JP2022029331A - Heat exchange device and manufacturing method of heat exchange device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の熱交換器によって構成される熱交換装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a heat exchanger composed of a plurality of heat exchangers and a method for manufacturing the same.
燃焼排ガスに含まれる潜熱をも回収して加熱に利用する潜熱回収型熱交換器が知られている(例えば、特許文献1~3参照)。
潜熱回収型熱交換器の一例である給湯器について図21を参照して説明する。
図21に示すように、この種の給湯器は、一次熱交換器と二次熱交換器を組み合わせた統合型熱交換装置とも称され、一般には、一次熱交換器の真上に二次熱交換器が設置された構成となっている。
熱交換装置(一次熱交換器)の直下には、高温(約1500℃)の燃焼排ガスを放出可能な燃焼器が設けられ、一次熱交換器は、この燃焼排ガスの排熱(顕熱)を回収することで水を加熱する。この熱回収を経て、約200℃の燃焼排ガスが二次熱交換器に向けて放出される。
二次熱交換器は、一次熱交換器を通過した燃焼排ガスの顕熱と燃焼排ガスに含まれる潜熱(水蒸気が凝縮する際の凝縮熱)の両方を回収することで水を加熱する。
給湯器全体としては、まず、給水された水が二次熱交換器に供給され、ここで燃焼排ガスの潜熱を回収して予熱される工程と、次に、この予熱された水が一次熱交換器に供給され、ここで燃焼排ガスの顕熱を回収して加熱される工程とがあり、この2つの工程を経ることで給水された水が温水として出水される。
このように、統合型熱交換装置は、燃焼排ガスから潜熱をも回収することで、約95%の熱効率を実現している。
このため、約80%の熱効率(熱交換効率ともいう)とされる一次熱交換器のみからなる給湯器に比べても、熱効率に優れ、省エネ効果も高い。
A latent heat recovery type heat exchanger that recovers latent heat contained in combustion exhaust gas and uses it for heating is known (see, for example,
A water heater, which is an example of a latent heat recovery type heat exchanger, will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 21, this type of water heater is also referred to as an integrated heat exchanger that combines a primary heat exchanger and a secondary heat exchanger, and is generally a secondary heat directly above the primary heat exchanger. The configuration is such that an exchanger is installed.
Immediately below the heat exchanger (primary heat exchanger), a combustor capable of discharging high-temperature (about 1500 ° C.) combustion exhaust gas is provided, and the primary heat exchanger dissipates the exhaust heat (explicit heat) of the combustion exhaust gas. The water is heated by collecting it. Through this heat recovery, the combustion exhaust gas at about 200 ° C. is discharged toward the secondary heat exchanger.
The secondary heat exchanger heats water by recovering both the apparent heat of the combustion exhaust gas that has passed through the primary heat exchanger and the latent heat (condensation heat when the steam is condensed) contained in the combustion exhaust gas.
As for the water heater as a whole, first, the supplied water is supplied to the secondary heat exchanger, where the latent heat of the combustion exhaust gas is recovered and preheated, and then this preheated water exchanges the primary heat. There is a step of supplying to the vessel and recovering the apparent heat of the combustion exhaust gas to heat it, and the supplied water is discharged as hot water through these two steps.
As described above, the integrated heat exchanger realizes a thermal efficiency of about 95% by recovering latent heat from the combustion exhaust gas.
Therefore, the heat efficiency is excellent and the energy saving effect is high as compared with a water heater consisting only of a primary heat exchanger, which has a heat efficiency of about 80% (also referred to as heat exchange efficiency).
ところで、従来の熱交換器として、石油系燃料を燃焼させた際に生じる燃焼排ガスを用いるものが多く利用されてきた。
石油系燃料には硫黄成分が含有されていることから、燃焼の際、硫黄成分が硫黄酸化物(SOx)に化学変化し、燃焼時に生成される高温の水蒸気に吸収される結果、強酸性の水蒸気を含む燃焼排ガスが生成される。
この強酸性の水蒸気は、結露(凝縮)することにより強酸性酸露水(凝縮水)となるが、この凝縮水は、強酸性であるため、煙突や周辺の金属機器類等の酸腐食原因となる。
このような問題に対し、酸露点(約180℃)以下の温度まで冷却しない(潜熱を回収しない)対策、つまり、凝縮水を極力生成させないための対策が一般的に採られてきた。
一方、近年、環境破壊の問題や国際的な地球環境保全の観点から、石油系燃料に代わる燃料として、LNGやLPGなどの炭化水素系燃料の利用が推奨されている。
LNGやLPGには硫黄成分が含まれないため、強酸性の凝縮水は生成されない。
このため、炭化水素系燃料を用いる場合、上記対策を採る必要はないとも考えられ、そうすることで、可能な限り燃焼排ガスから熱回収でき、熱効率を極限まで高めることができる。
By the way, as conventional heat exchangers, those using combustion exhaust gas generated when petroleum-based fuel is burned have been widely used.
Since petroleum-based fuel contains a sulfur component, the sulfur component chemically changes to sulfur oxide (SOx) during combustion and is absorbed by the high-temperature steam generated during combustion, resulting in strong acidity. Combustion exhaust gas containing steam is generated.
This strongly acidic water vapor becomes strongly acidic acid dew water (condensed water) by dew condensation (condensation), but since this condensed water is strongly acidic, it may cause acid corrosion of chimneys and surrounding metal equipment. Become.
To deal with such problems, measures have generally been taken to prevent cooling to a temperature below the acid dew point (about 180 ° C.) (do not recover latent heat), that is, to prevent the generation of condensed water as much as possible.
On the other hand, in recent years, the use of hydrocarbon fuels such as LNG and LPG has been recommended as an alternative fuel to petroleum fuels from the viewpoint of environmental destruction and international conservation of the global environment.
Since LNG and LPG do not contain sulfur components, strongly acidic condensed water is not produced.
Therefore, when using a hydrocarbon fuel, it is considered unnecessary to take the above measures, and by doing so, heat can be recovered from the combustion exhaust gas as much as possible, and the thermal efficiency can be maximized.
しかしながら、炭化水素系燃料の燃焼排ガスから可能な限り熱回収する(冷却する)場合には、別の問題が発生する。
この問題について、図22のグラフを参照しながら説明する。
図22は、排ガス温度に対する燃焼排ガス熱量と酸性結露水量(凝縮水量)の変化を示すグラフである。
このグラフに示すように、燃焼排ガス温度を60℃以下に冷却すると凝縮水の発生が顕著になる。つまり、可能な限り潜熱を回収しようとして燃焼排ガス温度を低温にすればするほど凝縮水が大量に発生する。
このため、燃焼排ガスから可能な限り熱回収するには、二次熱交換器において大量に発生する凝縮水(ドレン)を適切に排出する必要がある。
具体例として、一次熱交換器の上方に、蛇状のSUS管(ステンレス製の配管)からなる二次熱交換器を設けた従来の統合型熱交換装置におけるドレン処理方法について説明する。
例えば、二次熱交換器のSUS管を傾斜させることで、SUS管の表面に結露した凝縮水を端部に伝え集めて排出する方法が知られている。
この方法は、潜熱回収温度が50℃以上であるために凝縮水の発生量がごく少量である従来の統合型熱交換器に対しては有効に機能する。
しかしながら、この方法では、大量に発生した凝縮水をすべて端部に伝えることはできず、その途中で、少なからず凝縮水が下方に落下する問題が生じる。
具体的には、一次熱交換器における熱回収の効率を下げたり、燃焼器において不完全燃焼など燃焼反応に悪影響を及ぼすおそれがある。
また、SUS管の下方に受け皿を設け、この受け皿に溜まった凝縮水をパイプなどで外部に排出する方法が考えられる。
ところが、この方法だと、受け皿がSUS管に対する燃焼排ガスの供給を阻害し、二次熱交換器における熱効率(回収熱量)を低下させ、ひいては、熱交換装置全体の熱効率を低下させるおそれがある。また、回収熱量の増加に伴い、伝熱表面を更に長くする必要から大型化する。
また、燃焼器を上段に配置し、一次熱交換器を中段に配置し、二次熱交換器を下段に配置した装置が知られている。
このような装置によれば、二次熱交換器において発生した凝縮水は重力によりその下方に落下するため、一次熱交換器や燃焼器に悪影響を及ぼすことはない。
ただし、燃焼排ガスは浮力で上昇対流することが自然現象であり、このような自然現象に逆らった機構・構造を採用する場合には、火炎温度と周りの空気との温度差(浮力)に打ち勝つだけの積極的な換気を行う必要があり、自然換気では、例えば、給湯器の燃焼器より高い位置まで煙突高さが必要となるなど、無駄に構造を複雑化してしまう。
However, another problem arises when the heat is recovered (cooled) as much as possible from the combustion exhaust gas of the hydrocarbon fuel.
This problem will be described with reference to the graph of FIG.
FIG. 22 is a graph showing changes in the amount of heat of combustion exhaust gas and the amount of acidic dew water (condensed water amount) with respect to the exhaust gas temperature.
