JP2002364804A - 自然循環ボイラおよび伝熱管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で水管分岐部での逆流を防止し
て、熱負荷変動に伴う水管の熱損傷を防止可能とした自
然循環ボイラを提供する。 【解決手段】 燃焼ガスから熱を受け取る水管１の上部
が二股に分岐する水管分岐部１０を備えた自然循環ボイ
ラにおいて、水管分岐部１０には、内部流体が下部から
上部に流れる際にこの水管分岐部１０において流れを二
分し、かつ、分岐部の一方から他方への内部流体の流れ
を阻止するじゃま板２を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、伝熱管内部の流体
の異常な流動を防止することが可能な自然循環ボイラお
よびこの自然循環ボイラに使用される伝熱管の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来から実施されている一般的な
自然循環ボイラの概略構成を示す図である。図８に示す
ように、自然循環ボイラは、節炭器から給水される上部
ヘッダ４と、この上部ヘッダ４からの水を降水管７を介
して受ける下部ヘッダ３と、この下部ヘッダ３からの水
を再び上部ヘッダ４に流入させるための水壁５と、上部
ヘッダ４と下部ヘッダ３との間に設けられた熱交換器８
とを備えている。水壁５は、図９に示すように、伝熱管
である水管１をメンブレンバー９でつないだ板状の構造
をしているが、燃焼ガスを通過させる個所では、図１０
に示すように、メンブレンバー９は省略され、水管１の
みのスクリーン管６となっている。

【０００３】給水は、図示しない給水ポンプから供給さ
れ、節炭器を通過して上部ヘッダ４に入る。なお、節炭
器は通常熱交換器８の一部として機能している。上部ヘ
ッダ４に供給された水は、水壁５およびスクリーン管６
内の流体と、降水管７内の水との密度差を駆動源にして
降水管７内を下降し、下部ヘッダ３から水壁５内に流入
する。水壁５に流入した水は、火路内の熱を吸収して沸
騰する。水壁５の途中には分岐する部分、すなわち水管
分岐部１０があり、水壁５、スクリーン管６でサーキッ
トを構成している。気液２相となった流体は、上部ヘッ
ダ４に集められ、気液２相流が蒸気と水に分離され、分
離された蒸気が過熱器に供給される。なお、過熱器は通
常熱交換器８の一部として機能している。一方、上部ヘ
ッダ４で分離された水は、再び降水管７に入り、上述の
循環経路を循環する。

【０００４】この自然循環ボイラは、図８に２本線の矢
印で示す燃焼ガスの流れ（なお、１本線の矢印は水と空
気の流れを示している。）を整流して熱交換器８を配置
するために、ボイラ上部ではダクト構造を採用するが、
この構造は水壁５の一部を水管分岐部１０の部分から分
岐させてダクトを形成することにより構成される。ダク
トを水壁で構成する理由は、高温の燃焼ガスにさらされ
るので、冷却する必要があるためである。また、ボイラ
の自重を水管で吊るして支えるためにも、図８のように
水管の一部が分岐している。

【０００５】この自然循環ボイラは、水管１内部で生じ
る核沸騰現象を利用して、通常の対流伝熱とは比較にな
らないほど高い熱伝達率を得ている。しかしながら、水
管１内の流速が低下したり、極端には、逆流したりする
と、水管１内の内壁に蒸気膜を形成する膜沸騰に移行
し、熱伝達率が激減する。熱伝達率が低下すると、水管
１の温度が上昇し、寿命を著しく低下させ、最悪の場合
には破損に至らしめる。したがって、ボイラにおいて
は、膜沸騰への移行を回避するため、水壁５とスクリー
ン管６からなる水管１の水循環が正確に行われるように
設計する必要がある。

