JP5733822B2

JP5733822B2 - ボイラ

Info

Publication number: JP5733822B2
Application number: JP2011073760A
Authority: JP
Inventors: 安藤　則俊; 則俊安藤; 伸基明尾
Original assignee: 株式会社サムソン
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012207852A

Description

本発明は、給水予熱器を持ったボイラに関するものである。

蒸気を発生するボイラでは、ボイラ内で熱交換を行った後に排出している排ガスにも熱が残っているため、排ガスの熱によってボイラ給水の予熱を行うことによってボイラの効率を向上させることが広く行われている。一般的な給水予熱器は、ボイラの燃焼排ガスを通す排気筒内に多数の水管を設置し、各水管は連結することで一続きの流路を形成しておき、ボイラへの給水は給水タンクから給水予熱器を経由した後にボイラ内へ入る構成としている。給水予熱器によって、１５℃程度の給水を１００℃程度まで予熱することができると、ボイラで同じ量の蒸気を発生する場合でも燃焼量が少なくてすむため、燃料消費量を削減することができる。

ボイラへの給水は間欠給水が多く、給水が停止すると給水予熱器内の水流は停止するが、給水予熱器内では排ガスによる給水の加熱が続くため、給水予熱器内で給水温度が上昇して沸騰するおそれがある。そのため給水予熱器には耐圧性が必要であり、その分コストも高いものになっていた。また、給水温度が低いと、給水予熱器の水管表面で燃焼排ガスが結露温度以下となって結露水が発生することになる。燃焼排ガスにはＮＯｘやＳＯｘが含まれており、結露によって硝酸や硫酸が発生すると水管を腐食させるため、給水予熱器の寿命はボイラ本体部の寿命に比べて短いものとなる。給水予熱器を設置するとボイラの効率が向上するために燃料費を削減することができるが、イニシャルコストや交換コストが大きくなるということが問題となっていた。

給水予熱器に供給する給水の温度を上昇させると、水管表面での結露が発生しにくくなる。そのため、特開平９−２３６２０７号公報において、給水予熱器の給水出口と給水入口を接続する循環流路を設け、給水予熱器で加熱を行った予熱水の一部は給水予熱器の入口側へ戻すようにしておき、給水予熱器内に入る給水の温度を上昇させるようにしたボイラの記載がある。給水の一部を循環させると、給水予熱器入口の給水温度を上昇させることができるため、結露を防止でき低温腐食を防止することができる。ただしこの場合、給水の一部はボイラへ送られないために給水能力が低下することになる。また、この場合でも給水予熱器内での沸騰する可能性があるため、給水予熱器は耐圧性の高いものでなければならないということは変わらない。

特開平９−２３６２０７号公報

本発明が解決しようとする課題は、給水予熱器を持ったボイラを低コストで提供することができるようにすることにある。

内部で燃焼を行うことで水を加熱して蒸気を発生するボイラ、ボイラへ供給するボイラ用水をためておく給水タンク、ボイラ内で発生した燃焼排ガスを排出する排気筒、排気筒内に設置しておき燃焼排ガスの熱によってボイラ用水の予熱を行う給水予熱器を持ち、給水タンクにはボイラへボイラ用水を供給する給水管と、給水予熱器へボイラ用水を供給し、予熱したボイラ用水を給水予熱器から給水タンクへ戻す循環配管を接続しておき、ボイラへの給水とは切り離して給水タンクと給水予熱器の間でボイラ用水を連続的に循環させることができるようにしているボイラにおいて、給水タンクは開放タンクとし、給水管の途中に給水ポンプ、循環配管の途中に循環ポンプを設置しておき、給水予熱器はチューブをコイル状に巻いた熱交換コイルを排気筒内に設置したものであって、熱交換コイルは複数本のチューブを並列に設置することで構成しており、循環配管の給水予熱器直前部分には給水タンクから送られてきたボイラ用水を分割して給水予熱器へ供給する分岐部を設け、並列設置した複数本のチューブに分割してボイラ用水を供給するようにしており、循環配管の給水予熱器直後部分には熱交換コイルでは分割して流れてきたボイラ用水を合流させる合流部を設け、予熱を行ったボイラ用水は共通の循環配管を通して給水タンクへ戻すようにしていることを特徴とする。

