JPS62500879A

JPS62500879A - 改良された熱吸収性を有するボイラ−

Info

Publication number: JPS62500879A
Application number: JP60504947A
Authority: JP
Inventors: マクイナーニー　マイケル　ジエイ
Original assignee: ベイパ−　コ−ポレイシヨン
Priority date: 1984-11-29
Filing date: 1985-11-05
Publication date: 1987-04-09
Also published as: WO1986003278A1; EP0203104A4; US4621592A; EP0203104A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】むゼ魯禅孤■ｎ胚と幻囚徂勉匪遭本発明はフラッシュボイラーまたは蒸気発生器用の新規かつ改良された熱交換器システム、更にフラッシュボイラーの効率および熱回収の改良方法に関し、そしてより詳細には蒸気発生器用の新規かつ改良されたコイルバンク（ｃｏｉｌ　ｂａｎｋ　）に関する。

貨漿技酉の説■ 代表的なものには、ここに参考として引用するものとする米国特許第２．７３５゜４１０号中に例示されたタイプの蒸気発生器またはフラッシュボイラーならびに同様にここに参考として引用する米国特許第２，１６０．６４４号中に例示されたタイプの発生システムまたはコイルバンクがある。　これらのシステムおよびコイルバ〉・りは、加熱される最も冷たい液（ホ）が最も熱い煙道ガスと接触する筈であるという仮定のらとに作動している。　これらのユニットは熱交換器を形成する、連続的に接続されたらせんコイルのグループから蒸気を発生させるなめに「ストレート・スルー（ｓｔｒａｉｇｈｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ）　Ｊコイル流を利用している。　加圧下の水が、相互連結されたコイルの全長に亘り加熱された１本のコイルの一端から導入され、かつ出口から蒸気として送り出される。

　これらのシステムおよびコイルバンクは、低温における水が熱エネルギー源から最も遠いコイルであって、燃焼ガスが最低温度である地点に導入されるという点で一般に「向流」ユニットと称される。

熱交換器を経由する液体を強制するために圧力源が必要とされる。　この圧力源は蒸気出口圧力ブラス熱交換器における圧力低下に等しい圧力を有していなければならない。　熱交換器における圧力低下は可成りのものである。　それは液相変化中の流れに対する抵抗性が高いからである。

非常に大量かつ可変性の相変化乃至沸騰中の液体の熱吸収に基因して、これら熱交換器の実際の温度プロフィルは、現在のコイルシステムによっては、最高の液体温度がコイルを通過する流路の中心近傍で生ずることを示している。

次いで、液体の温度は低下する。　それは相変１ヒ中の液体が更に熱を吸収するからである。　液体の温度はこの地点が最高である。　それはこの液体が相変化なしで加熱されるからである。　液体の飽和温度が達成されると、沸騰の故で液体の温度は低下する。　現在の熱交換器においては、最高液体温度点が液体温度分布を、平均液体温度が煙道ガス熱源に関連して相対的に低くなるように確立している。　これが熱交換器の効率を減少させる。

更に、これらの熱交換器の直径は液体沸騰位置に整合していない、　水蒸気は液体よりも非常に大きな容量を有しているので、不良な横断面整合はコイルを介する圧力低下を悪化させる。

このタイプの熱交換器において、コイルは逆らせん形状に巻回され、かつブロックおよび湾曲スペーサーを含む支持構造体により共に保持されてコイルの周囲のガス流用の開放スペーサーを形成する。　この構造の例は米ｒ１１特許第３゜７２０．２５９号中に示されている。　これらのコイルに関して、煙道ガス温度を減少させるために外層の熱吸収容量は内層よりも低くしである。　コイルにより占められるスペースを増加させることなく、またコイル周囲の煙道ガス圧力の顕著な低下を伴うことなく、コイル外側の吸収容量を増加させることが望ましい、　コイルの表面を拡張することが試みられたが、これらの表面はコイルｔｍのスペースを妨げて連動する傾向がある。　しかしながら、開示される本構造は連動しない拡張表面を提供する。

