JP4179723B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部循環流路において循環して放熱される第１液体を内部に流通させる第１伝熱管を、第１バーナ部から排出される燃焼ガスが流通する第１燃焼ガス流路に備えた加熱装置に関し、特に、前記第１液体として暖房用水を加熱する給湯装置等の加熱装置において熱効率を向上する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
説明を容易にするために、例えば家庭内において、温水床暖房システムやファンコンベクター等の温水を循環させて放熱する暖房用放熱器等の外部循環流路において、内部を流通する暖房用水（第１液体）を加熱するための熱源機として利用される加熱装置について、以下に説明する。
図６に示すように、このような加熱装置５００は、従来、空気ファン１によって供給される空気と燃料ノズル２によって供給される燃料ガスとを混合する混合部３と、その混合部３の混合気を燃焼させる第１バーナ部４と、第１バーナ部４からの燃焼ガスを流通させる第１燃焼ガス流路５と、第１燃焼ガス流路５に設けられた暖房用熱交換器１３０とを備えるとともに、その暖房用熱交換器１３０は、暖房用水を流通させる伝熱管１３０ａとフィン１３０ｂによってフィンチューブ型熱交換器として構成され、伝熱管１３０ａにおいて加熱された暖房用水は、暖房用水を一時貯蔵するタンク１９及び流路２１に設けられたポンプ２０を介して温水暖房システムＸ流路１８へ暖房用往水として送られ、また温水暖房システムＸにおいて放熱されて低温になった暖房用復水は、流路１８を介して伝熱管３０ａに送られ再加熱されるように構成されている。
さらに、従来の加熱装置５００において、給湯用の給水をも加熱するように構成する場合が有り、暖房用熱交換器１３０を加熱する第１バーナ部４とは別に、空気ファン１１及び燃料ノズル１２に接続された混合部１３の予混合気を燃焼させる第２バーナ部１４と、第２バーナ部１４からの燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス流路１５と、第２燃焼ガス流路１５に設けられた給湯用熱交換器１４０とを備え、給湯用の給水を給湯用熱交換器１４０の伝熱管１４０ａに流通させて加熱するように構成されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、暖房用水を加熱する加熱装置５００において、温水暖房システムＸの起動時若しくは低温運転のときは、暖房用復水の温度は比較的低温であり、例えば、第１燃焼ガス流路５の下流側の暖房用伝熱管１３０ａの外表面において燃焼ガス中の水蒸気が凝縮して燃焼ガスの凝縮潜熱までをも回収することができるが、温水暖房システムＸが定格運転状態となると、暖房用往水及び暖房用復水の温度は夫々、８０℃及び６０℃（主として家庭用）、若しくは７０℃及び５０℃（主として業務用）が標準とされ、暖房用復水の温度は暖かくなり、その暖房用熱交換器１３０において少なくとも暖房用復水の温度以上の燃焼ガスからしか熱回収をすることができず、いくら伝熱面積を増やしても９０％以上の熱効率を実現することはできなかった。
従って、本発明の目的は、上記の事情に鑑みて、燃焼ガスの熱を充分に回収して高熱効率の加熱装置を実現することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る本発明の加熱装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【０００５】
〔特徴〕
第１バーナ部から排出される燃焼ガスが流通する第１燃焼ガス流路に、外部循環流路において循環して放熱される暖房用水であって、定格運転状態で燃焼ガスの露点以上となる第１液体を内部に流通させる第１伝熱管を備えた加熱装置であって、
燃焼ガスの露点以下で前記第１液体とは別の第２液体を内部に流通させ前記第１燃焼ガス流路に流通する燃焼ガスの凝縮潜熱を回収する第２伝熱管を備えた。
