JP2005156131A - 水管ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】 水管ボイラの缶体において、高いボイラ効率を実現しつつ圧力損失を低く抑えるとともに、水管の熱負荷の均一化を図る。
【解決手段】 複数の第一水管３，３，…により構成され、隣接する前記各第一水管３間に所定範囲にわたって隙間５，５，…が形成された環状の第一水管列４と、この第一水管列４の内側に形成された燃焼室９と、前記第一水管列４の外側に設けられた壁部材１１と、前記第一水管列４と前記壁部材１１とにより形成されたガス流路１４とを備え、前記壁部材１１に前記各隙間５へ向かって突出部１３，１３，…を設ける。
【選択図】 図２

Description

この発明は、貫流ボイラ，自然循環式水管ボイラ，強制循環式水管ボイラなどの水管ボイラの缶体構造に関するものである。

水管ボイラの缶体構造には、複数本の水管を環状に配置して内側水管列を形成し、この内側水管列の内側に燃焼室を形成し、前記内側水管列の外側にさらに複数本の水管を環状に配置して外側水管列を形成し、両水管列によりガス流路を形成したものがある。前記燃焼室内では、主に輻射伝熱が行われ、前記ガス流路では、主に対流伝熱が行われる。

前記水管ボイラでは、ボイラ効率の向上を図るために、前記各水管に伝熱フィンを設けて伝熱面積を増加させる対策が実施されている。具体的には、前記両水管列における前記ガス流路側の伝熱面に横ヒレ形状の伝熱フィンを多段に設けて、ボイラ効率の向上を図っている（たとえば、特公平６−１３９２１号公報（米国特許第４８２５８１３号公報）参照）。

この構造の長所としては、前記伝熱フィンにより伝熱面積が増加してボイラ効率が向上するとともに、製造上の誤差によりボイラ効率が低くなることが少ないという長所がある。しかし、その反面、圧力損失が大きいという課題があり、大型の送風機を使用する必要があった。また、前記燃焼室から前記ガス流路へのガスの流入は、前記内側水管列に設けられた開口部を介して行われるが、この開口部が１箇所しかない場合、この開口部周辺の前記各水管の熱負荷が高くなるという課題があった。

特公平６−１３９２１号公報（米国特許第４８２５８１３号公報）

この発明が解決しようとする課題は、水管ボイラの缶体において、高いボイラ効率を実現しつつ圧力損失を低く抑えるとともに、水管の熱負荷の均一化を図ることである。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、複数の第一水管により構成され、隣接する前記各第一水管間に所定範囲にわたって隙間が形成された環状の第一水管列と、この第一水管列の内側に形成された燃焼室と、前記第一水管列の外側に設けられた壁部材と、前記第一水管列と前記壁部材とにより形成されたガス流路とを備え、前記壁部材に前記各隙間へ向かって突出部を設けたことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、前記第一水管列における前記ガス流路側に水平状の伝熱フィンを多段に設けたことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、前記壁部材が、複数の第二水管により構成された環状の第二水管列であり、前記各突出部が、前記各第二水管であることを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記第二水管列における前記ガス流路側に水平状の伝熱フィンを多段に設けたことを特徴としている。

この発明によれば、前記各突出部を設けることにより、前記ガス流路が前記第一水管列に沿って蛇行状の流路となり、流路断面積の拡大および縮小が少ないため、ガスが流れる際の圧力損失を低く抑えることができる。そして、前記各隙間から前記ガス流路へ流入するガスは、前記ガス流路を蛇行状に流れるガスの流れを受けて、前記各隙間の下流側に位置する前記各第一水管の周面を回り込んで、周面に沿うように流れ、ガスが前記各第一水管の周面全体に有効に接触して、伝熱量を増加させることができる。したがって、この発明によれば、高いボイラ効率を実現しつつ圧力損失を低く抑えることができる。また、ガスが複数の前記各隙間から前記ガス流路へ流入するため、伝熱量が前記各第一水管へ分散されて、前記各第一水管の熱負荷を均一化することができる。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明は、多管式の水管ボイラとして実施され、蒸気ボイラや温水ボイラのほか、熱媒を加熱する熱媒ボイラなどに適用される。

まず、この発明の第一の実施の形態について説明する。この発明に係る水管ボイラの缶体は、複数の第一水管により環状の第一水管列が形成され、この第一水管列の内側に燃焼室が形成されている。この第一水管列には、隣接する前記各第一水管間に所定範囲にわたって隙間が形成されている。すなわち、前記第一水管列は、前記所定範囲の隙間保有部と、残りの水管壁部とにより構成されている。この水管壁部は、前記各隙間が形成されておらず、前記各第一水管を密接して，あるいは前記各第一水管を第一連結ヒレで連結して構成されている。そして、前記第一水管列の外側には、円筒状の壁部材が設けられており、前記第一水管列と前記壁部材とによりガス流路が形成されている。このガス流路と前記燃焼室とが、前記各隙間を介して連通している。また、前記壁部材には、前記水管壁部と向かい合う位置に開口部が設けられており、前記ガス流路を流れるガスは、この開口部から外部へ排出される。