光器の概要本発明の目的はフラッシュボイラー用の新規かつ改良された熱交換器を提供することにある。

本発明の他の目的はフランシュボイラーにおける熱交換器の効率を高める新規かつ改良された方法を提供することにある。

本発明の更に池の目的は熱吸収に整合させて、コイルを介する圧力低下を減少させるための変動直径を備える蒸気発生器用のコイルシステムを提供することにある。

更に本発明の別の目的は熱吸収を増加させるための拡張された表面を備えるフラッシュボイラー用のコイルを提供することにある。

本発明の他の目的はフラッシュボイラーのコイルを経由する流れをアレンジして、最高温度を有する液体を最高温度の煙道ガス近傍に配置することにある。

要約すれば、本発明はフラッシュボイラー用の新規かつ改良された熱交換器ならびに熱交換器の効率を改良するための方法を指向している。　本発明において、内部コイルはフラッシュボイラーの燃焼ガス・プリナムチャンバの周囲に巻回されている。　中間コイルは内部コイルを取り巻いており、また外部コイルは中間コイルを取り巻いている。　水のような液体は外部コイルに導入される。　外部コイルは内部コイルと連続的連通状態にあり、該内部コイルは中間コイルと連続的連通状態にある。　この中間コイルはコイルシステムの出口と連通している。

　内部コイルは最大煙道ガス温度であって、中間および外部コイルを通過することにより漸減する温度に暴露されるので、この開示されたコイル接続は煙道ガス、コイル液体温度分布を最大とするように液体温度を設定した。　出願人は開示するコイル連結が、存在する液体流の再輸送により増加させた熱吸収をもたらすことを見出した。

コイル内の圧力低下を減少させるために、内部コイルは外部コイルの直径よりも大きい直径を有し、かつ中間コイルの直径は内部コイルの直径よりも大である。

コイルの熱吸収容量はフィンあるいはコイルの外表面を拡張することにより更に高められる。　このフィンはらせんねじの形状ならびに成る寸法およびピッチを有していて、らせん形状におけるフィンの連動を回避している。

区画の間車な説叫本発明の上記および他の目的ならびに効果および新規な特徴は、添付図面中に例示された発明の好ましい実施態様についての以下の詳細な説明がら明がとなろう、　添付図面において：第１図は従来技術によるコイルバンク形状の左側部分を示す蒸気発生器の垂直横断面図であり、第１ａ図は本発明のコイルバンクあるいはコイルバンクの熱交換器形状乃至本発明の熱交換器形状の右側部分を示す垂直横断面図であり、第２図はそれを経由する流れの構成（ｓｅｈａｍｅ）を例示する従来技術によるコイルバンク左側の垂直横断面図であり、第２ａ図は本発明の原理に従って構成されたコイルバンクを経由する流れの構成を例示する蒸気発生器の右側部分の垂直横断面図であり、第３図は本発明のコイルバンクまたは熱交換器を経由する流れの概略線図であり、第４図は本発明の原理に従って構成されたコイルのセクションであって、互いに堆積されてそれぞれ拡張された表面を備えるらのの部分的切り欠き絵画図であり、第５図は第４図の５−５線に沿う図であり、第６図は実際の煙道ガス温度に関連する理想煙道ガス温度と本コイルシステムを利用する典型的なボ・イラ・〜における内部コイル液体温度との関係分示すグラフであり、第７図は本発明のコイル液体流原理に従って構成されたボイラー内の煙道ガスに関連する理想煙道ガスをプロットした第６図に類似のグラフであり、そして、第８図は本発明の流れ構成および拡張されたコイル表面を備えたボイラーについての実際の状態のプロットに関連する理想煙道ガスをプロットした第７図に類似のグラフである。

い　の；Ｂ最初に、第１、第１＆、第２、第’ａ、および第６図を参照すると、第１ａ図および第２ａ図に示されているのはシステムの自流タイプとして知られる従来技術に係る蒸気発生器またはボイラー１００である。　向流システム１００はハウジング１０２を備えた垂直添加ボイラーである。

