JP6479695B2

JP6479695B2 - 煙管を備えた真空式温水機

Info

Publication number: JP6479695B2
Application number: JP2016013264A
Authority: JP
Inventors: 智郎三浦
Original assignee: 株式会社日本サーモエナー
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP2017133746A

Description

本発明は、管内を流れる燃焼ガスと管外の熱媒水との間で熱交換を行う煙管を備えた真空式温水機の改良に係り、特に、熱交換を行う煙管を螺旋状に形成したコルゲート形状パイプの煙管とし、前記コルゲート形状パイプの煙管の下流側部分にコルゲート形状に適した伝熱促進体を挿入することによって、真空式温水機の大型化を抑制しつつ、安価な構成により燃焼ガスと熱媒水の熱交換効率の向上を図れるようにした煙管を備えた真空式温水機に関するものである。

従来、一般的な煙管（鋼管製のパイプ）を備えた真空式温水機としては、例えば、特公平０１−０２０６８２号公報（特許文献１参照）に記載された真空式温水機が知られている。

図１０は一般的な煙管２０を備えた真空式温水機の一例を示すものであり、前記真空式温水機は、缶本体２１、燃焼室２２、バーナ２３、熱媒水２４、複数本の煙管２０、減圧蒸気室２５、温水熱交換器２６、抽気ポンプ（図示省略）等を備えている。

尚、図１０において、２７は煙道、２８は排気筒、２９はヘッダー、３０は水面覗き窓、３１は熱媒水温度制御用サーミスタ、３２は圧力スイッチ、３３は缶圧力計、３４は埋め込み式溶解栓である。

而して、前記真空式温水機は、缶本体２１内を抽気ポンプにより大気圧以下に減圧して真空に近い状態とし、この状態でバーナ２３により熱媒水２４を加熱沸騰させて減圧蒸気室２５内にそのときの熱媒水２４の温度と同じ蒸気を発生させ、その蒸気が温水熱交換器２６の表面で凝縮することで温水熱交換器２６内の給水を加熱し、温水を作るようにしたものである。

また、バーナ２３の燃焼ガスＧは、燃焼室２２の周囲にある熱媒水２４と熱交換し、燃焼室２２出口から燃焼室２２の周囲に配置した多数の煙管２０内に導かれ、煙管２０の周囲にある熱媒水２４と熱交換した後、煙道２７から排出される。

前記真空式温水機は、缶本体２１内が減圧されているため、封入している熱媒水２４は、バーナ２３によって加熱されると、直ちに沸騰し、そのときの熱媒水２４の温度と同じ蒸気を発生する。この蒸気は、温水熱交換器２６の表面で凝縮することによって給水を加熱し、水滴となって再び熱媒水２４に戻る。その結果、真空式温水機においては、熱媒水２４の補給が不要となり、空焚きの虞がない。

ところで、前記真空式温水機の煙管２０には、一般的に通常の鋼管製のパイプから成る煙管２０が用いられているため、熱交換効率があまり良くなく、熱交換効率を上げるために煙管２０の本数を増加したり、長さを長くしたりする必要があり、装置が大型化してしまう問題があった。

また、前記真空式温水機の他に、吸収式冷温水機の再生器、煙管ボイラ、熱交換器等の煙管にも、一般的に通常の鋼管製のパイプから成る煙管が用いられているため、煙管を備えた吸収式冷温水機の再生器や煙管ボイラ等の装置においても真空式温水機と同様の問題が発生していた。

そこで、前記各装置の煙管２０には、装置を大型化することなく熱交換効率の向上をさせるため、様々な工夫が施されていた。

例えば、前記煙管２０には、図１１に示すように、螺旋状に形成したコルゲート形状パイプを煙管２０として使用したり、また、図１２に示すように、通常の鋼管製のパイプを煙管２０として使用し、この煙管２０内に軸方向に沿ってコイル（図示省略）やスクリュープレート（スクリュー状にひねった帯板）等の伝熱促進体３５を挿入したり、或いは、図１３に示すように、螺旋状に形成したコルゲート形状パイプを煙管２０として使用し、この煙管２０内に前記伝熱促進体３５を挿入したりしていた（特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。
尚、伝熱促進体３５は、煙管２０の全域に挿入したり、煙管２０の一部に挿入したりしている。