また、前記壁部材には、前記第一水管列における前記各隙間へ向かって複数の突出部が設けられている。これらの各突出部は、その先端が前記各隙間の中心部と向かい合うように設けられている。そして、前記各突出部の横断面形状は、たとえば半円状あるいは半楕円状をしているとともに、全体が前記各第一水管の軸方向へ延びるように、前記各第一水管と平行に設けられている。ここにおいて、前記各突出部は、前記壁部材に別の部材を固着することにより形成することもできるし、前記壁部材を波状に成形して、この波状の凸部を前記各突出部とすることもできる。このようにして、前記第一水管列における前記隙間保有部と前記壁部材とにより、前記ガス流路として蛇行状の流路が形成されている。

そして、前記第一水管列における前記ガス流路側には、実施に応じて、水平状の伝熱フィンが多段に設けられる。具体的には、前記隙間保有部に前記伝熱フィンとして第一伝熱フィンが設けられ、前記水管壁部に前記伝熱フィンとして第二伝熱フィンが設けられる。そして、前記第二伝熱フィンの突出高さを前記第一伝熱フィンの突出高さより高くしている。すなわち、前記ガス流路のうち前記所定範囲（すなわち、前記ガス流路のうち前記隙間保有部と前記壁部材とにより形成された部分）においては、ガスの温度が高くかつ流速が速いので、突出高さの低い前記第一伝熱フィンを設けて、圧力損失の増加を抑制しており、また前記各第一水管へ過度に熱が伝わるのを抑制して、前記各第一水管の過熱を防止している。そして、前記ガス流路のうち前記所定範囲外（すなわち、前記ガス流路のうち前記水管壁部と前記壁部材とにより形成された部分）においては、ガスの温度が低くかつ流速が遅いので、突出高さの高い前記第二伝熱フィンを設けて、伝熱面積を増加させ、伝熱量を増加させている。ここにおいて、実施に応じては、前記第一，第二伝熱フィンの突出高さを同じとすることもできる。

また、前記ガス流路のうち前記所定範囲の流路断面積は、前記ガス流路を流れるガスの流速の増加を抑えるように設定されている。具体的には、前記各隙間からのガスの合流により、前記ガス流路を流れるガスの流量が増加するので、前記流路断面積をガスの流れ方向の下流側へ向かって次第に増加させた構成としている。この構成により、前記ガス流路のうち前記所定範囲を流れるガスの流速をほぼ一定とすることができ、充分な伝熱量を得ることができ，かつ圧力損失があまり大きくならない適切なガス流速を維持することができる。ガス流速をほぼ一定とするにあたっては、ガス流速を所定の範囲に維持し、この所定の範囲内であれば、微増するものは含むものとする。

ここにおいて、前記ガス流路のうち前記所定範囲では、ガスから前記各第一水管内を流れる被加熱流体への伝熱が行われるため、ガスの温度が低下し、それに伴う体積減少分だけガス流量が減少するが、合流によるガス流量の増加量の方が大きいため、全体としては、ガス流量は増加する。したがって、前記流路断面積は、温度低下に伴う体積減少分も考慮して設定されている。一方、前記ガス流路のうち前記所定範囲外では、ガスの合流がなく、伝熱によるガス温度の低下に伴い、ガス流量は減少する。そこで、その流路断面積をガスの流れ方向の下流側へ向かって次第に減少させた構成としている。これにより、前記ガス流路のうち前記所定範囲外でも、充分な伝熱量を得ることができ，かつ圧力損失があまり大きくならない適切なガス流速を維持することができる。また、実施に応じては、たとえば前記ガス流路のうち前記所定範囲外の長さが短い場合は、その流路断面積を減少させない構成とすることもできる。

また、前記隙間保有部は、前記第一水管列の中心角において、１４０度〜３２０度の範囲にわたって設けられ、好ましくは約１８０度の範囲にわたって設けられている。そして、前記各隙間（具体的には、前記各隙間の幅）は、均等に設定することもできるが、下流側の前記隙間ほど前記開口部に近いため、ガスが流れやすく、ガス流量が大きくなる傾向があるため、前記各隙間は、前記ガス流路におけるガスの流れ方向の下流側のものほど小さく設定されている。この構成により、前記各隙間におけるガス流量の偏りを抑制し、前記各隙間においてほぼ均等なガス流量とすることができる。ここにおいて、前記各隙間の幅は、燃料がガス燃料の場合は、０．５〜３mmの範囲に設定され、燃料が油燃料の場合は、煤詰まりの防止を考慮して、１．５〜８mmの範囲に設定される。

