JPS5853Y2

JPS5853Y2 - 液体加熱装置

Info

Publication number: JPS5853Y2
Application number: JP1978096694U
Authority: JP
Inventors: 昇丸山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-13
Filing date: 1978-07-13
Publication date: 1983-01-05
Also published as: JPS5417439U

Description

【考案の詳細な説明】この考案は燃焼ガスの昇降流動法を利用したボイラ等の
液体加熱装置に関するものである。

昇降流動法とは燃焼ガスが逆Ｕ字形のガス流路内を流れ
る際に燃焼ガスとガス流路を包囲する液体との間に熱交
換が行われ、その結果燃焼ガスの温度をその進行につれ
て次第に低下させ、ガス流路の下降部において降下運動
を起し易い状態にし、これによって通気力を高め炭酸ガ
スの排出と空気の供給を順調にして燃焼効率を高めるこ
とができる方法であって、この方法についてまず説明す
る。

第１図において逆Ｕ字形のガス流路Ｘの基準面りにおけ
る点Ａ（熱源）、Ｂ（排気口）と高さＨにおける点Ｃと
の圧力をそれぞれＰＡ、ＰＢ、ＰＣとすればつぎのよう
な式が成り立つここでγａ、γｂはそれぞれＡ、Ｂ上方任意の高さく０
＜Ｈ）におけるガス流路Ｘ内の流体の比重量である。

いより点の圧力ＰＢが大気圧ＰＯに等しい場合には、Ｐ
Ｂ＝ＰＯであるから式（２）からとなり、式（３）を式
（１）に代入すると、となり、Ａ点の圧力は大気圧よりだけ低くなる。

ここで通気力ＰＣｈをとおけば、ｐｃｈ＞ｏのとき、Ａ点の圧力はＰＡ＜
ＰＱ（負圧）となり、Ａ−＋Ｃ−＋Ｂの流れが生じる。

いまガス流路ＸのＡＣＢ間において放熱があり、ガス流
路の方向に温度勾配が生ずるときには１ｍ＝ｔ（ｈ）ｒｂ−ｔ（ｈ）＝・（
６）となり、式（６）が成立すれば式（５）はと表わす
ことができる。

したがってｐｃｈ＞ｏとなるためには、式（７）からとなり、以上のことから（γｂ−γａ）の値が大きくな
ればなるほど、またＨの値が大きくなるほど流量は大き
くなる。

つぎに完全ガスの状態式となり、これからＴａに比してＴｂが小さければ小さい
ほどγｂ−γａの値が大きくなり、その結果通気力ＰＣ
ｈが大きくなることがわかる。

ここでＴａ。Ｔｂはそれぞれ点Ａ、Ｂの上方任意の高さ
における管内流体の絶対温度である。

以上のことから通気力は上昇ガス流路と降下ガス流路と
における密度差に大きく関係して両者の密度差が大きけ
れば大きいほどいいかえれば上昇ガス室と降下ガス室と
の温度差を大きくとればとるほど自ら大なる通気力を生
じることがわかる。

従来前記のような昇降流動法を利用した液体加熱装置と
しては第２図に示すようなものがこの考案の考案者によ
り既に提案されており、これは外線４０内に所望の間隔
をあけて内鑵４１を設置して外側水室４５を形成し、こ
の内鑵４１内に前記氷室と上下部で連通した平板状の２
重壁よりなる内側水室４６を設けて一側に燃焼ガス上昇
室４２と他側に燃焼ガス下降室４３をそれぞれ形威し、
この燃焼ガス上昇室４２の上方に燃焼ガス下降室４３に
連通する炎道を形成するとともに燃焼ガス下降室４３の
下方に排気口４４を設けたものであって、このようなも
のは前記のことから大きな通気力を有することがわかる
。

しかしながら、一方でこのような液体加熱装置は燃焼ガ
スが内鑵４１の上部Ｃを強力に加熱することとなるため
、外側水室４５の上部水室ａが下部水室すに比して急速
に温度が上昇する反面、下部氷室の流体の加熱が不充分
で加熱された流体は上部氷室に滞溜し、流体の自然対流
が起りにくくなって、燃焼効率および熱効率を上げるこ
とが困難となり、特に熱効率に関していえば７０％以上
のものを提供することができず、また環境衛生上および
装置の耐久性にとってきわめて有害なＮＯｘを発生する
などの欠点があった。