給水タンクと給水予熱器の間でボイラ用水の循環を行う場合、給水タンクは解放タンクであるために給水予熱器への給水には高い圧力を掛けなくてもボイラ用水を循環させることができる。そして循環は連続的に行うため、給水予熱器内にボイラ用水が滞留している間に沸騰温度まで加熱されるといったことにはならない。そのため給水予熱器内でボイラ用水が沸騰するようなことはなく、給水予熱器の耐圧性はあまり高くする必要がなくなり、例えばフレキシブルチューブのような耐圧性の低いパイプを使用することが可能となり、給水予熱器の低コスト化が可能となる。また、排気筒に熱交換コイルを設置するものであるため、既設のボイラに後付けで追加することも可能となる。本発明を実施することで、大きなコストを掛けずにボイラの効率を高めることができる。

本発明を実施しているボイラのフロー図本発明の一実施例での給水予熱器組み立て状況を示した説明図本発明の一実施例での燃焼排ガスフローを示した給水予熱器の断面図

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施しているボイラのフロー図、図２は本発明の一実施例での給水予熱器組み立て状況を示した説明図、図３は本発明の一実施例での燃焼排ガスフローを示した給水予熱器の断面図である。ボイラ１は、内部で燃焼を行うことでボイラ水を加熱し、蒸気を発生するものである。ボイラ用水は解放タンクである給水タンク２にためておき、給水タンク２とボイラ１の間をつないでいる給水管３を通して給水する。ボイラ内の水位が給水開始水位まで低下すると、給水管３の途中に設けている給水ポンプの作動を行ってボイラへの給水を行い、ボイラ内水位が給水停止水位まで上昇すると給水ポンプの作動を停止して給水を終了する。給水タンク２への給水は、軟水器（図示せず）で軟化処理を行った軟化水を供給する軟化水配管４を通じて行っている。給水タンク２でも水位が低下すると給水を行って水位を上昇させ、水位が所定水位まで上昇すると給水を停止する。

ボイラ１では燃焼を行うことで熱を発生し、火炎からの輻射熱と高温の燃焼ガスによってボイラ水を加熱して蒸気を発生する。そして熱交換を終えた後の燃焼排ガスはボイラ内から取り出し、排気筒５を通して戸外へ排出している。燃焼排ガスはボイラ内での熱交換を行ったことで温度は低下するが、ボイラから取り出される時点では数百℃程度の熱を保有しているために給水を予熱する用途には使用することができる。排気筒５の途中には給水予熱器６を設置しておき、燃焼排ガスは給水予熱器６との間でも熱交換を行う。給水予熱器６は給水タンク２との間を往路と復路からなる循環配管７で接続しており、給水タンク２にためておいたボイラ用水は循環配管７の往路を通して給水予熱器６へ送り、給水予熱器６で加熱を行った後に循環配管７の復路を通して給水タンク２へ戻すようにしている。

ボイラ１が運転を行っている場合、給水タンク２にためているボイラ用水を連続的に給水予熱器６へ送ることでボイラ用水の予熱を行う。ボイラ運転中は排気筒５内を燃焼排ガスが流れているため、循環配管７に設けている循環ポンプを作動し、循環配管７を通して給水予熱器６へ水を送ると、熱交換コイル８内を水が流れる際に熱交換コイル８の周囲を流れている燃焼排ガスによって加熱される。循環配管７は給水予熱器６から給水タンク２へ戻すようにしており、熱交換コイル８で温度の上昇した水は給水タンク２へ戻る。ボイラ１への給水は、給水予熱器６で予熱した水を送ることになるため、ボイラの効率は向上する。

給水タンク２と給水予熱器６の間で水の循環を行う循環配管７は、ボイラへの給水とは別系統であるため、ボイラへの給水が停止している時間帯であっても循環配管７での通水は連続的に行うことができる。そして循環配管７は、解放タンクである給水タンク２と給水予熱器６の間で水を循環するものであり、水の循環に必要な水圧は高くない。そのため循環配管７では多くの水を連続的に流すことができ、熱交換コイル８内で水が沸騰するようなことはないため、耐圧性の低いフレキシブルチューブを使用しても問題にはならず、安価に製造できることは有利となる。

給水予熱器６は、フレキシブルチューブによる熱交換コイル８、熱交換コイル８の外側を囲む外筒９、熱交換コイル８内に挿入する内筒１０からなっている。熱交換コイル８は、燃焼排ガス流の下流側となる図の上方から水を供給し、予熱を行った水は下方から取り出すようにしている。熱交換コイル８の径は、外筒９部分の径をＬ、給水予熱器以外の排気筒５部分の径をｌとした場合、排気筒径ｌより大きく、外筒径Ｌよりは小さなものとしておき、内筒１０と外筒９の間にできる環状の空間に設置する。

