JP2005164181A - 水管ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】 水管の耐久性を挙げ、かつ水管伝熱面での伝熱効率を良くし、安定性が高くエネルギー効率の高い水管ボイラを提供することを可能とする。
【解決手段】 伝熱面の一面あるいは両面にディンプルを複数配列した伝熱管Ｄを有し、該伝熱管Ｄを流れる低温流体と高温ガス体との間における熱交換を利用することを特徴とする。このとき、前記ディンプルの端部が所定の径の丸みを有することが好適である。また、ボイラ内の高温ガス部における熱交換に前記伝熱管Ｄを配し、低温ガス部における熱交換に伝熱面にフィンを有する伝熱管Ｆを配置したことが好適である。さらに、ガス温度に対応して前記伝熱管Ｄあるいは伝熱管Ｆの管−管の間隔を変更することが好適である。 また、温水ボイラにおいては、前記伝熱管Ｄのディンプルを複数配列した伝熱面を、火堰のガス側に対応することが好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水管ボイラ、特に火炎あるいは高温ガスを利用した多管式ボイラなどに関するものである。

一般のボイラでは、火炎あるいは高温ガス（本願において、高温とは７００℃以上をいう）と水あるいは蒸気との間において伝熱面を介して熱交換を行う方法が採られ、伝熱面は平滑面あるいは平滑管が用いられている。ボイラの熱効率は、ボイラの大きさや使用燃料などによって異なるが、伝熱面での熱伝達効率の影響が大きいことから、高い熱伝達を図るべく、伝熱面にフィンを設ける方法や、多段階の伝熱構造にする方法などが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３２３２０１号公報

しかしながら、ボイラ内部においては、火炎を形成している場所、高温ガスが流通する場所あるいは温度が低下する場所など熱負荷の大きさの異なる部位が生じ局部的な熱応力が生じる可能性があり、伝熱面に設けられたフィンやヒレの亀裂や破損、あるいは伝熱面や伝熱管の破損を引き起こす可能性がある。特にフィンやヒレの伝熱管との接合部付近に生じる強いひずみによっては、例えば線状の亀裂が発生する可能性があり、破損や伝熱効率の低下を引き起こすこととなる。

また、こうした破損等を避けるために、一般には裸管をストレートあるいは所定形状に加工して使用しているが、水管伝熱面での伝熱効率が低いという課題がある。伝熱効率を上げるために管厚を薄くする方法では、管強度が低下し、長管を用い蛇管状で用いられる方法では、装置の大型化を招くとともに伝熱効率にも限界がある。

さらに、上記のようなボイラ内部の不均一な熱の分布あるいは火炎との接触を考慮せずに水管を一律的に配置した場合には、ボイラ全体としてのエネルギー効率の低下を招来する可能性があり、火炎の存在下で如何に水管を配置するかは、水管ボイラにとって設計事項以上に重要な課題となっている。

そこで、本発明の目的は、水管の耐久性を挙げ、かつ水管伝熱面での伝熱効率を良くし、安定性が高くエネルギー効率の高い水管ボイラを提供することにある。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す水管ボイラにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は、水管ボイラであって、伝熱面の一面あるいは両面にディンプルを複数配列した伝熱管Ｄを有し、該伝熱管Ｄを流れる低温流体と高温ガス体との間における熱交換を利用することを特徴とする。本発明者は、ディンプルを有する伝熱面が流体と接したときのディンプル内で発生する渦流による伝熱効果に加え、火炎が接したときの火炎の分散による局部的な過熱を防止する効果があることを見出したもので、ディンプルを有する水管を配した水管ボイラを形成することで、温度分布あるいは火炎状態を安定化することができる。従って、火炎などが直接触れる可能性のある高温ガス部においても水管の破損を防止し、水管伝熱面での熱伝達効率を良くすることができることから、エネルギー効率の高い水管ボイラを提供することができる。

また、局部的にみると、ディンプル部と平滑部における熱伝達効率の差によって伝熱面での温度のバラツキが発生する。このとき、水管ボイラのように高温ガスあるいは火炎と水との熱交換が行われる場合にあっては、ディンプル部における部分的な煮沸が生じることから熱拡散が促進される効果が得られ、水管内での熱伝達効率の向上を図ることができる。

