JP5788167B2 - 熱交換装置および真空式温水機 - Google Patents

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本発明は、フィン付き伝熱管を複数有する熱交換装置およびフィン付き伝熱管を複数有する真空式温水機に関する。
従来の真空式温水機の概略図を図３に示す。図３の上図が燃焼室の水平断面を上から見た図であり、下図が温水機（減圧蒸気室、燃焼室）を側面から見た図である。燃焼室前部にバーナが設置され、燃焼室の周囲に存在する缶水（熱媒体）と熱交換するため、燃焼室後部に伝熱管が設置され、バーナからの燃焼排ガスが伝熱管同士の隙間を通過して排気筒に流れる。燃焼排ガスが伝熱管同士の隙間を通過することで、伝熱管内を流れる缶水と熱交換する。一般的に、伝熱管は通常の配管（裸管）を用いるが、装置を大型化することなく、熱交換効率を向上させるために、図３、４に示すように伝熱管（フィンなし）の後段にさらに、フィン水管（フィン付き伝熱管）を設ける場合がある。
特許文献１は、水管のフィン構造として、高温ガス流れに対し、上流側面および下流側面にフィンを設け、右側面および左側面にはフィンを設けない構造を開示している。
特許第３８７２５８５
図３のように、管の全周に取り付けたフィン水管の場合、このフィン部が存在するために、制約された燃焼室内に設置できる伝熱管の本数が、フィンなし伝熱管よりも少なくなる。図３では燃焼室の幅方向の設置本数が少なくなっている一例を示す。フィン水管の設置本数が少ない分、伝熱管長手方向のフィンピッチ間隔を狭めて、熱交換効率を上げることが想定される。
しかしながら、フィンピッチ間隔を狭めると、図４に示すように、冷間立ち上げ時や低負荷運転時に燃焼排ガス中の水分がフィンピッチ間に凝縮して留まる現象を生じる。この凝縮水の影響で、燃焼排ガスがフィンピッチ間、特に伝熱管近くを通過することができなくなり、隣り合うフィン水管のフィン同士の隙間にガス流れが集中してしまい、結果的に熱交換効率が低下する場合がある。
上記特許文献１の場合、左右側面のフィンがないため、伝熱管本数を減らさずにできるが、フィン面積が小さい分だけ、熱交換効率が低下することになる。例えば、図４のように燃焼室後段に配置される場合には、低温化した燃焼排ガスから効率よく熱交換することができない。また、フィンピッチ間隔を狭めた場合には、同様に凝縮水が生じて固着する問題が生じて、伝熱管側面にのみガス流れが生じて熱交換効率が低下する。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、フィンピッチ間に生じた凝縮水の影響を抑制して熱交換効率を改善したフィン付き伝熱管を複数有する熱交換装置およびそのフィン付き伝熱管を複数有する真空式温水機を提供する。
本発明は、上下方向に立設されるフィン付き伝熱管を複数有し、燃焼排ガスの流れ方向に対して横方向の管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管同士のそれぞれのフィンが、段違いに向かい合い、かつ、一方のフィンピッチ空間に他方のフィン先端部分が少なくとも配置されている熱交換装置であって、
前記管径方向に隣り合う第１および第２フィン付き伝熱管において、第１フィン付き伝熱管の第１フィンが、第２フィン付き伝熱管の第２フィンと段違いに向かい合い、前記第１フィン付き伝熱管の長手方向における第１フィンの第１フィンピッチ空間に当該第２フィンの少なくとも先端部分が当該第１フィン付き伝熱管に接触することなく配置され、かつ当該第２フィン付き伝熱管の長手方向における第２フィンの第２フィンピッチ空間に当該第１フィンの少なくとも先端部分が当該第２フィン付き伝熱管に接触することなく配置されて、第１および第２フィンピッチ空間が重なって矩形波状の流路を形成していることを特徴とする。
この構成では、管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管のそれぞれのフィンが互いに接触せずに、上下方向（管長手方向）で重なりあうように配置されることで（図１、２参照）、フィンピッチ間隔が、従来のフィン付き伝熱管（図３、４参照）のフィンピッチ間隔よりも広くなっており、凝縮水が生じた場合でも凝縮水が飛散や蒸発し易く、凝縮水による閉塞も起こりにくい。
