JP4340123B2 - 外熱機関用加熱チャンバ - Google Patents

Description

本発明は、駆動部を有するスターリングエンジンや駆動部を有しない加熱炉などの外熱機関に対してバーナー装置から熱源を供給するに際し、外熱機関とバーナー装置の間に接続使用することにより、バーナー装置により与えられる熱を余すところなく最大限効率的に利用することができる加熱チャンバの改良に関する。

従来、外熱機関の一つであるスターリングエンジンへの加熱方法としては、バーナー装置から噴射される燃焼火炎や燃焼ガス（合わせて「燃焼ガス」と総称する）をスターリングエンジンのヒーターヘッドに効率よく与えるべく、断熱された燃焼室をヒーターヘッドに接続することが行われている。発電機に接続されたスターリングエンジンのヒーターヘッドを加熱した燃焼ガスは、その後、排気ガスとして排気塔へと誘導され、外部ダクトを介して適宜廃熱利用が図られて、コジェネレーションシステムとして機能するよう構成される。

例えば、特許文献１では、スターリングエンジンを備えた地域暖房用の暖房装置において、スターリングエンジンを加熱するバーナーの排気ガスを熱交換器により温水流として利用する旨が開示されている。

一方、特許文献２では、スターリングエンジンの加熱空間を形成するケーシング内に水管を設けてスチームを発生させることにより、熱効率の向上を図る旨が開示されている。略閉鎖空間に形成されたケーシング内においてスターリングエンジンの高温部（ヒーターヘッド）と水管をともにバーナーで加熱することによって、効率的な熱利用を図るとされている。

特表２００１−５０９８７５号公報（特許請求の範囲第１項、図２） 特開昭５７−８６５４６号公報（特許請求の範囲第１項、第１図）

前記従来のスターリングエンジンを用いたシステムでは、バーナーの排気ガスはもはや燃焼系に再利用されることもなく、熱交換器を介して他の媒体による利用がなされるのみであったために、未だ高温状態にある排気ガスの熱利用としては不十分であった。

また、スターリングエンジンの回転数、ひいてはスターリングエンジンに接続された発電機による発電量調節はヒーターヘッドに集中されるバーナーの燃焼ガス噴射量の制御によるほかないために、排気ガスを主体とした廃熱利用とのバランス、すなわち電熱発生比率を容易に変更できないといった欠点があった。

ところで、本発明者は先に特開２０００−３１９６７３号「エマルジョン燃焼による廃液水処理装置」において、廃油と廃液水をエマルジョン化して燃焼させるバーナー装置を提案している。この装置によれば、小型化が可能で、廃油等を燃料として使用するために資源リサイクルの観点からは極めて理想的な活用形態が実現されるのであるが、種々雑多な廃油等を用いることができるが故に、バーナー装置から得られる熱量等が必ずしも安定的ではないという欠点もあった。

本発明は、こうした従来の欠点の解消を図るべくなされたもので、その課題とするところは、小型分散型のコジェネレーションシステムにおいて発生する熱を最大限効率的に利用することにあり、とくに本発明者が先に発明した廃油廃液を燃料とするバーナー装置との組み合わせであっても安定的な電熱供給を図ることができる加熱チャンバを提供することにある。

前記所期の課題解決を図るべく、本発明では、外熱機関の加熱部に対してその一方側が接続される加熱チャンバにおいて、その内部において、外部から導入した空気を循環し再び外部へと導出する熱交換再生器を備えるよう構成した。例えば、スターリングエンジンのヒーターヘッド部と、その熱源となるバーナー装置の間に接続される加熱チャンバ内において、バーナー装置からの排気ガスに直接接触することなく、新鮮な外部空気そのままに循環させながら熱交換を行い、バーナー装置の燃焼用高温空気として用いたり、そのまま外部に導出させて気体媒体とした熱利用を図るようにしたのである。

