JPH0646081B2 - 熱風発生方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、加熱空間に熱ガスを発生させ、次にそのガ
スに水を加えて蒸発させ、ガスと混合させる熱風発生方
法に関する。

また、この発明はガスと蒸気との混合物を同一のパイプ
を介して加熱しようとするものに送り込む直動式の熱風
発生装置に関している。

公知の直動式熱風発生装置においてはいわゆる二次空気
を、また空気循環システムでは処理された煙道ガスの混
合物を、煙道熱ガスと混合させるのに対して、公知の直
動式蒸気発生装置においては、炉自体の中で水と煙道熱
ガスとを混合させている。

空気を媒体として用いるシステムにおいてはエネルギー
の伝達に極めて多量の空気が必要であることが公知の熱
風発生装置の欠点である。この欠点のために、送風機や
送風機のエンジンおよび配熱管システムなどが、極めて
大きくなければならない。また、この公知のシステムに
は、送風圧力が比較的低い、通常０．０１バール以下で
あるという特徴がある。加熱されたガスは、圧力がこの
ように低いために、粒度の小さい原料、例えば０−８mm
の粒度を有するなめらかな粒の石に浸透することができ
ない。小さい粒度を有する原料を加熱するには高価な熱
分配装置が必要であるが、この装置は詰りやすいという
欠点を持つ。さらに、大量の空気が使われるので、この
ような原料は深刻なほこりの問題を起しまた大量の空気
が通り抜けて行くことからエネルギーの損失が大きい。

他方、公知の直動式蒸気発生システムの欠点はシステム
のもたらす効果のわりに、必要とされる水の量が余りに
も多いということである。この理由は、水と煙道ガスと
が完全に混り合わないで、同一パイプ内で水と熱ガス流
とが一部分離しているからである。従つて、このタイプ
の蒸気発生装置は主として熱交換機によつて水を加熱す
るのに利用される。この公知のシステムは原料を直接加
熱するのに向いているが、但し大量の水を使用できる場
合に限られる。この公知のシステムのもう１つの欠点
は、高温度にできない構造になつている点である。この
ような公知システムには、ガス駆動装置しか使えない。
というのはオイル駆動装置の場合炉内に送りこまれた水
が、燃焼部を冷却するので、燃焼が不完全となり、多く
面で支障をきたすからである。

この発明の目的は、公知の熱風発生システムや蒸気発生
システムが有している欠点を取り除く熱風発生方法とそ
の装置を提供することにある。

上記の目的を達成しようとする本発明の方法は、加熱空
間より熱ガスをうず室に送り込みうず運動をおこす。う
ず室のほぼ中心軸付近に送り込んだ水が、ガスのうず運
動によりうず室の内周辺に移動していく時に熱ガスと物
理的に混合し、かつ、そのガスの熱エネルギーによつて
蒸発する。そしてこの熱ガスとこの蒸発水との混合物が
うず室より放出される際は、うず室の中心軸付近より給
水点の対向側へ放出される。−というような特徴を有し
ている。

一方、この発明の装置は、加熱空間に熱ガス用吐出し管
が設けられている。この吐出し管はうず室の外周に連結
されて熱ガスにうず運動をさせるようになつている。ま
たうず室には、中心軸の附近に開口している給水手段
と、蒸気と熱ガスとの混合物を放出する放出管とが設け
られている。この放出管は給水手段の入口に対してうず
室の対向側にあり、中心軸附近を起点としている。−と
いうような特徴を備えている。