【０００６】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、温水暖房システムと接続される主に暖房用等に利用される循環流路（外部循環流路）において循環して放熱される暖房用水（第１液体）を内部に流通させる暖房用伝熱管（第１伝熱管）を、燃焼ガスが流通する第１燃焼ガス流路に配設して備えた加熱装置において、給水管等から供給され、暖房用水とは別の給水（第２液体）を内部に流通させる給湯用上流側伝熱管（第２伝熱管）を第１燃焼ガス流路に備えると共に、第１燃焼ガス流路に備えられた給湯用上流側伝熱管が、燃焼ガスの露点以下の給水を内部に流通させることで、外表面において第１燃焼ガス流路に流通する燃焼ガス中の水蒸気を凝縮させ燃焼ガスの凝縮潜熱を回収するように構成されているので、温水暖房システム等が定格運転状態において５０℃若しくは６０℃程度と暖かい暖房用復水によって充分に回収できなかった燃焼ガスの凝縮潜熱までをも、燃焼ガスの露点の約５０℃程度よりも低温である給水によって回収することができ、全体的な熱効率を９０％以上とすることができる。
従って、燃焼ガス中の水蒸気の凝縮潜熱までをも充分に回収して高熱効率の加熱装置を実現することができるようになった。
【０００７】
また、このような給湯用上流側伝熱管において、凝縮して外表面に付着した凝縮水は燃焼に伴って発生するＳＯｘやＮＯｘを含有して酸性となるので、例えば伝熱管自身を耐食性材料によって構成したり、伝熱管に対して電位が卑な金属を伝熱管に電気的接続し、そのカニバル電池作用の電流によって防食する犠牲陽極方式による電気防食を行うことが好ましい。
【０００８】
請求項２に係る本発明の加熱装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【０００９】
〔特徴〕
上記請求項１に係る本発明の加熱装置において、前記第１バーナ部及び第１燃焼ガス流路とは別に、第２バーナ部から排出する燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス流路を備え、
前記第２伝熱管を、前記第１燃焼ガス流路において前記第１伝熱管の前記燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けると共に、前記第２伝熱管の前記第２液体の流れ方向の下流側に接続された第３伝熱管を、前記第２燃焼ガス流路に設けて構成されている。
【００１０】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、第１燃焼ガス流路において、暖房用水が流通する暖房用伝熱管と、その暖房用伝熱管の下流側に、燃焼ガスの露点以下の温度である給水が流通する給湯用上流側伝熱管が配設されていることで、復水が高温である暖房用水が流通する暖房用伝熱管によって回収できなかった第１燃焼ガス流路の燃焼ガスの凝縮潜熱までをも、その下流側に配設されている給湯用上流側伝熱管において回収することができ、高効率の加熱装置を構成することができる。
さらに、暖房用伝熱管を流通し、暖房用伝熱管の廃熱を回収した給水を前記第２燃焼ガス流路に配設される給湯用下流側伝熱管（第３伝熱管）に流通させ、第２燃焼ガス流路の燃焼ガスの熱エネルギによって給水を充分に加熱して排出することができる。また、勿論第２燃焼ガス流路の給湯用下流側伝熱管においても、給水によって燃焼ガスの凝縮潜熱を回収するように構成することが好ましい。
【００１１】
請求項３に係る本発明の加熱装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１２】
〔特徴〕
上記請求項１又は２に係る本発明の加熱装置において、前記第２伝熱管と、前記第１伝熱管の前記第１液体が流入する上流側伝熱管とが、一部熱交換可能な一体型熱交換部として構成されている点を特徴とする。
【００１３】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、給湯用上流側伝熱管と、暖房用伝熱管の暖房用復水が流入する暖房用上流側伝熱管とが、一部熱交換可能な一体型熱交換部として構成されていることで、暖房用水の復水の廃熱をも、給湯用上流側伝熱管の比較的低温の給水によって回収することができ、さらに、温水暖房システム等の起動時や暖房用復水が低温であるときにおいて、給湯用上流側伝熱管及び暖房用上流側伝熱管の両方において燃焼ガスの凝縮潜熱を回収することができ、一層の熱効率向上を図ることができる。
【００１４】
請求項４に係る本発明の加熱装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１５】