さらに、本発明に係る加熱チャンバでは、その内部において、前記外熱機関の加熱部と対向する側に接続されたバーナー装置から前記加熱部に向けて噴射される燃焼ガスの噴流路を中心とする略筒状の蓄熱材を配設し、該蓄熱材と加熱チャンバ内壁面との間に空間部を確保しつつ、外熱機関の加熱部との接続側端部において前記空間部との連通路を設けながら、前記空間部に外部から導入した空気を循環し再び外部へと導出する熱交換再生器を配設した。

蓄熱材としてアルミナやトルマリン等を含むセラミックス耐火物を用い、これをバーナー装置の直火や燃焼ガスが直接当たる位置に配設することにり、外熱機関の加熱部に対して遠赤外線を帯びた輻射熱と高温の燃焼ガスを安定的に供給するとともに、外熱機関の加熱部に噴射された燃焼ガスの下流側に位置する、加熱チャンバ内壁面と蓄熱材との間の空間部に配設した熱交換再生器に対して未だ高温な燃焼ガスを接触させることにした。熱交換再生器内を循環する外部空気に熱を渡した燃焼ガスは、加熱チャンバから導出され、従来と同様の排気ガス系による熱利用等が図られることになる。

本発明における蓄熱材には、外熱機関の加熱部との接続側端部においてレジューサを設けることができ、当該レジューサを燃焼ガス等の噴流路方向に前後移動可能に取り付けることにより、レジューサの位置によってバーナー装置から噴射される高温な燃焼ガスが外熱機関の加熱部に集中する度合い又はその流路を調節することにした。なお、ここにいうレジューサには、入口と出口で口径差を設けて先絞りとしたものであれば、略円錐状、コーン状など種々の形状が含まれる。

また、本発明における熱交換再生器には、その外面に当接しながら、外方に多数の突起を備えた吸熱ジャケットを脱着可能とすることができる。ここにいう吸熱ジャケットとしては、複数の波形エキスパンドメタルや金属メッシュ状エレメントが好適に例示される。

更に、本発明における熱交換再生器には、開閉バルブを介してバーナー装置側に向けた分岐路を設けることができる。この分岐路は、バーナー装置の噴射方向と合うように鋭角な傾斜角度にて、噴射口付近に配設することが望ましい。分岐路から高温状態となった外部空気を適宜噴射することにより、バーナー装置の燃焼酸素量の調節、ひいては使用燃料の低減を図ったのである。

本発明に係る熱交換再生器を設けた加熱チャンバでは、新鮮な外部空気を加熱チャンバ内で循環させながら高温排気ガスとの間に熱交換を行って再び外部に導出させることができるので、有害物質や臭気を含まない高温熱風として乾燥機や室内暖房装置等にそのまま使用することができる。

とくに、バーナー装置から外熱機関の加熱部に向けた噴流路を中心とした略筒状の蓄熱材と組み合わせることによって、バーナー装置からの高温燃焼ガスにより熱せられた蓄熱材からの輻射熱効果により、バーナー装置から与えられる熱量が変動しても、ある程度の変動差範囲内であれば外熱機関に対して安定的な熱源供給が図られることになる。

また、蓄熱材の先端側に設けたレジューサの位置調節を図ることにより、バーナー装置からの高温燃焼ガスの流量、すなわち、外熱機関の加熱部に噴射される量と熱交換再生器に回流する量を変更することができる結果、外熱機関として用いたスターリングエンジンと発電機による発電量と、主として外部空気を用いた熱媒体の発生量からなる電熱比率を自在にコントロールすることができる。

さらに、熱交換再生器に装着された吸熱ジャケットは、熱交換再生器の表面積を増大し、高温排気ガスとの接触面積を増大させるので、熱交換ロスの低減に寄与する。とくに種々の廃液等を燃料に用いたバーナー装置では、その燃焼ガスに由来する排気ガスに含有される成分が吸熱ジャケットや熱交換再生器の表面に付着することが予想されるが、吸熱ジャケットを脱着可能に構成したことで、こうした付着物の除去等を目的としたメンテナンスの容易化が図られる。

