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JP3051440B2 - 中間の流体なしに空気と燃焼生成物との間で向流交換を用いる蒸気ポンプ - Google Patents

中間の流体なしに空気と燃焼生成物との間で向流交換を用いる蒸気ポンプ

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JP3051440B2
JP3051440B2 JP2284545A JP28454590A JP3051440B2 JP 3051440 B2 JP3051440 B2 JP 3051440B2 JP 2284545 A JP2284545 A JP 2284545A JP 28454590 A JP28454590 A JP 28454590A JP 3051440 B2 JP3051440 B2 JP 3051440B2
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JP
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steam pump
air
tube
combustion
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ギレ レミ
バェックルー ジョルジュ
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ガーズ ド フランス
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Publication date
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    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/04—Arrangements of recuperators
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    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/107—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using fluid fuel
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    • F24H8/00—Fluid heaters characterised by means for extracting latent heat from flue gases by means of condensation
    • F24H8/003—Fluid heaters characterised by means for extracting latent heat from flue gases by means of condensation having means for moistening the combustion air with condensate from the combustion gases
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D5/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation
    • F28D5/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation in which the evaporating medium flows in a continuous film or trickles freely over the conduits
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、熱処理工程からの燃焼生成物と流入する燃
焼空気との間でエネルギーを移動させる物質および熱の
交換により構成された蒸気ポンプに関するものである。
（従来の技術） 凝縮ゼネレータから流出する燃焼生成物に含まれる顕
熱および潜熱の大部分もしくは少部分を熱処理工程に必
要とされる燃焼空気と共に循環させうる数種の物質・熱
交換器、すなわち「蒸気ポンプ」が既に知られている。
たとえばフランス特許第2446460号は、熱発生器に必
要とされる燃焼空気と熱発生器からの燃焼生成物とを熱
連結させるための熱交換器／再生器を備えた凝縮加熱設
備を提案しており、湿潤器手順を設けて凝縮液の１部を
燃焼生成物から抽出すると共に、これら凝縮液を燃焼空
気と接触させる。この従来の熱交換器は複数の隣接した
分室を備えて、これらを垂直隔壁により分離すると共に
その端部にて底部室および頂部室に連通させ、第１系列
の交互の分室はその第１端部を第１底部室に連通させ、
かつその第２端部を第１頂部室に連通させるのに対し、
第１系列の交互の分室に直接隣接した分室は前記第１端
部に近接した端部を介し第２頂部室に連通すると共に前
記第２端部に近接した端部を介して第２底部室に連通す
る。第１頂部および底部室に連通した交互の分室は再加
熱すべき空気をこれらに流過させるのに対し、第２頂部
および底部室に連通した交互の分室は燃焼生成物をこれ
らに流過させる。第１系列の凝縮液供給部を第２系列に
おける分室の頂端部に装着すると共に、第２系列の凝縮
液供給部を第２系列における分室の頂端部に装着する。
高効率を得ることが望ましい場合、この種の熱・物質交
換器は高価となり、実施困難であり、かつ極めて嵩張る
ことが判明した。さらに、これは交差流交換を行なうよ