As shown in this graph, when the combustion exhaust gas temperature is cooled to 60 ° C. or lower, the generation of condensed water becomes remarkable. That is, the lower the temperature of the combustion exhaust gas in an attempt to recover the latent heat as much as possible, the larger the amount of condensed water generated.
Therefore, in order to recover as much heat as possible from the combustion exhaust gas, it is necessary to appropriately discharge the condensed water (drain) generated in a large amount in the secondary heat exchanger.
As a specific example, a drain treatment method in a conventional integrated heat exchanger in which a secondary heat exchanger made of a serpentine SUS pipe (stainless steel pipe) is provided above the primary heat exchanger will be described.
For example, a method is known in which the SUS pipe of a secondary heat exchanger is tilted so that condensed water condensed on the surface of the SUS pipe is transmitted to the end and collected and discharged.
This method works well for conventional integrated heat exchangers where the latent heat recovery temperature is 50 ° C. or higher and therefore the amount of condensed water generated is very small.
However, in this method, it is not possible to transmit all the condensed water generated in a large amount to the end portion, and there arises a problem that the condensed water falls downward to some extent on the way.
Specifically, there is a risk of reducing the efficiency of heat recovery in the primary heat exchanger and adversely affecting the combustion reaction such as incomplete combustion in the combustor.
Further, it is conceivable to provide a saucer below the SUS pipe and discharge the condensed water collected in the saucer to the outside by a pipe or the like.
However, with this method, the saucer may obstruct the supply of combustion exhaust gas to the SUS pipe, reduce the thermal efficiency (recovered heat amount) in the secondary heat exchanger, and eventually reduce the thermal efficiency of the entire heat exchanger. In addition, as the amount of heat recovered increases, the heat transfer surface needs to be made longer, so that the size is increased.
Further, there is known a device in which a combustor is arranged in an upper stage, a primary heat exchanger is arranged in a middle stage, and a secondary heat exchanger is arranged in a lower stage.
According to such a device, the condensed water generated in the secondary heat exchanger falls below the condensed water due to gravity, so that the primary heat exchanger and the combustor are not adversely affected.
However, it is a natural phenomenon that the combustion exhaust gas rises and convects due to buoyancy, and when a mechanism / structure that opposes such a natural phenomenon is adopted, the temperature difference (buoyancy) between the flame temperature and the surrounding air is overcome. Natural ventilation unnecessarily complicates the structure, for example, the chimney height is required to be higher than the combustor of the water heater.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、極めて高い熱効率を実現しつつ、その引き換えに大量に発生するドレンを効果的に処理可能な熱交換装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a heat exchange device capable of effectively treating a large amount of drainage in exchange for achieving extremely high thermal efficiency.
本発明に係る熱交換装置は、複数の熱交換器により構成される熱交換装置において、前記複数の熱交換器には、第1の熱交換媒体を内部に流通させ、第2の熱交換媒体を外部に流通させるための管状部材からなる熱交換要素が、同じ配列で垂直に立設された第1の熱交換器と第2の熱交換器とが含まれ、前記第1の熱交換器の上方に前記第2の熱交換器を設けたことを特徴としている。
すなわち、本発明の熱交換装置は、第1の熱交換器(一次熱交換器)の上方に第2の熱交換器(二次熱交換器)を結合した統合型熱交換装置であり、それぞれの熱交換器には、管状部材からなる熱交換要素を垂直に立設した態様で同じ配列で設けている。
これにより、本発明の熱交換装置は、第2の熱交換器における各熱交換要素が、第1の熱交換器における各熱交換要素の上方に配置するようにしている。
また、これにより、本発明の熱交換装置は、燃焼器から放出された第1の熱交換媒体(燃焼排ガス)を、第1の熱交換器における各熱交換要素の内部と第2の熱交換器における各熱交換要素の内部とを一連に流通させ、他方、第2の熱交換媒体(水)は、第2の熱交換器における熱交換要素の外部を流通させた後に、第1の熱交換器における熱交換要素の外部に流通させるようにしている。
各熱交換要素の管状部材の内部には、管状部材の軸線に対して傾斜して配置された衝突板を設けている。
これにより、第1の熱交換媒体の衝突板に対する衝突伝熱により高い熱伝達率を実現することができることから、この熱交換要素を多数設けた各熱交換器において、それぞれ高い熱効率を実現することができる。
すなわち、第1の熱交換器では、燃焼器における燃焼(酸化)反応により発生した高温の燃焼排ガスの排熱(顕熱)を効率よく回収しながら、第2の熱交換器では、第1の熱交換器を通過した燃焼排ガスの顕熱と燃焼排ガスに含まれる潜熱(水蒸気が凝縮する際の凝縮熱)の両方を効率よく回収することができる。
したがって、本発明の熱交換装置によれば、燃料が燃焼する際に発生する熱量を、高位発熱量(燃料の燃焼熱+水蒸気の凝縮熱の合計熱量)として可能な限り回収でき、結果として、97%という極めて高い熱効率を実現することができる。
なお、熱効率の算出根拠は後述する。
The heat exchange device according to the present invention is a heat exchange device composed of a plurality of heat exchangers, in which the first heat exchange medium is circulated internally in the plurality of heat exchangers, and the second heat exchange medium is used. A heat exchange element composed of a tubular member for circulating the heat to the outside includes a first heat exchanger and a second heat exchanger vertically erected in the same arrangement, and the first heat exchanger is described above. The second heat exchanger is provided above the above.
That is, the heat exchanger of the present invention is an integrated heat exchanger in which a second heat exchanger (secondary heat exchanger) is coupled above the first heat exchanger (primary heat exchanger), respectively. In the heat exchanger, heat exchange elements made of tubular members are provided in the same arrangement in a vertically erected manner.
Thereby, in the heat exchanger of the present invention, each heat exchange element in the second heat exchanger is arranged above each heat exchange element in the first heat exchanger.
Further, as a result, in the heat exchanger of the present invention, the first heat exchange medium (combustion exhaust gas) discharged from the combustor is exchanged with the inside of each heat exchange element in the first heat exchanger and the second heat exchange. The second heat exchange medium (water) is circulated through the inside of each heat exchange element in the vessel in a series, while the second heat exchange medium (water) is circulated outside the heat exchange element in the second heat exchanger, and then the first heat is circulated. It is distributed to the outside of the heat exchange element in the exchanger.
Inside the tubular member of each heat exchange element, a collision plate arranged so as to be inclined with respect to the axis of the tubular member is provided.
As a result, a high heat transfer coefficient can be realized by the collision heat transfer of the first heat exchange medium to the collision plate, and therefore, high heat efficiency can be realized in each heat exchanger provided with many heat exchange elements. Can be done.
That is, the first heat exchanger efficiently recovers the exhaust heat (emergent heat) of the high-temperature combustion exhaust gas generated by the combustion (oxidation) reaction in the combustor, while the second heat exchanger is the first. It is possible to efficiently recover both the actual heat of the combustion exhaust gas that has passed through the heat exchanger and the latent heat (condensation heat when the steam is condensed) contained in the combustion exhaust gas.
Therefore, according to the heat exchange device of the present invention, the amount of heat generated when the fuel burns can be recovered as much as possible as a high calorific value (total heat amount of fuel combustion heat + steam condensation heat), and as a result, An extremely high thermal efficiency of 97% can be achieved.
The basis for calculating the thermal efficiency will be described later.
また、本発明の熱交換装置は、前記第1の熱交換器と前記第2の熱交換器との間に板状部材を設け、前記板状部材には、前記熱交換要素の設置位置に対応する部分に開口を施すと共に、前記開口を壁状に囲む堰部を設けたことを特徴としている。
すなわち、第2の熱交換器における各熱交換要素(管状部材)において生成される大量の凝縮水を受け止めるための排水受け板を設け、この排水受け板には、第2の熱交換器における熱交換要素の内部と第1の熱交換器における熱交換要素の内部とを第1の熱交換媒体が一連に流通できるように開口を施した。
また、開口の周りに壁状の堰部を設けることで、第2の熱交換器における各熱交換要素の管状部材の内面に結露した凝縮水を下方に漏らすことなく溜めつつ、対流熱や放射熱による蒸発によって凝縮水量を減らすことができる。
このため、燃焼排ガスから可能な限り熱回収(冷却)することと引き換えに大量に発生するドレンを、熱効率や燃焼反応に影響を及ぼすことなく円滑に処理することができる。
Further, in the heat exchange device of the present invention, a plate-shaped member is provided between the first heat exchanger and the second heat exchanger, and the plate-shaped member is located at the installation position of the heat exchange element. It is characterized in that an opening is provided in the corresponding portion and a dam portion that surrounds the opening in a wall shape is provided.
That is, a drainage receiving plate for receiving a large amount of condensed water generated in each heat exchange element (tubular member) in the second heat exchanger is provided, and the drainage receiving plate is provided with heat in the second heat exchanger. An opening is provided between the inside of the exchange element and the inside of the heat exchange element in the first heat exchanger so that the first heat exchange medium can flow in a series.
In addition, by providing a wall-shaped dam around the opening, condensed water condensed on the inner surface of the tubular member of each heat exchange element in the second heat exchanger is collected without leaking downward, while convection heat and evaporation are performed. The amount of condensed water can be reduced by evaporation by heat.
