JP7129214B2 - 排熱回収ボイラー - Google Patents

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Description

この発明は、排熱回収ボイラーに関する。
ガスを燃焼させてエネルギーを取り出す各種装置において、排出された排ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラーを用いることがある。一例として、ガスを燃料として駆動されるガスエンジンの排ガス流路中に排熱回収ボイラーを設けるコジェネレーションシステムが知られている。
特許文献1には、燃焼排ガスが流通する流路に伝熱管を設け、燃焼排ガスの熱エネルギー(排熱)を、伝熱管を通る水で回収する構成が開示されている。
特開2013-104643号公報
ところで、上記特許文献1のような排熱回収ボイラーにおいては、例えば、排熱回収ボイラーの起動時や停止時に、伝熱管の表面温度が低いと、排ガス中に含まれる水蒸気が伝熱管の外表面と接触して凝縮する場合がある。凝縮した水分はドレン水となり、排熱回収ボイラーの底部に貯留される。このように排気ガス中の水蒸気が凝縮したドレン水は、酸性度が高く(例えばpH2~4)、排熱回収ボイラーから排出するに際しては中和処理が必要となる場合が多い。そのため、中和処理槽等の設備が必要となり、設備の設置や中和処理に手間やコストが掛かるという課題がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ドレン水の排熱回収ボイラー外への排出量を抑え、中和処理に要する手間やコストを抑えることができる排熱回収ボイラーを提供することを目的とする。
この発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
この発明の第一態様によれば、排熱回収ボイラーは、底面上にドレン水を貯留可能な内部空間を区画形成する中空筒状のボイラー本体と、前記ボイラー本体内に排ガスを導入する導入口と、前記ボイラー本体内に設けられ、前記排ガスと熱交換する熱媒が流れる熱交換器と、前記ボイラー本体における前記底面よりも上方且つ前記熱交換器よりも下方に接続されて前記ボイラー本体内から前記排ガスを排出する排出口と、前記ボイラー本体における前記底面よりも上方かつ前記排出口よりも下方の高さ位置に設けられて、前記底面上に貯留されたドレン水を排出するドレン水排出口と、前記ボイラー本体の前記底面上に設けられ、前記底面上に貯留されたドレン水の液面よりも上方に突出する凸部と、を備える。
このように構成することで、ボイラー本体内で生じたドレン水は、ボイラー本体の底面上に、ドレン水排出口よりも下方の高さ位置までの範囲内で貯留される。貯留されたドレン水は、導入口からボイラー本体内に導入される排ガスの熱によって蒸発し、排ガスとともに排出口から排出される。したがって、ドレン水の排熱回収ボイラー外への排出量を抑えることができる。これにより、排熱回収ボイラー外に排出するドレン水の中和処理に手間やコストが掛かることを抑制できる。また、ボイラー本体の底面上に貯留されたドレン水の液面が、ドレン水排出口の位置にまで達してしまった場合には、ドレン水排出口の位置を超えた分のドレン水はドレン水排出口からボイラー本体外に排出される。
この発明の第二態様によれば、第一態様に係る排熱回収ボイラーは、第一端が前記ボイラー本体の外部から前記底面に接続されて、第二端が前記排ガスの流通経路に接続された連通管と、前記連通管に設けられて、前記第一端から前記第二端に向かって前記ドレン水を圧送可能なポンプと、をさらに備えるようにしてもよい。
このように構成することで、ボイラー本体の底面上に溜まったドレン水を、ポンプによって連通管の第一端から第二端に向けて送り、排ガスの流通経路内に吐出することができる。吐出されたドレン水は、流通経路内を流れる排ガス中で蒸発し、排ガスとともに排出口から排出される。したがって、ドレン水の排熱回収ボイラー外への排出量をさらに有効に抑え、排熱回収ボイラー外に排出するドレン水の中和処理に手間やコストが掛かることを抑制できる。
