JP2020153643A

JP2020153643A - ボイラ

Info

Publication number: JP2020153643A
Application number: JP2019055402A
Authority: JP
Inventors: 慧井上; Kei Inoue
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-09-24

Abstract

【課題】熱効率が高いボイラを提供すること。【解決手段】本発明に係るボイラ1は、環状に配列される複数の水管２と、隣り合う前記水管２の間を一端部又は他端部を除いて閉塞する複数の閉塞部材３と、前記複数の水管２の両端にそれぞれ接続される管寄せ４と、前記複数の水管２の周囲を覆う缶体カバー５と、前記缶体カバー５に接続される排気ダクト６と、を備え、前記排気ダクト６に近い領域における前記缶体カバー５と前記水管２との距離は、前記排気ダクト６から遠い領域における前記缶体カバー５と前記水管２との距離よりも小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、ボイラに関する。

複数の水管を有し、燃焼ガスによって水管内の水を加熱する多管式ボイラが知られている。多管式ボイラとしては、特許文献１に記載されるように、複数の水管を平面視で多層円環状に配列し、周方向に隣接する水管の間を帯板状の部材（ヒレ）で閉塞することによって、水管に沿って上下方向に燃焼ガスが流れる円筒状の燃焼ガス流路を形成した順流缶体を有するボイラが知られている。

順流缶体において、周方向に隣接する水管の間を閉塞する部材は、上側又は下側の部分が開放されており、この隙間を通して燃焼ガスが外側に隣接する燃焼ガス流路に順に進入する。また、順流缶体を有するボイラは、順流缶体の水管列の外側に円筒状の缶体カバーが配設され、水管列と缶体カバーとの間に最外周の燃焼ガス流路を形成する。缶体カバーの上下方向における周方向１箇所には、燃焼ガスを排出する排気ダクトが接続される。

特開２００９−９２２７８号公報

順流缶体を有するボイラでは、最外周の燃焼ガス流路の周方向に排気ダクトに近い領域と排気ダクトから遠い領域とでは流路抵抗が異なるため燃焼ガスの流速に差異が生じる。つまり、排気ダクトに近い領域では、燃焼ガスの流速が大きくなるため、流路内での滞留時間が短く、熱交換が不十分なまま排気ダクトに流出しやすい。熱効率を向上するためには、燃焼ガスを十分に熱交換してから排気することが望まれる。

本発明は、熱効率が高いボイラを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るボイラは、環状に配列される複数の水管と、隣り合う前記水管の間を一端部又は他端部を除いて閉塞する複数の閉塞部材と、前記複数の水管の両端にそれぞれ接続される管寄せと、前記複数の水管の周囲を覆う缶体カバーと、前記缶体カバーに接続される排気ダクトと、を備え、前記排気ダクトに近い領域における前記缶体カバーと前記水管との距離は、前記排気ダクトから遠い領域における前記缶体カバーと前記水管との距離よりも小さい。

前記缶体カバーと前記各水管との距離は、前記排気ダクトに近いほど小さくてもよい。

前記缶体カバーは、前記複数の水管の環状配列の中心に対して偏心した円筒状であってもよい。

本発明によれば、熱効率が高いボイラを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るボイラの模式的鉛直断面図である。図１のボイラの模式的水平断面図である。本発明の第２実施形態に係るボイラの模式的水平断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るボイラ１の模式的鉛直断面図である。図２は、図１のボイラ１の模式的水平断面図である。

ボイラ１は、環状に配列される複数の水管２と、隣り合う水管２の間を一端部又は他端部を除いて閉塞する複数の閉塞部材３と、複数の水管２の両端にそれぞれ接続される一対の管寄せ４（上側の管寄せを上部管寄せ４ａ、下側の管寄せを下部管寄せ４ｂと呼んで区別することがある）と、複数の水管２の周囲を覆う缶体カバー５と、缶体カバー５に接続される排気ダクト６と、水管２の環状配列の内側に燃焼ガスを供給するバーナ７と、を備える。図１では、バーナ７の燃焼ガスの流れを矢印で示す。

本実施形態のボイラ１において、複数の水管２は、図２に示すように、平面視で２列の環状に配列される。このため、内側の列をなす水管２を内側水管２ａ、外側の列をなす水管２を外側水管２ｂと呼んで区別し、内側水管２ａの間の閉塞部材３を内側閉塞部材３ａ、外側水管２ｂの間の閉塞部材３を外側閉塞部材３ｂと呼んで区別することがある。複数の水管２の平面視での配列形状（列毎に水管２の中心を包絡する形状）としては、燃焼ガスを均等に供給できるよう円環状であることが好ましく、各列の環状配列の中心が一致していることが好ましい。つまり、複数の水管２は、共通の中心Ｃ１を有する複数の同心円環状に配列されることが好ましい。

