JP2003161402A - 多管式貫流ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 送風機の大型化を伴うことなく大容量の小型
貫流ボイラを得ること。 【解決手段】 蒸気を発生させる多管式貫流ボイラの構
造であつて、放射伝熱部である火炉２を多数の垂直水管
６を環状に配置してなる環状水管壁５で形成し、接触伝
熱部であるガス通路１１を両側が多数の垂直水管１３を
直線状に配置してなる直線状水管壁１２で形成し、ガス
通路１１内に多数の垂直水管１９、２１、２３からなる
水管群１６、１７、１８を配置し、放射伝熱部と接触伝
熱部とを伝熱的に分離した構造としている。これによ
り、放射伝熱部と接触伝熱部とをそれぞれ個別に最適化
し、接触伝熱部については吸収熱量に見合つた圧力損失
に設定することができ、燃焼ガス量いいえれば燃焼空気
圧力を過剰に増加させず、所要の容量の送風機を使用し
得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気を発生させる
多管式貫流ボイラに関し、詳細には、環状水管壁で形成
された火炉を備え、火炉の上部に燃焼バーナを装着して
燃焼させ、燃焼火炎及び燃焼ガスにより蒸気を発生させ
る多管式貫流ボイラに関する。

【０００２】

【従来の技術】多管式貫流ボイラにおいて、多数の垂直
水管（以下、水管という）を環状に配置してなる環状水
管壁を半径方向に間隙を空けて同心状に２列設け、内側
の環状水管壁で囲まれた空間を火炉とし、内側と外側の
環状水管壁間の空間を燃焼ガス通路（以下、ガス通路と
いう）とするものが知られている。この多管式貫流ボイ
ラは、火炉の上部に装着された燃焼バーナにより燃焼
し、発生した燃焼ガスが内側の環状水管壁に形成された
火炉出口からガス通路に流入し、外側の環状水管壁に形
成されたガス通路出口から煙道に流出するようになつて
いる。すなわち、内側の環状水管壁の水管が火炉に面す
る側において燃焼による放射伝熱を吸収する放射伝熱部
で、内側及び外側の環状水管壁の水管がガス通路に面す
る側において燃焼ガスの熱を吸収する接触伝熱部であ
り、燃焼火炎及び燃焼ガスからの熱を吸収して蒸気を発
生するようになつている。そして、構造がコンパクトで
伝熱効率がよいことから、伝熱面積と蒸気圧力が比較的
低く設定された小型貫流ボイラの主流として採用されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、小型貫流ボイラ
については、この規格の範囲内で蒸気発生量を増大させ
ること、すなわち大容量化することが要望されている。
ところが、大容量化することにより燃焼ガス量が増加
し、接触伝熱部における燃焼ガスの圧力損失が大きくな
り、吸収熱量に対する圧力損失の割合を適性範囲に設定
し難い。その結果、所要の吸収熱量を確保するために
は、燃焼空気圧力を必要以上に増加せねばならず、送風
機が大型化し、その消費電力が多大になるという問題点
がある。

【０００４】すなわち、小型貫流ボイラにおいては、従
来からこの圧力損失の改善に対して各種の提案がなされ
ている。例えば、ガス通路に面する内側及び外側の環状
水管壁の水管の配列ピツチ角を同一に設定すること
（例、実開昭５６−１２８９０１号公報等参照）、ひれ
状フイン付管、環状フイン付管等を水管として使用する
こと（例、実開昭５７−６１３０２号公報、特開昭６０
−２３２４０２号公報、実公昭６１−４３０４２号公
報、特公平６−１３９２１号公報等参照）、ガス通路を
上下に仕切つて燃焼ガスを下部から上部に流入させるこ
と（例、特開平３−７０９０１号公報参照）等である。
ところが、これらの技術によつても、燃焼ガスが火炉か
ら急激に向きを替え、しかも２分割されて狭長なガス通
路に流入し、あるいは下部から上部に急激に向きを替
え、しかも２分割されて内側と外側の環状水管壁管の上
部における狭長なガス通路に流入するため、燃焼ガスの
吸収熱量に対する圧力損失の割合が増大し、所要の蒸気
発生量に必要とされる燃焼ガス量を高い圧力で供給せね
ばならず、圧力損失の問題は十分に解決されているとは
いえない状況である。従つて、大容量化する場合には、
燃焼ガス量が増加することから、吸収熱量に対する圧力
損失の割合は益々増大することになる。

