WO1999020948A1

WO1999020948A1 - Appareil de chauffage a combustion catalytique

Info

Publication number: WO1999020948A1
Application number: PCT/JP1998/004714
Authority: WO
Inventors: Tomoji Yamada; Shoji Hirose; Shigeru Ogino
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 1999-04-29
Also published as: EP1031800A4; EP1031800B1; CA2309047C; JP3863979B2; JPH11118116A; CA2309047A1; DE69840029D1; US6352054B1; EP1031800A1

Description

明細書触媒燃焼加熱装置技術分野

本発明は、燃料ガスを触媒によって酸化反応させ、その酸化反応熱によって被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置に関し、特に装置を始動する際の始動時間の短、触媒燃焼加熱装置に関する。背景技術

可燃ガス（燃料ガス）を触媒を用いて酸化反応させ、発生する熱を利用して、被加熱流体を加熱するいわゆる触媒燃焼加熱装置は既に知られており、家庭用ゃ自動車用など、各種の用途への使用が考えられている（例えば、特開平 5— 2 2 3 2 0 1号公報等)。触媒燃焼加熱装置は、可燃ガスの流路内に、液体または気体の被加熱流体が流れるチューブを配設し、その外周に多数の触媒担持フィンを一体的に接合してなる触媒付熱交換器を備えており、上記多数のフィンには、例えば白金やパラジウムのような酸化触媒が担持してある。この触媒担持フィンを活性温度以上に加熱し、可燃ガスを接触させると、フィン表面において酸化反応が起こる。その際に発生する酸化反応熱がフィンからチューブ内に伝えられて、チユーブ内を流通する被加熱流体を加熱するようになっている。

可燃ガスは、これを酸化させるための支燃ガス (通常、空気）と混合した後、燃料ガスとして触媒付熱交換器内に供給される。触媒による酸化反応は、非常に広い可燃ガス濃度範囲で起こるため、上流側で反応しなかった未燃ガスを下流側の触媒によって燃焼させることが可能で、熱交換器全体で燃焼を行うことができる。このため、それまで一般的であったバーナー式の加熱装置に比較して、小型で処理能力の高し、加熱装置が得られる。ところで、触媒燃焼加熱装置の始動時においては、フィンの温度を速やかに上昇させてシステム全体の触媒を早期に活性状態とすることが望まれる。このため、通常は、予め作成したマップを基にフィン温度や、被加熱流体の温度、燃焼排気ガス温度等、多数の温度を検出する手段を設け、これら温度をモニタしながら、徐々に被加熱流体の流量を規定量まで増加させている。例えば、常温の水を 3 0 0 °Cの蒸気に加熱する場合、可燃ガス流路の上流側のフィン温度が活性温度に達するまでは被加熱流体の流量を 0とし、その後、このフィン温度が活性温度を下回らないように、同時に、他の触媒が順に活性化し、かつ活性温度を保持するように留意して被加熱流体の流量を制御する。

しかしながら、従来の触媒燃焼加熱装置では、フィン温度や、被加熱流体の温度を可燃ガス流路内の複数箇所で検出する必要があるなど、多数の温度をモニタしなければならず、制御が複雑である。また、被加熱流体や支燃ガスの初期温度などの変化によって期待通りの始動をしない可能性があった。さらに、被加熱流体の流量制御が適正に行われない場合、例えば、流量が少なすぎると、フィン表面で発生した熱の行き場がなくなり、局部的にフィンゃチューブが加熱して触媒の劣化を引き起こすおそれがあった。逆に、流量が多すぎると、フィン温度が上昇しにくく、触媒反応が起こらないために、未燃ガスが排出されて排気ェミッシヨンが悪化する。また、始動時間が必要以上に長くなるといった不具合があった。発明の開示

本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で、フィンやチューブの局部加熱や未燃ガスの排出等を防止しながら、早期に装置全体を活性化することができる、安全で、始動時間の短い触媒燃焼加熱装置を得ることを目的とする。