以下、前記構成における作用について説明する。前記燃焼室内で燃料が燃焼して発生したガス（燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスを含む）は、前記各隙間から前記ガス流路へ流入し、前記ガス流路で合流して前記ガス流路を流れた後、前記開口部から外部へ排出される。この流れの過程で、ガスから前記各第一水管内の被加熱流体への伝熱が行われ、前記燃焼室内では、主に輻射伝熱が行われ、前記各隙間および前記ガス流路では、主に対流伝熱が行われる。また、ガスが前記各隙間を通過する際、燃焼反応中のガスが前記各第一水管に接触して冷却され、燃焼温度が低下するため、サーマルＮＯｘの発生が抑制され、ＮＯｘの排出量が低減される。

また、前記ガス流路は、前記各突出部を設けることにより、蛇行状の流路となり、流路断面積の拡大および縮小が少ないため、ガスが流れる際の圧力損失を低く抑えることができる。すなわち、前記蛇行状の流路は、ガスの流れ方向に沿ってほぼ一様な流路断面積をしており、ガスがなめらかに流れ、圧力損失が少ない。

そして、前記各隙間から前記ガス流路へ流入するガスは、前記ガス流路を蛇行状に流れるガスの流れを受けて、前記各隙間の下流側に位置する前記各第一水管の周面を回り込んで、周面に沿うように流れる（いわゆる、コアンダ効果が得られる。）。よって、ガスが前記各第一水管の周面全体に有効に接触して、伝熱量が増加する。前記第一伝熱フィンを
設けた場合は、ガスが前記各第一水管の周面に沿うように流れるため、ガスが前記第一伝熱フィンの全面に接触するように流れ、伝熱量がさらに増加する。また、前記第一，第二伝熱フィンは、水平状に設置されているため、ガスの流れが阻害されず、圧力損失を低く抑えることができる。

したがって、前記構成によれば、高いボイラ効率（熱回収率）を実現しつつ圧力損失を低く抑えることができる。高いボイラ効率を実現することができるので、燃料消費量を低減して、省エネルギーを実現することができる。また、低い圧力損失を実現することができるので、燃焼用空気を供給する送風機として小型のものを用いることができ、電力消費量を低減することができる。

また、ガスが複数の前記各隙間から前記ガス流路へ流入するため、前記第一水管列において、伝熱量が前記各第一水管へ分散されて、前記各第一水管の熱負荷を均一化することができる。熱負荷に偏りがあると、熱負荷の高い前記第一水管ほどその内面に伝熱阻害物質であるスケールが付着し、過熱されやすくなるが、熱負荷を均一化することにより、この問題を解消することができる。

また、前記構成において、前記各隙間を下流側のものほど小さく設定することにより、上流側の前記隙間が相対的に大きくなり、上流側の前記隙間からも所定量のガスが流出し、前記各隙間においてほぼ均等なガス流量となる。したがって、前記隙間保有部における前記各第一水管の熱負荷を均一化することができる。

さらに、前記ガス流路のうち前記所定範囲の流路断面積を次第に増加させた構成により、前記各隙間からのガスの合流によるガス流量の増加に対応して、ガス流速がほぼ一定となる。したがって、前記ガス流路のうち前記所定範囲において、充分な伝熱量が得ることができ，かつ圧力損失があまり大きくならない適切なガス流速を維持することができ、高いボイラ効率と低い圧力損失との両立により効果がある。

つぎに、この発明の第二の実施の形態について説明する。この第二の実施の形態においては、前記壁部材として、複数の第二水管により構成された環状の第二水管列が設けられている。そして、前記各第二水管が、前記各突出部となっている。すなわち、前記第一水管列の外側に前記第二水管列が配置されており、この両水管列により前記ガス流路が形成されている。前記第一の実施の形態と同様、前記ガス流路と前記燃焼室とは、前記各隙間を介して連通している。また、前記第二水管列における前記水管壁部と向かい合う位置には、前記開口部が設けられており、前記ガス流路は、前記各隙間から前記開口部へ至る構成となっている。

ここにおいて、この第二の実施の形態の変形例について説明する。この第二の実施の形態においては、実施に応じて、前記第二水管列の外側にさらに所定数の水管列を設けた構成とすることもできる。

前記各第二水管は、前記第一水管列における前記各隙間へ向かって突出するように配置されており、具体的には、前記各第二水管は、前記各第一水管に対して半ピッチずらして配置されている。したがって、前記第一水管列と前記第二水管列とにより、前記ガス流路として蛇行状の流路が形成されている。