また、複数の水管２は、環状配列の中心Ｃ１を基準として等角度間隔で配列されることが好ましい。複数の水管２が複数列に配列される場合は、環状配列の中心Ｃ１を基準として列ごとに水管２の配置周期を半周期ずらすことが好ましい。このように、列間で水管２を互い違いに配置することで列間の距離を小さくすることができ、燃焼ガスの流速の増大による熱交換効率の向上が可能となる。

各水管２は、上端が上部管寄せ４ａに連通するよう接続され、下端が下部管寄せ４ｂに連通するよう接続される。下部管寄せ４ｂから各水管２の内部に供給される水と周囲の燃焼ガスとの間で熱交換させることにより内部の水を蒸発させる。

各水管２は、例えばヒレ、凹凸等の熱交換を促進するための構成を有してもよく、管寄せ４との接続部の径を小さくする等の組み立てを容易にするための構成を有してもよい。

複数の閉塞部材３は、同じ列内で隣り合う水管２の間をそれぞれ閉塞し、燃焼ガスを水管２の長手方向に流れるよう案内する。閉塞部材３は、一方の端部が管寄せ４に接続され、他方の端部が管寄せ４との間に隙間を形成するよう配設される。つまり、閉塞部材３は、燃焼ガスが水管２の端部で列の内側から外側に折り返すことができるよう、水管２の間を一端部又は他端部において開放する。より具体的には、内側水管２ａの間に配設される内側閉塞部材３ａは、バーナ７と反対側の端部を開放し、外側水管２ｂの間に配設される外側閉塞部材３ｂは、バーナ７側の端部を開放する。水管２をさらに多数の環状に配列する場合、隣り合う列の閉塞部材３は、バーナ７と反対側の端部及びバーナ７側の端部を交互に開放する。

本実施形態のボイラ１は、内側水管２ａの列及び内側閉塞部材３ａにより外周が画定され、一端にバーナ７が配設される円柱状の第１の燃焼ガス流路８ａと、内側水管２ａの列及び内側閉塞部材３ａにより内周が画定され、外側水管２ｂの列及び外側閉塞部材３ｂにより外周が画定され、内側閉塞部材３ａの開放部によって第１の燃焼ガス流路８ａと連通する円筒状の第２の燃焼ガス流路８ｂと、外側水管２ｂの列及び外側閉塞部材３ｂにより内周が画定され、缶体カバー５によって外周が画定され、外側閉塞部材３ｂの開放部によって第２の燃焼ガス流路８ｂと連通する円筒状の第３の燃焼ガス流路８ｃとを有する。

また、閉塞部材３は、列内で隣り合う水管２の間を閉塞して燃焼ガスの径方向の通過を阻止するだけでなく、水管２内の水と外部の燃焼ガスとの熱交換を促進する熱伝導部材（いわゆるヒレ）としても機能する。

管寄せ４は、複数の水管２を接続するヘッダである。つまり、下部管寄せ４ｂは、各水管２に水を供給する給水ヘッダであり、上部管寄せ４ａは、各水管２から排出される蒸気を集める蒸気ヘッダである。このため、下部管寄せ４ｂには水を供給する配管（不図示）が接続され、上部管寄せ４ａには蒸気を送出するための配管（不図示）が接続される。なお、管寄せ４は、図示しないが燃焼ガスが当接する面に耐火物の層を有してもよい。

また、一対の管寄せ４は、燃焼ガスの流路の端部を画定する部材でもある。水管２及び閉塞部材３に沿って長手方向に流れてきた燃焼ガスは、管寄せ４（通常はその耐火物層）によって直進を阻まれるため、閉塞部材３の隙間から外側の空間、つまり１つ外側の円筒状の燃焼ガス流路に流れ込む。

缶体カバー５は、外側水管２ｂの列を取り囲むよう配設され、端部がそれぞれ管寄せ４に直接又は他の部材を介して気密に接続される。これにより、外側水管２ｂの列と缶体カバー５との間に第３の燃焼ガス流路８ｃが画定される。つまり、外側水管２ｂの列の外側閉塞部材３ｂの開放部から外側に流出した燃焼ガスは、外側水管２ｂの列と缶体カバー５との隙間を長手方向に流れる。

排気ダクト６は、缶体カバー５の長手方向一端側の側部に連通するよう接続される。具体的には、排気ダクト６は、缶体カバー５の、外側水管２ｂの間を閉塞する外側閉塞部材３ｂの管寄せ４に接続されている側の端部近傍の周方向１箇所に設けられる。