さらに、本発明は、より多くの熱を伝達しようとする部位、特にフィンやヒレを設けることが困難な部位にディンプルを設けることによってボイラ全体の熱伝達効率を上げることを案出したもので、火炎や高圧ガスとの熱交換を安定に行うことができ、高い熱伝達効率を確保することができる。

このとき、前記ディンプルの端部が所定の径の丸みを有することが好適である。つまり、同一形状のディンプルであっても、端部の形状の相違によって流体に対する圧力損失および伝熱効率が異なり、研究の結果、所定の径の丸みを有することが最適であることを案出したものである。その結果、さらに安定性が高くエネルギー効率の高い水管ボイラを提供することが可能となった。

また、ボイラ内の高温ガス部における熱交換に前記伝熱管Ｄを配し、低温ガス部における熱交換に伝熱面にフィンを有する伝熱管Ｆを配置したことが好適である。ボイラにおける熱伝達部材には、火炎等高温ガス部では強度を要しかつ熱伝導性の良さを要する一方、火炎あるいは高温ガスとは直接は接しない比較的低温部では更なる熱伝導性の良さを必要とされる。本発明はこうした要請に対し、２種類の伝熱管を使い分け最適配置を行うことで、耐久性を有するとともにエネルギー効率の高い水管ボイラを実現することができたものである。

さらに、ガス温度に対応して前記伝熱管Ｄあるいは伝熱管Ｆの管−管の間隔を変更することが好適である。上記のように、火炎の状態あるいは高温ガスの流動状態によってボイラ内部における温度分布などが変化することから、伝熱管の配置を最適位置にすることで一層エネルギー効率の高い水管ボイラを実現することができる。

また、温水ボイラにおいては、前記伝熱管Ｄのディンプルを複数配列した伝熱面を、火堰のガス側に対応することが好適である。ディンプル形状は熱伝達効率の面では非常に優れた特性を有するとともに、火炎などが直接触れる可能性のある高温ガス部においても水管の破損を防止することができることから、ディンプルを複数配列した伝熱面を火堰のガス側に対応させることによって、更なるエネルギー効率の向上を図ることができる。

以上のように、本発明は、ディンプルが有する優れた熱伝達効率を利用し、火炎などが直接触れる可能性のある高温ガス部においても水管の破損を防止し、水管伝熱面での熱伝達効率を良くすることができることをエネルギー効率の高い水管ボイラを提供することができる。こうした効果は、水管ボイラのように高温ガスあるいは火炎と水との熱交換が行われる場合に、特に有効である。

このとき、ディンプルの形状、特に端部の形状の工夫によって、さらに安定性が高くエネルギー効率の高い水管ボイラを提供することができる。

また、ボイラ内における伝熱管の種類あるいは配置を、火炎の状態あるいは高温ガスの流動状態に合わせて設定することで、耐久性を有するとともにエネルギー効率の高い水管ボイラを実現することができる。

さらに、ディンプルを配した伝熱面の設定を工夫することによって、更なるエネルギー効率の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の一例であるディンプルを管外の伝熱面に有する伝熱管（水管）を配したボイラを示す。水管ボイラ１内の高温ガスが存在する空間部（高温ガス部）４に面して水管２を配置し、水管２の表面に複数のディンプル３を配することで、火炎などが直接触れる可能性のある高温ガス部においても水管の破損を防止し、水管伝熱面での熱伝達効率を良くすることができることから、エネルギー効率の高い水管ボイラを提供することができる。高温ガスは、排出口８に到達するまでに水管２によって吸熱・冷却されて排出される。

また、水管２自体は、図２に例示するように、複数のディンプル３を管外の伝熱面に有している。ディンプル３を有する伝熱面が流体と接したときのディンプル３内で発生する渦流による伝熱効果に加え、火炎が接したときの火炎の分散による局部的な過熱を防止する効果を利用している。従って、ディンプルを有する水管を配した水管ボイラを形成することで、温度分布あるいは火炎状態を安定化することができる。