そして、熱交換再生器内を循環通過していく外部空気の一部をバルブ開閉操作によってバーナー装置に噴射させ燃焼用空気として用いることができるので、燃料組成によってはカロリー不足となる場合に添加して酸素富化燃焼で燃焼ガスの高温化による安定運転を図ったり、サーマルNOxを抑制することで排気ガスの清浄化を図ることができる。

以上のように、本発明に係る加熱チャンバは、とくに外熱機関として発電機と接続した超低騒音運転かつ運転排気ガスを排出しないスターリングエンジンと、本発明者の開発に係る廃油廃液のエマルジョン化燃焼を可能とするバーナー装置と組み合わせることによって、スターリングエンジンの燃焼加熱室と熱交換再生器を同一室としながら、レジューサによる燃焼ガス流量変更による電熱発生比率コントロールや、外部空気を熱媒体や燃焼用空気として適宜利用することにより安定運転を可能とした小型分散型コジェネレーションシステムを実現するのである。

以下、図面に基づいて本発明に係る外熱機関用加熱チャンバについて説明する。図１は、加熱チャンバの一例を示す横断面図であり、外熱機関としてのスターリングエンジンＳと、熱源としてのバーナー装置Ｂの中間において加熱チャンバ１が接続設置された状態を示している。

図１において、スターリングエンジンＳのヒーターヘッドS1は、バーナー装置Ｂの燃焼筒B1からの噴流方向延長線上にあって、それぞれが加熱チャンバ１内に嵌入した状態で対向しており、接続部分が断熱材を介して密封されている。スライドレールS2上に移動用キャスターS3を介して載置されたスターリングエンジンＳは、加熱チャンバ１から離隔する方向に水平移動可能となっているので、メンテナンス等の際には、スターリングエンジンＳを加熱チャンバ１から離隔する方向（図中右方向）に移動させると、加熱チャンバ１の本体胴部11にヒンジを介して連結された前方点検扉12を開放することができる。

一方、バーナー装置Ｂが嵌入している隔壁部分も加熱チャンバ１の本体胴部11とヒンジを介して連結された後方点検扉13となっており、バーナー装置Ｂが嵌入した状態のままで全面開放可能に構成されているので、加熱チャンバ１は、前方点検扉12と後方点検扉13の両扉を開放することにより前後両点検口からのメンテナンスが図られることになる。

しかるに、本例の加熱チャンバ１の本体胴部11は略筒状体をしてなるもので、内部には、その下方に配置された送風機２から送風管21を経て送られる外部空気を導入し再び外部へと導出する熱交換再生器３が配置されている。後述するように、熱交換再生器３内を循環する外部空気の一部をバーナー装置Ｂにおける燃焼空気として利用することを考慮して、前記送風管21はバーナー装置Ｂから最も離隔したスターリングエンジンＳ側の底部に接続されている。

そして、図示された例の熱交換再生器３は、略筒状をした蓄熱材４と加熱チャンバ１の本体胴部11の内壁面との間に確保された空間部において同じく略筒状に配置されており、図１中、本体胴部11の下方に示された熱交換再生器３と蓄熱材４を介して上方に示された熱交換再生器３が、それらの一部又は全部が連通するように連続して構成されている。このように略筒状をした熱交換再生器３に対して、前記送風管21は接線方向下側から接続されているので、送風管21より送られた外部空気は、略筒状をした熱交換再生器３の中をスパイラル状に循環することになる。熱交換再生器３内を循環した外部空気は、熱交換再生器３におけるバーナー装置Ｂ側の上部に接続された高温空気排出管31から導出されることになるが、高温空気排出管31の途中には開閉バルブを備えた分岐路311が設けられており、熱せられた外部空気の一部はバーナー装置Ｂへと導かれて高温燃焼空気として再利用されることになる。なお、本例では前記分岐路311が高温排ガス導入ダクト32と合流して、焼却炉など他のプロセスから発生した高温排気ガスをもバーナー装置Ｂの加熱用として使用されるように構成されている。

