JP2010513825A

JP2010513825A - 凝縮防止のための貯湯式ボイラーの熱交換器構造

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Publication number: JP2010513825A
Application number: JP2009519358A
Authority: JP
Inventors: テシクミン
Original assignee: Kyungdong Navien Co Ltd
Current assignee: Kyungdong Navien Co Ltd
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-01-03
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2027-01-03
Also published as: EP2041500A4; CN101490481B; EP2041500A1; US8375898B2; JP5044648B2; CN101490481A; US20090308568A1; WO2008007845A1; KR100701569B1

Abstract

【課題】ボイラーの熱交換器の外部表面に凝縮水が結露することを減少させ、熱交換器の腐食を防止する貯湯式ボイラーの熱交換器構造を提供する。
【解決手段】貯湯式ボイラー１０の熱交換器の水管部４０の内部に螺旋形の内部配管３０を挿入し、冷たい暖房還水がこの内部配管３０を通過した後に水管部４０に流入するようにして、低い温度の暖房還水が排気ガスに接触しないようにする。

Description

本発明は、貯湯式ボイラーの構造を改善し、ボイラーの熱交換器の外部表面に凝縮水が結露するのを確実に減少させて、熱交換器の腐食を防止するための貯湯式ボイラーの熱交換器に関する。

ボイラーの辞書的な意味は「暖房施設や浴場などにお湯を送るために水を沸かす施設」となっており、一般的には水を沸かすという意味である。そして、産業用で用いられるボイラーと家庭用に使われるボイラーに区分することができる。

通常、家庭用ボイラーは、沸点以下で使う小容量のものであり、沸点以上に温度を高める工業用として使われる大容量のボイラーと比較される。沸点以上で使うためには、その他の付随的な装置が必要で設備が大型になるため、相対的に少ない熱量を使う大部分の家庭用ボイラーでは、水が沸騰する温度以下に管理し、温水を使用して暖房を行う。

また、ボイラーは、コンデンシングを行うか行わないかにより、コンデンシングボイラーと非コンデンシングボイラーに区分される。

コンデンシング（ＣｏｎｄｅｎｓｉｎｇＴｙｐｅ）ボイラーとは、ガスが燃焼する過程で発生する水蒸気が低温の物体や空気と接触する時、水（Ｈ_２Ｏ）に変わる過程で熱エネルギを放出するので、この熱をボイラーが再吸収して熱効率を高めるように設計された方式のボイラーである。また、真発熱量基準１０３−１０８％の熱効率を得ることができるので、燃料費を顕著に節減させることができる。しかし、コンデンシングを行うことによって熱効率は増加させることができるが、凝縮水が生じるのは構成上避けられないため、ボイラーの熱伝達表面を耐食性が強い材料を使ってボイラーを生産している。通常、耐食性が強い材質では熱伝達効率が落ちるので、熱伝達のためにボイラーの熱伝達面積を広げざるを得ない。このため、ボイラーのサイズが大きくなるのを甘受しなければならない。

非コンデンシングボイラーにおいて最も望ましいのは、凝縮水が全く発生しなければ良いことであるが、通常、ボイラーを常に稼働するわけではなくて、これは実質的に不可能なことであるので、代案としてボイラーの寿命を延長させるために凝縮水が相対的に少なく発生する構成が求められる。

コンデンシングボイラーと対比される非コンデンシングボイラーは、コンデンシングが行われないので、熱伝達が相対的に良好な材料を使って、ボイラーの大きさを小さくできる長所がある。しかし、熱伝達が相対的に良好な材料は凝縮水に比較的弱いため、初期稼動時に発生する凝縮水によってボイラーの寿命が非常に短くなる傾向がある。

図１は、従来の貯湯式ボイラーの一般的な熱交換器構造を示す。一般的な熱交換器は、上部又は下部にバーナー３２が付着される燃焼室が備わっており、複数の燃管が設置されている。燃焼排気ガスは複数の燃管を通過しながら、燃管の壁面を通じて暖房水に熱を伝達し、排気燃道（図示せず）を介して外部に排出される。燃焼排気ガスの中には多量の水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が含まれているが、この水蒸気は露点温度以下の物体と接触すれば凝縮して水になる。

