蒸気過熱器
【課題】コンパクトな構成でありながら、過熱蒸気の温度を迅速に調整することができる蒸気過熱器を提供する。
【解決手段】熱交換部２は、第１環状流路Ｒ１、第２環状流路Ｒ２および内管内流路Ｒ３を外側から順に備えた三重管構造に構成され、その軸方向の基端側にバーナー２０が備えられ、第１環状流路Ｒ１には、水蒸気Ｖが導入される蒸気導入口３ｃを軸方向の基端側に有するとともに、第１環状流路Ｒ１を流通した水蒸気Ｖを内管内流路Ｒ３へ案内流通する流路ヘッダー６と軸方向の先端側で接続され、第２環状流路Ｒ２は、バーナー２０の燃焼室２２と軸方向の基端側で接続されて、水蒸気Ｖを第１環状流路Ｒ１、流路ヘッダー６および内管内流路Ｒ３の順に流通させるとともに、燃焼ガスＥを第２環状流路Ｒ２に流動させて、水蒸気Ｖと燃焼ガスＥとの熱交換により過熱蒸気Ｓを発生させる。
【解決手段】熱交換部２は、第１環状流路Ｒ１、第２環状流路Ｒ２および内管内流路Ｒ３を外側から順に備えた三重管構造に構成され、その軸方向の基端側にバーナー２０が備えられ、第１環状流路Ｒ１には、水蒸気Ｖが導入される蒸気導入口３ｃを軸方向の基端側に有するとともに、第１環状流路Ｒ１を流通した水蒸気Ｖを内管内流路Ｒ３へ案内流通する流路ヘッダー６と軸方向の先端側で接続され、第２環状流路Ｒ２は、バーナー２０の燃焼室２２と軸方向の基端側で接続されて、水蒸気Ｖを第１環状流路Ｒ１、流路ヘッダー６および内管内流路Ｒ３の順に流通させるとともに、燃焼ガスＥを第２環状流路Ｒ２に流動させて、水蒸気Ｖと燃焼ガスＥとの熱交換により過熱蒸気Ｓを発生させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナーと、当該バーナーの燃焼ガスによって水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる熱交換部とを備えた蒸気過熱器に関する。
【背景技術】
【０００２】
飽和蒸気を使用して加熱する各種加熱機器を備えた食品工場等においては、飽和蒸気を発生させる蒸気ボイラが設置されて、これにより発生させた飽和蒸気を蒸気供給管等を経由させて各種加熱機器に供給している。また、過熱蒸気オーブン等の加熱機器を使用する場合では、飽和蒸気より温度の高い過熱蒸気が必要になるので、蒸気供給管と加熱機器との間に蒸気過熱器を設置して、この蒸気過熱器によって飽和蒸気を加熱して、加熱機器に必要な温度に調整された過熱蒸気を発生させて供給するように構成される。このような蒸気過熱器として、例えば、特許文献１には、蒸気の入口部と出口部を有する蒸気過熱器の本体内に電磁誘導により発熱する磁性部材を設けて、蒸気過熱器の本体の外側において、その磁性部材を誘導加熱する誘導加熱手段が設けられた蒸気過熱器が開示されている。
【０００３】
この蒸気過熱器の本体の外側に備えられた誘導加熱手段は、交流電源とコイルとからなり、コイルが蒸気過熱器の本体の外周を巻回して構成されている。一方、蒸気過熱器の本体内に設けられた磁性部材は、粒子状および板状に形成されて、蒸気過熱器の本体の入口部から出口部に至る蒸気流路に沿って複数設けられている。そして、その磁性部材が、誘導加熱手段により誘導加熱されて発熱することで、蒸気過熱器の本体内を流通する飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させることができるとされる。また、誘導加熱手段の誘導電流の強度を変えることで、磁性部材の発熱量を変化させて過熱蒸気の温度の制御が可能であるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５１６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示の蒸気過熱器では、飽和蒸気を加熱するために、蒸気過熱器の本体内の蒸気流路に磁性部材を設ける必要がある。そして、多流量の飽和蒸気を加熱して過熱蒸気にするには、その蒸気流量に応じた多量の磁性部材を蒸気流路に設ける必要があるため、蒸気流路を確保しようとすると蒸気過熱器の本体をコンパクトに構成できないという問題がある。さらに、磁性部材を加熱する誘導加熱手段を蒸気過熱器の本体の外側に設けることが必要となることからも、蒸気過熱器が大型化するという問題が生じる。
また、過熱蒸気の温度を所望の温度に調整する際は、誘導加熱手段の誘導電流の強度を調整することとされるが、一般的に熱容量が大きい磁性部材が多量に蒸気流路に設けられていると、誘導電流の強度を調整しても、その熱容量の大きさによって、磁性部材の温度が迅速に変化せずに、過熱蒸気の温度を所望の温度に温度調整することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンパクトな構成でありながら、過熱蒸気の温度を迅速に調整することができる蒸気過熱器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る蒸気過熱器は、
バーナーと、当該バーナーの燃焼ガスによって水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる熱交換部とを備えた蒸気過熱器であって、その特徴構成は、
前記熱交換部は、外管と、前記外管より小径の内管と、前記外管と内管との中間径である中間径管とから構成され、前記外管と前記中間径管の間に第１環状流路を、前記中間径管と前記内管の間に第２環状流路を、前記内管内に内管内流路を備えた三重管構造に構成され、
前記熱交換部の軸方向の基端側に、前記バーナーが備えられ、
前記第１環状流路は、前記水蒸気が導入される蒸気導入口を前記軸方向の基端側に有するとともに、当該第１環状流路を流通した前記水蒸気を前記内管内流路へ案内流通する流路ヘッダーと前記軸方向の先端側で接続され、
前記内管内流路は、前記軸方向の先端側において前記流路ヘッダーと接続されて、前記水蒸気が案内流通されるとともに、前記水蒸気が加熱された過熱蒸気を排出する排出口を前記軸方向の基端側に有し、
前記第２環状流路は、前記バーナーの燃焼室と前記軸方向の基端側で接続されるとともに、前記燃焼ガスを排気する排気口を前記軸方向の先端側に有し、
前記水蒸気を前記第１環状流路、前記流路ヘッダーおよび前記内管内流路の順に流通させるとともに、前記燃焼ガスを前記第２環状流路の前記軸方向の基端側から先端側に流動させて、前記水蒸気と前記燃焼ガスとの熱交換により過熱蒸気を発生させる点にある。
【０００８】
上記特徴構成によれば、熱交換部は、外管と中間径管の間に第１環状流路を、中間径管と内管の間に第２環状流路を、内管内に内管内流路を備えた三重管構造に構成されており、その第１環状流路は、軸方向の基端側に水蒸気が導入される蒸気導入口を有するとともに、軸方向の先端側は流路ヘッダーと接続されている。また、この流路ヘッダーには基端側に排出口を有する内管内流路が接続されている。これにより、第１環状流路の基端側の蒸気導入口において導入された水蒸気は、第１環状流路の基端側から先端側まで流通して、その先端側において流路ヘッダーに導入されるともに、流通方向が折り返されて内管内流路へ案内流通し、内管内流路において先端側から基端側に流通させて、その基端側に設けられた排出口より排出する蒸気流通路を構成することができる。
【０００９】
また、第２環状流路は、軸方向の基端側でバーナーの燃焼室と接続されるとともに、軸方向の先端側で燃焼ガスを排気する排気口を有して、バーナーの燃焼室で発生した高温の燃焼ガスを基端側から先端側に流通させる。そして、水蒸気が流通する第１環状流路と内管内流路とに径方向の外径側と内径側との間に挟まれた状態で設けられている。
【００１０】
したがって、第２環状流路と第１環状流路との間に位置する中間径管を介して、第２環状流路を流動する燃焼ガスと第１環状流路を流通する水蒸気との熱交換が可能となるとともに、第２環状流路と内管内流路との間に位置する内管を介しても、第２環状流路を流動する燃焼ガスと内管を流通する水蒸気との熱交換が可能となる。このように、第２環状流路を構成する中間径管および内管の両方において熱交換が可能に構成されているので、熱交換部内において熱交換可能な部位の面積を広くとることができる。これにより、燃焼ガスと過熱蒸気との熱交換を効率よく迅速に行なうことができ、燃焼ガスの温度または燃焼量を変化させることで、迅速に過熱蒸気の温度を調整することができる。また、熱交換部を小型化した場合でも、燃焼ガスと水蒸気との熱交換に必要となる熱交換可能な部位の面積を熱交換部内に確保することができので、熱交換部をコンパクトに構成することが可能となる。
