JP6331958B2 - ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、ボイラに関する。

従来、缶体において燃料を燃焼させて発生させた燃焼ガスにより水を加熱することで蒸気を生成するボイラが知られている。このようなボイラでは、缶体に供給される水と蒸気を生成するために用いられた後の燃焼ガスとの間で熱交換を行う給水加熱器（エコノマイザ）を設けることにより、燃焼ガスから熱回収を行うことで熱効率を向上させている。また、ボイラの熱効率を更に向上させるために、給水加熱器に加えて、缶体に供給される燃焼用空気と燃焼ガスとの間で熱交換を行う空気加熱器（エアヒータ）を更に備えたボイラも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０７−０９１６０７号公報

しかしながら、給水加熱器及び空気加熱器を含んでボイラを構成した場合、これらの配置によっては、ボイラが大型化してしまう場合があった。

本発明は、給水加熱器及び空気加熱器を有するボイラにおいて、大型化を効果的に回避してコンパクトに構成できるボイラを提供することを目的とする。

本発明は、燃料を燃焼させて液体を加熱することで蒸気を生成する缶体と、前記缶体に液体を供給する給水路と、前記缶体に燃焼用空気を供給する給気路と、前記缶体の側部における下部に配置され前記給気路に燃焼用空気を送り込む送風機と、前記缶体で発生した燃焼ガスを排出する排気路と、前記排気路に配置され、前記給水路を流通する液体と前記排気路を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う給水加熱器と、前記排気路における前記給水加熱器よりも下流側に配置され、前記給気路を流通する燃焼用空気と前記排気路を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う空気加熱器と、を備えるボイラであって、前記排気路は、前記缶体と前記送風機との間に配置され上下方向に延びる鉛直排気路部と、前記鉛直排気路部の上端部から略水平方向かつ前記送風機が配置された側に延びる水平排気路部と、を備え、前記給水加熱器は、前記鉛直排気路部に配置され、前記空気加熱器は、上面視において前記水平排気路部における前記送風機が配置された位置よりも缶体側に配置されるボイラに関する。

また、ボイラは、前記空気加熱器は、平面視において矩形形状の直方体状に構成され、該矩形形状の幅方向が前記水平排気路部の延びる方向に沿って配置されることが好ましい。

また、ボイラは、前記空気加熱器における燃焼用空気の入口及び出口は、該空気加熱器の長手方向の一端側に設けられ、前記空気加熱器における燃焼ガスの入口及び出口は、該空気加熱器の長手方向の他端側に設けられることが好ましい。

また、前記空気加熱器は、該空気加熱器の長手方向に沿って、かつ、前記燃焼用空気の入口及び出口が配置された側が上方に位置するように傾斜して配置される複数のヒートパイプを含んで構成されることが好ましい。

また、前記空気加熱器の下面の面積は、該空気加熱器の側面の面積よりも小さく構成され、前記燃焼用空気の入口は、前記空気加熱器の下面に設けられ、前記燃焼用空気の出口は、前記空気加熱器の側面に設けられることが好ましい。

本発明によれば、給水加熱器と空気加熱器を有するボイラにおいて、大型化を効果的に回避してコンパクトに構成できるボイラを提供することができる。

本発明の一実施形態を示すボイラの正面図である。 図１に示すボイラの側面図である。 図１に示すボイラの背面図である。 図１に示すボイラの平面図である。 上下フローパターンを有した空気加熱器の概略斜視図である。 水平フローパターンを有した空気加熱器の概略斜視図である。 ヒートパイプ方式の空気加熱器の一実施形態を示す斜視図である。 ヒートパイプ方式の空気加熱器の他の実施形態を示す斜視図である。

以下、本発明のボイラの好ましい各実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示すボイラの正面図、図２は同じくボイラの側面図、図３は同じくボイラの背面図、図４は同じくボイラの平面図、図５Ａは同じく上下フローパターンを有した空気加熱器の概略斜視図、図５Ｂは同じく水平フローパターンを有した空気加熱器の概略斜視図である。