排気ダクト６は、外側水管２ｂと缶体カバー５との間の空間（第３の燃焼ガス流路８ｃ）を通った燃焼ガスを外部に排気する流路を画定する。

バーナ７は、燃料と燃焼空気とを混合して燃焼させる燃焼装置であり、高温の燃焼ガスを発生させる。

実施形態のボイラ１において、排気ダクト６に近い領域における缶体カバー５と水管２（外側水管２ｂ）との距離は、排気ダクト６から遠い領域における缶体カバー５と水管２との距離よりも小さい。ここで、排気ダクト６に近い領域とは、外側水管２ｂの列の包絡線において排気ダクト６との最接近点を起点として、両側にそれぞれ周長の１／４（合計で周長の半分）の範囲を意味し、排気ダクト６から遠い領域とは残りの半分の範囲を意味する。各領域における缶体カバー５と水管２との距離は、各水管２の外周面と缶体カバー５の内周面との最短距離（例として図２に示す距離Ｄ）の平均値を意味するものとする。なお、水管２に例えば熱交換促進や整流等の目的で設けられる局所的な突起が存在する場合、缶体カバー５と各水管２との距離Ｄは、これらの突起を除外して測定する。

このように、排気ダクト６に近い領域における缶体カバー５と水管２との距離が、排気ダクト６から遠い領域における缶体カバー５と水管２との距離よりも小さいことによって、外側水管２ｂの列と缶体カバー５との間の第３の燃焼ガス流路８ｃの流路抵抗が、排気ダクト６に近い領域において大きくなる。これにより、排気ダクト６までの流路の長さが短いことに起因する流路抵抗の小ささを相殺して、周方向位置による燃焼ガスの流速のばらつきを低減することができる。

詳しく説明すると、平面視で排気ダクト６から離れた位置において外側水管２ｂの列と缶体カバー５との間の第３の燃焼ガス流路８ｃに流れ込んだ燃焼ガスは、長手方向に流れるだけでは排気ダクト６には流入できないので、図１に破線矢印で示すように、第３の燃焼ガス流路８ｃ内を周方向に移動して排気ダクト６から排気される。このため、平面視で排気ダクト６から離れた位置において第３の燃焼ガス流路８ｃに流れ込む燃焼ガスは、平面視で排気ダクト６に近い位置において第３の燃焼ガス流路８ｃに流れ込む燃焼ガスよりも長い経路を移動する必要がある。従って、平面視で排気ダクト６から離れた位置では排気ダクト６までの流路抵抗が大きくなることにより、流速が相対的に小さくなりやすい。

本実施形態のボイラ１では、排気ダクト６までの流路長が大きい場所では流路面積が大きいため単位長さ当たりの流路抵抗が小さく、逆に、排気ダクト６までの流路長が小さい場所では流路面積が小さいため単位長さ当たりの流路抵抗が大きくなる。つまり、ボイラ１では、排気ダクト６までの流路長の差に起因する流路抵抗の差異を流路面積の大きさによって相殺することによって、第３の燃焼ガス流路８ｃ内の周方向位置の違いによる燃焼ガスの流速のばらつきを抑制することができる。これにより、燃焼ガスが流れる経路の違いによる水管２との熱交換量の違いが小さくなるため、ボイラ１は、排気ダクト６から外部に放出される熱エネルギーを小さくして熱効率を向上することができる。

排気ダクト６に近い領域における缶体カバー５と水管２との距離の排気ダクト６から遠い領域における缶体カバー５と水管２との距離に対する比の下限としては、１．１が好ましく、１．２がより好ましい。一方、前記距離の比の上限としては、３．０が好ましく、２．０がより好ましい。前記距離の比を前記下限以上とすることによって、周方向位置による燃焼ガスの流速のばらつきをより小さくすることができる。また、前記距離の比を前記上限以下とすることによって、燃焼ガスの流速のばらつきを抑制しつつ、燃焼ガスの流速を一定以上に保持して熱効率を高くすることができる。

缶体カバー５と各水管２との距離は、排気ダクト６に近いほど小さくなるよう、単調に変化することが好ましい。これにより、流路抵抗をより均等にすることができるので、周方向位置による燃焼ガスの流速のばらつきをより小さくすることができる。また、缶体カバー５と各水管２との距離が排気ダクト６に近いほど小さくなることによって、缶体カバー５の形状がいびつにならないため、スムーズな燃焼ガスの流れを確保して、燃焼ガスのよどみによる熱効率の低下を排除することができる。

各水管２との距離が排気ダクト６に近いほど小さくなるような缶体カバー５の具体的な形状としては、水管２の環状配列の中心Ｃ１に対して偏心した中心Ｃ２を有する円筒状とすることができる。このように、複数の水管２の中心Ｃ１に対して偏心した円筒状の缶体カバーを用いることによって、缶体カバーの製造が容易となるので、ボイラ１の製造コストの増大を抑制できる。