図１１〜図１３に示す煙管２０においては、コルゲート形状パイプの内周面の凹凸や伝熱促進体３５により煙管２０内を流れる燃焼ガスＧの流れが乱され、乱流が促進されて熱伝達率が向上することになる。

ところで、図１１に示す煙管２０の場合、燃焼ガスＧの通過断面積が、煙管２０の入口と出口で同じになっているため、煙管２０の出口側では排ガス温度が下がり、燃焼ガスＧの流速が落ちるため、熱伝達率が低下することになる（図１４参照）。

また、図１２に示す煙管２０や特許文献３の煙管の場合、伝熱促進体３５により燃焼ガスＧが撹拌され、また、煙管２０の途中において通過断面積が小さくなり、燃焼ガスＧの流速が上がるため、熱伝達率が向上する（図１５参照）。

しかし、煙管２０が通常の鋼管製のパイプにより形成されているため、コルゲート形状パイプの煙管２０よりも熱伝達率が悪くなる（図１４及び図１６参照）。実験値では、通常のパイプは、コルゲート形状パイプに比較して熱伝達率が０．５〜０．６５倍と悪くなっている。
また、燃焼ガスＧは、煙管２０の内面に沿ってではなく、伝熱促進体３５を起点に渦流を発生するため、無駄な圧力損失が発生することになる。

更に、図１３に示す煙管２０の場合、伝熱促進体３５は、構造上、コルゲート形状パイプの煙管２０の最小内径よりも小さく作製し、コルゲート形状パイプの煙管２０内に置く形で取り付けられている。そのため、伝熱促進体３５は、コルゲート形状パイプの煙管２０内に片寄った状態で配置されることになり、コルゲート形状パイプの煙管２０と伝熱促進体３５との間には、部分的に燃焼ガスＧが流れない箇所や流れ易い箇所が発生し、伝熱面積を有効に利用することができず、無駄な圧力損失も発生することになる。

このように、真空式温水機等に用いられる煙管２０には、様々な問題があった。

特公平０１−０２０６８２号公報特開平０１−３１８８６５号公報特開平０７−１１９９０９号公報特開平１１−３５１６９６号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、熱交換を行う煙管を螺旋状に形成したコルゲート形状パイプの煙管とし、前記コルゲート形状パイプの煙管の下流側部分にコルゲート形状に適した伝熱促進体を挿入することによって、真空式温水機の大型化を抑制しつつ、安価な構成により燃焼ガスと熱媒水の熱交換効率の向上を図れるようにした煙管を備えた真空式温水機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、管内を流れる燃焼ガスと管外の熱媒水との間で熱交換を行う煙管を備えた真空式温水機において、前記煙管を、螺旋状に形成したコルゲート形状パイプの煙管とし、前記煙管の下流側部分で煙管出口側の燃焼ガス温度が低下し熱伝達率が下がった箇所に、伝熱促進体を挿入し、前記伝熱促進体を、コルゲート形状パイプの煙管内に挿入されるパイプと、パイプの外周面に前記コルゲート形状パイプの煙管の螺旋方向と同じ方向に螺旋状に巻き付けられたスパイラルフィンとを備えたフィンチューブとし、前記スパイラルフィンのフィンピッチと前記コルゲート形状パイプの煙管の波ピッチとを同じピッチに形成したことに特徴がある。

本発明の請求項２の発明は、管内を流れる燃焼ガスと管外の熱媒水との間で熱交換を行う煙管を備えた真空式温水機において、前記煙管を、螺旋状に形成したコルゲート形状パイプの煙管とし、前記煙管の下流側部分で煙管出口側の燃焼ガス温度が低下し熱伝達率が下がった箇所に、伝熱促進体を挿入し、前記伝熱促進体を、コルゲート形状パイプの煙管内に挿入される棒状の芯材と、芯材の外周面に前記コルゲート形状パイプの煙管の螺旋方向と同じ方向に螺旋状に巻き付けられたスパイラルフィンとを備えた伝熱促進体とし、前記スパイラルフィンのフィンピッチと前記コルゲート形状パイプの煙管の波ピッチとを同じピッチに形成したことに特徴がある。

