JPH0739880B2

JPH0739880B2 - 流体加熱装置

Info

Publication number: JPH0739880B2
Application number: JP60223980A
Authority: JP
Inventors: 紀之織田; 徹雄竹原; 裕史前野; 耕三桜井; 義裕菅野; 大介越水
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd; AGC Inc
Priority date: 1985-10-08
Filing date: 1985-10-08
Publication date: 1995-05-01
Anticipated expiration: 2010-05-01
Also published as: JPS6284258A

Description

【発明の詳細な説明】「技術分野」本発明は、湯沸し器、風呂釜、温水ボイラなどに使用さ
れる流体加熱装置に関する。

「従来技術およびその問題点」従来、湯沸し器、風呂釜、温水ボイラなどの流体加熱装
置においては、バーナ等の燃焼手段を有し、燃焼室にて
燃料を燃焼させた後、燃焼ガスを伝熱管群に導き、伝熱
管群の内部を流れる水等の流体を加熱するようになって
いた。

近年、これらの流体加熱装置においては、極力コンパク
トにするため、燃焼室をできる限り小型化すると共に、
燃焼室と熱交換部とを一体化した構造とする傾向にあ
る。

しかしながら、このように燃焼室を小型化すると、燃焼
途中の燃料が伝熱管の壁に接触する（すなわち火炎が冷
却される）ことにより、不完全燃焼を起こすことがあっ
た。このことは、燃料の損失となるばかりか、CO、ス
ス、アルデヒド等が発生し、人体にも悪影響を及ぼす結
果となる。

また、ボイラーのように燃焼室の壁が伝熱面になってい
たり、伝熱管が火炎に接近していたりすると、未燃燃料
が伝熱面に付着して伝熱面が過熱して損傷したり、燃焼
室内の燃焼ガスの混合が悪いため、局部的に伝熱負荷が
増大し、同じく伝熱面を損傷させることがあった。

このため、燃焼室の小型化には限界があり、例えば現在
市販されているガス湯沸し器においては、燃焼室と熱交
換部との大きさを比較すると約2:1であって、バーナ先
端と下方の伝熱管との距離は200〜300mmもある。これ以
上燃焼室を小さくして熱交換部を火炎に近づけること
は、伝熱管の損傷を早めたり、COの発生を増加させる等
の理由で困難となっていた。

「発明の目的」本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、不完
全燃焼を防止し、伝熱管等を損傷させることがなく、か
つ、熱損失の少ない高効率の流体加熱装置を提供するこ
とにある。

「発明の構成」本発明による流体加熱装置は、バーナと、このバーナの
燃焼ガスの流れの下流側に近接して配置された第一の伝
熱管群と、この第一の伝熱管群の燃焼ガスの流れの下流
側に隣接して配置された通気性の輻射体と、さらにこの
輻射体の燃焼ガスの流れの下流側に隣接して配置された
第二の伝熱管群とを備えていることを特徴とする。

本発明において、バーナとしては、プロパンガス、天然
ガス、石油等を燃料とし、これらの燃料を気化して燃焼
させるものが好ましく使用される。特に好ましくは、ガ
スバーナが使用される。ガスバーナは、必要に応じて複
数本配置される。

第一の伝熱管群は、バーナに対し燃焼ガスの流れの下流
側であって、バーナに近接した位置、すなわちバーナに
よって形成される火炎中、あるいは火炎の先端に近接し
た位置に配置される。この場合、バーナの燃料ガス吐出
口と第一の伝熱管群との距離は100mm以内とすることが
好ましい。言い換えると、火炎の長さは、バーナの設計
によって異なるが、一般には50mm程度以下であるため、
結局、第一の伝熱管群は、火炎の先端付近から50mm程度
以内に配置されることになる。第一の伝熱管群を上記よ
り離れた位置に配置した場合には、熱損失が大きくな
り、本発明の効果を充分に得られなくなる。第一の伝熱
管群は、バーナに最も近接しているが、内部を流れる水
等の流体により冷却されるので、熱損傷が防止される。
第一の伝熱管群は、部分的過熱による熱損傷を防止する
ため、外面にフィンが付いていないものが好ましいが、
伝熱面積増大率の小さいフィンを付けてもよい。

