JP2948180B2 - 燃焼室内にごばん目配列に置かれた水管群を有するボイラ - Google Patents
燃焼室内にごばん目配列に置かれた水管群を有するボイラInfo
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- F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
- F28D7/1615—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits being inside a casing and extending at an angle to the longitudinal axis of the casing; the conduits crossing the conduit for the other heat exchange medium
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本件発明は、水管ボイラや炉
筒水管ボイラ等の、燃焼室の燃焼火炎中にごばん目に配
列される水管群を備えたボイラに関する。
筒水管ボイラ等の、燃焼室の燃焼火炎中にごばん目に配
列される水管群を備えたボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、水管ボイラは、燃焼室を構成する
炉壁水管や接触伝熱面を構成する水管群によって全体が
構成されている（図６の１，２）。即ち、燃焼室では、
大きな燃焼空間を取り囲むように水管を配置し、次の接
触伝熱面では非常に多数の水管が密に配置されている。
そのため、ボイラ全体の大きさは燃焼室空間が大きな部
分を占めているものの、水管の伝熱面積、本数、並びに
重量、つまり、ボイラのコストの大部分はその燃焼室空
間の後に設けられた接触水管群によって占められてい
る。
炉壁水管や接触伝熱面を構成する水管群によって全体が
構成されている（図６の１，２）。即ち、燃焼室では、
大きな燃焼空間を取り囲むように水管を配置し、次の接
触伝熱面では非常に多数の水管が密に配置されている。
そのため、ボイラ全体の大きさは燃焼室空間が大きな部
分を占めているものの、水管の伝熱面積、本数、並びに
重量、つまり、ボイラのコストの大部分はその燃焼室空
間の後に設けられた接触水管群によって占められてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来のボイラは、上記
のようであるため、近時、ボイラ全体の小型、高性能化
及び軽量化、即ちボイラのコスト低減のために水管群の
高性能化が望まれていた。
のようであるため、近時、ボイラ全体の小型、高性能化
及び軽量化、即ちボイラのコスト低減のために水管群の
高性能化が望まれていた。
【０００４】そこで、ボイラのコスト低減のための従来
の水管群の設計としては、水管をできるだけコンパクト
に纏めるために、水管をできるだけ詰めて配列するのが
よいという考え方が基礎にあった。一方水管群を詰めて
収容するためには、ヘッダやドラムの強度上の問題があ
り、そのために水管をあまり密に集中できなかった。
の水管群の設計としては、水管をできるだけコンパクト
に纏めるために、水管をできるだけ詰めて配列するのが
よいという考え方が基礎にあった。一方水管群を詰めて
収容するためには、ヘッダやドラムの強度上の問題があ
り、そのために水管をあまり密に集中できなかった。
【０００５】従って、その妥協点として、従来の水管群
における水管の配列やピッチが決定されていた。その結
果、水管群のガス流れ方向のピッチをＬ(mm)、水管の外
径をＤ(mm)とすると、従来の水管ボイラのＬ／Ｄは大体
１．５程度の値がとられていた。かつ、この値が伝熱性
能上、良いのか又は悪いのかを評価は、その合理的なよ
い評価の手法がみつからないまま、殆んど、なされるこ
となく、上記のＬ／Ｄ＝１．５程度の値が従来からの経
験値として慣用されていた。そして、燃焼室の燃焼火炎
中に置かれた水管群の配列については、燃焼作用と伝熱
性能について、その効果的な配列の仕方は未だ分かって
いない。