本発明の請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記伝熱促進体のスパイラルフィンの外径は、前記コルゲート形状パイプの煙管の最大内径から最小内径の範囲内に収まるように設定されていることに特徴がある。

本発明の請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記伝熱促進体のスパイラルフィンの外周縁は、コルゲート形状パイプの煙管の内周面側の凸部に密着する状態で押し付け固定されていることに特徴がある。

本発明は、通常の鋼管製のパイプに比べて熱伝達率の良いコルゲート形状パイプを煙管に使用し、コルゲート形状パイプの煙管内にコルゲート形状に適した伝熱促進体を挿入しているため、燃焼ガスと熱媒水の熱交換効率の向上を図れ、真空式温水機の大型化を抑制することができる。

また、本発明は、伝熱促進体を汎用性のある安価なフィンチューブにより形成しているため、コスト低減を図ることができる。

更に、本発明は、伝熱促進体をフィンチューブやフィンチューブに近い構造の伝熱促進体により形成しているため、定期的なメンテナンスにおいてコルゲート形状パイプの煙管の掃除を行う場合、伝熱促進体を回転させながら取り外すことができ、コルゲート形状パイプの煙管の内周面の凹部に堆積、固着した煤を伝熱促進体の取り外しと同時に粉砕することができる。

更に、本発明は、既設の真空式温水機においても、通常の鋼管製のパイプから成る煙管を、伝熱促進体を挿入したコルゲート形状パイプの煙管に交換するだけで、大掛かりな工事を行うことなく、熱交換効率の向上を図ることができる。

本発明の実施形態に係る煙管を備えた真空式温水機の概略縦断面図である。真空式温水機に用いる煙管及び伝熱促進体を示し、コルゲート形状パイプの煙管にフィンチューブから成る伝熱促進体を回転挿入して行く状態の一部省略切欠正面図である。真空式温水機に用いる煙管及び伝熱促進体を示し、コルゲート形状パイプの煙管にフィンチューブから成る伝熱促進体を所定寸法まで挿入した状態の一部省略切欠正面図である。真空式温水機に用いる煙管及び伝熱促進体を示し、コルゲート形状パイプの煙管にフィンチューブから成る伝熱促進体を押し込み固定した状態の一部省略切欠正面図である。コルゲート形状パイプの煙管とフィンチューブから成る伝熱促進体の寸法関係を示す説明図である。フィンチューブから成る伝熱促進体の変形例を示し、スパイラルフィンをセレートタイプとした伝熱促進体の拡大側面図である。伝熱促進体の変形例を示し、棒状の芯材の外周面にスパイラルフィンを螺旋状に巻き付けた伝熱促進体の一部切欠正面図である。フィンチューブから成る伝熱促進体を挿入したコルゲート形状パイプの煙管の熱伝達率を表すグラフである。フィンチューブから成る伝熱促進体を挿入した煙管を蒸気ボイラの過熱管等の伝熱管として使用した状態の説明図である。従来の煙管を備えた真空式温水機の概略縦断面図である。従来の煙管を示し、コルゲート形状パイプを煙管とした一部省略切欠正面図である。従来の煙管を示し、通常の鋼管製のパイプ内に伝熱促進体を挿入した一部省略切欠正面である。従来の煙管を示し、コルゲート形状パイプ内に伝熱促進体を挿入した一部省略切欠正面である。コルゲート形状パイプの煙管の熱伝達率を表すグラフである。通常の鋼管製のパイプから成る煙管内に伝熱促進体を挿入した煙管の熱伝達率を表すグラフである。通常の鋼管製のパイプから成る煙管の熱伝達率を表すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る煙管１を備えた真空式温水機の一例を示し、前記真空式温水機は、内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶本体２と、缶本体２内に形成された燃焼室３と、燃焼室３に接続されたバーナ４と、缶本体２内の下部に燃焼室３が水没するように貯留された熱媒水５（例えば、水）と、燃焼室３の周囲に熱媒水５に浸漬する状態で配置され、燃焼室３から排出された燃焼ガスＧが流れる複数本の煙管１と、缶本体２内の上部に形成される減圧蒸気室６と、減圧蒸気室６に配置され、発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器７と、缶本体２内を大気圧以下に減圧する抽気ポンプ（図示省略）等を備えており、前記煙管１を、螺旋状に形成したコルゲート形状パイプの煙管１とし、前記煙管１の下流側部分で煙管１出口側の燃焼ガスＧ温度が低下し熱伝達率が下がった箇所に、コルゲート形状に適した伝熱促進体８を挿入したものである。