本発明の触媒燃焼加熱装置は、燃料ガス流路中に、内部を被加熱流体流路とするチューブを配設し、上記チュ一ブの外表面に燃料ガスと接触して酸^:反応を生起する酸化触媒を担持したフィンを接合して、燃料ガスの酸化反応熱により被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を備えている。そして、上記被加熱流体流路の出口近傍における被加熱流体温度を検出する手段と、この温度検出手段によって検出される被加熱流体温度に基づいて、装置始動時の上記被加熱流体の流量制御を行う流量制御手段とを設け、該流量制御手段により、被加熱流体温度が所定温度を越えるまでは上記被加熱流体の流量を少量とし、所定温度を越えたら上記被加熱流体の流量を増大するようになしている。

被加熱流体を加熱する場合、液体を加熱して沸点まで上昇するために要する熱量は、液体を気体に変換するための潜熱に比べて小さい。また、被加熱流体の状態によってチューブ内への熱伝達の仕方が変化し、例えば、液体の被加熱流体は、気液混合状態である沸騰状態の被加熱流体に比べて熱伝達率が低、。そこで、被加熱流体が最も高温となる流路出口近傍における被加熱流体温度を検出して被加熱流体の状態を知り、これを基準として被加熱流体の流量を制御することで、始動時制御を良好に行うことができる。つまり、加熱初期においては、上記被加熱流体の流量を少量として被加熱流体への熱伝達を抑制し、フィンやチューブを早期に活性温度まで昇温する。被加熱流体温度が所定温度、例えば、沸点を越えたら、被加熱流体の流量を増大して流速を増し、被加熱流体への熱伝達を促進することで、フィンやチューブの温度が必要以上に高くならないようにする。このようにして、発生する熱を効果的に利用し、早期に装置全体を活性化することができる。よって、短い始動時間で所望の高温ガスを得ることができ、構成が簡単で、多数の温度をモニタする必要がなレ、上、安全面でも優れている。

1実施形態において、上記流量制御手段は、装置始動時の上記被加熱流体の流量を上記被加熱流体の流れが層流となるような少量とし、この流量を上記被加熱流体の代表的な沸点を越えるまで維持するとともに、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記被加熱流体の流量を規定量まで増大する制御を行 o 具体的には、被加熱流体温度の沸点を基準として被加熱流体の流量を制御し、装置の始動時には、上記被加熱流体の流量を少量として流速を十分小さくする。特に、上記被加熱流体の流れが層流となるようにすると、熱抵抗が增大してチューブ内へ熱が伝わりにくくなる。このため、フィンやチューブの温度が上昇し、早期に活性化する。一方、被加熱流体は少量であるため比較的速く沸騰する。沸騰状態では熱抵抗が急激に減少し、熱が伝わりやすくなるので、流量を少量としたままで、被加熱流体のガス化を促進する。被加熱流体が全て気体となると、熱伝達率が再び低くなるので、被加熱流体温度が沸点を越えたら、被加熱流体の流量を一気に増大する。すると、流速が増して被加熱流体への熱伝達が促進され、フィンゃチューブの異常昇温を防止しながら、短時間で良好な始動時制御を行うことができる。

1実施形態では、上記流量制御手段により、上記被加熱流体の温度に基づいて、上記燃料ガス中に混合して供給される支燃ガスの流量を制御する。上記被加熱流体の流量制御に加えて、支燃ガスの流量制御を行うことで、発生する熱をより効果的に利用することができる。

1実施形態では、上記触媒付熱交換器内におけるヒ記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向とが対向している。この時、上記流量制御手段は、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点に達したら、上記支燃ガスの流 iを規定量以上に増大する制御を行う。また、他の実施形態では、上記制御手段は、上記被加熱流体温度が目標温度付近で安定したら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う。

燃料ガスと被加熱流体の流れの方向が対向している場合、可燃ガス濃度の高い燃料ガスが供給される、被加熱流体出口付近の被加熱流体が沸騰するまでは、支燃ガスの流量を必要以上に大きくせず、フィン表面と接する可燃ガスの流速を遅くする。これにより、発生した熱が可燃ガスに伝達されにくくなり、触媒が早期に活性温度まで昇温する。一方、支燃ガスの流量を増大させると、酸化反応によつて発生した熱が伝達されやすくなり、流通の高まった燃料ガスおよび燃焼排気ガスを媒体として下流側に運ばれる。そこで、上記被加熱流体が熱抵抗の低くなる沸点に達したら、支燃ガスの流量を増大して下流側のフィンゃチューブが高温のガスにさらされるようにすることで、装置全体を早期に触媒活性温度以上に昇温する。上記被加熱流体の温度が所定の温度付近で安定したら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少し、燃焼排気ガスとして放出される熱量を小さくすることで、熱交換効率を良好に保持できる。