この構成では、管径方向に隣り合う第１フィン付き伝熱管の第１フィンと第２フィン付き伝熱管の第２フィンとが接触せずに、上下方向（管長手方向）で重なりあうように配置されることで、第１フィンピッチ空間と第２フィンピッチ空間とが重なって、その断面（側面視）が矩形波状に形成される（図２（ａ）の一部拡大図参照）。上下に連続した矩形波上の通路が形成されることで、フィンピッチ間に生じた凝縮水が重力あるいはガス流によって、次第に下部方向に流れるため、伝熱管側に隙間（ガス通路）が生じる。そして、この伝熱管側の隙間を燃焼排ガスが通過することができるため、フィンの伝熱面積が従来よりも小さくなった分の熱交換効率低下を補って、熱交換効率を改善することができる。
管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管が、第１、第２フィン付き伝熱管に制限されないことはいうまでもなく、第１フィン付き伝熱管とは反対側の第２フィン付き伝熱管の管径方向に第３フィン付き伝熱管が隣りあっていてもよい。また、「管径方向に隣り合っている第１、第２フィン付き伝熱管」は、平行（実質的に平行）に隣り合うことが好ましい。
複数のフィン付き伝熱管の配置は、特に制限されず、例えば、平面視で複数行複数列に配置されてもよい。また、燃焼排ガスの流れ方向に対して横方向で隣り合うフィン付き伝熱管同士のフィン同士が段違いに重なっていればよく、燃焼排ガスの流れ方向（進行方向）における縦方向（上流側、下流側）で隣り合うフィン付き伝熱管同士のフィン同士が段違いに重なっていてもよく、段違いに重なっていなくてもよい。
また、複数のフィン付き伝熱管の配置は、熱交換装置の仕様、熱交換装置が設置される空間に応じて設計され、例えば、平面視で複数行複数列の矩形状に限定されず、１行あるいは複数行の円弧状でもよい。複数行複数例の配置の場合に、ｎ行（列）目とｎ＋１行(列)目が平面視で左右いずれかの方向にズレていてもよく、千鳥格子で１行（列）ごとに１目ずつずらして配置されていてもよい。
伝熱管の材料（材質）、寸法等は特に制限されず、フィンの材料（材質）、寸法等も特に制限されない。伝熱管の断面は中空円状に限定されず、中空楕円状、多角形状でもよい。また、フィンピッチ間隔は、特に制限されず、全てのフィンピッチ間隔が同一（実質的に同一、機械的誤差、製作誤差を含む）であることが好ましいが、特にこれに制限されず、製品仕様に応じて複数のフィンピッチ間隔となるように構成してもよい。また、フィンの厚みは同一であることが好ましいが、特にこれに制限されず、製品仕様に応じて複数の異なる厚みのフィンを用いてもよい。
また、上記発明の一実施形態として、前記第１フィンおよび／または前記第２フィンは、単一のあるいは複数の螺旋状フィン、または複数の円盤状フィンで構成される。単一の螺旋状フィンであれば伝熱管に取り付ける作業が他と比較して容易である。また、複数の円盤状のフィンを伝熱管に取り付ける場合には、個々のフィンピッチ間隔を適宜変更することが容易である。伝熱管に螺旋状フィンが複数個取り付けられていてもよく、螺旋状フィンと円盤状フィンとが組み合わされて取り付けられていてもよい。また、フィンは、異形状であってもよく、スリットあるいは開口部が形成されていてもよく、例えば、円盤状フィンの半径方向に所定長さのスリットが形成されていてもよく、歯車形状でもよい。
また、上記発明の一実施形態として、前記熱交換装置は、複数のフィンなし伝熱管をさらに有し、前記フィンなし伝熱管が熱源から近位に配置され、前記フィン付き伝熱管が熱源から遠位に配置される構成がある。高温領域にフィンなし伝熱管群を配置し、それよりも低温領域にフィン付き伝熱管群を設置することで、フィン付き伝熱管によって熱交換効率を高めることができる。
上記のフィン付き伝熱管を複数有する熱交換装置は、以下に記載する蒸気式温水機の燃焼室に設置することに限定されず、その他の装置、例えば、潜熱回収型のエコノマイザ（節炭器）に組み込むことができる。