【００１１】
また、熱交換部において、高温の燃焼ガスが流動する第２環状流路が第１環状流路の内側に設けられているので、高温の燃焼ガスの熱が熱交換部の外部に放熱されることを抑制することができ、第２環状流路を流動する高温の燃焼ガスによって効率よく第１環状流路および内管内流路を流通する水蒸気または過熱蒸気を加熱することができる。
さらに、第１環状流路、流路ヘッダーおよび内管内流路で構成される蒸気流通路の下流側を内管内流路側とするとともに、内管内流路を流通する過熱蒸気の流れ方向と、第２環状流路を流動する高温の燃焼ガスの流れ方向とが対向流として、蒸気流通路の下流側を熱交換器の内側に位置させて外部への放熱を抑制して過熱蒸気を蒸気流通路の上流側より高温に加熱することが可能にされる。対向流とした熱交換によって効率よく燃焼ガスによって過熱蒸気が加熱されて、より高温の過熱蒸気を得ることができる。このように、燃焼ガスと過熱蒸気との熱交換を効率よく行ないながら、燃焼ガスの温度または流量を変化させることで、迅速に過熱蒸気の温度を所望の温度に調整することができる。
【００１２】
本発明に係る蒸気過熱器の更なる特徴構成は、
前記バーナーは、円筒状に形成された前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて、空気と燃料ガスとの混合気を噴出させて又は空気と燃料ガスとを各別に噴出させて、管状火炎を形成する管状火炎バーナーとされ、
前記管状火炎バーナーと、三重管構造を成す前記熱交換部の軸心が一致している点にある。
【００１３】
本特徴構成によれば、バーナーは管状火炎を形成する管状火炎バーナーとされて、その管状火炎バーナーと、三重管構造を成す熱交換部の軸心が一致しているので、円筒状に形成された燃焼室にて形成される管状火炎による燃焼により発生し、旋回状態にある高温の燃焼ガスが、旋回を妨げられることなく熱交換部の第２環状流路内に進入して、軸方向の先端側に設けられた排気口に向かって軸方向に旋回しながら流動する。従って、熱交換部において燃焼ガスと過熱蒸気との熱交換を一般的な対向流又は並行流の熱伝達係数より大きな係数にて行なうことができる。
【００１４】
本発明に係る蒸気過熱器の更なる特徴構成は、
三重管構造を成す前記熱交換部に関し、前記中間径管の内周面と前記管状火炎バーナーの円筒状に形成された前記燃焼室の内周面とが略面一に接続され、前記内管は前記軸方向の基端側において、前記管状火炎バーナーの前記燃焼室内を通過するとともに、当該燃焼室を前記軸方向の基端側に貫通させて設けられている点にある。
【００１５】
本特徴構成によれば、中間径管の内周面と管状火炎バーナーの円筒状に形成された燃焼室の内周面とが略面一に接続されているので、管状火炎による燃焼により発生した高温の燃焼ガスが、さらにスムーズに第２環状流路内に導入して、第２環状流路内を周方向において旋回しながら全体として軸方向の先端側に設けられた排気口に向かって軸方向に流動するので、この旋回流によって、燃焼ガスと中間径管および内管との熱交換を促進させることができ、その結果、燃焼ガスと過熱蒸気との熱交換が効率よく行なわれることとなる。
また、内管は軸方向の基端側において、管状火炎バーナーの燃焼室内を通過するとともに、燃焼室を貫通させて設けられているので、内管内流路を流通する過熱蒸気は、燃焼室内を通過する際にも最も高温の燃焼ガスと熱交換を行うことができる。従って、熱交換部をよりコンパクトに構成することができる。
【００１６】
本発明に係る蒸気過熱器の更なる特徴構成は、
前記中間径管の一部は前記軸方向に伸縮可能な伸縮部材で構成され、前記内管は前記燃焼室を前記軸方向の基端側に貫通する状態で設けられ、当該内管が前記燃焼室を貫通する貫通部に摺動可能に貫通支持されている点にある。
【００１７】
本特徴構成によれば、中間径管の一部は軸方向に伸縮可能な伸縮部材で構成されるので、高温の燃焼ガスにより中間径管が加熱されて軸方向に膨張した場合においても、その膨張による変形を伸縮可能な伸縮部材で吸収することができる。したがって、燃焼ガスの流動による中間径管の温度変化によって中間径管に発生する熱応力を最小限に抑制して、中間径管の破損を防止することができる。
また、内管は燃焼室を軸方向の基端側に貫通する状態で設けられ、その内管が燃焼室を貫通する貫通部に摺動可能に貫通支持されているので、内管を貫通部によって支持することができるとともに、高温の燃焼ガスにより内管が加熱されて膨張した場合においても、その膨張に応じて内管が貫通部を自在に摺動することができる。したがって、燃焼ガスの流動による内管の温度変化によって内管に発生する熱応力を最小限に抑制して、内管の破損、曲りを防止することができる。
【００１８】
本発明に係る蒸気過熱器の更なる特徴構成は、
前記流路ヘッダーに、前記第２環状流路を流動する前記燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通過口が設けられ、前記燃焼ガスが前記燃焼ガス通過口を通過して前記排気口から排気される点にある。
【００１９】
本特徴構成によれば、流路ヘッダーに燃焼ガス通過口が設けられているので、第２環状流路を流動する燃焼ガスをその燃焼ガス通過口を通過させて、第２環状流路の軸方向の先端部に設けられた排気口から熱交換部の外部へ排気することができる。また、流路ヘッダー内には過熱蒸気が流通しているので、燃焼ガス通過口に燃焼ガスを通過させることで、流路ヘッダー内を流通する過熱蒸気と燃焼ガスとの間で熱交換を行うことができるので、熱交換部においてさらに効率よく熱交換を行なうことができるとともに、熱交換部をよりコンパクトに構成することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る蒸気過熱器の横断面図。
【図２】蒸気過熱器の流路ヘッダーにおける縦断面図。
【図３】蒸気過熱器の管状火炎バーナーにおける縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本願発明に係る蒸気過熱器の実施形態について図１に基づいて説明する。図１に示すのは本実施形態に係る蒸気過熱器１の縦断面図である。この蒸気過熱器１は飽和蒸気Ｖ（水蒸気に相当）を導入して、その飽和蒸気Ｖと燃焼ガスＥとの熱交換を行う熱交換部２と、燃焼ガスＥを発生させる管状火炎バーナー２０と、熱交換が行われた燃焼ガスＥを排気する排気口８ａが設けられた排気フランジ８とで構成されており、熱交換部２の軸方向（図１中の左右方向）の基端側（図１中右側、以下「軸方向の基端側」を単に「基端側」と呼ぶ）には、管状火炎バーナー２０が設けられ、軸方向の先端側（図１中左側、「軸方向の先端側」を単に「先端側」と呼ぶ）には、排気口８ａを有する排気フランジ８が備えられている。
【００２２】
管状火炎バーナー２０は、円筒状に形成された燃焼室２２の内周面２２ａの接線方向に向けて、空気Ａと燃料ガスＦとの混合気Ｍを噴出させて又は空気Ａと燃料ガスＦとを各別に噴出させて、管状火炎を形成する管状火炎バーナー２０とされている（図３参照）。また、管状火炎バーナー２０は、三重管構造を成す熱交換部２の軸心が一致するように熱交換部２の軸方向の基端側に設けられている。
【００２３】
熱交換部２は、外管３と、管径が外管３より小径の内管５と、管径が外管３と内管５との中間径である中間径管４とから構成され、外管３と中間径管４の間に第１環状流路Ｒ１を、中間径管４と内管５の間に第２環状流路Ｒ２を、内管５内に内管内流路Ｒ３を備えた三重管構造に構成されている。ここで、外管３、中間径管４および内管５が同心状に配置されており、第１環状流路Ｒ１と内管内流路Ｒ３とは先端側において流路ヘッダー６により流通可能に接続されている。
【００２４】
