JP6950921B2

JP6950921B2 - 給水予熱装置を持ったボイラ

Info

Publication number: JP6950921B2
Application number: JP2017045419A
Authority: JP
Inventors: 重俊高畠; 優希衛藤
Original assignee: 株式会社サムソン
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: JP2018151077A

Description

本発明は、燃焼排ガスの熱を利用して給水の予熱を行う給水予熱装置を持ったボイラに関するものである。

実公平４−１２３２７号公報に記載があるように、燃焼ガスを通す燃焼ガス路内に伝熱管を設け、燃焼ガスによって伝熱管内の水を加熱することが広く行われている。実公平４−１２３２７号公報では、給水予熱装置は燃焼ガスが流れる四角筒状の燃焼ガス路内に熱交換用のフィン付水管を多数設置しており、フィン付水管の外側に燃焼ガスを流してフィン付水管を加熱する。フィン付水管内には給水が流れるようにしておき、燃焼ガスがフィン付水管を外側から加熱すると、熱がフィン付水管内の給水に伝わり、給水を加熱することになる。

排出する燃焼排ガスを利用してボイラ給水を予熱するものであると、給水を予熱することでボイラの効率を向上させることができる。給水予熱装置を持ったボイラでは、排ガス通路内に給水予熱装置を設置しておき、排ガス通路内を流れる燃焼排ガスと伝熱管内を流れるボイラ給水との間で熱交換を行うようにしており、伝熱管が燃焼排ガスから吸収する熱量が多くなるほど給水の温度を上昇させることができ、ボイラの効率は向上する。

また、実公平４−１２３２７号公報に記載の考案では、燃焼ガスの蛇行状流路断面積を実質上一定にするように働く第一バッフル棒及び第二バッフル棒を設けるようにしている。流路断面積の大きな給水予熱装置内で燃焼排ガスを緩やかに流す場合と、流路断面積の小さな給水予熱装置内で燃焼排ガスを急激に流す場合では、流路断面積の小さな給水予熱装置の方が伝熱効率は高くなる。第一バッフル棒及び第二バッフル棒を設けると、燃焼ガスから給水への熱の伝達量を増加することが期待できる。

ただしこの場合、燃焼ガス流路中の障害物を増加しているものであって、燃焼ガスの流路断面積は小さくなるため、燃焼ガスの圧力損失が増大することがあった。そのため、燃焼ガスの圧力損失が増大することを抑えつつ、さらに伝熱量を増加するということが望まれていた。

実公平４−１２３２７号公報

本発明が解決しようとする課題は、ボイラからの燃焼排ガスを通す排ガス流路内に伝熱管を設置しておいてボイラ給水を予熱する給水予熱装置を持ったボイラにおいて、燃焼排ガスの圧力損失増加を最小限に抑えつつ、燃焼排ガスからボイラ給水への伝熱量を増加させることのできる給水予熱装置を持ったボイラを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、燃焼ガスの熱によってボイラ水を加熱するボイラ本体と、ボイラから排出される燃焼排ガスを通す排ガス通路を持ち、排ガス通路の途中に給水予熱装置を設置している給水予熱装置を持ったボイラであって、給水予熱装置内には排ガス流とは交差する方向に伸びる多数の伝熱管を多段に配置した伝熱管群を設置して伝熱管内にボイラ給水を流し、伝熱管周囲に流す燃焼排ガスによって伝熱管内のボイラ給水を予熱するようにしている給水予熱装置を持ったボイラにおいて、前記伝熱管群内に燃焼排ガスの流動方向に対して交差する遮蔽面を持ったじゃま板を設置するものであり、前記じゃま板は伝熱管の排ガス流下流側直下位置に排ガス流を通すじゃま板開口部を設置し、隣り合う伝熱管の間となる空間部分の排ガス流下流側直下位置には排ガス流を遮蔽する遮蔽面を設置しており、じゃま板に設けているじゃま板開口部の開口幅は、排ガス通路の周縁側に設けているじゃま板開口部よりも排ガス流路の中心側に設けているじゃま板開口部の方が大きくなるようにし、伝熱管群中に複数のじゃま板を設置する場合、排ガス流下流側となるじゃま板におけるじゃま板開口部の開口幅は、排ガス流上流側となるじゃま板におけるじゃま板開口部の開口幅よりも小さくしていることを特徴とする。

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、前記じゃま板の設置数は伝熱管の設置段数よりも少ないものとし、伝熱管段の間にじゃま板を設置していない段も設けるようにしていることを特徴とする。