における水管の配列やピッチが決定されていた。その結
果、水管群のガス流れ方向のピッチをＬ(mm)、水管の外
径をＤ(mm)とすると、従来の水管ボイラのＬ／Ｄは大体
１．５程度の値がとられていた。かつ、この値が伝熱性
能上、良いのか又は悪いのかを評価は、その合理的なよ
い評価の手法がみつからないまま、殆んど、なされるこ
となく、上記のＬ／Ｄ＝１．５程度の値が従来からの経
験値として慣用されていた。そして、燃焼室の燃焼火炎
中に置かれた水管群の配列については、燃焼作用と伝熱
性能について、その効果的な配列の仕方は未だ分かって
いない。
【０００６】本発明者等は、前記の点に鑑み、ボイラの
燃焼室内の燃焼火炎中のごばん目配列の水管群の配列や
ピッチに再検討を加え、ポイラの高性能化を達成するた
め、種々な基礎的研究を行った。
燃焼室内の燃焼火炎中のごばん目配列の水管群の配列や
ピッチに再検討を加え、ポイラの高性能化を達成するた
め、種々な基礎的研究を行った。
【０００７】その結果、本発明の基礎となる水管群の性
能を評価する指標として、下記３要件があることがわか
った。
能を評価する指標として、下記３要件があることがわか
った。
【０００８】 平均熱伝達率、α(Kcal/m2・H・C) この値が高いと、水管群の伝熱性能がよいということに
なり、それに比例して伝熱面積が低減される。又伝熱面
積は、水管の本数及び重量と関係しているから、結局α
が高いと水管の本数及び重量が低減されることになる。 α×ａ0値((Kcal/m2・H・C) ここにａ0は、水管群の単位容積あたりに収容されてい
る伝熱面積(m2/m3)を示す。これにより、α×ａ0は、水
管群の単位容積当りの伝熱性能を示すことになるから、
この値が高いことは、水管群の占有容積が低減できるこ
とになる。この値は、ａ0が幾ら高くても、αが小さけ
れば、結局α×ａ0の値は高くならないことを示す。 圧損△Ｐ(mmAq) 上記のａ0を大きくすると、△Ｐが大きくなる。この△
Ｐ、つまり水管群を通過するガス流動損失が、大きすぎ
るとファン動力が増大するので問題となる。かつ、水管
群の高性能化にはαが高く、α×ａ0が高く、その上△
Ｐが小さいほどよいということになる。
なり、それに比例して伝熱面積が低減される。又伝熱面
積は、水管の本数及び重量と関係しているから、結局α
が高いと水管の本数及び重量が低減されることになる。 α×ａ0値((Kcal/m2・H・C) ここにａ0は、水管群の単位容積あたりに収容されてい
る伝熱面積(m2/m3)を示す。これにより、α×ａ0は、水
管群の単位容積当りの伝熱性能を示すことになるから、
この値が高いことは、水管群の占有容積が低減できるこ
とになる。この値は、ａ0が幾ら高くても、αが小さけ
れば、結局α×ａ0の値は高くならないことを示す。 圧損△Ｐ(mmAq) 上記のａ0を大きくすると、△Ｐが大きくなる。この△
Ｐ、つまり水管群を通過するガス流動損失が、大きすぎ
るとファン動力が増大するので問題となる。かつ、水管
群の高性能化にはαが高く、α×ａ0が高く、その上△
Ｐが小さいほどよいということになる。
【０００９】本発明者等の基礎的研究から、図１、２、
３に示すような、ごばん目配列の水管において、水管群
の燃焼ガスの流れ方向のピッチＬ、水管径Ｄとの関係が
上記ボイラ性能に及ぼす影響を調査することによって、
本発明は、燃焼室の燃焼火炎中にごばん目に置かれた水
管群を有するボイラにおいて、水管群の配列や水管群に
対する、燃焼ガスの流れを改良することによって、ボイ
ラを高性能化して、小型化とコストダウンとを達成した
水管群を有するボイラを得ることを目的とする。
３に示すような、ごばん目配列の水管において、水管群
の燃焼ガスの流れ方向のピッチＬ、水管径Ｄとの関係が
上記ボイラ性能に及ぼす影響を調査することによって、
本発明は、燃焼室の燃焼火炎中にごばん目に置かれた水
管群を有するボイラにおいて、水管群の配列や水管群に
対する、燃焼ガスの流れを改良することによって、ボイ
ラを高性能化して、小型化とコストダウンとを達成した
水管群を有するボイラを得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】燃焼室の燃焼火炎中にご