熱交換部２の第１環状流路Ｒ１は、先端側端部３ａが先端側フランジ９に接合されるとともに、基端側端部３ｂが基端側フランジ１０に接合される外管３の内周面と中間径管４の外周面とで第１環状流路Ｒ１が形成されている。
【００２５】
この第１環状流路Ｒ１は、飽和蒸気Ｖが導入される蒸気導入口３ｅを基端側に有するとともに、第１環状流路Ｒ１を流通した飽和蒸気Ｖを内管内流路Ｒ３へ案内流通する流路ヘッダー６と先端側で接続される。
また、蒸気取入口３ｃは、例えば、飽和蒸気Ｖを供給可能な集中蒸気配管（図示せず）と接続されている。また、蒸気取入口３ｃから取入れた飽和蒸気Ｖは、外管３の周方向に複数設けられた蒸気導入口３ｅを覆うように外管３の外周に設けられた環状導入空間３ｄに導入され、この環状導入空間３ｄに流入した飽和蒸気Ｖは、複数の蒸気導入口３ｅのそれぞれに分散されて第１環状流路Ｒ１に導入される。
これにより、蒸気取入口３ｃから取入された飽和蒸気Ｖは、外管３の周方向において均等に第１環状流路Ｒ１へ導入される。そして、この第１環状流路Ｒ１は、先端側端部において流路ヘッダー６に接続されているので、第１環状流路Ｒ１へ導入された飽和蒸気Ｖは、第１環状流路Ｒ１の基端側から先端側まで流通して、流路ヘッダー６に流入する。なお、第１環状流路Ｒ１に導入された飽和蒸気Ｖが流路ヘッダー６に流入するときには、すでに第１環状流路Ｒ１を流通することで加熱されて過熱蒸気Ｓとなっている。
【００２６】
第２環状流路Ｒ２は、管状火炎バーナー２０の燃焼室２２と基端側で接続されるとともに、管状火炎バーナー２０の燃焼により発生した燃焼ガスＥの排気口８ａを先端側に有している。この第２環状流路Ｒ２は中間径管４の内周面４ｃと、内管５の外周面とで形成されている。
【００２７】
第２環状流路Ｒ２と管状火炎バーナー２０との接続は、第２環状流路Ｒ２を構成する中間径管４の基端側の端部４ｂを、管状火炎バーナー２０の開口端部２２ｂに当接させるとともに、中間径管４の内周面４ｃと管状火炎バーナー２０の円筒状の燃焼室２２の内周面２２ａとが略面一として接続されている。これにより、燃焼室２２で発生した燃焼ガスＥをスムーズに第２環状流路Ｒ２に流出させることができる。さらに、その中間径管４は、その一部が軸方向に伸縮可能な環状の伸縮部材４ｄで構成されており、これにより、燃焼ガスＥや燃焼室２２の燃焼によって中間径管４が加熱されることで、中間径管４に発生する軸方向の熱膨張を伸縮部材４ｄの伸縮により吸収することができる。
【００２８】
また、内管内流路Ｒ３は、先端側において流路ヘッダー６と接続されて、飽和蒸気Ｖが案内流通されるとともに、飽和蒸気Ｖが加熱された過熱蒸気Ｓを排出する蒸気排出口１１（排出口に相当）を基端側に有している。
【００２９】
内管５は基端側において、管状火炎バーナー２０の燃焼室２２内を通過するとともに、円筒状の燃焼室２２の軸方向に直交する燃焼室側壁２６に設けられた側面貫通孔２６ａ（貫通部に相当）を基端側に貫通させて設けられている。従って、内管５は基端側の端部５ｂが、側面貫通孔２６ａに貫通支持されるとともに、先端側の端部５ａが流路ヘッダー６の中心部を形成する円筒状の集合部６ｂに接続されている。そして、内管５の燃焼室側壁２６を貫通した基端側の端部５ｂには飽和蒸気Ｖが加熱されて発生した過熱蒸気Ｓを排出する蒸気排出口１１が形成されている。
ここで、側面貫通孔２６ａには、環状の耐熱シール部材２５が設けられ、この耐熱シール部材２５によって、内管５が摺動可能に貫通支持されている。これにより、燃焼ガスＥや燃焼室２２の燃焼によって内管５が加熱されて内管５に発生する熱膨張を許容することができる。
【００３０】
蒸気過熱器１は、このような構成とされ、飽和蒸気Ｖを第１環状流路Ｒ１、流路ヘッダー６および内管内流路Ｒ３に流通させるとともに、燃焼ガスＥを第２環状流路Ｒ２に流動させて、飽和蒸気Ｖと燃焼ガスＥとの熱交換により過熱蒸気Ｓを発生させることを可能にしている。
【００３１】
次に、流路ヘッダー６について詳しく説明する。図２に示すのは、流路ヘッダー６の位置における蒸気過熱器１の横断面図である。流路ヘッダー６は、第１環状流路Ｒ１において基端側から先端側へ流通する過熱蒸気Ｓを導入するとともに、その過熱蒸気Ｓの流通方向を折り返して内管内流路Ｒ３へ案内流通する。
【００３２】
流路ヘッダー６は、第１環状流路Ｒ１から過熱蒸気Ｓを導入する４本の流通路６ａと、４本の流通路６ａに導入された過熱蒸気Ｓを集合させて内管内流路Ｒ３へ流通させる集合部６ｂと、その４本の流通路６ａの第１環状流路Ｒ１側に設けられて、流路ヘッダー６を先端側フランジ９および中間径管４と接続固定させる円環接続部材６ｃとで構成されている。
【００３３】
円環接続部材６ｃは、先端側では熱交換部２の先端側フランジ９と接続されるとともに、基端側においては中間径管４の先端側端部４ａと接続されて、流路ヘッダー６を固定している。
４本の流通路６ａは、第１環状流路Ｒ１が延びる方向に直交する状態で、互いに９０度の間隔をなすように設けられて、中間径管４と接続された円環接続部材６ｃの外周側に位置する第１環状流路Ｒ１から集合部６ｂへ向けて、中間径管４と内管５で形成される第２環状流路Ｒ２を径方向に横切る状態で設けられている。
集合部６ｂは、略円筒状の形状とされて、その外周面には４本の流通路６ａが接続されており、集合部６ｂの基端側の側面には、内管内流路Ｒ３の先端側端部５ａと、その内管内流路Ｒ３の軸心と集合部６ｂの軸心とを一致させた状態で接続されるように構成された接続口が形成されており、この接続口に端部５ａが挿入されて係合固定されている。
このように流路ヘッダー６が構成されて、第１環状流路Ｒ１から内管内流路Ｒ３に過熱蒸気Ｓを案内流通させることができる。
【００３４】
また、流路ヘッダー６には、第２環状流路Ｒ２を流動する燃焼ガスＥを通過させる燃焼ガス通過口６ｅが設けられ、燃焼ガスＥは、この燃焼ガス通過口６ｅを通過して排気口８ａから排気されている。この燃焼ガス通過口６ｅは、流路ヘッダー６を構成する円環接続部材６ｃと集合部６ｂの外周面との間において、第２環状流路Ｒ２を径方向に横切る状態で設けられている４本の流通路６ａ以外の部分に形成されており、その４本の流通路６ａによって４つの略扇形形状に分けられた開口として構成される。
そして、燃焼ガス通過口６ｅを通過した燃焼ガスＥは排気フランジ８に設けられた排気口８ａから排気されるように構成されている。なお、このように過熱蒸気Ｓが流通する４本の流通路６ａと燃焼ガスＥが流通する４箇所の燃焼ガス通過口６ｅが交互に配設されているので、伝熱面積を大きくして、効率よく過熱蒸気Ｓと燃焼ガスＥとの間で熱交換が行なうことができる。
【００３５】
次に管状火炎バーナー２０について詳しく説明する。図３は、管状火炎バーナー２０部における蒸気過熱器１の横断面図を示すものである。本実施形態では、燃焼室２２の内周面２２ａの接線方向に向けて、空気Ａと燃料ガスＦとの混合気Ｍを混合気噴出部２４ｃから噴出する構成とされる。管状火炎バーナー２０には、空気導入口２１ａから空気Ａを受け入れる空気用受入空間２３ａと、燃料ガス導入口２１ｂから燃料ガスＦを受け入れる燃料ガス用受入空間２３ｂとから構成され、この空気用受入空間２３ａと燃料ガス用受入空間２３ｂとが、燃焼室２２を挟んでそれぞれ一対ずつ、燃焼室２２の周方向に交互に配設される状態で設けられている。そして、空気用受入空間２３ａから混合気噴出部２４ｃへ空気Ａを噴出する空気供給路２４ａと、その空気供給路２４ａの流路途中部分に燃料ガス用受入空間２３ｂから燃料ガスＦを供給する燃料ガス供給路２４ｂとが設けられている。
【００３６】
このように、空気供給路２４ａの流路途中に燃料ガス供給路２４ｂから燃料ガスＦを供給することにより、その流路途中において空気Ａと燃料ガスＦとの混合気Ｍが生成されて、混合気噴出部２４ｃから燃焼室２２の内周面２２ａの接線方向に向けて混合気Ｍを噴出させ、燃焼室２２内において同一回転方向に混合気Ｍを旋回させることができるように構成されている。
【００３７】