【０００６】一方、水管１の分岐部内の流量は、水管１
内の流動抵抗の比率で決まるため、管内を流れる流体が
単相流である場合には、各管の抵抗を一致させることに
よって各管内の流量を均等にすることができる。しかし
ながら、水管１内を流れる流体が気液２相流の場合に
は、その流動様式によって流体抵抗が複雑に変化するの
で、単に各管の抵抗を一致させただけでは各管内の流量
を均等にすることができない。また、各水壁５およびス
クリーン管６での熱負荷のアンバランスがあると、分岐
管内を流れる水や蒸気等の内部流体の流量がアンバラン
スになる。極端な場合には、分岐管の上部２本のいずれ
か１本が、降水管７と同じ役目を果たすことになる。降
水管７と同じ役目を果たすということは、すなわち、逆
流であり、水管強度の面で極めて危険な状態である。な
お、ボイラには、自然循環ボイラの外に、強制循環ボイ
ラがあるが、強制循環ボイラの場合はポンプ動力により
強制的に水を循環させるので、水壁内出の逆流はあり得
ない。また、ボイラは熱交換器の一種ではあるが、一般
の熱交換器ではやはりポンプ動力により内部流体が強制
的に駆動されるので、逆流はあり得ない。

【０００７】そこで自然循環ボイラにおいては、従来か
ら水管分岐部の流量を均一化する方法として、設計段階
で各水壁の熱吸収量を予測し、これに基づいて各水壁を
構成する水管の内径を変えたり、各管の入口に抵抗体
（オリフィス）を付加することが提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述のように予測され
る熱吸収量に基づいて水管の内径やオリフィスを調整
し、流量の均一化を図る方法は、火路内の発熱分布が燃
焼状況や運転状況によって複雑に変化することから、各
水壁およびスクリーン管の熱吸収量を的確に予測するこ
とが事実上困難である。そのため、熱吸収量が予測から
外れることも多く、分岐部での逆流を確実に防止するこ
とはできなかった。本発明はこのような従来技術の実情
に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な構造で水
管分岐部での逆流を防止して、熱負荷変動に伴う水管の
熱損傷を防止可能とした自然循環ボイラを提供すること
にある。また、他の目的は、このような機能を有する自
然循環ボイラに好適な伝熱管の製造方法を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、第１の手段は、上部が二股に分岐し、先端部が上部
ヘッダに接続される分岐部を有する伝熱管を備えた自然
循環ボイラにおいて、前記分岐部に、内部流体が下部か
ら上部に流れる際に前記分岐部の上流側で前記伝熱管を
上昇する流れを二分するとともに、分岐部の一方から他
方への内部流体の流れを阻止するじゃま板を設けたこと
を特徴とする。

【００１０】第２の手段は、第１の手段において、前記
伝熱管が前記分岐部を含む上部水管と、この上部水管の
底部に接続された下部水管とからなり、前記じゃま板は
前記分岐部の略Ｕ字形の底部から前記下部水管のほぼ中
央に沿って下方に所定長さ設けられていることを特徴と
する。

【００１１】第３の手段は、第２の手段において、前記
じゃま板の上端部は前記上部水管の内壁に沿って密接し
たことを特徴とする。

【００１２】第４の手段は、上部が二股に分岐し、先端
部が上部ヘッダに接続される分岐部を有する自然循環ボ
イラ用の伝熱管を製造する方法において、前記分岐部
は、略Ｕ字状に曲げられた上部水管と、この上部水管に
溶接された下部水管とからなり、前記上部水管の前記曲
げられた略Ｕ字状の底部に孔を穿設し、前記下部水管の
軸方向に沿って前記開放端から前記下部水管の流路を二
分するようにじゃま板を予め溶接しておき、前記じゃま
板の先端部が前記略Ｕ字状の上部水管の内壁に少なくと
も線的に密接するように前記じゃま板の先端部を成形
し、前記じゃま板が突出し、上端が開放された下部水管
の開放端を前記孔を塞ぐように前記上部水管に溶接して
製造することを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施の形態について説明する。なお、前述した従来例と同
等とみなせる各部には同一参照番号を付して、重複する
説明は適宜省略する。

【００１４】図１は本発明の実施形態における水管分岐
部の構造を説明するための図、図２は正常時における下
部ヘッダから上部ヘッダへの内部流体の流れを示す図、
図３、図４は水管分岐部における逆流を説明するための
図である。