図１〜図４に示すように、第１実施形態のボイラ１は、水（液体）を加熱して蒸気を生成する蒸気ボイラである。

ボイラ１は、缶体１０と、給水路２０と、給気路３０と、送風機４０と、排気路５０と、給水加熱器（エコノマイザ）６０と、空気加熱器（エアヒータ）７０と、蒸気ヘッダ８０と、セパレータ９０と、を備える。

缶体１０は、燃料を燃焼させて水を加熱することで蒸気を生成する。缶体１０は、外形を構成する円筒形状のボイラ筐体１１（筐体）と、このボイラ筐体１１の内部に配置される複数の水管、下部ヘッダ、上部ヘッダ、燃焼室、及びバーナ（いずれも図示せず）と、を備える。

セパレータ９０は、蒸気ヘッダ８０に集められた蒸気を気水分離する装置である。セパレータ９０により分離された水は、缶体１０（下部ヘッダ）に戻される。一方、蒸気は、図示しない負荷機器に供給される。

給水路２０は、外部からの水を缶体１０の下部に供給するもので、給気路３０は、外部からの燃焼用空気を、後述の送風機４０を介して、缶体１０に送り込むものである。送風機４０は、缶体１０の前側部における下部に配置される。

排気路５０は、缶体１０で発生した燃焼ガスを缶体１０の下部から外部に排出する。この排気路５０は、図２に示すように、缶体１０と送風機４０との間に配置され上下方向に延びる鉛直排気路部５０ａと、当該鉛直排気路部５０ａの上端部から略水平方向かつ送風機４０が配置された側に延びる水平排気路部５０ｂと、を備える。

そして、排気路５０の途中に、給水路２０を流通する水と排気路５０を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う給水加熱器６０と、排気路５０における給水加熱器６０よりも下流側に配置され、給気路３０を流通する燃焼用空気と排気路５０を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う空気加熱器７０と、を備える。

具体的には、給水加熱器６０は、鉛直排気路部５０ａに配置され、空気加熱器７０は、上面視において水平排気路部５０ｂにおける送風機４０が配置された位置よりも缶体１０側に配置される。本実施形態では、空気加熱器７０は、平面視において矩形形状の直方体状に構成され、該矩形形状の幅方向が水平排気路部５０ｂの延びる方向に沿って配置される。

空気加熱器７０としては、例えば、図５Ａに示す上下フローパターンを有したプレート式の空気加熱器、又は図５Ｂに示す左右フローパターンを有したプレート式の空気加熱器を用いることができる。第１実施形態では、空気加熱器７０における燃焼用空気の入口７１ａ及び出口７１ｂは、該空気加熱器７０の長手方向の一端側に設けられ、空気加熱器における燃焼ガスの入口７２ａ及び出口７２ｂは、該空気加熱器７０の長手方向の他端側に設けられる。

即ち、空気加熱器７０においては、長手方向の一端側の入口７１ａから流入した燃焼用空気は、長手方向の他端側に向かった後Ｕターンして再び長手方向の一端側に向かい、その後出口７１ｂから流出する。また、長手方向の他端側の入口７２ａから流入した燃焼ガスは、長手方向の一端側に向かった後Ｕターンして再び長手方向の他端側に向かい、その後出口７２ｂから流出する。これにより、燃焼用空気の入口７１ａ及び出口７１ｂを空気加熱器７０の長手方向の一端側に設け、燃焼ガスの入口７２ａ及び出口７２ｂを空気加熱器７０の長手方向の他端側に設けた場合であっても、燃焼用空気と燃焼ガスとの接触面積を十分に確保できるので、空気加熱器７０における熱交換効率を向上させられる。

また、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、燃焼用空気の入口７１ａを空気加熱器７０の下面に設けることで、下部に配置された送風機４０から空気加熱器７０までの給気路３０をコンパクト化できるので、ボイラ１をよりコンパクトに構成できる。