ボイラー１００はその上端において、ハイボット１０４を包含し、その中にバーナーおよび点火装置（図示せず）を装架することができる。　ハイボッｌ−１０４はまた、燃焼室１０５を形成する。　エアダク１ｉｏ６は空気を燃焼室またはハイボット１０４中に導入して、燃焼のために燃料と混合する。　熱煙道ガスは一般に？う照数字＋１０で表示される熱交換器またはコイルバンクにより取り巻かれている加熱室１０８の中心に流入する。

熱交換器１１０は複数本のコイルを含んで成り、これらは互いに巻回され、かつ正弦スペーサ１１２およびブロックスペーサ１１３により僅かに菊間されて煙道ガスを隣接するコイル間に通過させるが、熱はこのガスからコイルへ交換される。　熱交換器１１０は複数本の中間コイル１１６により取り囲まれた複数本の内部コイル＋１４を包含している。　中間コイル＋１６は複数本の外部コイル１１８によって取り囲まれている。　内部コイル＋１４は中間コイル１１６よりも大きい直径を有し、そして中間コイル＋１６は外部コイル１１８よりも大きい直径を有している。

熱交換器乃至コイルバンク１１０内で加熱すべき水の流れは第２図の左側部分に示されている。　矢印により示されるように、流れは入口１２０に導入され、かつ外部コイル１１８を経由して循環し、次いで中間コイル１１６を経由し、そして最終的に内部コイル！１４を介して出口１２２に至る。

第６図の下部においては、向流ボイラー１００、そして特に熱交換器１１０を経由する液体の実際の温度プロフィルがプロットされている。　プロットされているように、水は点１２４において示される冷温において導入される。　この温度は外部コイル１１８の入口１２０において生ずるものである。　Ｈｆ−ｆｓは外部コイル＋１８および中間コイル１１６の一部分を通過するので、７ド温は第６図のグラフ上の点＋２６で示される最高温度に上昇する。　点１２６の後、液体の温度はグラフ上の点１２８で示される出口温度に低下する。　点１２６は水の相変ｆヒに対応し、点１２６　ｆ＆の温度降下は熱を吸収する気１ヒ熱に基因するものである。

第６図の上部においては、点１３０における最高温度と点１３２であって、ボイラー１００の煙突を介して煙道ガスが排出されるときのガス温度である最低温度とを伴う理想煙道ガス温度がプロットされている。　理想煙道ガス温度分布をプロットしである線は参照数字＋３４により表示される。　更に、第６図の上部においてプロットされているのは、自流ボイラー１００用の実際の煙道ガス温度をプロットする実線１３６である。　第６図の上部において示されるように、従来の向流ボイラー１００　（第２図参照）における煙道ガスからの熱の吸収は理想煙道ガス温度線１３４とは可成り外れており、理想環境下におけるよりも遥かに低い効率の作用を示している。

第１ａ図および第２ａ図に戻ると、これら図面のそれぞれに関して本発明の原理に従って構成されたボイラー１０が示されている。　ボイラーＩＯは、自流ボイラー＋００中の対応する構成部分に類似するハウジング１２およびハイボット１４を備えている。　ボイラーｌＯはまた、エアダクト１０６を用いている。　煙道ガスはコイルバンク乃至熱交換器２０内に形成される燃焼領域１８に入る。

コイルバンク２０は略らせん状に巻いた複数個のコイルを含んでいる。　特にコイルバンク２０は外部コイル２２、内部コイル２４、および中間コイル２Ｇを包含している。　外部コイル２２は最小の直径を有しており、内部コイル２４は増大する直径な備え、そして最大直径を示すのは中間コイル２６である。

第２図の右側部分を参照すると、コイル２２．２４、および２Ｇを経由する水のような液体の流れが例示されている。　冷水が入口２８から外部コイル２２へ導入される。　一度液体が第２図中の矢印に従って外部コイル２２を通過すると、水は導管３０または類似の構造によって内部コイル２４に連通される。　水は矢印により示されるように、内部コイル２４を通過し、そして導管３２または類似の構造によって中間コイル２６に向けられる。　中間コイル２６から、現在は水蒸気である液体が出口３４を通過する。

