JP6125321B2 - 給水予熱装置を持ったボイラ - Google Patents

Description

本発明は、給水予熱装置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。一般的な給水予熱装置は、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装置を経由した後にボイラ内へ入る構成としている。給水予熱装置によって、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、ボイラ内水位が低くなると給水を開始し、給水によって水位が上昇すると給水を停止する間欠給水とすることが多く行われている。この場合、給水が停止すると給水予熱装置内の水流は停止するが、給水予熱装置内での排ガスによる給水の加熱は給水停止中も続く。給水予熱装置内にとどまっている給水に対しての加熱が長く続くと、給水予熱装置内で給水温度が上昇して沸騰するおそれがある。そのため給水予熱装置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、給水予熱装置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、給水予熱装置の寿命はボイラ本体部の寿命に比べて短いものとなる。給水予熱装置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。

そこで、特開２０１２−２０７８５２号公報に記載している、給水予熱装置を設置することの提案が行われている。この給水予熱装置では、排気筒内に設置している熱交換コイルと、ボイラへの給水をためている給水タンクの間で水を循環するようにしている。熱交換コイルと給水タンクの間での循環は、ボイラへの給水とは関係なく行うものであり、給水の予熱中は常に水を循環させておく。そのため、給水予熱装置内の水は常に入れ替わり続けることになり、給水が過度に加熱されることはなく、排ガスから熱を安定的に回収することができる。また、この給水予熱装置でのボイラ水の循環は、ボイラの水位制御とは関係なく行うものでありるため、既設のボイラに後から追加することも容易に行える。追加する場合は、既設排気筒の一部を取り外し、そこに熱交換コイルを設けた排気筒を設置しておき、給水タンクと熱交換部の間でボイラ給水を循環させる循環経路を設けて、ボイラ用水を循環させるだけで行える。

熱交換コイルは、中心部分に空間を開けた螺旋形状としている。排気筒に熱交換コイルだけを設けた場合、排気筒内を流れる排ガスは熱交換コイル中心の空間部分に多く流れることになり、熱交換コイルの伝熱管部分にはあまり流れないことで熱吸収量が少なくなるということが考えられる。そのため、特開２０１２−２０７８５２号公報の発明では、熱交換コイルの中心部分に上面をふさいだ内筒を設けている。中心軸部分をふさぐ内筒を設けると、排ガスは中心軸部分を通過するということはできなくなり、内筒以外の部分、つまり内筒と排気筒外郭の間にできる環状の空間を通らなければならなくなる。その環状空間に熱交換コイルを設けておくと、排ガスは熱交換コイルの部分を必ず通ることになるため、熱吸収量を多くすることができる。

しかし、熱交換コイルを設置している環状空間部分に排ガスを流すようにした場合でも、環状空間内を排ガスがどのように流れるかによって、熱交換コイルでの熱吸収量が変化することになっていた。また、給水予熱装置の部分で排ガス流に圧力損失が発生することになると、ボイラでは炉内の圧力が高くなり、燃焼状態が悪化するなどの問題が発生するため、圧力損失の増大を抑えつつ熱交換コイルでの熱吸収量を多くすることが必要であった。

特開２０１２−２０７８５２号公報

本発明が解決しようとする課題は、ボイラの排気筒内に熱交換コイルを設置しておき、排ガスの熱を利用して給水の予熱を行うようにしている給水予熱装置を持ったボイラにおいて、熱交換コイルによる熱の吸収量をさらに増加することができるようにすることにある。

請求項１に記載の発明は、高温のガスによって水を加熱するボイラ、ボイラへ供給するボイラ用水をためておく給水タンク、ボイラから排出する排ガスを通す排気筒、排気筒内に設置しておく螺旋形の流路を持った熱交換コイルを持ち、前記給水タンクから供給してきたボイラ用水を熱交換コイル内に通すことで、排気筒内を流れる排ガスによってボイラ用水の予熱を行うようにしている給水予熱装置を持ったボイラにおいて、排気筒内中心軸部分を排ガスが通り抜けることを防止する内筒を設け、内筒と排気筒外郭の間にできる環状の空間に前記熱交換コイル設けており、熱交換コイルの排ガス流下流側端部よりも下流にあたる内筒の外側表面に、排気筒の外縁側へ延びる流動方向調節板を設けたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、流動方向調節板を設けている部分には、排気筒外郭を外縁側へ膨らませている流路拡大部を設けたことを特徴とする。請求項３に記載の発明は、前記の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、前記流動方向調節板は、熱交換コイルの外縁よりもさらに外側まで延ばしていることを特徴とする。請求項４に記載の発明は、前記の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、前記流動方向調節板は、外側を低くした傾斜を設けていることを特徴とする。