一方、蓄熱材４は、バーナー装置ＢからスターリングエンジンＳのヒーターヘッドS1に向けて噴射される高温燃焼ガスの噴流路を中心とした略筒状に形成されており、その後方基端側がバーナー装置Ｂの燃焼筒B1を覆うように、好ましくは後方点検扉13の内壁面と当接するように配設して、蓄熱材４の外側を流れる排気ガスが蓄熱材４の基端側から燃焼筒B1方向に流入しないように配設される。蓄熱材４の前方先端側、すなわち、スターリングエンジンＳのヒーターヘッドS1との接続側端部は、熱交換再生器３への燃焼ガス流路を確保するべく多数の透孔が穿孔され、拡径した状態で前方点検扉12に密着するよう構成されているが、拡径部分を省略し、接続側先端部がヒーターヘッドS1から離隔した位置にとどまる長さとして、当該先端部分とヒーターヘッドS1との間に空間が確保される長さに設定することにしてもよい。

蓄熱材４の前方先端側にはレジューサ５が内挿されており、該レジューサ５は噴流路方向において前後移動可能に取り付けられている。レジューサ５の前方先端部はその後方基端部よりも縮径されており、ヒーターヘッドS1に当接する最も前方位置にまで移動させると、バーナー装置Ｂから噴射される高温燃焼ガスをヒーターヘッドS1に対して集中させて、全ての高温燃焼ガスがヒーターヘッドS1中を通過するようにできる。逆に、レジューサ５をヒーターヘッドS1から最も離隔した位置に移動させると、バーナー装置Ｂから噴射される高温燃焼ガスがヒーターヘッドS1の周囲から外方向へと流れる量が増加し、その一部はヒーターヘッドS1に接触することもなく、早い段階から熱交換再生器３に接触することになる。

熱交換再生器３には、吸熱ジャケット６が装着される。図示された例の吸熱ジャケット６は、複数の波形を備えたエキスパンドメタルからなるもので、熱交換再生器３の外面に当接するように装着されている。エキスパンドメタルの波形形状は外方に向けた多数の突起として熱交換再生器３自体の表面積を格段に増加させるので、ヒーターヘッドS1に接触し又はヒーターヘッドS1に接触することなく流れてくる高温燃焼ガスが、排ガス塔15を経て加熱チャンバ１の外部に送出されるまでに、熱交換再生器３内を循環する外部空気を十分に加熱することになる。なお、排ガス塔15内には、先の送風機２によって送られる外部空気の一部を分岐したエジェクタ用空気管14の先端が同一軸芯にて導入されている。送風機２により導入された外部空気によって生ずる負圧を利用して排気ガスの排出促進を図り、加熱チャンバ内における排気ガスの滞留防止と圧力損失の軽減を図ったのである。

また、熱交換再生器３におけるバーナー装置Ｂ側には分岐噴射管312が設けられており、該分岐噴射管312の先端は、開閉バルブ33を介してバーナー装置Ｂにおける燃焼筒B1へと向けられている。もっとも、熱交換再生器３とバーナー装置Ｂの燃焼筒B1間は蓄熱材４によって隔離されているから、分岐噴射管312は蓄熱材４を穿孔した状態で設けられることになる。図示された例の分岐噴射管312は、燃焼筒B1からの燃焼ガス噴射を妨げないように、噴射方向に前方傾斜して配設されている。