次に、ボイラ１の動作について説明する。
ボイラ１は、送風機４０によって燃焼用空気を引き込むと共に、給気路３０に送り出す。
給気路３０では送風機４０から送り出された燃焼用空気は、上向き給気路部（図１に示す燃焼用空気の流れＬ１参照）を上方に向かって流通する。上向き給気路部を通過した燃焼用空気は空気加熱器７０内を通過して水平に流れ、缶体１０内に送り込まれる。

上向き給気路部を通過した燃焼用空気は、空気加熱器７０において、缶体１０から排出され、排気路５０を流通する燃焼ガス（図２に示す燃焼ガスの流れＬ２参照）との間で熱交換されることによって加温される。ここで、上記のように、送風機４０は、排気路５０の近傍に配置されるので、送風機４０と排気路５０に配置される空気加熱器７０との距離が短くなる。従って、ボイラ１では、給気路３０における送風機４０から空気加熱器７０までの経路を長く構成する必要がない。
なお、缶体１０から排出された燃焼ガスは、空気加熱器７０における熱交換（２回目の熱交換）の前に、給水加熱器６０において、給水路２０（図に示す水の流れＬ３参照）を流通し、缶体１０に供給される水と熱交換（１回目の熱交換）される。

そして、空気加熱器７０を流通しての燃焼ガスとの間で熱交換を行った後の燃焼用空気は、給気路３０を水平に流通し、続いて、缶体１０の上部に、燃料ガスが供給され、燃料ガスと燃焼用空気が混合される。
燃料ガスと燃焼用空気が混合した混合ガスは図示しない給気口を通じて缶体１０の内部に供給される。

缶体１０では、混合ガスが図示しないバーナにより噴射されて燃焼される。この混合ガスの燃焼によって、上述した給水路２０から供給される、缶体１０の内部に配置された水管内の水（缶水）が沸騰して蒸気を生成する。水管内で生成した蒸気は、蒸気ヘッダ８０に貯留された後、外部に導出される。

一方、缶体１０内のガス流動空間において混合ガスが燃焼することによって生成した燃焼ガスは、図示しない排気口から排気路５０に排出される。排気路５０から排出される燃焼ガスは、上述した１回目の熱交換及び２回目の熱交換に供された後に外部に排出される。

本実施形態に係るボイラ１は、以下のような効果を奏する。
まず、排気路５０を、缶体１０と送風機４０との間を水平に延びる水平排気路部５０ｂを含んで構成し、空気加熱器７０をこの水平排気路部５０ｂに配置した。これにより、水平排気路部５０ｂに空気加熱器７０を配置できるので、ボイラ１の高さが高くなってしまうことを防げる。また、水平排気路部５０ｂにおける送風機４０が配置された位置よりも缶体１０側に空気加熱器７０を配置すると共に給水加熱器６０を鉛直排気路部５０ａに配置したので、空気加熱器７０と給水加熱器６０の両方を有するボイラ１をコンパクトに構成できる。

また、空気加熱器７０を直方体状に構成すると共に、この空気加熱器７０を、幅方向が水平排気路部５０ｂの延びる方向に沿うように配置した。これにより、空気加熱器７０の長手方向の長さを缶体１０の対応する方向の長さ（缶体１０が円筒形であれば直径）と同程度まで長く構成しても、空気加熱器７０を配置することによりボイラ１が大型化することを防げる。よって、缶体１０と送風機４０との間の狭い場所に空気加熱器７０を配置した場合であっても、空気加熱器７０における伝熱面積を大きくとることができ、かつ、ボイラ１をコンパクトに保てる。

また、空気加熱器７０における燃焼用空気の入口７１ａ及び出口７１ｂを気加熱器の長手方向の一端側に設け、空気加熱器７０における燃焼ガスの入口７２ａ及び出口７２ｂを空気加熱器７０の長手方向の他端側に設けた。これにより、給気路３０及び排気路５０それぞれにおける空気加熱器７０を挟む部分を直線上に配置できる。よって、給気路３０及び排気路５０の配管の取り回しを複雑化することなくボイラ１を構成できる。

