JP4792112B2 - ガスボイラーのための燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスボイラーの燃焼装置に関する。より詳しくは、バーナーのターンダウン比を改善することができ、また低出力領域における排気ガスに含まれる酸素の濃度の急激な上昇を防ぐことができ、それによって高い効率が維持できるガスボイラーの燃焼装置に関する。

一般に、ガスボイラーにおいては、ターンダウン比(TDR)が設定される。TDRは、供給ガスの量を制御することのできるガス燃焼装置における、消費ガスの最大量と消費ガスの最小量との比を意味する。たとえば、消費ガスの最大量が24,000kcal/hで、消費ガスの最小量が8,000kcal/hであるとき、TDRは、3:1である。TDRは、消費ガス量を制御して到達しうる、安定な炎を維持しうる最小値によって制限される。

ガスボイラーの場合、加熱装置と湯との使用の便利さは、TDRの増大によって、高まる。すなわち、バーナーが、小さなTDR(すなわち、消費ガスの最小量が大きい)および加熱と湯供給の小さな負荷の領域で動作する場合、ボイラーのオン・オフが頻繁に行われ、そのため、温度制御における変動が大きく、ボイラーの耐久性が低下する。そのため、ガスボイラーに使用されるバーナーのTDRを改善する方法が提案されている。

図1は、消費ガス量とガス供給圧との関係を示すグラフであり、図2は、従来の燃焼装置を示す模式斜視図であり、図3は、酸素濃度と露点との関係を示すグラフである。図1〜3を参照しつつ、従来の燃焼装置の問題を説明する。

ガスバーナーのTDRを制限する基本因子は、図1に示すような、消費ガス量(Q)とガス供給圧(P)との関係である。一般に、流体圧と流量との関係は、下記の式で示される。

すなわち、流体の流量を2倍にするためには、供給圧を4倍にしなければならない。したがって、TDRを3:1に設定するためには、供給圧は9:1の比を有しなければならない。さらに、TDRを10:1に設定するためには、供給圧は100:1の比を有しなければならない。しかし、ガスの供給圧を無制限に増大させることは不可能である。

一般に、家庭用都市ガスの標準ガス供給圧は、200mmH₂Oであり、許容差は+50および-100mmH₂Oである。したがって、バーナーの安定な燃焼を保証するためには、許容差を考慮して、好ましくは、最大ガス圧を100 mmH₂O以下に設定する。

さらに、供給ガスの量を比例制御するためのガス弁(すなわち、整圧器)は、最小ガス量制御を所定圧力以上でしか実行できない。最小ガス量制御の範囲は、ガス弁の特性に依存するが、好ましくは、比例制御用のガス弁は、10 mmH₂O以上の圧力で使用する。

前記のような条件を考慮して、ガス圧を10〜100 mmH₂Oの範囲で変化させる場合、TDRは、大体3.15:1となる。したがって、ガス圧だけを変える場合、TDRは約3:1に制限される。

前記問題を解決するために、図2に示すように、バーナーをいくつかの領域に分割し、各分割領域にガスを噴射するためのガス流路を開閉して、ガスのTDRを大きくする方法が提案されている。

図2に示す燃焼装置の場合、バーナー20の領域が第一段領域21と第二段領域22とに4:6の比率で分割され、弁31と32とが各分割領域のガス流路に取りつけられている。したがって、下記の表1に示すような比例制御領域が得られる。表1においては、バーナーの各分割領域のTDRが3:1であると仮定している。

すなわち、最大ガス量が100%である場合、13〜100%の範囲の比例制御を実行することができ、したがって約7.7:1のTDRを実現することができる。しかし、前記構造を有する燃焼装置を復水器付きボイラーに使用すると、次のような問題が生じる。

復水器付きボイラーは、排気ガスに含まれる蒸気を凝縮させ、熱交換器によって、凝縮蒸気の潜熱を回収し、ガスボイラーの効率を増大させる。したがって、排気ガスの露点が高いほど、より容易に蒸気が凝縮し、したがってボイラーの効率が高まる。

しかし、排気ガスに含まれる蒸気の体積分率(%)が大きいほど、排気ガスの露点は高くなる。さらに、蒸気の体積分率を増大させるために、排気ガスに含まれる過剰空気(すなわち、排気ガスのH₂O+CO₂+O₂+N₂成分のうち燃焼反応に関与しない酸素と窒素)の量を、できる限り小さくしなければならない。

しかし、図3に示すように、排気ガスの酸素濃度が増大すると(すなわち、過剰空気量が増大すると)、露点は急激に低下し、復水器付きボイラーの効率が低下する。

ところが、図2に示すように、バーナー20の領域が第一段領域21と第二段領域22とに分割されている場合、燃焼が第一段領域21でしか起こらない場合でも、送風機10は、バーナー20の第二段領域22にも空気を送る。その結果、排気ガス中の酸素の濃度が非常に高くなる。