Therefore, in exchange for recovering (cooling) heat as much as possible from the combustion exhaust gas, a large amount of drain generated can be smoothly processed without affecting the thermal efficiency and the combustion reaction.
本発明の熱交換装置によれば、極めて高い熱効率を実現しつつ、大量に発生するドレンを効果的に処理することができる。 According to the heat exchange device of the present invention, it is possible to effectively treat a large amount of drain while achieving extremely high thermal efficiency.
以下、本発明の熱交換装置4の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、(a)は、本発明の熱交換装置4の前方斜視図を示し、(b)は、本発明の熱交換装置4の後方斜視図を示す。図2は、本発明の熱交換装置4の分解図を示す。
これらの図に示すように、本発明の熱交換装置4は、一次熱交換器2の真上(上方)に二次熱交換器3を設けた、複数の熱交換器からなる統合型熱交換装置である。
なお、熱交換装置4を3台以上の熱交換器で構成することもできる。
また、本実施形態において、一次熱交換器2は、本発明の「第1の熱交換器」の一例として説明し、二次交換器3は、本発明の「第2の熱交換器」の一例として説明するが、この限りではない。
例えば、熱交換装置4が3台以上の熱交換器で構成される場合は、相対的な位置が下方の熱交換器が「第1の熱交換器」に相当し、相対的な位置が上方の熱交換器が「第2の熱交換器」に相当する。
また、本実施形態において、熱交換装置4は、主に給湯器に適用することを想定して説明するが、給湯器以外の機器として適用することもできる。
また、本実施形態において、「第1の熱交換媒体C」は、燃焼器から放出される燃焼排ガスを想定しており、「第2の熱交換媒体D」は、給湯器に給水される水を想定しているが、「第1の熱交換媒体C」として燃焼排ガス以外の媒体を用いたり、「第2の熱交換媒体D」として水以外の媒体を用いることもできる。
Hereinafter, embodiments of the
1A shows a front perspective view of the
As shown in these figures, the
The
Further, in the present embodiment, the
For example, when the
Further, in the present embodiment, the
Further, in the present embodiment, the "first heat exchange medium C" assumes the combustion exhaust gas discharged from the combustor, and the "second heat exchange medium D" is the water supplied to the water heater. However, a medium other than the combustion exhaust gas may be used as the "first heat exchange medium C", or a medium other than water may be used as the "second heat exchange medium D".
一次熱交換器2は、所定数の熱交換要素1(一次熱交換器2におけるものを特に「熱交換要素1a」という)の集合体である熱交換要素群21と、各熱交換要素1aを所定の配列で固定可能なベースプレート27と、熱交換要素群21の前側及び後側に設けられたサイドプレート25(前側のサイドプレート25a及び後側のサイドプレート25b)と、熱交換要素群21の左側及び右側に設けられたマニホールド26(左側のマニホールド26a及び右側のマニホールド26b)と、により構成される。
二次熱交換器3は、熱交換要素1aと同じ数の熱交換要素1(二次熱交換器3におけるもものを特に「熱交換要素1b」という)の集合体である熱交換要素群31と、各熱交換要素1bを熱交換要素1aと同じ配列で固定可能なベースプレート37と、熱交換要素群31の前側及び後側に設けられたサイドプレート35(前側のサイドプレート35a及び後側のサイドプレート35b)と、熱交換要素群31の左側及び右側に設けられたマニホールド36(左側のマニホールド36a及び右側のマニホールド36b)と、により構成される。
一次熱交換器2における熱交換要素1aと二次熱交換器3における熱交換要素1bは、いずれも同様の管状部材10によって構成され、この管状部材10が、同じ配列で垂直に立設された態様で設けられている(図2参照)。
このように、一次熱交換器2と二次熱交換器3とは、同じ構成要素及び構造からなる同じ熱交換器である。
The
The
The
As described above, the
図3及び図4を参照しながら、熱交換要素1a,1bについて説明する。
なお、熱交換要素1aと熱交換要素1bとは、管(長手部分)の長さが異なるだけで、構造や設置態様等は共通する(図2参照)ため、図3及び図4は、熱交換要素1aと熱交換要素1bの共通図面として参照する。
図3及び図4に示すように、熱交換要素1a,1bは、端部の開口や断面の形状が正方形であって、内部が空洞の金属製(SUS等)の管状部材10により構成されており、これらを所定数配列した集合体として熱交換要素群21,31が形成されている。
本実施形態において、熱交換要素1a,1b(管状部材10)は、32個(前後方向)×44個(左右方向)の配列で立設されており、これにより、平面視長方形状の熱交換要素群21,31を形成している。
各熱交換要素1a,1bは、隣り合う管状部材10と管状部材10とは、僅かな間隔を空けて離間するように配置されており、これにより、隣り合う管状部材10と管状部材10との間に形成される隙間空間を第2の熱交換媒体の流路として構成している。
また、各熱交換要素1a,bは、前後方向に沿っては、管状部材10を同じ位置に配置することで並列(一連)に配列されているが、左右方向に沿っては、隣り合う管状部材10の配置位置を異ならせることで互い違い(千鳥状)に配列されている。
このような千鳥状の配列により、左方向から右方向に向かう第2の熱交換媒体の流路を、直線ではなく交互に曲折する態様にして流路長を長くすることができる。
このような流路によれば、第2の熱交換媒体Dを、隣り合う管状部材10と管状部材10との間を、これらの外面を広範囲にかつ長時間接触しながら流通させることができる(図3(b),図4(b)の矢印参照)。
このため、各管状部材10の内部に第1の熱交換媒体C(燃焼排ガス)を流通させながら、この流路(管状部材10の外部)に第2の熱交換媒体D(水)を流通させた場合には、各管状部材10を介して、第1の熱交換媒体C(燃焼排ガス)を可能な限り冷却することができ、その引き換えに、第1の熱交換媒体Cが有する熱(排熱)を第2の熱交換媒体(水)に可能な限り回収(伝達)させることができる。
なお、熱交換要素1a,1bの個数は、所要の交換熱量(回収熱量)等に応じて決定することができ、また、各熱交換要素1a,1bを様々な配列態様で配置することができる。
このため、熱交換要素1a,1bの個数・配列態様に応じた様々な性能・仕様及びデザインの熱交換器2,3や熱交換装置4を容易に設計・製造することができる。
The
Since the
As shown in FIGS. 3 and 4, the
In the present embodiment, the
The
Further, the
With such a staggered arrangement, the flow path of the second heat exchange medium from the left to the right can be made to bend alternately instead of a straight line to lengthen the flow path.
According to such a flow path, the second heat exchange medium D can be circulated between the adjacent
Therefore, while the first heat exchange medium C (combustion exhaust gas) is circulated inside each
The number of
Therefore, the
また、各熱交換要素1a,1bは、隣り合う管状部材10と管状部材10との離間間隔Wが均一となるように配列している。
このように、隣り合う熱交換要素1の離間間隔Wを均一にしたことにより、間隔のばらつきによる伝熱むらの発生が抑制され、さらに、熱交換要素1の管状部材10の外部を流動する第2の熱交換媒体の均等な流れが形成される。
また、隣り合う熱交換要素1の離間間隔Wを均一にすると、離間間隔Wに応じて提供可能な交換熱量を算出することができることから、所要の交換熱量に応じて、離間間隔Wを決定することができる。
Further, the
By making the separation interval W of the adjacent
Further, if the separation interval W of the adjacent
図2及び図3に示すように、ベースプレート27,37は、熱交換要素群21,31の上部に敷設される金属製(SUS等)のベース部材であり、具体的には、立設配列された各熱交換要素1a,1bの上部に結合される板状部材である。
ベースプレート27,37には、各熱交換要素1a,1bの設置位置に対応する部分に、各管状部材10の端部(上端)を嵌め込み可能な開口27a,37aが施されている。
このため、ベースプレート27,37は、各熱交換要素1a,1bの管状部材10の上端に各開口27a,37aが嵌め込まれた状態において、ろう付けなどにより密着接合することができる。
このようなベースプレート27,37によれば、各熱交換要素1a,1bを、強靱に固定することができる。
具体的には、熱交換要素1a,1bは、例えば外部から第2の熱交換媒体(水)の流動を受けるところ、この流動に係る耐圧・耐衝撃強度をベースプレート27,37が担うようにしている。
また、予め熱交換要素1a,abの配列に対応した開口27a,37aが施されているので、各開口27a,37aに熱交換要素1a,1bを嵌め込んで接合するだけで均一な離間間隔Wでの配列を正確に実現することができる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
The
Therefore, the
According to
Specifically, the
Further, since the
このほか、熱交換装置4は、一次熱交換器2と二次熱交換器3の間に排水受け板5を設けている。
図5に示すように、この排水受け板5には、各熱交換要素1a,1bに対応する部分に開口5aが施されている。
また、熱交換装置4は、二次熱交換器3の上部に排気カバー6を設け、マニホールド36aの上部に入口ヘッダ71を設け、マニホールド26aの下部に出口ヘッダ72を設け、マニホールド36bとマニホールド26bとをつなぐU字管73を設けている(図1,2参照)。
In addition, the
As shown in FIG. 5, the
Further, the
このように、本発明の熱交換装置4は、複数の熱交換器により構成され、この複数の熱交換器には、第1の熱交換媒体Cを内部に流通させ、第2の熱交換媒体Dを外部に流通させるための管状部材10からなる熱交換要素1が、同じ配列で垂直に立設された一次熱交換器2と二次熱交換器3とが含まれ、一次熱交換器2の上方に二次熱交換器3を設けた構成としている。
すなわち、本発明の熱交換装置4は、同一構成・同一形状の熱交換器を正確に重ね合わせて一体的に連結することで実現することができる。
このため、本発明の熱交換装置4は、熱交換器の上方に、これと同じ構成の熱交換器を設ける工程を経るだけで製造することができる。
As described above, the
That is, the
Therefore, the
熱交換装置4(一次熱交換器2)の直下には、LPG、LNGなどの炭化水素系燃料を燃料として使用可能な燃焼器(図示省略)が配置される。
これにより、燃焼器における燃焼反応に伴い発生した高温の燃焼排ガス(第1の熱交換媒体)が、燃焼器の上方、すなわち、一次熱交換器2に向けて放出される。
燃焼排ガスを、一定の風量で均等に送り込むためのファン(図示省略)を設置することもできる。
なお、石油系燃料など、炭化水素系燃料以外の燃料を使用可能な燃焼器を用いることもできる。
Immediately below the heat exchanger 4 (primary heat exchanger 2), a combustor (not shown) that can use hydrocarbon fuels such as LPG and LNG as fuel is arranged.