前記各隙間および前記ガス流路の具体的構成については、前記第一の実施の形態と同様であるので、その詳細説明を省略する。

また、前記第二水管列における前記ガス流路側には、実施に応じて、水平状の伝熱フィ
ンが多段に設けられる。具体的には、ガスの流れ方向の上流側に前記伝熱フィンとして第三伝熱フィンが設けられ、下流側に前記伝熱フィンとして第四伝熱フィンが設けられる。そして、前記第四伝熱フィンの突出高さを前記第三伝熱フィンの突出高さより高くしている。すなわち、前記ガス流路において、上流側は、ガスの温度が高くかつ流速が速いので、突出高さの低い前記第三伝熱フィンを設けて、圧力損失の増加を抑制しており、また前記各第二水管へ過度に熱が伝わるのを抑制して、前記各第二水管の過熱を防止している。そして、下流側は、ガスの温度が低くかつ流速が遅いので、突出高さの高い前記第四伝熱フィンを設けて、伝熱面積を増加させ、伝熱量を増加させている。ここにおいて、実施に応じては、前記第三，第四伝熱フィンの突出高さを同じとすることもできる。

この第二の実施の形態は、以上のような構成であるので、前記第一の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

ところで、前記両実施の形態における環状の前記各水管列は、円形状とすることもできるし、長円状とすることもできる。また、前記各隙間を形成する前記各第一水管においては、その横断面形状を円形状とする他に長円状あるいは樽状とすることもできる。すなわち、前記各第一水管における前記各隙間を形成する部分を平面状とし、前記各隙間のガス流れ方向の長さを長くして、前記各隙間における伝熱量を増加させる。

以下、この発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。まず、第一実施例について、図１〜図３を参照しながら説明する。この第一実施例は、この発明を多管式の貫流ボイラに適用した実施例である。

ボイラの缶体は、所定の距離を離して配置された上部管寄せ１および下部管寄せ２を備えている。これらの上部管寄せ１と下部管寄せ２との間には、複数の第一水管３，３，…が環状に配置されている。これらの各第一水管３は、環状の第一水管列４を形成し、前記各第一水管３の上下端部は、前記上部管寄せ１および前記下部管寄せ２にそれぞれ接続されている。前記第一水管列４は、隣接する前記各第一水管３間に隙間５，５，…がそれぞれ形成された隙間保有部６と、前記各第一水管３を第一連結ヒレ７，７，…で連結して構成した水管壁部８とにより構成されている。この第一実施例においては、前記隙間保有部６および前記水管壁部８は、それぞれ約１／２ずつに設定されている。

前記第一水管列４の内側には、燃焼室９が形成されている。この燃焼室９の上方には、バーナ１０が取り付けられている。このバーナ１０は、前記上部管寄せ１の内方中央部から前記燃焼室９へ向けて挿入されている。また、前記バーナ１０には、燃焼用空気を供給するための送風機（図示省略）が接続されている。

前記第一水管列４の外側には、円筒状の壁部材１１が設けられている。この壁部材１１の上下端部は、前記上部管寄せ１および前記下部管寄せ２にそれぞれ接続されている。前記壁部材１１は、その一部に開口部１２を備えている。この開口部１２は、前記隙間保有部６と約１８０度反対側の位置，すなわち前記水管壁部８と向かい合う位置に設けられている。

前記壁部材１１には、前記第一水管列４における前記各隙間５へ向かって複数の突出部１３，１３，…が設けられている。これらの各突出部１３は、その先端が前記各隙間５の中心部と向かい合うように設けられている。そして、前記各突出部１３は、全体が前記各第一水管５の軸方向へ延びるように、前記各第一水管５と平行に設けられているとともに、その外周面が円弧状をしている。また、前記各突出部１３は、実施に応じて、さらに前記水管壁部８と向かい合う箇所にも設けることができる。その場合、前記各突出部１３は
、前記水管壁部８における隣接する前記各第一水管３間，すなわち前記各第一連結ヒレ７と向かい合う位置に設けられる。

また、前記第一水管列４と前記壁部材１１とにより、前記各隙間５から前記開口部１２へ至るガス流路１４，１４が形成されている。この両ガス流路１４は、前記各隙間５を介して前記燃焼室９と連通し、前記開口部１２を介して煙道１５と連通している。したがって、前記各隙間５からのガスは、前記両ガス流路１４をそれぞれ流れ、前記開口部１２にて合流し、前記煙道１５から外部へ排出される。そして、前記各突出部１３を設けることにより、前記隙間保有部６と前記壁部材１１との間の前記両ガス流路１４は、蛇行状の流路となっている。

前記壁部材１１の外側には、断熱材１６が設けられ、さらにその外側には、缶体カバー１７が設けられている。

さて、前記各隙間５および前記両ガス流路１４の構成について、さらに具体的に説明する。以下の説明においては、前記両ガス流路１４は、前記各隙間５から前記開口部１２へ至る流路としてほぼ対称となっているので、一方の前記ガス流路１４について説明する。

まず、前記各隙間５について具体的に説明する。前記各隙間５においては、その幅を前記ガス流路１４におけるガスの流れ方向の下流側のものほど小さく設定している。これは、下流側の前記隙間５ほど前記開口部１２に近いため、ガスが流れやすく、ガス流量が大きくなる傾向があり、前記各隙間５におけるガス流量の偏りを抑制するためである。この構成により、前記各隙間５のガス流量をほぼ均等とすることができ、前記隙間保有部６における前記各第一水管３の熱負荷をほぼ均一とすることができる。この第一実施例においては、最も上流側の前記隙間５の幅を６mmとし、下流側へ向かって順に４mm，４mm，４mm，３mm，３mm，３mm，２mm，２mm，２mmとしている。