カウンターテンプ（ｃｏｕｎｔｅｒｔｅｍｐ　）熱交換器２０を経由する液体流は第３図中に概略的に示されており、そして第２図の左側部分に示される従来の、または逆流熱交換器１１０中の流れと比較することが可能である。　向流回路＋００において、冷水が最初に外部コイル１ｉｆｔに導入される。　同様に、本発明においても冷水が最初に外部コイル２２に向けられる。　自流回路＋００において、外部コイル１１８から流入する水は中間コイ旧＋６に指向される。　逆に、本発明においては、流れは外部コイル２２から内部コイル２４へ向けられ、次いで中間コイル２６に指向される。　向流ボイラー１００において、液体は中間コイル＋１６から内部コイル１１４へ流れる。

カウンターテンプ熱交換器２０を経由する液体流は、その最高液体温度を最高煙道ガス温度の近傍に配置しである。　最高煙道ガス温度は領域１８内に存在する。　従って、内部コイル２４は最高煙道ガス温度に暴露される。　煙道ガスの温度は、それが中間コイル２６および外部コイル２２を通過すると減少する。　第２図の右側部分および第３図中に示される液体の流れは熱交換器２０全体を通じて、より高い平均温度差を生じ、これはボイラー１０の効率を増加させる煙道ガスからのより高い熱抽出をもたらす。

この増大した効率のグラフ的例示に関して、第７図を参照する。　第７図の上部において、煙道ガスプロフィルは参照数字３６により示される理想煙道ガスに関してプロットされ、一方熱交換器２０を介する実際の煙道ガス温度は線３８上にプロットした。　両線３６および３８に関する煙道ガスの最高温度は点４０で表され、そして最低温度は点４２により示される。　線３６および３８間の偏差は、ボイラーｌＯにより増加した効率を示す第６図中の線１３４および１３６間の偏差よりも可成り小さい。

第７図の下部は、液体が熱交換器２０のコイル２２．２４、および２６を通過するときの液体の温度を示している。　出口３４におけるように、入口２８がこのグラフ上に示されている。　線４４は外部コイル２２を介する液体温度をプロ・７トしている。　線４４上の点４６は、導管または類似の構造３０によって点４８に物理的に接続される。　線５０は内部コイル２４を流りろ水の温度に対応する。　線５０上の点５２は熱交換器２０を通過する液体の相変化に対応している。　点５２において、熱交換器２０内の水は水蒸気への相変化を経由しつつある。　線５０上の点５４は導管乃至類似の構造３２により線５８上の点５６に物理的に連結される。　線５８は中間コイルから出口３４を通過する液体の温度をプロットしている。　図示されるように、そこには第６図の下部に示されるものよりも高い、熱交換器２０の全体を通じての平均温度差が存在している７　更に第２ａ図に示されるように、コイル２６は直径において、従来の構造よりも大きく、これはコイルバンクを経由するガス流についてレイノルズ数を増加させ、それによりボイラー燃焼空気ブロワ男力要件を対応的に増加させることなく、熱伝達を増加させる。

カウンターテンプ熱交換器２０中に設けられた付加的な効果は、それが多数に区画されている（ｍｕｌｔｉｓｅｃｔｉｏｎｅｄ　）ことにある。　沸騰に基因する熱交換器２０を通過する液体の高い圧力降下を制限するために、沸騰が開始される地点の後方で熱交換器２０全が増大される。　熱交換器２０のより大きな直径を有するチューブを第７図の点５２に対応する地点における流れ回路の中間に配置する。

更に、同一速度についての煙道ガス温度が増大する。　それは熱伝達はレイノルズ数の関数であり、そしてこのｌ／イノルズ数はコイル・チュービング直径の増加に対して直線的に増加するからである。　このことが熱交換器煙道ガス全体の圧力降下を伴うことなく、煙道ガス熱伝達における増加を許容するものである。

ボイラー１０の効率をこの上部に増加させ、かつ第７図に示される理想煙道ガス温度直線からの偏差を減少させるために、カウンターテンプ熱交換器２０のコイル２２．２４、および２６はガス・サイド吸収容量における増加を必要とする。

本発明において、吸収容量の増加は顕著に煙道ガス圧力の低下を増大させることなく、典型的な熱交換器におけるのと同一の容量空間において吸収容Ｉの増加が遂行される。　コイル２２．２４、および２６上の拡張された表面６０が設けられて吸収容量が増加する。