う設計され、しばしば過度に湿潤化される煙道ガスをも
たらし、或いは交換器壁部の両側で凝縮液が流下すると
いう現象をもたらし、しばしば熱交換率を低下させる。
一般に、凝縮液を制御するのは困難であり、いずれの場
合にも補助ポンプもしくは吹込設備はしばしば無視しえ
ない量のエネルギーを消費する。
さらにフランス特許出願第2508616号には、比較的熱
くかつ湿潤であるガス（たとえば煙道ガス）および比較
的乾燥した冷ガス（たとえば炉床用の酸化性ガス）を処
理する装置も提案されており、その目的は熱および可能
ならば凝縮液をも煙道ガスから回収すると共に燃焼空気
を再加熱し、かつ湿潤化することである。しかしなが
ら、この従来の処理装置は２種の異なる囲壁を使用し、
その一方は熱湿潤ガスを通過させるのに対し、他方は比
較的乾燥した冷ガスを通過させ、各囲壁はその頂部に処
理中に回収される凝縮液で構成された液体を噴霧する手
段を備える。この場合にも、処理装置は、２種の囲壁が
存在するため嵩張り、さらにその効率は許容しうるが限
界を有する。さらに、この種の設備は、各囲壁に対する
流量を均衡させるよう実施する手段を必要とすると共
に、それぞれ金属充填物を満たした２種の囲壁にて特に
ガス流の圧力低下に関し相当なエネルギー消費を生じう
る流体移送手段（循環ポンプ，ブロワーなど）を必要と
する。
（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、上記欠点を解消すると共に、寸法が
小さくかつ製作および操作が安価である熱・物質交換器
を用いることにより、燃焼生成物のエンタルピーを再循
環させるに最し、高効率を得ることにある。
さらに本発明の課題は、各種の熱処理法と組合せて使
用することができ、凝縮器と連携させてもさせなくいも
よく、しかも特にたとえば凝縮ボイラーを用いるボイラ
ープラントのような大型プラントの場合、困難な適応性
にて実施する必要がない熱および物質の交換器、すなわ
ち「蒸気ポンプ」を提供することにある。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段及び作用） 本発明は流入燃焼空気と熱処理工程からの燃焼生成物
との間でエネルギーおよび物質の移動を生じせしめて直
接的接触により又は壁部を介し熱負荷につき交換を行な
う物質および熱の交換器により構成された蒸気ポンプに
おいて、外側囲壁と、この囲壁の内側に長手方向で配置
されると共に端部をそれぞれ第１および第２の半径方向
平面に開口した１組のチューブとを備え、前記半径方向
平面にはチューブを囲壁に対し相対して位置せしめて支
持すると共にチューブの外側に位置する囲壁のセクショ
ンにて空間を閉鎖するための手段を設けることにより、
前記半径方向平面の間にチューブの内側の第１ガス流体
流動路と囲壁の内側であるがチューブの外側における別
の第２ガス流体流動路とを形成し、さらにだ１ガス流体
を前記第２流動路にて囲壁中へ流入させるための入口オ
リフィスと、前記第２流動路中で流動する前記第１ガス
流体を囲壁から排気するための出口オリフィスと、第２
ガス流体を前記第１流動路にて囲壁中へ流入させるため
の入口オリフィスと，前記第１流動路中で向流として流
動する前記第２ガス流体を前記囲壁から排出する出口オ
リフィスとを備え、前記第１および第２ガス流体の一方
を熱湿潤燃焼生成物で構成すると共に他方のガス流体を
新たな燃焼空気で構成し、さらに囲壁中へ流入した空気
を湿潤化させるための湿潤器手段を備え、この湿潤器手
段は空気流動路の全入口セクションと空気流動路の全出
口セクションとを占める容積を満たすよう水の微細ミス
トを噴霧するよう配置された１組のノズルからなり、チ
ューブにおける空気と接触している壁部の面のみを湿潤
化させると共に、チューブは空気と燃焼生成物との間の
向流交換器を中間流体の使用なしに囲壁内に形成して、
エネルギーを燃焼生成物から新たな空気へ、かつ燃焼生
成物から噴霧水へ、さらに燃焼生成物の凝縮液から噴霧
水へチューブの壁部を介して移動させると共に、エネル
ギーを噴霧水から空気へ直接的接触により移動させるこ
とを特徴とする蒸気ポンプを提供する。
チューブは平滑壁部を有し、有利にはたとえば腎臓状
断面のような大きな熱交換面積を有するチューブにより
構成され、細い接続部分を介し連通させた２つの大きい
直径部分を備える。
交換効率を考慮すれば、燃焼生成物と空気との間で熱
交換する熱交換器のチューブはたとえばポリ弗化ビニリ
デンもしくはポリ塩化ビニルのような合成材料で作成し
うるが、これらはたとえばステンレス鋼のような金属で
作成することもできる。
本発明の特定の特徴によれば、湿潤器手段の部品を構
成する各ノズルは中味のある円錐の形態でジェットを発
生し、頂点がノズルの頂点により実質的に構成される円
錐の空間全体に微細ミストとして水を噴霧するための複
数の出口オリフィスを備える。
各ノズルは、水噴霧コーンが重なるよう配置される。
第１の可能な具体例において囲壁は垂直配置され、湿
潤器手段は第１組のノズルを備えてこれらを下方向に指
向させると共に囲壁の頂部に配置して空気および煙道ガ
スの熱交換器を構成するチューブの端部より上方に位置
した囲壁の全セクションにわたり水を噴霧し、さらに第
２組のノズルを備えてこれらを上方向に指向させると共
に囲壁の底部に配置してチューブの下に位置する囲壁の
全セクションにわたり水を噴霧する。
この場合、第１組のノズルと第２組のノズルとの両者
に単一の水槽から採取された水を供給するため、単一の
ポンプを使用することができる。
蒸気ポンプの実施を容易化させるべく、好ましくは垂
直配置される囲壁に関し、空気はチューブの内側にて第
１ガス流体流動路中に導入される共に、燃焼生成物は囲
壁の内側であるチューブの外側にて第２ガス流体流動路
中に導入される。
本発明の他の具体例において囲壁は水平配置されると