また、他の本発明は、熱媒体が燃焼室と伝熱管とをおおうように封入されている缶体を有する真空式温水機であって、
前記缶体内部に燃料を燃焼するための燃焼室と、減圧状態において前記熱媒体を蒸発させた気体と熱交換可能な熱交換器を内部に配置している減圧蒸気室とを有し、
前記燃焼室前部に燃料を燃焼するバーナと、
前記燃焼室後部壁に前記バーナで燃料を燃焼することで生じた燃焼排ガスを外部に排出するための排出部と、
前記燃焼室後部であって前記バーナと前記排出部の間に、燃焼排ガスの流れ方向と管径方向が対向するように、上下方向に立設される複数のフィン付き伝熱管とを設け、
前記複数のフィン付き伝熱管において、燃焼排ガスの流れ方向に対して横方向の管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管同士のそれぞれのフィンが、段違いに向かい合い、かつ、一方のフィンピッチ空間に他方のフィン先端部分が少なくとも配置されており、
前記管径方向に隣り合う第１および第２フィン付き伝熱管において、第１フィン付き伝熱管の第１フィンが、第２フィン付き伝熱管の第２フィンと段違いに向かい合い、前記第１フィン付き伝熱管の長手方向における第１フィンの第１フィンピッチ空間に当該第２フィンの少なくとも先端部分が当該第１フィン付き伝熱管に接触することなく配置され、かつ当該第２フィン付き伝熱管の長手方向における第２フィンの第２フィンピッチ空間に当該第１フィンの少なくとも先端部分が当該第２フィン付き伝熱管に接触することなく配置されて、第１および第２フィンピッチ空間が重なって矩形波状の流路を形成し、前記流路を前記燃焼排ガスが流れることを特徴とする。
この構成では、管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管のそれぞれのフィンが互いに接触せずに、上下方向（管長手方向）で重なりあうように配置されることで（図１、２参照）、フィンピッチ間隔が、従来のフィン付き伝熱管（図３、４参照）のフィンピッチ間隔よりも広くなっており、凝縮水が生じた場合でも凝縮水が飛散や蒸発し易く、凝縮水による閉塞も起こりにくい。よって、従来の真空式温水機（図３）よりも熱交換効率を高めた真空式温水機を得ることができる。
この構成では、上下に連続した矩形波上の通路が形成されることで、フィンピッチ間に生じた凝縮水が重力あるいはガス流によって、次第に下部方向に流れるため、伝熱管側に隙間（ガス通路）が生じる。そして、この伝熱管側の隙間を燃焼排ガスが通過することができるため、フィンを重ねるために、フィンピッチ間隔を広げたことでフィンの伝熱面積が従来よりも小さくなった分の熱交換効率低下を補って、熱交換効率を改善することができる。さらに、隣り合っているフィン同士を段違いに重ねているために、図３の従来の真空式温水機よりもフィン付き伝熱管を多く配置できるため、その増えた伝熱管分によっても従来の真空式温水機より熱交換効率を高められる。
複数のフィン付き伝熱管の配置、伝熱管やフィンの材料（材質）、寸法等は、上述と同様である。
また、上記発明の一実施形態として、前記燃焼室後部であって前記バーナと前記複数のフィン付き伝熱管の間に、燃焼排ガスの流れ方向と管径方向が対向するように、複数のフィンなし伝熱管をさらに設けることが好ましい。これによって、フィンなし伝熱管が熱源から近位に配置され、フィン付き伝熱管が熱源から遠位に配置されることになる。フィンなし伝熱管群とフィン付き伝熱管群の設置区分は、燃焼排ガス温度が例えば、２５０℃〜４５０℃に低下した位置にフィン付き伝熱管を配置することが好ましい。フィン付き伝熱管によって熱交換効率を高めることができる。
また、別実施形態として、前記複数のフィンなし伝熱管と前記複数のフィン付き伝熱管の間に、そのフィン同士が段違いに重なっていない管径方向に隣り合っている複数のフィン付き伝熱管（例えば、図４参照）をさらに設けてもよい。
実施形態のフィン付き伝熱管を備えた真空式温水機の模式図である。 実施形態のフィン付き伝熱管の配置状態を説明するための模式図である。 従来のフィン付き伝熱管を説明するための図である。 従来のフィン付き伝熱管を説明するための図である。