コイル２４に対する具体的な言及は、たとえば第４図および第５図に関して為される。　コイル２４上の拡張された表面６０は、多重ピッチ・アクタねじに最も近似的に比較可能である低プロフィル・フィンを設けた表面である。　拡大された表面６０はコイル２４にろう付け、溶接してもよく、あるいは一体的に構成すればよく、そして向流らせん形状に巻回したときスペーサ！１２のような正弦スペーサを置換するのに十分な構造強度を有している。　表面６０は更に、コイル２４の外部加熱表面を拡張するので、その加熱容量はコイル２２．２４、および２６の内側湿潤表面容量に近付くことになる。

適当なスペース６２が隣接拡張表面６０間に提供されてスペース６４を形成し、これを介して煙道ガスを流すことができる。　スペース６４は互いの頂部上でらせん状に巻回したコイル２４に関してもたらされるものである。　実質的にらせん形表面６０の十分な巻回角乃至ピッチは、コイル２４を互いに堆積させるとき、拡大された表面６０が噛合うことなく係合して互いを支持するように設けられる。

拡大された表面６０は実際に多重ピッチ形状に構成されている。　それはコイル２４の外方巻回がより大きな半径を有し、かつ可変的なピッチおよび幅を必要として隣接表面６０の当接を保証し、また開放スペース乃至煙道ガス通路６４を形成するからである。

熱交換器に関する煙道ガス温度と拡張表面６θとの比較は第８図に示されている。　第８図中の線６６は、拡張表面６０を伴わないコイルバンク乃至熱交換器の埋思煙道ガス温度のプロットに相当する。　線６８は熱交換器２０のコイル上に拡張表面６０を備えた理想煙道ガス温度のプロットに対応する。　実線７０は拡張表面６０を伴わないコイルバンク乃至熱交換器２０の実際の煙道ガス温度に相当し、また線７０の点線延長部７２は拡張表面６０を含むコイルによる実際の煙道ガス温度に対応する。　測定し得るように、より大きい吸収性および効率は拡張表面６０によりもたらされる。

本発明に関する多くの変形および変更が上記の教示に鑑みて可能である。

従って、添付請求の範囲の範囲内で本発明は具体的に記載した以外に実施可能であることが理解されるべきである。

米国の特許証によって請求され、かつ確保されんとするものは以下の通りである：ＦＩＧ。ｌ　ＦＩＧ、１ＡＦＩＧ、　２　、、燵ゴ賄ｉ　ＦＩＧ、　２Ａ　−−電善々口東１ｋω　（１ｔ１）１１名７々ロ仝−に山　（−ｉｔす