【０００５】そこで、圧力損失の原因が従来の多管式貫
流ボイラの構造自体、すなわち内側の環状水管壁と外側
の環状水管壁とを同心状に配置した構造で、吸収熱量に
対する圧力損失の適性割合が同心状配置寸法等で制約さ
れていることにあることから、従来の多管式貫流ボイラ
の構造についてさらに検討した。その結果、放射伝熱部
と接触伝熱部とを伝熱的に分離した構造にし得るなら
ば、従来の多管式貫流ボイラの利点を生かしつつ前記同
心状配置寸法の制約が解除され、吸収熱量に対する圧力
損失の割合を適性範囲に設定し得るようにガス通路の形
状、面積等を設定し、送風機の大型化を伴うことなく小
型貫流ボイラの規格の範囲内で大容量化し得るというこ
とが明らかになつた。

【０００６】本発明は、前記従来の状況に鑑みてなされ
たもので、その課題は、送風機の大型化を伴うことなく
小型貫流ボイラの大容量化をなし得る多管式貫流ボイラ
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明では、放射伝熱部である火炉を多数の水管を
環状に配置してなる環状水管壁で形成し、接触伝熱部で
あるガス通路を両側が多数の水管を直線状に配置してな
る直線状水管壁で形成し、ガス通路内に多数の水管から
なる水管群を配置し、放射伝熱部と接触伝熱部とを伝熱
的に分離した構造としている。これにより、放射伝熱部
と接触伝熱部とをそれぞれ個別に最適化し、接触伝熱部
については吸収熱量に見合つた圧力損失に設定すること
ができ、燃焼ガス量いいえれば燃焼空気圧力を過剰に増
加させず、所要の容量の送風機を使用し得る。

【０００８】本発明の多管式貫流ボイラは、多数の水管
を環状に配置してなる環状水管壁で形成され、上部に燃
焼バーナを装着して燃焼させる火炉と、両側が多数の水
管を直線状に配置してなる直線状水管壁で形成され、火
炉出口に接続されたガス通路とを備え、ガス通路内に多
数の水管からなる水管群が配置されていることを特徴と
している。

【０００９】ガス通路は、火炉に対して放射方向、放射
方向から平行に偏位した方向、放射方向に交差する方向
のいずれの方向に向けて配置されていてもよい。ガス通
路内に配置された水管群は、火炉出口側から順に配置さ
れた前段水管群と後段水管群とからなり、前段水管群は
厚肉のひれ状フインを有するひれ状フイン付管からなる
水管を備え、後段水管群は薄肉で幅広の環状フインを有
する環状フイン付管からなる水管を備えていてもよい。
ひれ状フインの肉厚は、吸収熱量の増加とフイン焼損と
のバランスに基づいて設定され、環状フインの肉厚及び
面積は温度低下した燃焼ガスからの吸収熱量の増加と圧
力損失の低下を両立させるように設定されている。な
お、環状フイン付管は、フインが水管の外周に連続して
設けられた水管で、フインが鍔状で管の長手方向に並列
状に多数設けられたもの、管の長手方向に螺旋状に設け
られたもの等をも含む。水管群の水管の配列は、千鳥配
列、碁盤目配列等いずれでもよいが、吸収熱量からみれ
ば千鳥配列が好ましい。火炉出口に環状水管壁の水管が
無い場合には、前段水管群の火炉出口に面する最前列及
び２列目の水管は、フインの無い裸管とすることが好ま
しく、火炉出口における高温の燃焼ガスによる吸収熱量
の急増とフインの焼損を防止し得る。