本発明を実施することによって、燃焼排ガスの圧力損失増加を最小限に抑えつつ、燃焼排ガスからボイラ給水への伝熱量を増加させることのでき、結果としてボイラ効率を高めることができる。

本発明の一実施例の給水予熱装置フロー図本発明の一実施例で使用するじゃま板及び伝熱管の一部を抜き出した斜視図図１の一部を抜き出した排ガス流動状況説明図

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給水予熱装置のフロー図、図２は本発明の一実施例で使用するじゃま板及び伝熱管の一部を抜き出した斜視図、図３は図１の一部を抜き出した排ガス流動状況説明図である。ボイラ１で発生した燃焼排ガスは、排ガス通路２を通して戸外へ排出するものであるが、排ガス通路２途中に給水予熱装置７を設けており、燃焼排ガスは給水予熱装置７を通した後に戸外へ排出する。給水予熱装置７は略直方体の形状をしており、側面に燃焼排ガス入口８、上面に燃焼排ガス出口９を設けている。排ガス通路２を通して送られてきた燃焼排ガスは、側面の燃焼排ガス入口８から給水予熱装置７内に入り、給水予熱装置７の内部を通過した後に上面の燃焼排ガス出口９から排出する。

給水予熱装置内には、内部を燃焼排ガス入口８側と燃焼排ガス出口９側に分割する仕切板４を設置しておく。仕切板４は、上端側と左右の端部では給水予熱装置の排ガス流路壁面とつながり、下端側では給水予熱装置底面との間に隔たりを持ったものとしており、給水予熱装置内は仕切板４の下方以外では分断されている。そのため、燃焼排ガス入口８から給水予熱装置７内の上部に入った燃焼排ガスは、給水予熱装置７内を下方に流れて仕切板４の下方の空間でターンし、そこから上方に向けて流れて燃焼排ガス出口９より排出される。

給水予熱装置内部は、仕切板によって２つの排ガス流路に分割した構成となっており、燃焼排ガス入口８側の流路は排ガス流下降流路１０、燃焼排ガス出口９側の流路は排ガス流上昇流路１１となる。排ガス流は排ガス流下降流路１０で下降し、仕切板４の下方でターンした後、排ガス流上昇流路１１で上昇流となる。

排ガス流下降流路１０内には水平方向に伸びる伝熱管３を多数設ける。伝熱管３には熱吸収用フィン５を多数設けている。熱吸収用フィン５は、水平方向に延びる伝熱管の表面から伝熱管軸に対して円周方向に全周に設けており、熱吸収用フィン５を配置することで伝熱面積を大きくすることができる。給水予熱装置７上部の燃焼排ガス入口８から入った燃焼排ガスは、燃焼排ガス入口から排ガス流下降流路１０を通って仕切板下方のターン部へ向けて流れる。排ガス流下降流路１０内には伝熱管３を多数設置し、伝熱管３内には温度の低いボイラ給水が流れるようになっており、燃焼排ガスとボイラ給水で熱交換するために最初高温であった燃焼排ガスは、伝熱管３内のボイラ給水を加熱するにつれて温度を低下させていく。

伝熱管群を通過した燃焼排ガスは、仕切板４の下方でターンし、排ガス流上昇流路１１では上向きに流れる。燃焼排ガス出口９は給水予熱装置７の上部に設けており、燃焼排ガスは上部の燃焼排ガス出口９へ向けて流れ、燃焼排ガス出口９を通って給水予熱装置７から出ていく。

伝熱管３の配列は、伝熱管位置が上下の段が同じ場所に重なるようにした碁盤目状の配置としている。碁盤目配列は、伝熱管をずらして配置する千鳥配列に比べると、コンパクトにすることができる。しかし碁盤目配列の場合、燃焼排ガスの流動方向に列状に並んだ伝熱管は、上流側伝熱管の陰となる部分に下流側伝熱管が配置されることになる。燃焼排ガスは隣り合う伝熱管の間にできる空間部分を流れていくが、碁盤目配列ではこの伝熱管間の空間部分も直線上となる。伝熱管群内を流れる燃焼排ガスは、伝熱管３の表面近傍よりも隣り合う伝熱管間の抵抗が少ない部分に多く流れる。伝熱管を碁盤目配列にしている場合には、隣り合う伝熱管の間にできる空間が直線となるため、燃焼排ガスは抵抗の少ない伝熱管間を直線的に流れる。燃焼排ガスが伝熱管から離れた部分に多く流れ、伝熱管の表面近くを流れる排ガス流が少なくなると、燃焼排ガスから伝熱管への伝熱量が低下し、給水予熱装置７による熱の吸収量が低下することになってしまう。

