JP6192210B2 - 加熱流体発生装置 - Google Patents

Description

本発明は加熱流体発生装置に関し、詳細には、バーナで燃料ガス等を燃焼させ、発生した高温の燃焼ガスと空気などの被加熱流体とを熱交換させて、熱風などの加熱流体を発生する加熱流体発生装置に関する。

従来から、バーナで燃料ガスを燃焼させ、発生した燃焼ガスと空気などの被加熱流体とを熱交換器を介して熱交換させ、間接的に被加熱流体を加熱する熱風発生装置などの加熱流体発生装置が種々提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。斯かるタイプの加熱流体発生装置は、燃焼ガスと被加熱流体とが直接接触しないので、燃焼ガスに含まれる水蒸気や炭酸ガス、窒素酸化物等が被加熱流体に混入することがなく、クリーンで乾いた加熱流体を発生することができるという利点を備えている。

しかしながら、バーナで燃焼させる燃料ガスは化石燃料であり、有限な資源であるとともに、燃焼させると炭酸ガスが発生して地球温暖化の要因となるといわれている。したがって、化石燃料である燃料ガスを燃焼させて被加熱流体を加熱する加熱流体発生装置においては、省資源及び地球温暖化防止のため、いかに熱効率良く被加熱流体を加熱するかが大きな課題であり、そのためには、燃焼ガスが持っている燃焼熱をできるだけ多く被加熱流体に伝える必要がある。

通常、間接型の加熱流体発生装置においては、バーナで発生した燃焼ガスと外部から取り込まれた空気などの被加熱流体とは対向流となって熱交換器の壁面を介して間接的に接触し、燃焼ガスが持っている熱が被加熱流体に伝達され被加熱流体は加熱される。熱交換器を通過した燃焼ガスはいまだ高温であっても排気ガスとして外部に排出されてしまうので、加熱流体発生装置の熱効率を高めるには、排気ガスとして外部に排出される燃焼ガスの温度をなるべく低く、外部から取り込まれた直後の被加熱流体の温度に近づけることが必要である。

しかし、燃焼ガスには、燃焼によって発生した水蒸気が含まれており、排気ガスとして外部に排出される燃焼ガスの温度が余りに低くなり過ぎて露点温度を下回ると、燃焼ガスに含まれている水蒸気は凝縮し、凝縮水が発生する。一方、燃焼ガスには、通常、窒素酸化物や硫黄酸化物などが含まれており、これらが発生した凝縮水に溶け込み、結果として酸性の凝縮水が発生することになる。酸性の凝縮水は中和して排水する必要があるが、加熱流体発生装置の設置場所によっては配水管等の排水設備を設けることが困難な場合がある。このため、従来は、凝縮水が発生しないように、排気ガスとして外部に排出する燃焼ガスの温度を想定される露点温度よりも十分に高い温度に維持することが行われており、間接型の加熱流体発生装置において、熱効率の向上には限度があった。

また、加熱流体発生装置の熱効率は、一般的に、使用する熱交換器固有の性能や、求められる加熱流体温度、さらには、加熱前の被加熱流体の温度（例えば、空気を被加熱流体とする場合、空気の温度は季節や設置環境によって変動する）などで変化し、これらの要因によっても、凝縮水が発生しない温度で加熱流体発生装置を運転しようとすると、熱効率を低く抑えなければならないという問題点があった。

特開平１０−１１１０８７号公報 特開２００１−２４８９１７号公報 特開２０１３−７５３５号公報

本発明は、上記従来技術の問題点を解消するためになされたもので、常に、高い熱効率で運転することができ、しかも、凝縮水が発生することのない加熱流体発生装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決すべく鋭意研究努力を重ねた結果、本発明者らは、燃焼ガスと熱交換する被加熱流体の量、特に熱交換器の出口近傍で燃焼ガスと熱交換する被加熱流体の量を、熱交換を終えて外部に排出される排気ガスの温度に応じて変化させることによって、加熱流体発生装置を、常に、凝縮水が発生しない状態で、かつ高い熱効率で運転することができることを見出した。