尚、図１において、９は煙道、１０は排気筒、１１はヘッダー、１２は水面覗き窓、１３は熱媒水温度制御用サーミスタ、１４は圧力スイッチ、１５は缶圧力計、１６は埋め込み式溶解栓である。

前記真空式温水機に用いる煙管１は、図２〜図４に示す如く、炭素鋼鋼材等の金属材により螺旋状に形成したコルゲート形状パイプから形成されており、コルゲート形状パイプの内周面及び外周面には、凹凸が螺旋状に且つ所定のピッチで形成されている。

前記コルゲート形状パイプの煙管１においては、内周面に形成した凹凸により管内を流れる燃焼ガスＧの流れが乱され、乱流が促進されて熱伝達率が向上することになる。

前記伝熱促進体８は、図２〜図５に示す如く、コルゲート形状パイプの煙管１内に軸方向に沿って挿入されるパイプ８ａと、パイプ８ａの外周面にコルゲート形状パイプの煙管１の螺旋方向と同じ方向に螺旋状に巻き付けられたスパイラルフィン８ｂとを備えたフィンチューブにより形成されている。

具体的には、フィンチューブのパイプ８ａは、伝熱促進体８を燃焼ガスＧの温度が４００℃以下で使用するため、鋼管等の耐熱性の低い比較的安価な材料により形成されている。このパイプ８ａの先端は、金属製のキャップ８ｃを溶接により固着することにより閉塞されている。

一方、フィンチューブのスパイラルフィン８ｂは、比較的安価な冷間圧延鋼（ＳＰＣＣ）等の金属材により形成されており、パイプ８ａの外周面にコルゲート形状パイプの煙管１の螺旋方向と同じ方向になるように巻き付け固定されている。

また、スパイラルフィン８ｂのフィンピッチＰ′は、コルゲート形状パイプの煙管１の波ピッチＰと同じピッチＰ′に形成されている。即ち、コルゲート形状パイプの煙管１の波ピッチＰとフィンチューブのフィンピッチＰ′とは、同一寸法に設定されている。

更に、スパイラルフィン８ｂの外径φｄ_Ｆは、図５に示す如く、コルゲート形状パイプの煙管１の最大内径φｄ_１から最小内径φｄ_１の範囲内に収まるように形成されている。即ち、フィンチューブのスパイラルフィン８ｂの外径φｄ_Ｆは、φｄ_１＞φｄ_Ｆ＞φｄ_２の関係になるように設定されており、コルゲート形状パイプの煙管１の内方に回転挿入可能なクリアランスを確保し且つ極力コルゲート形状パイプの煙管１の最大内径φｄ_１に近い寸法が好ましい。

そして、フィンチューブから成る伝熱促進体８は、コルゲート形状パイプの煙管１の下流側部分で煙管１出口側の燃焼ガスＧ温度が低下し且つ熱伝達率が下がった箇所に挿入固定されている。

前記伝熱促進体８（フィンチューブ）をコルゲート形状パイプの煙管１内に挿入固定するには、先ず、伝熱促進体８をコルゲート形状パイプの煙管１の出口側に回転挿入して行き、次に、伝熱促進体８をコルゲート形状パイプの煙管１内に所定寸法まで挿入し、最後に、伝熱促進体８をコルゲート形状パイプの煙管１に押し込む（図２〜図４参照）。