1実施形態では、上記触媒付熱交換器内における上記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向を同じ向きとする。また、上記流量制御手段は、装置の始動時より上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えるまでは、上記支燃ガスの流量を規定量より多くし、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う。

燃料ガスと被加熱流体の流れが同じ方向である場合、排気ェミツションを悪化させないために、最も被加熱流体温度の高い燃料ガス流路下流側の触媒を早期に活性化するのがよい。そこで、装置の始動時より被加熱流体出口付近の被加熱流体が沸騰するまでは、支燃ガスの流量を規定量より多くして流速を高くすることで、フィン表面で発生した熱が可燃ガスに伝達されやすくなるようにする。これにより、下流側のフィンやチューブが高温のガスにさらされて、早期に触媒活性温度まで昇温する。上記被加熱流体が沸点を越えたら、支燃ガスの流量を低減して排気ガスとして放出される熱量を抑制し、熱交換効率を向上させる。

1実施形態では、上記燃料ガスの流れ方向に沿って重なる複数の層毎に、上記チューブを複数本配設し、上記燃料ガスの流れ方向の上流側の該層において該各チューブの本数を他の層よりも多くしている。

燃料ガスの流れ方向の上流側においては、被加熱流体の温度が高く、気体に変わるときに、膨張するため、各チューブの本数を多くして、各チューブの総断面積を大きくし、圧力損失が大きくなることを防止する。 1実施形態では、上記燃料ガスの流れ方向に沿って重なる複数の層毎に、上記チューブを複数本配設し、上記燃料ガスの流れ方向の上流側の該層において該各チューブのフィンの表面積を他の層よりも小さくしている。

燃料ガスの流れ方向の上流側においては、被加熱流体の温度が高くなつているので、フィンの表面積を小さくして、フィンゃチューブが必要以上に加熱されないようにする。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施の形態を示す触媒燃焼加熱装置の全体断面図である。

図 2は、図 1の A— A線断面図である。

図 3は、第 1の実施の形態における各流体の挙動を示す図である。

図 4は、第 1の実施の形態における制御方法を示すフローチヤ一卜である。図 5は、本発明の第 2の実施の形態を示す触媒燃焼加熱装置の全体断面図である。

図 6は、第 2の実施の形態における各流体の挙動を示す図である。

図 7は、第 2の実施の形態における制御方法を示すフローチヤ一トである。発明を実施するための最良の形態

以下、図面により本発明の触媒燃焼加熱装置の実施の形態を説明する。

(第 1の実施の形態）

図 1は、本発明の第 1の実施の形態を示す触媒燃焼加熱装置の全体断面図である。図 1において、触媒付熱交換器 1は、両端開口の筒状容器内を燃料ガスの流路 1 1となしており、左端部の燃料ガス供給口 1 2より右端部の排気ガス口 1 3 へ向けて（図に矢印 Bで示す方向）、燃料ガスが流れるようになしてある。上記燃料ガス供給口 1 2には、燃料ガス供給部 2を構成する左端閉鎖の筒状体が連結してあり、燃料ガス供給部 2は下部壁に、燃料供給装置 3に連通する燃料供給路 3 1と、支燃ガス供給装置 4に連通する支燃ガス供給路 4 1が接続されている。しかして、燃料供給装置 3から燃料となる可燃ガスが、支燃ガス供給装置 4から支燃ガスが供給されて、上記燃料ガス供給部 2内で混合され、燃料ガスとして、上記燃料ガス供給口 1 2より燃料ガス流路 1 1内に供給される。