ばん目配列として置かれた水管群を有するボイラにおい
て、水管群の燃焼ガスの流れに直角方向のピッチをＨ
（ｍｍ）、水管の外径をＤ（ｍｍ）とするとき、水管群
の二列目以降のＬ／Ｄを１.８以上２.５以下とし、且つ
水管群の一列目と二列目だけがＬ／Ｄを３程度とし、水
管群をごばん目配列に成した水管群を有するボイラであ
る。
ばん目配列として置かれた水管群を有するボイラにおい
て、水管群の燃焼ガスの流れに直角方向のピッチをＨ
（ｍｍ）、水管の外径をＤ（ｍｍ）とするとき、水管群
の二列目以降のＬ／Ｄを１.８以上２.５以下とし、且つ
水管群の一列目と二列目だけがＬ／Ｄを３程度とし、水
管群をごばん目配列に成した水管群を有するボイラであ
る。
【００１１】上記したように、本発明者等の研究結果か
ら、図５の１、２のＸ，Ｘ´に示すように、基本的には
Ｌ／Ｄが１．８程度以上、２．５程度以下が重要であ
り、それ以外のＬ／Ｄの値を採用しても不利となり、又
Ｈ／Ｄについても１.２≦Ｈ／Ｄ≦１.７であることが望
ましく、特に１.２未満では、水管と水管との間隙が小
さくなり、燃焼ガスの流路が取れなくなって、燃焼ガス
の流れが円滑に行われず圧損、ファン容量が増大し、更
に、偏流によって、燃焼作用や伝熱性能が低下する。
ら、図５の１、２のＸ，Ｘ´に示すように、基本的には
Ｌ／Ｄが１．８程度以上、２．５程度以下が重要であ
り、それ以外のＬ／Ｄの値を採用しても不利となり、又
Ｈ／Ｄについても１.２≦Ｈ／Ｄ≦１.７であることが望
ましく、特に１.２未満では、水管と水管との間隙が小
さくなり、燃焼ガスの流路が取れなくなって、燃焼ガス
の流れが円滑に行われず圧損、ファン容量が増大し、更
に、偏流によって、燃焼作用や伝熱性能が低下する。
【００１２】又Ｈ／Ｄが１.７を超過し始めると、水管
と水管との間が開くので、燃焼ガスの流 速が段々低下
して行き、燃焼ガスの混合が起こり難くなるので、同様
燃焼作用と伝熱性能が低下して、最適のＬ／Ｄ値の場合
でも、低下は免れず、実用上問題が当然生じるのは勿論
である。
と水管との間が開くので、燃焼ガスの流 速が段々低下
して行き、燃焼ガスの混合が起こり難くなるので、同様
燃焼作用と伝熱性能が低下して、最適のＬ／Ｄ値の場合
でも、低下は免れず、実用上問題が当然生じるのは勿論
である。
【００１３】従って、Ｈ／Ｄの比が余り小さい場合に
は、流れの閉塞化が起こって、円滑な流れが保証されな
くなり、燃焼作用や伝熱性能が低下する機能的な課題と
なるのに対して、Ｈ／Ｄの比が大きくなるところでは、
燃焼ガス同志の混合作用が減じて、実用化上の課題とな
るのが概略理解される。 又Ｈ／Ｄが１.７を超過し始
めると、水管と水管との間が開くので、燃焼ガスの流
速が段々低下して行き、燃焼ガスの混合が起こり難くな
るので、同様燃焼作用と伝熱性能が低下して、最適のＬ
／Ｄ値の場合でも、低下は免れず、実用上問題が当然生
じるのは勿論である。
は、流れの閉塞化が起こって、円滑な流れが保証されな
くなり、燃焼作用や伝熱性能が低下する機能的な課題と
なるのに対して、Ｈ／Ｄの比が大きくなるところでは、
燃焼ガス同志の混合作用が減じて、実用化上の課題とな
るのが概略理解される。 又Ｈ／Ｄが１.７を超過し始
めると、水管と水管との間が開くので、燃焼ガスの流
速が段々低下して行き、燃焼ガスの混合が起こり難くな
るので、同様燃焼作用と伝熱性能が低下して、最適のＬ
／Ｄ値の場合でも、低下は免れず、実用上問題が当然生
じるのは勿論である。
【００１４】従って、Ｈ／Ｄの比が余り小さい場合に
は、流れの閉塞化が起こって、円滑な流れが保証されな
くなり、燃焼作用や伝熱性能が低下する機能的な課題と
なるのに対して、Ｈ／Ｄの比が大きくなるところでは、
燃焼ガス同志の混合作用が減じて、実用化上の課題とな
るのが概略理解される。
は、流れの閉塞化が起こって、円滑な流れが保証されな
くなり、燃焼作用や伝熱性能が低下する機能的な課題と
なるのに対して、Ｈ／Ｄの比が大きくなるところでは、
燃焼ガス同志の混合作用が減じて、実用化上の課題とな
るのが概略理解される。
【００１５】更に、水管群に燃焼ガスが入る一列目及び
二列目の水管群では、燃焼ガスの流れが未だ十分一定に