熱交換コイル設置部分よりも排ガス流下流側であって、内筒の外側表面から排気筒外郭の方向へ延ばした流動方向調節板を設けると、内筒の外側表面に沿って流れてきた排ガスは、流動方向調節板で流路をふさがれることになる。流動方向調節板部分に達した排ガス流は、流動方向調節板の先端側へしか行き場がないため、流動方向調節板の先端側へ回り込む流れができる。その場合、内筒表面に沿って流れるルートは最短ルートではなくなり、このルートを流れる排ガスの量は少なくなる。排気筒内を流れる排ガス全体の量は変わらないため、内筒外側表面沿いを流れる排ガス量が減った分、内筒外側表面沿いのルートよりも外縁側のルートを流れる排ガス量が多くなる。排ガスは、内筒表面に沿って流すよりも、その外縁側に設けている熱交換コイル部分に流した方が熱の回収量は多くなるため、熱交換コイルでより多くの熱を回収することができるようになる。

また、流動方向調節板を設けた場合、排ガス流の流路面積が縮小することが問題になる場合がある。流路面積が縮小することで圧力損失が増加することになると、ボイラでは炉内の圧力が上昇するために燃焼状態に影響を与えることがあった。その場合、流動方向調節板を設けている部分で排気筒外郭の径を拡大し、流路面積を拡大しておくことで、流動方向調節板による圧力損失の増大を抑えることができるため、ボイラの炉内圧力が上昇することも防ぐことができる。

さらにまた、流動方向調節板を設けることで、排気筒内で発生した結露水が熱交換コイルに降りかかることを防止する作用を得ることもできる。排気筒内で発生する結露水は、希硫酸の成分を含んだ腐食作用を持った液体である。フレキシブルチューブで熱交換コイルを形成していた場合、フレキシブルチューブの板厚は薄いため、熱交換コイル設置部より上方で発生した結露水が熱交換コイルに降りかかると、熱交換コイルを腐食させることになる。流動方向調節板によって熱交換コイルを覆う傘の役割を果たさせると、排気筒の上部から落下してきた結露水が熱交換コイルにかかることを防止することができ、熱交換コイルの腐食を抑えることができる。

本発明を実施することで、排ガスを熱交換コイルの部分へ集中的に流すことができ、熱交換コイルでの熱吸収量を増加することができる。また、結露水が熱交換コイルに降りかからないようにすることによって、熱交換コイルの腐食を防止する効果を得ることもできる。

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熱交換コイル部分における排ガス流れを示した断面図 本発明の第２実施例での熱交換コイル部分における排ガス流れを示した断面図 本発明の第３実施例での熱交換コイル部分における排ガス流れを示した断面図

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熱交換コイル部分における排ガス流れを示した断面図、図３は本発明の第２実施例での熱交換コイル部分における排ガス流れを示した断面図、図４は本発明の第３実施例での熱交換コイル部分における排ガス流れを示した断面図である。

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。給水制御は、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うことでボイラ１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ことで、給水タンク２内の水位を所定の範囲内に保つ。

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おり、給水を予熱する用途には十分使用することができる。排気筒５の途中には給水予熱装置６の熱交換コイル８を設置しておき、燃焼排ガスは給水予熱装置６との間でも熱交換を行う。給水予熱装置６は、排気筒内に設置している熱交換コイル８、熱交換コイル８と給水タンク２との間を接続した往路と復路からなる循環配管７、循環配管７の途中に設置した循環ポンプなどからなる。給水予熱装置６では、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装置６へ送り、給水予熱装置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装置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を通して給水予熱装置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排ガスがボイラ用水を加熱する。循環配管７は給水予熱装置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、給水予熱装置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と給水予熱装置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と熱交換コイル８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。