【００１０】火炉出口は、上部側が閉じられていてもよ
く、燃焼バーナの保炎部直近からの未燃燃焼ガスのシヨ
ートパスを防止し、一酸化炭素の排出量を低減させ得
る。その際、火炉出口に環状水管壁の水管が無い場合に
は、ガス通路に配置された前段水管群の火炉出口に面す
る最前列の水管の上部側をシールフインで連結して閉じ
てもよい。火炉出口に環状水管壁の一部の水管が間隙を
空けて配置されている場合には、前記水管間の上部側を
シールフインで連結して閉じてもよい。これらの場合に
は、火炉出口に面する水管とその下流の水管との間には
ガス通路内の水管群におけるよりも広い空間が設けられ
ていることが好ましく、ガス通路の下部側から流入する
燃焼ガスが前記空間で上部側へも拡散し、特に後段水管
群における下部側への偏流を抑制して上下に均一に拡散
して流し得る。また、ガス通路の出口面積は、通路面積
よりも小さく設定されていることが好ましく、ガス通路
出口における燃焼ガスの温度低下によるガス流速の低下
を抑制し、ガス流速を高めることによる吸収熱量の増加
を図り得る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図に基づいて
説明する。図１〜３は、第１実施形態の概念的な説明図
である。図１〜３において、１は小型貫流ボイラ、２は
上部に燃焼バーナ（図示せず）を装着して燃焼させる火
炉である。３は下部管寄せ、４は上部管寄せである。上
部管寄せ４は、図２に示すように、環状部と矩形状部と
が一体に組合わされた形状であり、下部管寄せ３も同様
の形状である。５は環状水管壁で、図１及び図３に示す
ように、下部管寄せ３と上部管寄せ４との環状部をその
一部、すなわち矩形状部と接続する付近を除いて多数の
水管６で連結し、各水管６の間隙をシールフイン７で閉
じて形成されている。この環状水管壁５と各管寄せ３、
４で囲まれた環状の空間が火炉２となり、水管６が取付
けられていない部位が全高にわたつて開口された火炉出
口８である。

【００１２】１１はガス通路、１２は直線状水管壁であ
る。直線状水管壁１２は、図１及び図３に示すように、
下部管寄せ３と上部管寄せ４との矩形状部の両側寄りを
多数の水管１３で連結し、各水管１３の間隙をシールフ
イン１４で閉じて形成されている。各直線状水管壁１２
と各管寄せ３、４で囲まれた縦断面矩形状の空間がガス
通路１１である。各直線状水管壁１２は、前端の水管１
３が火炉出口８の両側にある環状水管壁の水管６とシー
ルフイン１５で連結され、環状水管壁５に密封状に接続
されている。なお、ガス通路１１の形状は、縦断面及び
横断面が矩形状であるが、他の形状でもよい。小型貫流
ボイラ１の容量に応じて燃焼ガスの吸収熱量に対する圧
力損失の割合が所定範囲になるように設定されていれば
よく、例えば横断面がガス通路出口２５側に向けて順次
狭くなる形状でもよい。

【００１３】ガス通路１１には、火炉出口８側から順に
配置された前段水管群１６と後段水管群１７とからなる
水管群１８が設けられている。各水管群の水管１９、２
１、２３は、図３に示すように、下部管寄せ３と上部管
寄せ４との矩形状部を連結して取付けられている。前段
水管群１６は、火炉出口８寄り、すなわち燃焼ガスの流
れ方向の上流側に配置され、図１及び図３に示すよう
に、千鳥配列で設けられている。最前列の水管１９は、
火炉出口８に面して配置され、燃焼火炎による放射熱を
受けるとともに、１．３００℃程度の高温の燃焼ガスに
接触することになるため、裸管からなつている。最前列
の水管１９間及び直線状水管壁１２の前端の水管１３と
の間隙が上部側においてシールフイン２０で連結されて
いる。２列目以降の水管２１は、両側に水平に突出した
ひれ状フイン２２が管の長手方向に並列状に多数取付け
られたひれ状フイン付管からなり、ひれ状フイン２２が
ガス通路１１の幅方向に向くように配置されている。ひ
れ状フインの肉厚は、吸収熱量の増加とフイン焼損との
バランスに基づいて設定されている。前段水管群１６の
２列目以降の水管２１が配置された部位における直線状
水管壁の水管１３には、ガス通路１１側に水平に突出し
てひれ状フイン２２が取付けられている。なお、最前列
の水管１９と２列目の水管２１との間には２列目以降の
水管２１の配列よりも広い空間が設けられている。２列
目以降の水管２１のひれ状フイン２２は、隣接する水管
２１と接触しないように間隙を空けて設けられている。