ならないため、特に一列目水管の後部には燃焼ガスが廻
り込み難く、伝熱性能が悪い。そのため、燃焼ガスの流
れ方向の一列目と二列目だけはＬ／Ｄを本発明者等の研
究結果によると、３程度にすると効果的である。
二列目の水管群では、燃焼ガスの流れが未だ十分一定に
ならないため、特に一列目水管の後部には燃焼ガスが廻
り込み難く、伝熱性能が悪い。そのため、燃焼ガスの流
れ方向の一列目と二列目だけはＬ／Ｄを本発明者等の研
究結果によると、３程度にすると効果的である。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例によって説明する。
に示す実施例によって説明する。
【００１７】図７は、本発明の水平方向の燃焼ガスの流
れ中の立水管配置ボイラを示す一実施例である。
れ中の立水管配置ボイラを示す一実施例である。
【００１８】上記構造のものにおいて、実験の結果によ
れば、次のようになる。
れば、次のようになる。
【００１９】図２，図３において、水管群のガス流れ方
向のピッチＬをＬ＝Ｄから後方の水管を徐々に後方にず
らすことによって、Ｌを大きくしていくと、最初は水管
の後部ではガスを巻き込まない、つまり素通りするデッ
ドスペース（Dead Space）が存在し、流れが停滞するた
めに、伝熱性能が悪い領域がある〔図２〕。それは、当
然、水管群を流れて燃焼を行う燃焼作用にも好ましくな
い影響を与えるものである。
向のピッチＬをＬ＝Ｄから後方の水管を徐々に後方にず
らすことによって、Ｌを大きくしていくと、最初は水管
の後部ではガスを巻き込まない、つまり素通りするデッ
ドスペース（Dead Space）が存在し、流れが停滞するた
めに、伝熱性能が悪い領域がある〔図２〕。それは、当
然、水管群を流れて燃焼を行う燃焼作用にも好ましくな
い影響を与えるものである。
【００２０】そして、更にＬを大きくすると、Ｌ／Ｄ＝
１．８〜２．５程度のところで、ガスが、水管後部へ廻
り込むようになり、流体の混合が促進されるため（図
３）、急激に伝熱性能が向上することが観察された。
１．８〜２．５程度のところで、ガスが、水管後部へ廻
り込むようになり、流体の混合が促進されるため（図
３）、急激に伝熱性能が向上することが観察された。
【００２１】特に、デッドスペースからＬを漸次広げて
いくと、やがて、カルマン渦が発生するのが、見い出だ
され、而もカルマン渦は、水管の背後に交互に形成され
るので流れの混合が促進されて、伝熱性能が向上すると
共に、燃焼火炎中に置かれた水管群での燃焼も促進さ
れ、燃焼効率がよくなることが理解される。
いくと、やがて、カルマン渦が発生するのが、見い出だ
され、而もカルマン渦は、水管の背後に交互に形成され
るので流れの混合が促進されて、伝熱性能が向上すると
共に、燃焼火炎中に置かれた水管群での燃焼も促進さ
れ、燃焼効率がよくなることが理解される。
【００２２】それ以後、更に、Ｌを大きくして行くと伝
熱性能（α）は若干増加するが、水管のピッチが粗くな
りすぎて、α×ａ0が逆に低下することになる。これら
の関係を図示すると、図５の１、図５の２における、ご
ばん目配列の場合のＸ，Ｘ´のようになる。即ち、水管
群の小型、軽量化を図るためには、実用上Ｌ／Ｄの最適
範囲はＬ／Ｄ＝１.８〜２.５であることがわかった。特
に上限については、Ｌ／Ｄを余りに２.５以上にする
と、缶の長さが拡大し過ぎて、小型化・軽量化が出来な
い為であるので、一応の実用上の使用限界として決めら
れる。
熱性能（α）は若干増加するが、水管のピッチが粗くな
りすぎて、α×ａ0が逆に低下することになる。これら
の関係を図示すると、図５の１、図５の２における、ご
ばん目配列の場合のＸ，Ｘ´のようになる。即ち、水管
群の小型、軽量化を図るためには、実用上Ｌ／Ｄの最適
範囲はＬ／Ｄ＝１.８〜２.５であることがわかった。特
に上限については、Ｌ／Ｄを余りに２.５以上にする
と、缶の長さが拡大し過ぎて、小型化・軽量化が出来な
い為であるので、一応の実用上の使用限界として決めら
れる。
【００２３】上記に記載の事項は（任意のＨ／Ｄ〔Ｈ
（mm）は、水管群のガス流れに直角方向にピッチ〕につ
いていえるが、Ｈ／Ｄが余り小さくなりすぎるとガス流