したがって、図2の燃焼装置を復水器付きボイラーに使用する場合、低出力領域(すなわち、燃焼が第一段領域または第二段領域のみで行われる場合)では、高効率を実現することができない。

上で説明しなかった参照番号33および34は、それぞれ、比例制御弁および電磁弁を示す。

本発明は、前記問題の解決を目指すものであり、本発明は、バーナーのTDRを改善するための構造を有し、低出力領域で排気ガスの酸素濃度が増大するのを防いで、ガスボイラーの効率を高めることのできるガスボイラーの燃焼装置を提供する。

本発明の一つの側面においては、
ガスボイラーの燃焼装置であって、
燃焼に必要な空気を供給する送風機と、
ガスの供給流量を制御する比例制御弁と、
前記比例制御弁に接続されたノズル部品であって、互いに並列に接続された複数のノズルを有し、補助弁の開閉によってガスを供給するノズル部品と、
前記送風機から供給される空気と前記ノズル部品を通過するガスとを混合してから、混合された空気とガスをバーナー面に供給する混合室と、
比例制御弁と補助弁との開閉に応じて送風機の回転数を制御し、燃焼に必要な量に限って空気を供給する制御器と、
を有する燃焼装置、
が提供される。

好ましくは、当該ノズル部品は、複数のノズルを有し、これらのノズルは、直径の異なるガス通過部分を有する。

好ましくは、当該混合室は、当該混合室内に配置された空気分配板を備えている。

当該ノズル部品を通過するガスは、当該送風機の入口内に導かれて、空気と混合されてもよい。

本発明のガスボイラーの燃焼装置により、バーナーのTDRおよびガスと空気との予混合を改善して、過剰空気の供給を防ぎ、低出力領域での排気ガスの酸素濃度の増大を防ぐことができ、それによって、ガスボイラーの効率を高めることができる。

本発明の前記およびその他の目的、特徴および利点は、添付の図面に即してなされる以下の詳細な説明によって、さらにはっきり理解されるであろう。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の代表的実施形態について説明する。

図4は、本発明の燃焼装置の一つの実施形態の模式図である。

本発明は、バーナーのTDRを改善し、過剰空気を減少させて低出力領域での高効率が維持できる燃焼装置構造物を提供する。本発明の燃焼装置の構成の一例を、図4に即して説明する。この燃焼装置は、燃焼に必要な空気を供給する送風機110；ガスの供給流量を調節する比例制御弁153；互いに並列に接続された複数のノズル141と142を有し、補助弁151と152の開閉によってガスを供給する、比例制御弁153に接続されたノズル部品140；送風機110から供給される空気を、ノズル部品140を通過したガスと混合してから、混合された空気とガスをバーナー面130に供給する混合室120；および、比例制御弁153および補助弁151と152の開閉に応じて送風機110の回転数を制御し、燃焼に必要な量に限って空気を供給する制御器(図示せず)、を有する。

図4に示すバーナー構造物は、混合室120を有し、これは予混合バーナーの燃焼構成である。予混合バーナーは、完全燃焼のためにあらかじめ混合された空気とガスをバーナー面130に噴射し、バーナーが混合された空気とガスを燃焼させることができるようにする。予混合バーナーは、ブンゼンバーナーよりも小さな過剰空気比で燃焼させることができ、したがって露点を上昇させることができる。そのため、予混合バーナーは、広く使用され、特に復水器付きボイラーで使用されている。

比例制御弁153は、燃焼のための比例制御燃焼システムへの供給ガス流量を制御する。このとき、必要なバーナー加熱力にもとづいて空気量と燃料量を制御する。

主弁154は、比例制御弁153のガス流入側に取りつけてある。主弁154は、開閉弁であり、開閉動作により、ガスを供給する。

この実施形態の場合、ノズル部品140は、第一のノズル141と第二のノズル142とを有する。第一のノズル141と第二のノズル142とは、同じ直径を有することができるが、好ましくは、第一のノズル141と第二のノズル142とは異なる直径、たとえば比4:6の直径を有し、TDRが高まるようにする。

図4には、第一のノズル141と第二のノズル142だけしか示していないが、三つまたは四つのノズルを使用して、TDRをさらに高めることができる。

第一のノズル141へのガス供給路を開閉するための開閉弁である第一の補助弁151が、第一のノズル141のガス流入側に取りつけられ、第一の補助弁151と同じ機能を有する第二の補助弁152が第二のノズル142のガス流入側に取りつけられている。

空気とガスが混合される室である混合室120が、空気が供給される送風機110とガスが供給されるノズル部品140とのそれぞれに接続されている。さらに、混合室120の内部には、空気分配板121が取りつけられ、空気とガスが上方に流れて直接バーナー面130に達することがなく、空気とガスの円滑な混合をなしうるようになっている。