As a result, the high-temperature combustion exhaust gas (first heat exchange medium) generated by the combustion reaction in the combustor is discharged above the combustor, that is, toward the
It is also possible to install a fan (not shown) for evenly sending the combustion exhaust gas with a constant air volume.
It is also possible to use a combustor that can use a fuel other than a hydrocarbon fuel such as a petroleum fuel.
図6を参照して、熱交換装置4における、熱交換要素1aと熱交換要素1bとの位置関係及び第1の熱交換媒体Cの流路について説明する。
図6は、熱交換要素1aと熱交換要素1bの断面模式図である。
なお、本発明の熱交換装置4における熱交換要素1a,1bは、基本的には、管状部材10の内部に傾斜した衝突板11を設けるものであるが(図4,図7~11等参照)、ここでは、説明を簡単にするため、衝突板11に関する図説を省略する。
図6に示すように、各熱交換要素1aと各熱交換要素1bとは、共に垂直に立設されており、各熱交換要素1aの真上にそれぞれ各熱交換要素1bが配置される。
具体的には、熱交換要素1aの上端部の開口(第2開口端)と、熱交換要素1bの下端部の開口(第1開口端)とが、水平方向において一致し、上下方向において対向する位置関係が成立するように各熱交換要素1a,1bが設けられる。
また、各熱交換要素1aの上部には、熱交換要素1a全体を覆うベースプレート27が設けられるところ、このベースプレート27の各熱交換要素1aの設置位置に対応する部分には開口27aが施されている。
また、熱交換要素1aと熱交換要素1bとの間には、熱交換要素1a,1b全体を覆う排水受け板5が設けられるところ、この排水受け板5の各熱交換要素1a,1bの設置位置に対応する部分には開口5aが施されている。
また、熱交換要素1bの上部には、熱交換要素1b全体を覆うベースプレート37が設けられるところ、このベースプレート37の各熱交換要素1bの設置位置に対応する部分には開口37aが施されている。
すなわち、熱交換要素1a,1bの管状部材10の両端部の開口を塞がない構成及び態様でベースプレート27,37及び排水受け板5が設けられている。
このため、図6に示すように、下方から上方に向かう第1の熱交換媒体C(燃焼排ガス)を、一次熱交換器2における各熱交換要素1a(管状部材10)の内部と二次熱交換器3における各熱交換要素1b(管状部材10)の内部とを一連に流通させることができる。
つまり、本発明の熱交換装置4は、同じ構成の一次熱交換器2と二次熱交換器3とが上下に重なって構成されるところ、これにより、一次熱交換器2における熱交換要素1aと二次熱交換器3における熱交換要素1bとは、共に内部が空洞の管状部材10が垂直に立設した態様で上下に重なる位置関係を有しており、この上下に重なる管状部材10による一連の内部空間によって上下方向に貫通した燃焼排ガスの流路を形成している。
With reference to FIG. 6, the positional relationship between the
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the
The
As shown in FIG. 6, each
Specifically, the opening at the upper end of the
Further, a
Further, a
Further, a
That is, the
Therefore, as shown in FIG. 6, the first heat exchange medium C (combustion exhaust gas) heading upward from the bottom is transferred to the inside of each
That is, the
熱交換要素1の2つの例について、図7~図11を参照しながら詳細に説明する。
Two examples of the
(熱交換要素の第1の例)
図7~図8を参照して、第1の例に係る熱交換要素について説明する。
図7及び図8に示すように、第1の例の熱交換要素1は、第1の熱交換媒体Cを内部に流通させ、第2の熱交換媒体Dを外部に流通させるための管状部材10と、管状部材10の内部に管状部材10の軸線Oに対して傾斜して配置された衝突板11とを備えている。
(First example of heat exchange element)
The heat exchange element according to the first example will be described with reference to FIGS. 7 to 8.
As shown in FIGS. 7 and 8, the
管状部材10は、第1開口端12と第2開口端13とを有し、軸線Oに直交する断面において、正方形の外形を有している。
なお、管状部材10の軸線Oに直交する断面は、正三角形、正六角形をはじめとする正多角形の外形を有してもよい。
また、この断面は、円形でもよく、長方形などでもよい。
管状部材10の材料には、SUSが使用されるが、内部を流動する第1の熱交換媒体の性質に応じて、例えば、アルミニウムや銅を使用することもできる。
The
The cross section of the
Further, the cross section may be circular or rectangular.
SUS is used as the material of the
衝突板11は、軸線Oに対する衝突板11の最大傾斜方向Sの両端縁、即ち、第1開口端12側に傾斜した第1端縁11eと、第2開口端13側に傾斜した第2端縁11fとで、管状部材10の内面10a,10bとそれぞれ接する一方、最大傾斜方向Sと直交する方向の両端縁、即ち、側端縁11c及び11dで、管状部材10の内面10c,10dとそれぞれ離間している。
The
次に、第1開口端12から第2開口端13へ向かって管状部材10の内部を流通する第1の熱交換媒体Cの流れ方を説明する。
図7及び図8に示すように、熱交換要素1の管状部材10の第1開口端12から管状部材10内へ進入した第1の熱交換媒体Cは、傾斜した衝突板11に衝突して、衝突板11の表面11a上に低圧の渦を形成し、衝突板11の表面11aに沿って付着する流れである衝突噴流Aを形成する。この衝突噴流Aにより、衝突板11に極めて接近した速度境界層が形成され、その速度境界層の上側に温度境界層が形成される。これにより、熱交換要素1は、第1の熱交換媒体Cの衝突板11に対する衝突伝熱により、衝突板11に対して高い熱伝達率を示す。
Next, a flow method of the first heat exchange medium C flowing inside the
As shown in FIGS. 7 and 8, the first heat exchange medium C that has entered the
続いて、第1の熱交換媒体の衝突噴流Aは、引き続き、衝突板11の両側の隙間gから第2開口端13側へ噴出し、管状部材10の内面に沿って衝突板11の裏面11b側に回り込む旋回流Bとなる。旋回流Bの形成は、熱交換要素の管状部材10の内面である受熱面に張り付いた流れを持続させ、同時に、第1の熱交換媒体を一方向の流れに変換することで、低い圧力損失を示す旋回層流を形成する。これにより、熱交換要素1の管状部材10の内面10a~10dに対して高い熱伝達率を示す。
Subsequently, the collision jet A of the first heat exchange medium continuously ejects from the gaps g on both sides of the
さらに、管状部材10の第2開口端13の近くに絞り部材14を配置したことよって、管状部材10の第2開口端13の断面積が、第1開口端12の断面積よりも小さくなっている。これにより、入口の第1開口端12での断面積を広くすることで、入口圧力損失を低減できること、管状部材10内に配置される衝突板11を固定する効果があり、結果として、伝熱効率を高める作用と圧力損失を低減する作用の相乗効果が得られる。
なお、本例では、絞り部材14を配置して第2開口端13の断面性を小さくした例を説明したが、第1開口端12を先端に向かって広がる形状として、第1開口端12の断面積を大きくしてもよい。その場合、絞り部材14は設けてあってもよいし、設けてなくともよい。また、管状部材10の断面積を、第1開口端12から第2開口端13へ向かって徐々に狭くしてもよい。
Further, by arranging the drawing
In this example, an example in which the
このように、熱交換要素1は、管状部材10の内部に、傾斜した衝突板11と旋回層流を形成する仕組みを設けているため、衝突噴流Aと旋回層流Bとの相乗効果により、フィンを設けなくても、熱交換要素1の内面の高い表面熱伝達と共に、低圧力損失を実現することができる。
As described above, since the
(熱交換要素の第2の例)
図9~図11を参照して、第2の例に係る熱交換要素について説明する。
図9(a)及び図9(b)に示すように、第2の例の熱交換要素101は、第1の熱交換媒体Cを内部に流通させ、第2の熱交換媒体Dを外部に流通させるための、断面形状がほぼ正方形の管状部材110と、管状部材110の内部に管状部材110の軸線Oに対して傾斜して配置された衝突板111とを備えている。
管状部材110は、先端に向かって広がって開口した第1開口端112と、狭窄部110eを形成した第2開口端113とを有する。
(Second example of heat exchange element)
The heat exchange element according to the second example will be described with reference to FIGS. 9 to 11.
As shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b), in the
The
図9(c)に示すように、第2の例の熱交換要素101において、衝突板111は、軸線Oに対する衝突板111の最大傾斜方向Sの両端縁111e及び111fのうち、第1開口端112側に傾斜した第1端縁111eで管状部材110の内面110aと接している。
一方、図9(a)に示すように、衝突板111は、第2開口端113側に傾斜した第2端縁111fでは、管状部材110の内面110bから離間し、また、最大傾斜方向Sと直交する方向の両側縁111c及び111dもそれぞれ管状部材110の内面110c及び110dから離間している。
As shown in FIG. 9C, in the
On the other hand, as shown in FIG. 9A, the
図10及び図11(a)~図11(c)に示すように、熱交換要素101は、衝突板111の第2端縁111f及び両側縁111c及び111dから第2開口端113へ向かって、管状部材110の軸線Oに沿って延びるU字溝部材15を更に備えている。U字溝部材15は、底面部15bと、底面部15bから立ち上がった両側面部15c及び15dとから構成されている。底面部15aは、衝突板111の第2端縁111fと連続し、両側面部15c及び15dは、衝突板111の両側縁111c及び111dとそれぞれ連続している。したがって、衝突板111とU字溝部材15とは一体化されている。
また、図11(a)に示すように、U字溝部材15の両側面部15c及び15dの、管状部材110の軸線Oに沿って延びる両側縁15eは、衝突板111の第1端縁111eよりも下がって設けられている。すなわち、衝突板111の第1端縁111eは、両側縁15eから突出している。
As shown in FIGS. 10 and 11 (a) to 11 (c), the
Further, as shown in FIG. 11A, both
図11(c)に示すように、U字溝部材15の底面部15b及び両側面部15c及び15dには、それぞれ外側へ突出した爪部tが形成されている。図9(c)に示すように、U字溝部材15及び衝突板111は、これら爪部tがスペーサとなって、管状部材110内で位置決めされる。なお、爪部tは、第1の熱交換媒体Cの流通には実質的に影響しない。
As shown in FIG. 11C, the bottom surface portion 15b and the both
位置決めされたU字溝部材15の底面部15b及び両側面部15c及び15dそれぞれの外側面と、管状部材110の内面110b、110c及び110dとの間には、U字隙間Guが確保されている。本例では、U字溝部材15の底面部15b、側面部15c及び側面部15dの外面は、それぞれ管状部材110の内面110b、内面110c及び内面110dと平行になっている。
図9(a)、図9(b)及び図10に示すように、U字隙間Guは、第1開口端112側において、衝突板111の第2端縁111b及び両側縁111c及び111dに沿って、管状部材110内部で開口し、一方、第2開口端113側において、管状部材110の狭窄部110eによって閉塞されている。その結果、管状部材110の第2開口端113の断面積は、第1開口端112の断面積よりも小さくなっている。また、本例では、図9(b)に示すように、U字溝部材15の端部15fが、管状部材110の第2開口端113から外部へ突出している。
A U-shaped gap Gu is secured between the outer surfaces of the bottom surface portion 15b and the
As shown in FIGS. 9 (a), 9 (b) and 10, the U-shaped gap Gu is provided along the
また、図9(b)に示すように、U字溝部材15の両側面部15c及び15dそれぞれの、管状部材110の軸線Oに沿って延びる側縁15eと、衝突板111の第1端縁111eが接している管状部材110の内面100aとの間に、一定幅で延びる帯状隙間Gsが確保される。この帯状隙間Gsを介して、U字溝部材15の外側のU字隙間Gu内の空間とU字溝部材15の内側の空間とが連通している。
Further, as shown in FIG. 9B, the side edges 15e extending along the axis O of the
次に、第1開口端12から第2開口端13へ向かって管状部材110の内部を流通する第1の熱交換媒体Cの流れ方を説明する。
図9(a)~図9(c)に示すように、まず、熱交換要素101の管状部材110の第1開口端112から管状部材110内へ進入した第1の熱交換媒体Cは、傾斜した衝突板111に衝突して、衝突板111の表面111a上に低圧の渦を形成し、衝突板111の表面111aに沿って付着する流れである衝突噴流Aを形成する。この衝突噴流Aにより、衝突板11に極めて接近した速度境界層が形成され、その速度境界層の上側に温度境界層が形成される。これにより、熱交換要素1は、第1の熱交換媒体Cの衝突板11に対する衝突伝熱により、衝突板11に対して高い熱伝達率を示す。
Next, a flow method of the first heat exchange medium C flowing inside the
As shown in FIGS. 9A to 9C, first, the first heat exchange medium C that has entered the
続いて、第1の熱交換媒体Cの衝突噴流Aは、U字隙間Guへ進入して、熱交換要素101の管状部材110の内面である受熱面に張り付いた流れ形成する。さらに、U字隙間Guに進入した第1の熱交換媒体Cは、U字隙間Guの第2開口端113側が閉塞されているため、帯状隙間GsからU字溝部材15の内側へ噴出し、衝突板111の裏面111b側に回り込む旋回流Bとなる。旋回流Bの形成は、第1の熱交換媒体Cを一方向の流れに変換することで、低い圧力損失を示す旋回層流を形成する。これにより、熱交換要素101の管状部材110の内面10a~10dに対して高い熱伝達率を示す。
特に、第2の例に係る熱交換要素101においては、入口側の第1開口端112での断面積を出口側の第2開口端113での断面積よりも大きくすることで、入口圧力損失を低減できること、内部に入る衝突板111を固定する効果があり、結果として、伝熱効率を高める作用と圧力損失を低減する作用の相乗効果が得られる。
Subsequently, the collision jet A of the first heat exchange medium C enters the U-shaped gap Gu and forms a flow attached to the heat receiving surface which is the inner surface of the
In particular, in the
なお、図9(a)及び図9(b)においては、図面の理解を容易にするため、U字隙間Guのうち、一方の側面部15d側の隙間を通る第1の熱交換媒体Cの流れのみを図示し、他方の側面部15c側の隙間を通る第1の熱交換媒体Cの流れの図示を省略している。実際には、図9(c)に示すように、U字隙間Guに進入した第1の熱交換媒体Cは、大きく二手に分かれて両側面部15c及び15d側の隙間をそれぞれ進み、U字溝部材15の両側縁15eの帯状隙間Gsから、U字溝部材15の内側へそれぞれ流入し、U字溝部材15内で大きく2つの旋回流を形成している。
In FIGS. 9 (a) and 9 (b), in order to facilitate understanding of the drawings, the first heat exchange medium C passing through the gap on one
このように、熱交換要素101は、管状部材110の内部に、傾斜した衝突板111と旋回層流を形成する仕組みを設けているため、衝突噴流Aと旋回層流Bとの相乗効果により、フィンを設けなくても、熱交換要素101の管状部材110の内面の高い表面熱伝達と共に、低圧力損失を実現することができる。
As described above, since the
次に、図12及び図13を参照して、給湯器としての熱交換装置4の機能について説明する。
図12及び図13(b)を参照して、水D(第2の熱交換媒体D)の流れについて説明する。
まず、入口ヘッド71に対し給水が行われると、給水された水Dはマニホールド36aの誘導によって二次熱交換器3の左側から内部に流入し、熱交換要素1bと熱交換要素1bとの間の隙間空間を流動しながら右側に向かって進行する。
二次熱交換器3の内部を通過し、マニホールド36bに到達した水Dは、U字管73及びマニホールド26bを介して一次熱交換器2の内部に誘導される。
一次熱交換器2の右側から流入した水Dは熱交換要素1aと熱交換要素1aとの間の隙間空間を流動しながら左側に向かって進行する。
一次熱交換器2の内部を通過し、マニホールド26aに到達した水は、出口ヘッダ72から出水される。
Next, the function of the
The flow of water D (second heat exchange medium D) will be described with reference to FIGS. 12 and 13 (b).