露点温度は、排気ガス中の水蒸気の割合により変化し、一般的な燃焼状態において油燃料の場合には４０〜４７℃、ガス燃料の場合には５０〜５７℃程度である。万一、暖房還水の温度が２０℃、熱交換器で加熱した暖房供給の温度が４０℃の場合であれば、熱交換器内部の水の温度は全体的に露点温度以下であるため、燃管の壁面で凝縮現象が甚だしく発生するようになる。通常、外出してから初期稼働する場合には２０℃以下の還水温度の場合が大部分であり、このような凝縮現象が反復的に生じる場合には凝縮時の水分と排気ガス中の硫酸化物（油燃料の場合）や窒素酸化物（ガス燃料の場合）が反応して、ＰＨ２〜４程度の酸性凝縮水が形成される。酸性凝縮水は、ボイラーが次第温度が上昇し、水分が蒸発して硫酸化物又は窒素酸化物だけを残しておくようになるので、凝縮現象が反復されることによって、さらに多くの化合物がボイラーの表面に粘着するようになる。この酸性凝縮水によって熱交換器の腐食が進行し、次第に耐久性が低下して、究極的にボイラーがそれ以上使えない状況になるのである。

一般的な熱交換器の材質としては鉄又は銅が用いられ、このような金属は凝縮水による腐食に非常にぜい弱なので、一定期間以上使用時には腐食の問題が発生するようになる。もちろん特殊な材質のアルミニウム合金鋳物やステンレススチールを使って、凝縮水に耐えるように熱交換器を製作することもできるが、このような材質を使う場合には製作加工が難しく、製品のサイズが大きくなるだけでなく、重さも重く、製作費用が多くかかる短所があり、また、熱伝達効率が銅に比べて相対的に落ちる短所もある。

したがって、通常の熱交換器の材質を使いながらも、凝縮現象を防止又は最小化することによって熱交換器の損傷を防止して耐久性を向上させた熱交換器の構造が求められた。
前記の問題点を解決するため、本発明は、通常の熱交換器の材質を使いながらも、凝縮現象を防止又は最小化することによって、熱交換器の損傷を防止し耐久性を向上させる凝縮防止のための貯湯式ボイラーの熱交換器構造を提供することを目的とする。

本発明は、非コンデンシング貯湯式ボイラーの熱交換器において、暖房供給出口２０をボイラー１０の上部に設置し、暖房還水入口２２を暖房供給出口２０の下部に設置し、暖房還水入口２２から螺旋形で延びた内部配管３０をボイラー１０の水管部４０の内部に設置し、延びた内部配管３０がボイラー壁面を通過する再出口２６を通じて延びる延長配管部４４に連結して、ボイラー１０の下部の再進入口２４と結合することを特徴とする凝縮防止のための貯湯式ボイラーの熱交換器構造である。

本発明の効果は、燃料（ガス又は油）が燃焼して形成される燃焼ガス内に含まれている水蒸気がボイラー１０の熱交換器で凝縮結露され、燃焼ガス内に含まれている有毒ガス（例：硫酸化物、窒素酸化物など）が結露した凝縮水に溶け込み、熱交換器の表面で温度が上昇することによって水分だけが蒸発したとき、残留した強酸成分によって熱交換器が損傷することを防止し、耐久性を向上させることである。

また、本発明の熱交換器構造を使用すれば、一般的な材質（鉄又は銅）を使って熱交換器を製作する場合にも、凝縮による熱交換器の腐食を防止することによって耐久性を増加させることができる。また、アルミニウム合金鋳物やステンレススチールを使う熱交換器の場合にも、このような方式を適用することによって凝縮水による腐食の進行を最小化することができる。

従来の貯湯式ボイラーの一般的な熱交換器構造を示す図である。本発明に係る貯湯式ボイラーの熱交換器構造を示す図である。本発明に係る効果を説明する図である。本発明と従来技術との差異点を示す表である。