そうすると、伝熱促進体８は、スパイラルフィン８ｂの外径φｄ_Ｆがφｄ_１＞φｄ_Ｆ＞φｄ_２の関係になるように設定されているため、スパイラルフィン８ｂの外周縁がコルゲート形状パイプの煙管１の内周面側の凸部に密着する状態で押し付け固定されることになる。

また、フィンチューブから成る伝熱促進体８は、コルゲート形状パイプの煙管１の波ピッチＰとフィンチューブのフィンピッチＰ′とが同一寸法に設定されているため、コルゲート形状パイプの煙管１内に均等な旋回流路を形成することになる。

更に、フィンチューブのスパイラルフィン８ｂは、流路の形成及び乱流促進を目的とするが、コルゲート形状パイプの煙管１の内周面に密着しているため、伝熱用としても効果を発揮することになる。

尚、上記の実施形態においては、伝熱促進体８を形成するフィンチューブのスパイラルフィン８ｂをソリッドタイプのフィンとしたが、他の実施形態においては、図６に示す如く、フィンチューブのスパイラルフィン８ｂをセレートタイプのフィンとしても良い。セレートタイプのフィンは、セレートにより乱流を生じ、ソリッドタイプのフィンに比べて熱伝達率がアップする。

また、上記の実施形態においては、伝熱促進体８をフィンチューブにより形成したが、他の実施形態においては、図７に示す如く、伝熱促進体８を、コルゲート形状パイプの煙管１内に挿入される棒状の芯材８ａ′と、芯材８ａ′の外周面に前記コルゲート形状パイプの煙管１の螺旋方向と同じ方向に螺旋状に巻き付けられたスパイラルフィン８ｂとを備えた伝熱促進体８としても良い。この場合、スパイラルフィン８ｂのフィンピッチＰ′とコルゲート形状パイプの煙管１の波ピッチＰとは、同じピッチに形成されている。また、スパイラルフィン８ｂの外径は、φｄ_１＞φｄ_Ｆ＞φｄ_２の関係に成るように設定されている。

更に、上記の実施形態においては、スパイラルフィン８ｂを比較的安価な冷間圧延鋼（ＳＰＣＣ）により形成したが、他の実施形態においては、スパイラルフィン８ｂをアルミや銅等の熱伝導率の高い金属材により形成しても良い。

而して、伝熱促進体８を挿入した煙管１を備えた真空式温水機においては、缶本体２内を抽気ポンプにより大気圧以下に減圧して真空に近い状態とし、この状態でバーナ４により熱媒水５を加熱沸騰させて減圧蒸気室６内にそのときの熱媒水５の温度と同じ蒸気を発生させ、その蒸気が温水熱交換器７の表面で凝縮することで温水熱交換器７内の給水を加熱して温水を作る。

また、バーナ４の燃焼ガスＧは、燃焼室３の周囲にある熱媒水５と熱交換し、燃焼室３出口から燃焼室３の周囲に配置した多数の煙管１内に導かれ、煙管１の周囲にある熱媒水５と熱交換した後、煙道９から排出される。

ところで、上述した真空式温水機において、ボイラ効率が９０％で煙管１に伝熱促進体８がない場合、煙管１の入口で約１０００℃の燃焼ガスＧは、熱媒水５と熱交換され、図１４に示すように煙管１の出口側に向かう程、熱伝達率が低下し、約２００℃で煙道より排出される。

これに対して、図１に示す真空式温水機のように、煙管１の下流側部分に伝熱促進体８を挿入している場合、煙管１内を流れる燃焼ガスＧの流速が上がり、燃焼ガスＧの乱流状態が促進され、且つ燃焼ガスＧが煙管１の内周面側に沿って流れるため、図８に示すように煙管１の出口側で熱伝達率が向上し、燃焼ガスＧは約１６０℃で煙道より排出される。この場合、計算値でボイラ効率は２％向上する。

このように、上述した構成の真空式温水機は、通常の鋼管製のパイプに比べて熱伝達率の良いコルゲート形状パイプ（実験値では、熱伝達率が１．５倍〜２．０倍）を煙管１に使用し、コルゲート形状パイプの煙管１内にコルゲート形状に適した伝熱促進体８を挿入しているため、燃焼ガスＧと熱媒水５の熱交換効率の向上を図れ、真空式温水機の大型化を抑制することができる。