共に、湿潤器手段は１組のノズルを備えてこれらを下方
向に指向させると共に水平囲壁の頂部に配置し、空気入
口と出口オリフィスとの間で囲壁の全長にわたり分配さ
れる。
水平配置される囲壁については、燃焼生成物をチュー
ブの内側における第１ガス流体流動路に導入すると共
に、空気を囲壁の内部であるがチューブの外側にて第２
ガス流体流動路中に導入する。
有利には、本発明の蒸気ポンプは慣用の凝縮器と既に
連携した熱処理法と組合せて使用され、したがって空気
湿潤器手段に第１凝縮器からの凝縮液を含有したタンク
から水を供給するスーパー凝縮器を構成することができ
る。
有利には、本発明の蒸気ポンプはさらにウォッシャー
・スクラバー型もしくは水中燃焼型の直接接触熱発生法
と組合せて使用することもでき、空気湿潤器手段には必
要に応じ熱発生器からの凝縮液を回収するブロックから
水を供給することができる。
詳細な特徴によれば、蒸気ポンプはさらに湿潤燃焼空
気出口オリフィスに接続された出口ダクトに空気弁を配
置して水が前記熱処理法に関連する燃焼部材に対し毛細
血管作用により同伴されるのを防止する。
本発明の蒸気ポンプはカスケードとして接続された複
数の段階を備えることができ、そのそれぞれは共通の囲
壁を備えると共に、空気と燃焼生成物との間の熱交換を
中間流体の使用なしに行なうための１組の向流チューブ
を備える。しかしながら、蒸気ポンプが垂直囲壁を有す
る特定の具体例において、これは空気を燃焼生成物との
間の熱交換を中間流体の使用なしに行なう複数組の向流
チューブを備えることができ、これらを垂直壁部により
分離された分室内に前記共通囲壁の内部にて配置し、前
記垂直壁部にはその頭部の一方にて隣接分室対の間に空
気を通過させるための第１開口分を設けると共に、囲壁
の他端部の近傍に第２開口分を配置して燃焼生成物の流
れを分室間の垂直隔壁の一方に通過させ、その間に空気
および燃焼生成物のための個々の向流路を維持する。
本発明の特定面において、蒸気ポンプはさらに燃焼空
気を輸送するためのダクトに位置して飽和過熱空気のた
めの出口オリフィスに接続されたコンプレッサと、蒸気
ポンプを通過した後の燃焼生成物の出口ダクトに位置す
るタービンとからなるターボコンプレッサをも備えて、
燃焼生成物を蒸気ポンプの内側にて加圧下に維持すると
共に燃焼空気をこれが蒸気ポンプを通過する際に大気圧
に維持することができる。
この場合、蒸気ポンプはさらに、燃焼空気を輸送する
ための前記ダクトにコンプレッサから上流にて配置され
た過熱器を備えることができる。
（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明の特徴および利点を
実施例につき一層詳細に説明する。
第１図は本発明による物質・熱交換器、すなわち「蒸
気ポンプ」の第１実施例を示す。
蒸気ポンプ10は主として共通の垂直囲壁11からなり、
その内側にて煙道ガスと燃焼空気との間で熱を交換す
る。複数の垂直管状壁部12を囲壁11の内部に、この実施
例においてはチューブ12の壁部の外側面が煙道ガスと接
触する（この煙道ガスは湿潤化されない）と共にチュー
ブ12の壁部の内側面が低温燃焼空気（これはチューブ12
の内側にて囲壁11を流下すると共に水もしくは凝縮液を
噴霧するための手段20,30により湿潤化される）と接触
するよう配置される。新たな空気の入口オリフィス15を
囲壁11内にその底部52に近接してチューブ12を支持する
と共にチューブ12間の空気を閉鎖する底部隔壁54の下に
形成し、さらに加熱されかつ湿潤化された空気を供給す
るための出口オリフィス16を囲壁11内に、その頂部の近
傍に形成し、その位置はチューブ12を支持しかつチュー
ブ12間の空気を閉鎖するための頂部隔壁53の上方であ
る。
熱煙道ガスの供給ダクト13が加熱空気出口オリフィス
16の直下かつ頂部水平隔壁53の下にて囲壁11を貫通する
一方、冷却煙道ガス出口ダクト14は新たな燃焼空気の入
口オリフィス15の直上かつ底部水平隔壁54の上方に位置
するレベルで囲壁11を貫通する。かくして矢印５により
示される煙道ガスは煙道ガス供給ダクト13に沿って流動
し、この供給ダクトは水平隔壁53と54の間の囲壁11内側
の通路に連通すると共にチューブ12の外側に位置し、隔
壁53と54との間を流下した後に煙道ガスは出口ダクト14
を介し蒸気ポンプ10から流出する。
矢印６により示された空気は煙道ガス５に対し向流と
して、すなわち上方向に流動する。入口オリフィス15を
介し囲壁11中に導入された後，比較的乾燥した新たな冷
空気は隔壁54の下の囲壁11の底部に配置され第１湿潤化
装置30で湿潤化され、この湿潤化装置は隔壁54を介しチ
ューブ12中へ空気の入口セクション全体にわたり微細ミ
ストを噴霧すると共に、このミストを空気の流れと同方
向（すなわち上方向）に噴霧するよう構成する。
第２湿潤化装置20は囲壁11の頂部に配置され、頂部隔
壁53を貫通するチューブ12の出口セクションにより構成
された空気出口セクションの全体にわたり微細ミストを
噴霧するよう設計され、この微細ミストは下方向、すな
わちチューブ12から流出する空気の流れに対し向流とし
て噴霧される。水噴射装置20および30により発生したミ
ストは燃焼空気を湿潤化するよう作用すると共に、それ
自体交換器を構成するチューブ12の隔壁の内側面に沿っ
て水を流下させる。空気と空気中に噴霧された水との両
者は、燃焼生成物と外側面が接触しているチューブ12の
隔壁の内側面と接触して加熱される。その結果、水滴が
気化して燃焼空気が順次に飽和されると共に、燃焼生成
物が凝縮する。
好ましくはチューブ12は、交換効率を向上させる特殊
形状の断面を有する。第３図に見られるように、各チュ
ーブ12は腎臓形状の断面を有することができ、細い連結
部分により相互連結された２つの大きいセクション部分
を備え、細い部分でベンチュリー作用が生じてチューブ