【００１４】後段水管群１７は、前段水管群１６の後方
に同様の千鳥配列で設けられている。後段水管群の水管
２３は、薄肉で幅広の環状フイン２４を有する環状フイ
ン付管からなり、環状フイン２４の肉厚及び面積は温度
低下した燃焼ガスからの吸収熱量の増加と圧力損失の低
下を両立させるように設定されている。

【００１５】２５は、ガス通路１１の出口で、出口規制
部材２６によりガス通路１１を側方に狭めて形成されて
おり、その面積がガス通路１１の通路面積よりも小さく
設定されている。これにより、ガス通路出口２５におけ
る燃焼ガスの流速が高められ、ガス通路内の水管群１
６、１７、１８により熱吸収されて温度低下した燃焼ガ
スからも効率良く熱回収される。ガス通路出口２５の面
積は、大きな圧力損失を招かない程度に設定される。な
お、９は下部管寄せ３に水を供給する給水管、１０は上
部管寄せ４に集められた蒸気が流出する蒸気出口であ
る。

【００１６】第１実施形態の小型貫流ボイラ１は、前記
のように構成されており、その作用を説明する。火炉２
の上部に燃焼バーナ（図示せず）を装着して燃焼し、発
生した燃焼ガスが火炉出口８から噴出してガス通路１１
に流入し、ガス通路１１を通過してガス通路出口２５か
ら煙道（図示せず）に流出する。この間、放射伝熱部で
ある火炉２においては、火炉２を形成する環状水管壁の
水管６が主として燃焼火炎による放射伝熱を受け、環状
水管壁の水管６を流れる水が熱吸収して蒸気になる。発
生した蒸気は、水管６の上部で同様にして熱吸収し、高
温の蒸気になつて上部管寄せ４に流入する。一方、接触
伝熱部であるガス通路１１においては、火炉出口８から
流入した燃焼ガスが前段水管群１６、後段水管群１７及
び両側の直線状水管群１２に接触しながら流れ、それぞ
れの水管１３、１９、２１、２３が燃焼ガスから接触伝
熱を受け、水管１３、１９、２１、２３を流れる水が熱
吸収して蒸気になる。発生した蒸気は、それぞれの水管
１３、１９、２１、２３の上部で同様にして熱吸収し、
高温の蒸気なつて上部管寄せ４に流入する。

【００１７】ところで、燃焼ガスについては、１，３０
０℃程度の高温状態でガス通路１１の下部側から流入す
る。流入する際、前段水管群１６の最前列の水管１９の
下部側を通り抜け、熱吸収される。最前列の水管１９を
通過した後、２列目の水管２１との空間において上部側
にも拡散し、２列目以降の水管２１に接触しながら均一
に流れる。そして、その間に水管２１に設けられたひれ
状フイン２２にも接触しながら流れ、ひれ状フイン２２
によつても熱吸収される。前段水管群１６を通過した
後、後段水管群１７に流入し、水管２３及び環状フイン
２４に接触しながら流れて熱吸収される。後段水管群１
７に流入する際には、約６００℃に温度低下している
が、水管２３が薄肉で幅広の環状フイン２４を有するも
のであるため、効率良く熱吸収される。後段水管群１７
を通過した後、ガス通路出口２５から煙道に流出する
が、ガス通路出口２５の面積が通路面積よりも小さいこ
とから、後段水管群１７を通過した後の温度が３００℃
程度まで低下しているにもかかわらず、流速を低下させ
ないで流出することになる。