通気性の輻射体は、第一の伝熱管群に隣接してバーナに
対して離れた位置に配置される。通気性の輻射体として
は、特に限定されないが、例えばセラミックスハニカム
体などがその軽量性、低通気抵抗性、高実効輻射率など
ゆえに好適である。またセラミックスシュバンクバーナ
プレート、セラミックス三次元網状体なども採用しう
る。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、ム
ライト、スポジュメン、コージライト、アルミニウムチ
タネート、リチウムアルミニウムチタネート、炭化ケイ
素、窒化ケイ素などが使用できる。通気性の輻射体は、
燃焼ガスが通過することにより白熱し、第一の伝熱管群
および第二の伝熱管群に輻射熱を照射する。この場合、
第一の伝熱管群がないと、輻射熱は直接バーナに照射さ
れ、バーナが過熱されて好ましくない。第一の伝熱管群
をバーナに近接させて設けたことによりCO等の不完全燃
焼生成物が発生するが、これらの不完全燃焼生成物は通
気性の輻射体を通過する際に、輻射体の熱を受けて完全
燃焼する。この場合、輻射体がセラミックスの場合に
は、セラミックス自身が有する触媒作用により、不完全
燃焼生成物の完全燃焼が促進される。さらには、輻射体
に酸化触媒等の触媒を担持させて不完全燃焼生成物の燃
焼を促進させるようにしてもよい。第一の伝熱管群が加
熱されることにより、その内部を流れる流体が加熱され
ることはいうまでもない。

第二の伝熱管群は、輻射体に隣接してバーナに対してさ
らに離れた位置に配置される。第二の伝熱管群は、輻射
体を通過してきた燃焼ガスに接触して加熱されると共
に、輻射体から輻射熱を受けて加熱される。そして、燃
焼ガスと熱交換することにより内部を流れる流体を加熱
する。第二の伝熱管群は、伝熱効率を向上させるため、
外面にフィンを有するものが好ましい。また、燃焼ガス
が平均して接触するようにするため、第二の伝熱管群
は、伝熱管が千鳥状に配列されることが好ましい。

なお、第一の伝熱管群および第二の伝熱管群の伝熱管の
材質は、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの耐熱、耐食性に
優れたセラミックスであることが好ましく、特に、高熱
伝導率、低線膨張係数、高強度を有し、成形性にも優れ
た反応焼結炭化珪素が最も好ましい。本発明の場合、第
一の伝熱管群をバーナに近接させたことにより、第一お
よび第二の伝熱管群が大きな伝熱負荷を受けて局部的に
高温となりやすい。また、場合によっては、水などの被
加熱流体が局部沸騰を起こして発生した蒸気等により伝
熱を阻害され、局部的に非常に高温となることもある。
したがって、耐熱性に乏しい金属製とした場合には、伝
熱壁が過熱して激しく酸化され、極端な場合は溶損する
こともあるので材質、レイアウト、使用条件などの仕様
を適宜選択することが望ましい。この点、セラミックス
製とした場合には、充分な耐熱性が得られる。また、燃
焼ガスの保有する熱を顕熱のみならず潜熱まで回収しよ
うとする場合には硝酸の発生をきたすことがあり（天然
ガス自体はクリーンであるが、高温の燃焼によりNOxが
発生し、これが低温になると水分と結びついて硝酸とな
る）、その点からも耐腐食性を有するセラミックスが好
ましい。同様な理由で、伝熱管の外面に設けるフィンの
材質もセラミックスが好ましいが、銅、ステンレスなど
の金属も使用できる。

「発明の実施例」第１図および第２図には本発明による流体加熱装置の一
実施例が示されている。

この流体加熱装置11は、上方が開口されたケーシング12
で全体を囲まれており、ケーシング12内の下部にはバー
ナ13が配置されている。バーナ13は複数のノズル14を有
し、ノズル14から燃料ガス、例えば天然ガスを噴出させ
て火炎15を形成するようになっている。

バーナ13の上部には第一の伝熱管群16が配置されてい
る。この実施例の場合、第一の伝熱管群16の伝熱管は、
外径５〜20mm、肉厚１〜3mmとされ、伝熱管の配列間隔
は10〜20mm、バーナ13のノズル14先端からの距離ａは10
0mm以内とされている。なお、第一の伝熱管群16の伝熱
管は、通常の円筒状のものでもよく、あるいは横断面が
楕円形等の管であってもよい。

第一の伝熱管群16の上部には、通気性の輻射体18が配置
されている。この実施例では、輻射体18として、第３図
に示すようなセラミックス製の輻射体が用いられてい
る。このセラミックス輻射体は、格子状の隔壁によって
上下に貫通する多数の通気孔が設けられたもので、壁の
厚さｗが0.1〜2mm、開孔率が60％以上、高さｈが２〜30
mmとされている。なお、セラミックス輻射体の通気孔の
形状は、第３図に示すような正方形のものに限らず、必
要に応じて長方形あるいは六角形のものであってもよ
い。さらには波板同士、あるいは波板と平板を多数積層
して形成されるようなセラミックス輻射体でもよい。