本実施形態の真空式温水機を図１および図２を参照しながら説明する。真空式温水機は、 缶水２１（熱媒体）が燃焼室１０と伝熱管（１５、１６）とをおおうように封入されている缶体２０を有する。缶体２０内部には、燃料を燃焼するための燃焼室１０と、減圧状態において缶水２１（熱媒体）を蒸発させた気体と熱交換可能な熱交換器（不図示）を内部に配置している減圧蒸気室（不図示）が形成されている。減圧蒸気室とその内部に配置された熱交換器、缶体２０は、従来公知の構成で実現でき、例えば図３がその一例である。
そして、真空式温水機は、燃焼室１０前部（図１において左側）に燃料を燃焼するバーナ１１と、燃焼室１０後部壁（図１において右側）にバーナ１１で燃料を燃焼することで生じた燃焼排ガス１８を外部に排出するための排出部３１と、燃焼室１０後部であってバーナ１１と排出部３１の間に、燃焼排ガス１８の流れ方向と管径方向が対向するように複数のフィン水管１６（フィン付き伝熱管）とを設けている。
バーナ１１は、従来公知の装置で構成され、例えば、油用、ガス用、微粉炭用バーナ等が挙げられる。燃料は特に制限されず、例えば、灯油、重油、廃油等の油類、油と水との混合液類、アルコール類、バイオマス燃料等が挙げられる。
管径方向に隣り合うフィン水管１６同士のそれぞれのフィンが、段違いに向かい合い、かつ、一方のフィンピッチ空間に他方のフィン先端部分が少なくとも配置されている。例えば、図２に示すように、管径方向に隣り合っている第１フィン水管１６ａの第１フィン１６２ａが、第２フィン水管１６ｂの第２フィン１６２ｂと段違いに向かい合い、第１フィン水管１６ａの長手方向における第１フィン１６２ａの第１フィンピッチ空間に第２フィン１６２ｂの少なくとも先端部分が配置され、かつ当該第２フィン水管１６ｂの長手方向における第２フィン１６２ｂの第２フィンピッチ空間に当該第１フィン１６２ａの少なくとも先端部分が配置されて、第１および第２フィンピッチ空間が重なって矩形波状の流路を形成している。この流路を燃焼排ガス１８（図１において矢印）が流れることになる。このように、隣り合っているフィン同士を接触せずに段違いに重ならせてフィン水管１６を配置することで、フィンピッチ間隔が、従来のフィン付き伝熱管（図３、４参照）のフィンピッチ間隔よりも広くしてあり、凝縮水が生じた場合でも凝縮水が飛散や蒸発し易く、凝縮水による閉塞も起こりにくくなる。さらに、図２（ａ）の一部拡大図に示すように、上下に連続した矩形波上の通路が形成されることで、フィンピッチ間に生じた凝縮水が重力あるいはガス流によって、次第に下部方向に流れるため、伝熱管側に隙間（ガス通路）が生じる。そして、この伝熱管側の隙間を燃焼排ガス１８が通過できるため、フィンの伝熱面積が従来よりも小さくなった分の熱交換効率低下を補って、熱交換効率を改善することができる。
図１、２において、フィン水管１６の伝熱管１６１は、中空円筒状の管であり、フィンは、複数の円盤状で構成されている。隣り合っているフィン同士が接触せずに段違いに向かいあって重なっていればよく、フィンピッチ間隔（距離）とフィン厚みとの関係は特に制限されない。図２（ｂ）に示すように、例えば、フィンピッチ間隔（ａ）：フィン厚み（ｂ）が３〜６：１の関係が挙げられる。また、フィン先端と他方の伝熱管までの距離(隙間)は特に制限されないが、例えば、重なり合うフィンの隙間に対して１〜３倍が望ましい。
なお、図１では、燃焼排ガス１８の流れ方向上流側と下流側のフィン水管１６同士では、お互いのフィン同士を重ねることなく、所定の隙間を設けているが、特にこれに制限されない。
また、燃焼室１０後部であってバーナ１１と複数のフィン水管１６の間に、燃焼排ガス１８の流れ方向と管径方向が対向するように、複数のフィンなし伝熱管１５を配置している。フィンなし伝熱管１５が熱源から近位に配置され、フィン水管１６が熱源から遠位に配置される。伝熱管１５を通過した燃焼排ガス温度が、例えば２５０℃〜４５０℃に低下した位置からフィン水管群を配置することが好ましく、４００℃以下に低下した位置から配置することがより好ましく、３００℃程度に低下した位置から配置することがさらに好ましい。