この発明の第三態様によれば、第二態様に係る排熱回収ボイラーは、前記ボイラー本体の前記底面上に貯留されたドレン水の液面の位置を検出する液面センサと、前記液面センサで前記液面の位置が予め定められた上限位置に到達したことを検出したときに、前記ポンプを作動させるコントローラーと、をさらに備える。
このように構成することで、液面センサでドレン水の液面の位置が予め定められた上限位置に到達したことを検出した場合に、コントローラーでポンプを作動させてドレン水を排ガスの流通経路内に吐出することができる。これにより、ドレン水がボイラー本体内に過度に溜まることを抑制できる。
この発明の第四態様によれば、第二又は第三態様に係る前記連通管は、前記排出口から延びる排気管に接続されているようにしてもよい。
このように構成することで、ボイラー本体の底面状に溜まったドレン水を、連通管を通して排出管内に吐出することができる。これにより、吐出されたドレン水は、排出管内を流れる排ガス中で蒸発し、排ガスとともに排出される。したがって、ドレン水の排熱回収ボイラー外への排出量をさらに有効に抑え、排熱回収ボイラー外に排出するドレン水の中和処理に手間やコストが掛かることを抑制できる。
この発明の第五態様によれば、第二から第四態様の何れか一つの態様に係る連通管は、前記ドレン水を吐出する孔を複数有したノズル部を前記第二端に備えていてもよい。
このように構成することで、ドレン水は、ノズル部を通して連通管の第二端から排ガスの流通経路内に吐出される。これにより、吐出されたドレン水は、流通経路内を流れる排ガスと接触する面積を大きくすることができ、効率良く蒸発させることができる。したがって、ドレン水の排熱回収ボイラー外への排出量をさらに有効に抑え、排熱回収ボイラー外に排出するドレン水の中和処理に手間やコストが掛かることを抑制できる。
この発明の第六態様によれば、排熱回収ボイラーは、底面上にドレン水を貯留可能な内部空間を区画形成する中空筒状のボイラー本体と、前記ボイラー本体内に排ガスを導入する導入口と、前記ボイラー本体内に設けられ、前記排ガスと熱交換する熱媒が流れる熱交換器と、前記ボイラー本体における前記底面よりも上方且つ前記熱交換器よりも下方に接続されて前記ボイラー本体内から前記排ガスを排出する排出口と、第一端が前記ボイラー本体の外部から前記底面に接続され、第二端が前記排ガスの流通経路に接続された連通管と、前記連通管に設けられて、前記第一端から前記第二端に向かって前記ドレン水を圧送可能なポンプと、前記ボイラー本体の前記底面上に貯留されたドレン水の液面の位置を検出する液面センサと、前記液面センサで前記液面の位置が前記排出口の位置よりも低い予め定められた上限位置に到達したことを検出したときに、前記ポンプを作動させるコントローラーと、前記ボイラー本体の前記底面上に設けられ、前記底面上に貯留された前記ドレン水の液面よりも上方に突出する凸部と、を備える。
このように構成することで、ポンプによって連通管の第一端から第二端に送られて排ガスの流通経路内に吐出されたドレン水は、流通経路内を流れる排ガス中で蒸発し、排ガスとともに排出口から排出される。したがって、ドレン水の排熱回収ボイラー外への排出量をさらに有効に抑え、排熱回収ボイラー外に排出するドレン水の中和処理に手間やコストが掛かることを抑制できる。
上記排熱回収ボイラーによれば、ドレン水の排熱回収ボイラー外への排出量を抑え、中和処理に要する手間やコストを抑えることができる。
この発明の一実施形態における排熱回収ボイラーの全体構成を示す模式図である。 この発明の一実施形態の変形例における排熱回収ボイラーの全体構成を示す模式図である。 この発明の一実施形態の他の変形例における排熱回収ボイラーの全体構成を示す模式図である。 この発明の一実施形態のさらに他の変形例における排熱回収ボイラーの全体構成を示す模式図である。