路が取れなくなって、圧損（△Ｐ）が増大し、そのため
にファン容量が増大することや、部分的にガス流速が大
きくなりすぎて、ガスの偏流が生起し、そのため結局、
伝熱性能が低下することになる。
（mm）は、水管群のガス流れに直角方向にピッチ〕につ
いていえるが、Ｈ／Ｄが余り小さくなりすぎるとガス流
路が取れなくなって、圧損（△Ｐ）が増大し、そのため
にファン容量が増大することや、部分的にガス流速が大
きくなりすぎて、ガスの偏流が生起し、そのため結局、
伝熱性能が低下することになる。
【００２４】また、Ｈ／Ｄが大きすぎると、流れに直角
方向の管の列の間隙が広くなり、流速が小さくなりすぎ
て、αやα×ａ0を高めることができないことになる。
方向の管の列の間隙が広くなり、流速が小さくなりすぎ
て、αやα×ａ0を高めることができないことになる。
【００２５】また、従来は、水管群を高性能化するため
の配列として、図４に示す千鳥配列も考えられた。
の配列として、図４に示す千鳥配列も考えられた。
【００２６】本発明者等はこれについても、研究を行っ
た結果、図５の１、図５の２のＹ，Ｙ´の曲線に示すよ
うに、Ｌ／Ｄの値が大きくなるにつれて、α及びα×ａ
0の値が、ごばん目配列の場合よりも著しく劣る結果が
得られた。しかしＬ／Ｄが小さいところ、つまりＬ／Ｄ
が１．３程度以下の範囲では逆にごばん目配列よりも、
ちどり配列の方が熱伝達率は高くなる。
た結果、図５の１、図５の２のＹ，Ｙ´の曲線に示すよ
うに、Ｌ／Ｄの値が大きくなるにつれて、α及びα×ａ
0の値が、ごばん目配列の場合よりも著しく劣る結果が
得られた。しかしＬ／Ｄが小さいところ、つまりＬ／Ｄ
が１．３程度以下の範囲では逆にごばん目配列よりも、
ちどり配列の方が熱伝達率は高くなる。
【００２７】この原因として，ちどり配列の方では、Ｌ
／Ｄが大きくなると、流れの混合が減少する為であり、
ごばん目はその逆と考えられる。
／Ｄが大きくなると、流れの混合が減少する為であり、
ごばん目はその逆と考えられる。
【００２８】通常ボイラでは、このような条件の、ちど
り配列を採用することは、圧力損失が高くなりすぎるこ
とや、水管まわり熱負荷分布が大きいというちどり配列
の本質的な欠点のため、腐食や熱疲労といった問題点が
あり、実用されにくい。
り配列を採用することは、圧力損失が高くなりすぎるこ
とや、水管まわり熱負荷分布が大きいというちどり配列
の本質的な欠点のため、腐食や熱疲労といった問題点が
あり、実用されにくい。
【００２９】また本発明者等の研究から、ごばん目配列
が、ちどり配列よりも性能が、更に向上するのはＨ／Ｄ
にも関係し、Ｌ／Ｈが１.５以上のときであることが判っ
た。これは、水管と水管との流れに直角方向の間隙Ｈが
余り小さい場合には、流れの閉塞化が起こって、円滑な
流れが保証されなくなり、燃焼作用や伝熱性能が低下す
る機能的な課題となるのに対して、Ｈの比が大きくなる
ところでは、燃焼ガス同志の混合作用が減じて、実用化
上の課題となるのが概略理解される。
が、ちどり配列よりも性能が、更に向上するのはＨ／Ｄ
にも関係し、Ｌ／Ｈが１.５以上のときであることが判っ
た。これは、水管と水管との流れに直角方向の間隙Ｈが
余り小さい場合には、流れの閉塞化が起こって、円滑な
流れが保証されなくなり、燃焼作用や伝熱性能が低下す
る機能的な課題となるのに対して、Ｈの比が大きくなる
ところでは、燃焼ガス同志の混合作用が減じて、実用化
上の課題となるのが概略理解される。
【００３０】間隙Ｈが開くと、水管と水管との間隙が開
くので、燃焼ガスの流速が段々低下して行き、燃焼ガス
の混合が起こり難くなるので、同様燃焼作用と伝熱性能
が低下して、最適のＬ／Ｄ値の場合でも、低下は免れ
ず、実用上問題が当然生じるのは一般的に理解されると
ころである。
くので、燃焼ガスの流速が段々低下して行き、燃焼ガス
の混合が起こり難くなるので、同様燃焼作用と伝熱性能
が低下して、最適のＬ／Ｄ値の場合でも、低下は免れ
ず、実用上問題が当然生じるのは一般的に理解されると
ころである。
【００３１】つまり、ごばん目配列の高性能な条件Ｌ／
Ｄ＝１．８〜２.５で、更に、ちどり配列よりも、有利な
条件であるＬ／Ｈ≧１．５により、Ｌ／Ｈ＝（Ｌ／Ｄ）