〔特徴〕
上記請求項３に係る本発明の加熱装置において、前記一体型熱交換部が、前記第２伝熱管と前記第１伝熱管の上流側伝熱管の両方を、複数のフィンに穿設して配設したプレートフィンチューブ型に構成されている点を特徴とする。
【００１６】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、一体型熱交換部が、給湯用上流側伝熱管と暖房用上流側伝熱管の両方を、複数のフィンに穿設して配設したプレートフィンチューブ型に構成することにより、前記一体型熱交換部の複数のフィンによって伝熱面積を拡大し、燃焼ガス中の水蒸気を充分に凝縮させ凝縮潜熱を回収することができ、さらにフィンを介して伝熱管の一部熱交換が可能となり、暖房用水の復水の廃熱を給湯水によって回収することができる。
従って、上記のような簡単な構成で、本発明の目的である高効率な加熱装置を構成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明に係る加熱装置の第１の実施の形態を図面を用いて以下に説明する。
図１に示す加熱装置１００は、温水暖房システムＸ等の外部循環流路に循環させる暖房用水（第１液体）を加熱するための熱源機として利用されるものである。
詳しくは、加熱装置１００は、空気ファン１によって供給される空気と燃料ノズル２によって供給される天然ガス系都市ガスの燃料ガスとを混合する混合部３と、その混合部３の混合気を燃焼させる第１バーナ部４と、第１バーナ部４から排出する燃焼ガスを流通させる第１燃焼ガス流路５を備えている。また、第１燃焼ガス流路５には、暖房用水を流通させる暖房用伝熱管３０ａ（第１伝熱管の一例）とフィン３０ｂを有するフィンチューブ型の暖房用熱交換器３０が備えられ、伝熱管３０ａにおいて加熱された暖房用水は、暖房用水を一時貯蔵するタンク１９及び流路２１に設けられたポンプ２０を介して温水暖房システムＸ流路１８へ暖房用往水として送られ、また温水暖房システムＸにおいて放熱され温度低下した暖房用復水は、流路１８を介して伝熱管３０ａに送られ再加熱されるように構成されている。
【００１８】
このように構成することで、加熱装置１００は、温水暖房システムＸを循環する暖房用水を加熱するのであるが、例えば家庭用の温水暖房の場合、加熱装置１００から温水暖房システムＸへ流れる往水の温度は８０℃（業務用の場合は７０℃）、温水暖房システムＸから加熱装置１００へ流れる復水の温度は６０℃（業務用の場合は５０℃）が定格運転において標準とされている。
【００１９】
このような、加熱装置において、燃焼ガスの凝縮潜熱までをも回収することで、熱効率の向上を図ることが考えられるが、燃焼ガス中の水蒸気が凝縮する凝縮温度（露点）は、燃料ガスと空気との空気比によって異なるが５０℃程度であり、暖房用熱交換器３０の伝熱管３０ａに流入する暖房用復水が６０℃程度と暖かい状態であるため、第１燃焼ガス流路５を流通する燃焼ガスの熱を回収するには限度が有り、燃焼ガスを露点以下に冷却し、燃焼ガス中の水蒸気の凝縮潜熱までを回収するように構成することはできなかった。
【００２０】
そこで、本発明の加熱装置１００は、第１燃焼ガス流路５において暖房用熱交換器３０の燃焼ガス流の下流側に、流路２３から給湯用の給水が供給される給湯用上流側伝熱管４０ａ（第２伝熱管の一例）とフィン４０ｂとを有するフィンチューブ型の給湯用上流側熱交換器４０を備えており、給湯用上流側伝熱管４０ａ内を流通する給水の温度は、暖房用の暖房用復水よりも低温で燃焼ガスの露点以下となっている。このように構成することで、復水が高温である暖房用水が流通する暖房用伝熱管３０ａ側から排出された燃焼ガスを、その下流側に配設されている給湯用上流側伝熱管４０ａ及びフィン４０ｂの外表面において露点以下に冷却し、燃焼ガス中の水蒸気を凝縮させて燃焼ガスの凝縮潜熱までをも給水によって回収することができ、熱効率が９０％以上の高効率を実現することができるのである。
【００２１】