First, when water is supplied to the
The water D that has passed through the inside of the
The water D flowing in from the right side of the
The water that has passed through the inside of the
次に、図13(b),(c)を参照して、燃焼排ガスC(第1の熱交換媒体C)の流れ及び各熱交換器2,3における熱回収について説明する。
なお、第1の例に係る熱交換要素1(図7~図8参照)が、熱交換要素1a及び熱交換要素1bとして適用されているものとする。
ただし、第2の例に係る熱交換要素101(図9~図11参照)を適用したり、第1の例に係る熱交換要素1と第2の例に係る熱交換要素1を組み合わせて適用することもできる。
熱交換装置4の直下には燃焼器やファンが設けられており(図示省略)、燃焼器からの高温(例えば1500℃)の燃焼排ガスCが熱交換装置4に向かって放出されているものとする。
熱交換装置4は、一次熱交換器2における熱交換要素1aと二次熱交換器3における熱交換要素1bとが、共に内部が空洞の管状部材10が垂直に立設した態様で上下に重なる位置関係を有しており、この上下に重なる管状部材10による一連の内部空間によって上下方向に貫通した燃焼排ガスCの流路を形成している。
このため、燃焼排ガスCは、熱交換装置4の下方から内部に進入し、一次熱交換器2の内部及び二次熱交換器の内部の流通を経て通過する。
なお、燃焼排ガスCは、熱交換装置4の内部を通過した後は、排気カバー6の排気口61から排気ガスとして排出される。
Next, with reference to FIGS. 13 (b) and 13 (c), the flow of the combustion exhaust gas C (first heat exchange medium C) and the heat recovery in each of the
It is assumed that the heat exchange element 1 (see FIGS. 7 to 8) according to the first example is applied as the
However, the
A combustor and a fan are provided directly under the heat exchanger 4 (not shown), and the high temperature (for example, 1500 ° C.) combustion exhaust gas C from the combustor is discharged toward the
In the
Therefore, the combustion exhaust gas C enters the inside from below the
After passing through the inside of the
(一次熱交換器における燃焼排ガスの流れ及び熱伝達)
図13(c)に示すように、一次熱交換器2において、燃焼排ガスCは、各熱交換要素1a(管状部材10)の第1開口端(下端)12から管状部材10の内部へ進入すると傾斜した衝突板11に衝突する。
これにより、燃焼排ガスCは、衝突板11の表面11a上に低圧の渦を形成し、衝突板11の表面11aに沿って付着する流れである衝突噴流Aを形成する(図7,8参照)。
このため、熱交換要素1aでは、燃焼排ガスCの衝突板11に対する衝突伝熱により、衝突板11に対して高い熱伝達率を示す。
(Flow and heat transfer of combustion exhaust gas in the primary heat exchanger)
As shown in FIG. 13 (c), in the
As a result, the combustion exhaust gas C forms a low-pressure vortex on the
Therefore, the
衝突噴流Aは、衝突板11の両側の隙間gから第2開口端13側へ噴出し、熱交換要素1aの管状部材10の内面に沿って衝突板11の裏面11b側に回り込む旋回流Bとなる。旋回流Bの形成は、熱交換要素1aの管状部材10の内面である受熱面に張り付いた流れを持続させ、同時に、燃焼排ガスCを一方向の流れに変換することで、低い圧力損失を示す旋回層流を形成する。
これにより、熱交換要素1aの管状部材10の内面10a~10dに対して高い熱伝達率を示す(図7,8参照)。
以上のように、各熱交換要素1aは、衝突伝熱や旋回層流の作用が加わることで伝熱能力が促進される。
The collision jet A is ejected from the gap g on both sides of the
As a result, a high heat transfer coefficient is exhibited with respect to the
As described above, the heat transfer capacity of each
なお、旋回層流Bは、管状部材10の内部を上方に向かう流れとなり、第2開口端(上端)13から上方に向かって放出される。
The swirling laminar flow B flows upward inside the
(二次熱交換器における燃焼排ガスの流れ及び熱伝達)
二次熱交換器3において、燃焼排ガスCは、各熱交換要素1b(管状部材10)の第1開口端(下端)12から管状部材10の内部へ進入すると傾斜した衝突板11に衝突して衝突噴流Aを形成し、当該衝突噴流Aに基づいて旋回層流Bを形成する。
このため、熱交換要素1bにおいても、衝突伝熱や旋回層流の作用が加わることで伝熱能力が促進される。
(Flow and heat transfer of combustion exhaust gas in the secondary heat exchanger)
In the
Therefore, even in the
なお、旋回層流Bは、管状部材10の内部を上方に向かう流れとなり、第2開口端(上端)13から上方に向かって放出される。
The swirling laminar flow B flows upward inside the
(給湯器全体の流れ)
入口ヘッダ71に給水された水Dは、まず、二次熱交換器3に流入され、その内部(熱交換要素1bの外部)を流通する過程において燃焼排ガスCの潜熱及び顕熱を回収することで予熱される。
具体的には、水Dは、熱交換要素1bの管状部材10の外面に接触しながら、管状部材10を介して、一次熱交換器2を通過した燃焼排ガスCの顕熱と燃焼排ガスCに含まれる潜熱を回収する。
水Dの流路は、熱交換要素1b(管状部材10)を縦横に多数立設配列した熱交換要素群31において、隣り合う管状部材10と管状部材10との間の隙間空間により形成されており、かつ、各管状部材10を千鳥状に配列することで水Dが曲折しながら進行するように形成されている。
このような流路を流通する水Dは、その過程で、多数の管状部材10の外面を広範囲にかつ長時間接触しながら流通するため、各管状部材10を介して、燃焼排ガスCを可能な限り(具体的には40℃以下まで)冷却することができ、その引き換えに、燃焼排ガスCの排熱(潜熱及び顕熱)を可能な限り水Dに回収させることができる。
(Flow of the entire water heater)
The water D supplied to the
Specifically, the water D reaches the sensible heat of the combustion exhaust gas C and the combustion exhaust gas C that have passed through the
The flow path of the water D is formed by the gap space between the adjacent
In the process, the water D flowing through such a flow path circulates while contacting the outer surfaces of a large number of
二次熱交換器3により予熱された水Dは、次に、一次熱交換器2により加熱される。
具体的には、水Dは、熱交換要素1aの管状部材10の外面に接触しながら、管状部材10を介して燃焼排ガスCの顕熱を回収する。
水Dの流路は、熱交換要素1a(管状部材10)を縦横に多数立設配列した熱交換要素群21において、隣り合う管状部材10と管状部材10との間の隙間空間により形成されており、かつ、各管状部材10を千鳥状に配列することで水Dが曲折しながら進行するように形成されている。
このような流路を流通する水Dは、その過程で、多数の管状部材10の外面を広範囲にかつ長時間接触しながら流通するため、各管状部材10を介して、燃焼排ガスCを可能な限り(具体的には160~200℃まで)冷却することができ、その引き換えに、燃焼排ガスCの排熱(顕熱)を可能な限り水Dに回収させることができる。
このように、熱交換装置4に給水された水Dは、二次熱交換器3における潜熱回収により予熱され、次に、一次熱交換器2における顕熱回収により加熱されることで温水となり、出口ヘッダ72から出水可能となる。
The water D preheated by the
Specifically, the water D recovers the sensible heat of the combustion exhaust gas C through the
The flow path of the water D is formed by the gap space between the adjacent
In the process, the water D flowing through such a flow path circulates while contacting the outer surfaces of a large number of
In this way, the water D supplied to the
図14は、本発明の熱交換装置4における潜熱回収性能(予熱性能)に関する実験結果を示す図表であり、(a)は、二次熱交換器3における各種排ガス測定値の市販品との比較を示し、(b)は、二次熱交換器3における各種給水測定値の市販品との比較を示す。
なお、図14に示す各測定値は、共に50KW級の装置における実測値である。
また、市販品は、本発明の熱交換装置4と同様、潜熱回収型の統合型熱交換装置であり、その熱効率は約95%(メーカ公表値)であることが知られている。
図14(a)に示すように、本発明の熱交換装置4と市販品(従来品)とは、二次熱交換器における燃焼排ガスの風量及び入口温度はほぼ同じであるにも関わらず、本発明の熱交換装置4の燃焼排ガスの出口温度(39.2℃)は市販品の出口温度(91.9℃)よりも大幅に低くすることができ、本発明の熱交換装置4の供給熱量(1.95kW)を市販品の供給熱量(1.14kW)よりも大幅に高くすることができる。
このため、図14(b)に示すように、本発明の熱交換装置4と市販品とは、二次熱交換器3における給水の水量及び入口温度は同じであるにも関わらず、本発明の熱交換装置4の給水の出口温度(30.3℃)を市販品の出口温度(28.8℃)よりも大幅に高くすることができ、本発明の熱交換装置4の潜熱の回収熱量(2.07kW)を市販品の回収熱量(1.04kW)よりも大幅(約2倍)に高くすることができる。
このような実験結果によっても、本発明の熱交換装置4が、極めて高い熱効率を実現しており省エネ性能に優れていることが示されている。
FIG. 14 is a chart showing the experimental results regarding the latent heat recovery performance (preheating performance) in the
It should be noted that each measured value shown in FIG. 14 is an actually measured value in a 50 KW class device.