以下、この発明の一実施形態における排熱回収ボイラーを図面に基づき説明する。
図1は、この実施形態の排熱回収ボイラーの全体構成を示す模式図である。
図1に示すように、この実施形態の排熱回収ボイラー1は、ボイラー本体2と、熱交換器3と、導入口4と、排出口5と、ドレン水排出口11と、連通管21と、ポンプ22と、を主に備えている。排熱回収ボイラー1は、ガスエンジン(図示せず)等から排出される排ガス流路の途中に設けられている。排熱回収ボイラー1は、例えば、排ガス流路の途中に設けられた触媒装置(図示せず)と、消音器(図示せず)との間に設けることができる。
ボイラー本体2は、上下方向に延びる中空筒状をなしている。ボイラー本体2は、その内部に、ドレン水Wを貯留可能な内部空間Sを区画形成する。ドレン水Wは、内部空間Sのうち、ボイラー本体2の底面2b上に貯留される。
導入口4は、ガスエンジン(図示せず)等から排出される排ガスをボイラー本体2内に導入する。この実施形態において、導入口4は、ボイラー本体2の上部において、ボイラー本体2の側面2sに形成されている。
排出口5は、ボイラー本体2内から排ガスを排出する。この実施形態において、排出口5は、ボイラー本体2の下部に形成されている。より具体的には、排出口5は、ボイラー本体2の底面2bよりも所定の寸法だけ上方のボイラー本体2の側面2sに形成されている。
これにより、ボイラー本体2内において、ボイラー本体2の上部に設けられた導入口4から導入された排ガスは、下部に設けられた排出口5に向かって流れ、排出口5から排出される。すなわち、この実施形態において、ボイラー本体2内において、排ガスは上方から下方に向かって流れる。なお、ボイラー本体2における排ガスの流れ方向は、上方から下方に限るものではなく、下方から上方でもよいし、横方向であってもよい。
熱交換器3は、ボイラー本体2内に配置されている。熱交換器3は、内部に水等の熱媒が流れる伝熱管3pを備えている。熱交換器3は、ボイラー本体2の内部空間Sを導入口4から排出口5に向かって流れる途中で伝熱管3pの外表面に接触する排ガスと、伝熱管3p内を流れる熱媒とを熱交換させる。この実施形態で例示する熱交換器3は、ボイラー本体2内で導入口4に近い側(上側)に配置された高温側熱交換器3Hと、排出口5に近い側(下側)に配置された低温側熱交換器3Lとを備えている。これら高温側熱交換器3Hと、低温側熱交換器3Lとは、それぞれ直列に接続されている。
ドレン水排出口11は、ボイラー本体2における底面2bよりも上方、かつ排出口5よりも下方の高さに形成されている。ドレン水排出口11は、底面2b上に貯留されたドレン水Wを、ボイラー本体2の外部に排出可能となっている。より具体的には、ドレン水排出口11は、ドレン水Wの液面が、ドレン水排出口11の高さ位置まで到達した場合に、ドレン水排出口11の高さ位置を超える分のドレン水Wをボイラー本体2の外部に排出する。
ドレン水排出口11には、ドレン水排出管11pが接続されている。この実施形態で例示するドレン水排出管11pは、ボイラー本体2内の排ガスが外部に流出することを阻止するUシール部12を備えている。このUシール部12には、予め水等の流体12wが所定量注入され、この流体12wによって排ガスの流出が阻止されている。
連通管21の第一端21aは、ボイラー本体2の外部から底面2bに接続されている。連通管21の第二端21bは、排ガスの流通経路Rを形成する排気管13に接続されている。排気管13は、排出口5からボイラー本体2の外側に向かって延びている。この実施形態において、連通管21の第二端21bは、排気管13に対して連通管21が直交するように接続されている。連通管21には、開閉弁23が設けられている。
ポンプ22は、連通管21に設けられている。ポンプ22は、第一端21aから第二端21bに向かって、ドレン水Wを圧送する。ポンプ22を作動させることにより、ボイラー本体2の底面2b上に貯留されたドレン水Wが、連通管21の第一端21aから第二端21bに向かって圧送され、排出口5内の排ガスの流通経路Rに吐出される。