すなわち、本発明は、被加熱流体入口と被加熱流体出口を有し、前記被加熱流体入口から前記被加熱流体出口に向かって被加熱流体が流れる被加熱流体通路と、燃焼ガス源に接続される燃焼ガス入口と排気口に接続される燃焼ガス出口とを有し、その内部を前記燃焼ガス入口から前記燃焼ガス出口に向かって燃焼ガスが流れる燃焼ガス管を備え、前記燃焼ガス管は、前記燃焼ガス入口が前記被加熱流体出口側に位置し、前記燃焼ガス出口が前記被加熱流体入口側に位置するように前記被加熱流体内に配置されており、前記被加熱流体通路には、その内部を流れる被加熱流体が前記燃焼ガス管と接触しないバイパス通路が設けられており、前記バイパス通路は、前記燃焼ガス管の前記燃焼ガス出口よりも被加熱流体の流れに関して上流側の位置で前記被加熱流体通路から分岐するとともに、前記分岐よりも被加熱流体の流れに関して下流側の位置で前記被加熱流体通路に合流するバイパス通路であり、さらに、前記被加熱流体通路に流入する被加熱流体のうち前記バイパス通路に流れる被加熱流体の流量を調整する流量調整手段を備えている加熱流体発生装置を提供することによって、上記の課題を解決するものである。

本発明の加熱流体発生装置においては、上記のとおり、燃焼ガス管が被加熱流体通路内に配置されており、熱交換器として機能する。すなわち、燃焼ガス管内部には、被加熱流体通路の下流側に位置する燃焼ガス入口から被加熱流体通路の上流側に位置する燃焼ガス出口に向かって高温の燃焼ガスが流れ、一方、燃焼ガス管の外側には燃焼ガスとは逆向きに被加熱流体が流れるので、燃焼ガスと被加熱流体とは対向流となって燃焼ガス管の管壁を介して接触し、燃焼ガスがもっている熱によって被加熱流体が加熱される。

さらに、本発明の加熱流体発生装置は、燃焼ガス出口よりも被加熱流体の流れに関して上流側の位置で被加熱流体通路から分岐し、前記分岐よりも被加熱流体の流れに関して下流側の位置で被加熱流体通路に合流するバイパス通路を備えるとともに、被加熱流体通路に流入する被加熱流体のうち当該バイパス通路に流れる被加熱流体の流量を調整する流量調整手段を有しているので、この流量調整手段を操作してバイパス通路に流れる被加熱流体の量を適宜増減させることによって、熱交換を終えて燃焼ガス管から外部に排出される燃焼ガスの温度が露点を下回らないようにするとともに、常に、高い熱効率で本発明の加熱流体発生装置を運転することが可能となる。

例えば、熱交換を終えて燃焼ガス管から外部に排出される燃焼ガスの温度が低下して露点温度を下回りそうになった時には、流量調整手段を操作して、バイパス通路に流れる被加熱流体の量を増やし、燃焼ガス管と接触する被加熱流体の量、すなわち、燃焼ガスと熱交換する被加熱流体の量を減らして排出される燃焼ガスの温度を上昇させ、露点温度を下回ることを防止する。逆に、熱交換を終えて燃焼ガス管から外部に排出される燃焼ガスの温度が上昇して、露点温度を大きく上回りそうになった時には、流量調整手段を操作して、バイパス通路に流れる被加熱流体の量を減らし、燃焼ガスと熱交換する被加熱流体の量を増やすことによって、排出される燃焼ガスの温度を低下させ、加熱流体発生装置の熱効率を高めることができる。

流量調整手段は、外部から被加熱流体通路に流入した被加熱流体のうち、バイパス通路に流れる被加熱流体の量を調整することができる限り、どこに設置された、どのような機構の流量調整手段であっても良いが、例えば、前記バイパス通路の分岐部に流量調節弁を設け、これを流量調整手段とするのが、もっとも簡便で好適である。

流量調整手段の操作は、排気される燃焼ガスの温度をモニターしながら人手で行っても良いが、可能であれば、温度センサと制御装置を用いて自動的に行うのが良い。すなわち、燃焼ガス管の燃焼ガス出口から排気される燃焼ガスの温度を計測する温度センサと、流量調整手段の動作を制御する制御装置を設け、計測された燃焼ガス温度と露点とを比較して、両者の差が予め定められた下限値以下になるとバイパス通路に流れる被加熱流体の流量を増やし、前記差が予め定められた上限値以上になるとバイパス通路に流れる被加熱流体の流量を減らすように前記制御装置をプログラムしておくのが良い。

本発明の加熱流体発生装置は、その好適な一態様において、燃焼ガスを発生する燃焼ガス源として、燃焼室が燃焼ガス管の燃焼ガス入口に接続されたバーナを有しており、前記バーナと前記燃焼室とが、前記被加熱流体通路内に配置されている。本発明の加熱流体発生装置が、燃焼ガス源として、被加熱流体通路内に配置されたバーナと燃焼室とを備えている場合には、被加熱流体と燃焼室との間でも熱交換を行わせて、バーナで発生した燃焼熱を余すところなく被加熱流体の加熱に利用することができるので、熱効率をさらに高めることができるという利点が得られる。