これらの結果、給水加熱器６０と空気加熱器７０をともに有するも、大型化を効果的に回避してコンパクトなボイラ１を提供できる。

次に、本発明の第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。尚、第２実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

第２実施形態のボイラは、空気加熱器の構成において第１実施形態と異なる。より具体的には、第２実施形態では、空気加熱器７０Ａは、いわゆるヒートパイプ方式の熱交換器により構成される。

空気加熱器７０Ａは、筐体７３と、この筐体７３の内部に配置される複数のヒートパイプ７４と、筐体７３の内部を区画する隔壁７５と、を備える。
筐体７３は空気加熱器７０Ａの外形を構成し、平面視において矩形の直方体状に形成される。また、筐体７３の下面（底面）の面積は、長手方向に沿う側面の面積よりも小さく形成される。

筐体７３の長手方向の一端側には、燃焼用空気の入口７１ａ及び出口７１ｂが形成される。また、筐体７３の長手方向の他端側には、燃焼ガスの入口７２ａ及び出口７２ｂが形成される。燃焼用空気の入口７１ａは、筐体７３の下面に形成され、出口７１ｂは、筐体７３の側面に形成される。また、燃焼ガスの入口７２ａは、筐体７３の側面（燃焼用空気の出口７１ｂが形成された側の側面）に形成され、出口７２ｂは、筐体７３における燃焼ガスの入口７２ａが形成された側と反対側の側面に形成される。

複数のヒートパイプ７４は、両端が閉止された円筒状の本体７４１と、この本体７４１の外周に、本体７４１の長手方向に所定間隔をあけて取り付けられる複数のフィン７４２と、を備える。本体７４１の内部には、作動流体（揮発性の液体）が密閉される。
複数のヒートパイプ７４は、筐体７３の長手方向に沿って、かつ、燃焼用空気の入口７１ａ及び出口７１ｂが配置された側が上方に位置するように傾斜して配置される。

隔壁７５は、筐体７３の長手方向の中央部に配置され、筐体７３の内部空間を長手方向に２つに区画する。隔壁７５には、複数のヒートパイプ７４が挿通可能な複数の貫通穴が形成される。即ち、筐体７３の内部は、隔壁７５により、燃焼用空気が流通する空間と、燃焼ガスが流通する空間とに区画される。

以上の空気加熱器７０Ａによれば、複数のヒートパイプ７４の内部に収容された液体状態の作動流体は、燃焼ガスによって加熱されて気化し、燃焼用空気が流通する側に移動する（上昇する）。また、気化した作動流体は、燃焼用空気により冷却されて液化し、燃焼ガスが流通する側に移動する（下降する）。これにより、燃焼用空気と燃焼ガスとの熱交換が行われる。

ここで、第２実施形態では、空気加熱器７０Ａを、複数のヒートパイプ７４を含んで構成し、これら複数のヒートパイプ７４を、空気加熱器７０Ａの長手方向に沿うようにかつ燃焼用空気の入口７１ａ及び出口７１ｂが配置された側が上方に位置するように傾斜させて配置した。これにより、ヒートパイプ式の空気加熱器を用いることで空気加熱器７０Ａをよりコンパクトに構成でき、また、ヒートパイプ７４を傾斜させて配置することで、燃焼用空気及び燃焼ガスの流路を複雑化することなく効率的な熱交換を行わせられる。