通常の予混合バーナー面を、バーナー面130として使用することができる。たとえば、金属ファイバー、セラミックスまたはステンレスハネカム板、その他を使用することができる。

図5は、本発明の燃焼装置のもう一つの実施形態を示す模式図である。

この燃焼装置の実施形態と図4の燃焼装置との間のただ一つの違いは、空気とガスとが混合される場所がどこにあるかである。すなわち、この実施形態では、パイプラインが、ノズル部品140を通過するガスが送風機110の入口111を通過してから、空気と混合されるように構成されている。

以下、表2を参照しつつ、最初に述べた構造を有する本発明の燃焼装置の動作について説明する。第一のノズル141の直径と第二のノズル142の直径との比が4:6で、TDRは、ガス圧制御により、3:1になる、と仮定している。

加熱と湯との負荷が小さい場合、第一のノズル141のための第一の補助弁151が開放され、第二のノズル142のための第二の補助弁152は閉じられる。この場合、比例制御弁153によって制御されるガスの量は、最大値40%と最小値13%との間の値を有する。

この場合、制御器は、比例制御弁153および補助弁151と152の開閉に応じて送風機110の回転数を制御し、燃焼に必要な量に限って、空気を供給するようになっている。

供給されるガスと空気は混合室120内で混合されてから、バーナー面130の全域で燃焼させられる。したがって、低負荷領域において、過剰な空気が供給されて露点が低下するのを防ぐことができる。この露点低下は、燃焼が、先行技術におけるように、バーナー面の部分領域でのみ行われる場合に、起こりうる。

加熱と湯との負荷が中程度の場合、第一のノズル141のための第一の補助弁151が閉じられ、第二のノズル142のための第二の補助弁152が開放される。この場合、比例制御弁153によって制御されるガスの量は、最大値60%と最小値20%との間の値を有する。

加熱と湯との負荷が大の場合、第一のノズル141のための第一の補助弁151と第二のノズル142のための第二の補助弁152との両方が開放される。この場合、比例制御弁153によって制御されるガスの量は、最大値100%と最小値33%との間の値を有する。

前記構成の場合、最大ガス量が100%のとき、比例制御は、13%から100%の範囲内で実行することができる。したがって、先行技術の場合と同様に、約7.7:1のTDRを維持して、しかも露点の低下を防止し、高効率で復水器付きボイラーを駆動することができる。

本発明においては、ノズル部品のノズルの数を三または四に増やすことができ、それによって、先行技術と異なり、露点を低下させることなく、さらにTDRを大きくすることができる。

本発明のガスボイラーのための燃焼装置により、低出力領域で排気ガスの酸素濃度が上昇するのを防ぎ、ガスボイラーの効率を高めることができる。

以上、単なる説明のために、本発明のいくつかの代表的実施形態について述べたが、当業者には明らかなように、特許請求の範囲に示す本発明の意図と範囲とを逸脱することなく、いろいろな変形、追加および代用が可能である。

消費ガス量とガス供給圧との関係を示すグラフである。 従来の燃焼装置を示す模式斜視図である。 酸素濃度と露点との関係を示すグラフである。 本発明の燃焼装置の一つの実施形態を示す模式図である。 本発明の燃焼装置のもう一つの実施形態を示す模式図である。

10 送風機
20 バーナー
21 第一段領域
22 第二段領域
31 弁
32 弁
33 比例制御弁
34 電磁弁
110 送風機
111 110の入口
120 混合室
121 空気分配板
130 バーナー面
140 ノズル部品
141 ノズル
142 ノズル
151 第一の補助弁
152 第二の補助弁
153 比例制御弁
154 主弁

Claims (3)

1. ガスボイラーの燃焼装置であって、
   燃焼に必要な空気を供給する送風機と、
   ガスの供給流量を制御する比例制御弁と、
   前記比例制御弁に接続されたノズル部品であって、互いに並列に接続された複数のノズルを有し、補助弁の開閉によってガスを供給するノズル部品と、
   前記送風機から供給される空気と前記ノズル部品を通過するガスとを混合してから、混合された空気とガスをバーナー面に供給する混合室と、
   比例制御弁と補助弁との開閉に応じて送風機の回転数を制御し、燃焼に必要な量に限って空気を供給する制御器と、
   を有し、
   当該ノズル部品が、複数のノズルを有し、これらのノズルのガスが通過する部分の直径が異なることを特徴とする燃焼装置。
2. 当該混合室が当該混合室内に配置された空気分配板を備えていることを特徴とする請求項1に記載の燃焼装置。
3. 当該ノズル部品を通過するガスが当該送風機の入口内に導かれて、空気と混合されることを特徴とする請求項1または2に記載の燃焼装置。

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