本発明の加熱流体発生装置において、被加熱流体に特段の制限はなく、燃焼ガス管を介して燃焼ガスと熱交換できる流体であれば良く、例えば、空気や空気以外の気体、水、油などを被加熱流体とすることができ、被加熱流体が空気の場合には、本発明の加熱流体発生装置は熱風発生装置又は温風発生装置として、また、被加熱流体が水などの液体である場合には、本発明の加熱流体発生装置は熱機器ボイラとして使用される。

本発明の加熱流体発生装置は、上記のように構成されているので、発生する加熱流体の温度や、外部から導入される被加熱流体の温度に関わりなく、熱交換を終えて外部に排気される燃焼ガスの温度を露点を下回らない温度に維持することができ、常に、高い熱効率で加熱流体発生装置を運転することができるという利点が得られる。また、本発明の加熱流体発生装置は、酸性の凝縮水を出さない運転が可能であるので、設置場所を選ばず、熱効率が高いので省資源に役立つとともに、地球温暖化の要因を極力少なくすることができるという利点を備えている。

本発明の加熱流体発生装置の一例を示す部分断面図である。

以下、図面を用いて本発明の加熱流体発生装置を説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。

図１は、本発明の加熱流体発生装置の一例を示す部分断面図であり、図１において、１は加熱流体発生装置である。本例の場合、加熱流体発生装置１は、空気を被加熱流体としており、熱風発生装置であるが、本発明の加熱流体発生装置が熱風発生装置に限られないことはいうまでもない。

２は、加熱流体発生装置１のハウジングであり、断熱性の材料で構成されている。３は被加熱流体入口、４は被加熱流体出口、５は被加熱流体入口３に取り付けられた送風機である。送風機５によって被加熱流体入口３に送り込まれた被加熱流体である空気は、ハウジング２の内部を被加熱流体入口３から被加熱流体出口４に向かって流れ、ハウジング２内部の被加熱流体入口３から被加熱流体出口４までの間が、図中矢印で示す被加熱流体通路Ａを形成している。

６は燃焼ガス管、７はバーナ、８は燃焼室、９は燃焼用送風機、１０は排気筒、１１は排気口、１２は排気口近傍に設けられた温度センサ、１３は排水口である。図に示すとおり、燃焼ガス管６の一方端である燃焼ガス入口６ａは燃焼室８に接続され、他方端である燃焼ガス出口６ｂは排気筒１０に接続されている。

１４は被加熱流体通路Ａ内に設けられた仕切板であり、仕切板１４によって、ハウジング２内にバイパス通路Ｂが形成されている。図に示すとおり、バイパス通路Ｂは、燃焼ガス管６の燃焼ガス出口６ｂよりも被加熱流体の流れに関して上流側の位置αで被加熱流体通路Ａから分岐するとともに、その分岐部αよりも被加熱流体の流れに関して下流側の位置βで被加熱流体通路Ａに合流するバイパス通路である。バイパス通路Ｂ内には、燃焼ガス管６は存在せず、バイパス通路Ｂ内を流れる被加熱流体である空気は燃焼ガス管６と接触しない。１５は、仕切板１４と同様に、被加熱流体通路Ａ内に設けられた仕切板であり、仕切板１５によって、被加熱流体通路Ａは燃焼ガス管６側と燃焼室８側とに区切られている。

１６は、バイパス通路Ｂの分岐部αに取り付けられた流量調整弁、１７は流量調整弁１６の開閉度を調整する電動機である。１８は制御装置であり、制御装置１８は有線又は無線で温度センサ１２及び電動機１７と接続されている。

次に、図１に示す加熱流体発生装置１の動作を説明する。まず、燃焼用送風機９を作動させて燃焼用空気をバーナ７に送り込むとともに、図示しない燃料ガス源から燃料ガスをバーナ７内に供給し、バーナ７を着火する。バーナ７が燃焼を開始し、燃焼室８内で発生した高温の燃焼ガスは、燃焼ガス入口６ａから燃焼ガス管６内へと流入し、蛇行している燃焼管６内を進行して、燃焼ガス出口６ｂから排気筒１０へと入り、排気口１１から外部に排気される。

バーナ７の着火と相前後して送風機５が作動すると、被加熱流体である空気が被加熱流体入口３から被加熱流体通路Ａ内に流入する。被加熱流体通路Ａ内に流入した空気は燃焼ガス管６の外壁と接触し、燃焼ガス管６内を流れる燃焼ガスと熱交換することによって次第に加熱され、ハウジング２の底部まで達し、そこで向きを変えて、燃焼室８の外壁と接触しながら上昇し、燃焼室８内の燃焼ガスによってさらに加熱され、所定温度になって被加熱流体出口４から外部へと排出される。