ここで、連通管21の第二端21bには、ドレン水Wを吐出する孔を複数有したノズル部21cが設けられている。このノズル部21cにより、連通管21の第二端21bから吐出されるドレン水Wは、霧状、あるいは液滴状となって流通経路Rに散布される。
ボイラー本体2内には、底面2b上に貯留されるドレン水Wの液面の位置が、予め定めた上限位置に到達したか否かを検出する液面センサ24が設けられている。この液面センサ24の検出信号は、ポンプ22のコントローラー25に入力される。コントローラー25は、液面センサ24の検出信号に基づいて、ドレン水Wの液面の位置が予め定めた上限位置に到達したと判定された場合、開閉弁23を開き、ポンプ22を作動させる。
排熱回収ボイラー1は、ボイラー本体2の底部に、ボイラー本体2内に貯留されたドレン水Wを外部に排出する排水管30が接続されている。排水管30は、開閉弁31を備えている。開閉弁31は、通常時は閉塞状態にされ、メンテナンス時等に、必要に応じて開放操作される。
上記したような排熱回収ボイラー1において、ガスエンジン(図示せず)側から排出される排ガスは、導入口4からボイラー本体2内に送り込まれる。ボイラー本体2内に送り込まれた排ガスは、下方の排出口5側に向かって流れ、熱交換器3の伝熱管3pの外表面に接触する。これにより、伝熱管3p内を流れる熱媒と熱交換を行い、熱媒(水)が加熱される。
通常の運転時(例えば、定常運転時等)においては、排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮してドレン水Wが生じた場合、ドレン水Wは、排ガスの熱によって蒸発し、ボイラー本体2の底面2b上には溜まらない。
一方で、排熱回収ボイラー1の起動時や運転終了時等において伝熱管内の給水の温度が低く伝熱管の表面の温度が低い場合や、外気が高温多湿である場合等には、排ガス中に含まれる水蒸気が伝熱管3pの外表面と接触して凝縮する。この凝縮したドレン水Wは、ボイラー本体2の底面2b上に溜まる。この場合、ボイラー本体2の底面2b上に貯留されるドレン水Wは、その液面が、ドレン水排出口11に到達するか、液面センサ24によって上限位置に到達したことが検出されない限り、液体でボイラー本体2の外部に排出されない。ここで、ボイラー本体2の底面2b上には、排熱回収ボイラー1を起動してから運転を終了させるまでの1回の運転サイクルで発生するドレン水Wの量を上回る量のドレン水Wを貯留できるようになっている。
ボイラー本体2の底面2b上に貯留されたドレン水Wは、ボイラー本体2内で排ガスに曝されている。これにより、排熱回収ボイラー1の起動後、時間が経過して排ガス温度が上昇すると、ボイラー本体2の底面2b上に貯留されたドレン水Wは蒸発し、排ガスとともに排出口5からボイラー本体2の外部へ排出される。
また、何らかの原因により、ボイラー本体2の底面2b上に貯留されるドレン水Wの液面が、ドレン水排出口11の位置まで到達した場合、ドレン水Wはオーバーフローし、ドレン水排出口11を介してボイラー本体2の外部に排出される。排出されたドレン水はタンクに受けるなどした後、産廃処理される。液面センサ24によって、ボイラー本体2の底面2b上に貯留されるドレン水Wの液面が上限位置に到達したことが検出された場合、コントローラー25の制御によってポンプ22が作動する。すると、ボイラー本体2の底面2b上に貯留されたドレン水Wが、連通管21の第一端21aから第二端21bに送られ、排気管13内に吐出される。排気管13内に吐出されたドレン水Wは、排気管13内の流通経路Rを流れる排ガス中で蒸発して排ガスとともに排気管13を通って、最終的に大気に排出される。ここで、排出口5内の排ガスの流通経路Rの断面積は、ボイラー本体2の内部空間Sの断面積よりも小さいので、排ガスは排出口5内で流速が高まる。これにより、排出口5内に吐出されたドレン水Wは効率良く蒸発する。また、ドレン水Wは、流通経路R内でノズル部21cを通して霧状または液滴状に噴霧される。これによっても、排出口5内に吐出されたドレン水Wは効率良く蒸発する。