以下、本発明に係る好ましい実施形態について添付の図面を参照して、詳細に説明する。

図１は、従来の貯湯式ボイラーの一般的な熱交換器構造を示す図であり、図２は、本発明に係る貯湯式ボイラーの熱交換器構造を示す図である。図３は、本発明に係る効果を説明する図であり、図４は、本発明と従来技術との差異点を示す表である。

図１は、従来の貯湯式ボイラーの一般的な熱交換器構造を示す図であり、詳細な説明は従来技術で既に説明した。

図２は、本発明に係る貯湯式ボイラーの熱交換器構造を示す。一般的な貯湯式ボイラー１０の熱交換器の内部にコイル形パイプを挿入するのが本発明の構造である。

非コンデンシング貯湯式ボイラーの熱交換器において、暖房供給出口２０をボイラー１０の上部に設置し、暖房還水入口２２を暖房供給出口２０の下部に設置し、暖房還水入口２２から螺旋形で延びた内部配管３０をボイラー１０の水管部４０の内部に設置し、延びた内部配管３０がボイラー壁面を通過する再出口２６を通じて延びる延長配管部４４に連結して、ボイラー１０の下部の再進入口２４と結合し、内部配管３０はボイラー１０の水管部４０の内部にボイラー壁面と一定の間隔に離隔して構成されるものであり、前記延長配管部４４は暖房温水の熱が外部に放出されるのを防止するために断熱処理される構成である。

暖房還水は貯湯式熱交換器の上部にある暖房還水入口２２に引き入れられ、コイル形パイプに入って、パイプ内部の流路を通じて熱交換器の下部に構成された再出口２６に引き出され、再び熱交換器下部の再進入口２４に引き入れられる。

暖房供給出口２０は熱交換器上部に位置しているので、下部から加熱された暖房水は上部に設置された図示されていない暖房供給管に流出し、床配管又はラジエータなどに供給されて暖房が行われる。

低い温度の暖房還水が引き入れられる場合にも、燃管の壁面と直接接触せず、加熱された熱交換器の内部に先に入ってきて、湯煎した後、初めて燃管と接触するようになるので、凝縮現象を防止できるようになる。

これは暖房還水が低い温度で引き入れられるのを湯煎方式で温度を高め、相対的にボイラー１０の表面に生じる凝縮水を減らすための構成であって、非常に効率的である。凝縮水の結露現象は温度が低いほどさらに多くの量が凝縮されて生じるので、排気ガスと接触するボイラー１０の水の温度を高めるほど結露現象は減るようになるためである。

図３と図４に基づいて本発明についてより詳しく説明する。

図３は、本発明に係る効果を説明する図であり、図３のＡは温度に係る凝縮割合を示す図であり、図３のＢは従来技術と本発明の結露現象が生じる程度を比較した図であり、図３のＣは４次循環の場合に従来技術と本発明の結露現象が生じる程度を比較した図であり、図３のＤは従来技術と本発明のボイラー１０の内部温度の勾配を示す図である。

図４は、本発明と従来技術との温度の差異点を示す表であり、ボイラー１０のバーナー３２の容量が同一で、同一の熱が暖房後にボイラー１０に戻る場合に、ボイラー１０の暖房還水入口２０での温度と暖房供給出口２０での温度をそれぞれ比較したものである。

図３と図４を参照して、本発明と従来技術の差異点について説明する。

図４の表において、従来技術と本発明ボイラー１０の容量が同一で、循環ポンプの速度が同一で、暖房供給出口２０で供給された温水が同一の仕事（暖房）を行って戻ると、暖房還水入口２０に戻る還水の温度は同一の温度で戻るようになる。

図１と図２に示されたボイラー１０の構造から見て、ボイラー１０の内部に満たされている水の量は、図２の改善されたボイラー１０ではボイラー１０の内部の体積に配管が含まれているので、相対的に少ない水の量を持つことになるが、小さい体積を有する管と仮定して、同一の体積の水を内包しているとする。すると、ボイラー１０に引き入れられる暖房還水の温度を図１の構成や図２の構成で同一に温度を高められる熱量を供給するようになるもので、通常、引入口の温度を約１０℃上昇させることができるバーナー３２を使うものとして、図４の表を説明する。