ここで、燃料としては、例えば、水素、メタノール等の可燃ガスが、支燃ガスとしては、通常、空気が用いられ、これら可燃ガスおよび支燃ガスの流量は、制御手段たる制御装置 6にて制御される。燃料ガス中の支燃ガスの供給量は、可燃ガスをすベて酸化させるのに必要な理論空気量に対し、 1〜 5倍程度の範囲とされ、通常の燃焼時には、発生する熱を効率よく回収するため、触媒の耐熱温度を越えない範囲でできるだけ少量となるようにするのがよい。ただし、始動時には、後述するように、伝熱媒体として用いるため、必要に応じ流量を増大させる。図 2は、図 1の A— A線断面図である。図 2において、触媒付熱交換器 1の燃料ガス流路 1 1内には、内部を被加熱流体が流れる多数のチューブ 5が、燃料ガスの流れ方向に層状に配置されている。つまり、燃料ガスの流れ方向に沿って重なる複数の層 5 -1, 5 -2, 5 -3, 5 -4, 5 -5毎に、複数のチューブ 5を配設している。各チューブ 5の外周には、多数のリング状のフィン 5 1力、口一付け等の方法で一体的に接合してある。これらフィン 5 1の表面には、白金、パラジウムといった酸化触媒が担持されていて、この表面に燃料ガスが接触して酸化反応を起こすようになしてある。酸化反応により発生した熱は、フィン 5 1からチューブ 5に伝達され、その内部を流れる被加熱流体を加熱する。

図 1において、多数のチューブ 5の両端は、触媒付熱交換器 1の上部および下部に設けた管寄せ室 5 2、 5 3にそれぞれ連結されている。これら管寄せ室 5 2、 5 3は、途中複数箇所に隔壁 5 2 1， 5 3 1が形成されて、複数の部分に区画されており、また、下方の管寄せ室 5 3の右端部には被加熱流体の導入管 5 4が連結され、上方の管寄せ室 5 2の左端部には被加熱流体の導出管 5 5が連結されている。これらチューブ 5、管寄せ室 5 2、 5 3、導入管 5 4および導出管 5 5により、図に矢印 Cで示すように、燃料ガス流路 1 1の下流側より上流側へ向かう被加熱流体の流路が形成される。被加熱流体は、被加熱流体供給装置 7によって導入管 5 4より導入され、チューブ 5および管寄せ室 5 2、 5 3内を流れながら高温に加熱され、導出管 5 5より外部へ導出される。被加熱流体としては、例えば水が使用され、その流量は、上記制御装置 6が被加熱流体供給装置 7を制御することによって調節される。

ここで、チューブ 5の外周に設けられるフィン 5 1の外径や数は、接合されるチューブ 5内の被加熱流体に必要な熱量に応じて適宜設定される。本実施の形態では、燃料ガス流路 1 1の最上流側の層 5 - 1の各チューブ 5において、上記フィン 5 1の外径を小さくしてある（図 2に示す）。燃料ガス流路 1 1の上流側では、チューブ 5内の被加熱流体が高温となっているので、フィン 5 1の表面積を小さくして究熱を抑制し、フィン 5 1やチューブ 5が必要以上に加熱されないようにする。また、各層 5 - 1~ 5 - 5におけるチューブ 5の数は、上流側において多くなるようにするのがよい。これは、液体の被加熱流体が加熱されて気体に変わる時に膨張するため、上流側の層において各チューブ 5の総断面積を大きくしないと圧力損失が大きくなつてしまうからである。また、 1つの層の各チューブ 5と該層に隣合う他の層の各チューブ 5を互い違いに配置すると、燃料ガス流路 1 1の実質長が長くなり、熱交換効率が向上する。

上記被加熱流体の流路の出口となる導出管 5 5の管壁には、被加熱流体の温度を検出する温度検出手段たる温度検出装置 8が設置されている。温度検出装置 8 としては公知の温度センサが使用できる。本実施の形態では、温度検出装置 8で検出される被加熱流体温度から被加熱流体の状態を把握し、この検出結果を基に、上記制御手段 6が被加熱流体供給装置 Ί及び支燃ガス供給装置 4を制御することによって、被加熱流体の流量および支燃ガスの流量を調節するものである。以下、その制御方法について説明する。図 3に被加熱流体の出口温度と各種流体流量の時間的推移を示す。図 3の時点 ( a ) 、つまり触媒燃焼装置の始動時においては、装置全体が低温であり、触媒温度も低く活性温度に達していない。この状態では、フィン 5 1表面の温度を早期に触媒活性温度まで昇温させるために、フィン 5 1表面で発生した反応熱をチユーブ 5内の被加熱流体に伝わりにくくするのがよい。そこで、制御装置 6が被加熱流体供給装置 7を制御することによって、被加熱流体のチューブ 5内の流れが、熱抵抗の大きい層流となるように流量を少量に調節する。ここで、熱抵抗は、下記式（ 1 ) 、

熱抵抗 = 1 / (熱伝達率 X接触面積） … （ 1 )