ところで最近熱効率が７０％以上となるような液体加熱
装置の出現が待望され、そこで考案者はこのような高熱
効率の液体加熱装置を提供すべく、前記のような従来の
ものの欠点について種々検討した結果、それは燃焼ガス
下降室４３のガス流路幅Ｗｄと燃焼ガス上昇室４２のガ
ス流路幅Ｗｕとの比及び内側水室４６の流路幅Ｂｆｉと
外側水室４５の流路幅Ｂｆｏとの比にそれぞれ関係のあ
ること、すなわちＷｄ／Ｗｕ及びＢｆｉ、／Ｂｆｏカ
それぞｔＬＨホ０．８以上の場合に従来のものにおける
ような現象が起り、同化を０．８以下にすると前記の現
象が消滅して７０％以上の熱効率を生じさせることがで
きることを知った。

そしてそれは前記Ｗｄ／Ｗｕを０．８以下にすることに
より燃焼ガスとガス流路を包囲する液体との間に熱交換
が効率よく行なわれ、その結果燃焼ガスの温度を著しく
低下させ、ガス流路の降下部において降下運動を起し易
い状態にし、これによって通気力を高め炭酸ガスの排出
と空気の供給を順調にして燃焼効率を高めることおよび
前記Ｂｆｉ／Ｂｆｏが０．８以下であることから、氷室
４６内の液体の熱容量は水室４５のそれより小さく、か
つ氷室４６は燃焼ガスによって両面から加熱される結果
、水室４６内の液体は急激に温度上昇を来たすこととな
る反面水室４５内の液体は、それに比較して急激な温度
上昇を起すことがない。

このようなことから水室４６内の液体は沸流動によって
上昇流を惹起し、このようにして生じた上昇流によって
両氷室４５．４６の上部に圧力の上昇が起り、この圧力
の上昇と前記両氷室４５．４６における液体の温度差と
により、外側水室内の液体は下降流を惹起し、このよう
にして両氷室４５．４６を含む密閉流路内において液体
の著しい対流運動が発生することによるものと考えられ
る。

この考案は前記のような知見に基づき、前記のような従
来の液体加熱装置のもつ欠点を排除して７０％以上の熱
効率を生ずることができるとともに環境衛生上および装
置の耐久性にとってきわめて有害なＮＯｘを発生しない
液体加熱装置を提供することを目的とするもので゛ある
。

この考案の液体加熱装置は、頂部に給湯口を、また底部
に給水口を具えた直立方体状をなす外線内に、はぼ同形
の内鑵を両者間に間隙を構成するように設置して、前記
間隙により外側氷室を形成し、内鑵内には縦向きの２枚
の板材を板材同志間及び板材と内鑵壁との間に間隙を構
成するように設置して、板材同志間の間隙により内側氷
室を、また板材と内鑵壁との間隙のうちの一側に燃焼ガ
ス上昇室を、他側に燃焼ガス下降室をそれぞれ形成し、
さらに前記内側氷室の上下部の一部を前記外側氷室の上
下部にそれぞれ連通させ、内側氷室の流路幅Ｂｆｉと外
側氷室の流路幅Ｂｆｏとの液体流路幅比Ｓｆを０．８以
下とするとともに燃焼ガス下降室の流路幅Ｗｄと同上昇
室の流路幅Ｗｕとのガス流路幅ξｆを０．８以下とし、
前記燃焼ガス上昇室の上方に燃焼ガス下降室に連通ずる
炎道を形成するとともに前記燃焼ガス下降室の下方に排
気口を設け、この排気口は給気管内に所要の間隔をおい
て配設された排気管と連通していることを特徴としてい
る。

次にこの考案を図面を参照しながら説明する。

第３〜５図はこの考案の実施例が示されていて、１は直
立方体状をなく外線であって、この外線１の内部に直立
方体状の内鑵２を所要の間隔をあけて設置して両者間に
外側水室３を形成し、この内鑵２内に縦向きの２枚の板
材６，７および上下の連通管４，５によって構成された
平板状の内側水室８を設けて、その−側に燃焼ガス上昇
室９を、また他側に燃焼ガス下降室１０をそれぞれ形威
し、連通管４．５は外側水室３の上下部にそれぞれ開口
させである。