これにより、可燃限界内の適当な空気比に混合調整された混合気Ｍは、燃焼室２２内において中空円筒状のいわゆる管状火炎を形成する。管状火炎の火炎内側部分は、ほぼ燃焼反応を終えた（正確にはＣＯがＣＯ2に、ＯＨがＨ2Ｏに変化する反応を一部残した）高温の燃焼ガスＥであり、その燃焼ガスＥが、燃焼室２２を旋回しながら全体として燃焼室２２の軸方向に沿って、熱交換器２側へ流動する。なお、この状態では、この燃焼室２２内の管状火炎による燃焼により混合気Ｍは燃焼室２２内でほぼ燃焼が完了し、燃焼室２２の熱交換器２側の開口端部２２ｂから燃焼ガスＥが排出される。
【００３８】
このようにして、混合気噴出部２４ｃから混合気Ｍを均一な流量分布で供給して形成される管状火炎は、良好に燃焼してＣＯ発生が抑えられている。また、空気用受入空間２３ａおよび燃料ガス用受入空間２３ｂにおいては燃焼前の温度が低い空気Ａおよび燃料ガスＦが存在することとなるため、空気Ａおよび燃料ガスＦによる燃焼室２２の内周面２２ａの温度上昇を抑制することができ、断熱火炎に近い火炎温度が実現される。なお、空気を過剰に供給して希薄燃焼させれば、管状火炎の燃焼温度が抑制されて、ＮＯｘの発生が抑えられる。
【００３９】
管状火炎バーナー２０において燃焼を開始する際、管状火炎バーナー２０の着火は、図示しない火花放電等による着火手段により管状火炎バーナー２０への自動着火が可能に構成されている。また、着火後は図示しない火力調整手段により、燃料ガスＦおよび空気Ａの供給量が調整可能に構成されて、火力調整が可能となっている。火力調整は、過熱蒸気Ｓの温度を検出して、その検出温度に応じて火力の強さを調節して、所望の温度に過熱蒸気Ｓの温度を調整することができるように構成されている。
【００４０】
そして、管状火炎バーナー２０が着火されて燃焼が開始されると、上述の如く、燃焼室２２に管状火炎が形成されるとともに燃焼ガスＥが熱交換部２の第２環状流路Ｒ２に流入する。第２環状流路Ｒ２に流入した燃焼ガスＥは、中間径管４、内管５および流路ヘッダー６を介して、第１環状流路Ｒ１、流路ヘッダー６、および内管内流路Ｒ３を流通する飽和蒸気Ｖまたは過熱蒸気Ｓと熱交換する。そして、熱交換を行なって低温となった燃焼ガスＥが排気フランジ８に設けられた排気口８ａから排気される。
【００４１】
燃焼ガスＥと飽和蒸気Ｖまたは過熱蒸気Ｓとの熱交換について説明する。飽和蒸気Ｖが蒸気取入口３ｃより第１環状流路Ｒ１に導入されると、導入された飽和蒸気Ｖは、第１環状流路Ｒ１を基端側から先端側に向けて流通するとともに、中間径管４を介して第２環状流路Ｒ２を流動する燃焼ガスＥと熱交換を行って過熱蒸気Ｓとなる、そして、その熱交換により発生した過熱蒸気Ｓは、第１環状流路Ｒ１の先端側において流路ヘッダー６に流入するとともに、内管内流路Ｒ３に案内流通される。この流路ヘッダー６においても、過熱蒸気Ｓが流通する４本の流通路６ａと燃焼ガスＥが流通する４箇所の燃焼ガス通過口６ｅが交互に配設されているので、熱交換が効率よく行なわれる。そして、内管内流路Ｒ３に案内流通された過熱蒸気Ｓは、内管内流路Ｒ３を先端側から基端側に向けて流通するとともに、内管５を介して第２環状流路Ｒ２を流動する燃焼ガスＥと熱交換が行われて温度が上昇する。そして、内管５は管状火炎バーナー２０の燃焼室２２を貫通して設けられているので、内管５を流通する過熱蒸気Ｓは、管状火炎バーナー２０の燃焼室２２内においても内管５を介してさらに熱交換される。これにより、所定温度に加熱された過熱蒸気Ｓが、内管５の基端側端部５ｂに形成された蒸気排出口１１から排出される。過熱蒸気Ｓはこの蒸気排出口１１において、例えば、温度４００℃、圧力０．７ＭＰａの状態とされて、蒸気排出口１１と接続される加熱機器（例えば、食品加工工場におけるコンベアオーブンなど）に供給することができる。
〔別実施形態〕
【００４２】
（Ａ）上記実施形態においては、管状火炎を形成して燃焼する管状火炎バーナー２０としたが、これに限らず、直進火炎を形成して燃焼する直進火炎バーナー、または、旋回火炎を形成して燃焼する旋回火炎バーナーとしてもよい。
【００４３】
（Ｂ）上記実施形態においては、中間径管４の内周面４ｃおよび外周面は、凹凸のない構成としたが、中間径管４の内周面４ｃに熱伝導率の良好な材料で作成された伝熱用フィンを複数設けて、第２環状流路Ｒ２における電熱面積を拡大してもよい。また、中間径管４の外周面に熱伝導率の良好な材料で作成された伝熱用フィンを複数設けて、第１環状流路Ｒ１における電熱面積を拡大してもよい。
【００４４】
（Ｃ）上記実施形態においては、中間径管４の内周面４ｃおよび外周面は、凹凸のない構成としたが、内管５の内周面に熱伝導率の良好な材料で作成された伝熱用フィンを複数設けて、内管内流路Ｒ３における電熱面積を拡大してもよい。また、内管５の外周面に熱伝導率の良好な材料で作成された伝熱用フィンを複数設けて、第２環状流路Ｒ２における電熱面積を拡大してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上説明したように、コンパクトな構成でありながら、過熱蒸気の温度を迅速に調整することができる蒸気過熱器を提供することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 蒸気過熱器
２ 熱交換部
３ 外管
３ｅ 蒸気導入口
４ 中間径管
４ｄ 伸縮部材
５ 内管
６ 流路ヘッダー
６ｅ 燃焼ガス通過口
８ａ 排気口
１１ 蒸気排出口（排出口）
２０ 管状火炎バーナー（バーナー）
２２ 燃焼室
２２ａ 内周面
２６ａ 側面貫通孔（貫通部）
Ａ 空気
Ｅ 燃焼ガス
Ｆ 燃料ガス
Ｍ 混合気
Ｒ１ 第１環状流路
Ｒ２ 第２環状流路
Ｒ３ 内管内流路
Ｓ 過熱蒸気
Ｖ 飽和蒸気（水蒸気）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナーと、当該バーナーの燃焼ガスによって水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる熱交換部とを備えた蒸気過熱器に関する。
【背景技術】
【０００２】
飽和蒸気を使用して加熱する各種加熱機器を備えた食品工場等においては、飽和蒸気を発生させる蒸気ボイラが設置されて、これにより発生させた飽和蒸気を蒸気供給管等を経由させて各種加熱機器に供給している。また、過熱蒸気オーブン等の加熱機器を使用する場合では、飽和蒸気より温度の高い過熱蒸気が必要になるので、蒸気供給管と加熱機器との間に蒸気過熱器を設置して、この蒸気過熱器によって飽和蒸気を加熱して、加熱機器に必要な温度に調整された過熱蒸気を発生させて供給するように構成される。このような蒸気過熱器として、例えば、特許文献１には、蒸気の入口部と出口部を有する蒸気過熱器の本体内に電磁誘導により発熱する磁性部材を設けて、蒸気過熱器の本体の外側において、その磁性部材を誘導加熱する誘導加熱手段が設けられた蒸気過熱器が開示されている。
【０００３】
この蒸気過熱器の本体の外側に備えられた誘導加熱手段は、交流電源とコイルとからなり、コイルが蒸気過熱器の本体の外周を巻回して構成されている。一方、蒸気過熱器の本体内に設けられた磁性部材は、粒子状および板状に形成されて、蒸気過熱器の本体の入口部から出口部に至る蒸気流路に沿って複数設けられている。そして、その磁性部材が、誘導加熱手段により誘導加熱されて発熱することで、蒸気過熱器の本体内を流通する飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させることができるとされる。また、誘導加熱手段の誘導電流の強度を変えることで、磁性部材の発熱量を変化させて過熱蒸気の温度の制御が可能であるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５１６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示の蒸気過熱器では、飽和蒸気を加熱するために、蒸気過熱器の本体内の蒸気流路に磁性部材を設ける必要がある。そして、多流量の飽和蒸気を加熱して過熱蒸気にするには、その蒸気流量に応じた多量の磁性部材を蒸気流路に設ける必要があるため、蒸気流路を確保しようとすると蒸気過熱器の本体をコンパクトに構成できないという問題がある。さらに、磁性部材を加熱する誘導加熱手段を蒸気過熱器の本体の外側に設けることが必要となることからも、蒸気過熱器が大型化するという問題が生じる。