で定義され、接触面積は一定であるので、被加熱流体の熱伝達率、すなわち被加熱流体の状態によつて熱抵抗が異なる。例えば、被加熱流体の流量を少量として流速を十分小さくすると、被加熱流体は層状に上流から下流に移動し、外側の層から内側の層への熱 fe¾が抑制される（熱伝達率が小さい）。このため、フィン 5 1表面で発生する熱は主に触媒の加熱に用いられ、触媒活性温度まで速やかに昇温する。

被加熱流体が十分層流となるための流量は、通常、規定量の 1 3程度ないしそれ以下である。被加熱流体の供給は装置始動とほぼ同時に開始し、温度検出装置 8で検出される出口温度を基に、各流体の制御を行う。また、始動時より少量の被加熱流体を流通させることで、チューブ 5内に気泡が存在したり被加熱流体が存在しないために空焚き状態となって、フィン 5 1が上昇しすぎることを防止できる。この時、支燃ガスの供給量が多いとガス流速が増し、発生する熱が燃料ガスや燃焼排気ガスに奪われるので、支燃ガスの流量は必要以上に多くしないようにする。これにより、まず、高濃度の燃料ガスが供給される燃料ガス流路 1 1 の上流側のフィン 5 1が加熱され、活性温度に達して触媒燃焼を開始する。

ここで、一般に、液体を加熱してガス化する時、沸点まで昇温するために要する熱量は、液体から気体に変換するための熱、つまり潜熱に比べて小さい、従つて、可燃ガス濃度が高い燃料ガス流路 1 1上流側（図の左側）のチューブ 5内を流れる被加熱流体の温度は比較的速く上昇し、沸点に達する。また、一般に、流体が沸騰状態にある時には、気液混合状態で流体粒子の動きが激しいため、熱伝達が促進され、熱抵抗が急激に減少することが知られている。つまり、被加熱流体が沸騰状態となると、フィン 5 1表面で発生した熱がチューブ 5内の被加熱流体に伝達されやすくなる。そこで、温度検出装置 8で検出される被加熱流体の温度が沸点に達したら（図 3の時点（b ) ) 、支燃ガス供給装置 4にて支燃ガスの流量を規定量より増大するように制御する。これにより、フィン 5 1表面で発生した熱の一部が燃料ガスや燃焼排気ガスによって下流側（図の右側）へ運ばれ、燃料ガス流路 1 1の下流域のフィン 5 1やチューブ 5を加熱して、装置全体を触媒の活性温度以上に昇温する。

さらに燃; ¾が進んで、被加熱流体が全てガス化すると、被加熱流体の温度が沸点を越えてさらに上昇する（図 3の時点（c ) ) 。そこで、被加熱流体の温度が沸点を越えたら、制御装置 6は、被加熱流体の流量を規定量まで増大するように、被加熱流体供給装置 7を制御する。これにより、チューブ 5内の被加熱流体の流速を高めて、フィン 5 1表面で発生した熱がチューブ 5内の被加熱流体に伝わりやすくなるようにし、被加熱流体を加熱して早期に所定温度の高温ガスを得ることができる。この際、被加熱流体の流量を急増するため、被加熱流体の温度は一時的に低下するが、可燃ガス流量はこれを燃焼させた時に発生する熱で規定量の被加熱流体を十分処理できる量としてあり、被加熱流体への熱伝達は流速が大きいほど効果的に行われるため、まもなく上昇に転じる。

その後、被加熱流体の温度が目標温度の 8割程度となったところで（図 3の時点（d ) ) 、制御装置 6は、支燃ガスの流量を所定量まで減少させるように、支燃ガス供給装置 4に信号を出力する。これにより、フィン 5 1表面で発生した熱がチューブ 5内の被加熱流体以外へ伝達されるのを防止し、燃焼排気ガス温度を低くして熱交換効率を高めることができる。図 4に、制御手段 6による制御のフローチャートを示す。このフロチャートによれば、このシステムによる制御を開始したら、まず、制御装置 6は、支燃ガス供給装置 4、被加熱流体供給装置 7に制御信号を出力して、支燃ガス供給装置 4 による規定量の支燃ガスの供給を開始すると共に、被加熱流体供給装置 7による所定の少量の被加熱流体の供給を開始し、さらに、燃料供給表置 3に制御信号を出力して、燃料供給表置 3による規定量の燃料となる可燃ガスの供給を開始する (ステップ 1、 2、 3 ) 。