具体的には、伝熱面に設けられたディンプル３の上を熱媒体が流れると、ディンプル３内で熱媒体が攪拌され、伝熱面との対流熱伝達が促進されて伝熱効果が増大する。一方、火炎が直接接触する伝熱面では、火炎による輻射対流熱伝達が促進され、一層伝熱効果が増大する。こうした効果を、ディンプル３を有していない平滑管と比較すると、表１のような結果が得られた。

熱伝達係数の増加とともに、摩擦係数の増加効果が得られた。

さらに、水管２の伝熱面においては、ディンプル部と平滑部における熱伝達効率の差によって伝熱面内での温度のバラツキが発生する。このとき、水管ボイラのように高温ガスあるいは火炎と水との熱交換が行われる場合にあっては、ディンプル部における部分的な煮沸が生じることから熱拡散が促進される効果が得られ、水管内での熱伝達効率の向上を図ることができる。

また、本発明は、フィンやヒレを設けた水管に比べ、突起物がないことによって、塵埃などの付着堆積による伝熱効率の低下を大幅に低減することができるとともに、水管の軽量化、小型化を図ることができることから、ボイラの小型化、軽量化を図ることができる。特に、小型の水管ボイラに最適である。なお、水管およびフィンなどの材質は、伝熱効果を有する素材であれば特に制限はないが、通常耐熱性を有する金属管、例えば、ステンレス鋼管や炭素鋼鋼管などが用いられる。また、水管およびフィンなどの形状は、ボイラの仕様によって任意に決定される。

さらに、伝熱管においてディンプルを設ける面は、特に制限はないが、加工の容易さあるいは火炎や輻射熱の分散の面からすれば管の外壁面が好ましい。一方、発明者の知見によれば、ディンプルの存在が水の沸騰の契機となることがあることから、水管内部に水を流す場合には、水流側の管内壁に設けることが好ましい。むろん、両面に設けることも有用である。

図３は、さらに複数のディンプル３を有する伝熱面の詳細を示し、図４にその断面を示す。図３（ａ）に示すように、伝熱面の表面に複数のディンプル３が加工されており、伝熱効果を高めている。ディンプル３の配置は、図３（ｂ）あるいは図３（ｃ）のような配列を含め、任意に設定可能であるが、本発明者の知見によれば、空気流速を１０〜３０ｍ／ｓとした場合において、ディンプル深さｈを０．１〜６ｍｍ、ディンプル径ｄを０．２〜３０ｍｍ、ディンプルピッチｔｘおよびｔｙを０．４〜６０ｍｍとすることが好ましい。

また、ディンプル３自体の形状は、円形だけではなく、図５に示すような（ａ）楕円型や（ｂ）涙滴型など、流体あるいは火炎に対する伝熱効果あるいは熱拡散効果が担保できれば、任意に設定可能である。

このとき、図４に示すように、ディンプル３の端部が所定の径（ｒ）の丸みを有することが好適である。つまり、研究の結果、同一形状のディンプルであっても、端部の形状の相違によって流体に対する圧力損失および伝熱効率が異なることを見出したもので、さらには近似的に所定の径の丸みを有することが最適であることを案出したものである。こうした形状のディンプル３によって、ディンプル表面での安定なウズ流の発生を可能とし、圧力損失が少なく、かつ伝熱効率の高い水管の形成が可能となる。

なお、上記丸みについては、近似的に所定の径の丸みを有すれば十分であって、必ずしもｒの精度を求めるものではなく、いわゆる面取り加工によっても圧力損失の低減効果および伝熱効率の向上効果を生み出すことができる。