また、過熱蒸気の温度を所望の温度に調整する際は、誘導加熱手段の誘導電流の強度を調整することとされるが、一般的に熱容量が大きい磁性部材が多量に蒸気流路に設けられていると、誘導電流の強度を調整しても、その熱容量の大きさによって、磁性部材の温度が迅速に変化せずに、過熱蒸気の温度を所望の温度に温度調整することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンパクトな構成でありながら、過熱蒸気の温度を迅速に調整することができる蒸気過熱器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る蒸気過熱器は、
バーナーと、当該バーナーの燃焼ガスによって水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる熱交換部とを備えた蒸気過熱器であって、その特徴構成は、
前記熱交換部は、外管と、前記外管より小径の内管と、前記外管と内管との中間径である中間径管とから構成され、前記外管と前記中間径管の間に第１環状流路を、前記中間径管と前記内管の間に第２環状流路を、前記内管内に内管内流路を備えた三重管構造に構成され、
前記熱交換部の軸方向の基端側に、前記バーナーが備えられ、
前記第１環状流路は、前記水蒸気が導入される蒸気導入口を前記軸方向の基端側に有するとともに、当該第１環状流路を流通した前記水蒸気を前記内管内流路へ案内流通する流路ヘッダーと前記軸方向の先端側で接続され、
前記内管内流路は、前記軸方向の先端側において前記流路ヘッダーと接続されて、前記水蒸気が案内流通されるとともに、前記水蒸気が加熱された過熱蒸気を排出する排出口を前記軸方向の基端側に有し、
前記第２環状流路は、前記バーナーの燃焼室と前記軸方向の基端側で接続されるとともに、前記燃焼ガスを排気する排気口を前記軸方向の先端側に有し、
前記水蒸気を前記第１環状流路、前記流路ヘッダーおよび前記内管内流路の順に流通させるとともに、前記燃焼ガスを前記第２環状流路の前記軸方向の基端側から先端側に流動させて、前記水蒸気と前記燃焼ガスとの熱交換により過熱蒸気を発生させる点にある。
【０００８】
上記特徴構成によれば、熱交換部は、外管と中間径管の間に第１環状流路を、中間径管と内管の間に第２環状流路を、内管内に内管内流路を備えた三重管構造に構成されており、その第１環状流路は、軸方向の基端側に水蒸気が導入される蒸気導入口を有するとともに、軸方向の先端側は流路ヘッダーと接続されている。また、この流路ヘッダーには基端側に排出口を有する内管内流路が接続されている。これにより、第１環状流路の基端側の蒸気導入口において導入された水蒸気は、第１環状流路の基端側から先端側まで流通して、その先端側において流路ヘッダーに導入されるともに、流通方向が折り返されて内管内流路へ案内流通し、内管内流路において先端側から基端側に流通させて、その基端側に設けられた排出口より排出する蒸気流通路を構成することができる。
【０００９】
また、第２環状流路は、軸方向の基端側でバーナーの燃焼室と接続されるとともに、軸方向の先端側で燃焼ガスを排気する排気口を有して、バーナーの燃焼室で発生した高温の燃焼ガスを基端側から先端側に流通させる。そして、水蒸気が流通する第１環状流路と内管内流路とに径方向の外径側と内径側との間に挟まれた状態で設けられている。
【００１０】
したがって、第２環状流路と第１環状流路との間に位置する中間径管を介して、第２環状流路を流動する燃焼ガスと第１環状流路を流通する水蒸気との熱交換が可能となるとともに、第２環状流路と内管内流路との間に位置する内管を介しても、第２環状流路を流動する燃焼ガスと内管を流通する水蒸気との熱交換が可能となる。このように、第２環状流路を構成する中間径管および内管の両方において熱交換が可能に構成されているので、熱交換部内において熱交換可能な部位の面積を広くとることができる。これにより、燃焼ガスと過熱蒸気との熱交換を効率よく迅速に行なうことができ、燃焼ガスの温度または燃焼量を変化させることで、迅速に過熱蒸気の温度を調整することができる。また、熱交換部を小型化した場合でも、燃焼ガスと水蒸気との熱交換に必要となる熱交換可能な部位の面積を熱交換部内に確保することができので、熱交換部をコンパクトに構成することが可能となる。
【００１１】
また、熱交換部において、高温の燃焼ガスが流動する第２環状流路が第１環状流路の内側に設けられているので、高温の燃焼ガスの熱が熱交換部の外部に放熱されることを抑制することができ、第２環状流路を流動する高温の燃焼ガスによって効率よく第１環状流路および内管内流路を流通する水蒸気または過熱蒸気を加熱することができる。
さらに、第１環状流路、流路ヘッダーおよび内管内流路で構成される蒸気流通路の下流側を内管内流路側とするとともに、内管内流路を流通する過熱蒸気の流れ方向と、第２環状流路を流動する高温の燃焼ガスの流れ方向とが対向流として、蒸気流通路の下流側を熱交換器の内側に位置させて外部への放熱を抑制して過熱蒸気を蒸気流通路の上流側より高温に加熱することが可能にされる。対向流とした熱交換によって効率よく燃焼ガスによって過熱蒸気が加熱されて、より高温の過熱蒸気を得ることができる。このように、燃焼ガスと過熱蒸気との熱交換を効率よく行ないながら、燃焼ガスの温度または流量を変化させることで、迅速に過熱蒸気の温度を所望の温度に調整することができる。
【００１２】
本発明に係る蒸気過熱器の更なる特徴構成は、
前記バーナーは、円筒状に形成された前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて、空気と燃料ガスとの混合気を噴出させて又は空気と燃料ガスとを各別に噴出させて、管状火炎を形成する管状火炎バーナーとされ、
前記管状火炎バーナーと、三重管構造を成す前記熱交換部の軸心が一致している点にある。
【００１３】
本特徴構成によれば、バーナーは管状火炎を形成する管状火炎バーナーとされて、その管状火炎バーナーと、三重管構造を成す熱交換部の軸心が一致しているので、円筒状に形成された燃焼室にて形成される管状火炎による燃焼により発生し、旋回状態にある高温の燃焼ガスが、旋回を妨げられることなく熱交換部の第２環状流路内に進入して、軸方向の先端側に設けられた排気口に向かって軸方向に旋回しながら流動する。従って、熱交換部において燃焼ガスと過熱蒸気との熱交換を一般的な対向流又は並行流の熱伝達係数より大きな係数にて行なうことができる。
【００１４】
本発明に係る蒸気過熱器の更なる特徴構成は、
三重管構造を成す前記熱交換部に関し、前記中間径管の内周面と前記管状火炎バーナーの円筒状に形成された前記燃焼室の内周面とが略面一に接続され、前記内管は前記軸方向の基端側において、前記管状火炎バーナーの前記燃焼室内を通過するとともに、当該燃焼室を前記軸方向の基端側に貫通させて設けられている点にある。
【００１５】
本特徴構成によれば、中間径管の内周面と管状火炎バーナーの円筒状に形成された燃焼室の内周面とが略面一に接続されているので、管状火炎による燃焼により発生した高温の燃焼ガスが、さらにスムーズに第２環状流路内に導入して、第２環状流路内を周方向において旋回しながら全体として軸方向の先端側に設けられた排気口に向かって軸方向に流動するので、この旋回流によって、燃焼ガスと中間径管および内管との熱交換を促進させることができ、その結果、燃焼ガスと過熱蒸気との熱交換が効率よく行なわれることとなる。
また、内管は軸方向の基端側において、管状火炎バーナーの燃焼室内を通過するとともに、燃焼室を貫通させて設けられているので、内管内流路を流通する過熱蒸気は、燃焼室内を通過する際にも最も高温の燃焼ガスと熱交換を行うことができる。従って、熱交換部をよりコンパクトに構成することができる。
【００１６】
本発明に係る蒸気過熱器の更なる特徴構成は、
前記中間径管の一部は前記軸方向に伸縮可能な伸縮部材で構成され、前記内管は前記燃焼室を前記軸方向の基端側に貫通する状態で設けられ、当該内管が前記燃焼室を貫通する貫通部に摺動可能に貫通支持されている点にある。