図４は、本発明と従来技術の暖房還水の温度と暖房供給出口の温度を互いに比較したものであり、各循環ステップは時間を一定に分離し、各時点の温度を比較したものである。

１次循環において、従来技術では、暖房還水の温度は２０℃で、ボイラー１０のバーナー３２の容量が１０℃上昇させることができるため、暖房供給出口の温度は３０℃になって暖房が供給される。一方、本発明は、暖房還水入口２２の温度が２０℃である温水が還水されて、暖房供給出口の温度が３０℃になるのは同一であるが、ボイラー１０の内部に巻かれている配管を介して、低い温度から湯煎されるので、再進入口２４に温水が再進入する時は２５℃に上昇した温度になって、ボイラー１０の下部に再進入するようになる。

再進入温度は、内部配管３０に図３のＤのグラフに示されたＡ１面積分の熱量をボイラー１０の水管部４０からＡ２面積分伝達して湯煎されるように構成し、暖房還水入口２２の温度より再進入口２４の温度を暖房還水入口２２の温度より高く、暖房供給出口２０の温度より低く上昇させるのが実質的な温度範囲と見られる。再進入温度は内部配管の状態、厚さ、螺旋の巻線数、直径、配置された位置などにより上昇・下降し得るためである。

２次循環において、単位時間が経過して、ボイラー１０の全体の水が一次循環を終えて５℃の温度を暖房するのに使い、２０℃で供給された温水が５℃減少した温度で暖房還水温度が２５℃の温度で還水されるのは、従来技術と本発明で同一である。従来技術では１０℃上昇した３５℃で暖房が供給されるが、本発明では湯煎されて再進入温度が３０℃になり、ボイラー１０の内部表面に形成される結露の量が相対的に減少する。

３次循環において、時間が経過して、ボイラー１０の全体の水が２次循環を終えて５℃の温度を暖房するのに使い、３５℃で供給された温水が５℃減少した温度で暖房還水温度が３０℃の温度で還水されるのは従来技術と本発明で同一である。本発明と従来技術はボイラー１０に設置されたバーナー３２の熱によって還水温度より１０℃上昇した４０℃で暖房が供給されるが、進入温度において、本発明では湯煎されて再進入温度が３５℃になり、ボイラー１０の内部表面に形成される結露の量が相対的に減少する。

４次循環において、一定時間が経過して、ボイラー１０の全体の水が３次循環を終えて５℃の温度を暖房するのに使い、４０℃で供給された温水が５℃減少した温度で暖房還水温度が３５℃の温度で還水されるのは、従来技術と本発明で同一である。本発明と従来技術は、ボイラー１０に設置されたバーナー３２の熱によって還水温度より１０℃上昇した４０℃で暖房が供給されるが、進入温度において、本発明は湯煎されて再進入温度が４０℃になり、ボイラー１０の内部表面に形成される結露が消えるようになるが、従来のボイラー１０は結露現象が依然として存在している。

各次数の循環を比較すると、従来技術が４次循環期まで結露が形成されるのに対して、本発明では結露が形成されるのは３次循環期までなので、結露が形成される時間を本発明では２５％短縮させる効果を得る。結露が形成される時間もボイラー１０の内部の腐食を減らして、究極的にボイラー１０の寿命を延長させる重要な要素の一つであって、これは、結露が持続する時間が長いほど、さらに多くの酸化物がボイラー１０の内部表面に粘着するためである。

５次循環において、時間が経過して、ボイラー１０の全体の循環水が４次循環を終えて５℃の温度を暖房するために使い、４５℃で供給された温水が５℃減少した温度で暖房還水温度が４０℃の温度で還水されるのは、従来技術と本発明で同一である。本発明と従来技術はボイラー１０に設置されたバーナー３２の熱によって還水温度より１０℃上昇した５０℃で暖房が供給されるが、進入温度において、本発明は湯煎されて再進入温度が４５℃になり、従来技術は４０℃になって、両者ともボイラー１０の表面に結露が形成されない状態になる。