公知のシステムと比較すると、高い熱容量を少量の空気
で伝達できるという点に、この発明の利点がある。公知
の装置と比較して、空気量はわずか1/20ですむ。という
のは例えば５００KWの熱風発生装置では、従来１４，０
００m³／ｈの量の空気を使用していたが、この発明のシ
ステムによれば、同じ５００KWの効率を、６９０m³／ｈ
の空気の量で伝達しうるからである。もう１つの利点は
より低い送風効率でより大きい熱容量を伝達できるとい
う点にある。上の例においては、５００KWの熱容量を伝
達するのに９０KWの送風効率が必要とされたが、この発
明の解決方法を利用すると、１５KWの効率しか必要でな
い。これによつて７５KWの送風力が節約される。少量の
空気で済むために、配熱管は従来のシステムのそれより
もかなり小さい寸法のものを使用することができる。従
来では、５００KWの効率においては５００mmの直径を有
する送風管が必要であつた。この発明の場合では、必要
とされる直径は、たつた１００mmでしかない。この発明
の装置では熱ガスと水との混合物を用いるために、ガス
と混合した水を凝縮することによつて加熱しようとする
材料にエネルギーをほとんど完全に伝達できる。この材
料は、上記の例の場合は砂を使用した。この発明の方法
では、熱ガスに湿り気があるのでほこりの問題が生じな
い、それにこのようなほこりの問題は空気の量が少ない
ために解消されてしまう。この発明の方法では公知のシ
ステムにおけるよりも高い圧力を使用することができ
る。上の例の場合、高価で不便な配気手段を用いずと
も、粒度の小さい石材にエネルギーを送ることができ、
またこの発明によれば従来のシステムと比べて圧力を５
倍増加することができた。その場合の圧力は０．１と
０．５バールであつた。毎分約５の割合で水をこの発
明の装置のうず室に５００KWの効率で送り込んだ。これ
に対して公知の蒸気発生装置では、等しい効率で毎分約
１３の水量を必要とした。この差はこの発明の装置で
は混合物の温度がより高いという事実によるものであ
り、また水を煙道熱ガスと完全に混合させ、過熱するこ
とが本発明の装置のうず室において効果的に行えたから
である。この発明の熱風発生装置は蒸気ボイラでも蒸気
発生装置でもない。なぜなら、水ジヤケツトや給水管シ
ステムや炉などの中ではなくうず室内で遠心エネルギー
と熱エネルギーの総合作用により水を蒸発させるからで
ある。このような特性のものであるから熱ガスをうず室
に送り込みさえすればどのような種類のエネルギーによ
つても発生装置を作動させることができる。また空気を
加熱するのに電気により直接加熱したり、アキユムレー
タを使用したりすることもできる。この発明の解決策で
あるうず室システムによれば完全な乾式炉を使用するこ
とも可能である。乾式炉とはたとえばオイル、ガス、ピ
ートなどにより作動するれんが用炉やマス炉である。上
で述べたように電気による方式のものでもよい。アキユ
ムレータによる方式とは、熱エネルギーを例えば石材に
蓄えておき、そこから熱エネルギーを媒体としての空気
と共にうず室に伝達するものである。本発明のシステム
では、温度調節により水量を制御しており、所要の送風
温度を得るのに必要な水の量が自動的に供給される。従
つて、公知の蒸気発生システムの場合のように蓄積され
たエネルギーがなくなつた時に水または水ジヤケツトを
冷やすことなく熱風のみを吹き送ることが可能である。
乾式駆動炉のもう１つの利点は、給水管を凍結しないよ
うにしておけば、凍結の怖れがないことである。この発
明の装置のもう１つの利点は、同装置が圧力容器ではな
いということである。なぜなら水を収容する空間が密閉
式ではないからであり、さもなくば水を収容する空間を
設けていないからである。この発明の油式またはガス式
熱風発生装置の燃焼状態は、自動と手動のいずれの方法
でも極めてよく分析することができる。これを分析する
には、加圧された煙道ガスを純水に送り込み、水の暗色
化の度合によつて炎の燃焼が適切なものであるかどうか
を判断するのである。作業員が見える範囲内に分析器を
効果的に置いておけば、連続的に或いは周期的に、例え
ば点火する毎に、燃焼の分析を行うことができる。この
分析方法についてであるが、空気が少しぐらい多い目で
あつても、加熱は煙道ガスによつて行われるので、不都
合が生じることはない。従つて、この分析を行うのは主
として燃焼がクリーンに行われているかどうか見るため
である。これをするには水を分析して確めるのがよい。
なぜなら、わずかな量の油でも水の表面に薄膜としては
つきり見られるからであり、また煤も水中では、容易に
かつすばやく見つけられるからである。ガスによる駆動
の場合は、空気の供給量を少なくすると主として煤まじ
りの燃焼となり、これは水を分析すれば分る。この発明
の方法の利点は、システムに安全弁が設けられるという
点である。装置の放出管の分岐部分に安全弁を取り付け
てもよい。安全弁の調整限界は、燻蒸点すなわちバーナ
の燃焼用送風機の送風量が最も少なくなり、これによつ
て不充分な送風による燃焼となる点とする。安全弁はま
たロータリ式ピストンコンプレツサの安全弁の開弁点以
下に調整してもよく、こうすることによつてコンプレツ
サの安全弁が全開しなくても燃焼用空気の供給不足とは
ならない。さらにサーモスタツトを設けて、送風側の安
全弁のために漏れ検出器とする。安全弁の管内の温度が
上昇し過ぎるとこのサーモスタツトは、ＯＦＦになる。
しかし、圧力打撃が一時的に発生した場合には、ＯＦＦ
にならないので不必要な作動の中断は避けられる。この
安全弁を配設したことが、公知の装置と比較してこの発
明の装置の用途により大きな柔軟性を与えている。