【００１７】
本特徴構成によれば、中間径管の一部は軸方向に伸縮可能な伸縮部材で構成されるので、高温の燃焼ガスにより中間径管が加熱されて軸方向に膨張した場合においても、その膨張による変形を伸縮可能な伸縮部材で吸収することができる。したがって、燃焼ガスの流動による中間径管の温度変化によって中間径管に発生する熱応力を最小限に抑制して、中間径管の破損を防止することができる。
また、内管は燃焼室を軸方向の基端側に貫通する状態で設けられ、その内管が燃焼室を貫通する貫通部に摺動可能に貫通支持されているので、内管を貫通部によって支持することができるとともに、高温の燃焼ガスにより内管が加熱されて膨張した場合においても、その膨張に応じて内管が貫通部を自在に摺動することができる。したがって、燃焼ガスの流動による内管の温度変化によって内管に発生する熱応力を最小限に抑制して、内管の破損、曲りを防止することができる。
【００１８】
本発明に係る蒸気過熱器の更なる特徴構成は、
前記流路ヘッダーに、前記第２環状流路を流動する前記燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通過口が設けられ、前記燃焼ガスが前記燃焼ガス通過口を通過して前記排気口から排気される点にある。
【００１９】
本特徴構成によれば、流路ヘッダーに燃焼ガス通過口が設けられているので、第２環状流路を流動する燃焼ガスをその燃焼ガス通過口を通過させて、第２環状流路の軸方向の先端部に設けられた排気口から熱交換部の外部へ排気することができる。また、流路ヘッダー内には過熱蒸気が流通しているので、燃焼ガス通過口に燃焼ガスを通過させることで、流路ヘッダー内を流通する過熱蒸気と燃焼ガスとの間で熱交換を行うことができるので、熱交換部においてさらに効率よく熱交換を行なうことができるとともに、熱交換部をよりコンパクトに構成することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る蒸気過熱器の横断面図。
【図２】蒸気過熱器の流路ヘッダーにおける縦断面図。
【図３】蒸気過熱器の管状火炎バーナーにおける縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本願発明に係る蒸気過熱器の実施形態について図１に基づいて説明する。図１に示すのは本実施形態に係る蒸気過熱器１の縦断面図である。この蒸気過熱器１は飽和蒸気Ｖ（水蒸気に相当）を導入して、その飽和蒸気Ｖと燃焼ガスＥとの熱交換を行う熱交換部２と、燃焼ガスＥを発生させる管状火炎バーナー２０と、熱交換が行われた燃焼ガスＥを排気する排気口８ａが設けられた排気フランジ８とで構成されており、熱交換部２の軸方向（図１中の左右方向）の基端側（図１中右側、以下「軸方向の基端側」を単に「基端側」と呼ぶ）には、管状火炎バーナー２０が設けられ、軸方向の先端側（図１中左側、「軸方向の先端側」を単に「先端側」と呼ぶ）には、排気口８ａを有する排気フランジ８が備えられている。
【００２２】
管状火炎バーナー２０は、円筒状に形成された燃焼室２２の内周面２２ａの接線方向に向けて、空気Ａと燃料ガスＦとの混合気Ｍを噴出させて又は空気Ａと燃料ガスＦとを各別に噴出させて、管状火炎を形成する管状火炎バーナー２０とされている（図３参照）。また、管状火炎バーナー２０は、三重管構造を成す熱交換部２の軸心が一致するように熱交換部２の軸方向の基端側に設けられている。
【００２３】
熱交換部２は、外管３と、管径が外管３より小径の内管５と、管径が外管３と内管５との中間径である中間径管４とから構成され、外管３と中間径管４の間に第１環状流路Ｒ１を、中間径管４と内管５の間に第２環状流路Ｒ２を、内管５内に内管内流路Ｒ３を備えた三重管構造に構成されている。ここで、外管３、中間径管４および内管５が同心状に配置されており、第１環状流路Ｒ１と内管内流路Ｒ３とは先端側において流路ヘッダー６により流通可能に接続されている。
【００２４】
熱交換部２の第１環状流路Ｒ１は、先端側端部３ａが先端側フランジ９に接合されるとともに、基端側端部３ｂが基端側フランジ１０に接合される外管３の内周面と中間径管４の外周面とで第１環状流路Ｒ１が形成されている。
【００２５】
この第１環状流路Ｒ１は、飽和蒸気Ｖが導入される蒸気導入口３ｅを基端側に有するとともに、第１環状流路Ｒ１を流通した飽和蒸気Ｖを内管内流路Ｒ３へ案内流通する流路ヘッダー６と先端側で接続される。
また、蒸気取入口３ｃは、例えば、飽和蒸気Ｖを供給可能な集中蒸気配管（図示せず）と接続されている。また、蒸気取入口３ｃから取入れた飽和蒸気Ｖは、外管３の周方向に複数設けられた蒸気導入口３ｅを覆うように外管３の外周に設けられた環状導入空間３ｄに導入され、この環状導入空間３ｄに流入した飽和蒸気Ｖは、複数の蒸気導入口３ｅのそれぞれに分散されて第１環状流路Ｒ１に導入される。
これにより、蒸気取入口３ｃから取入された飽和蒸気Ｖは、外管３の周方向において均等に第１環状流路Ｒ１へ導入される。そして、この第１環状流路Ｒ１は、先端側端部において流路ヘッダー６に接続されているので、第１環状流路Ｒ１へ導入された飽和蒸気Ｖは、第１環状流路Ｒ１の基端側から先端側まで流通して、流路ヘッダー６に流入する。なお、第１環状流路Ｒ１に導入された飽和蒸気Ｖが流路ヘッダー６に流入するときには、すでに第１環状流路Ｒ１を流通することで加熱されて過熱蒸気Ｓとなっている。
【００２６】
第２環状流路Ｒ２は、管状火炎バーナー２０の燃焼室２２と基端側で接続されるとともに、管状火炎バーナー２０の燃焼により発生した燃焼ガスＥの排気口８ａを先端側に有している。この第２環状流路Ｒ２は中間径管４の内周面４ｃと、内管５の外周面とで形成されている。
【００２７】
第２環状流路Ｒ２と管状火炎バーナー２０との接続は、第２環状流路Ｒ２を構成する中間径管４の基端側の端部４ｂを、管状火炎バーナー２０の開口端部２２ｂに当接させるとともに、中間径管４の内周面４ｃと管状火炎バーナー２０の円筒状の燃焼室２２の内周面２２ａとが略面一として接続されている。これにより、燃焼室２２で発生した燃焼ガスＥをスムーズに第２環状流路Ｒ２に流出させることができる。さらに、その中間径管４は、その一部が軸方向に伸縮可能な環状の伸縮部材４ｄで構成されており、これにより、燃焼ガスＥや燃焼室２２の燃焼によって中間径管４が加熱されることで、中間径管４に発生する軸方向の熱膨張を伸縮部材４ｄの伸縮により吸収することができる。
【００２８】
また、内管内流路Ｒ３は、先端側において流路ヘッダー６と接続されて、飽和蒸気Ｖが案内流通されるとともに、飽和蒸気Ｖが加熱された過熱蒸気Ｓを排出する蒸気排出口１１（排出口に相当）を基端側に有している。
【００２９】
内管５は基端側において、管状火炎バーナー２０の燃焼室２２内を通過するとともに、円筒状の燃焼室２２の軸方向に直交する燃焼室側壁２６に設けられた側面貫通孔２６ａ（貫通部に相当）を基端側に貫通させて設けられている。従って、内管５は基端側の端部５ｂが、側面貫通孔２６ａに貫通支持されるとともに、先端側の端部５ａが流路ヘッダー６の中心部を形成する円筒状の集合部６ｂに接続されている。そして、内管５の燃焼室側壁２６を貫通した基端側の端部５ｂには飽和蒸気Ｖが加熱されて発生した過熱蒸気Ｓを排出する蒸気排出口１１が形成されている。
ここで、側面貫通孔２６ａには、環状の耐熱シール部材２５が設けられ、この耐熱シール部材２５によって、内管５が摺動可能に貫通支持されている。これにより、燃焼ガスＥや燃焼室２２の燃焼によって内管５が加熱されて内管５に発生する熱膨張を許容することができる。
【００３０】
蒸気過熱器１は、このような構成とされ、飽和蒸気Ｖを第１環状流路Ｒ１、流路ヘッダー６および内管内流路Ｒ３に流通させるとともに、燃焼ガスＥを第２環状流路Ｒ２に流動させて、飽和蒸気Ｖと燃焼ガスＥとの熱交換により過熱蒸気Ｓを発生させることを可能にしている。
【００３１】
次に、流路ヘッダー６について詳しく説明する。図２に示すのは、流路ヘッダー６の位置における蒸気過熱器１の横断面図である。流路ヘッダー６は、第１環状流路Ｒ１において基端側から先端側へ流通する過熱蒸気Ｓを導入するとともに、その過熱蒸気Ｓの流通方向を折り返して内管内流路Ｒ３へ案内流通する。