さらに内側水室８の流路幅Ｂｆｉと外側水室３の流路幅
Ｂｆｏとの液体流路幅比ＳｆをＯ＜Ｓｆ＜０．８を満足
するように形成するとともに前記燃焼ガス下降室１０の
ガス流路幅Ｗｄと燃焼ガス上昇室９のガス流路幅Ｗｕと
のガス流路幅比ξｆをＯ〈ξｆ＜０．８を満足するよう
に形威し、前記燃焼ガス上昇室９の上部に燃焼ガス下降
室１０と連通する炎道１１と、前記燃焼ガス下降室１０
の下方に外部と連通ずる排気口１２とをそれぞれ設けた
ものであり、１３は底部に設けた給水口、１４は頂部に
設けた給湯口、１５はガスバーナ等の適宜の燃焼器であ
る。

このものは外線１と内鑵２とによって構成された外側水
室３および平板状の内側氷室８内に給水口１３より液体
を充填してガス流路幅をＷｕとした燃焼ガス上昇室９の
下方に設置されたガスバーナ等の適宜の燃焼器１５によ
って燃焼を行うと、同燃焼ガスは内鑵２の内壁面と内側
水室８の板材６との間に形成された燃焼ガス上昇室９内
を上昇し、その上部の内鑵２の内壁面に衝突して方向を
変えて炎道１１を通過し、内鑵２の内壁面と内側水室８
の板材７との間に形成された燃焼ガス下降室１０内を下
降して、その下方に設けた排気口１２から外部に排出さ
れるものであり、燃焼ガスはその回流運動中に内鑵２の
内壁面、内側水室８の板材６．７の表面において熱交換
を効率よく行って、内側水室８の液体および外線１と内
鑵２とによって構成された外側水室３内の液体を加熱し
て、内側水室８を沸流動による対流上昇に、外側水室３
を対流下降にそれぞれ利用して、この内部の液体を自然
対流させながら均一に加熱し、迅速に熱湯を得るもので
ある。

また燃焼ガスは排気口１２内を通過して排気管３１を通
り、その先端部の通気管３２の内壁面に衝突して方向を
変えて通気管３２の開口部より外部に排出されるもので
あるが、燃焼ガスは排気管３１を通過して排出する際に
排気管３１と通気管３２の内壁面との間隔の幅が通気管
３２の開口部の幅より狭くなっているので、吸引作用に
よってさらに流速を早めて排出されて液体加熱装置内の
流動性を良好にし、燃焼に必要な空気を給気管３３より
十分に供給して完全燃焼させるようになっている。

この考案は前記のように燃焼ガス下降室のガス流路幅Ｗ
ｄと燃焼ガス上昇室のガス流路幅Ｗｕとのガス流路幅比
ξｆを０．８以下としているので、燃焼ガスがガス流路
にあたる燃焼ガス上昇室と燃焼ガス下降室とを一旦上昇
して下降する際に燃焼ガスとガス流路を包囲する内鑵お
よび内側氷室の内外両壁面の伝熱面との間において熱交
換が効率よく行われて、その結果燃焼ガスの温度を著し
く低下させて、ガス流路の降下部において降下運動を起
し易い状態にし、これによって通気力すなわち下降流動
性を高めて炭酸ガスの排出と空気の供給とを順調に行う
ことができて完全燃焼させ、燃焼効率を著しく高めて迅
速に温水装置内の液体を加熱することができるのに加え
て、内側氷室の流路幅Ｂｆｉと外側氷室の流路幅Ｂｆｏ
との比Ｓｆを０．８以下としているので、内側水室内の
液体の熱容量は外側氷室のそれより小さく、かつ内側氷
室は燃焼ガス上昇室および燃焼ガス下降室内における燃
焼ガスによって両面から加熱される結果、内側水室内の
液体は急激に温度上昇を来たすこととなる反面、外側水
室内の液体はそれに比較して急激な温度上昇を起すこと
がない。