Further, it is known that the commercially available product is a latent heat recovery type integrated heat exchange device similar to the
As shown in FIG. 14A, the
Therefore, as shown in FIG. 14 (b), the
From such experimental results, it is shown that the
以下、本発明の熱交換装置4の熱効率の算出根拠を示す。
・市販品の熱効率:95%(メーカー公表値)
・市販品の損失熱量:(50/0.95-50)KW=2.63KW
・市販品の回収熱量:1.04KW(実測値。図14(b)参照)
・本発明装置の回収熱量:2.07KW(実測値。図14(b)参照)
・本発明装置と市販品の回収熱量差:(2.07-1.04)KW=1.03KW
・本発明装置の熱効率:50KW/(50+2.63-1.03)KW=97%
Hereinafter, the basis for calculating the thermal efficiency of the
-Thermal efficiency of commercial products: 95% (value announced by the manufacturer)
-Commercial product heat loss: (50 / 0.95-50) KW = 2.63KW
-Recovered calorific value of commercial products: 1.04 KW (actual measurement value. See Fig. 14 (b))
-Recovered heat quantity of the apparatus of the present invention: 2.07 KW (actual measurement value. See FIG. 14 (b)).
Difference in the amount of heat recovered between the apparatus of the present invention and a commercially available product: (2.07-1.04) KW = 1.03KW
Thermal efficiency of the device of the present invention: 50KW / (50 + 2.63-1.03) KW = 97%
(排水受け板5について)
図15等を参照して、排水受け板5について説明する。
排水受け板5は、二次熱交換器3における潜熱回収の際に、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して熱交換要素1bの管状部材10の内面に結露する凝縮水を受け取るための部材である。
排水受け板5は、SUS等の金属製の板状部材であり、一次熱交換器2と二次熱交換器3の間に設けられる(図1~図2参照)。
排水受け板5は、右側に排水パイプ55が設けられており、右側(排水パイプ側)がやや下方(傾斜角度0.2°以上が好ましい)に傾斜した態様で設けられる。
このような排水受け板5によれば、管状部材10の内面を伝って凝縮水が滴り落ちたとしても、排水受け板5全体で受け止めることができ(図15(c)参照)、相当量の貯水能力を有しながらも、排水パイプ55を通じて外部に速やかに排出することができる。
(About drainage receiving plate 5)
The
The
The
The
According to such a
排水受け板5には、熱交換要素1a,1bの設置位置に対応する部分に開口5aを施している(図15(b),(c)、図5(b)参照)。すなわち、熱交換要素1a,1bをなす管状部材10の数・配列・位置と同じ数・配列・位置の開口5aを設けている。
このような開口5aを設けることで、一次熱交換器2における各熱交換要素1aから、二次熱交換器3における各熱交換要素1bに向かう燃焼排ガスCを遮ることなく流通させることができる(図6参照)。
つまり、仮に開口5aを有しない排水受け板5であれば二次熱交換器3に対する燃焼排ガスCの供給が阻害されるところ、開口5aを設けることでそのような問題が生じないようにしている。
開口5aは、熱交換要素1a、1bの端部開口の形状と同じ形状(正方形)であることが好ましいが、端部開口の形状と異なる形状であってもよい。
The
By providing such an
That is, if the
The
開口5aは、熱交換要素1a,1bをなす管状部材10の端部開口と同じか僅かに狭くしている。
これは、開口5aを熱交換要素1bの端部開口より大きくした場合、熱交換要素1bの管状部材10の内面に結露した凝縮水がその内面を伝って落下した場合、さらに、その開口5aを通過して燃焼器に落下し、その燃焼反応に悪影響を及ぼすおそれがあるからである。
また、開口5aの大きさを熱交換要素1bの端部開口より大幅に狭くした場合、二次熱交換器3に対する燃焼排ガスCの流路が遮られることによる上記問題が生じるおそれがあるからである。
これに対し、本発明の熱交換装置4における開口5aは、熱交換要素1a,1bの端部開口と同じか僅かに狭くしているため、上記問題の発生を防止しつつ、熱交換要素1bの内面に結露した凝縮水を確実に受け止めることができる(図15(c)参照)。
The
This is because when the
Further, if the size of the
On the other hand, since the
開口5aの周囲には、壁状の堰部5bを設けている(図15(b)参照)。
これにより、排水受け板5に溜めた凝縮水が開口5aから下方に漏れないようにしている。
すなわち、仮に、堰部5bを設けなければ排水受け板5に溜めた凝縮水が少なからず開口5aから下方に落下するおそれがあるところ、堰部5bを設けることで、そのような問題の発生を防止しつつ、凝縮水を確実に排水できるようにしている(図15(b),(c)参照)。
A wall-shaped
As a result, the condensed water collected in the
That is, if the
このような排水受け板5によれば、装置内の対流熱や放射熱による蒸発によって排水受け板5に溜まった凝縮水を削減しつつ排水することができる。
つまり、凝縮水を排水するだけでなく、その排水量を削減することも同時に行うことができる。
このため、凝縮水が大量に発生した場合でも、合理的な手法により円滑にこれを速やかに処理することができる。
According to such a
That is, not only the condensed water can be drained, but also the amount of the drained water can be reduced at the same time.
Therefore, even if a large amount of condensed water is generated, it can be treated smoothly and promptly by a rational method.
(拡管加工について)
図16を参照しながら管状部材10における拡管加工について説明する。
図16は、(a)は、片端拡管型の熱交換要素の斜視図を示し、(b)は、(a)の熱交換要素を備えた熱交換器の内部平面図を示し、(c)は、(b)の側面図を示す。
図16に示すように、熱交換要素1は、管状部材10における管の一部の幅を他の部分より拡張した拡管部1zを設けている。
具体的には、管の下端部に、管状部材10と同一金属(SUS)で生成した角形リングを嵌めてろう付けにより密着接合したり(図16(a))、管状部材10の管そのものの下端部の正方形の幅を一回り大きくするなどして、管の一部の幅を拡張する拡管加工を施している。
このような拡管加工によれば、熱交換要素1を強靱化することができる。
具体的には、熱交換要素1a,1bは、例えば外部から第2の熱交換媒体(水)の流動を受けるところ、この流動に係る耐圧・耐衝撃強度をもたせることがせきる。
これにより、各熱交換要素1に対し、拡管部1z側(下端部側)にベースプレート27,37を設ける必要がなくなり、上端部側だけベースプレート27,37を設ければ足りることになる(図16(b),(c)、図3等参照)。
ベースプレート27,37は、管状部材10を強靱にする部材であるところ、拡管加工によって特に拡管部1z側の強靱化は必要なくなるからである。
このため、部品点数(ベースプレート27,37)の削減、部品点数の削減に伴う組立・製造工数や関連費用の低減、及び、部品点数の削減に伴う軽量化を実現することができる。
(About tube expansion processing)
The tube expansion process in the
16A is a perspective view of a single-ended tube expansion type heat exchange element, FIG. 16B is an internal plan view of a heat exchanger provided with the heat exchange element of (a), and FIG. 16C is shown in FIG. Shows the side view of (b).
As shown in FIG. 16, the
Specifically, a square ring made of the same metal (SUS) as the
By such tube expansion processing, the
Specifically, when the
As a result, it is not necessary to provide the
This is because the
Therefore, it is possible to reduce the number of parts (
また、拡管加工を施した熱交換要素1を用いることで、プレス加工や機械加工では実現できない熱交換要素1と熱交換要素1との離間距離Wを実現することができる。
例えば、管状部材10を1列に配列する場合、拡管部1zである下端部どうし(正方形の辺どうし)を突き合わせて並べつつ、突き合わせた部分をろう付け等により密着接合する。
図17に示すように、この場合、隣り合う管状部材10と管状部材10との離間間隔Wは、拡管加工を施した部分における管の幅(拡管部幅d2)から元の管の幅d1を差し引いた値(d2-d1)と等しくなる。
このため、予め離間間隔Wが決定している場合には、拡管部幅d2がW+d1となるように、管状部材10を拡管加工することで、隣り合う熱交換要素1どうしを離間間隔Wで離間させて配列することができる。
例えば、管の幅(断面の正方形の1辺の長さ)が10mmの管状部材10を離間間隔1mmで均一に離間配列したい場合には、下端部の幅(拡管部幅d2)が11mm(=10+1)になるように、外幅11mm(内幅10mm)の角形リングを下端部に密着接合したり、下端部の幅を11mmになるように管状部材10そのものを加工すればよい。
なお、管状部材10の拡管部1zどうしを突き合わせて密着接合することで、第2の熱交換媒体Cである水を漏らすことのない流通空間を形成することもできる。
Further, by using the
For example, when the
As shown in FIG. 17, in this case, the separation distance W between the adjacent
Therefore, when the separation interval W is determined in advance, the
For example, when it is desired to arrange
It is also possible to form a flow space that does not leak water, which is the second heat exchange medium C, by abutting and tight-junctioning the
図18は、(a)は、両端拡管型の熱交換要素の斜視図を示し、(b)は、(a)の熱交換要素を備えた熱交換器の内部平面図を示し、(c)は、(b)の側面図を示す。
図18(a)に示すように、熱交換要素1(管状部材10)の両端部に拡管部1zを設けることもできる。
これにより、さらに、熱交換要素1を強靱化することができる。
また、各熱交換要素1の下端部側だけでなく上端部側にもベースプレート27,37を設ける必要がなくなる(図18(b),(c)参照)。
このため、片端拡管型よりも部品点数の削減、部品点数の削減に伴う組立・製造工数や関連費用の低減、及び、部品点数の削減に伴う軽量化等を図ることができる。
18A is a perspective view of a heat exchange element having a tube expansion type at both ends, FIG. 18B is an internal plan view of a heat exchanger provided with the heat exchange element of (a), and FIG. 18C is shown in FIG. Shows the side view of (b).
