JP2005098608A - 多管式ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】 多管式ボイラに於いて、水管の伝熱性をより一層高めることにより、ボイラの小型軽量化と省電力等を図る。
【解決手段】 水管列により形成した燃焼室から燃焼ガスを隣接する水管相互の隙間を通して燃焼室の外側の燃焼ガス通路へ流通させる構成の多管式ボイラに於いて、前記隣接する水管相互の間隙の燃焼ガス通路側の位置に水管に沿ってセラミック輻射体を配置し、当該セラミック輻射体からの輻射熱を前記水管の燃焼ガス通路側の伝熱面により受熱する。【選択図】 図１

Description

本発明は多管式ボイラの缶体構造の改良に関するものであり、水管相互の間隙部の伝熱面や燃焼室と反対側の水管の伝熱面を有効に活用することにより、ボイラの総合的な伝熱効率を高め、ボイラの小型化及び軽量化を可能とした多管式ボイラに関するものである。

伝熱面積が５ｍ² 以下・蒸気発生量が１００〜４００ｋｇ／Ｈ程度の多管式ボイラは、経済性や運転操作の簡便性とも相俟って事務所ビルや一般工場等で広く活用されている。
しかし、これ等の小型多管式ボイラに於いても、近年より一層の小型軽量化と省電力を図ることをユーザから強く要望されている。

而して、前記ボイラの小型軽量化や省電力、燃料消費量の低減等を図るためには、燃焼ガス温度を高めると共に、燃焼用ファン動力の増加を来たすことなしにより高い伝熱効率を達成することが必須の要件となる。何故なら、伝熱効率は燃焼ガス温度と燃焼ガス流速に比例して向上するからである。

ところで、この種のボイラの缶体では、一般に複数本の水管を環状に配置し、この水管列の内側を燃焼室とすると共に、水管列の間にガス通路が形成されている。また、燃焼室では主に輻射による伝熱が行われ、ガス通路部では主に対流による伝熱が行われている。燃焼室の反対側の水管の伝熱面では、対流による伝熱が僅かに行なわれているが、あまり有効に活用されていないのが現状である。

また、燃焼ガス温度の方も、サマールＮＯｘを抑制する必要から１２００℃以上に高めることは困難であり、どちらかと云えば低温燃焼が望まれる傾向にある。従って、水管の燃焼室側の伝熱面に於ける輻射伝熱による伝熱性は、現状以上に高めることが困難である。

これに対して、燃焼ガスが燃焼室から燃焼ガス通路（煙道）へ向う部分の伝熱面（水管相互の間隙部や水管の燃焼室と反対側位置の伝熱面）は対流伝熱であるため、燃焼ガスの通過スピードを上昇させることによりその伝熱性を向上させ得る可能性がある。

しかし、対流による伝熱性を高めるために燃焼ガスの流通速度を上げると、圧力損失が増加してファン性能が限界を越えたり、消費電力の増加を招くことになり、この点から対流による伝熱性の向上にも一定の制約がある。

更に、小型多管式ボイラ（例えばボイラ缶体の口径約８００ｍｍφ、高さ約１２００ｍｍ程度）であっても、蒸気温度が１７０℃〜１８０℃位いの高温になるため、缶体そのものが相当に熱膨脹をする。
そのため、燃焼ガス通路となる水管と水管の間隙（通常は１．２〜２ｍｍ）を缶体の製作時に厳密に管理しなければならないが、間隙の高精度な規制を要求すると缶体の製造コストが上昇することになる。
その結果、現実には前記間隙の不揃いに起因する燃焼ガスの偏流が発生し、総合的な伝熱効率の低下を来たしている。

一方、水管の燃焼室と反対側伝熱面に於ける対流による伝熱特性を高めることにより、上述の如き問題の解決を図ろうとする技術は、従前からも開発されている。

図８及び図９はその一例を示すものであり、環状の上部管寄せ１と下部管寄せ２との間に水管３を約１．０〜１．５ｍｍの間隙４を置いて竪向きに配設し、ボイラ外壁５と環状の水管壁との間隙を燃焼ガス通路６とすると共に、水管３の燃焼ガス通路６側に約１．０〜１．５ｍｍの間隙４′を置いて熱伝達促進カバー１０を取り付けることにより、ボイラ缶体の主要部が形成されている。
尚、図８及び図９に於いて７は燃焼装置、８は燃焼室、９は水管端部の溶接部、１１は隔壁、１２は煙道、１３は煙突である。