また、この真空式温水機は、伝熱促進体８を汎用性のある安価なフィンチューブにより形成しているため、コスト低減を図れる。

更に、この真空式温水機は、伝熱促進体８をフィンチューブやフィンチューブに近い構造の伝熱促進体８により形成しているため、定期的なメンテナンスにおいて煙管１の掃除を行う場合、伝熱促進体８を回転させながら取り外すことができ、コルゲート形状パイプの煙管１の内周面の凹部に堆積、固着した煤を伝熱促進体８の取り外しと同時に粉砕することができる。

本発明に係る真空式温水機に用いた伝熱促進体８を挿入した煙管１は、真空式温水機の他に、吸収式冷温水機の再生器、煙管ボイラ、蒸気ボイラ、熱交換器等においても利用可能である。

図９はフィンチューブから成る伝熱促進体８を挿入した煙管１を蒸気ボイラの過熱管等の伝熱管として使用した一例を示すものであり、煙管１とフィンチューブから成る伝熱促進体８との間に燃焼ガスＧを流すと共に、伝熱促進体８のパイプ８ａ内に蒸気を流してパイプ８ａを過熱管として使用したものである。

１は煙管
２は缶本体
３は燃焼室
４はバーナ
５は熱媒水
６は減圧蒸気室
７は温水熱交換器
８は伝熱促進体
８ａはパイプ
８ａ′は芯材
８ｂはスパイラルフィン
８ｃはキャップ
９は煙道
１０は排気筒
１１はヘッダー
１２は水面覗き窓
１３は熱媒水温度制御用サーミスタ
１４は圧力スイッチ
１５は缶圧力計
１６は埋め込み式溶解栓
Ｇは燃焼ガス
Ｐは煙管の波ピッチ
Ｐ′はフィンチューブのフィンピッチ
φｄ_１は煙管の最大内径
φｄ_２は煙管の最小内径
φｄ_Ｆはスパイラルフィンの外径

Claims

管内を流れる燃焼ガスと管外の熱媒水との間で熱交換を行う煙管を備えた真空式温水機において、前記煙管を、螺旋状に形成したコルゲート形状パイプの煙管とし、前記煙管の下流側部分で煙管出口側の燃焼ガス温度が低下し熱伝達率が下がった箇所に、伝熱促進体を挿入し、前記伝熱促進体を、コルゲート形状パイプの煙管内に挿入されるパイプと、パイプの外周面に前記コルゲート形状パイプの煙管の螺旋方向と同じ方向に螺旋状に巻き付けられたスパイラルフィンとを備えたフィンチューブとし、前記スパイラルフィンのフィンピッチと前記コルゲート形状パイプの煙管の波ピッチとを同じピッチに形成したことを特徴とする煙管を備えた真空式温水機。
管内を流れる燃焼ガスと管外の熱媒水との間で熱交換を行う煙管を備えた真空式温水機において、前記煙管を、螺旋状に形成したコルゲート形状パイプの煙管とし、前記煙管の下流側部分で煙管出口側の燃焼ガス温度が低下し熱伝達率が下がった箇所に、伝熱促進体を挿入し、前記伝熱促進体を、コルゲート形状パイプの煙管内に挿入される棒状の芯材と、芯材の外周面に前記コルゲート形状パイプの煙管の螺旋方向と同じ方向に螺旋状に巻き付けられたスパイラルフィンとを備えた伝熱促進体とし、前記スパイラルフィンのフィンピッチと前記コルゲート形状パイプの煙管の波ピッチとを同じピッチに形成したことを特徴とする煙管を備えた真空式温水機。
前記伝熱促進体のスパイラルフィンの外径は、前記コルゲート形状パイプの煙管の最大内径から最小内径の範囲内に収まるように設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の煙管を備えた真空式温水機。
前記伝熱促進体のスパイラルフィンの外周縁は、コルゲート形状パイプの煙管の内周面側の凸部に密着する状態で押し付け固定されていることを特徴とする請求項３に記載の煙管を備えた真空式温水機。