の内側に沿って移動するガス流に乱流を維持する。さら
に腎臓状チューブの内側面（すなわちその煙道ガス側）
における溝部の存在は、凝縮液により形成された水膜を
永久的に破壊するよう作用して凝縮液が絶縁膜として挙
動するのを防止する。凝縮液膜は、著量の水が溝内に蓄
積すると共にその自重の下で脱着するため自然に破壊す
ることができる。
チューブ12は金属（たとえばステンレス鋼）で作成す
ることができる。しかしながら交換器は特に蒸気ポンプ
を直接接触ゼネレータと連携させる場合には比較的低温
度にて煙道ガスで操作しうるので、チューブ12は、たと
えばPVCもしくはPVDFのような合成材料で作成すること
もできる。
例として加熱または工程に必要とされかつ吹込空気バ
ーナーを装着した水もしくは水蒸気を発生させるための
ボイラーを凝縮器と連携させ、トッピンク目的に使用水
もしくは冷水からの復帰水を第１交換段階で使用して燃
焼生成物を冷却することができる。この冷却は，加熱す
べき流体の入口温度が燃焼生成物の露点温度により低く
なった際に、燃焼により発生した水蒸気を凝縮させる。
用いる凝縮器が燃焼生成物の温度を約45℃の温度まで低
下させうる場合，水蒸気の１部が除去されている既に部
分冷却された燃焼生成物を本発明の蒸気ポンプに施し、
エネルギーとして内部に含有されたエネルギー部分を多
かれ少なかれ放出し、これを燃焼空気により循環させ、
その際に空気を予熱すると共に蒸気ポンプを通過する際
に湿潤化させる。
チューブ12により構成されかつ２個の凝縮液噴霧ヘッ
ド20および30を装着した交換表面を有する本発明の蒸気
ポンプにおいては、相対湿度60％にて10℃で流入した燃
焼空気が相対湿度95％にて42℃まで上昇することが観察
される。同時に、凝縮器から流出する際に45℃であった
煙道ガスは排出される際に25゜にて飽和される。
得られる相当な節約に加え、本発明の蒸気ポンプは窒
素酸化物の形成を減少させるよう作用し、これはしばし
ば極めて顕著（50％より大）である。この現象は、燃焼
空気が水蒸気により「ドープ」されかつ燃焼空気中の酸
素が相応に浄化されるため、より冷えた火炎が得られる
ことに基づく。
本発明の蒸気ポンプにおいては、一面が煙道ガスのみ
と接触しかつ他面が空気および噴霧水と接触するチュー
ブ12を用いることにより、次の４種類の形態にて燃焼生
成物と燃焼空気との間で同時的なエネルギー移動が生ず
る： チューブ12の壁部を介する煙道ガスから空気へのエネ
ルギーの乾燥移動； チューブ12の壁部を介する煙道ガスから噴霧水へのエ
ネルギーの乾燥移動； チューブ12の壁部を介する煙道ガス凝縮液から噴霧水
へのエネルギーの乾燥移動；および 空気流動路内では噴霧水から空気へのエネルギーの直
接移動。
本発明の重要な特徴は、水を空気流中へのみ噴霧して
煙道ガス流中へは噴霧しないことにある。
第１図は水槽23を示し、この水槽は凝縮熱発生器から
或いは慣用のボイラと連携した水凝固器から凝縮液を集
めるためのタンカにより構成しうるが、外部供給源から
の水を含有したタンクとすることもできる。一般に、本
発明の蒸気ポンプは比較的小量の水しか必要とせず、こ
れはたとえば数キロワットの電力で操作しうる低流量ポ
ンプ22によって操作することができる。タンク23からポ
ンプ22により供給される水はダクト21により頂部噴霧ヘ
ッド20まで供給され、このヘッド20は第１図に図示され
ているが囲壁11の全セクションにわたりミストの形態で
水を注入するよう設計され、チューブ12により形成され
た交換器の上方に位置すると共にオリフィス16を介し供
給するための再加熱された空気の出口セクションを占め
る。
囲壁11の全セクションにわたりミストとして水を注入
する目的で第２水噴霧ヘッド30を頂部ヘッド20と同様に
作成することができ、これはチューブ12により形成され
た交換器の下に位置すると共に入口オリフィス15を介し
導入される空気のための新たな空気の入口セクションを
占める。水をダクト31により底部噴霧ヘッド30まで供給
することができ、このダクトにはポンプ32によりタンク
33内の水が供給される。タンク33は、チューブ12の底端
部から採取された凝縮液をダクト34を介して受入れるこ
とができる。
第２図は第１図による実施例の改造を示し、囲壁11中
へ導入された空気を湿潤化するための手段を構成する頂
部および底部噴霧家ヘッド20および30は単一のポンプ22
により共通タンク23から導出した経路21および26を介し
て供給され、このタンク23は上記したように凝縮器から
の凝縮液を回収するためにも作用することができる。コ
ック24および25をダクト21および26に配置して、噴霧ヘ
ッド20および30を介し水を注入する流量を調節する。第
２図に示した実施例は１台の電動ポンプ22にしか必要と
せず、図面に示したようにチューブ12の外側における交
換器内側の凝縮液はダクト34を介してタンク23まで移送
することができる。
第１図および第２図は、空気出口オリフィス16に接続
された出口ダクトに配置されている空気弁40を示してい
る。したがって、弁40は水が毛細血管作用によりバーナ
ーまで同伴されるのを防止するよう作用し、バーナーと
連携する安全部材が作動せずに運転しうるよう確保す
る。
上記したように、本発明の蒸気ポンプは凝縮熱発生器
と組合せて操作するのに特に適しているが、回収部材も
しくは機械的吹込による任意の熱処理装置にも装着する
ことができる。
蒸気ポンプを熱処理装置の煙道に分枝として装着する
場合、空気および煙道ガスの流量は速度制御器または同
等なシステムを回収部材に装着して均衡される。
凝縮液を回収すると共に制御するためのシステムを設
ければ、凝縮熱発生器と連携する蒸気ポンプは新たな外
部の水を開始時に施す必要がない自給式装置を構成しう
ることが観察されよう。
さらに、本発明の蒸気ポンプは低温であるが大して湿