制御装置１８は、温度センサ１２からの信号に基づいて、排気される燃焼ガスの温度をモニタリングしている。そして、温度センサ１２から送られてくる排気される燃焼ガスの温度と想定される露点温度との差が予め定められた下限値よりも小さくなった場合には、電動機１７に信号を送り、流量調整弁１６を作動させ、その開度を大きくする。例えば、温度センサ１２によって計測される燃焼ガスの温度をＸ、露点をＴ、下限値をＬとすると、Ｘ−Ｔ≦Ｌのとき、制御装置１８は流量調整弁１６を作動させ、その開度を大きくする。

流量調整弁１６の開度が大きくなると、送風機５によって被加熱流体入口３から被加熱流体通路Ａ内に送り込まれた空気のうち、バイパス通路Ｂに流入する空気の量が増加する。ここで、バイパス通路Ｂは、燃焼ガス管６の燃焼ガス出口６ｂよりも被加熱流体の流れに関して上流側（図では上側）の位置αで被加熱流体通路Ａから分岐しているので、バイパス通路Ｂ内に流入する空気の量が増加すると、燃焼ガス出口６ｂ近傍の燃焼ガス管６と接触する空気の量が減少し、結果として、燃焼ガス出口６ｂ近傍の燃焼ガス管６内を流れる燃焼ガスから空気に伝達される熱量が減り、燃焼ガスの温度低下が抑制されることになる。燃焼ガス出口６ｂ近傍の燃焼ガス管６と接触する空気は、送風機５によって被加熱流体通路Ａ内に送り込まれた直後の空気であり、最も温度が低い空気であるので、そのような空気の一部をバイパス通路Ｂにバイパスさせて、燃焼ガス出口６ｂ近傍の燃焼ガス管６と接触する空気の量を減らすことは、燃焼ガス管６内を流れる燃焼ガスの温度低下抑制に効果的である。

バイパス通路Ｂを通過した空気は、分岐部αよりも下流側の合流部βで再び被加熱流体通路Ａを流れる空気と合流し、燃焼ガス管６内を流れる燃焼ガスと熱交換することになるが、合流部β近傍の燃焼ガス管６内を流れる燃焼ガスは、いまだ比較的高温状態にあるので、被加熱流体通路Ａを流れてきた空気にバイパス通路Ｂを通過した空気が加わっても、その温度が露点を下回ることはない。

逆に、温度センサ１２から送られてくる排気される燃焼ガスの温度と露点温度との差が予め定められた上限値よりも大きくなった場合には、電動機１７に信号を送り、流量調整弁１６を作動させ、その開度を小さくする。例えば、上限値をＭとすると、Ｘ−Ｔ≧Ｍのとき、制御装置１８は流量調整弁１６を作動させ、その開度を小さくする。

流量調整弁１６の開度が小さくなると、送風機５によって被加熱流体入口３から被加熱流体通路Ａ内に送り込まれた空気のうち、バイパス通路Ｂに流入する空気の量が減少し、燃焼ガス出口６ｂ近傍の燃焼ガス管６と接触する空気の量が増大する。その結果、燃焼ガス出口６ｂ近傍の燃焼ガス管６内を流れる燃焼ガスから空気に伝達される熱量は増加し、排気される燃焼ガスの温度が低下して加熱流体発生装置１の熱効率が上昇することになる。

このように、本発明の加熱流体発生装置１によれば、排気される燃焼ガスの温度をモニターし、その温度と露点との差に応じてバイパス通路Ｂに流入する被加熱流体の量を増減させることにより、燃焼ガスの温度が露点を下回るのを防止し、凝縮水の発生を防ぐとともに、燃焼ガスの温度が露点を大きく上回るのを防止して、常に高い熱効率で加熱流体発生装置１を運転することが可能となる。

なお、以上の説明では、バイパス通路Ｂに流入する空気の量を調整する流量調整弁１６の動作は制御装置１８によって自動的に制御されているが、流量調整弁１６の動作は、温度センサ１２によって計測される燃焼ガスの温度を観ながら、作業員が人手で行っても良い。また、本例においては、温度センサ１２は排気筒１０における排気口１１の近傍に取り付けられているが、燃焼ガス管６内の温度をより正確に計測すべく、燃焼ガス出口６ｂ近傍に温度センサ１２を取り付けるようにしても良い。なお、排気口１１近傍における燃焼ガスの温度と、燃焼ガス出口６ｂ近傍における燃焼ガスの温度との間に、仮に無視できない大きさの差が存在する場合には、その差を織り込んで、上記上限値Ｍ及び下限値Ｌを設定すれば良い。