【００３２】
流路ヘッダー６は、第１環状流路Ｒ１から過熱蒸気Ｓを導入する４本の流通路６ａと、４本の流通路６ａに導入された過熱蒸気Ｓを集合させて内管内流路Ｒ３へ流通させる集合部６ｂと、その４本の流通路６ａの第１環状流路Ｒ１側に設けられて、流路ヘッダー６を先端側フランジ９および中間径管４と接続固定させる円環接続部材６ｃとで構成されている。
【００３３】
円環接続部材６ｃは、先端側では熱交換部２の先端側フランジ９と接続されるとともに、基端側においては中間径管４の先端側端部４ａと接続されて、流路ヘッダー６を固定している。
４本の流通路６ａは、第１環状流路Ｒ１が延びる方向に直交する状態で、互いに９０度の間隔をなすように設けられて、中間径管４と接続された円環接続部材６ｃの外周側に位置する第１環状流路Ｒ１から集合部６ｂへ向けて、中間径管４と内管５で形成される第２環状流路Ｒ２を径方向に横切る状態で設けられている。
集合部６ｂは、略円筒状の形状とされて、その外周面には４本の流通路６ａが接続されており、集合部６ｂの基端側の側面には、内管内流路Ｒ３の先端側端部５ａと、その内管内流路Ｒ３の軸心と集合部６ｂの軸心とを一致させた状態で接続されるように構成された接続口が形成されており、この接続口に端部５ａが挿入されて係合固定されている。
このように流路ヘッダー６が構成されて、第１環状流路Ｒ１から内管内流路Ｒ３に過熱蒸気Ｓを案内流通させることができる。
【００３４】
また、流路ヘッダー６には、第２環状流路Ｒ２を流動する燃焼ガスＥを通過させる燃焼ガス通過口６ｅが設けられ、燃焼ガスＥは、この燃焼ガス通過口６ｅを通過して排気口８ａから排気されている。この燃焼ガス通過口６ｅは、流路ヘッダー６を構成する円環接続部材６ｃと集合部６ｂの外周面との間において、第２環状流路Ｒ２を径方向に横切る状態で設けられている４本の流通路６ａ以外の部分に形成されており、その４本の流通路６ａによって４つの略扇形形状に分けられた開口として構成される。
そして、燃焼ガス通過口６ｅを通過した燃焼ガスＥは排気フランジ８に設けられた排気口８ａから排気されるように構成されている。なお、このように過熱蒸気Ｓが流通する４本の流通路６ａと燃焼ガスＥが流通する４箇所の燃焼ガス通過口６ｅが交互に配設されているので、伝熱面積を大きくして、効率よく過熱蒸気Ｓと燃焼ガスＥとの間で熱交換が行なうことができる。
【００３５】
次に管状火炎バーナー２０について詳しく説明する。図３は、管状火炎バーナー２０部における蒸気過熱器１の横断面図を示すものである。本実施形態では、燃焼室２２の内周面２２ａの接線方向に向けて、空気Ａと燃料ガスＦとの混合気Ｍを混合気噴出部２４ｃから噴出する構成とされる。管状火炎バーナー２０には、空気導入口２１ａから空気Ａを受け入れる空気用受入空間２３ａと、燃料ガス導入口２１ｂから燃料ガスＦを受け入れる燃料ガス用受入空間２３ｂとから構成され、この空気用受入空間２３ａと燃料ガス用受入空間２３ｂとが、燃焼室２２を挟んでそれぞれ一対ずつ、燃焼室２２の周方向に交互に配設される状態で設けられている。そして、空気用受入空間２３ａから混合気噴出部２４ｃへ空気Ａを噴出する空気供給路２４ａと、その空気供給路２４ａの流路途中部分に燃料ガス用受入空間２３ｂから燃料ガスＦを供給する燃料ガス供給路２４ｂとが設けられている。
【００３６】
このように、空気供給路２４ａの流路途中に燃料ガス供給路２４ｂから燃料ガスＦを供給することにより、その流路途中において空気Ａと燃料ガスＦとの混合気Ｍが生成されて、混合気噴出部２４ｃから燃焼室２２の内周面２２ａの接線方向に向けて混合気Ｍを噴出させ、燃焼室２２内において同一回転方向に混合気Ｍを旋回させることができるように構成されている。
【００３７】
これにより、可燃限界内の適当な空気比に混合調整された混合気Ｍは、燃焼室２２内において中空円筒状のいわゆる管状火炎を形成する。管状火炎の火炎内側部分は、ほぼ燃焼反応を終えた（正確にはＣＯがＣＯ2に、ＯＨがＨ2Ｏに変化する反応を一部残した）高温の燃焼ガスＥであり、その燃焼ガスＥが、燃焼室２２を旋回しながら全体として燃焼室２２の軸方向に沿って、熱交換器２側へ流動する。なお、この状態では、この燃焼室２２内の管状火炎による燃焼により混合気Ｍは燃焼室２２内でほぼ燃焼が完了し、燃焼室２２の熱交換器２側の開口端部２２ｂから燃焼ガスＥが排出される。
【００３８】
このようにして、混合気噴出部２４ｃから混合気Ｍを均一な流量分布で供給して形成される管状火炎は、良好に燃焼してＣＯ発生が抑えられている。また、空気用受入空間２３ａおよび燃料ガス用受入空間２３ｂにおいては燃焼前の温度が低い空気Ａおよび燃料ガスＦが存在することとなるため、空気Ａおよび燃料ガスＦによる燃焼室２２の内周面２２ａの温度上昇を抑制することができ、断熱火炎に近い火炎温度が実現される。なお、空気を過剰に供給して希薄燃焼させれば、管状火炎の燃焼温度が抑制されて、ＮＯｘの発生が抑えられる。
【００３９】
管状火炎バーナー２０において燃焼を開始する際、管状火炎バーナー２０の着火は、図示しない火花放電等による着火手段により管状火炎バーナー２０への自動着火が可能に構成されている。また、着火後は図示しない火力調整手段により、燃料ガスＦおよび空気Ａの供給量が調整可能に構成されて、火力調整が可能となっている。火力調整は、過熱蒸気Ｓの温度を検出して、その検出温度に応じて火力の強さを調節して、所望の温度に過熱蒸気Ｓの温度を調整することができるように構成されている。
【００４０】
そして、管状火炎バーナー２０が着火されて燃焼が開始されると、上述の如く、燃焼室２２に管状火炎が形成されるとともに燃焼ガスＥが熱交換部２の第２環状流路Ｒ２に流入する。第２環状流路Ｒ２に流入した燃焼ガスＥは、中間径管４、内管５および流路ヘッダー６を介して、第１環状流路Ｒ１、流路ヘッダー６、および内管内流路Ｒ３を流通する飽和蒸気Ｖまたは過熱蒸気Ｓと熱交換する。そして、熱交換を行なって低温となった燃焼ガスＥが排気フランジ８に設けられた排気口８ａから排気される。
【００４１】
燃焼ガスＥと飽和蒸気Ｖまたは過熱蒸気Ｓとの熱交換について説明する。飽和蒸気Ｖが蒸気取入口３ｃより第１環状流路Ｒ１に導入されると、導入された飽和蒸気Ｖは、第１環状流路Ｒ１を基端側から先端側に向けて流通するとともに、中間径管４を介して第２環状流路Ｒ２を流動する燃焼ガスＥと熱交換を行って過熱蒸気Ｓとなる、そして、その熱交換により発生した過熱蒸気Ｓは、第１環状流路Ｒ１の先端側において流路ヘッダー６に流入するとともに、内管内流路Ｒ３に案内流通される。この流路ヘッダー６においても、過熱蒸気Ｓが流通する４本の流通路６ａと燃焼ガスＥが流通する４箇所の燃焼ガス通過口６ｅが交互に配設されているので、熱交換が効率よく行なわれる。そして、内管内流路Ｒ３に案内流通された過熱蒸気Ｓは、内管内流路Ｒ３を先端側から基端側に向けて流通するとともに、内管５を介して第２環状流路Ｒ２を流動する燃焼ガスＥと熱交換が行われて温度が上昇する。そして、内管５は管状火炎バーナー２０の燃焼室２２を貫通して設けられているので、内管５を流通する過熱蒸気Ｓは、管状火炎バーナー２０の燃焼室２２内においても内管５を介してさらに熱交換される。これにより、所定温度に加熱された過熱蒸気Ｓが、内管５の基端側端部５ｂに形成された蒸気排出口１１から排出される。過熱蒸気Ｓはこの蒸気排出口１１において、例えば、温度４００℃、圧力０．７ＭＰａの状態とされて、蒸気排出口１１と接続される加熱機器（例えば、食品加工工場におけるコンベアオーブンなど）に供給することができる。
〔別実施形態〕
【００４２】
（Ａ）上記実施形態においては、管状火炎を形成して燃焼する管状火炎バーナー２０としたが、これに限らず、直進火炎を形成して燃焼する直進火炎バーナー、または、旋回火炎を形成して燃焼する旋回火炎バーナーとしてもよい。
【００４３】
（Ｂ）上記実施形態においては、中間径管４の内周面４ｃおよび外周面は、凹凸のない構成としたが、中間径管４の内周面４ｃに熱伝導率の良好な材料で作成された伝熱用フィンを複数設けて、第２環状流路Ｒ２における電熱面積を拡大してもよい。また、中間径管４の外周面に熱伝導率の良好な材料で作成された伝熱用フィンを複数設けて、第１環状流路Ｒ１における電熱面積を拡大してもよい。