図４の表において、先行条件として結露が形成されない温度を４０℃に仮定したものであり、実際の適用においては４０℃より高い温度で結露が形成され得るものであり、また、暖房供給水の温度で５℃が暖房をするために使われたと仮定したが、これは持続的に暖房熱が必要な場合を説明したもので、定常状態（ＳｔｅａｄｙＳｔａｔｅ）に到達した場合はもっと少ない熱量が済む。

また、暖房還水温度と比較して、再進入温度が５℃上昇したとしたが、図２の内部配管３０の形状により湯煎されて上昇する温度が決定されるので、変化を加えることができる要因、巻線の回数と管の太さ、循環ポンプの容量、内部管の厚さ、熱伝達効率などにより、湯煎されて上昇する温度は変化させ得る。

図３は、本発明に係る効果を説明する図であり、露点温度が４０℃以下である場合、温度によって結露が形成される程度を表現するグラフで、温度が低いほどさらに多量の結露が形成される。

１次循環期において、暖房還水の温度が２０℃である場合、熱交換器の表面に形成される凝縮水の割合は６０％に近接し、２５℃である場合は３０％に近接し、３０℃の場合は２０％に近接するのをグラフによって知ることができる。

このような温度により示される凝縮割合をボイラー１０の内部に凝縮される結露の量で表現すれば、図３のＢにおいて、ｆはボイラー１０の暖房還水が流入するボイラー１０の下部の表面に結露される程度を示し、ｇはボイラー１０の暖房供給水が流出するボイラー１０の上部の表面に結露される程度を示すもので、従来のボイラー１０の表面に結露される量と本発明のボイラー１０の内部表面に結露される量を比較できる。

従来のボイラー１０の表面に結露される量はａｆｇｃが形成する面積であり、本発明のボイラー１０の表面に結露される量はｂｆｇｃで表現されるもので、結露の量が顕著に減少し得ることが分かる。

また、結露の量が顕著に減少した以外に重要な事項は一定部位に集中的に形成される結露の量である。図３のＢのグラフから分かるように、従来のボイラー１０の表面に形成される結露は、暖房還水が流入するボイラー１０の下部に集中して発生することが見られる。結露の量はボイラー１０の燃焼排気ガスに含まれている各種酸が溶け込んで強酸が形成され得る確率を高くする。ボイラー１０の特性上、ボイラー１０が駆動・停止が反復されるので、特定部分が蓄積された酸によって腐食されて穴が形成され、ボイラー１０全体が使用できないことになり、ボイラー１０の寿命が非常に短縮されることもある。

また、ボイラー１０においては、ボイラー１０の下部に腐食が進展し、ボイラー１０を使用できない場合が大部分であり、これを防止するために下部に腐食に強い材料を使う場合もあるが、これは、熱伝達効率が低下させ、ボイラー１０のサイズが大きくなる不便さを甘受しなければならない。

表面に形成される結露の量を比較すると、本発明は従来技術に比べて約半分の結露の量となることが分かる。これは、本発明のボイラー１０の寿命が約２倍長くすることができることを意味する。

図３のＣのグラフは３次循環の場合を説明するもので、従来のボイラー１０の表面に結露される量はａ’ｆｇで表現され、本発明のボイラー１０の表面に結露される量はｂ’ｆｇで表現される。本発明のボイラー１０の表面に形成される結露の量が従来技術に比べて半分に過ぎないことが分かり、やはり寿命が倍加される構成である。