次に、温度検出装置 8によって被加熱流体の温度 Tが検出されると（ステップ 4 ) 、制御装置 6は、この温度 Tが被加熱流体の代表的な沸点 T a以上かどうかを判定する（ステップ 5 ) 。 T≥T aとなるまでこのステップを操り返す。 T≥ T aとなったら、支燃ガスの流量が増大するように、支燃ガス供給装置 4に制御記号を出力する（ステップ 6 ) 。再度、温度検出装置 8によって被加熱流体の温度 Tを検出し、温度 Tが沸点 T aを越えたかどうかを判定する（ステップ 7 ) 。これを操り返して、 T > T aとなったら、制御装置 6は、被加熱流体の流量を増大するように、被加熱流体供給装置 7を制御し、被加熱流体の流量を規定量とする（ステップ 8 ) 。さらに、制御装置 6は、被加熱流体の温度 Tが目標とするガス温度の約 8割の温度 T bに達したかどうかを判定し（ステップ 9 ) 、これを繰り返して、 T = T bとなったら、支燃ガスの流量を規定量に減少するように支燃ガス供給装置 4に制御信号を出力する（ステップ 1 0 ) 。

以上のように、本実施の形態の触媒燃焼加熱装置は、安全で、かつ始動時間が短く、例えば 3 0 0 の水蒸気を得るために、従来、十数分必要であったところを数分に短縮することができる。本実施の形態の構成では、被加熱流体の進行方向が燃料ガスの流れ方向と対向する方向となっており、被加熱流体は、燃料ガス流路 1 1の下流側、つまり排気ガス口 1 3に近いほど低温となる。この場合、より低温の被加熱流体が流れるチューブ 5に燃焼排気ガスが接触するので、排気ガス中の熱を効率よく回収でき、高い熱交換効率が得られる利点がある。 (第 2の実施の形態）

図 5は、本発明の第 2の実施の形態を示す触媒燃焼加熱装置の全体断面図である。本実施の形態では被加熱流体と燃料ガスの流れ方向とを同じ向きとしてあり、熱交換器 1の右端部に燃料ガス供給部 2を設けて、燃料ガス流路 1 1内を、燃料ガスが、図の右方より左方へ流れるようにしてある。本実施の形態においても、上記被加熱流体の流路の出口となる導出管 5 5の管壁に、被加熱流体の温度を検出する温度検出装置 8が設置されており、この検出結果を基に制御装置 6によつて、被加熱流体供給装置 7及び支燃ガス供給装置 4を制御して、被加熱流体流量および支燃ガス流量を調整する。燃料ガス流路 1 1の上流側（図 5の右側）で、チューブ 5の数が多く、また、フィン 5 1の径が小さくなつていること、その他の構成も上記第 1の実施の形態と同様である。

このように被加熱流体と燃料ガスの流れ方向とを同じ向きとした構成では、濃度の高い可燃ガスに接触して最も高温となりやすい、燃料ガス流路 1 1の上流側 (図 5の右側）に位置するフィン 5 1やチューブ 5は、その内部を流れる低温の被加熱流体によって、異常に昇温することを免れることができる。し力、しなカら、システムの立ち上がり時には、可燃ガスの流れの下流側（図 5の左側）の温度が触媒の活性温度に達するまでは触媒燃焼が十分に行われない。このため、排気ガスロ 1 3から未燃ガスが放出されて排気エミッションが悪化する懸念がある。そこで、この場合は、図 6の時点（a ) の装置始動時において、被加熱流体の流量を少量とするのと同時に、支燃ガス流量を規定量より多くして、フィン 5 1 表面で発生する熱を燃料ガスや燃焼排気ガスに伝達しやすくする。これにより、被加熱流体の流れが層流となるように流速を十分小さくして、フィン 5 1表面で発生する熱がチューブ 5内に伝達されにくくし、さらに、燃料ガス流路 1 1の下流側が高温のガスに晒されやすくすることで、装置全体が早期に触媒活性温度に到達するようにする。