つぎに、前記ガス流路１４について具体的に説明する。前記ガス流路１４のうち前記所定範囲（すなわち、前記ガス流路１４のうち前記隙間保有部６と前記壁部材１１とにより形成された部分）の流路断面積をガスの流れ方向の下流側へ向かって次第に増加させた構成としている。すなわち、前記各第一水管３の外周面と前記各突出部１３の先端に接する弧線Ｘ（二点鎖線で表示）との距離Ａ（図３参照）が、ガスの流れ方向の下流側へ向かって次第に増加している。また、この第一実施例においては、前記各第一水管３の直径が同じであり，かつ前記各突出部１３の前記壁部材１１からの突出高さが同じとなっており、前記各第一水管３の中心と前記壁部材１１の内周面（前記各突出部１３が設けられていない箇所）との距離Ｂ（図３参照）も、ガスの流れ方向の下流側へ向かって次第に増加している。

前記ガス流路１４においては、前記各隙間５からのガスの合流により、前記ガス流路１４を流れるガスの流量が増加する。また、伝熱によりガスの温度が低下し、それに伴うガスの体積減少によりガス流量が減少するが、合流によるガス流量の増加量の方が大きいため、全体としては、ガス流量は増加する。そこで、前記流路断面積を次第に増加させた構成とすることにより、前記ガス流路１４のうち前記所定範囲を流れるガスの流速をほぼ一定とすることができ、充分な伝熱量が得られるとともに、圧力損失があまり大きくならない適切なガス流速を維持することができる。

ここにおいて、前記流路断面積を次第に増加させた構成は、たとえば前記第一水管列４と前記壁部材１１とを互いに偏心させて配置することにより実現する。すなわち、前記第一水管列４を前記壁部材１１に対して前記開口部１２とは反対側へ偏心させるか，あるいは前記壁部材１１を前記第一水管列４に対して前記開口部１２側へ偏心させる。この第一
実施例においては、後者の偏心構造としている。

さらに、前記第一水管列４における前記ガス流路１４側の伝熱面構造について、具体的に説明する。前記第一水管列４においては、前記隙間保有部６における前記各第一水管３に横ヒレ形状の伝熱フィン１８，１８，…として第一伝熱フィン１９，１９，…が多段に設けられている。一方、前記水管壁部８における前記各第一水管３に前記伝熱フィン１８として横ヒレ形状の第二伝熱フィン２０，２０，…が多段に設けられている。これらの各伝熱フィン１９，２０は、前記各第一水管３の周面から前記ガス流路１４へ向けて突出し、ほぼ水平に設けられているので、伝熱量を増加させつつ、ガスの流通抵抗の増大を抑えることができる。そして、接触するガスの温度に応じて、前記各第一伝熱フィン１９の突出高さより前記各第二伝熱フィン２０の突出高さを高くしている。このように、前記第一水管列４は、２段階の伝熱面構造となっている。

すなわち、前記ガス流路１４のうち前記所定範囲においては、ガスの温度が高くかつ流速が速いので、突出高さの低い前記各第一伝熱フィン１９を設けて、圧力損失の増加を抑制しており、また前記各第一水管３へ過度に熱が伝わるのを抑制して、前記各第一水管３の過熱を防止している。そして、前記ガス流路１４のうち前記所定範囲外（すなわち、前記ガス流路１４のうち前記水管壁部８と前記壁部材１１とにより形成された部分）においては、ガスの温度が低くかつ流速が遅いので、突出高さの高い前記各第二伝熱フィン２０を設けて、伝熱面積を増加させ、伝熱量を増加させている。

以上の構成のボイラにおいて、その作用を説明する。前記バーナ１０を作動させると、前記燃焼室９内で燃焼反応が行われ、燃焼反応により発生したガス（燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスを含む。）は、前記各隙間５から前記ガス流路１４へ流入する。前記ガス流路１４で合流したガスは、前記ガス流路１４を流れ、前記開口部１２から前記煙道１５を通って排ガスとして外部へ排出される。この流れの過程で、ガスから前記各第一水管３内の被加熱流体への伝熱が行われ、前記燃焼室９内では、主に輻射伝熱が行われ、前記各隙間５および前記ガス流路１４では、主に対流伝熱が行われる。そして、前記各第一水管３内の被加熱流体は、加熱されながら上昇し、前記上部管寄せ１から蒸気として取り出される。

また、前記ガス流路１４は、前記各突出部１３を設けることにより、蛇行状の流路となり、流路断面積の拡大および縮小が少ないため、ガスが流れる際の圧力損失を低く抑えることができる。すなわち、前記蛇行状の流路は、ガスの流れ方向に沿ってほぼ一様な流路断面積をしており、ガスがなめらかに流れ、圧力損失が少ない。