輻射体18のさらに上部には、第二の伝熱管群19が配置さ
れている。この実施例では、第二の伝熱管群19の各伝熱
管は、共通のプレート型のフィン20に挿通されており、
相互に平行に、かつ、千鳥状に配置されている。第二の
伝熱管群19の伝熱管は外径５〜20mm、肉厚１〜3mmとさ
れ、伝熱管の配列間隔は15〜50mmとされ、また、フィン
20の肉厚は0.1〜1mm、フィン20の配列間隔は１〜10mmと
されている。なお、上記フィン20として、波板と平板と
を交互に多数積層して形成された積層体を用い、この積
層体の通気路の走行方向に対して伝熱管を垂直に挿通さ
せるようにしてもよい。

なお、第一および第二の伝熱管群16、19の伝熱管は、一
般には水平に配置されるが、被加熱流体が沸騰した際に
気泡が抜けやすいように、被加熱流体の入口側に比べて
出口側が上方となるように傾斜させてもよい。

第一の伝熱管群16および第二の伝熱管群19内には、被加
熱流体が流される。被加熱流体としては、液体、特には
水が好適である。被加熱流体は第一の伝熱管群16と第二
の伝熱管群19とにそれぞれ独立に流されてもよいが、好
ましくは両者間をシリーズに流される。この場合、温度
効率を大きくする上では、まず第二の伝熱管群19に流
し、ここを出た被加熱流体を次いで第一の伝熱管群16に
流すことが好ましい。一方、管内での局部沸騰を防止す
るためには、これとは逆に、まず第一の伝熱管群16に流
し、ここを出た被加熱流体を次いで第二の伝熱管群19に
流すことが好ましい。また各伝熱管群において伝熱管が
燃焼ガス流れ方向に複数段設けられているときには、第
一の伝熱管群16内においては燃焼ガスの上流側の段から
下流側の段へ流すようにし、第二の伝熱管群19内におい
ては燃焼ガスの下流側の段から上流側の段へ流すように
してもよい。

上記実施例の流体加熱装置11と、これとは異なる構成の
流体加熱装置とを用いて性能を評価する実験を行なっ
た。実験条件および実験結果は次の通りである。

（実験条件）燃料：天然ガス，空気過剰率1.02 被加熱流体：入口水温は20℃の水をまず第一の伝熱管
群16に流し、ここを出たのち、第二の伝熱管群19に流す第一の伝熱管群16:内径4.5mm,外径7mm,配列間隔12mm,
全部で10本一列に配置，反応焼結炭化ケイ素製輻射体18:20セル/inch²,セル断面が正方形のハニカ
ム，ガス流れ方向の高さh20mm,ムライト製第二の伝熱管群19:伝熱管の内径8.5mm,外径12mm,フィ
ンの厚さ0.4mm,フィンによる伝熱面積増大率20倍，反応
焼結炭化ケイ素製，外面基準伝熱面積1.4m²,燃焼ガス流
れ方向の寸法b85mm なお、実施例の装置においては、バーナ13のノズル14先
端から第一の伝熱管群16までの距離ａを50mm,バーナ13
のノズル14先端から第二の伝熱管群19までの距離ｃを80
mmとした。

また、対照例の装置においては、第一の伝熱管群16およ
び輻射体18を設けず、実施例の装置に用いたのと同様に
第二の伝熱管群19のみを設け、バーナ13のノズル14先端
から第二の伝熱管群19までの距離ｃを250mmとした。

（実験結果）実施例の装置と対照例の装置の性能を比較すると次表の
通りである。なお、排出CO濃度以外は相対比で示してあ
る。

また、水の流れを少なくとしていくと、対照例の装置で
は、出口水温72℃で局部沸騰が最上部の伝熱管内で発生
した。これに対して、実施例の装置では、出口水温93℃
で初めて最上部の伝熱管内で局部沸騰が発生した。な
お、局部沸騰の発生は、大きな音と共に振動が発生する
状態で判断した。

このように、実施例の装置では、第一の伝熱管群16およ
び輻射体18を設けたことにより、CO濃度を低く抑えつ
つ、バーナ13を伝熱管に近接させて燃焼空間を大幅に縮
小化することができる。また、局部沸騰を起こしにくく
なり、出口水温を大幅に上昇することができる。

実施例の装置が局部沸騰を起こしにくい理由は次のよう
に考えられる。すなわち、輻射体18は燃焼ガスにより加
熱され、内部の伝熱によりその温度は均一化される。そ
して、輻射体18から第二の伝熱管群19に均一な輻射熱が
照射され、第二の伝熱管群19が均一に加熱されるためと
考えられる。また、第一の伝熱管群16が局部沸騰を起こ
さないのは、外面にフィンをもたないので管壁の温度が
低く抑えられるため、および、第一の伝熱管群16が火炎
による強い対流伝熱だけでなく、これと同等の輻射熱を
輻射体18から受けているためと考えられる。