Claims

【特許請求の範囲】

１．ボイラーが、ケーシングと、前記ケーシング内に形成される加熱室と、前記加熱室に連通する煙道と、直列に連結されるコイルのバンクであって、前記ボイラーを介して延びる垂直軸と同心に前記加熱室を取り囲んでいるものとを包含しており、前記コイルのバンクが、前記加熱室を取り巻く内部コイルと、前記内部コイルを取り巻く中間コイルと、前記中間コイルを取り巻く外部コイルとを備えるものである前記ボイラーの効率を改良する方法において、液体を前記外部コイル内に導入する工程と、前記外部コイルからの前記液体を前記内部コイルに連通させる工程と、前記内部コイルからの前記液体を前記中間コイルに連通させる工程と、前記中間コイルからの前記液体を出口に連通させる工程とを含んで構成される方法。
２．更に、前記液体を前記内部コイルにおける十分な温度に加熱して前記液体を水蒸気に気化させる工程を含んで成る請求の範囲第１項記載の方法。
３．更に、多重ピッチのらせんねじの形状において、前記内部、中間および外部コイルの少なくとも１個の外周上にフィンを設けることにより前記内部、中間および外部コイルの少なくとも１個の少なくとも一部の表面を拡張する工程を含んで成る請求の範囲第１項記載の方法。
４．更に、前記内部コイルの直径を前記外部コイルよりも大きく形成する工程と、前記中間コイルの直径を前記内部コイルよりも大きく形成する工程とを含んで成る請求の範囲第１項記載の方法。
５．細長いチューブを提供する工程と、前記チューブの外周面を拡張する工程と、その拡張表面をらせん形、多重ピッチのねじ山に形成する工程とを含んで構成される、燃焼室を備えるボイラー用熱交換器の熱吸収性容量を増加させる方法。
６．更に、所定の幅を有する前記拡張された表面を形成する工程を含んで成るが、この場合前記幅が前記チューブの長さに沿って変化するものである請求の範囲第１項記載の方法。
７．更に、前記チューブをらせん状に巻いてその拡張表面を、前記チューブの隣接する拡張表面と当接係合状態となるように位置させる工程を含んで成る請求の範囲第５項記載の方法。
８．更に、前記チューブをらせん状に巻いて前記燃焼室を取り囲む内部コイルを形成し、前記内部コイルを取り巻く中間コイルを形成し、前記中間コイルを取り巻く外部コイルを形成する工程と、液体源を前記外部コイルと連通させる工程と、前記内部コイルを前記外部コイルと連通させる工程と、前記外部コイルを前記中間コイルと連通させる工程と、前記中間コイルを出口と連通させる工程とを含んで成る請求の範囲第５項記載の方法。
９．更に、前記内部コイルの直径を前記外部コイルよりも大きく形成する工程と、前記中間コイルの直径を前記内部コイルよりも大きく形成する工程とを含んで成る請求の範囲第８項記載の方法。
１０．燃焼室を取り囲む内部コイルと、前記内部コイルの外周の周りにらせん状に巻かれた中間コイルと、前記中間コイルの外周の周りにらせん状に巻かれた外部コイルと、前記外部コイルと連通している液体源と、前記液体源および前記内部コイルと連続液体連通状態にある前記外部コイルと、前記中間コイルと連続液体連通状態にある前記内部コイルと、出口と連続液体連通状態にある前記中間コイルとを含んで構成される、前記燃焼室を備えるボイラー用コイル。
１１．前記外部コイルが前記内部コイルよりも小さい直径を有し、そして前記内部コイルが前記中間コイルよりも小さい直径を有する請求の範囲第１０項記載のコイル。
１２．更に、前記外部、内部および中間コイルの少なくとも１個の少なくとも一部上に拡張表面を含んで成り、前記拡張表面が所定の幅を有するらせんねじ形状を有している請求の範囲第１０項記載のコイル。
１３．燃焼室を取り囲む内部コイルと、前記内部コイルの外側を取り囲む中間コイルと、前記中間コイルの外側を取り囲む外部コイルと、前記内部コイルと連続連通状態にある前記外部コイルと、前記中間コイルと連続連通状態にある前記内部コイルと、前記外部コイルよりも大きな直径を有する前記内部コイルと、前記内部コイルよりも大きな直径を有する前記中間コイルとを含んで構成される、前記燃焼室を備えるタイプのボイラー用コイル。
１４．前記中間コイルの少なくとも一部分が、らせん形多重ピッチねじの形状における拡張表面を有し、また前記外部コイルの少なくとも一部分が、らせん形多重ピッチねじの形状における拡張表面を有している請求の範囲第１３項記載のコイル。
１５．燃焼室を備えるタイプのボイラーにおいて、細長いチューブを含んで構成され、前記チューブは、前記燃焼室を取り巻く内部コイルと、前記内部コイルを取り巻く中間コイルと、前記中間コイルを取り巻く外部コイルとに形成され、前記外部コイルは液体源と連通する入口を備え、前記内部コイルは前記外部コイルと直列連通状態にあり、前記中間コイルは前記内部コイルおよび出口と直列連通状態にあり、前記内部コイルは前記外部コイルの直径よりも大きな直径を有し、前記中間コイルは前記内部コイルよりも大きな直径を有し、前記内部、中間および外部コイルのそれぞれ少なくとも一部が所定幅を備える拡張された表面を含む、前記燃焼室を取り囲む熱交換器。
１６．前記拡張表面は多重ピッチのらせん形状におけるフィンであり、前記拡張表面の前記幅が前記内部、中間および外部コイルの長さに沿って変化する請求の範囲第１５項において請求される熱交換器。