添付図面に示した１つの好ましい実施例に従つてこの発
明についてさらに厳密に説明する。

第１図はこの発明の装置の１つの実施例を示した側面
図、 第２図は別の方向から見た第１図の装置を示した図であ
る。

これらの図では加熱空間は参照番号１で示されている。
この実施例においては、加熱空間１は炉である。うず室
は参照番号２で示され、吐出し管３を介して炉と連通し
ている。炉の壁の内側には開放水部４が炉を囲むように
形成されている。炉にはさらにいわゆる煙管５が設けら
れていて、炉の炎の放射熱が水に伝わらないようにして
いる。水部４は、連結管６によつてうず室２と連結され
ており、ガスは放出管７を介してうず室から放出され
る。

公知の蒸気発生装置の場合とは異り、水部４内の水が炉
によつて蒸発することはないということがこの発明の必
須事項である。従つて、水部４内の水の温度は、常に１
００℃以下、すなわち水の蒸発点以下である。水部内の
水の過熱が上記のように、炎の放射熱を冷却水に伝達し
ないようにする前記の煙管によつて防がれる。煙管５と
水部４との距離は、煙管の素材の最大許容温度を越える
ことのない程度のもの、つまり水部４内の水が煙管５の
冷却剤として作用する程度のものである。この煙管５は
燃料が油である場合特に利点がある。なぜなら、煙管に
よつて燃焼室の温度が１０００℃を越える温度となり、
これによつて油が完全に燃焼するからである。煙管５に
よつて得られた状況は、大体セラミツク製の燃焼室の状
況と似ている。燃焼室の温度が、発火してから数秒でそ
の最高値まで上昇するように煙管５は薄い材料で作つて
ある。

炉の壁の内側にとり付けられた水部４は大きな直径を有
するあふれ管８によつて水の表面より上方で、うず室２
と連結されている。このような構成によつて水部４はい
かなる状況でも密閉状態とはならないような開放構造と
なるので、水部内の圧力は燃焼用送風機の最大圧力より
大きくなることはない。