以上のように構成された本発明に係る外熱機関用加熱チャンバ１を燃焼室として、例えば廃油又はバイオマスの水エマルジョン燃料を用いた二流体水エマルジョンマルチバーナーをバーナー装置Ｂとして燃焼すると、フレーム温度を800〜1300℃に抑えながら低空気比で完全燃焼することができ、NOx：50ppm、CO：０ppm、煤塵量：1.5mg/m³以下のクリーンな燃焼ガスをスターリングエンジンＳのヒーターヘッドS1へと噴射しつつ、出口温度700℃で下流側に位置する熱交換再生器３へと誘導し、最終大気出口温度200℃以下で運転することができる。

そして、上記運転時においてスターリングエンジンＳに接続された発電機による発電効率は25〜35％、熱出力は45〜50％、総合効率は85％以上であるにもかかわらず、スターリングエンジンＳの静粛性から騒音振動は50デシベル以下に抑えることができ、静粛運転による高度な熱利用、ひいてはゼロ・エミッションが可能となる。

さらに、熱交換再生器３で加熱された外部空気を混合し、場合によっては高温排気ガスも再利用して混合して再燃焼することにより、定格運転時において燃料削減率40〜90％を達成することができる。

本発明に係る外熱機関用加熱チャンバの一例を示す横断面図である。

符号の説明

１ 加熱チャンバ
２ 送風機
３ 熱交換再生器
４ 蓄熱材
５ レジューサ
６ 吸熱ジャケット
１１ 本体胴部
１２ 前方点検扉
１３ 後方点検扉
１４ エジェクタ用空気管
１５ 排ガス塔
２１ 送風管
３１ 高温空気排出管
３２ 高温排ガス導入ダクト
３１１ 分岐路
３１２ 分岐噴射管
Ｂ バーナー装置
Ｂ１ 燃焼筒
Ｓ スターリングエンジン
Ｓ１ ヒーターヘッド
Ｓ２ スライドレール
Ｓ３ 移動用キャスター

Claims (2)

1. 外熱機関（Ｓ）の加熱部（Ｓ１）に対してその一方側が接続される加熱チャンバ（１）であって、その内部には、
   前記外熱機関（Ｓ）の加熱部（Ｓ１）と対向する側に接続されたバーナー装置（Ｂ）から前記加熱部（Ｓ１）に向けて噴射される燃焼ガスの噴流路を中心とする略筒状の蓄熱材（４）が配設されてなり、
   該蓄熱材（４）は、加熱チャンバ（１）本体胴部の内壁面との間に空間部を確保しつつ、外熱機関（Ｓ）の加熱部（Ｓ１）との接続側端部において前記空間部との連通路を有しているものであって、
   前記空間部には、外部から導入した外部空気と、前記の蓄熱材（４）に設けられた連通路を介して前記空間部に供給されたバーナー装置（Ｂ）由来の燃焼ガスとを熱交換再生器（３）の壁面を介して熱交換させ、外部空気と燃焼ガスとを混合することなく外部空気を加熱して高温空気排出管（３１）を介して外部空気を再び外部へ導出することにより、バーナー装置（Ｂ）の燃焼用高温空気として利用し又は加熱用の気体媒体として利用する熱交換再生器（３）が配され、
   バーナー装置（Ｂ）由来の燃焼ガスの噴流方向から見て外熱機関（Ｓ）の加熱部（Ｓ１）及び連通路よりも上流の位置となるように、前記蓄熱材（４）の接続側端部に設けられた連通路の手前に、高温燃焼ガスが外熱機関（Ｓ）の加熱部（Ｓ１）に噴射される量と熱交換再生器（３）に回流する量を変更可能にするための、前方先端部が後方基端部よりも縮径されたレジューサ（５）がバーナー装置（Ｂ）由来の燃焼ガスの噴流路方向に前後移動可能に配設されてなる外熱機関用加熱チャンバ（１）。
2. 熱交換再生器（３）は、その外面に当接しながら、外方に多数の突起を備えた吸熱ジャケット（６）を脱着可能に備えてなる請求項１に記載の外熱機関用加熱チャンバ（１）。

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