潤でない煙道ガスを発生するので常に高価となる煙突の
ライニングを回避することができる。
第１〜３図を参照して上記した蒸気ポンプのような垂
直囲壁蒸気ポンプに使用される水噴霧手段20および30に
つき、第４図および第５図を参照して以下詳細に説明す
る。
各水噴霧ヘッド20,30は一連のノズル１を設けた噴霧
ストリップ21,31を備え、これらノズルは大きい端面２
を有する実質的に円錐形状とすることができ、円錐の底
部を構成する全領域にわたり一連の小オリフィス３を均
一分布させる。かくして、ノズル１は頂点がノズル１に
位置する円錐の空間の全内側にわたり微細な水滴の微細
ミスト４を噴霧する。ノズル１は、水滴４で満たされた
円錐空間が互いに重なるよう配置される。かくして各装
置20,30は、入口もしくは出口オリフィス15もしくは16
が形成される囲壁11の部分によって画成されかつ燃焼空
気が流過するチューブ12の端部を支持して対応の端板53
もしくは54により画成される空間の全体にわたりミスト
を噴霧する。
噴霧手段の形状およびノズルに加えられる圧力によっ
て微細ミストを確立する噴霧手段を使用することが慣用
である。何故なら、これは断熱を与えるチューブ12の壁
部の長さにわたり水膜が早過ぎて形成するのを防止する
からである。
空気入口オリフィス15を備えた底部水噴霧ヘッド30に
位置するレベルは、水滴が空気の流動方向へ上方向に噴
出されるのを確保するよう配置される。交換器の底部に
噴霧された水は、交換器の底部における空気を過飽和さ
せると共に低温度のプライミング（空気が水滴を同伴す
ること）を容易化させる。空気出口の近傍にて交換器の
頂部に、噴霧された水は、空気流動方向に対し向流とし
て生ずる。
全ての場合、水噴霧ヘッド20および30は燃焼空気流に
のみ微細ミストを形成し、隔壁53および54とチューブ12
の隔壁とにより隔離された煙道ガス路には水滴が噴出さ
れない。
本発明の蒸気ポンプは第1,2および４図に示したよう
に単一工程を構成しうるか、或いは第６図に示したよう
に複数の同様な工程をカスケートで配置することもでき
る。
第６図は２つのユニット10a,10bからなる蒸気ポンプ
を示し、そのそれぞれは第４図に示した蒸気ポンプと同
一にすることができ、たとえば複数組の熱交換チューブ
12（第６図には図示せず）を備えた共通囲壁11を有する
蒸気ポンプを各囲壁11の頂部および底部に配置された水
噴霧手段20および30と一緒に内部に配置する。第１ユニ
ット10aからの空気出口オリフィス16をダクトにより第
２ユニット10bの空気入口オリフィス15に接続する。同
様に、第１ユニット10aからの煙道ガス出口ダクト14を
連結ダクト18により第２ユニット10bの煙道ガス入口タ
クト13に接続する。第６図においては、第７図および第
９図におけると同様に、煙道ガスが辿る通路を破線５で
示す一方、空気が辿る通路を破線６で示す。第６図に示
した蒸気ポンプの操作については詳細に説明はしない。
何故なら、各ユニット10aおよび10bは第1,2もしくは４
図に示した蒸気ポンプと全く同様に作動するからであ
る。
第７図は、複数の交換段階（図示した例においては２
段階）を同じ囲壁11の内側に直列配置した以外は第６図
とほぼ同様な実施例を示している。この場合、隔壁55お
よび56は２つの連続段階を分離すると共にオリフィス14
b、16bを隔壁55および56中に形成して、２つの連続段階
の間に煙道ガスおよび空気のための通路を設ける。第２
段階において煙道ガス５と空気とは、第７図に示した単
一の囲壁11に一体化された２段階の蒸気ポンプにつき空
気出口オリフィス16が囲壁11の底部に存在するのに対し
煙道ガス出口ダクト14が囲壁11の頂部に位置するよう煙
道ガスと空気とが第１段階で流動する方向とは反対方向
に流動する。第３段階を設ける場合は、出口オリフィス
を第４図の実施例に示した配置に戻す。第７図に示した
実施例にて空気流につき採用した方向を考慮すれば、単
一の水噴霧ストリップ20をエンクロージャ11の頂部に使
用しうると共に、２個の分離した水噴霧ストリップ30a
および30bを隔壁56により分離されて２つの分室内に囲
壁11の底部で配置する。噴霧ストリップ20,30aおよび30
bのそれぞれは、第４図および第５図を参照して説明し
たように作成することができる。
第８図は本発明による蒸気ポンプ11Dの第２実施例を
示し、これは２つの端面151および152を備えて水平配置
された囲壁111により第４図の実施例とは実質的に相違
する。空気と燃焼生成物との間の熱交換を行なうための
熱交換器自身を構成するチューブ112は第１〜４図に示
したチューブ12と全く同様としうるが、これらは囲壁11
1に対しチューブ112を支持しかつ空気と煙道ガス路との
間に分離隔壁を与える２枚の垂直端板153と154との間に
水平配置される。新たな空気のための入口オリフィス11
5をチューブ支持板153の近傍にて囲壁111の頂部に形成
すると共に、囲壁111とチューブ支持板153および154と
の間に位置する空間に冷空気６を供給するよう作用し、
冷空気は第８図にて左から右方向へ囲壁111の内側で長
手方向に延在するチューブ112の周囲をチューブ支持板1
54に近傍にて囲壁111の底部に位置する空気出口オリフ
ィス116の方向へ流動する。煙道ガス移送ダクト113は囲
壁の端部152とチューブ支持板154と囲壁111の１部とに
より画成されたチヤンバ157中に開口し、これにより煙
道ガスをそれぞれチャンバ157中に１端部を開口させた
チューブ112に導入することとができる。各チューブ112
の他端部はプレート153を介し第２端部室158中に開口
し、この端部室158は囲壁の端部151とチューブ支持体15
3と囲壁111の１部とによって画成される。外側に通ずる
煙道ガス出口ダクト114は、チャンバ158に連通する。第
１〜７図に示した垂直チューブの実施例とは異なり、第