【００４４】
（Ｃ）上記実施形態においては、中間径管４の内周面４ｃおよび外周面は、凹凸のない構成としたが、内管５の内周面に熱伝導率の良好な材料で作成された伝熱用フィンを複数設けて、内管内流路Ｒ３における電熱面積を拡大してもよい。また、内管５の外周面に熱伝導率の良好な材料で作成された伝熱用フィンを複数設けて、第２環状流路Ｒ２における電熱面積を拡大してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上説明したように、コンパクトな構成でありながら、過熱蒸気の温度を迅速に調整することができる蒸気過熱器を提供することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 蒸気過熱器
２ 熱交換部
３ 外管
３ｅ 蒸気導入口
４ 中間径管
４ｄ 伸縮部材
５ 内管
６ 流路ヘッダー
６ｅ 燃焼ガス通過口
８ａ 排気口
１１ 蒸気排出口（排出口）
２０ 管状火炎バーナー（バーナー）
２２ 燃焼室
２２ａ 内周面
２６ａ 側面貫通孔（貫通部）
Ａ 空気
Ｅ 燃焼ガス
Ｆ 燃料ガス
Ｍ 混合気
Ｒ１ 第１環状流路
Ｒ２ 第２環状流路
Ｒ３ 内管内流路
Ｓ 過熱蒸気
Ｖ 飽和蒸気（水蒸気）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナーと、当該バーナーの燃焼ガスによって水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる熱交換部とを備えた蒸気過熱器であって、
前記熱交換部は、外管と、前記外管より小径の内管と、前記外管と内管との中間径である中間径管とから構成され、前記外管と前記中間径管の間に第１環状流路を、前記中間径管と前記内管の間に第２環状流路を、前記内管内に内管内流路を備えた三重管構造に構成され、
前記熱交換部の軸方向の基端側に、前記バーナーが備えられ、
前記第１環状流路は、前記水蒸気が導入される蒸気導入口を前記軸方向の基端側に有するとともに、当該第１環状流路を流通した前記水蒸気を前記内管内流路へ案内流通する流路ヘッダーと前記軸方向の先端側で接続され、
前記内管内流路は、前記軸方向の先端側において前記流路ヘッダーと接続されて、前記水蒸気が案内流通されるとともに、前記水蒸気が加熱された過熱蒸気を排出する排出口を前記軸方向の基端側に有し、
前記第２環状流路は、前記バーナーの燃焼室と前記軸方向の基端側で接続されるとともに、前記燃焼ガスの排気口を前記軸方向の先端側に有し、
前記水蒸気を前記第１環状流路、前記流路ヘッダーおよび前記内管内流路の順に流通させるとともに、前記燃焼ガスを前記第２環状流路の前記軸方向の基端側から先端側に流動させて、前記水蒸気と前記燃焼ガスとの熱交換により過熱蒸気を発生させる蒸気過熱器。
【請求項２】
前記バーナーは、円筒状に形成された前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて、空気と燃料ガスとの混合気を噴出させて又は空気と燃料ガスとを各別に噴出させて、管状火炎を形成する管状火炎バーナーとされ、
前記管状火炎バーナーと、三重管構造を成す前記熱交換部の軸心が一致している請求項１に記載の蒸気過熱器。
【請求項３】
三重管構造を成す前記熱交換部に関し、前記中間径管の内周面と前記管状火炎バーナーの円筒状に形成された前記燃焼室の内周面とが略面一に接続され、前記内管は前記軸方向の基端側において、前記管状火炎バーナーの前記燃焼室内を通過するとともに、当該燃焼室を前記軸方向の基端側に貫通させて設けられている請求項２に記載の蒸気過熱器。
【請求項４】
前記中間径管の一部は前記軸方向に伸縮可能な伸縮部材で構成され、前記内管は前記燃焼室を前記軸方向の基端側に貫通する状態で設けられ、当該内管が前記燃焼室を貫通する貫通部に摺動可能に貫通支持されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸気過熱器。
【請求項５】
前記流路ヘッダーに、前記第２環状流路を流動する前記燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通過口が設けられ、前記燃焼ガスが前記燃焼ガス通過口を通過して前記排気口から排気される請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気過熱器。
【請求項１】
バーナーと、当該バーナーの燃焼ガスによって水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる熱交換部とを備えた蒸気過熱器であって、
前記熱交換部は、外管と、前記外管より小径の内管と、前記外管と内管との中間径である中間径管とから構成され、前記外管と前記中間径管の間に第１環状流路を、前記中間径管と前記内管の間に第２環状流路を、前記内管内に内管内流路を備えた三重管構造に構成され、
前記熱交換部の軸方向の基端側に、前記バーナーが備えられ、
前記第１環状流路は、前記水蒸気が導入される蒸気導入口を前記軸方向の基端側に有するとともに、当該第１環状流路を流通した前記水蒸気を前記内管内流路へ案内流通する流路ヘッダーと前記軸方向の先端側で接続され、
前記内管内流路は、前記軸方向の先端側において前記流路ヘッダーと接続されて、前記水蒸気が案内流通されるとともに、前記水蒸気が加熱された過熱蒸気を排出する排出口を前記軸方向の基端側に有し、
前記第２環状流路は、前記バーナーの燃焼室と前記軸方向の基端側で接続されるとともに、前記燃焼ガスの排気口を前記軸方向の先端側に有し、
前記水蒸気を前記第１環状流路、前記流路ヘッダーおよび前記内管内流路の順に流通させるとともに、前記燃焼ガスを前記第２環状流路の前記軸方向の基端側から先端側に流動させて、前記水蒸気と前記燃焼ガスとの熱交換により過熱蒸気を発生させる蒸気過熱器。
【請求項２】
前記バーナーは、円筒状に形成された前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて、空気と燃料ガスとの混合気を噴出させて又は空気と燃料ガスとを各別に噴出させて、管状火炎を形成する管状火炎バーナーとされ、
前記管状火炎バーナーと、三重管構造を成す前記熱交換部の軸心が一致している請求項１に記載の蒸気過熱器。
【請求項３】
三重管構造を成す前記熱交換部に関し、前記中間径管の内周面と前記管状火炎バーナーの円筒状に形成された前記燃焼室の内周面とが略面一に接続され、前記内管は前記軸方向の基端側において、前記管状火炎バーナーの前記燃焼室内を通過するとともに、当該燃焼室を前記軸方向の基端側に貫通させて設けられている請求項２に記載の蒸気過熱器。
【請求項４】
前記中間径管の一部は前記軸方向に伸縮可能な伸縮部材で構成され、前記内管は前記燃焼室を前記軸方向の基端側に貫通する状態で設けられ、当該内管が前記燃焼室を貫通する貫通部に摺動可能に貫通支持されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸気過熱器。
【請求項５】
前記流路ヘッダーに、前記第２環状流路を流動する前記燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通過口が設けられ、前記燃焼ガスが前記燃焼ガス通過口を通過して前記排気口から排気される請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気過熱器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−３６６７９（Ｐ２０１３−３６６７９Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７３２２４（Ｐ２０１１−１７３２２４）
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
[ Back to top ]