上記図８及び図９の缶体構造を備えた多管式竪型ボイラでは、燃焼室８内で発生した高温の燃焼ガスの熱が先ず輻射伝熱により水管３内の熱媒体に吸収されると共に、間隙４を通過する間に対流伝熱による熱交換をし、更に、間隙４′を通過する間に対流伝熱による熱交換をする。その結果、伝熱効率が向上して総合的な熱効率が上昇し、ボイラの大幅な小型軽量化が図れると云う利点を有している。

しかし、図８及び図９の如き構成の多管式竪型ボイラにあっても、水管３の間隙４や熱伝達促進カバー１０と水管３との間隙４′を缶体製作上極めて厳密に管理する必要があり、必然的に缶体製作費の低減が図れないと云う問題がある。

また、熱伝達促進カバー１０による伝熱性の向上も、主として間隙４′を流通する燃焼ガス流速の上昇による対流伝熱性の向上により得られるものであるため、結果として燃焼ガスの流通抵抗の増加による通風ファンの容量増加を必要とすることになり、電力費の増加等を招くと云う問題がある。

実公昭５３−４３９２１号 特開昭５７−３１７０３号

本発明は、従前の多管式ボイラに於ける上述の如き問題、即ち（イ）熱伝達カバーを用いて伝熱性の向上を図る場合には、缶体の製作コストの引下げが困難なこと、（ロ）燃焼用ファンの大型化や電力費の増加を招くこと、（ハ）熱膨脹による水管と熱伝達カバーの間の間隙の変化により燃焼ガスの偏流が生じ、伝熱性の向上が達成し難くなること等の問題を解決せんとするものであり、燃焼室から燃焼ガスが抜け出る水管相互間の間隙の下流部（燃焼室と反対側の位置）に、隣接する水管相互の間隔即ち燃焼ガスの通過スペースを正確に規制、確保することが可能な形態のセラミック輻射体を配設し、セラミック輻射体からの輻射熱を水管の燃焼ガス通路側の伝熱面に受熱させることにより、総合的な伝熱効率を高めることを可能とした多管式ボイラを提供するものである。

本願請求項１の発明は、水管列により形成した燃焼室から燃焼ガスを隣接する水管相互の隙間を通して燃焼室の外側の燃焼ガス通路へ流通させる構成の多管式ボイラに於いて、前記隣接する水管相互の間隙の燃焼ガス通路側の位置に水管に沿ってセラミック輻射体を配置し、当該セラミック輻射体からの輻射熱を前記水管の燃焼ガス通路側の伝熱面により受熱する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に於いてセラミック輻射体を、断面形状がほぼＴ字形又は四角形の棒状体若しくは複数の球状体からなるセラミック輻射体とするようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、水管列を縦向きの水管列とすると共に、断面形状がＴ字形又は四角形の棒状のセラミック輻射体の一部を隣接する両水管の外壁面へ接触させ、水管列を形成する水管相互の間隙をセラミック輻射体により所定の間隙寸法に規制、保持するようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、水管列を縦向きの水管列とすると共に複数のセラミック球状体を、燃焼ガス通路内の隣接する水管相互の間へ縦向きに積層するようにしたものである。

請求項５の発明は、請求項４の発明に於いて、セラミック球状体を隣接する各水管の外壁面及び燃焼ガス通路を形成するボイラ外壁へ接触させることにより、水管列を形成する水管相互の間隙を所定の間隙寸法に規制、保持するようにしたものである。

本願発明に於いては、燃焼ガスによって加熱された高温のセラミック輻射体から放射された輻射熱が、水管相互の間隙部の伝熱面や燃焼室と反対側の水管の伝熱面に有効に受熱されることになり、総合的な熱効率が大幅に向上する。

また、本願発明に於いては、隣接する水管と水管との位置関係がセラミック輻射体によって正確に且つ確実に規制、保持されることになる。その結果、缶体製作時に、水管相互間の間隙の寸法精度を容易にしかも正確に所定の値（例えば２〜３ｍｍ）に保持することができ、缶体の製作費の大幅な削減が可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の各実施形態を説明する。
図１は、第１実施形態に係る小型多管式ボイラの縦断面概要図であり、図２はその横断面概要図である。また、図３は棒状のセラミック輻射体の斜面図である。

図１及び図２に於いて、１は環状の上部管寄せ、２は環状の下部管寄せ、３は水管列を形成する水管、４は水管相互の間の間隙、４ａは水管とセラミック輻射体１６との間の間隙、５はボイラ外壁、６は燃焼ガス通路、７は燃焼装置、８は燃焼室、９は水管の溶接部、１２は煙道、１４は底部壁体、１５は煙道連結部、１６はセラミック輻射体、Ｇは燃焼ガス流であり、多管式ボイラの缶体構造そのものは公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