／（Ｈ／Ｄ）≧１．５ から １．８〜２．５／（Ｈ／Ｄ）≧１．５ 故に １．２≦Ｈ／Ｄ≦１．７ となる。
Ｄ＝１．８〜２.５で、更に、ちどり配列よりも、有利な
条件であるＬ／Ｈ≧１．５により、Ｌ／Ｈ＝（Ｌ／Ｄ）
／（Ｈ／Ｄ）≧１．５ から １．８〜２．５／（Ｈ／Ｄ）≧１．５ 故に １．２≦Ｈ／Ｄ≦１．７ となる。
【００３２】つまり、ごばん目配列の設計上のポイント
は、流れに直角方向のピッチを比較的小さく、流れ方向
のピッチを或程度大きくとってやるのがよい。
は、流れに直角方向のピッチを比較的小さく、流れ方向
のピッチを或程度大きくとってやるのがよい。
【００３３】勿論、これはＨ／Ｄ比を余り小さくして
は、水管と水管との狭い隙間の流れの抵抗が大きくなる
ので、燃焼ガスの流れが効果的に流れず混合も起こり難
くなるので、燃焼作用と伝熱性能の著しい低下を来た
し、また大きすぎても、流れの抵抗はないとしても、ボ
イラ性能上寸法が大きくなり、実用的には、好ましくな
いことを示している。
は、水管と水管との狭い隙間の流れの抵抗が大きくなる
ので、燃焼ガスの流れが効果的に流れず混合も起こり難
くなるので、燃焼作用と伝熱性能の著しい低下を来た
し、また大きすぎても、流れの抵抗はないとしても、ボ
イラ性能上寸法が大きくなり、実用的には、好ましくな
いことを示している。
【００３４】上記のＬ／Ｈ≧１．５で、ごばん目配列で
カルマン（Ｋａｒｍａｎ）渦が生じて（図１参照）性能
が、跳躍するのは、１．８≦Ｌ／Ｄ≦２．５の範囲であ
る。この範囲を取れば確かにごばん目配列は優秀であ
る。これは、流れ方向の管の配列と横方向の管の配列と
から形成されるカルマン渦が互いに干渉し会わない為と
考えられる。
カルマン（Ｋａｒｍａｎ）渦が生じて（図１参照）性能
が、跳躍するのは、１．８≦Ｌ／Ｄ≦２．５の範囲であ
る。この範囲を取れば確かにごばん目配列は優秀であ
る。これは、流れ方向の管の配列と横方向の管の配列と
から形成されるカルマン渦が互いに干渉し会わない為と
考えられる。
【００３５】上記のように、１.２≦Ｈ／Ｄ≦１.７
１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.５の範囲においてごばん目配列は、
一層高性能化され、なお、かつちどり配列よりも性能が
高くなる。上記に示した本発明者等の研究の結果、水管群
を有するボイラの水管群の設計ではＬ／Ｄが基本的に重
要なファクターであることが判明し、その最適値をとる
限り、千鳥配列よりもごばん目配列の方が著しく有利で
あることが明かになった。
１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.５の範囲においてごばん目配列は、
一層高性能化され、なお、かつちどり配列よりも性能が
高くなる。上記に示した本発明者等の研究の結果、水管群
を有するボイラの水管群の設計ではＬ／Ｄが基本的に重
要なファクターであることが判明し、その最適値をとる
限り、千鳥配列よりもごばん目配列の方が著しく有利で
あることが明かになった。
【００３６】その他水管群においては、燃焼ガスの流れ
方向の水管と水管との間隙を広くして、かつ、ごばん目
配列にする方が、水管外のガス側の汚れ対策や保守が更
に容易になるという利点がある。
方向の水管と水管との間隙を広くして、かつ、ごばん目
配列にする方が、水管外のガス側の汚れ対策や保守が更
に容易になるという利点がある。
【００３７】図７においては、燃焼室の燃焼火炎中にご
まん目配列の収熱水管５群を配設し、収熱水管５がバー
ナ先端から僅かに離れたところからＨ／Ｄ＝１.５７の
如くなし、一段目と２段目のみＬ／Ｄ＝３.０で以後は
Ｌ／Ｄ＝２.０に配置されている。この水管群の所で燃
焼が行なわれ、燃焼が完了した後、次段のＨ／Ｄ＝１.
５７、Ｌ／Ｄ＝２.０に配置された接触水管４群で伝熱
が行なわれる。
まん目配列の収熱水管５群を配設し、収熱水管５がバー
ナ先端から僅かに離れたところからＨ／Ｄ＝１.５７の
如くなし、一段目と２段目のみＬ／Ｄ＝３.０で以後は
Ｌ／Ｄ＝２.０に配置されている。この水管群の所で燃
焼が行なわれ、燃焼が完了した後、次段のＨ／Ｄ＝１.