【００１８】次に、図４は本発明の第２実施形態の概念
的な説明図である。第２実施形態は、第１実施形態の変
形例で、ガス通路１１を火炉２の放射方向から平行に偏
位した方向に向けて配置したものである。図４に示すよ
うに、ガス通路１１の側方で火炉２の後方にスペースが
生じることから、このスペースを送風機等の補機の設置
に使用し得る。なお、図１と同一の符号は、同一の機能
部材を意味する。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、放射伝熱部である火炉
と接触伝熱部であるガス通路とが伝熱的に分離されてい
るため、それぞれに要求される条件に応じて個別に設定
し得る。しかも、接触伝熱部であるガス通路について
は、通路形状、通路面積、水管の配列、水管の形態等に
ついても自由度が高く、吸収熱量に対する圧力損失の割
合を低減し、しかも吸収熱量を増加させることが可能で
あり、圧力損失を補充するために必要とされる以上に燃
焼ガス圧力を増加する必要がなく、所要の容量の送風機
を採用することができる。従つて、大型の送風機を使用
しないで小型貫流ボイラの規格範囲内において蒸気発生
量を増大させること、すなわち小型貫流ボイラの大容量
化が可能になつた。火炉の環状水管壁が１列で、火炉の
外側寸法すなわち全幅寸法が小さくなるため、小型貫流
ボイラの設置間口が減少する。そして、従来と同一規模
の蒸気発生プラントに適用する場合には、１台当たりの
蒸気発生量が多いことから、設置台数を減少することが
でき、大幅な省スペース化が可能になつた。また、火炉
に対するガス通路の配置を自由に選択し得ることから、
例えば火炉に対して放射方向から平行に偏位した方向に
向けて配置する場合には、送風機等の補機の設置スペー
スをガス通路の側方で火炉の後方に確保することがで
き、全体として大幅な省スペース化が可能になつた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の要部の概念的説明図で
ある。図３のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図に相当する図で
あるが、要部である火炉及びガス通路における水管の配
列構造を中心として示し、他の部材を省略している。

【図２】本発明の第１実施形態の小型貫流ボイラの概念
的平面図である。

【図３】本発明の第１実施形態の要部の概念的説明図で
ある。図２のＡ−Ａ線に沿う断面図に相当する図である
が、要部である火炉及びガス通路における水管の配列構
造を中心として示し、他の部材を省略している。

【図４】本発明の第２実施形態の要部の概念的説明図
で、図１に対応する図である。要部である火炉及びガス
通路における水管の配列構造を中心として示し、他の部
材を省略している。

【符号の説明】 １ 小型貫流ボイラ ２ 火炉 ３ 下部管寄せ ４ 上部管寄せ ５ 環状水管壁 ６ 環状水管壁
の水管 ８ 火炉出口 １１ 燃焼ガス通
路（ガス通路） １２ 直線状水管壁 １３ 直線状水
管壁の水管 １６ 前段水管群 １７ 後段水管
群 １８ 燃焼ガス通路（ガス通路）に配置された水管群 １９ 前段水管群の最前列の水管 ２１ 前段水管群の２列目以降の水管 ２２ ひれ状フ
イン ２３ 後段水管群の水管 ２４ 環状フイ
ン ２５ 燃焼ガス通路出口（ガス通路出口）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河岡 幸伸 広島県呉市昭和町４番41号 石川島汎用ボ イラ株式会社内 (72)発明者 浜岡 勉 広島県呉市昭和町４番41号 石川島汎用ボ イラ株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の垂直水管（６）を環状に配置して
   なる環状水管壁（５）で形成され、上部に燃焼バーナを
   装着して燃焼させる火炉（２）と、両側が多数の垂直水
   管（１３）を直線状に配置してなる直線状水管壁（１
   ２）で形成され、火炉出口（８）に接続された燃焼ガス
   通路（１１）とを備え、燃焼ガス通路（１１）内に多数
   の垂直水管（１９、２１、２３）からなる水管群（１
   ６、１７、１８）が配置されていることを特徴とする多
   管式貫流ボイラ。
2. 【請求項２】 燃焼ガス通路（１１）内に配置された水
   管群（１８）は、厚肉のひれ状フイン（２２）が設けら
   れた垂直水管（２１）を備えた前段水管群（１６）と、
   薄肉で幅広の環状フイン（２４）が設けられた垂直水管
   （２３）を備えた後段水管群（１７）とからなる請求項
   １記載の多管式貫流ボイラ。
3. 【請求項３】 火炉出口（８）は、上部側が閉じられて
   いる請求項１又は２記載の多管式貫流ボイラ。
4. 【請求項４】 燃焼ガス通路（１１）は、出口面積が通
   路面積よりも小さく設定されている請求項１〜３のいず
   れか１項記載の多管式貫流ボイラ。