図６（ａ）および（ｂ）に、本発明の他の構成例（第２構成例）を示す。縦型多管式貫流ボイラであって、ボイラ１内の火炎６あるいは高温ガスが存在する空間部（高温ガス部）４に面して、伝熱面にディンプル３を有する伝熱管Ｄ２ａを複数配し、その背面側の周辺の比較的低温の空間部（低温ガス部）５に、伝熱面にフィン７を有する伝熱管Ｆ２ｂを配置している。高温ガス部４において生じた約１０００℃以上に加熱された高温ガスが、排出口８に到達するまでに伝熱管Ｄ２ａおよびＦ２ｂによって吸熱され、約３００〜４００℃に冷却されて排出される。伝熱管Ｄ２ａは、溶接部等熱応力が影響する部分が少なく、強靭性を有しかつ熱伝導性の良さを有することから、火炎６や高温ガスに対する水管として最適である。一方、伝熱管Ｆ２ｂは管にフィン７を有し、火炎６あるいは高温ガスとは直接に接しない低温ガス部５において、熱応力の少ない条件で用いることができることから、更なる熱伝導性の良さを発揮することができる。本発明は、このように、２種類の伝熱管を使い分け最適配置を行うことで、耐久性を有するとともにエネルギー効率の高い水管ボイラを実現することができる。

図６（ａ）では、さらに水管の配置に特徴を有するボイラを例示している。つまり、伝熱管Ｄ２ａを円筒状に配し、一部切欠部を設けるように管−管間を接合あるいは平板９を設けることで、伝熱管Ｄ２ａによる熱伝達効率を高めるとともに、その背面にも高温ガスが流れることで、さらに熱伝達効率が向上する。また、伝熱管Ｆ２ｂは、伝熱管Ｄ２ａの背面に同様の構成・配置を行うことで、一度伝熱管Ｄ２ａにより吸熱された低温ガス部５のガス体と接することができるとともに、伝熱管Ｄ２ａとの対面空間および伝熱管Ｆ２ｂの背面の低温ガス部５においても効率よく熱伝達が行われる。ここで、平板９にもディンプル３を設けることでボイラ全体の熱伝達効率を高めることも可能である。

なお、図６では３重構造を例示したが、むろん３重に限定されるものではなく、また切欠部の配置・数量も、これに限定されるものでないことはいうまでもない。

このとき、ガス温度に対応して前記伝熱管Ｄ２ａあるいは伝熱管Ｆ２ｂの管−管の間隔を変更することが好適である。火炎６の状態あるいは高温ガスの流動状態によってボイラ内部における温度分布などが変化することから、水管２に流す水の量を制御するだけでなく、伝熱管の配置を最適位置にすることで一層エネルギー効率の高い水管ボイラを実現することができる。

図７（ａ）および（ｂ）に、本発明の第３の構成例として多管式貫流ボイラを例示する。ボイラ１内の高温ガス部４に面して、伝熱面にディンプル３を有する伝熱管Ｄ２ａを配し、低温ガス部５に、伝熱面にフィン７を有する伝熱管Ｆ２ｂを配置している。図６同様、伝熱管Ｄ２ａおよび伝熱管Ｆ２ｂという２種類の伝熱管を使い分け最適配置を行うことで、耐久性を有するとともにエネルギー効率の高い水管ボイラを実現することができる。つまり、伝熱管Ｄ２ａを火炎６の周辺に配するとともに、ボイラガス排出口８付近に設けた伝熱管Ｆ２ｂは、一度伝熱管Ｄ２ａにより吸熱された低温ガス部５のガス体と接することができることから、熱応力の影響の少ない条件で効率よく熱伝達が行われる。また、ボイラ１の下部にバーナからの炎６を設けることで、各伝熱管Ｄ２ａおよびＦ２ｂに沿ったガス流が生じ、ディンプル３あるいはフィン７によって、伝熱効果をさらに上げることができる。

本発明の第４の構成例として温水ボイラを、図８（ａ）および（ｂ）に例示する。ボイラ１内の高温ガス部４に面して、伝熱面にディンプル３を有する伝熱管（水冷壁）Ｄ２ａを配し、その背面側の低温ガス部５に、伝熱面にフィン７を有する伝熱管Ｆ２ｂを配置している。図６同様、伝熱管Ｄ２ａおよび伝熱管Ｆ２ｂという２種類の伝熱管を使い分け最適配置を行うことで、耐久性を有するとともにエネルギー効率の高い水管ボイラを実現することができる。つまり、伝熱管Ｄ２ａを半円筒状に配するとともに、その背面に設けた伝熱管Ｆ２ｂは、一度伝熱管Ｄ２ａにより吸熱された低温ガス部５のガス体と接することができることから、熱応力の影響の少ない条件で効率よく熱伝達が行われる。