また、加熱装置１００は、空気ファン１１によって供給される空気と燃料ノズル１２によって供給される燃料ガスとを混合する混合部１３と、その混合部１３の混合気を燃焼させる第２バーナ部１４と、第２バーナ部１４から排出する燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス流路１５を備えており、また、第２燃焼ガス流路１５には、給湯用上流側伝熱管４０ａから排出した給水を流通させる給湯用下流側伝熱管４１ａ（第３伝熱管の一例）とフィン４１ｂを有するフィンチューブ型の暖房用熱交換器４１と、その上流側に、給湯用伝熱管４１から排出した給水を流通させる給湯用下流側伝熱管４２ａ（第３伝熱管の一例）とフィン４２ｂを有するフィンチューブ型の給湯用下流側熱交換器４２とが備えられている。よって、給湯用上流側伝熱管４０ａを流通した給水を、第２燃焼ガス流路１５の給湯用下流側伝熱管４１ａ，４２ａとを順に流通させ、充分に加熱した給水を流路２４を介して給湯栓Ｙに送ることができると共に、第２燃焼ガス流路１５においても、給湯用下流側伝熱管４１ａ及びフィン４１ｂの外表面において燃焼ガスの凝縮潜熱までをも回収することができ、高効率に燃焼ガスの熱を回収することができる。
【００２２】
また、一般に給湯時間は暖房時間より短く、第１バーナ部４のみを運転状態として、暖房用水のみを加熱し給湯用の給水を使用しない場合が有るが、このような場合においても、燃焼ガスの凝縮潜熱までをも回収して熱交率を向上することができ、その構成を以下に説明する。
即ち、下方接続部２５ａを流路２３の給水側に接続し、上方接続部２５ｂを給湯栓Ｙへの流路２４側に接続した貯湯槽２５を設け、下方部２５ａに接続された流路２３に、給水を加熱装置１００側へ送るポンプ２６を設ける。
このように構成することで、給湯栓Ｙにおいて給水が使用されない場合、ポンプ２６を働かせて、貯湯槽２５の下方部の水を加熱装置１００を介して貯湯槽２５の上方部に循環させることができ、さらに、貯湯槽２５において温度成層を作ることで湯水が混ざらないため、常に低温の給水を加熱装置１００の給湯用上流側伝熱管４０ａに送ることができるため、給湯用上流側伝熱管４０ａにおいて第１燃焼ガス流路５の燃焼ガスの凝縮潜熱を回収することができる。
また、この貯湯槽２５において一時貯蔵された湯は、給湯栓Ｙにおいて給水が利用されるときに、加熱装置１００において加熱された給水と混ぜて利用することができる。
尚、上記の貯湯槽２５についての構成は、本発明を限定するものではなく、勿論この貯湯槽２５を省略することができる。
【００２３】
また、第１燃焼ガス流路５及び第２燃焼ガス流路１５において、燃焼ガス中の水蒸気が凝縮した凝縮水は排出口６，１６及びトレー２７を介して外部に排出され、水蒸気を凝縮させた後の排ガスは、排気口７及び１７を介して外部へ排出される。
【００２４】
〔実施例２〕
本発明に係る加熱装置の第２の実施の形態を図面を用いて以下に説明する。
図２に示す加熱装置２００は、温水暖房システムＸ等の外部循環流路に循環させる暖房用水を加熱するものである。
上記実施例１と同様の構成についての説明は省略するが、加熱装置２００は、燃焼ガス流路５において、暖房用水及び給水の両方を加熱するように構成されており、その詳細について以下に説明する。
燃焼ガス流路５には、燃焼ガスの流れ方向の上流側から高温部熱交換器６０と凝縮部熱交換器５０が順に配設されている。
高温部熱交換器６０において、暖房用水の流出側の暖房用下流側伝熱管６１ （第１伝熱管の一例）と、給水の流出側の給湯用下流側伝熱管６２とが、複数のフィン６３に穿設して配設されており、一体型の熱交換部として構成されている。
さらに、凝縮部熱交換器５０においても、暖房用水の流入側の暖房用上流側伝熱管５１（第１伝熱管の上流側伝熱管の一例）と、給水の流入側の給湯用上流側伝熱管５２（第２伝熱管の一例）とが、複数のフィン５３に穿設して配設されており、一体型の熱交換部として構成されている。
温水暖房システムＸから流路１８へ流入する暖房用復水は、先ず暖房用上流側伝熱管５１内を流通し、後に暖房用下流側伝熱管６１を流通し、燃焼ガスによって加熱されて、暖房用往水として排出される。
また、流路２３に供給される給湯用の給水は、先ず給湯用上流側伝熱管５２内を流通し、後に給湯用下流側伝熱管６２を流通し、燃焼ガスによって加熱されて、給湯栓Ｙへ送られる。
【００２５】
上記のように構成することによって、凝縮部熱交換器５０においては、暖房用復水の温度が燃焼ガスの露点よりも高い状態であっても、給湯用上流側伝熱管５２内を流通する給水の温度は、暖房用の暖房用復水よりも低温で燃焼ガスの露点以下となっているので、その外表面及びフィン５３表面を流通する燃焼ガスを露点以下に冷却し燃焼ガスの凝縮潜熱までを給水により回収することができ、さらに、給湯用上流側伝熱管５２は暖房用上流側伝熱管５１とフィン５３を介して一部熱交換可能となっているので、暖かい暖房用復水の廃熱を給水によって回収することもできる。