熱交換コイル８は、図３を見ると分かるように複数本のフレキシブルチューブからなっており、図では上段側２本と下段側２本で合計４本のフレキシブルチューブによって熱交換コイル８を構成している。循環配管７の給水予熱器直前部分には、給水タンクから送られてきたボイラ用水を分割して給水予熱器へ供給する循環配管分岐部１５を設け、並列設置した複数本のチューブに分割してボイラ用水を供給するようにしている。循環配管７の給水予熱器直後部分には、熱交換コイル８では分割して流れてきたボイラ用水を合流させる循環配管合流部１６を設け、予熱を行ったボイラ用水は共通の循環配管７を通して給水タンク２へ戻す。

フレキシブルチューブを分割しておき、予熱する水は分散させて流すようにすることで熱交換コイル８内を流す水の圧力損失を低減し、小さな力で大きな量の水を流すことができるようになる。なお、フレキシブルチューブの分割本数と長さは、熱回収量と流路抵抗の大きさに基づいて適宜選択することになる。目標とする熱回収量が多ければフレキシブルチューブの総延長は長くなり、フレキシブルチューブの長さが長くなると流路抵抗が大きくなるために分割本数を多くことが必要になる。

外筒９には蓋１１を設けており、外周を形成する板の半分は外筒９から取り外すことができるようにしている。蓋１１には熱交換コイル８の端部を引き出すための取り出し口１２を設けている。取り出し口１２は、複数本設置している各フレキシブルチューブでそれぞれ入口と出口が必要なため、図２では合計８箇所分設けている。

排気筒５内に熱交換コイル８を設置すると、熱交換コイル８の分だけ燃焼排ガスが流れる流路の断面積が小さくなる。そのため給水予熱器６を設置している部分では排気筒の径を大きくする必要がある。このとき、排気筒径の拡大幅は、熱交換コイル８によって減少する分に対応する断面積分だけでもよいが、あえて必要量以上に径を大きくする。その理由は、熱吸収量の増加と結露水のボイラへの侵入を防止するためである。

給水予熱器６の部分をそれ以外の排気筒５の径よりも大きくすると、外筒９には排気筒５での径との間をつなぐ部分が必要となり、外筒９の上下に環状の天板と底板を設けることで排気筒５の外周との間をつないでいる。外筒９と排気筒５をつなぐために設けている環状の底板には、ドレン（凝縮水）を排出するためのドレン抜き穴１３と、ドレンが給水予熱器６より下方の排気筒５内に入ることを防止するためのドレン流入防止壁１４を設ける。ドレン流入防止壁１４は底板に対して垂直に立てた板であって、排気筒の径に沿って環状に設けている。ドレン抜き穴１３は、ドレン流入防止壁１４と外筒９の間に設けており、底板部分に落下した凝縮水はボイラにつながる排気筒５へは流れず、ドレン抜き穴１３を通して外部へ排出されることになる。ただし、排気筒５の中心軸付近に熱交換コイル８を設置していると、ドレン流入防止壁１４よりも内側に凝縮水が落下するため、ドレン流入防止壁１４及びドレン抜き穴１３を設けていても凝縮水がボイラ内へ流入することは防止できないということが問題となる。

また、煙突部材の長さは定まっており、予熱器６の長さは煙突部材と同じにしておくと、既設煙突に後から給水予熱器６を加える場合でも、給水予熱器６の設置工事費を低く抑えることができる。給水予熱器の高さが決まると、熱交換コイル８の高さの最大値が定まり、熱交換コイル８でのフレキシブルチューブの長さは熱交換コイル８の高さと径から定まる。フレキシブルチューブの長さは、長くするほど熱吸収量が増加するが、熱交換コイル８高さに制限があれば一定以上の長さにすることはできない。また、中心軸付近にフレキシブルチューブのコイルを設置すると、先に記載したように凝縮水がボイラ内へ送られるため、ボイラの腐食を招くことになる。そのために、熱交換コイル８を中心軸付近にも設置することでフレキシブルチューブの長さを長くするということはできない。

これらの問題のため、外筒９の径は排気筒５の径よりも大幅に大きなものとしておく。給水予熱器６部分での外筒９の径を大きくすると、熱交換コイル８の径を大きくすることができ、熱交換コイル８の高さは同じであってもフレキシブルチューブ長さは長くなるため、熱吸収量を増加することができる。ただし、熱交換コイル８による燃焼排ガスの流路面積減少分よりも排気筒径の拡大による流路面積の増加が大きくなると、燃焼排ガスは給水予熱器６の部分で広く薄く流れるために熱交換コイル８での熱吸収効率が低下することが新たな問題となる。