前記水管３は一定の間隙４を置いて円周上に複数本配列されており、水管列により所謂水管壁が形成されている。
また、水管壁の内部空間は燃焼室８となっており、天井壁に取付けした燃焼装置７によりバーナ燃焼が行なわれる。

燃焼室８内で発生した燃焼ガスＧは、水管３相互の間の間隙４及び後述するセラミック輻射体１６と水管３の間の間隙４ａを通って燃焼ガス通路６へ流入し、当該燃焼ガス通路６内を上昇して煙道１２から煙突連結部１５へ排出される。

前記棒状のセラミック輻射体１６は、図３に示すように横断面形状がほぼＴ形に形成されており、その両側の側面１６ａ、１６ｂは水管３とほぼ同芯状の彎曲面に形成されている。

即ち、セラミック輻射体１６は水管３とほぼ同等の長さ寸法を有しており、その上方部及び下方部の一定寸法Ｌの長さ部分の側面１６ａは、水管３の外径とほぼ同半径の同芯状彎曲面に形成されている。

また、セラミック輻射体１６の寸法Ｌａの中間部分の側面１６ｂは、水管３の外径よりも大きな半径の同芯状彎曲面に形成されており、当該セラミック輻射体１６を燃焼ガス通路６側の水管３と水管３の間の所定位置へ配設したときには、各水管３の外壁面との間に一定の間隙４ａが形成されるようになっている。

当該セラミック輻射体１６は、図２に示すように、その内側へのＴ字形に於ける突片（断面ほぼＴ形の突部）１６ｃ、１６ｄを隣接する水管３と水管３の間へ挿入させた状態で縦向きに配設され、その上端面及び下端面を適宜に上・下管寄せ１、２等へ固定することにより、所定の位置に配列固定されている。

また、セラミック輻射体１６が所定位置に固定された場合には、その上・下両端部の各側面１６ａが水管３の外壁面へ接触し、またその中間部の側面１６ｂは、水管３との間に一定の間隙４ａを保持した状態となっている。
即ち、棒状のセラミック輻射体１６は、隣接する水管３・３の間隙４を規制、保持するためのスペーサとしての機能を果すことになる。

前記燃焼室８内の高温燃焼ガスＧの熱は、輻射伝熱により水管壁の燃焼室８側の伝熱面から水管３内の熱媒体へ吸収される。
また、発生した燃焼ガスＧは、水管３と水管３の間の間隙４及び水管３とセラミック輻射体１６の間の間隙４ａを通して燃焼ガス通路６内へ流入し、その間に燃焼ガスＧの熱は対流伝熱により水管３の燃焼ガス通路側の伝熱面へ吸収されると同時に、セラミック輻射体１６にも熱を与える。

即ち、セラミック輻射体１６は、水管３の間隙４を通して照射される燃焼室８からの輻射熱と、間隙４、４ａを流通する燃焼ガスＧの対流伝熱とによって加熱されると共に、吸収した熱を輻射熱の型で放射する。そして、セラミック輻射体１６から放射された熱は、水管３の燃焼ガス通路側の伝熱面へ与えられ、熱媒体に吸収される。

上述のように、セラミック輻射体１６を設けることにより、燃焼ガスの熱が水管３の燃焼ガス通路側の伝熱面へ輻射熱の型で与えられことになり、従前の水管３の燃焼ガス通路側の伝熱面へ対流伝熱により伝熱される場合に比較して、熱の伝熱特性が大幅に向上し、総合的な熱効率が約２〜３％程度上昇する。

図４及び図５は本発明の第２実施形態を示すものであり、当該第２実施形態に於いては、棒状のセラミック輻射体１７として断面形状が四角形の柱状体を使用するようにしている。
即ち、図５に示すように、セラミック輻射体１７の上方部及び下方部は、一定寸法Ｌの長さに亘って断面積が大きくされており、また、距離Ｌａの中間部分は、断面積が若干小さくされている。

その結果、当該セラミック輻射体１７を図４に示す如く水管３の燃焼ガス通路６側へ、一つの稜線１７ｃを両水管３・３の間へ位置させた状態で配置することにより、その上方部及び下方部の両側面１７ａが水管３へ接当すると共に、中間部の両側面１７ｂは水管３との間に間隙４ａを形成することになる。即ち、セラミック輻射体１７の上方部及び下方部は、水管３のスペーサの機能を果すことになる。