支燃ガス流量の増大は、被加熱流体が沸点に遠した後（図 6の時点（b ) ) 、さらに燃焼か進んで、被加熱流体が全てガス化するまで行う。被加熱流体がガス化すると急激にチューブ 5内への熱抵抗が増大するので、被加熱流体の温度が沸点を越えたら（図 6の時点（c ) ) 、制御装置 5 1は、支燃ガスの流量を親定量まで低減することで、フィン 5 1表面で発生する熱がチューブ 5内の被加熱流体以外へ伝達されるのを防止する。同時に、被加熱流体の流量を規定量まで増大させるよう、被加熱流体供給装置 7を制御する。これにより、チューブ 5内の被加熱流体の流速を高めて、チューブ 5内への熱伝達を促進し、被加熱流体を早期に所定温度まで加熱することができる。

図 7に、本実施の形態における制御手段 6の制御のフローチャートを示す。このフロチャートによれば、このシステムによる制御を開始したら、まず、制御手段 6は、支燃ガス供給装置 4、被加熱流体供給装置 7により、規定量より多い支燃ガス、所定の少量の被加熱流体の供給を開始し（ステップ 1、 2 ) 、さらに、燃料供給装置 3により、規定量の燃料供給を開始する（ステップ 3 ) 。次いで温度検出装置 8によって被加熱流体の温度 Tが検出されると（ステップ 4 ) 、制御手段 6は、この温度 Tが被加熱流体の代表的な沸点 T aを越えたかどうかを判定する（ステップ 5 ) 。これを繰り返して、 T > T aとなったら、支燃ガス供給装置 4に制御信号を出力して、支燃ガスの流量を規定量に低減し（ステップ 6 ) 、被加熱流体の流量を規定量に増大するように被加熱流体供給装置 7を制御する (ステップ 7 ) 。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料ガス流路中に、内部を被加熱流体流路とするチューブを配設し、上記チュ一ブの外表面に燃料ガスと接触して酸化反応を生起する酸化触煤を担持したフィンを接合して、燃料ガスの酸化反応熱により被加熱流体を加熱する触媒付熱交換器を備えた触媒燃焼加熱装置において、

上記被加熱流体流路の出口近傍における被加熱流体温度を検出する温度検出手段と、

この温度検出手段によって検出される被加熱流体温度に基づいて、装置始動時の上記被加熱流体の流量制御を行う流量制御手段とを設け、

該流量制御手段により、被加熱流体温度が所定温度を越えるまでは上記被加熱流体の流量を少量とし、所定温度を越えたら上記被加熱流体の流量を増大するようになした触媒燃焼加熱装置。

2 . 上記流量制御手段は、装置始動時の上記被加熱流体の流量を上記被加熱流体の流れが層流となるような少量とし、この流量を上記被加熱流体の代表的な沸点を越えるまで維持するとともに、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記被加熱流体の流量を規定量まで増大する制御を行う請求項 1記載の触媒燃焼加熱装置。

3 . 上記流量制御手段は、装置始動時において、上記被加熱流体の流量とともに、上記燃料ガス中に混合して供給される支燃ガスの流量を制御するものである請求項 1記載の触媒燃焼加熱装置。

4 . 上記触媒付熱交換器内における上記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向とが対向しており、

上記流量制御手段は、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点に達したら、上記支燃ガスの流量を規定量以上に増大する制御を行う請求項 3記載の触媒燃焼加

5 . 上記制御手段は、上記被加熱流体温度が目標温度付近で安定したら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う請求項 4記載の触媒燃焼加熱装置。

6. 上記触媒付熱交換器内における上記燃料ガスの流れの方向と上記被加熱流体の流れの方向とが同じ向きであり、

上記流量制御手段は、装置の始動時より上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えるまでは、上記支燃ガスの流量を規定量より多くし、上記被加熱流体温度がその代表的な沸点を越えたら、上記支燃ガスの流量を規定量まで減少する制御を行う請求項 3記載の触媒燃焼加熱装置。

7 . 上記燃料ガスの流れ方向に沿って重なる複数の層毎に、上記チューブを複数本配設し、上記燃料ガスの流れ方向の上流側の該層において該各チューブの本数を他の層よりも多くした請求項 1記載の触媒燃焼加熱装置。

8. 上記燃料ガスの流れ方向に沿って重なる複数の層毎に、上記チューブを複数本配設し、上記燃料ガスの流れ方向の上流側の該層において該各チューブのフィンの表面積を他の層よりも小さくした請求項 1記載の触媒燃焼加熱装置。