(57)【要約】【課題】ボイラの排気筒内に熱交換コイルを設置している給水予熱装置を持ったボイラにおいて、熱交換コイルによって排ガス流に圧力損失が増加することは低く抑えながら、熱吸収量を増加する。【解決手段】高温のガスによって水を加熱するボイラ１、ボイラへ供給するボイラ用水をためておく給水タンク２、ボイラから排出する排ガスを通す排気筒５、排気筒内に設置しておく螺旋形の流路を持った熱交換コイル８を持ち、前記給水タンク２から供給してきたボイラ用水を熱交換コイル８内に通すことで、排気筒５内を流れる排ガスによって熱交換コイル８内を流れるボイラ用水を予熱するようにしている給水予熱器を持ったボイラにおいて、前記熱交換コイル８は、複数本のチューブを並列に設置した多重の螺旋管で構成しており、内側の螺旋管ほど周回する管の下端位置が低くなるように高さ位置を設定しておく。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温のガスによって水を加熱するボイラ、ボイラへ供給するボイラ用水をためておく給水タンク、ボイラから排出する排ガスを通す排気筒、排気筒内に設置しておく螺旋形の流路を持った熱交換コイルを持ち、前記給水タンクから供給してきたボイラ用水を熱交換コイル内に通すことで、排気筒内を流れる排ガスによって熱交換コイル内を流れるボイラ用水を予熱するようにしている給水予熱器を持ったボイラにおいて、前記熱交換コイルは、複数本のチューブを並列に設置した多重の螺旋管で構成しており、内側の螺旋管ほど周回する管の下端位置が低くなるように高さ位置を設定していることを特徴とする給水予熱器を持ったボイラ。
【請求項２】
請求項１に記載の給水予熱器を持ったボイラにおいて、熱交換コイルは、内側の螺旋管ほど周回する管の上端位置が高くなるように高さ位置を設定していることを特徴とする給水予熱器を持ったボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給水予熱装置を持ったボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気を発生するボイラでは、ボイラ内で熱交換を行った後に排出している排ガスにも熱が残っているため、排ガスの熱によってボイラ給水の予熱を行うことによってボイラの効率を向上させることが広く行われている。一般的な給水予熱器は、ボイラの燃焼排ガスを通す排気筒内に多数の水管を設置し、各水管は連結することで一続きの流路を形成しておき、ボイラへの給水は給水タンクから給水予熱器を経由した後にボイラ内へ入る構成としている。給水予熱器によって、１５℃程度の給水を１００℃程度まで予熱することができると、ボイラで同じ量の蒸気を発生する場合でも燃焼量が少なくてすむため、燃料消費量を削減することができる。
【０００３】
ボイラへの給水は、ボイラ内水位が低くなると給水を開始し、給水によって水位が上昇すると給水を停止する間欠給水とすることが多く行われている。この場合、給水が停止すると給水予熱器内の水流は停止するが、給水予熱器内での排ガスによる給水の加熱は給水停止中も続く。給水予熱器内にとどまっている給水に対しての加熱が長く続くと、給水予熱器内で給水温度が上昇して沸騰するおそれがある。そのため給水予熱器には耐圧性が必要であり、その分コストも高いものになっていた。また、給水温度が低いと、給水予熱器の水管表面で燃焼排ガスが結露温度以下となって結露水が発生することになる。燃焼排ガスにはＮＯｘやＳＯｘが含まれており、結露によって硝酸や硫酸が発生すると水管を腐食させるため、給水予熱器の寿命はボイラ本体部の寿命に比べて短いものとなる。給水予熱器を設置するとボイラの効率が向上するために燃料費を削減することができるが、イニシャルコストや交換コストが大きくなるということが問題となっていた。
【０００４】
そこで、特開２０１２−２０７８５２号公報に記載している、給水予熱器を設置することの提案が行われている。この給水予熱器では、排気筒内に設置している熱交換コイルと、ボイラへの給水をためている給水タンクの間で水を循環するようにしている。熱交換コイルと給水タンクの間での循環は、ボイラへの給水とは関係なく行うものであり、給水の予熱中は常に水を循環させておく。そのため、給水予熱器内の水は常に入れ替わり続けることになり、給水が過度に加熱されることはなく、排ガスから熱を安定的に回収することができる。また、この給水予熱器でのボイラ水の循環は、ボイラの水位制御とは関係なく行うものでありるため、既設のボイラに後から追加することも容易に行える。追加する場合は、既設排気筒の一部を取り外し、そこに熱交換コイルを設けた排気筒を設置しておき、給水タンクと熱交換部の間でボイラ給水を循環させる循環経路を設けて、ボイラ用水を循環させるだけで行える。
【０００５】