そして、前記各隙間５から前記ガス流路１４へ流入するガスは、前記ガス流路１４を蛇行状に流れるガスの流れを受けて、前記各隙間５の下流側に位置する前記各第一水管３の周面を回り込んで、周面に沿うように流れる（いわゆる、コアンダ効果が得られる。）。よって、ガスが前記各第一水管３の周面全体に有効に接触して、伝熱量が増加する。また、ガスが前記各第一水管３の周面に沿うように流れるため、ガスが前記各第一伝熱フィン１９の全面に接触するように流れ、伝熱量がさらに増加する。また、前記各第一伝熱フィン１９は、水平状に設置されているため、ガスの流れが阻害されず、圧力損失を低く抑えることができる。

したがって、前記構成によれば、高いボイラ効率を実現しつつ圧力損失を低く抑えることができる。高いボイラ効率を実現することができるので、燃料消費量を低減して、省エネルギーを実現することができる。また、低い圧力損失を実現することができるので、前記送風機として小型のものを用いることができ、電力消費量を低減することができる。

また、ガスが複数の前記各隙間５から前記ガス流路１４へ流入するため、前記第一水管列４において、伝熱量が前記各第一水管３へ分散されて、前記各第一水管３の熱負荷を均一化することができる。熱負荷に偏りがあると、熱負荷の高い前記第一水管３ほどその内面に伝熱阻害物質であるスケールが付着し、過熱されやすくなるが、熱負荷を均一化することにより、この問題を解消することができる。

また、前記各隙間５においては、前記各隙間５の幅が下流側のものほど小さく設定されているので、上流側の前記隙間５からも所定量のガスが流出し、前記各隙間５においてほぼ均等なガス流量となる。したがって、前記隙間保有部６における前記各第一水管３の熱負荷を均一化にさらに効果がある。そして、ガスが前記各隙間５を通過する際、燃焼反応中のガスが前記各第一水管３に接触して冷却され、燃焼温度が低下するため、サーマルＮＯｘの発生が抑制され、ＮＯｘの排出量が低減される。

また、前記ガス流路１４のうち前記所定範囲の流路断面積を次第に増加させた構成により、前記各隙間５からのガスの合流によるガス流量の増加に対応して、ガス流速がほぼ一定となる。したがって、前記ガス流路１４のうち前記所定範囲において、充分な伝熱量が得られるとともに、圧力損失があまり大きくならない適切なガス流速を維持することができ、高いボイラ効率と低い圧力損失との両立に顕著な効果がある。

つぎに、第二実施例について、図４〜図６を参照しながら説明する。この第二実施例も前記第一実施例と同様、この発明を多管式の貫流ボイラに適用した実施例である。ここにおいて、前記第一実施例と同様の構成部材については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

さて、この第二実施例は、前記壁部材１１として、環状の第二水管列２１を配置している。すなわち、前記第一水管列４の外側に前記第二水管列２１を配置し、二重水管列構造としている。前記第一水管列４は、前記第一実施例と同様の構成をしており、前記隙間保有部６および前記水管壁部８が、それぞれ約１／２ずつに設定されている。

前記第二水管列２１は、複数の第二水管２２，２２，…を環状に配置して形成されており、前記各第二水管２２は、第二連結ヒレ２３，２３，…でそれぞれ連結されている。前記各第二水管２２が、前記各突出部１３となっている。そして、前記各第二水管２２の上下端部は、前記上部管寄せ１および前記下部管寄せ２にそれぞれ接続されている。また、前記第二水管列２１は、その一部に前記開口部１２を備えている。前記開口部１２は、前記隙間保有部６と約１８０度反対側の位置，すなわち前記水管壁部８と向かい合う位置に設けられている。また、前記各第一水管３と前記各第二水管２２とは、周方向へ半ピッチずつずらした状態で配置されている。

前記第一水管列４と前記第二水管列２１とにより、前記各隙間５から前記開口部１２へ至る前記ガス流路１４，１４が形成されている。前記両ガス流路１４は、前記各隙間５を介して前記燃焼室９と連通し、前記開口部１２を介して前記煙道１５と連通している。したがって、前記各隙間５からのガスは、前記両ガス流路１４をそれぞれ流れ、前記開口部１２にて合流し、前記煙道１５から外部へ排出される。

前記第二水管列２１の外側には、前記断熱材１６が設けられ、さらにその外側には、前記缶体カバー１７が設けられている。

また、前記各隙間５および前記両ガス流路１４の具体的構成は、前記第一実施例と同様であり、以下のようになっている。以下の説明においては、前記両ガス流路１４は、前記
各隙間５から前記開口部１２へ至る流路としてほぼ対称となっているので、一方の前記ガス流路１４について説明する。