給水予熱装置６の熱交換部は、フレキシブルチューブなどによる熱交換コイル８、熱交換コイル８の外側を囲む排気筒外郭９、熱交換コイル８内に挿入する内筒１０などからなっている。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、螺旋状の熱交換コイル内を流れることで予熱を行いながら下方へ向かう。熱交換コイル８の配管は、下端から折り返して熱交換コイル８設置部よりも上方に設けている取り出し口から排気筒の外側へ取り出すようにしている。熱交換コイル８の螺旋径は、排気筒外郭９の径よりは小さいが、内筒１０の径よりは大きなものとし、排気筒外郭９と内筒１０の間にできる環状の空間内に熱交換コイル８が入るようにしておく。

熱交換コイル８は、複数本のフレキシブルチューブによる多重の螺旋からなっている。循環配管７は熱交換コイル８の直前部分に分岐部を設けて分岐させており、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の熱交換コイル８直後の部分にも合流部を設け、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ようにしており、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。

排気筒外郭９の径は排気筒５の径よりも大きなものとしておく。給水予熱装置６部分での排気筒外郭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の巻き数は同じであってもボイラ用水が流れる流路の長さは長くなるため、熱吸収量を増加することができる。給水予熱装置６の排気筒外郭９をそれ以外の排気筒５の径よりも大きくすると、排気筒外郭９には給水予熱器部分以外の排気筒５との間をつなぐ部分が必要となる。給水予熱器部分の排気筒外郭９は、上下に環状の天板と底板を設け、給水予熱器以外の排気筒外周との間をつないでいる。排気筒外郭９をつを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排出管１４を設ける。

中心軸部分が大きくあいた熱交換コイル８を排気筒内に設置した場合、排気筒内を流れる排ガスは熱交換コイル８の中心軸部分を素通りすることで熱交換コイル８の加熱にあまり寄与せず、熱交換コイル８による熱の吸収量が小さくなることが考えられる。そこで、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、上方を内筒天板１１で閉じ、下方は開口した円筒形構造であり、中心軸部分では内筒によって流路をふさいでいるため、排ガスは必ず内筒１０と排気筒外郭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と排気筒外郭９の間にできる環状空間に設置しているため、排ガスは熱交換コイル８の部分を必ず流れることになり、熱交換コイル８を効率よく加熱することができる。

内筒と排気筒外郭の間にできる環状空間であって、熱交換コイル８を設置している部分よりも下流側には、内筒１０の外側表面から排気筒外郭９の方向へ延ばした流動方向調節板１２を設ける。流動方向調節板１２は、内筒１０の外側表面に沿って流れてきた排ガスの流れを、排気筒外郭の方向である周方向へ変更するためのものである。流動方向調節板１２は熱交換コイル８の上端から内筒１０の上端までの間に設けており、図２では内筒天板１１の径を内筒１０の径よりも大きくすることで、流動方向調節板１２を形成している。流動方向調節板１２は内筒１０の上端よりも低い位置に設けてもよいが、内筒天板１１の径を大きくすることで流動方向調節板１２とする場合、流動方向調節板１２を追加することによる製作時の工程増加量が少なという点では都合がよい。

排気筒５内を流れてきた排ガスは、熱交換コイル８設置部分で複雑な動きをすることになる。ボイラから排出されてきた排ガスは、熱交換コイル８を設置している部分の下方から上向きに流れる。排ガスは、最初は熱交換コイルの中心軸部分に設けている内筒１０内に入るが、内筒１０の上端はふさいでいるために内筒内を抜けるということはなく、結局は内筒１０と排気筒周壁を形成している排気筒外郭９の間にできる環状の空間を上向きに流れる。

このときの排ガス流は、最初は比較的径の細い排気筒内を流れ、給水予熱装置６部分では内筒１０と排気筒外郭９の間にできる環状部分を通るために外縁側へ広がり、内筒１０部分を過ぎた後に再び径の細い排気筒内を通るために中心軸方向へ集合する。中心側から外縁側を通って再び中心側へ流れる場合、内筒１０設置部分での排ガス流は、最短ルートである内筒１０の外側表面に沿って流れるものが多くなる。しかし、排ガスが内筒１０の外側表面に沿って多く流れ、肝心な熱交換コイル８部分を流れる排ガスの量は少ないということになると、熱交換コイル８で吸収することのできる熱量が少なくなるために好ましくない。