尚、セラミック輻射体１７が果たす伝熱性の改善の点に関する作用は、前記第１実施形態の場合と同様であるため、ここではその説明を省略する。

また、前記第１実施形態及び第２実施形態に於いては棒状のセラミック輻射体１７の断面形状をほぼＴ字形及び四角形としているが、水管３の燃焼ガス通路側の隣接する水管３の間に介挿することができ、且つ水管３の外壁面との間に適宜の間隙４ａを保持することが出来る形態であれば、如何なる断面形状のものであってもよい。

更に、前記第１及び第２実施形態に於いては、セラミック輻射体１６、１７の上方部及び下方部を水管３のスペーサとして機能させる構成としているが、スペーサとしての機能をさせる部分をセラミック輻射体１６、１７の中間部分に分散して設ける構成としてもよい。

図６及び図７は本発明の第３実施形態を示すものであり、セラミック輻射体１８としてセラミック球状体１８ａを縦向きに積層する構成としたものである。
前記各セラミック球状体１８ａは燃焼ガス通路６の最小寸法Ｌｂよりも若干大きな直径の球体に形成されており、図７に示す如く、隣接する水管３・３とボイラ外壁５との間に縦向きに複数個積層されている。

即ち、各セラミック球状体１８ａは両水管３・３及びボイラ外壁５との３点に接触しており、これによって各水管３・３のスペーサとしての機能と、伝熱性向上の機能とを果たすことになる。

尚、セラミック輻射体１６、１７、１８の原材料としては、高い熱輻射特性及び機械的強度を具備するものであれば如何なる材質のものであっても良く、本願の各実施形態に於いては、アルミナを主体とするセラミックを使用している。

本発明は、主として多管式ボイラへ適用されるものであるが、多管式ボイラのみならず、他の型式のボイラや熱交換器、コエノマイザ等へも適用することが出来る。

第１実施形態に係る小型多管式竪型ボイラの縦断面概要図である。 図１のＡ−Ａ視断面概要図である。 セラミック棒状体の斜面図である。 第２実施形態に係る小型多管式竪型ボイラの縦断面概要図である。 第２実施形態に於けるセラミック棒状体の斜面図である。 第３実施形態に係る小型多管式竪型ボイラの縦断面概要図である。 図６のＡ−Ａ視断面概要図である。 従前の小型多管式竪型ボイラの断面概要図である。 図８のＡ−Ａ視断面概要図である。

符号の説明

１は上部管寄せ、２は下部管寄せ、３は水管、４は水管相互の間の間隙、４ａは水管とセラミック輻射体１６・１７との間隙、５はボイラ外壁、６は燃焼ガス通路、７は燃焼装置、８は燃焼室、９は溶接部、１２は煙道、１４は底部壁体、１５は煙道連結部、１６はセラミック輻射体、１７はセラミック輻射体、１８はセラミック輻射体、１８ａはセラミック球状体。

Claims (5)

1. 水管列により形成した燃焼室から燃焼ガスを隣接する水管相互の隙間を通して燃焼室の外側の燃焼ガス通路へ流通させる構成の多管式ボイラに於いて、前記隣接する水管相互の間隙の燃焼ガス通路側の位置に水管に沿ってセラミック輻射体を配置し、当該セラミック輻射体からの輻射熱を前記水管の燃焼ガス通路側の伝熱面により受熱する構成としたことを特徴とする多管式ボイラ。
2. セラミック輻射体を、断面形状がほぼＴ字形又は四角形の棒状体若しくは複数の球状体からなるセラミック輻射体とするようにした請求項１に記載の多管式ボイラ。
3. 水管列を縦向きの水管列とすると共に、断面形状がＴ字形又は四角形の棒状のセラミック輻射体の一部を隣接する両水管の外壁面へ接触させ、水管列を形成する水管相互の間隙をセラミック輻射体により所定の間隙寸法に規制、保持するようにした請求項１又は請求項２に記載の多管式ボイラ。
4. 水管列を縦向きの水管列とすると共に複数のセラミック球状体を、燃焼ガス通路内の隣接する水管相互の間へ縦向きに積層するようにした請求項１又は請求項２に記載の多管式ボイラ。
5. セラミック球状体を隣接する各水管の外壁面及び燃焼ガス通路を形成するボイラ外壁へ接触させることにより、水管列を形成する水管相互の間隙を所定の間隙寸法に規制、保持するようにした請求項４に記載の多管式ボイラ。

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