熱交換コイルは、中心部分に空間を開けた螺旋形状としている。この場合、排気筒内を流れる排ガスは中心の空間部分に多く流れることになり、熱交換コイルの部分にはあまり流れないことで熱吸収量が少なくなるということが考えられる。そのため、特開２０１２−２０７８５２号公報の発明では、熱交換コイルの中心部分に上面をふさいだ内筒を設けている。内筒を設けると、排ガスは内筒と排気筒壁面の間にできる環状の空間を通らなければならなくなる。環状の空間に熱交換コイルを設けておくと、排ガスは熱交換コイルの部分を必ず通ることになるため、熱吸収量を多くすることができる。
【０００６】
なお、排気筒内に熱交換コイルを設置すると、排気筒内を流れる排ガス流には抵抗が増加することになる。熱交換コイル部分で排ガス流に圧力損失が発生することになると、ボイラでは炉内の圧力が高くなり、燃焼状態が悪化するなどの問題が発生することがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−２０７８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、ボイラの排気筒内に熱交換コイルを設置しておき、排ガスの熱を利用して給水の予熱を行うようにしている給水予熱装置を持ったボイラにおいて、熱交換コイルによって排ガス流に圧力損失が増加することは低く抑えながら、熱吸収量を増加することができる給水予熱器を持ったボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、高温のガスによって水を加熱するボイラ、ボイラへ供給するボイラ用水をためておく給水タンク、ボイラから排出する排ガスを通す排気筒、排気筒内に設置しておく螺旋形の流路を持った熱交換コイルを持ち、前記給水タンクから供給してきたボイラ用水を熱交換コイル内に通すことで、排気筒内を流れる排ガスによって熱交換コイル内を流れるボイラ用水を予熱するようにしている給水予熱器を持ったボイラにおいて、前記熱交換コイルは、複数本のチューブを並列に設置した多重の螺旋管で構成しており、内側の螺旋管ほど周回する管の下端位置が低くなるように高さ位置を設定していることを特徴とする。請求項２に記載の発明は、前記の給水予熱器を持ったボイラにおいて、熱交換コイルは、内側の螺旋管ほど周回する管の上端位置が高くなるように高さ位置を設定していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
熱交換コイルは内側から外側へ多重に設置しておき、外周側のものほど下端位置が高くなるように段差を設けている。このようにしておくと、排ガス流は熱交換コイルの下端に沿って外縁側へと広がりながら流れる。その際、排ガス流は熱交換コイルの伝熱管の隙間に分散し、伝熱管の間にできる流路部分を流れていく。排ガス流を徐々に分散させていくことで、圧力損失の増大を低く抑えながら熱吸収量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を実施しているボイラのフロー図
【図２】本発明の一実施例での給水予熱器組み立て状況を示した一部断面説明図
【図３】本発明の一実施例での排ガスの流れを示した給水予熱器の断面図
【図４】本発明と対比するための熱交換コイル下端を同じ高さとした場合での排ガスの流れを示した給水予熱器の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施しているボイラのフロー図、図２は本発明の一実施例での給水予熱器組み立て状況を示した一部断面説明図、図３は本発明の一実施例での排ガスの流れを示した給水予熱器の断面図である。ボイラ１は、内部で燃焼を行うことでボイラ水を加熱し、蒸気を発生するものである。ボイラ用水は解放タンクである給水タンク２にためておき、給水タンク２とボイラ１の間をつないでいる給水管３を通して給水する。給水制御は、ボイラ内の水位が給水開始水位まで低下すると、給水管３の途中に設けている給水ポンプの作動を行うことでボイラ１への給水を行い、ボイラ内水位が給水停止水位まで上昇すると給水ポンプの作動を停止して給水を終了する。給水タンク２への給水は、軟水器（図示せず）で軟化処理を行った軟化水を供給する軟化水配管４を通じて行っている。給水タンク２でも水位が低下すると給水を行って水位を上昇させ、水位が所定水位まで上昇すると給水を停止することで、給水タンク２内の水位を所定の範囲内に保つ。
【００１３】