８図に示した熱交換器においては、煙道ガスはチューブ
112内を流動し（第８図にて右か左方向へ）、これに対
し燃焼空気は実質的に向流配置でチューブ112の外側を
流動する（すなわち第８図にて左から右方向へ）。第１
〜７図を参照して説明したように垂直囲壁蒸気ポンプに
おいては煙道ガスをチューブ12の内側で流動させると共
に空気をチューブ12の外側の空間に流動させうることが
観察されよう。その場合、チューブ12の端部は閉鎖され
かつ隔壁53および54は開口部を備えると共にダクト13お
よび14はマニホールドを介しチューブ12の端部に接続さ
れる。しかしながら、この種の実施例には、チューブ12
とダクト13および14との間に通路を与えるのに追加マニ
ホールドダクトを必要とするため一層複雑となる。
湿潤器手段120は単一の水噴霧ストリップ121により構
成され、これに１組のノズル１を設けると共に囲壁111
の内部にてその頂部に位置せしめる。このストリップは
チューブ112により構成された熱交換器の全長に沿って
延在し、すなわち支持板153と154との間の全長にわたっ
て延在する。噴霧ストリップ120はしたがって空気入口
オリフィス115の近傍および空気出口オリフィス116の近
傍だけでなくチューブ112の壁部を介し熱交換が生ずる
全中間領域の全体にわたり微細ミストを形成するよう配
置される。水を交換器の長さ全体にわたり噴霧すれば温
度勾配を減少させると共に囲壁の全セクションにてその
空気入口115から空気出口116まで多かれ少なかれ一定の
温度を維持するのに貢献する一方、第４図に示した垂直
囲壁蒸気ポンプにおいてはチューブ12の壁部を介し空気
と煙道ガスとの間で生ずる温度変化が囲壁の異なるセク
ションを異なる温度にする。
いずれにせよ、第１〜４図に示した蒸気ポンプと同様
に第８図の実施例においては、中味のある円錐を占める
ジェットを発生させるノズルにより水を噴霧し、これら
ノズルは第４図および第５図に関し既に説明したと同様
なノズルであり、これらノズルは微細な水滴を重なった
円錐空間中に噴出し、これにより囲壁11の内側空間およ
びチューブ112の外側空間の全体に微細ミストを確立す
る。燃焼空気はこの空間を流過する。
第９図はカスケードで接続された第８図に示したユニ
ットと同様な２つのユニット110aおよび110bを示し、直
列で２段階を有する蒸気ポンプを構成する。この場合、
第６図に示した実施例と同様に、第１ユニット110aから
の空気出口オリフィス116aをダクト167により第２ユニ
ット110bの空気入口オリフィス115bに接続すると共に、
第２ユニット114bからの煙道ガス出口ダクト114bを連結
ダクト108により第１ユニット110aに至る煙道ガス入口
ダクト113aに接続する。勿論、直列接続される水平熱交
換ユニット110a,110bの個数は３個以上とすることもで
きる。
第10図は、凝縮ボイラーなどでなく直接接触の熱発生
器に対する本発明の蒸気ポンプ10の使用を示している。
すなわち、第10図は熱発生器90を示し、これは開口部
95を介し囲壁91中に開口する燃焼室94を備え、この囲壁
91は流体を加熱するよう作用する浴もしくは帯域93を備
えると共に、空気入口オリフィス96を介し燃焼生成物94
と直接接触させることにより作動する。燃料、たとえば
天然ガスは慣用のインゼクタ（図示せず）を介した燃料
室94に流入する。囲壁91は、着脱自在としうるカバー92
によって頂部が閉鎖される。蒸気生成物は浴93から流出
してカバー92の下に集められた後、囲壁91から煙道ガス
を除去するための少なくとも１個の出口オリフィス97を
介して除去される。
第10図は、たとえば水のような液体の浴93（これは液
中燃焼に対応する）を示すが、本発明は燃焼生成物と液
体との間の直接接触により行なう方法，たとえば水のよ
うな液体を囲壁の内側に配置された噴霧ストリップから
囲壁91の底部より高い所定のレベルにて噴霧するウォッ
シャ・スクラバー型装置にも同等に適用することがで
き、この場合噴霧液は燃焼生成物に対し直接接触すると
共に凝縮液囲壁91の底部から回収される。
第10図は、上記実施例のいずれかを用いて実施するこ
とができかつ囲壁91から煙道ガスを除去するためのオリ
フィス97と燃焼空気を燃焼室94中へ供給するためのオリ
フィス96との間に接続された本発明の蒸気ポンプ10を示
している。蒸気ポンプ自身には冷空気を流入させるため
の少なくとも１個のオリフィス15と、煙道ガス出口オリ
フィス14とダクト81により燃焼室94中に開口する空気入
口オリフィス96に接続された湿潤熱空気オリフィス16
と、ダクト82により囲壁91からの煙道ガス出口オリフィ
ス97に接続された飽和煙道ガスの入口オリフィス13とを
設ける。
さらに第10図は、燃焼生成物側にいて蒸気ポンプ10に
加圧手段を追加すると共に燃焼空気側で大気圧を維持す
ることができることも示している。
加圧手段は電動モータにより駆動されるコンプレッサ
を備えることができ、これは蒸気ポンプからの空気出口
オリフィス16を燃焼室94中への燃焼空気入口オリフィス
96に接続するダクト81に沿って流動する空気に対し作用
する。しかしながら、この場合、煙道ガス膨脹からエネ
ルギーは回収されない。すなわち、加圧手段は小型ター
ボコンプレッサ70を備えるので好適であり、このコンプ
レッサ70は特に膨脹エネルギーを煙道ガスから回収する
よう作用する。このターボコンプレッサは、蒸気ポンプ
10と燃焼室94中への燃焼空気入口オリフィス96の上流の
燃焼室94との間に配置されたコンプレッサ71、および有
利には蒸気ポンプ10からの出口における煙道ガス排気装
置14に対し配置されたタービン72を備える。始動および
ブーストの目的のモータもしくはモータコンプレッサ73
をもダクト81に設けて燃焼空気を移送することができ