図３のＤのグラフは１次循環の場合の従来のボイラー１０と本発明のボイラー１０の内部表面の温度勾配を示すもので、従来技術の温度勾配は２０℃でボイラー１０のバーナー３２の加熱によって、３０℃に到達することを示し、本発明の温度勾配はバーナー３２の容量によって３０℃まで加熱するのは同一であるが、内部に配置された湯煎配管に熱を伝達することによって、温度勾配が直線（実質的に正確な直線ではない場合もあるが、単純化させたものである。）で形成されずに歪曲するもので、面積Ａ１と面積Ａ２は同一の面積で形成されなければならず、Ａ２に該当する熱量は暖房還水された水が湯煎されながら内部配管３０を通じて暖房還水に伝えられた熱量であり、Ａ１は暖房還水が内部配管３０の外部の暖房水から熱量を伝達されて、５℃上昇するために受けた熱量である。
また、図３のＤのグラフから、従来のボイラー１０と本発明のボイラー１０がバーナー３２から伝達された熱量は同一で、ａｆｇｃで形成された面積とｂｆｇｃで形成された面積が同一なことが分かる。

本発明では暖房用ボイラー１０の場合について実施形態として説明したが、温水用で使う場合にも同一の構造が適用可能なのはもちろんである。

また、説明された条件はアイデア状態で簡略化して説明したものであるが、実質的にはボイラー内部の燃焼ガスによって、計算された温度より若干高まるものであり、結露の量も相対的に減ることは自明な事項である。

本発明によれば、燃料（ガス又は油）が燃焼して形成される燃焼ガス内に含まれている水蒸気がボイラー１０の熱交換器で凝縮結露し、燃焼ガス内に含まれている有毒ガス（例：硫酸化物、窒素酸化物など）が結露した凝縮水に溶け込み、熱交換器の表面で温度が上昇することによって水分だけが蒸発して、残留された強酸成分によって熱交換器を損傷させることを防止し、耐久性を向上させることができる構成の貯湯式ボイラーの熱交換器構造を提供することができる。

また、本発明によれば、一般的な材質（鉄又は銅）を使って熱交換器を製作する場合にも、凝縮による熱交換器の腐食を防止することによって耐久性を向上させることができ、アルミニウム合金鋳物やステンレススチールを使う熱交換器の場合にも、このような方式を適用することによって、凝縮水による腐食の進行を最小化することができる新しい構成の貯湯式ボイラーの熱交換器構造を提供することができる。

Claims

非コンデンシング貯湯式ボイラー１０の熱交換器において、
暖房供給出口２０をボイラー１０の上部に設置し、
暖房還水入口２２を暖房供給出口２０の下部に設置し、
暖房還水入口２２から螺旋形で延びた内部配管３０をボイラーの水管部４０の内部に設置し、
延びた内部配管３０がボイラーの壁面を通過する再出口２６を通じて延びる延長配管部４４に連結して、ボイラー１０の下部の再進入口２４と結合することを特徴とする凝縮防止のための貯湯式ボイラーの熱交換器構造。
前記内部配管３０は、ボイラー１０の水管部４０の内部にボイラー１０の壁面と一定の間隔に離隔して構成されることを特徴とする請求項１に記載の凝縮防止のための貯湯式ボイラーの熱交換器構造。
前記内部配管３０に図３Ｄのグラフに示されたＡ１面積分の熱量をボイラー１０の水管部４０からＡ２面積分伝達して湯煎されるように構成し、暖房還水入口２２の温度より再進入口２４の温度を暖房還水入口２２の温度より高く、暖房供給出口２０の温度より低く上昇させることを特徴とする請求項２に記載の凝縮防止のための貯湯式ボイラーの熱交換器構造。
前記ボイラー１０を初期稼働する時の１次循環において、ボイラー１０の下部に結露される量を図３Ｂのグラフでａｂｃ面積分の結露量を減少させることを特徴とする請求項３に記載の凝縮防止のための貯湯式ボイラーの熱交換器構造。
前記延長配管部４４は、暖房温水の熱が外部に放出されるのを防止するために断熱処理されることを特徴とする請求項４に記載の凝縮防止のための貯湯式ボイラーの熱交換器構造。
前記ボイラー１０を初期稼働する時にボイラー１０の下部に結露が持続的に形成される時間を２５％減らすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の凝縮防止のための貯湯式ボイラーの熱交換器構造。