まず、前記各隙間５について具体的に説明する。前記各隙間５においては、その幅を前記ガス流路１４におけるガスの流れ方向の下流側のものほど小さく設定している。これは、下流側の前記隙間５ほど前記開口部１２に近いため、ガスが流れやすく、ガス流量が大きくなる傾向があり、前記各隙間５におけるガス流量の偏りを抑制するためである。この構成により、前記各隙間５のガス流量をほぼ均等とすることができ、前記隙間保有部６における前記各第一水管３の熱負荷をほぼ均一とすることができる。この第二実施例においても、最も上流側の前記隙間５の幅を６mmとし、下流側へ向かって順に４mm，４mm，４mm，３mm，３mm，３mm，２mm，２mm，２mmとしている。

つぎに、前記ガス流路１４について具体的に説明する。前記ガス流路１４のうち前記所定範囲の流路断面積をガスの流れ方向の下流側へ向かって次第に増加させた構成としている。すなわち、前記各第一水管３の外周面と前記第二水管列２１の内側（前記各第二水管２２の外周面に接する弧線Ｙ（二点鎖線で表示））との距離Ｃ（図６参照）が、ガスの流れ方向の下流側へ向かって次第に増加している。また、この第二実施例においては、前記各水管３，２２の直径が同じであり，かつ前記各第二連結ヒレ２３が前記各第二水管２２の中心を連ねる弧線Ｚ（一点鎖線で表示）上に設けられており、前記各第一水管３の中心と前記各第二連結ヒレ２３の内壁面との距離Ｄ（図６参照）も、ガスの流れ方向の下流側へ向かって次第に増加している。

前記ガス流路１４においては、前記各隙間５からのガスの合流により、前記ガス流路１４を流れるガスの流量が増加する。また、伝熱によりガスの温度が低下し、それに伴うガスの体積減少によりガス流量が減少するが、合流によるガス流量の増加量の方が大きいため、全体としては、ガス流量は増加する。そこで、前記流路断面積を次第に増加させた構成とすることにより、前記ガス流路１４のうち前記所定範囲を流れるガスの流速をほぼ一定とすることができ、充分な伝熱量が得られるとともに、圧力損失があまり大きくならない適切なガス流速を維持することができる。

ここにおいて、前記流路断面積を次第に増加させた構成は、たとえば前記両水管列４，２１を互いに偏心させて配置することにより実現する。すなわち、前記第一水管列４を前記第二水管列２１に対して前記開口部１２とは反対側へ偏心させるか，あるいは前記第二水管列２１を前記第一水管列４に対して前記開口部１２側へ偏心させる。この第二実施例においては、後者の偏心構造としている。

さらに、前記両水管列４，２１における前記ガス流路１４側の伝熱面構造について、具体的に説明する。前記第一水管列４においては、前記第一実施例と同様、前記隙間保有部６における前記各第一水管３に横ヒレ形状の前記各第一伝熱フィン１９が多段に設けられており、前記水管壁部８における前記各第一水管３に横ヒレ形状の前記各第二伝熱フィン２０が多段に設けられている。前記各伝熱フィン１９，２０は、前記各第一水管３の周面から前記ガス流路１４へ向けて突出し、ほぼ水平に設けられているので、伝熱量を増加させつつ、ガスの流通抵抗の増大を抑えることができる。そして、接触するガスの温度に応じて、前記各第一伝熱フィン１９の突出高さより前記各第二伝熱フィン２０の突出高さを高くしている。このように、前記第一水管列４は、２段階の伝熱面構造となっている。

また、前記第二水管列２１においては、上流側から順に、前記伝熱フィン１８を備えていない前記第二水管２２からなる伝熱面，前記伝熱フィン１８として横ヒレ形状の第三伝熱フィン２４，２４，…が多段に設けられた前記第二水管２２からなる伝熱面，前記伝熱フィン１８として横ヒレ形状の第四伝熱フィン２５，２５，…が多段に設けられた前記第
二水管２２からなる伝熱面が設けられており、３段階の伝熱面構造となっている。これらの各伝熱フィン２４，２５は、前記各第二水管２２の周面から前記ガス流路１４へ向けて突出し、ほぼ水平に設けられているので、伝熱量を増加させつつ、ガスの流通抵抗の増大を抑えることができる。そして、接触するガスの温度に応じて、前記各第三伝熱フィン２４の突出高さより前記各第四伝熱フィン２５の突出高さを高くしている。

以上の構成のボイラにおいて、その作用を説明する。前記バーナ１０を作動させると、前記燃焼室９内で燃焼反応が行われ、燃焼反応により発生したガス（燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスを含む。）は、前記各隙間５から前記ガス流路１４へ流入する。前記ガス流路１４で合流したガスは、前記ガス流路１４を流れ、前記開口部１２から前記煙道１５を通って排ガスとして外部へ排出される。この流れの過程で、ガスから前記各水管３，２２内の被加熱流体への伝熱が行われ、前記燃焼室９内では、主に輻射伝熱が行われ、前記各隙間５および前記ガス流路１４では、主に対流伝熱が行われる。そして、前記各水管３，２２内の被加熱流体は、加熱されながら上昇し、前記上部管寄せ１から蒸気として取り出される。