以上説明した第１実施形態のボイラ１によれば、以下のような効果を奏する。

（１）ボイラ１において、排気ダクト６に近い領域における缶体カバー５と水管２との距離が、排気ダクト６から遠い領域における缶体カバー５と水管２との距離よりも小さい。このため、外側水管２ｂと缶体カバー５との間の第３の燃焼ガス流路８ｃの平面視で排気ダクト６に近い領域の径方向の幅が小さくなっているため、排気ダクト６までの流路の長さが短いことに起因する流路抵抗の小ささを相殺して、周方向位置による燃焼ガスの流速のばらつきを低減することができる。これにより、ボイラ１は、燃焼ガスの熱を有効利用できるので、熱効率を高くすることができる。

（２）ボイラ１において、缶体カバー５と各水管２との距離は、排気ダクト６に近いほど小さい。このため、流路の長さに応じて径方向の流路幅が変化するので、周方向位置による燃焼ガスの流速のばらつきをより小さくすることができる。

（３）ボイラ１において、缶体カバー５は、複数の水管２の環状配列の中心Ｃ１に対して偏心した円筒状である。このため、缶体カバーの製造が比較的容易である。

続いて、本発明の第２実施形態に係るボイラ１Ａについて説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係るボイラ１Ａの模式的水平断面図である。

本実施形態に係るボイラ１Ａは、環状に配列される複数の水管２と、隣り合う水管２の間を一端部又は他端部を除いて閉塞する複数の閉塞部材３と、複数の水管２の両端にそれぞれ接続される一対の管寄せ４と、複数の水管２の周囲を覆う缶体カバー５Ａと、缶体カバー５Ａに接続される排気ダクト６と、水管２の環状配列の内側に燃焼ガスを供給するバーナ７と、を備える。

図３のボイラ１Ａにおける水管２、閉塞部材３、管寄せ４、排気ダクト６及びバーナ７は、図１のボイラ１における水管２、閉塞部材３、管寄せ４、排気ダクト６及びバーナ７と同様とすることができる。このため、図３のボイラ１Ａについて、図１のボイラ１と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

本実施形態に係るボイラ１Ａにおいて、缶体カバー５Ａの排気ダクト６から遠い領域は、複数の水管２の中心Ｃ１と同心の円筒の半体状（中心を含む平面で２つ割りにした形状）であり、缶体カバー５Ａの排気ダクト６に近い領域は、複数の水管２の中心Ｃ１と同心で、排気ダクト６の中心方向の短径を有する楕円筒の半体状である。図３には、分かりやすいよう、排気ダクト６側に、缶体カバー５Ａの排気ダクト６から遠い領域と等しい外径を二点鎖線で示す。このように、本実施形態の缶体カバー５Ａは、円筒の排気ダクト６側の半分だけを圧縮した形状を有する。

本実施形態に係るボイラ１Ａでは、缶体カバー５Ａの排気ダクト６に近い領域における缶体カバー５Ａと水管２との距離と、排気ダクト６から遠い領域における缶体カバー５と水管２との距離とを、独立して設定することができる。これにより、ボイラ１Ａは、周方向位置による燃焼ガスの流速のばらつきをより小さくすることができる。

以上、本発明のボイラの好ましい各実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

実施形態に係るボイラにおいて、缶体カバーの平面形状は、多角形状であってもよく、例えば自由曲線等からなる任意の形状とすることができる。

上述の実施形態では、複数の水管が２列の環状に配列されるものとして説明したが、する。水管の配列は１列の環状であってもよく、３列以上の環状であってもよい。また、水管の配列は、円環状に限られず、例えば多角形環状等、複数の水管が平面視で閉じたループ状に並んで配列されればよい。

１，１Ａボイラ
２水管
３閉塞部材
４管寄せ
５，５Ａ缶体カバー
６排気ダクト
７バーナ
８燃焼ガス流路

Claims

環状に配列される複数の水管と、
隣り合う前記水管の間を一端部又は他端部を除いて閉塞する複数の閉塞部材と、
前記複数の水管の両端にそれぞれ接続される管寄せと、
前記複数の水管の周囲を覆う缶体カバーと、
前記缶体カバーに接続される排気ダクトと、
を備え、
前記排気ダクトに近い領域における前記缶体カバーと前記水管との距離は、前記排気ダクトから遠い領域における前記缶体カバーと前記水管との距離よりも小さいボイラ。
前記缶体カバーと前記各水管との距離は、前記排気ダクトに近いほど小さい請求項１に記載のボイラ。
前記缶体カバーは、前記複数の水管の環状配列の中心に対して偏心した円筒状である請求項２に記載のボイラ。