As shown in FIG. 18A,
As a result, the
Further, it is not necessary to provide the
Therefore, it is possible to reduce the number of parts, the assembly / manufacturing man-hours and related costs associated with the reduction of the number of parts, and the weight reduction associated with the reduction of the number of parts, as compared with the single-ended tube expansion type.
図19は、(a)は、両端及び中央拡管型の熱交換要素の斜視図を示し、(b)は、(a)の熱交換要素を備えた熱交換器の内部平面図を示し、(c)は、(b)の側面図を示す。
図19(a)に示すように、熱交換要素1(管状部材10)の両端部の拡管部1zに加え、中央部に角形リングをろう付けするなどして拡管部1zを設けることもできる。
これにより、両端拡管型よりも熱交換要素1を強靱化することができる。
なお、中央部に限らず、同一の高さに揃えて施工された状態であれば、両端以外の箇所を拡管加工すればよい。
この場合も、各熱交換要素1の下端部側及び上端部側にベースプレート27,37を設ける必要がなく(図19(b),(c)参照)、両端型と同様、部品点数削減等に関する効果を奏する
特に、両端及び中央拡管型の熱交換要素1によれば、高圧の熱媒体(第2の熱交換媒体)の流動を受けたとしても、たわみを最小限に抑えることができる。
19A is a perspective view of a heat exchange element having both ends and a central expansion tube, and FIG. 19B is an internal plan view of a heat exchanger provided with the heat exchange element of (a). c) shows the side view of (b).
As shown in FIG. 19A, in addition to the
As a result, the
It should be noted that not only the central portion but also the portions other than both ends may be expanded if the construction is performed so as to have the same height.
Also in this case, it is not necessary to provide the
図20は、(a)は、ストレート型の熱交換要素の斜視図を示し、(b)は、(a)の熱交換要素を備えた熱交換器の内部平面図を示し、(c)は、(b)の側面図を示す。
図20(a)に示すように、拡管部1zを設けないストレート型の熱交換要素1を採用することもできる。
この場合、図20(b)及び図20(c)に示すように、上部と下部の2枚のベースプレート27,37を接合することで熱交換要素1を強靱に固定することができる。
20 (a) shows a perspective view of a straight type heat exchange element, FIG. 20 (b) shows an internal plan view of a heat exchanger provided with the heat exchange element of (a), and FIG. 20 (c) shows an internal plan view of the heat exchanger. , (B) is shown.
As shown in FIG. 20 (a), a straight type
In this case, as shown in FIGS. 20 (b) and 20 (c), the
以上、本発明について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能である。
例えば、前述した実施形態では、熱交換要素1として、管状部材10の内部に衝突板11を設けたものを用いたが、管状部材10の内部に衝突板11を設けない熱交換要素1を用いることもできる。
この場合であっても、管状部材10の内部を流通する燃焼排ガスを、管状部材10を介して、水により冷却することができ、その引き換えに燃焼排ガスの排熱(顕熱及び潜熱)を、水に回収させることができるため、熱交換器及び統合型熱交換装置として機能する。
また、熱交換要素1を千鳥状に配列するのではなく、前後方法及び左右方向のいずれも並列に配列したり、不規則に配列することもできる。
また、前述の実施形態では、排気ガスの排出方向を垂直方向から水平方向に変更するため最上部に排気カバー6(排気口61含む)を取り付けているが(図1,2等参照)、排気カバー6を取り外すことで、排気ガスの排出方向を垂直方向にすることもできる。
また、本発明の熱交換装置4を、給湯器(水の加熱)以外に用いることもできる。
例えば、本発明の熱交換装置4を、吸収冷凍機を循環する吸湿性水溶液を濃縮する再生器として用いることができ、この場合も燃焼排ガスの排熱を熱交換に効果的に利用することができる。
また、燃料電池の燃料である水素を天然ガス等から熱分解で生産するための改質器において、燃焼排ガスと空気や水の熱交換で排熱を回収して、回収した熱を燃料の予備加熱に再利用し、生成した凝縮水を改質器で再利用する熱交換器の例がある。
Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, as the
Even in this case, the combustion exhaust gas flowing inside the
Further, instead of arranging the
Further, in the above-described embodiment, the exhaust cover 6 (including the exhaust port 61) is attached to the uppermost portion in order to change the exhaust gas discharge direction from the vertical direction to the horizontal direction (see FIGS. 1, 2, etc.), but the exhaust gas is exhausted. By removing the
Further, the
For example, the
In addition, in a reformer for producing hydrogen, which is the fuel of a fuel cell, by thermal decomposition from natural gas, etc., exhaust heat is recovered by heat exchange between combustion exhaust gas and air or water, and the recovered heat is used as a reserve for fuel. There is an example of a heat exchanger that reuses for heating and reuses the generated condensed water in a reformer.
1,101 熱交換要素
1a 一次熱交換器における熱交換要素
1b 二次熱交換器における熱交換要素
1z 拡管部
10,110 管状部材
11,111 衝突板
2 一次熱交換器
21 熱交換要素群
25 サイドプレート
26 マニホールド
27 ベースプレート
27a 開口
3 二次熱交換器
31 熱交換要素群
35 サイドプレート
37 ベースプレート
37a 開口
36 マニホールド
4 熱交換装置
5 排水受け板
5a 開口
5b 堰部
55 排水パイプ
6 排気カバー
61 排気口
71 入口ヘッダ
72 出口ヘッダ
73 U字管
A 衝突噴流
B 旋回流
C 第1の熱交換媒体
D 第2の熱交換媒体
O 軸線
W 離間間隔
1,101
Claims (8)
前記複数の熱交換器には、第1の熱交換媒体を内部に流通させ、第2の熱交換媒体を外部に流通させるための管状部材からなる熱交換要素が、同じ配列で垂直に立設された第1の熱交換器と第2の熱交換器とが含まれ、
前記第1の熱交換器の上方に前記第2の熱交換器を設けた
ことを特徴とする熱交換装置。 In a heat exchanger composed of multiple heat exchangers
In the plurality of heat exchangers, heat exchange elements made of tubular members for circulating the first heat exchange medium inside and circulating the second heat exchange medium to the outside are vertically erected in the same arrangement. Includes a first heat exchanger and a second heat exchanger
A heat exchanger characterized in that the second heat exchanger is provided above the first heat exchanger.
ことを特徴とする請求項1記載の熱交換装置。 The heat exchange device according to claim 1, wherein each heat exchange element in the second heat exchanger is provided above each heat exchange element in the first heat exchanger.
ことを特徴とする請求項1又は2記載の熱交換装置。 The first heat exchange medium can be circulated inside the heat exchange element in the first heat exchanger and then circulated inside the heat exchange element in the second heat exchanger. , The second heat exchange medium can be circulated outside the heat exchange element in the second heat exchanger and then circulated outside the heat exchange element in the first heat exchanger. The heat exchange device according to claim 1 or 2, further comprising a mechanism.
ことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の熱交換装置。 The heat exchange according to any one of claims 1 to 3, wherein a combustor that generates combustion gas can be installed below the first heat exchanger as the first heat exchange medium. Device.
前記板状部材には、各熱交換要素の設置位置に対応する部分に開口を施すと共に、前記開口を壁状に囲む堰部を設けた
ことを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の熱交換装置。 A plate-shaped member is provided between the first heat exchanger and the second heat exchanger.
According to any one of claims 1 to 4, the plate-shaped member is provided with an opening in a portion corresponding to the installation position of each heat exchange element and a weir portion surrounding the opening in a wall shape. The heat exchanger described.
ことを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載の熱交換装置。 The heat exchange device according to any one of claims 1 to 5, wherein each heat exchange element is provided with a tube expansion portion in which the width of a part of the tube in the tubular member is expanded from the other part.
ことを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載の熱交換装置。 The heat exchange according to any one of claims 1 to 6, wherein each heat exchange element is provided with a collision plate inclined with respect to the axis of the tubular member inside the tubular member. Device.
前記複数の熱交換器には、第1の熱交換媒体を内部に流通させ、第2の熱交換媒体を外部に流通させるための管状部材からなる熱交換要素が、同じ配列で垂直に立設された第1の熱交換器と第2の熱交換器とが含まれ、
前記第1の熱交換器の上方に前記第2の熱交換器を設ける工程を有する
ことを特徴とする熱交換装置の製造方法。 In the method of manufacturing a heat exchanger composed of a plurality of heat exchangers,
In the plurality of heat exchangers, heat exchange elements made of tubular members for circulating the first heat exchange medium inside and circulating the second heat exchange medium to the outside are vertically erected in the same arrangement. Includes a first heat exchanger and a second heat exchanger
A method for manufacturing a heat exchanger, which comprises a step of providing the second heat exchanger above the first heat exchanger.
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| JP2020132623A JP2022029331A (en) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Heat exchange device and manufacturing method of heat exchange device |
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