５７、Ｌ／Ｄ＝２.０に配置された接触水管４群で伝熱
が行なわれる。
【００３８】ごばん目状に配列された水管４、５によっ
て、燃焼室内の収熱水管５では、水管後流にも燃焼ガス
が廻り込んで混合が好ましく行われて、燃焼が促進され
るとともに、接触伝熱性能も向上する。そのため、上記
本発明の水管の配列を取らしめることによって、接触水
管４群でも伝熱性能が向上し、ボイラ全体が大幅に小型
化されることになる。
て、燃焼室内の収熱水管５では、水管後流にも燃焼ガス
が廻り込んで混合が好ましく行われて、燃焼が促進され
るとともに、接触伝熱性能も向上する。そのため、上記
本発明の水管の配列を取らしめることによって、接触水
管４群でも伝熱性能が向上し、ボイラ全体が大幅に小型
化されることになる。
【００３９】更に、本発明の燃焼室内の収熱水管５と接
触水管群４は、本実施例のように燃焼ガスの流れを水平
方向に配置してもよい（図７）。
触水管群４は、本実施例のように燃焼ガスの流れを水平
方向に配置してもよい（図７）。
【００４０】又は、垂直水管を共用して上下の縦配置に
して、下部の燃焼室の燃焼火炎中に置かれたごばん目配
列の収熱水管を経て、燃焼ガスは上方の接触伝熱部へ向
かう構成としても形成できる（図８）。
して、下部の燃焼室の燃焼火炎中に置かれたごばん目配
列の収熱水管を経て、燃焼ガスは上方の接触伝熱部へ向
かう構成としても形成できる（図８）。
【００４１】又接触水管群の後流部では、ガス温度も低
下しているので、これらのフイン付水管にすると更に効
果的である。
下しているので、これらのフイン付水管にすると更に効
果的である。
【００４２】本発明は、炉内収熱水管ボイラのみに限定
されるものではなく、通常の水管ボイラや炉筒内に設け
た水管群その他強制循環式のような水平置水管など、水
管群を有するすべてのボイラに適用される。
されるものではなく、通常の水管ボイラや炉筒内に設け
た水管群その他強制循環式のような水平置水管など、水
管群を有するすべてのボイラに適用される。
【００４３】
【発明の効果】以上の点から、本発明の効果を纏めると
次の通りである。
次の通りである。
【００４４】本発明では、水管の配列を燃焼室の燃焼火
炎の中にごばん目配列として置くものとした為に、水管
の後流にも、燃焼火炎が回り込んで混合されて、燃焼作
用が促進されると共に接触伝熱性能も跳躍的に向上する
という従来の水管配置からは予測できない一挙両得の効
果が得られ、そして、燃焼室の中に水管を置くために、
燃焼室と伝熱室を置くものに比べて、ボイラ全体の大幅
な小型化・軽量化は図られた。これは、従来のＬ／Ｄ＝
１.５程度のピッチでは、水管後流に燃焼火炎が停滞す
る死水域が形成されて、燃焼と伝熱作用がなされない為
であることを見い出したことによるが、特に、Ｌ／Ｄ＝
１.５程度の従来の構造に対して、水管本数やその占有
面積が、約４０％低減することも可能になった。
炎の中にごばん目配列として置くものとした為に、水管
の後流にも、燃焼火炎が回り込んで混合されて、燃焼作
用が促進されると共に接触伝熱性能も跳躍的に向上する
という従来の水管配置からは予測できない一挙両得の効
果が得られ、そして、燃焼室の中に水管を置くために、
燃焼室と伝熱室を置くものに比べて、ボイラ全体の大幅
な小型化・軽量化は図られた。これは、従来のＬ／Ｄ＝
１.５程度のピッチでは、水管後流に燃焼火炎が停滞す
る死水域が形成されて、燃焼と伝熱作用がなされない為
であることを見い出したことによるが、特に、Ｌ／Ｄ＝
１.５程度の従来の構造に対して、水管本数やその占有
面積が、約４０％低減することも可能になった。
【００４５】水管をごばん目配列とした為に、水管後流
からの流れが、千鳥状としたものと比較して、流れの干
渉の少ない混合流となすことができ、跳躍的な燃焼作用
と伝熱性能が得られた。
からの流れが、千鳥状としたものと比較して、流れの干
渉の少ない混合流となすことができ、跳躍的な燃焼作用
と伝熱性能が得られた。
【００４６】水管群の小型高性能化と共に水管群を取り
付けるためのヘッダやドラムの水巻取付ピッチが広がる
ことになるので、水管群を集中するヘッダやドラムの強
度が強くなり、それだけ肉厚が薄くできて、ボイラ全体
の小型、軽量化とコストダウンが達成される大きな効果
がある。
付けるためのヘッダやドラムの水巻取付ピッチが広がる
ことになるので、水管群を集中するヘッダやドラムの強
度が強くなり、それだけ肉厚が薄くできて、ボイラ全体
の小型、軽量化とコストダウンが達成される大きな効果
がある。
【図１】図１は、水管群のごばん目配列を示す模型的横
断面図である。
断面図である。
【図２】図２は、水管群のごばん目配列における水管ま
わりの、燃焼ガスの流れを示す模型的横断面図であっ
て、水管と水管との間にデッドスペースがある場合を示
す。
わりの、燃焼ガスの流れを示す模型的横断面図であっ
て、水管と水管との間にデッドスペースがある場合を示
す。
【図３】図３は、水管群のごばん目配列における水管ま
わりの、燃焼ガスの流れを示す模型的横断面図であっ
て、水管の後流から渦が形成されデッドスペースない場
合を示す。
わりの、燃焼ガスの流れを示す模型的横断面図であっ
て、水管の後流から渦が形成されデッドスペースない場
合を示す。
【図４】図４は、水管の千鳥状配列の模型的横断面図を
示す。
示す。
【図５】図５は、Ｌ／Ｄの変化による平均熱伝達率αの
変化、及び同Ｌ／Ｄの変化によるα×ａ0の変化をそれ
ぞれ示す図である。