【００１５】図１に示すように水管分岐部１０は、下部
ヘッダ３から上部ヘッダ４方向に延びる水管１の途中で
二股に分岐するように設けられている。この水管分岐部
１０内にはじゃま板２が設けられている。じゃま板２
は、下部ヘッダ３から上部ヘッダ４に流れる流体の流出
方向である順方向に平行になるように下部水管１ｂの中
央部に下部水管１ｂの軸方向に沿って設けられ、この分
岐部１０において下部水管１ｂから上部水管１ａ向かっ
て上昇する流体の流れを二分するように設置されてい
る。これにより、図１において矢印で示すように順方向
に流れる内部流体にとって、じゃま板２が流動抵抗とな
らない。したがって、下部ヘッダ３から上部ヘッダ４に
延びる１本の水管１のみを取り出して内部流体の流れを
見ると、図２に示すように、下部水管１ｂから上部水管
１ａを通って正常に流れることになる。

【００１６】一方、水壁５での熱負荷偏差が大きく、一
部の水管分岐部１０で逆流が生じたとしても、じゃま板
２により逆流を防ぐことができる。すなわち、図３に示
すように、水管分岐部１０の二股に分岐している上部水
管１ａの左側の水管に矢印で示すような逆流が生じて
も、じゃま板２の存在により逆流部において圧力損失が
大きく、図示するような逆流を防止することができる。
すなわち図３において矢印Ａのような流体の流れが生じ
ることはない。

【００１７】これに対し、じゃま板がない従来構造の場
合は図４に示すような逆流が生じる可能性がある。図４
には従来の水管分岐部の構造の場合における異常時の下
部ヘッダから上部ヘッダへの内部流体の流れを示す。従
来構造では水壁５での熱負荷偏差が大きくなり、水管１
の二股に分岐した上部水管１ａの図４において左側の水
管に上部ヘッダ４から流体が逆流して流れ込んだ場合、
逆流した内部流体は図４において右側に位置する水管上
部１ａに流れ込み、上部ヘッダ４から上部水管１ａへの
逆流を阻止することはできない。したがって、本実施形
態のようにじゃま板２を設けることにより、このような
上部ヘッダ４から上部水管１ａへの逆流を阻止すること
ができ、、水管１内の内壁に蒸気膜を形成する膜沸騰に
移行し、熱伝達率が激減し、最悪の場合には破損すると
いう事態が生じることはない。

【００１８】次に、図５ないし図７により水管分岐部１
０にじゃま板２設けた伝熱管の製造方法について説明す
る。

【００１９】図５は水管分岐部１０における上部水管１
ａのみを示す平面図、図６は水管分岐部１０におけるじ
ゃま板２付きの下部水管１ｂのみを示す図で、（ａ）は
正面図、（ｂ）は側面図、図７は図５の上部水管１ａに
図６の下部水管１ｂを取り付ける際の接合個所を説明す
るための図である。

【００２０】水管分岐部１０は、図５に示す略Ｕ字状に
曲げられた上部水管１ａと、図６に示す略直管状の下部
水管１ｂと、図７に示す下部水管１ｂから上部水管１ａ
に挿入される平板状のじゃま板２とから構成されてい
る。略Ｕ字状に曲げられた上部水管１ａの底部には図５
に示すように丸孔１ｃが穿設されている。下部水管１ｂ
の上端部は、図５に示すように丸孔１ｃを塞ぐように成
形りされている。

【００２１】じゃま板２は、図６に示すように、上部水
管１ａの上端部から突出するように下部水管１ｂ内に挿
入される。下部水管１ｂ内に挿入されるじゃま板２は、
下部水管１ｂを上部水管１ａの丸孔１ｃを塞ぐように位
置させたとき、上部水管１ａの一方の開口部から他方の
開口部に流体が流出することがないように上部水管１ａ
を塞ぐように位置および突出量が設定され、先端形状が
成形される。そして図６の（ｂ）に丸で囲まれた部分１
ｄを溶接して固着する。次に、このじゃま板２が固定さ
れた下部水管１ｂを、その先端部が丸孔１ｃを塞ぎ、か
つ、じゃま板２の先端部２ａ上部水管１ａの内壁に密接
して流体の混合が生じないように上部水管１ａに組み合
わせ、図７の丸で囲まれた部分１ｅを溶接して固着する
ことで水管分岐部１０の内部にじゃま板２を設置するこ
とができる。なお、じゃま板２の長さは、水壁５および
スクリーン管６内の流体と、降水管７内の水との密度差
を勘案して、すなわち、水の駆動力と逆流時の圧力とを
勘案して設定される。