図１および図２に示す真空式温水機を実施例とし、図３および図４に示す真空式温水機を比較例として、それぞれの熱交換効率を評価した。両者の真空式温水機はフィン水管の配置および構造だけが異なっている。５時間稼働させた結果、比較例(図３および図４)では熱交換効率が９０〜９５％の範囲内で変動したのに比べ、実施例（図１および図２）では熱交換効率が９５％〜１００％の範囲内での変動であった。よって、従来の真空式温水機よりも熱交換効率の高い真空式温水機を製作でき、また、実施例のフィン付き伝熱管の配置方法の有効性を確かめることができた。
１０ 燃焼室
１１ バーナ
１５ フィンなし伝熱管
１６ フィン水管（フィン付き伝熱管）
１６１ 水管(伝熱管)
１６２ フィン
１８ 燃焼排ガス
２０ 缶体
２１ 缶水
３１ 排気部

Claims (4)

  1. 上下方向に立設されるフィン付き伝熱管を複数有し、燃焼排ガスの流れ方向に対して横方向の管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管同士のそれぞれのフィンが、段違いに向かい合い、かつ、一方のフィンピッチ空間に他方のフィン先端部分が少なくとも配置されている熱交換装置であって、
    前記管径方向に隣り合う第１および第２フィン付き伝熱管において、第１フィン付き伝熱管の第１フィンが、第２フィン付き伝熱管の第２フィンと段違いに向かい合い、前記第１フィン付き伝熱管の長手方向における第１フィンの第１フィンピッチ空間に当該第２フィンの少なくとも先端部分が当該第１フィン付き伝熱管に接触することなく配置され、かつ当該第２フィン付き伝熱管の長手方向における第２フィンの第２フィンピッチ空間に当該第１フィンの少なくとも先端部分が当該第２フィン付き伝熱管に接触することなく配置されて、第１および第２フィンピッチ空間が重なって矩形波状の流路を形成していることを特徴とする熱交換装置。
  2. 前記熱交換装置は、複数のフィンなし伝熱管をさらに有し、
    前記フィンなし伝熱管が熱源から近位に配置され、前記フィン付き伝熱管が熱源から遠位に配置される請求項１に記載の熱交換装置。
  3. 熱媒体が燃焼室と伝熱管とをおおうように封入されている缶体を有する真空式温水機であって、
    前記缶体内部に燃料を燃焼するための燃焼室と、減圧状態において前記熱媒体を蒸発させた気体と熱交換可能な熱交換器を内部に配置している減圧蒸気室とを有し、
    前記燃焼室前部に燃料を燃焼するバーナと、
    前記燃焼室後部壁に前記バーナで燃料を燃焼することで生じた燃焼排ガスを外部に排出するための排出部と、
    前記燃焼室後部であって前記バーナと前記排出部の間に、燃焼排ガスの流れ方向と管径方向が対向するように、上下方向に立設される複数のフィン付き伝熱管とを設け、
    前記複数のフィン付き伝熱管において、燃焼排ガスの流れ方向に対して横方向の管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管同士のそれぞれのフィンが、段違いに向かい合い、かつ、一方のフィンピッチ空間に他方のフィン先端部分が少なくとも配置されており、
    前記管径方向に隣り合う第１および第２フィン付き伝熱管において、第１フィン付き伝熱管の第１フィンが、第２フィン付き伝熱管の第２フィンと段違いに向かい合い、前記第１フィン付き伝熱管の長手方向における第１フィンの第１フィンピッチ空間に当該第２フィンの少なくとも先端部分が当該第１フィン付き伝熱管に接触することなく配置され、かつ当該第２フィン付き伝熱管の長手方向における第２フィンの第２フィンピッチ空間に当該第１フィンの少なくとも先端部分が当該第２フィン付き伝熱管に接触することなく配置されて、第１および第２フィンピッチ空間が重なって矩形波状の流路を形成し、前記流路を前記燃焼排ガスが流れることを特徴とする真空式温水機。
  4. 前記燃焼室後部であって前記バーナと前記複数のフィン付き伝熱管の間に、燃焼排ガスの流れ方向と管径方向が対向するように、複数のフィンなし伝熱管をさらに設ける請求項３に記載の真空式温水機。
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