このようなことから内側水室内の液体は沸流動によって
上昇流を惹起し、このようにして生じた上昇流によって
雨水室の上部に圧力の上昇が起り、この圧力の上昇と前
記雨水室における液体の温度差とにより外側水室内の液
体は下降流を惹起し、このようにして雨水室を含む密閉
流路内において液体の著しい対流運動を発生させること
ができて、効果的に対流運動を促進させて従来の液体加
熱装置のようにガスの流路の頂部に当る内鑵の上部の伝
熱を受けている上部氷室が下部氷室に比して急速に温度
が上昇することが防止されて、全体の液体が均一かつ迅
速に加熱され、従来の液体加熱装置によって達成される
のが困難であった７０％以上の熱効率かえられるととも
に環境衛生上および装置の耐久性にとってきわめて有害
なＮＯｘを発生しないすぐれたものであり、また液体加
熱装置は炉圧がかかることがなくて極めて安全性が高く
、かつ燃焼音が小さく、シかも構造が簡単で小型化およ
び軽量化が可能であって、取扱いが便利である製品を安
価に供給することができるなどの優れた効果を有するも
のである。

また燃焼ガス上昇室と燃焼ガス下降室の画室の水平断面
を方形としたので、ガス通路の体積を一定にした場合、
その周囲の壁面すなわち伝熱面積は円筒形状のものに比
べて大きくなり、換言すれば同じ伝熱面積を得るにつき
この考案ではガス通路の断面積を小さく、ひいては全体
をうずくして小型とすることができて設置場所を小さく
することができるとともに伝熱面における液体および空
気との熱交換率がきわめて高く、シかも排気管を通る排
気ガスは給気管を通って吸引される空気により冷却され
るので、燃焼ガス下降室の上方にある燃焼ガスとの間に
格段の密度差を生じて通気力が一層増大され、下降流動
性を高めて給気と排気を適正に行って完全燃焼させて熱
効率をさらに高めることができ、燃焼ガスの熱を有効に
利用して迅速に加熱することができる。

さらに燃焼ガス上昇室の給炎部と燃焼ガス下降室の排出
部とをほぼ同じ高さとしたので、間欠的に運転した場合
の消炎時において燃焼ガス上昇室内の温度と燃焼ガス下
降室内の温度とが罐内の液体の温度に接近してすみやか
に同一温度となり、通気力が停止状態となって燃焼ガス
が燃焼ガス上昇室と燃焼ガス下降室内に停滞するという
現象が起り、このため消炎時後に熱を外部へ逃がさない
こととなって長時間にわたって間欠的に運転した場合の
ランニングコストの低減に多大なる影響を与え、まった
く熱が逃げない構造を非常に簡単な形状で得ることがで
きるなどの優れた効果を有するものである。

この考案は前記のようであるから、家庭用各種の湯沸器
、瞬間湯沸器、工業用ボイラおよび排熱回収装置等に広
く応用範囲があり、省エネルギ、省資源にきわめて有効
である。

この考案の各実施例に示すような液体加熱装置を作成し
、これによって実験した結果を下記に示す。

まずこの考案の各実施例をそれぞれ実験するに使用した
実験装置を第６図を参照しながら説明する。

液体加熱装置５０の受熱流体は周囲流体温度にあまり影
響を受けない地下水を利用し、この地下水は給水加圧ポ
ンプ５１で吸上げられて、定圧タンク５２で設定圧力に
調整される。

設定圧力に調整された水はバイパスバルブで調節されて
定ヘッド開放タンク５３に導かれ、この定ヘッド開放タ
ンク５３に導か、：′した水は給水管５４を介して液体
加熱装置５０に一定圧で給水される。

燃焼用の都市ガスはガスメータ５５を介してバーナへ導
かれて燃焼させ、ガスメータ５５で消費ガス量を測定す
る。

また液体加熱装置５０の排気筒５６には排ガス吸入器（
図示せず）を取付けて赤外線ｃｏ、ｃｏ、、を分析器お
よびスチール式オルザートガス分析器５７で連続記録し
て排ガスを分析する。

排ガス温度の測定は排気筒５６の断面にＣ，Ａ（クロメ
ル、アルメル）熱電対を１２点設置して各微小断面にお
ける値を熱電対切替スイッチ５８を用いて熱電対式デジ
タル温度計５９で読みとり、そのときの安定度をペンレ
コーダ６０で確認して排気筒断面における面積平均値を
測定する。

液体加熱装置５０で加熱された温水は連続注湯の場合に
は給湯口に連結された供給管の流量調節バルブで設定流
量に調節されて混合室６１に供給され、この混合室６１
で一様の温度に攪拌された後、出湯管６２を通り、貯湯
器６３に貯えられる。