この発明のもう１つの重要な点は、熱ガスと水とを混合
するのにうず室２を用いたことである。図面に示された
実施例においては、熱ガスは炉から比較的細い吐出し管
３を介してうず室に入る。吐出し管３の一端はうず室の
外面に位置しており、前記ガスは図示の通りうず室内で
うず運動を展開する。これによつて熱ガスは遠心力の作
用でうず室の内周辺に押しやられる。水は、水部の下部
分にある連結管と弁９とを介してうず室２に送り込まれ
る。水は弁９の周期的なまたは連続的な調節によつて、
回分式でうず室の中心に、すなわちうず室の中心軸１０
の近くに送り込まれる。水はうず室内に入ると、その内
周にそつて流動し、熱ガスと共にうず運動を行う。水は
熱ガスよりも重いために、完全に蒸発して熱ガスと合体
するまではうず室から出て行くことはできない。蒸気と
ガスの混合物はうず室内で４００℃の温度まで加熱で
き、これによつて水の量はその熱効率のわりに極めて少
なくなる。このことは、加熱工程において水の凝縮が加
熱しようとする材料または環境に対して問題を引き起こ
す場合、極めて重要になつてくる。原則的には、混合物
の温度は８０℃から４００℃までの範囲内で連続的に調
節してもよい。もつとも低い温度でも、本装置は温水器
または蒸気発生装置の働きをする。

水量の調節は、連続周期でまたは連続的に調節可能であ
る水量弁または計量装置を用いて、混合物の温度の関数
として行うことができる。計量装置が磁気弁のようなも
のである場合には、水をうず室に送る弁９と、水を水部
４に送る弁１１とは同時に開弁する。両方の弁から送ら
れる水が互いに対応するように水流の調節が行われる。
すなわち水部４から送られる水の量と、水部に補給され
る水の量とは等しいのである。もしうず室に送られる水
の量が水部４に送られる水の量よりも少ない場合は、水
はあふれ管８を通つてうず室２に流れ込むので、自動的
に平衡状態が得られる。あふれ管は連結管６と同じ箇所
でうず室と連結されている。このような構成にすると、
水部４内の水を連続的に取り替えることができ、また水
部内の水の表面は常に適切な高さにあるという利点があ
る。もし水部４の中の水の表面のレベルが低すぎると、
レベル調整用電極により弁１１が開き、水の表面が適正
なレベルまで上昇する。バーナが作動していようといま
いと、或いは温度調節機が水を必要としていようといま
いと、このようなことには関係なく、電極１２が水の存
在を検出しない場合は、この電極の誘導によつて水部４
に水が常に補給される。

凝縮水が本装置の停止に伴つてうず室２と吐出し管３と
に流入したとしても、この水は次の始動時にうず室に送
り込まれた水と同じように取り除かれる。それで本装置
には凝縮水自動戻りシステムを設けてある。

また吐出される混合物の温度を前記水調節システムによ
り、極めて正確に調節することも可能であり、例えばＰ
ＩＤ調節機を使うと、約１％の調節精度が得られた。と
いうことは水量を極めて正確に制御できるということで
ある。

うず室内で形成された混合物は放出管７を介してうず室
から放出される。放出管７は、連結管６とあふれ管８と
の対向側において、うず室とその中心軸１０近くで連結
されている。この構成はとくに第２図で示されている。
混合物は前記の放出管７によつてどんな作用点にも送る
ことができる。図面の実施例においては、この作用点は
砂クツシヨン１３である。

この発明の方法と装置の利点は、水と熱ガスがあらゆる
水量で極めて効率的に制御できるという点にある。さら
に、水と熱ガスはうず室でほとんど完全に混合されるの
で、必要とされる水量は効率のわりには少量ですむ。熱
技術特性に関しては、この混合物は、たとえ使用される
装置が熱風発生装置で、蒸気の圧力が１バール以下、ほ
とんどの場合、０．５バール以下であつても、非常な高
圧で過熱された蒸気に匹敵する。