また排ガス流下降流路１０内では、伝熱管３の表面には熱吸収用フィン５があって燃焼ガスの流れに対して抵抗になるが、排ガス流路の周囲を囲む壁面は平坦であって抵抗は少なくなる。排ガス流は伝熱管３の近くで流れるよりも周囲の壁面に沿って流れる方が流れやすいとなると、この場合も伝熱管３から離れた部分に多くの燃焼排ガスが流れることになるため、給水予熱装置７による熱の吸収量が低下することになってしまう。

そして給水予熱装置７への熱の伝達を行いながら流れている燃焼排ガスでは、下流ほど燃焼排ガスの温度が低下し、温度の低下に伴って燃焼排ガスの体積は縮小していく。流路断面積が同じであると、流路内を流れる燃焼排ガスの体積量が縮小した場合、排ガス流は緩やかとなって伝熱効率は低下し、排ガス流は抵抗が大きくなる流路を使わなくても十分に流れることができるとなれば、抵抗が大きくなる部分を流れる排ガス流は減少することになる。燃焼排ガスが伝熱管近傍から離れた抵抗の少ない部分にしか流れないということになると、給水予熱装置７の下流側では給水予熱装置７への伝熱量が少なくなっていく。

これらの問題を解決するため、伝熱管群の内には、燃焼排ガスの流れを調節して伝熱管３への伝熱量を増加させるじゃま板１２を設ける。じゃま板１２は、燃焼排ガスの流動方向に対して交差する面を持った平板であって、燃焼排ガスが通り抜けるじゃま板開口部１３を持っている。じゃま板１２は、周囲を囲む枠体内に長方形の遮蔽面１４と長方形のじゃま板開口部１３を交互に配置した形状としている。長方形のじゃま板開口部１３は、排ガス流下降流路１０内に設けている伝熱管３の長手方向の辺と平行に伸びるものであって、伝熱管３の直下となる位置に設けており、燃焼排ガスは伝熱管３の直下に設けているじゃま板開口部１３に向けて回り込むようにしておく。

複数本設けているじゃま板開口部１３の開口幅は、場所によって大きさを異ならせる。
じゃま板１２の外縁に近いじゃま板開口部１３における開口幅Ｂは、中心側に近いじゃま板開口部１３における開口幅Ａよりも小さくする。また、じゃま板１２を複数設置している場合、排ガス流の下流側に位置するじゃま板１２におけるじゃま板開口部１３の開口幅Ｃは、排ガス流の上流側に位置するじゃま板１２におけるじゃま板開口部１３の開口幅Ａよりも小さくする。

伝熱管３の直下にじゃま板開口部１３を設け、同じ伝熱管の段であって隣り合う伝熱管３の間となる空間部分の直下は遮蔽面１４を設置し、伝熱管間の直下では燃焼排ガスの流れを遮蔽するようにしておくと、隣り合う伝熱管３の間部分を流れてきた燃焼排ガスは、そのまま直進することは遮蔽面１４によって遮られ、伝熱管３の直下位置にあるじゃま板開口部１３へ向かうことになる。じゃま板開口部１３は伝熱管３の直下にあるため、排ガス流は伝熱管３の下面側に沿って回り込み、じゃま板開口部１３を通ってその下流へ流れていく。

じゃま板１２がない場合、隣り合う伝熱管３の間を流れている燃焼排ガスは、そのまま伝熱管３から離れた部分で流れ続け、伝熱管３に対する伝熱量は少ないままとなってしまう。伝熱管群の途中に上記じゃま板１２を設置すると、燃焼排ガスはじゃま板開口部１３を通り抜けるために流路が変更され、伝熱管３の表面に沿って流れることになり、伝熱管に対する伝熱性が向上することになる。そしてじゃま板開口部１３の設置位置は、その下流側に設けている伝熱管３の直上位置でもあり、じゃま板開口部１３を通り抜けた燃焼排ガス流は、次にその下流に設けている伝熱管３の上部へ向けて流れる。伝熱管３に衝突した燃焼排ガス流は、伝熱管３の表面に沿って流れる。そのため、じゃま板１２の下流側の伝熱管３でも燃焼排ガス流は伝熱管の表面に沿って流れ、燃焼排ガス流から伝熱管に対する伝熱量が多くなる。このようにじゃま板１２を設置して燃焼排ガスはじゃま板１２に設けているじゃま板開口部１３を通すようにし、燃焼排ガスが流れるルートを伝熱管３に近接する位置に調節すると、じゃま板１２を設置している前後の伝熱管３や、その下流側の伝熱管においても伝熱効率が向上する。