上述した実施形態の排熱回収ボイラー1は、ボイラー本体2における底面2bよりも上方かつ排出口5よりも下方の高さ位置に、底面2b上に貯留されたドレン水Wを排出するドレン水排出口11を備える。このように構成することで、ボイラー本体2内で生じたドレン水Wは、ボイラー本体2の底面2b上に貯留されるとともにドレン水排出口11よりも下方の高さ位置までの範囲内で貯留される。この貯留されたドレン水Wは、導入口4からボイラー本体2内に導入される排ガスの熱によって蒸発し、排ガスとともに排出口5から排出される。
したがって、ドレン水Wの排熱回収ボイラー1外への排出量を最小限に抑えることができる。そのため、排熱回収ボイラー1外に排出するドレン水Wの中和処理に手間やコストが掛かることを抑制できる。
ボイラー本体2の底面2b上に貯留されたドレン水Wの液面が、ドレン水排出口11にまで達してしまった場合には、ドレン水排出口11の位置を越えた分のドレン水Wはドレン水排出口11からボイラー本体2外に排出することができる。排出されたドレン水は、タンクに受けるなどした後、産廃処理が必要となるが、極少量に抑えることができる。
上述した実施形態では、連通管21の第一端21aは、ボイラー本体2の外部から底面2bに接続されている。連通管21の第二端21bは、排ガスの流通経路Rに接続されている。連通管21には、ポンプ22が設けられている。そのため、ボイラー本体2の底面2b上に溜まったドレン水Wを、ポンプ22によって連通管21の第一端21aから第二端21bに送り、排ガスの流通経路R内に吐出することができる。これにより、吐出されたドレン水Wは、流通経路R内を流れる排ガス中で蒸発し、排ガスとともに排出口5から排出される。
したがって、ドレン水Wの排熱回収ボイラー1外への排出量をさらに有効に抑え、排熱回収ボイラー1外に排出するドレン水Wの中和処理に手間やコストが掛かることを抑制できる。
上述した実施形態では、液面センサ24でドレン水Wの液面の位置が予め定められた上限位置に到達したことを検出した場合、コントローラー25は、ポンプ22を作動させてドレン水Wを排ガスの流通経路R内に吐出させる。これにより、ドレン水Wがボイラー本体2内に過度に溜まることを抑制できるとともに、ドレン水Wがドレン水排出口11から排出されることを抑制できる。
上述した実施形態では、排熱回収ボイラー1は、連通管21の第二端21bが、排気管13に接続されている。このように構成することで、ボイラー本体2の底面2b上に溜まったドレン水Wは、連通管21を通して排気管13内の流通経路Rに吐出される。これにより、吐出されたドレン水Wは、蒸発し、排ガスとともに排出される。
したがって、ドレン水Wの排熱回収ボイラー1外への排出量をさらに有効に抑え、排熱回収ボイラー1外に排出するドレン水Wの中和処理に手間やコストが掛かることを抑制できる。
上述した実施形態では、連通管21の第二端21bに、ドレン水Wを吐出する孔を複数有したノズル部21cが設けられている。このように構成することで、ドレン水Wは、ノズル部21cを通して連通管21の第二端21bから排ガスの流通経路R内に吐出される。これにより、吐出されたドレン水Wは、流通経路R内を流れる排ガスと接触する表面積が大きくなり、効率良く蒸発する。
したがって、ドレン水Wの排熱回収ボイラー1外への排出量をさらに有効に抑え、排熱回収ボイラー1外に排出するドレン水Wの中和処理に手間やコストが掛かることを抑制できる。
(その他の変形例)
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、排熱回収ボイラー1は、ドレン水排出口11と、連通管21、ポンプ22、および液面センサ24との双方を備えるようにしたが、これに限らない。
例えば、図2に示すように、連通管21、ポンプ22、および液面センサ24を省略し、ドレン水排出口11のみを備えてもよい。
また、例えば、図3に示すように、ドレン水排出口11を省略し、連通管21、ポンプ22、および液面センサ24のみを備えてもよい。
