触媒担持フィン２０１の温度や発熱量を容易に制御することができ、局所的な過昇温に起因する水素の逆火を防止することも可能になる。
【００２８】
図７は、前述のような触媒を担持していない伝熱フィン２０４を、具体的にどのように設けるかという例を示したもので、この例では、被加熱流体のチューブ２０２に設けられた隣接する二つの触媒付フィン２０１に対して跨がるように、触媒を担持していない伝熱フィン２０４を付加的に取り付けている。もっとも、触媒を担持していない伝熱フィン２０４を、触媒担持フィン２０１の代わりに直接にチューブ２０２に接合してもよいことは言うまでもない。
【００２９】
更に図８は、被加熱流体が流れるチューブ２０２の触媒付フィン２０１に対して、切り起こしのような方法によって小さな羽根、即ちルーバ２０５を設けることにより、部分的に触媒担持フィン２０１の熱放散を増加させて、部分的なフィンの異常昇温を防止する例を示したものである。触媒担持フィン２０１に設けられたルーバ２０５は、フィン２０１から可燃ガスや燃焼用空気に対して酸化反応熱を与えることによって異常昇温を防止するので、触媒付熱交換器２００の中でも特に被加熱流体の気化によって伝熱抵抗が急増するドライアウト点付近のチューブ２０２に設けると効果的である。なお、ルーバ２０５は触媒担持フィン２０１に限らず、触媒を担持しないフィン２０４に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒燃焼加熱装置についての第１の実施形態を示すもので、図２におけるＩ−Ｉ断面における正面図である。
【図２】図１のII−II断面における平面図である。
【図３】本発明の触媒燃焼加熱装置についての第２の実施形態を示すもので、図４におけるIII −III 断面における正面図である。
【図４】図３のIV−IV断面における平面図である。
【図５】本発明の触媒燃焼加熱装置の第３の実施形態を示す縦断正面図である。
【図６】横軸に触媒付熱交換器のチューブの軸方向位置（部位）をとり、縦軸に対応するフィン又はチューブの温度をとって示す温度特性図である。
【図７】触媒を担持しないフィンの取り付け方を例示する断面図である。
【図８】ルーバを形成されたフィンを示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
１００…燃料供給部
２００…触媒付熱交換器
２０１…触媒担持フィン
２０２…内部を被加熱流体が流れるチューブ
２０２Ｃ…ドライアウト点付近のチューブ
２０３…管寄せ
２０４…触媒を担持しないフィン
２０５…ルーバ
２０７…被加熱流体流出管
２０９…被加熱流体導入管
３００…排気ガス口
４００…水素導入ジャケット
４０２…水素を導入する開口

Claims

内部を被加熱流体が流れるチューブと、前記チューブの外表面に接合されると共に可燃ガスと接触して酸化反応を起こさせる酸化触媒を担持している複数枚の触媒担持フィンを有する触媒付熱交換器を備えており、内部を流れる被加熱流体の状態によって異なる前記チューブの各部位における前記チューブ内への伝熱抵抗の大きさに応じて、前記チューブの各部位の前記触媒担持フィンにおいて発生する触媒による酸化反応熱量を変化させることにより、前記チューブのうちでも伝熱抵抗の高い部位では、それよりも伝熱抵抗が低い部位に比べて触媒による酸化反応熱量が小さくなるようにしたことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
前記触媒付熱交換器において、前記触媒担持フィンの面積及びフィンの間隔を、前記チューブの各部位の伝熱抵抗の大きさに応じて変化させたことを特徴とする請求項１に記載された触媒燃焼加熱装置。
前記触媒付熱交換器において供給される可燃ガスと被加熱流体の流れの方向が対向していると共に、可燃ガスの濃度が高い可燃ガスの流れの上流側では、可燃ガスの濃度が低い下流側よりも前記触媒担持フィンの面積を小さく、且つフィンの間隔を小さくしたことを特徴とする請求項２に記載された触媒燃焼加熱装置。
前記触媒付熱交換器において供給される可燃ガスと被加熱流体の流れの方向が平行になっていると共に、可燃ガスの濃度が高い可燃ガスの流れの上流側では、可燃ガスの濃度が低い下流側よりも前記触媒担持フィンの間隔を狭くしたことを特徴とする請求項２に記載された触媒燃焼加熱装置。
可燃ガスの濃度が高い上流側では下流側よりもフィンの間隔が小さいことを特徴とする請求項２に記載された触媒燃焼加熱装置。
前記触媒付熱交換器における前記チューブの一部に被加熱流体が気化するドライアウト点が存在する場合に、前記ドライアウト点近傍のチューブには酸化触媒を担持しない伝熱フィンを付加したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載された触媒燃焼加熱装置。
前記触媒付熱交換器における前記チューブの一部に被加熱流体が気化するドライアウト点が存在する場合に、前記ドライアウト点近傍のチューブには、ルーバを有するフィンを接合したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載された触媒燃焼加熱装置。
可燃ガスとして水素を使用する場合に、前記触媒付熱交換器において、前記チューブの部位によって異なる必要な供給熱量に応じて水素の供給量を調整可能としたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載された触媒燃焼加熱装置。
前記触媒付熱交換器において、チューブ上で温度が異常に高くなる部位に、触媒を担持しない伝熱フィンを付加したことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載された触媒燃焼加熱装置。