ただし、じゃま板１２を設置すると燃焼排ガスの流れにとっては抵抗になる。そのため、じゃま板１２の設置数は伝熱管の段数より少ないものとし、伝熱管３の各段に設置することはせず、じゃま板１２を設置しない段も設けておく。

じゃま板１２を設置することによる燃焼排ガスの圧力損失の増加は、１枚増加すると１枚分の圧力損失が増加するように比例的に増加していくのに対し、じゃま板１２を設置することによる伝熱量の増加は、じゃま板１２の設置数が１〜２枚程度の少ない場合には１枚当たりの伝熱量増加幅は大きいが、じゃま板１２の設置枚数が多くなるとじゃま板１枚当たりの伝熱量増加幅は少なくなっていく。つまり、じゃま板１２を伝熱管３の各段に設置すると、期待できる伝熱量増加の効果に対する排ガス流の抵抗増大によるデメリットが多くなるため、じゃま板１２の設置数は伝熱管の設置段数より少ないものとし、伝熱管段の間にじゃま板１２を設置していない段を設けることで排ガス流の抵抗増大を抑えつつ、伝熱量増大の効果が得られるようにする。

また、排ガス流下降流路１０の周縁部を流れる排ガス流が多いと、伝熱管３に対する伝熱量は減少することになる。そのため、じゃま板１２の周縁部に近いじゃま板開口部１３よりもじゃま板１２の中心側におけるじゃま板開口部１３を大きくすることで燃焼排ガスを伝熱管群の中心側に集め、伝熱量を増加することも行っている。中心側のじゃま板開口部１３が大きいと中心側に向かう燃焼排ガスの割合が増加し、伝熱管への伝熱に寄与する燃焼排ガス量が増加するため、伝熱量を増加することができる。

さらに下流側のじゃま板１２でじゃま板開口部１３の開口幅を狭くすることでも伝熱量の増加を期待することができる。燃焼排ガスは給水予熱装置での熱交換によって温度が低下し、温度低下に伴って体積が縮小していく。そのため、下流側のじゃま板１２におけるじゃま板開口部１３を上流側のじゃま板１２におけるじゃま板開口部１３と同じ大きさにしていた場合、下流側のじゃま板１２では燃焼排ガスの圧力損失増加は少なくなるが、伝熱量を増加する効果も少なくなる。下流側のじゃま板１２ではじゃま板開口部１３の開口幅を小さくし、じゃま板による伝熱効率の向上を図ることで、温度の低下した燃焼排ガスからも効果的に熱の吸収を行えるようにする。

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排ガス通路
３伝熱管
４仕切板
５熱吸収用フィン
６給水入口伝熱管
７給水予熱装置
８燃焼排ガス入口
９燃焼排ガス出口
１０排ガス流下降流路
１１排ガス流上昇流路
１２じゃま板
１３じゃま板開口部
１４遮蔽面

Claims

燃焼ガスの熱によってボイラ水を加熱するボイラ本体と、ボイラから排出される燃焼排ガスを通す排ガス通路を持ち、排ガス通路の途中に給水予熱装置を設置している給水予熱装置を持ったボイラであって、給水予熱装置内には排ガス流とは交差する方向に伸びる多数の伝熱管を多段に配置した伝熱管群を設置して伝熱管内にボイラ給水を流し、伝熱管周囲に流す燃焼排ガスによって伝熱管内のボイラ給水を予熱するようにしている給水予熱装置を持ったボイラにおいて、前記伝熱管群内に燃焼排ガスの流動方向に対して交差する遮蔽面を持ったじゃま板を設置するものであり、前記じゃま板は伝熱管の排ガス流下流側直下位置に排ガス流を通すじゃま板開口部を設置し、隣り合う伝熱管の間となる空間部分の排ガス流下流側直下位置には排ガス流を遮蔽する遮蔽面を設置しており、じゃま板に設けているじゃま板開口部の開口幅は、排ガス通路の周縁側に設けているじゃま板開口部よりも排ガス流路の中心側に設けているじゃま板開口部の方が大きくなるようにし、伝熱管群中に複数のじゃま板を設置する場合、排ガス流下流側となるじゃま板におけるじゃま板開口部の開口幅は、排ガス流上流側となるじゃま板におけるじゃま板開口部の開口幅よりも小さく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。
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、前記じゃま板の設置数は伝熱管の設置段数よりも少ないものとし、伝熱管段の間にじゃま板を設置していない段も設けるように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。