この方法で生じる反対圧力が、高くかつまちまちなもの
である場合は、回転式ピストンコンプレツサを燃焼用送
風機として使用するが、このようなコンプレツサの空気
量は反対圧力に応じて変ることはほとんどない。反対圧
力が１バールに近い範囲内にある時は、回転式ピストン
コンプレツサを常に使用する。反対圧力が０．５バール
以下の場合は、高圧送風機を燃焼用エアブロアーとして
使用してもよく、この高圧送風機では空気の量はほとん
ど反対圧力によつて決定される。しかし高圧送風機を使
用する時は、反対圧力の変化を正確に知る必要があり、
またその圧力変化の幅はせまいものでなければならな
い。

第１図および第２図で示された装置は、通常次のように
作動する。燃焼用空気は吸気フイルタと消音装置１４を
経て回転式ピストンコンプレツサ１５に送られる。圧力
スイツチ１６によつて、燃焼用空気が所定圧力に達する
と、バーナの始動を抑えているロツクがはずれ、これで
作動が開始される。バーナの自動装置が点火用変圧器１
７のスイツチを入れてこれを作動させる。オイルポンプ
１８が始動し、間をおいてオイル用の磁気弁１９が開
く。約１５バールの圧力を有する高圧オイルは、オイル
バーナの開口部２０からとび出すと、一定方向に向い、
点火用変圧器の高電圧のスパークにより点火される。フ
オトレジスター２１がその炎を検出する。炎を検出する
故障時間制御が無視されると、フオトレジスターは炎の
検出をはじめるのである。オイルの圧力は圧力調節機２
２により調節される。

上記のように点火が行われると、炉の煙管５内で火炎が
あがる。煙管５と水部との間には約１０mmのエアギヤツ
プが設けられている。この構成によつて上記のように炉
の温度は極めて高くまた水部４内の水は放射熱を受けな
いので、伝導による伝達熱によつて水の温度が蒸発温度
まで上昇することがない。つまり上記のように、通常の
使用時における水の温度は常に１００℃以下にとどまる
のである。うず室２と水部４との間にある連結管６にあ
る弁９を開いて水部４内の水を循環させ、これによつて
同時に弁１１が開く。上記構成により、冷却水が連続的
に水部４内に供給され、かつ水表面が一定に保たれる。
弁１１を通る水の流量が弁９を介してうず室に送られた
水の量よりも多い場合は、余剰水はあふれ管８を介して
うず室２に流れ込む。弁９と弁１１は温度センサの測定
結果に応じてＰＩＤ温度調節機２３により制御される。
もし水部４内の水の表面レベルが電極１２より下にある
時は、上記のように弁１１が開く。

バーナーへの燃焼用空気の供給は、第１−第２法則に従
つて行われる。すなわち手動調節式フラツプ弁２４によ
り空気の量を調節する。その弁２４を閉めると、一次空
気が増え、開くと二次空気が増える。

燃焼により生じた熱ガスは、吐出し管３を介してうず室
２に送られる。うず室では熱ガスはうず運動を展開し、
うず室に送られて来た水もこのうず運動に参加する。こ
の水はうず室の中心からその内周辺まで流動し、遠心エ
ネルギーと熱エネルギーとの総合作用により蒸発するま
でそこに留まる。軽くなつた水とガスとの混合物は、放
出管７を介してうず室から放出される。

放出管７に位置する温度調節機２３の温度センサは連続
的に混合物の温度を測定し、もし必要な場合は上記した
ように水を加える。圧力スイツチ２５は、その設定値が
設定期間をオーバした場合はバーナのスイツチを切る。
圧力データ送信機２６によつて圧力データを制御装置に
送ることができる。過熱用サーモスタツト２７は、その
設定値以上になつた時にＯＦＦになる。反対圧力が安全
弁２８の設定値以上になつた場合は、ブラストチヤンネ
ルが大気中に開通し、過圧用サーモスタツト２９が間を
おいてバーナを停止させる。この過圧用サーモスタツト
２９は、安全弁２８に漏れが生じた時もＯＦＦになるの
で、いわゆる漏れ検出器の役目もはたしている。