実験中、第二の伝熱管群19は、輻射体18からの強い輻射
熱を受けて、フィン20の先端は小豆色に色付いており、
650℃以上になっていたものと推定される。第二の伝熱
管群19の材質としては反応焼結炭化ケイ素を用いたが、
反応焼結炭化ケイ素は、熱伝導率が常温で170kcal/m²h
℃、1000℃で50kcal/m²h℃と非常に大であり、もし熱伝
導率が高々20kcal/m²h℃の耐熱合金を用いていたとした
ら、フィン20の先端は850℃以上になるものと推定され
る。また、第一の伝熱管群16は、内部に比較的低温の水
が流れるのであるが、火炎に近接しているので局部的に
はかなり高温となる。したがって、このような使用条件
に対しては、耐熱合金では長期の使用に耐えがたい可能
性もあり、より適切な仕様を設定するのが好ましい。な
お、第一および第二の伝熱管群16、19を反応焼結炭化ケ
イ素としたことにより、NOxの発生に伴なう硝酸に対し
て、耐腐食性も得られる。

第４図および第５図には、本発明による流体加熱装置の
他の実施例が示されている。この流体加熱装置11では、
ケーシング20の上部が閉塞され、下部に排気口21が形成
されている。そして、ケーシング20内に、バーナ13、第
一の伝熱管群16、輻射体18、第二の伝熱管群19が順次上
方から下方に向けて配置されている。さらに、ケーシン
グ20の底部には凝縮水の受け皿22が配置されている。し
たがって、この装置11では、燃焼ガスが上方から下方へ
流れ、凝縮水が下方に流れるようになっている。この装
置11は、燃焼ガス中の潜熱をも回収するタイプのものに
好適である。

また第１図、第４図に示す実施例において、通気性の輻
射体18とフィンを備える第二の伝熱管群19との間に、さ
らにフィンなしの伝熱管群を配置することも好ましい。
これにより、フィンを備える第二の伝熱管群19の高温部
側と低温部側との温度差を緩和できる。さらに、バーナ
側から順にフィンなし伝熱管群、通気性の輻射体、フィ
ンなし伝熱管群、通気性の輻射体、フィンつき伝熱管群
を配置するごとくしてもよい。

「発明の効果」以上説明したように、本発明によれば、バーナに近接し
た位置から、第一の伝熱管群、通気性の輻射体、第二の
伝熱管群を順次配置したので、通気性の輻射体から第一
の伝熱管群および第二の伝熱管群に輻射熱が照射され、
燃焼熱を有効に利用することができる。また、第一の伝
熱管群をバーナに近接させることにより不完全燃焼生成
物が発生したとしても、輻射体を通過する際に完全燃焼
されるので、不完全燃焼生成物の発生を極めて少なくす
ることができる。さらに、第一の伝熱管群をバーナに近
接して燃焼空間を大幅に縮小し、装置をコンパクト化す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流体加熱装置の一実施例を示す正
面断面図、第２図は第１図におけるII−II線に沿った断
面図、第３図は同装置で使用される輻射体の一例を示す
斜視図、第４図は本発明による流体加熱装置の他の実施
例を示す正面断面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線に沿っ
た断面図である。図中、11は流体加熱装置、12はケーシング、13はバー
ナ、14はノズル、15は火炎、16は第一の伝熱管群、18は
通気性の輻射体、19は第二の伝熱管群、20はフィンであ
る。

フロントページの続き (72)発明者竹原徹雄東京都千代田区丸の内２丁目１番２号旭硝子株式会社内 (72)発明者前野裕史兵庫県高砂市伊保町梅井801番地の６ (72)発明者桜井耕三神奈川県横浜市戸塚区長倉町５の22 (72)発明者菅野義裕埼玉県春日部市梅田３−114 (72)発明者越水大介神奈川県横浜市鶴見区岸谷１−３―25 (56)参考文献特開昭61−225542（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナと、このバーナの燃焼ガスの流れの
下流側に近接して配置された第一の伝熱管群と、この第
一の伝熱管群の燃焼ガスの流れの下流側に隣接して配置
された通気性の輻射体と、さらにこの輻射体の燃焼ガス
の流れの下流側に隣接して配置された第二の伝熱管群と
を備えていることを特徴とする流体加熱装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記第一
の伝熱管群、前記通気性の輻射体および前記第二の伝熱
管群はいずれもセラミックスからなる流体加熱装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項におい
て、前記第一の伝熱管群は外面にフィンのない管とし、
前記第二の伝熱管群は外面にフィンを有する管とした流
体加熱装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項ないし第３項のいず
れか一において、前記第一の伝熱管群は、前記バーナの
燃料ガス吐出口より100mm以内の範囲に配置されている
流体加熱装置。