そこで本発明では、熱交換コイル８の中心軸付近には内筒１０を設置するようにしている。内筒１０は、上方に蓋を付け下方は開口した円筒形構造であり、内筒１０と外筒９の間に環状の空間ができるようにする。内筒は上方を蓋でふさいでいるため、燃焼排ガスは内筒１０と外筒９の間にできる環状の空間を流れることになる。熱交換コイル８は、内筒１０と外筒９の間にできる環状空間に設置しておくと、燃焼排ガスは熱交換コイル８の部分に集中的に流れることになり、熱交換コイル８を効率よく加熱することができる。

また、給水予熱器６は燃焼排ガスの熱を取り込むものであるため、燃焼排ガスは温度が低下して結露が発生することがある。給水予熱器６に入るボイラ用水は予熱して循環させているものであるため、給水予熱器６での結露は発生しにくくなっているが、初起動時であってボイラ用水温度が低いという場合もあるため、結露水の発生を完全になくすことはできない。

熱交換コイル８で発生した結露水は、熱交換コイル８の真下へ落下する。しかし、熱交換コイル８の径を大きくし、給水予熱器６の中心軸付近には内筒１０を設けることで中心軸付近に熱交換コイル８を設置しないようにしておくと、熱交換コイル８で発生した凝縮水は外筒９の底部に設けた底板上に落下することになる。給水予熱器６の底部にはドレン流入防止壁１４を設けており、結露水はボイラ内へ流れ込むことがないようにしているため、結露水によってボイラの本体部が腐食することを防止する効果を得ることができる。

なお、熱交換コイル８部分は結露水に接触するため、熱交換コイル８自体の腐食を防止することはできない。しかし、外筒９には蓋１１を設けており、蓋１１を取り外すことで給水予熱器６自体は設置したままで熱交換コイル８を容易に交換することができる。フレキシブルチューブによる熱交換コイル８は肉厚が薄いために寿命が短くなる問題はあるが、容易に交換することができるようにしておくと、熱交換コイル８自体のコストは低いため、トータルコストは低く抑えることができる。

また、現時点で給水予熱を行っていないボイラも世間には多数ある。給水予熱器６の排気筒との接続部は一般的な排気筒部材の口径と同じとし、給水予熱器６部分の長さも一般的な排気筒部材の長さと同じにしておくと、既設排気筒に本発明の給水予熱器６を後から加えることは容易に行えるため、既設ボイラの効率向上を容易に行うことができる。

なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的５０９９思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１ボイラ
２給水タンク
３給水管
４軟化水配管
５排気筒
６給水予熱器
７循環配管
８熱交換コイル
９外筒
１０内筒
１１蓋
１２取り出し口
１３ドレン抜き穴
１４ドレン流入防止壁
１５循環配管分岐部
１６循環配管合流部

Claims

内部で燃焼を行うことで水を加熱して蒸気を発生するボイラ、ボイラへ供給するボイラ用水をためておく給水タンク、ボイラ内で発生した燃焼排ガスを排出する排気筒、排気筒内に設置しておき燃焼排ガスの熱によってボイラ用水の予熱を行う給水予熱器を持ち、給水タンクにはボイラへボイラ用水を供給する給水管と、給水予熱器へボイラ用水を供給し、予熱したボイラ用水を給水予熱器から給水タンクへ戻す循環配管を接続しておき、ボイラへの給水とは切り離して給水タンクと給水予熱器の間でボイラ用水を連続的に循環させることができるようにしているボイラにおいて、給水タンクは開放タンクとし、給水管の途中に給水ポンプ、循環配管の途中に循環ポンプを設置しておき、給水予熱器はチューブをコイル状に巻いた熱交換コイルを排気筒内に設置したものであって、熱交換コイルは複数本のチューブを並列に設置することで構成しており、循環配管の給水予熱器直前部分には給水タンクから送られてきたボイラ用水を分割して給水予熱器へ供給する分岐部を設け、並列設置した複数本のチューブに分割してボイラ用水を供給するようにしており、循環配管の給水予熱器直後部分には熱交換コイルでは分割して流れてきたボイラ用水を合流させる合流部を設け、予熱を行ったボイラ用水は共通の循環配管を通して給水タンクへ戻すようにしていることを特徴とする給水予熱器を持ったボイラ。