る。膨脹および圧縮装置70は燃焼室94および囲壁91の近
傍に設置することができ、或いは蒸気ポンプ10の近傍に
てダクト81および82に配置しうることも観察されよう。
必要に応じ過熱器80を燃焼空気を移送させるダクト81
に装着することもでき、この過熱器はコンプレッサ71に
流入する前の蒸気ポンプから流出する湿潤空気に対し作
用する。空気が飽和されていれば、一般にこれを少なく
とも５℃だけ過熱することが望ましい。過熱器80は、た
とえば浴93から流出すると共にオリフィス97を介し囲壁
91から逃る煙道ガスとダクト81により移送される蒸気ポ
ンプ10から流出する湿潤空気との間で熱を交換する熱交
換器により構成することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は単一の囲壁を垂直配置した本発明による蒸気ポ
ンプの第１実施例に関する縦断面図であり、 第２図は単一のポンプにより単一の液体供給部から水噴
霧手段に供給する第１図と同様な蒸気ポンプの略図であ
り、 第３図は第１図のIII−III線断面図であって、第１図に
よる蒸気ポンプの囲壁の内側に設置された熱交換器を構
成するチューブの断面形状を示し、 第４図は第１図および第２図の実施例にしたがう蒸気ポ
ンプの特定実施例における必須部品の軸線断面図であ
り、 第５図は本発明により蒸気ポンプに装着された湿潤器手
段に使用されるノズルの出口面の略図であり、 第６図はどのように２個の垂直交換囲壁をカスケードと
して接続することにより本発明の蒸気ポンプを構成しう
るかを示した略図であり、 第７図は垂直隔壁により分離され、かつ本発明による蒸
気ポンプの単一囲壁内に直列接続された２個の垂直熱交
換アセンブリを示す略図であり、 第８図は水平配置された囲壁を備える本発明の蒸気ポン
プの必須部品に関する軸線断面図であり、 第９図は本発明による蒸気ポンプ内にカスケードとして
接続された２個の水平交換囲壁を示す略図であり、 第10図は加圧手段と組合せて実施される本発明の蒸気ポ
ンプを示す略図である。 ５……煙道ガス、10……蒸気ポンプ 11……囲壁、12……チューブ 20,30……湿潤化装置

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流入燃焼空気と熱処理工程からの燃焼生成
    物との間でエネルギー及び物質交換を行い、直接接触又
    は壁部を介しての熱負荷の交換を行う、物質及び熱の交
    換器から構成される蒸気ポンプにおいて、 外側囲壁（11;111）と、 前記囲壁（11;111）の内側において長手方向に配置され
    ており、端部がそれぞれ第１及び第２の半径方向平面
    （53、54;153、154）に開口している交換器を構成する
    一組のチューブ（12;112）であって、前記第１及び第２
    の半径方向平面には、前記囲壁（11;111）と相対的に前
    記チューブを位置決めし、かつ支持し、前記チューブの
    外側に位置する囲壁（11;111）の断面の中の開いている
    空間を閉じることにより、前記半径方向平面の間に、前
    記チューブ（12;112）の間にある第１ガス流体流動路
    と、前記囲壁（11;111）の内側であって前記チューブ
    （12;112）の外側にある第２のガス流体流動路とを形成
    する手段が備えられている一組のチューブと、 第１のガス流体を前記囲壁（11;111）の中であって前記
    第２のガス流体流動路の中へ流入させる入口オリフィス
    （13;115）と、 前記第２のガス流体流動路内を流れる前記第１ガス流体
    を前記囲壁から排気する出口オリフィス（14;116）と、 第２のガス流体を前記囲壁の中であって前記第１のガス
    流体流動路の中に流入させる入口オリフィス（15;113）
    と、 前記第１のガス流体流動路中で向流として流動する前記
    第２のガス流体を前記囲壁から排出する出口オリフィス
    （16;114）と を備え、 前記第１及び第２のガス流体の一方は熱湿潤燃焼生成物
    で構成されており、他方のガス流体は新しい燃焼空気で
    構成されており、 さらに、囲壁（11;111）の中へ流入した空気を湿潤化さ
    せるための湿潤器手段（20、30;120）を備え、 前記湿潤器手段（20、30;120）は、前記入口オリフィス
    （15）又は前記出口オリフィス（16）が中に形成されて
    いる前記囲壁（11）及び対応する第１の半径方向平面
    （53）又は第２の半径方向平面（54）によって範囲を定
    められている空間を満たすべく水の微細ミストを噴霧す
    るよう配置された１組のノズル（１）からなり、前記チ
    ューブの、前記燃焼空気と接触する壁面のみを湿潤化す
    るものであり、 前記チューブは、中間流体を使用することなしに前記囲
    壁（11;111）の内側の前記燃焼生成物及び前記燃焼空気
    の間の向流交換器を形成し、 前記向流交換器では、エネルギーが、前記燃焼生成物か
    ら新しい前記燃焼空気へ、前記燃焼生成物から前記噴霧
    された水へ、及び、前記燃焼生成物の凝縮物から前記噴
    霧された水へ、前記チューブ（12;112）の壁部を介して
    移動し、また、エネルギーが、噴霧された水から前記燃
    焼空気に直接接触により移動する ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の蒸気ポンプにおいて、 前記チューブは、円滑な壁部を有する ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  3. 【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の蒸気ポンプ