このときに単位時間当りの重量をストップウォッチと重
量計６４で流量の測定を行う。

一方貯湯の場合には液体加熱装置５０内に地下水を給水
して満水にした後、流量調整バルブを全閉すると同時に
給水バルブを全閉して、液体加熱装置内の温度が温度む
らがなく最低になったとき点火し、サーモスタットに設
定された温度の５０℃になったときサーモスタットを作
動して消火し、直に排出口のバルブを開いて保温槽６５
に貯えて、この貯えられた温水を測定する。

なお６６は自動記録計である。実験例１この実験に供した液体加熱装置は実施例と同様の構造を
もち、燃焼ガス上昇室幅と燃焼ガス下降室幅との加熱流
路幅比を一定にした各設計仕様を第７図に示したものに
ついて述べればつぎのようなものである。

このような各設計仕様の構造のものを前記第６図に示す
実験装置を使用して連続注湯の場合について実験したと
ころつぎのような結果を得た。

また前記のような設計仕様の構造のものを前記第６図に
示す実験装置を使用して貯湯の場合について実験したと
ころつぎのような結果を得た。

これに基いて作成したのが、第８図に示すグラフである
。

この結果外側氷室の流路幅と内側氷室の流路幅との受熱
流路幅比を０．８以下にすると熱効率が７０％以上に増
大することが判明した。

゛実験例２この実験に供した液体加熱装置は実施例と同様の構造を
もち、内側氷室の流路幅と外側氷室の流路幅との受熱流
路幅比を一定にした各設計仕様を第７図に示したものに
ついて述べればつぎのようなものである。

また前記のような設計仕様の構造のものを第６図に示す
実験装置を使用して貯湯の場合について実験したところ
つぎのような結果を得た。

これに基いて作成したのが、第９図に示すグラフである
。

この結果燃焼ガス上昇室のガス流路幅と燃焼ガス下降室
のガス流路幅との加熱流路幅比を０．８以下にすると熱
効率を７０％以上に著しく高めることが判明した。

゛

【図面の簡単な説明】

第１図は燃焼ガスの昇降流動法の原理を示す説明図、第
２図は従来の液体加熱装置の概略縦断正面図、第３図は
この考案の実施例を示す液体加熱装置の正面図、第４図
は第３図のＩＶ−ＩＶ線における縦断側面図、第５図は
第４図の■−Ｖ線における横断平面図、第６図は実験装
置の概略説明図、第７図は実施例の設計仕様の説明図、
第８，９図はグラフである。１・・・・・・外線、２・・・・・・内鑵、３・・・・
・・外側水室、４，５・・・・・・上下連通管、６，７
・・・・・・板材、８・・・・・・外側氷室、９・・・
・・・燃焼ガス上昇室、１０・・・・・・燃焼ガス下降
室、１１・・・・・・炎道、１２・・・・・・排気口、
１３・・・・・・給水口、１４・・・・・・給湯口、１
５・・・・・・燃焼器、３１・・・・・・排気管、３２
・・・・・・通気管、３３・・・・・・給気管。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

頂部に給湯口を、また底部に給水口を具えた直立方体状
をなす外罐内に、はぼ同形の内鑵を両者間に間隙を構成
するように設置して、前記間隙により外側氷室を形成し
、内鑵内には縦向きの２枚の板材を板材同志間及び板材
と内鑵壁との間に間隙を構成するように設置して、板材
同志間の間隙により内側氷室を、また板材と内鑵壁との
間隙のうちの一側に燃焼ガス上昇室を、他側に燃焼ガス
下降室をそれぞれ形威し、さらに前記内側氷室の上下部
の一部を前記外側氷室の上下部にそれぞれ連通させ、内
側氷室の流路幅Ｂｆｉと外側氷室の流路幅Ｂｆｏとの液
体流路幅比Ｓｆを０．８以下とするとともに燃焼ガス下
降室の流路幅Ｗｄと同上昇室の流路幅Ｗｕとのガス流路
幅比ξｆを０．８以下とし、前記燃焼ガス上昇室の上方
に燃焼ガス下降室に連通ずる炎道を形成するとともに前
記燃焼ガス下降室の下方に排気口を設け、この排気口は
給気管内に所要の間隔をおいて配設された排気管と連通
していることを特徴とする液体加熱装置。