図面の実施例では、ガス混合物はうず室２から加熱しよ
うとする材料、例えば砂クツシヨン１３に送られ、そこ
に浸透する。そして混合物に含まれた水分がその砂クツ
シヨンの中で凝縮するので、その熱エネルギーが効率よ
く放出される。同時にこの水分のためにサンドクツシヨ
ンが乾燥したり、ほこりつぽくなることがない。燃焼工
程において生じた水も、サンドクツシヨンの中で凝縮さ
れるために、燃焼効率は、オイルの所定の比熱容量にも
とずいて計算した場合、１００％以上にもなることがあ
る。無論この場合は、煙道ガスをその露点以下に冷却さ
せる必要がある。この種の冷却は、例えば凍結した砂が
溶解する時に行われる。

燃焼の分析は透明の容器３０により自動的に行うことが
できる。これによつて熱ガスは、弁３１により自動的に
所定の間隔をおいて透明容器内の水の中を通過するの
で、不完全燃焼があればそれが直ちに純水中に色の変化
として現われる。透明容器の数はもちろん必要に応じて
選択できる。

水部４内に送られる水の量と圧力は適当な手段３２と３
３によつて測定し、かつ調節することができる。水部４
の温度はリミター３４によつて観察される。リミター３
４を９３℃に調節すると、この温度を越えると、リミタ
ーはバーナーを停止させる。

この発明は上記実施例のみにとどまるものでなく、特許
請求の範囲内においていろいろに変えることが可能であ
る。従つて、加熱空間１は炉でなければならないという
ことはなく、なにか他の構造物、例えば電気で作動する
装置を用いてもよい。この加熱空間は加熱された排ガス
をうず室に送るという工程に変えてもよい。従つてその
場合は、うず室に送られる水を適当な容器などから供給
するようにしてもよい。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱空間において熱ガスを発生させ、次に
   このガスに水を加えて蒸発させ、ガスと混合させる熱風
   発生方法において、前記熱ガスを加熱空間１からうず室
   ２に送り込んでうず運動を展開させ、水をうず室２の中
   心軸１０の附近に送り込んでその水が熱ガスのうず運動
   の作用によつてうず室の内周辺に移動している時にガス
   と混合し、かつガスに含まれた熱エネルギーによつて蒸
   発し、この熱ガスと水蒸気の混合物がうず室から放出さ
   れる際に、その中心軸１０付近から給水点の対向側へ放
   出されることを特徴とする熱風発生方法。
2. 【請求項２】加熱空間が煙道ガスを熱ガスとして使用す
   る炉である熱風発生方法において、炉の冷却用に使用し
   た水をうず室に送り込むことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の熱風発生方法。
3. 【請求項３】熱ガスを発生するための加熱空間１と、水
   を熱ガスに加えるための手段とをそなえた熱風発生装置
   において、加熱空間１には熱ガス吐出し管３が設けら
   れ、吐出し管３はうず室２の外周と連結されて熱ガスが
   うず運動を展開するようにしており、うず室にはその中
   心軸１０の附近に開口する給水手段６と８および水蒸気
   と熱ガスの混合物を放出するための放出管７とが設けら
   れており、この放出管が給水手段の吸水口と対向する中
   心軸１０の附近をその起点としていることを特徴とする
   熱風発生装置。
4. 【請求項４】加熱空間１が煙道ガスを熱ガスとして使用
   する炉である熱風発生装置において、炉壁と、放射熱か
   ら水を保護する煙管５との間の空間に設けられた開放型
   水部４に炉冷却用の水を収容し、この水部４はその下部
   分が給水手段として働く連結管によりうず室２とその中
   心軸の附近で連結されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載の熱風発生装置
5. 【請求項５】水部４は、その上部分が、給水手段８とし
   て働くあふれ管によつて、うず室２とその中心軸１０の
   附近で連結されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第４項に記載の熱風発生装置。