さらに、図4に示す変形例のように、ボイラー本体2の底面2b上に、貯留されるドレン水Wの液面よりも上方に突出する凸部40を設けるようにしてもよい。このような構成によれば、ボイラー本体2内を流れる排ガスによって凸部40が加熱され、その熱がドレン水Wに伝達されることで、ドレン水Wの蒸発が促進される。
1 排熱回収ボイラー
2 ボイラー本体
2b 底面
2s 側面
3 熱交換器
3H 高温側熱交換器
3L 低温側熱交換器
3p 伝熱管
4 導入口
5 排出口
11 ドレン水排出口
11p ドレン水排出管
12 Uシール部
13 排気管
21 連通管
21a 第一端
21b 第二端
21c ノズル部
22 ポンプ
23 開閉弁
24 液面センサ
25 コントローラー
30 排水管
31 開閉弁
40 凸部
R 流通経路
S 内部空間
W ドレン水
12w 流体

Claims (6)

  1. 底面上にドレン水を貯留可能な内部空間を区画形成する中空筒状のボイラー本体と、
    前記ボイラー本体内に排ガスを導入する導入口と、
    前記ボイラー本体内に設けられ、前記排ガスと熱交換する熱媒が流れる熱交換器と、
    前記ボイラー本体における前記底面よりも上方且つ前記熱交換器よりも下方に接続されて前記ボイラー本体内から前記排ガスを排出する排出口と、
    前記ボイラー本体における前記底面よりも上方かつ前記排出口よりも下方の高さ位置に設けられて、前記底面上に貯留されたドレン水を排出するドレン水排出口と、
    前記ボイラー本体の前記底面上に設けられ、前記底面上に貯留されたドレン水の液面よりも上方に突出する凸部と、
    を備える排熱回収ボイラー。
  2. 第一端が前記ボイラー本体の外部から前記底面に接続されて、第二端が前記排ガスの流通経路に接続された連通管と、
    前記連通管に設けられて、前記第一端から前記第二端に向かって前記ドレン水を圧送可能なポンプと、
    をさらに備える請求項1に記載の排熱回収ボイラー。
  3. 前記ボイラー本体の前記底面上に貯留されたドレン水の液面の位置を検出する液面センサと、
    前記液面センサで前記液面の位置が予め定められた上限位置に到達したことを検出したときに、前記ポンプを作動させるコントローラーと、
    をさらに備える請求項2に記載の排熱回収ボイラー。
  4. 前記連通管の前記第二端は、前記排出口から延びる排気管に接続されている、
    請求項2又は3に記載の排熱回収ボイラー。
  5. 前記連通管は、前記ドレン水を吐出する孔を複数有したノズル部を、前記第二端に備えている、
    請求項2から4の何れか一項に記載の排熱回収ボイラー。
  6. 底面上にドレン水を貯留可能な内部空間を区画形成する中空筒状のボイラー本体と、
    前記ボイラー本体内に排ガスを導入する導入口と、
    前記ボイラー本体内に設けられ、前記排ガスと熱交換する熱媒が流れる熱交換器と、
    前記ボイラー本体における前記底面よりも上方且つ前記熱交換器よりも下方に接続されて前記ボイラー本体内から前記排ガスを排出する排出口と、
    第一端が前記ボイラー本体の外部から前記底面に接続され、第二端が前記排ガスの流通経路に接続された連通管と、
    前記連通管に設けられて、前記第一端から前記第二端に向かって前記ドレン水を圧送可能なポンプと、
    前記ボイラー本体の前記底面上に貯留されたドレン水の液面の位置を検出する液面センサと、
    前記液面センサで前記液面の位置が前記排出口の位置よりも低い予め定められた上限位置に到達したことを検出したときに、前記ポンプを作動させるコントローラーと、
    前記ボイラー本体の前記底面上に設けられ、前記底面上に貯留された前記ドレン水の液面よりも上方に突出する凸部と、
    を備える排熱回収ボイラー。
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