この場合、熱交換コイル８の下流側に前記の流動方向調節板１２を設けていると、内筒１０の外側表面を流れてきた排ガスは、流動方向調節板１２によって流れが妨げられる。そして排ガス流は、一旦外縁側へ向けて流れ、流動方向調節板１２の先端を回り込むことになる。内筒の外側表面に沿う流れが最短ルートではなくなると、内筒１０の外側表面に沿って流れる排ガスの量は減少し、その分だけ内筒１０の外側表面沿いよりも外側を流れる排ガス量が増加する。熱交換コイル８は、内筒１０の外側表面沿いよりも外縁側に設けているため、熱交換コイル８の部分を流れる排ガス量が増加するということになる。流動方向調節板１２によって排ガスの流れを調節し、熱交換コイル８の部分を流れる排ガス量を増加することで熱交換コイル８での熱吸収量を増加することができる。

図３に記載の給水予熱装置は、基本的な構成は図２に記載の給水予熱装置と同じであり、流動方向調節板１２を設けている部分で排気筒外郭９を外側に膨らませている点では図２と異なっている。流動方向調節板１２は、排ガスの流れを遮るものであり、流動方向調節板１２を設けることで排ガスの流路面積が縮小することになる。図２の場合、流動方向調節板１２を設けることによる流路面積縮小は、圧力損失の増大によってボイラの燃焼に影響を与えないレベルとすることになる。しかし、流動方向調節板１２の部分で排気筒外郭９を外側に膨らませ、流路面積を拡大しておくと、流動方向調節板１２を設けても圧力損失の増大は防止できるため、より大きな流動方向調節板１２を設けることもできるようになる。

また、排気筒５内では排ガスが冷却されることで結露水が発生することがあり、結露水は熱交換コイル８を腐食させる作用がある。熱交換コイル８の設置部よりも上方の排気筒５内で発生した結露水が落下した場合に、結露水が熱交換コイル８にかかることを防止する傘の役目を、流動方向調節板１２に果たさせることも有効である。流動方向調節板１２の外径は排気筒５の径より大きくし、かつ熱交換コイル８の螺旋径よりも大きくすると、排気筒５の内表面から落下してきた結露水は流動方向調節板１２の上面に落下する。そして結露水は流動方向調節板１２の先端まで流れ、流動方向調節板１２先端から落下すると、熱交換コイル８より外縁側で落下することになるため、熱交換コイル８には掛からなくなる。排気筒５で発生した結露水が熱交換コイル８に落下して熱交換コイル８が腐食するということをなくすことで、熱交換コイル８の耐久性を高くすることができる。

その際、図４に記載しているように、流動方向調節板１２は外側を低くした傾斜を設けておくと、結露水が流動方向調節板１２の下面を伝わり、流動方向調節板１２の先端よりも内側で結露水が落下するということも防止できる。そのため、結露水は確実に熱交換コイル８の外側へ導くことができ、熱交換コイル８の腐食を防止することができる。

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 給水予熱装置
７ 循環配管
８ 熱交換コイル
９ 排気筒外郭
１０ 内筒
１１ 内筒天板
１２ 流動方向調節板
１３ 排気筒外郭拡張部
１４ ドレン排出管

Claims (4)

1. 高温のガスによって水を加熱するボイラ、ボイラへ供給するボイラ用水をためておく給水タンク、ボイラから排出する排ガスを通す排気筒、排気筒内に設置しておく螺旋形の流路を持った熱交換コイルを持ち、前記給水タンクから供給してきたボイラ用水を熱交換コイル内に通すことで、排気筒内を流れる排ガスによってボイラ用水の予熱を行うようにしている給水予熱装置を持ったボイラにおいて、排気筒内中心軸部分を排ガスが通り抜けることを防止する内筒を設け、内筒と排気筒外郭の間にできる環状の空間に前記熱交換コイル設けており、熱交換コイルの排ガス流下流側端部よりも下流にあたる内筒の外側表面に、排気筒の外縁側へ延びる流動方向調節板を設けたことを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラ。
2. 請求項１に記載の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、流動方向調節板を設けている部分には、排気筒外郭を外縁側へ膨らませている流路拡大部を設けたことを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラ。
3. 請求項１又は２に記載の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、前記流動方向調節板は、熱交換コイルの外縁よりもさらに外側まで延ばしていることを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラ。
4. 請求項３に記載の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、前記流動方向調節板は、外側を低くした傾斜を設けていることを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラ。
   
   
   
   

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