ボイラ１では燃焼を行うことで熱を発生し、火炎からの輻射熱と高温の燃焼ガスによってボイラ水を加熱して蒸気を発生する。そして熱交換を終えた後の燃焼排ガスはボイラ内から取り出し、排気筒５を通して戸外へ排出している。燃焼排ガスはボイラ内での熱交換を行ったことで温度は低下するが、ボイラから取り出される時点では数百℃程度の熱を保有しているために給水を予熱する用途には使用することができる。排気筒５の途中には給水予熱器６を設置しておき、燃焼排ガスは給水予熱器６との間でも熱交換を行う。給水予熱器６は、排気筒内に設置している熱交換コイル８、熱交換コイル８と給水タンク２との間を接続した往路と復路からなる循環配管７、循環配管７の途中に設置した循環ポンプなどからなる。給水予熱器６は、給水タンク２にためておいたボイラ用水は循環配管７の往路を通して給水予熱器６へ送り、給水予熱器６で加熱を行った後に循環配管７の復路を通して給水タンク２へ戻すようにしている。
【００１４】
ボイラ１が運転を行っている場合、給水タンク２にためているボイラ用水を連続的に給水予熱器６へ送ることでボイラ用水の予熱を行う。ボイラ運転中は排気筒５内を燃焼排ガスが流れているため、循環配管７に設けている循環ポンプを作動し、循環配管７を通して給水予熱器６へ水を送ると、熱交換コイル８内を水が流れる際に熱交換コイル８の周囲を流れている燃焼排ガスによって加熱される。循環配管７は給水予熱器６から給水タンク２へ戻すようにしており、熱交換コイル８で温度の上昇した水は給水タンク２へ戻る。ボイラ１への給水は、給水予熱器６で予熱した水を送ることになるため、ボイラの効率は向上する。
【００１５】
給水タンク２と給水予熱器６の間で水の循環を行う循環配管７は、ボイラへの給水とは別系統であるため、ボイラへの給水が停止している時間帯であっても循環配管７での通水は連続的に行うことができる。そして循環配管７は、解放タンクである給水タンク２と熱交換コイル８の間で水を循環するものであり、水の循環に必要な水圧は高くない。そのため循環配管７では多くの水を連続的に流すことができ、熱交換コイル８内で水が沸騰するようなことはないため、耐圧性の低いフレキシブルチューブを使用しても問題にはならず、安価に製造できることは有利となる。
【００１６】
給水予熱器６の熱交換部は、フレキシブルチューブなどによる熱交換コイル８、熱交換コイル８の外側を囲む外筒９、熱交換コイル８内に挿入する内筒１０からなっている。熱交換コイル８は、燃焼排ガス流の下流側となる図の上方から水を供給し、螺旋状の熱交換コイル内を流れることで予熱を行いながら下方へ向かう。熱交換コイル８のチューブは、下端から折り返して熱交換コイル８設置部よりも上方に設けている取り出し口から排気筒の外側へ取り出すようにしているため、熱交換コイル８の下部に達した予熱水は上部から排気筒外側へ取り出す。熱交換コイル８の螺旋径は、外筒９部分の径をＬ、給水予熱器以外の排気筒５部分の径をｌとした場合、排気筒径ｌより大きく、外筒径Ｌよりは小さなものとしておき、内筒１０と外筒９の間にできる環状の空間に設置する。
【００１７】
熱交換コイル８は、複数本のフレキシブルチューブによる多重の螺旋からなっており、図では、内・中・外での３本のフレキシブルチューブによる３重の経路によって熱交換コイル８を構成している。循環配管７は給水予熱器直前部分に分岐部を設けて分岐させており、並列設置した複数本のチューブに分割してボイラ用水を供給するようにしている。循環配管７の給水予熱器直後部分にも合流部を設け、熱交換コイル８では分割して流れてきたボイラ用水を合流させるようにしており、予熱を行ったボイラ用水は共通の循環配管７を通して給水タンク２へ戻す。
【００１８】
外筒９の径は排気筒５の径よりも大きなものとしておく。給水予熱器６部分での外筒９の径を大きくすると、熱交換コイル８の径を大きくすることができ、熱交換コイル８の高さは同じであってもフレキシブルチューブ長さは長くなるため、熱吸収量を増加することができる。給水予熱器６の部分をそれ以外の排気筒５の径よりも大きくすると、外筒９には排気筒５での径との間をつなぐ部分が必要となり、外筒９の上下には環状の天板と底板を設けることで排気筒５の外周との間をつないでいる。外筒９と排気筒５をつなぐために設けている環状の底板には、ドレン（凝縮水）を排出するためのドレン排出管１４を設ける。
【００１９】
また、中心軸部分が大きくあいた熱交換コイル８を排気筒内に設置した場合、排気筒内を流れる排ガスは熱交換コイル８中心軸部分を素通りし、熱交換コイル８による熱の吸収量が小さくなることが考えられる。そこで、熱交換コイル８の中心軸付近には内筒１０を設置するようにしている。内筒１０は、上方に蓋を付け下方は開口した円筒形構造であり、内筒１０と外筒９の間に環状の空間ができるようにする。内筒は上方を蓋でふさいでいるため、燃焼排ガスは必ず内筒１０と外筒９の間にできる環状の空間を流れることになる。熱交換コイル８は、内筒１０と外筒９の間にできる環状空間に設置しておくと、燃焼排ガスは熱交換コイル８の部分を必ず流れることになり、熱交換コイル８を効率よく加熱することができる。
【００２０】