また、温水暖房システムＸの起動時若しくは低温運転のときは、暖房用復水の温度は比較的低温であるので、勿論、凝縮部熱交換器５０において、暖房用復水及び給湯用の給水の両方により燃焼ガスの凝縮潜熱を回収することができる。
【００２６】
また、このように給湯用上流側伝熱管５２，６２と暖房用上流側伝熱管５１，６１の両方をフィン５３，６３に穿設して配設したフィンチューブ型の熱交換器５０，６０において、その熱交換器５０，６０への燃焼ガスの入り温度が、内部を流通する液体の沸点以上の場合は、図３に示すように、両方の伝熱管を互いに接触させて一方が不使用の時における他方の沸騰を防ぐことができる。
また、沸騰を防止する場合は、このようなフィンチューブ型ではなく、暖房用伝熱管及び給湯用伝熱管を互いに格子状に編み込んで構成した編み込み型熱交換器として構成しても構わない。
また、熱交換器への燃焼ガスの入り温度が、内部を流通する液体の沸点以下の場合は、図４に示すように、互いの伝熱管を接触させて沸騰を防止する必要が無く、夫々の伝熱管に丸パイプを用いた経済的な構成を取ることができる。
【００２７】
また、図５に示すように、上記凝縮部熱交換器５０として燃焼ガスの流れ方向下流側の凝縮部位７１と、高温部熱交換器６０として燃焼ガス流れ方向上流側の高温部位７２を一体型に構成した熱交換器７０を利用することができ、この場合は、熱交換器７０全体を耐食性材料によって構成したり、熱交換器を構成する材料に対して電位が卑な金属を電気的接続し、そのカニバル電池作用の電流によって防食する犠牲陽極方式による電気防食を行うことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る加熱装置の第１の実施の形態を示す概略構成図
【図２】 本発明に係る加熱装置の第２の実施の形態を示す概略構成図
【図３】 暖房用伝熱管と給湯用伝熱管の配設状態の例を示す断面図
【図４】 暖房用伝熱管と給湯用伝熱管の配設状態の例を示す断面図
【図５】 図２に示す加熱装置の熱交換器の別実施の形態を示す断面図
【図６】 従来の加熱装置の形態を示す概略構成図
【符号の説明】
４ 第１バーナ部
５ 第１燃焼ガス流路
１４ 第２バーナ部
１５ 第２燃焼ガス流路
３０ａ 暖房用伝熱管（第１伝熱管）
４０ａ 給湯用上流側伝熱管（第２伝熱管）
４１ａ 給湯用下流側伝熱管（第３伝熱管）
４２ａ 給湯用下流側伝熱管（第３伝熱管）
５１ 暖房用上流側伝熱管（第１伝熱管の上流側伝熱管）
Ｘ 温水暖房設備（外部循環流路）
Ｙ 給湯栓

Claims (4)

1. 第１バーナ部から排出される燃焼ガスが流通する第１燃焼ガス流路に、外部循環流路において循環して放熱される暖房用水であって、定格運転状態で燃焼ガスの露点以上となる第１液体を内部に流通させる第１伝熱管を備えた加熱装置であって、
   燃焼ガスの露点以下で前記第１液体とは別の第２液体を内部に流通させ前記第１燃焼ガス流路に流通する燃焼ガスの凝縮潜熱を回収する第２伝熱管を備えた加熱装置。
2. 前記第１バーナ部及び第１燃焼ガス流路とは別に、第２バーナ部から排出する燃焼ガスを流通させる第２燃焼ガス流路を備え、
   前記第２伝熱管を、前記第１燃焼ガス流路において前記第１伝熱管の前記燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けると共に、前記第２伝熱管の前記第２液体の流れ方向の下流側に接続された第３伝熱管を、前記第２燃焼ガス流路に設けて構成されている請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記第２伝熱管と、前記第１伝熱管の前記第１液体が流入する上流側伝熱管とが、一部熱交換可能な一体型熱交換部として構成されている請求項１又は２に記載の加熱装置。
4. 前記一体型熱交換部が、前記第２伝熱管と前記第１伝熱管の上流側伝熱管の両方を、複数のフィンに穿設して配設したプレートフィンチューブ型に構成されている請求項３に記載の加熱装置。

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