また、燃焼用空気の温度は、燃焼ガスの温度よりも低いため、空気加熱器７０Ａの内部における燃焼用空気の流速は、燃焼ガスの流速よりも低くなる。そこで、筐体７３（空気加熱器７０Ａ）の下面の面積を筐体７３の側面の面積よりも小さく構成すると共に、燃焼用空気の入口７１ａを空気加熱器７０Ａの下面に配置し出口７１ｂを空気加熱器７０Ａの側面に配置した。また、燃焼ガスの入口７２ａ及び出口７２ｂを空気加熱器７０Ａの側面に配置した。これにより、燃焼用空気の空気加熱器７０Ａへの入口における流路断面積を、燃焼ガスの空気加熱器７０Ａへの入口における流路断面積よりも小さくできるので、燃焼用空気の空気加熱器７０Ａへの流入速度を高められる。よって、燃焼ガスに比して流速の低い燃焼用空気の空気加熱器７０Ａにおける熱伝達効率を高められる。

以上、本発明のボイラ１の好ましい各実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、ヒートパイプ方式の空気加熱器は、第２実施形態の空気加熱器７０Ａに限らない。即ち、図７に示すように、空気加熱器７０Ｂを、筐体７３における燃焼用空気が流通する空間の上流側に配置される予備室７６を含んで構成し、燃焼用空気の入口７１ａを、この予備室７６に形成してもよい。これにより、筐体７３の内部における燃焼用空気の流れを均一化できるので、空気加熱器７０Ｂによる熱交換の効率をより向上させられる。

１ ボイラ
１０ 缶体
２０ 給水路
３０ 給気路
４０ 送風機
５０ 排気路
５０ａ 鉛直排気路部
５０ｂ 水平排気路部
６０ 給水加熱器（エコノマイザ）
７０，７０Ａ，７０Ｂ 空気加熱器（エアヒータ）
７１ａ，７１ｂ 燃焼用空気の入口及び出口
７２ａ，７２ｂ 燃焼ガスの入口及び出口
７４ ヒートパイプ
８０ 蒸気ヘッダ
９０ セパレータ

Claims (5)

1. 燃料を燃焼させて液体を加熱することで蒸気を生成する缶体と、
   前記缶体に液体を供給する給水路と、
   前記缶体に燃焼用空気を供給する給気路と、
   前記缶体の側部における下部に配置され前記給気路に燃焼用空気を送り込む送風機と、
   前記缶体で発生した燃焼ガスを排出する排気路と、
   前記排気路に配置され、前記給水路を流通する液体と前記排気路を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う給水加熱器と、
   前記排気路における前記給水加熱器よりも下流側に配置され、前記給気路を流通する燃焼用空気と前記排気路を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う空気加熱器と、を備えるボイラであって、
   前記排気路は、
   前記缶体と前記送風機との間に配置され上下方向に延びる鉛直排気路部と、
   前記鉛直排気路部の上端部から略水平方向かつ前記送風機が配置された側に延びる水平排気路部と、を備え、
   前記給水加熱器は、前記鉛直排気路部に配置され、
   前記空気加熱器は、上面視において前記水平排気路部における前記送風機が配置された位置よりも缶体側に配置されるボイラ。
2. 前記空気加熱器は、平面視において矩形形状の直方体状に構成され、
   該矩形形状の幅方向が前記水平排気路部の延びる方向に沿って配置される請求項１に記載のボイラ。
3. 前記空気加熱器における燃焼用空気の入口及び出口は、該空気加熱器の長手方向の一端側に設けられ、
   前記空気加熱器における燃焼ガスの入口及び出口は、該空気加熱器の長手方向の他端側に設けられる請求項２に記載のボイラ。
4. 前記空気加熱器は、該空気加熱器の長手方向に沿って、かつ、前記燃焼用空気の入口及び出口が配置された側が上方に位置するように傾斜して配置される複数のヒートパイプを含んで構成される請求項３に記載のボイラ。
5. 前記空気加熱器の下面の面積は、該空気加熱器の側面の面積よりも小さく構成され、
   前記燃焼用空気の入口は、前記空気加熱器の下面に設けられ、前記燃焼用空気の出口は、前記空気加熱器の側面に設けられる請求項４に記載のボイラ。

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