変化、及び同Ｌ／Ｄの変化によるα×ａ0の変化をそれ
ぞれ示す図である。
【図６】図６は、従来の水管ボイラの一例を示すもの
で、概略縦断面図、水管部分の概略横断面図をそれぞれ
示す。
で、概略縦断面図、水管部分の概略横断面図をそれぞれ
示す。
【図７】図７は、本発明の１実施例を示し、水管ボイラ
の燃焼室の燃焼火炎中に置かれたごばん目配列の水管
群、及び接触水管群の概略横断面図を示す図を示す。
の燃焼室の燃焼火炎中に置かれたごばん目配列の水管
群、及び接触水管群の概略横断面図を示す図を示す。
【図８】図８は、垂直水管の立配置の場合の本発明の他
の実施例の縦断面図を示す。
の実施例の縦断面図を示す。
１ ガスの廻り込まないデッドスペース ２ ガスの廻り込むスペース ３ 水管 ４ 接触水管 ５ 燃焼室内収熱水管 ６ 排ガス入口 ７ ドラム ８ 降水管 ９ ヘッダ １０ ヘッダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 雅通 大阪市北区大淀北１丁目９番36号 株式 会社ヒラカワガイダム内 (56)参考文献 特公 昭52−18937（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭39−1002（ＪＰ，Ｙ１) 伝熱研究 Ｖｏｌ．27 Ｎｏ．106, 日本伝熱研究会，昭和63年７月 ｐ．70 −87 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F22B 37/10 F22B 21/04
Claims (1)
- 【請求項１】 燃焼室の燃焼火炎中にごばん目配列され
た水管群を有するボイラにおいて、水管群の燃焼ガスの
流れに直角方向のピッチをＨ（ｍｍ）、水管の外径をＤ
（ｍｍ）とするとき、水管群の二列目以降のＬ／Ｄを
１.８以上２.５以下とし、且つ水管群の一列目と二列目
だけがＬ／Ｄを３程度とし、水管群をごばん目配列に成
したことを特徴とする水管群を有するボイラ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9254119A JP2948180B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | 燃焼室内にごばん目配列に置かれた水管群を有するボイラ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9254119A JP2948180B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | 燃焼室内にごばん目配列に置かれた水管群を有するボイラ |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63333970A Division JPH02178502A (ja) | 1988-12-29 | 1988-12-29 | 水管群を有するボイラ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10196904A JPH10196904A (ja) | 1998-07-31 |
| JP2948180B2 true JP2948180B2 (ja) | 1999-09-13 |
Family
ID=17260495
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9254119A Expired - Fee Related JP2948180B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | 燃焼室内にごばん目配列に置かれた水管群を有するボイラ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2948180B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011058768A (ja) * | 2009-09-14 | 2011-03-24 | Kawasaki Thermal Engineering Co Ltd | 流体加熱装置 |
-
1997
- 1997-09-04 JP JP9254119A patent/JP2948180B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 伝熱研究 Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．１０６，日本伝熱研究会，昭和６３年７月 ｐ．７０−８７ |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011058768A (ja) * | 2009-09-14 | 2011-03-24 | Kawasaki Thermal Engineering Co Ltd | 流体加熱装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10196904A (ja) | 1998-07-31 |
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
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