また、本例においては、バイパス通路Ｂは、燃焼ガス入口６ａと燃焼ガス出口６ｂとの間で被加熱流体通路Ａに合流しているが、合流部βは、被加熱流体通路Ａを流れる被加熱流体の流れに関して、もっと下流側に位置しても良く、例えば、燃焼ガス入口６ａよりも下流側で、バイパス通路Ｂと被加熱流体通路Ａとが合流するようにしても良い。さらに、本例では、ハウジング２内を仕切板１４で区切ることによってバイパス通路Ｂを形成しているが、ハウジング２の外部にハウジング２内の被加熱流体通路Ａを迂回するバイパス通路Ｂを形成するようにしても良い。

なお、被加熱流体通路Ａに送り込まれた被加熱流体のうち、バイパス通路Ｂに流入する被加熱流体の量を調整する流量調整手段は、バイパス通路Ｂの分岐部αに設けられた流量調整弁１６に限られない。例えば、被加熱流体入口３の近傍に、流れ偏向板を設け、その流れ偏向板の角度を変化させることによって、被加熱流体入口３からバイパス通路Ｂに流れ込む被加熱流体の量を増減させるようにしても良い。

以上述べたとおり、本発明の加熱流体発生装置は、酸性の凝縮水の発生を防止しながら高い熱効率で運転することができ、省資源であるとともに、環境負荷の小さな加熱流体発生装置であり、その産業上の利用可能性は多大である。

１ 加熱流体発生装置
２ ハウジング
３ 被加熱流体入口
４ 被加熱流体出口
５ 送風機
６ 燃焼ガス管
７ バーナ
８ 燃焼室
９ 燃焼用送風機
１０ 排気筒
１１ 排気口
１２ 温度センサ
１３ 排水口
１４、１５ 仕切板
１６ 流量調整弁
１７ 電動機
１８ 制御装置
Ａ 被加熱流体通路
Ｂ バイパス通路

Claims (5)

1. 被加熱流体入口と被加熱流体出口を有し、前記被加熱流体入口から前記被加熱流体出口に向かって被加熱流体が流れる被加熱流体通路と、燃焼ガス源に接続される燃焼ガス入口と排気口に接続される燃焼ガス出口とを有し、その内部を前記燃焼ガス入口から前記燃焼ガス出口に向かって燃焼ガスが流れる燃焼ガス管とを備え、前記燃焼ガス管は、前記燃焼ガス入口が前記被加熱流体出口側に位置し、前記燃焼ガス出口が前記被加熱流体入口側に位置するように前記被加熱流体内に配置されており、前記被加熱流体通路には、その内部を流れる被加熱流体が前記燃焼ガス管と接触しないバイパス通路が設けられており、前記バイパス通路は、前記燃焼ガス管の前記燃焼ガス出口よりも被加熱流体の流れに関して上流側の位置で前記被加熱流体通路から分岐するとともに、前記分岐よりも被加熱流体の流れに関して下流側の位置であって、前記燃焼ガス出口と前記燃焼ガス入口との間で前記被加熱流体通路に合流するバイパス通路であり、さらに、前記被加熱流体通路に流入する被加熱流体のうち前記バイパス通路に流れる被加熱流体の流量を調整する流量調整手段を備えている、加熱流体発生装置。
2. 前記流量調整手段が前記バイパス通路の分岐部に設けられた流量調節弁である請求項１記載の加熱流体発生装置。
3. 前記燃焼ガス管の前記燃焼ガス出口から排気される燃焼ガスの温度を計測する温度センサと、前記温度センサからの信号に基づいて前記流量調整手段の動作を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記流量調整手段の動作を制御して、前記燃焼ガス出口から排気される燃焼ガスの温度と当該燃焼ガスの露点との差が予め定められた下限値以下になると前記バイパス通路に流れる被加熱流体の流量を増やし、前記差が予め定められた上限値以上になると前記バイパス通路に流れる被加熱流体の流量を減らすようにプログラムされている請求項１又は２記載の加熱流体発生装置。
4. 燃焼ガス源としてバーナを有し、前記バーナの燃焼室が前記燃焼ガス管の前記燃焼ガス入口に接続され、前記バーナと前記燃焼室とが、前記被加熱流体通路内に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の加熱流体発生装置。
5. 被加熱流体が空気であり、熱風発生装置である請求項１〜４のいずれかに記載の加熱流体発生装置。

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