    において、 前記チューブ（12;112）は、２つの大径部分を幅の狭い
    接続部分で接続した形状を有する ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  4. 【請求項４】請求項１から３までのいずれか１項に記載
    の蒸気ポンプにおいて、 前記チューブ（12;112）は、合成樹脂からなる ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  5. 【請求項５】請求項１から４までのいずれか１項に記載
    の蒸気ポンプにおいて、 前記湿潤器手段（20、30;120）の構成部分である各ノズ
    ル（１）は、中実円錐の形態のジェットを生成するもの
    であり、頂点がノズル（１）の頂点と実質的に等しい円
    錐（４）の空間全体に水を微細ミストとして噴霧する複
    数の出口オリフィスを備える ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の蒸気ポンプにおいて、 前記ノズル（１）は、水の噴霧からなる前記円錐（４）
    が重なり合うように配置されている ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  7. 【請求項７】請求項１から６までのいずれか１項に記載
    の蒸気ポンプにおいて、 前記囲壁（11）は垂直に配置されており、 前記湿潤器手段（20、30）は、第１組（20）のノズル
    （１）および第２組（30）のノズル（１）を備えてお
    り、 前記第１組のノズルは、下方向に向けられ、囲壁（11）
    の頂部に配置されており、空気および燃焼排ガスの熱交
    換器を構成する前記チューブ（12）の端部より上方に位
    置した前記囲壁の全セクションにわたり水を噴霧し、 前記第２組のノズルは、上方向に向けられ、囲壁（11）
    の底部に配置されており、前記チューブ（12）の下に位
    置した囲壁の全セクションにわたり水を噴霧する ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  8. 【請求項８】請求項７に記載の蒸気ポンプにおいて、 前記空気は、前記チューブ（12）の内側にある前記第１
    ガス流体流動路中に導入され、 前記燃焼生成物は、前記囲壁の内部であって前記チュー
    ブ（12）の外側にある前記第２ガス流体流動路中に導入
    する ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  9. 【請求項９】請求項７又は８に記載の蒸気ポンプにおい
    て、 前記第１組（20）のノズル（１）と前記第２組（30）の
    ノズル（１）との両者に単一に水槽（23）から給水する
    ための単一のポンプ（22）を備えた ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  10. 【請求項１０】請求項１から９までのいずれか１項に記
    載の蒸気ポンプにおいて、 前記湿潤手段（20、30;120）は、第１の凝縮器からの凝
    縮液を含有するタンク（23）から水を供給される ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  11. 【請求項１１】請求項１から10までのいずれか１項に記
    載の蒸気ポンプにおいて、 湿潤燃焼空気の前記出口オリフィス（16）に接続された
    出口ダクトに配置された空気弁（40）をさらに有し、前
    記熱処理工程に関連する燃焼部材まで水が流れるのを防
    止する ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  12. 【請求項１２】請求項１から11までのいずれか１項に記
    載の蒸気ポンプにおいて、 縦列接続された２以上の前記囲壁からなり、 前記囲壁の各々は、中間流体を使用せずに、空気と燃焼
    生成物との間で熱交換する向流チューブを有する ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  13. 【請求項１３】請求項７から９までのいずれか１項に記
    載の蒸気ポンプにおいて、 前記囲壁は、前記囲壁の内部に配置された仕切り部材に
    より、各々が一組の前記チューブを含む分室に分離され
    ており、 前記仕切部材の各々は、前記燃焼空気が前記分室を順次
    流れることを許容する第１の開口部と、前記燃焼生成物
    が前記分室を順次流れることを許容する第２の開口部と
    を有する ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  14. 【請求項１４】請求項１から13までのいずれか１項に記
    載の蒸気ポンプにおいて、 コンプレッサ（71）及びタービン（72）を有するターボ
    コンプレッサ（70）を含み、 前記コンプレッサは、燃焼空気を移送するダクトに位置
    され、飽和加熱空気用の出口オリフィス（10）に接続さ
    れており、 前記タービンは、蒸気ポンプを通過後の燃焼生成物用の
    出口ダクト（14）に位置されており、 蒸気ポンプ中の燃焼生成物は、圧力がかけられた状態に
    維持され、 蒸気ポンプを通過している燃焼空気は、大気圧に維持さ
    れる ことを特徴とする蒸気ポンプ。
  15. 【請求項１５】請求項14に記載の蒸気ポンプにおいて、 燃焼空気を輸送するダクト上のコンプレッサ（71）より
    上流に配置された加熱器（80）をさらに含む ことを特徴とする蒸気ポンプ。
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