熱交換コイルを構成している３本のフレキシブルチューブは、内筒１０に最も近い部分で螺旋状に巻いている内側管１１、内側管１１のすぐ外縁側の部分で螺旋状に巻いている中側管１２、中側管１２のさらに外縁側であって全体でも最も外縁側の部分で螺旋状に巻く外側管１３からなっている。内側管１１、中側管１２、外側管１３の螺旋状に巻いている径は、内側管＜中側管＜外側管となる。各螺旋では、巻き数を異ならせることによって螺旋部の上端位置と下端位置が異なるようにしている。上端側では、内側管１１が最も高い位置から始まり、中側管１２が次に高い位置からとし、外側管１３が最も低い位置から始まるようにしている。下端側では、内側管１１が最も低い位置まで続いており、中側管１２が次に低い位置までとし、外側管１３が最も高い位置で終わっている。
【００２１】
各管での螺旋の巻き数は、内側管１１を最も多くし、次いで中側管１２、外側管１３は最も巻き数が少なくなるようにしている。巻き数の違いは、熱交換コイルの縦方向長さの差で現れることになり、コイル縦方向長さは内側管１１が最も長くなり、外側管１３が最も短くなっている。なお、巻き数が最も少ない外側管１３では螺旋の径が最も大きく、逆に巻き数が最も多い内側管１１では螺旋の径が最も小さいため、巻き数が少ないから流路の長さが短くなるとは限らない。内側管１１、中側管１２、外側管１３の長さを等しくしたという場合にも、巻き数は内側管１１で多くなり、外側管１３では少なくなる。
【００２２】
熱交換コイルを設置している部分では、ボイラから排出されてきた排ガスは下から上へ流れる。排ガスは、最初は熱交換コイルの中心軸部分に設けている内筒に入るが、内筒の上端はふさいでいるために内筒内を抜けるということはなく、結局は内筒と排気筒周壁の間にできる環状の空間を上向きに流れる。この場合において、熱交換コイルは外周側のものほど下端位置が高くなるように段差を設けて設置しておくと、環状空間部分で熱交換コイル８が設置されていない領域は先細りとなり、徐々に減少していくことになる。そのため、この空間内を流れる排ガス流は、熱交換コイルの下端に沿って自然に外縁側へと流れていくことになる。その際に排ガス流は、熱交換コイルの内側管１１と内筒１０の間、内側管１１と中側管１２の間、中側管１２と外側管１３の間、外側管１３と外筒９の間にできるそれぞれのすき間にも分散して流れる。排ガス流を外縁側へ流しながら徐々に分散させていくことで、圧力損失の増大を低く抑えることができる。
【００２３】
また、内筒１０と外筒９の間にできる環状の空間内を排ガスが流れる場合、排ガスはより中心軸に近い内筒１０の表面に沿って多く流れ、中心軸から遠い外筒９の表面近くで流れる排ガスの量は少なくなっていた。この場合、熱交換コイル８の外周側では熱の吸収量が少なくなるという問題もあった。しかし、熱交換コイル８の下端高さを異ならせ、熱交換コイル８の手前で排ガス流に外縁側への流れを作ることで、熱交換コイル８の外周側に流れる排ガス流が多くなる。このことにより、外周側での熱吸収量を増加することができ、熱交換コイル８全体での熱吸収量を増加することができる作用も得られる。
【００２４】
比較のための図４に記載しているように、熱交換コイルの各伝熱管で下端側が同じ高さ位置にあると、熱交換コイル８が排ガス流に対して垂直な面を形作ることになる。この場合、排ガス流は進行方向に対して垂直な壁にぶつかることになるため、抵抗が大きくなり、圧力損失が発生することになっていた。先に説明したように、熱交換コイルの下端位置は、外側の伝熱管ほど高い位置にしておき、伝熱管下端をつなぐ面は、排ガス流に対して傾斜するようにしておくと、排ガスの流れ方向は緩やかに変化することになり、排ガス流に大きな抵抗はかからなくなるため、この部分での圧力損失を低く抑えることができる。
【００２５】
また、排ガスが熱交換コイルを抜ける部分では、熱交換コイルは外縁側のものほど上端位置が低くなるように段差を設けて設置している。ここでも伝熱管の上端位置を異ならせておくことで、排ガス流は中心側へ集合する流れができるようにしておく。排気筒の熱交換コイルを設ける部分では、元の排気筒よりも径を大きくしているため、排気筒の給水予熱器を設置している部分が終わるところでは排気筒の径を元の大きさに縮小する。この縮小部においても圧力損失が発生するが、縮小部の手前で排ガス流を中心軸側へ流すようにしておくことで、縮小部での圧力損失を低限するという効果も得ることができる。
【００２６】
なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１  ボイラ    
２  給水タンク    
３  給水管
４  軟化水配管
５  排気筒
６  給水予熱器
７  循環配管
８  熱交換コイル
９  外筒
１０  内筒
１１  内側管
１２  中側管
１３  外側管
１４  ドレン排出管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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