【００２２】このようにして製造すると、上部水管１ａ
の内部にじゃま板を溶接する必要がないので、溶接作業
が容易となり、低コストで製造することができる。

【００２３】

【発明の効果】これまでの説明から明らかなように、本
発明によれば、内部流体が下部から上部に流れる際に分
岐部の上流側で伝熱管を上昇する流れを二分するととも
に、分岐部の一方から他方への内部流体の流れを阻止す
るじゃま板が設けられているので、通常の状態の流れの
状態に悪影響を及ぼすことなく、伝熱管への熱負担に偏
差が出ても、伝熱管内部での内部流体の逆流を防止する
ことができる。

【００２４】また、本発明によれば、じゃま板の先端部
が略Ｕ字状の上部水管の内壁に少なくとも線的に密接す
るようにじゃま板の先端部を成形し、じゃま板が突出
し、上端が開放された下部水管の開放端を上部水管に穿
設した孔を塞ぐように位置させて上部水管に溶接するの
で、上部水管の内部での溶接作業がなくなり、溶接が簡
単に行え、低コストで製造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における水管分岐部の構造
を説明するための図である。

【図２】正常時における下部ヘッダから上部ヘッダへの
内部流体の流れを示す図である。

【図３】本発明の水管分岐部における逆流を説明するた
めの図である。

【図４】従来の水管分岐部の構造の場合における異常時
の下部ヘッダから上部ヘッダへの内部流体の流れを示す
図である。

【図５】水管分岐部における上部水管を示す平面図であ
る。

【図６】水管分岐部におけるじゃま板付きの下部水管を
示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

【図７】図５の上部水管に図６の下部水管を取り付ける
際の接合個所を説明するための図である。

【図８】従来の自然循環ボイラの構造の一例を概略的に
示す図である。

【図９】図８における水壁の構造の説明するための部分
図である。

【図１０】図８における水壁のうち燃焼ガスを素通りさ
せる個所の構造を説明するための部分図である。

【符号の説明】

１ 水管 １ａ 上部水管 １ｂ 下部水管 ２ じゃま板 ３ 下部ヘッダ ４ 上部ヘッダ ５ 水壁 ６ スクリーン管 ７ 降水管 ８ 熱交換器 １０ 水管分岐部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部が二股に分岐し、先端部が上部ヘッ
   ダに接続される分岐部を有する伝熱管を備えた自然循環
   ボイラにおいて、 前記分岐部に、内部流体が下部から上部に流れる際に前
   記分岐部の上流側で前記伝熱管を上昇する流れを二分す
   るとともに、分岐部の一方から他方への内部流体の流れ
   を阻止するじゃま板が設けられていることを特徴とする
   自然循環ボイラ。
2. 【請求項２】 前記伝熱管は前記分岐部を含む上部水管
   と、この上部水管の底部に接続された下部水管とからな
   り、 前記じゃま板は前記分岐部の略Ｕ字形の底部から前記下
   部水管のほぼ中央に沿って下方に所定長さ設けられてい
   ることを特徴とする請求項１記載の自然循環ボイラ。
3. 【請求項３】 前記じゃま板の上端部は前記上部水管の
   内壁に沿って密接していることを特徴とする請求項２記
   載の自然循環ボイラ。
4. 【請求項４】 上部が二股に分岐し、先端部が上部ヘッ
   ダに接続される分岐部を有する自然循環ボイラ用の伝熱
   管を製造する方法において、 前記分岐部は、略Ｕ字状に曲げられた上部水管と、この
   上部水管に溶接された下部水管とからなり、 前記上部水管の前記曲げられた略Ｕ字状の底部に孔を穿
   設し、 前記下部水管の軸方向に沿って前記開放端から前記下部
   水管の流路を二分するようにじゃま板を予め溶接してお
   き、 前記じゃま板の先端部が前記略Ｕ字状の上部水管の内壁
   に少なくとも線的に密接するように前記じゃま板の先端
   部を成形し、 前記じゃま板が突出し、上端が開放された下部水管の開
   放端を前記孔を塞ぐように前記上部水管に溶接して製造
   することを特徴とする伝熱管の製造方法。