また、前記ガス流路１４は、蛇行状の流路となり、流路断面積の拡大および縮小が少ないため、ガスが流れる際の圧力損失を低く抑えることができる。すなわち、前記蛇行状の流路は、ガスの流れ方向に沿ってほぼ一様な流路断面積をしており、ガスがなめらかに流れ、圧力損失が少ない。

そして、前記各隙間５から前記ガス流路１４へ流入するガスは、前記ガス流路１４を蛇行状に流れるガスの流れを受けて、前記各隙間５の下流側に位置する前記各第一水管３の周面を回り込んで、周面に沿うように流れる（いわゆる、コアンダ効果が得られる。）。よって、ガスが前記各第一水管３の周面全体に有効に接触して、伝熱量が増加する。また、ガスが前記各第一水管３の周面に沿うように流れるため、ガスが前記各第一伝熱フィン１９の全面に接触するように流れ、伝熱量がさらに増加する。また、前記各第一伝熱フィン１９は、水平状に設置されているため、ガスの流れが阻害されず、圧力損失を低く抑えることができる。

したがって、前記構成によれば、高いボイラ効率を実現しつつ圧力損失を低く抑えることができる。

また、前記第一実施例と同様、ガスが複数の前記各隙間５から前記ガス流路１４へ流入するため、前記第一水管列４において、伝熱量が前記各第一水管３へ分散されて、前記各第一水管３の熱負荷を均一化することができる。そして、前記各隙間５においては、前記各隙間５の幅が下流側のものほど小さく設定されているので、上流側の前記隙間５からも所定量のガスが流出し、前記各隙間５においてほぼ均等なガス流量となる。したがって、前記隙間保有部６における前記各第一水管３の熱負荷を均一化にさらに効果がある。また、ガスが前記各隙間５を通過する際、燃焼反応中のガスが前記各第一水管３に接触して冷却され、燃焼温度が低下するため、サーマルＮＯｘの発生が抑制され、ＮＯｘの排出量が低減される。

また、前記ガス流路１４のうち前記所定範囲の流路断面積を次第に増加させた構成により、前記各隙間５からのガスの合流によるガス流量の増加に対応して、ガス流速がほぼ一定となる。したがって、前記ガス流路１４のうち前記所定範囲において、充分な伝熱量が得られるとともに、圧力損失があまり大きくならない適切なガス流速を維持することができ、高いボイラ効率と低い圧力損失との両立にさらに効果がある。

この第二実施例では、前記ガス流路１４におけるガス流速は約２０m/sであり、缶体全
体の圧力損失は約３００mmAqであり、ボイラ効率は約９０％である。高いボイラ効率を実現することができるので、燃料消費量を低減して、省エネルギーを実現することができる。また、前記圧力損失は、従来のものと比較して約４０％低減されており、前記送風機として小型のものを用いることができるので、電力消費量を大幅に低減することができる。

以上の各実施例は、前記各隙間５からのガスが前記両ガス流路１４をそれぞれ流れる缶体について説明したが、この発明は、たとえば米国特許第４２５７３５８号公報の図１および図２に記載されているように、ガスが一方向へ前記ガス流路１４をほぼ一周するように流れる缶体にも適用することができる。

この発明における第一実施例の縦断面説明図である。 図１のII−II線に沿う横断面説明図である。 図２の要部を拡大して示す横断面説明図である。 この発明における第二実施例の縦断面説明図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う横断面説明図である。 図５の要部を拡大して示す横断面説明図である。

符号の説明

３ 第一水管
４ 第一水管列
５ 隙間
９ 燃焼室
１１ 壁部材
１３ 突出部
１４ ガス流路
１８ 伝熱フィン
２１ 第二水管列
２２ 第二水管

Claims (4)

1. 複数の第一水管３，３，…により構成され、隣接する前記各第一水管３間に所定範囲にわたって隙間５，５，…が形成された環状の第一水管列４と、この第一水管列４の内側に形成された燃焼室９と、前記第一水管列４の外側に設けられた壁部材１１と、前記第一水管列４と前記壁部材１１とにより形成されたガス流路１４とを備え、前記壁部材１１に前記各隙間５へ向かって突出部１３，１３，…を設けたことを特徴とする水管ボイラ。
2. 前記第一水管列４における前記ガス流路１４側に水平状の伝熱フィン１８，１８，…を多段に設けたことを特徴とする請求項１に記載の水管ボイラ。
3. 前記壁部材１１が、複数の第二水管２２，２２，…により構成された環状の第二水管列２１であり、前記各突出部１３が、前記各第二水管２２であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水管ボイラ。
4. 前記第二水管列２１における前記ガス流路１４側に水平状の伝熱フィン１８，１８，…を多段に設けたことを特徴とする請求項３に記載の水管ボイラ。

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