また、温水ボイラにおいては、前記伝熱管Ｄ２ａのディンプルを複数配列した伝熱面を、火堰のガス側に対応することが好適である。ディンプル形状は熱伝達効率の面では非常に優れた特性を有するとともに、火炎などが直接触れる可能性のある高温ガス部においても水管の破損を防止することができることから、ディンプルを複数配列した伝熱面を火堰のガス側に対応させることによって、火炎６や高温ガス体によるディンプル表面での流動性を高め、更なるエネルギー効率の向上を図ることができる。気流並びに熱流によるディンプル表面での拡散作用を利用することができる。

図８（ａ）では、さらに上部に温水用熱交換器１０を設けたボイラを例示している。ファンを設けずにディンプルを有する水冷壁２ａ（伝熱管Ｄ２ａに相当）およびフィンを有する水管群２ｂ（伝熱管Ｆ２ｂに相当）を配することで、高温ガス部４での余熱を温水生成用として有効に活かすことができる。

図９（ａ）および（ｂ）に、本発明の第５の構成例として炉筒炎管ボイラを例示する。ボイラ１内の高温ガス部４に面して、伝熱面にディンプル３を有する伝熱管（炉筒）Ｄ２ａを配し、その背面側の低温ガス部５に、他の伝熱管（煙管、ステー管）２ｃを配置するとともに、伝熱管Ｄ２ａの周囲にその輻射熱を受ける他の伝熱管（水管）２ｄを配置している。伝熱管Ｄ２ａおよび他の伝熱管２ｃ、２ｄには、ディンプルを設けることで、耐久性を有するとともにエネルギー効率の高い水管ボイラを実現することができる。特に、伝熱管Ｄ２ａの内面に設けた場合には、伝熱作用が高まり、その背面に設けた各伝熱管、特に伝熱管２ｄは高い輻射熱を受けることができ、安定性が高くエネルギー効率の高い水管ボイラを提供することができる。

以上のように、本発明の実施態様を、水管ボイラとして還流ボイラ、温水ボイラおよび炉筒炎管ボイラを例に挙げて説明したが、本発明を適用することが可能なボイラは、これに限定されるものではなく、例えば、熱媒ボイラや特殊ボイラなどであってもよい。
また、ディンプルは、水管だけでなく、フィンやヒレを設けることが困難なあらゆる部位に設けることで熱伝達効率の向上を図ることが可能である。

本発明の実施の態様の一例（第１構成例）を示す説明図 本発明の第１構成例における、伝熱管を例示する説明図 本発明の第１構成例における、伝熱面を例示する説明図 本発明の第１構成例における、伝熱面の断面図を例示する説明図 本発明の第１構成例における、ディンプルの形状を例示する説明図 本発明の第２構成例を示す説明図 本発明の第３構成例を示す説明図 本発明の第４構成例を示す説明図 本発明の第５構成例を示す説明図

符号の説明

１ ボイラ
２ 水管
３ ディンプル
４ 高温ガス部
５ 低温ガス部
６ 火炎
７ フィン

Claims (5)

1. 伝熱面の一面あるいは両面にディンプルを複数配列した伝熱管Ｄを有し、該伝熱管Ｄを流れる低温流体と高温ガス体との間における熱交換を利用することを特徴とする水管ボイラ。
2. 前記ディンプルの端部が所定の径の丸みを有することを特徴とする請求項１記載の水管ボイラ。
3. ボイラ内の高温ガス部における熱交換に前記伝熱管Ｄを配し、低温ガス部における熱交換に伝熱面にフィンを有する伝熱管Ｆを配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の水管ボイラ。
4. ガス温度に対応して前記伝熱管Ｄあるいは伝熱管Ｆの管−管の間隔を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水管ボイラ。
5. 前記伝熱管Ｄのディンプルを複数配列した伝熱面を、火堰のガス側に対応することを特徴とする温水ボイラ。
   
   

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