JP2988363B2 - 煙管を備えたボイラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、煙管を備えたボ
イラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】煙管を備えたボイラとしては、煙管ボイ
ラや炉筒煙管ボイラがある。これらのボイラにおいて、
複数の煙管の内部に、例えばバーナや、他の機器からの
熱ガス（高温のガス。燃焼によるものを含む。）を流通
させ、この熱ガスからの熱回収を行って、蒸気や温水を
得ている。これらのボイラにおいて、前記煙管は一般に
管板と呼ばれるものに両端を固定してあり、更に、この
一対の管板の耐圧性を向上させるために管板間に補強部
材を取付ける場合がある。この補強部材は、通常、管
（一般に、ステー管と呼ばれる。）が用いられ、このス
テー管内にも前記熱ガスを流通させることによって熱回
収量を高めている。前記煙管には、熱ガスからの伝熱促
進のために、内部に螺旋状の隆起を設けたり、内部の軸
方向に沿って、コイルやスパイラル状のリボン等の乱流
促進体を設けたりして、これらにより内部を流通する熱
ガスに乱流を惹起し、熱伝達を改善を図っている。

【０００３】ところで、このように煙管に伝熱改善のた
めの対策を施したものでは、熱ガスの圧力損失が大きく
なる。一方、ステー管は、平滑な直管であり、ガスの流
れ圧損が小さいため、管当りのガス流量が増加し、ま
た、平滑な直管であるため熱回収効率が低く、ステー管
出口における熱ガス温度は、前記煙管出口よりも高くな
る。このステー管においても、前記煙管同様に、熱伝達
を改善するために、内部に螺旋状の隆起を設けることが
考えられるが、内部に螺旋状の隆起を設ける場合には、
強度的に問題が生じる恐れがある。また、ステー管内部
の軸方向に沿って、コイルやスパイラル状のリボン等の
乱流促進体を設けることも考えられるが、熱ガスが高温
の場合には、このような乱流促進体では、熱による変形
や焼損、酸化による劣化を生じるため使用できない。こ
の点については、前記煙管も同様である。尚、このよう
なボイラを、焼却炉やエンジン等からの廃ガスを利用す
る廃ガスボイラとして利用する場合、煙管やステー管内
に前記のような乱流促進体を設けたものにおいては、前
述の熱による問題の他、廃ガス中に含まれる煤塵が乱流
促進体に付着して圧力損失を増加させたり、また、廃ガ
ス中の有害排気物によって前記乱流促進体が腐食する等
の問題が発生するため、このような用途のボイラでは、
煙管の内部に螺旋状の隆起を設けている。

【０００４】前記ステー管の内径を前記煙管の内径より
小さくすることによって煙管への熱ガスの流入量を増加
させ、前記煙管とステー管における燃焼ガスの配分を適
正化するとともに、前記煙管とステー管による管板の補
強を行なうを技術も実公昭５０−３８４１号公報におい
てされているが、ステー管を小径とすると、比較的長尺
なボイラにおいては、ステー管が自重で下方に湾曲し、
補強部材としての機能を果たさなくなるため、その途中
に支持部材を配置する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、煙管とステー管とに流入する熱ガス量を
最適に配分し、かつ、長尺なボイラにおいてもステー管
を途中で支持する必要の無い、構造の簡単なボイラーを
提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、伝熱促進手
段を備えた複数の煙管を管板間に架設するとともに、こ
の管板間に補強用のステー管を架設してなり、前記ステ
ー管の出口部での熱ガス温度が、前記煙管の出口部での
熱ガス温度より高いものにおいて、前記ステー管におけ
る熱ガスの入口部、及び出口部の少なくとも一方に、前
記ステー管に流入する熱ガスの量を制限して前記ステー
管の出口部での熱ガス温度を低下させる流量調整部材を
設けた構成によって、上述課題を解決するものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】この発明は、煙管を備え、更に補
強のためのステー管を備えたボイラに適用されるもの
で、このボイラとしては、煙管ボイラや炉筒煙管ボイラ
を含み、更に、管内に熱ガスを導入する形式の熱交換器
についても適用される。前記煙管とは、主に熱交換を目
的として管板間に配置されるものであり、内部に螺旋状
の隆起を設けたり、内部の軸方向に沿って、コイルやス
パイラル状のリボン等の乱流促進体を設ける等の伝熱促
進手段を設けたものである。一方、ステー管は、主に管
板の補強を行なうためのもので、直管状の煙管（或は伝
熱管）として機能するものである。ここで、管板とは、
略筒形状のボイラ胴を構成する部材で、このボイラ胴の
両端面を構成し、この管板に前記煙管、並びにステー管
の各端部を固定する。従って、一方の管板側から煙管、
並びにステー管内に、バーナや、他の機器からの熱ガス
が供給され、前記煙管、並びにステー管において熱回収
を行ったのち、他方の管板側から排出される。

【０００８】そして、前記ステー管の出口部での熱ガス
温度が、前記煙管の出口部での熱ガス温度より高いもの
において、前記ステー管における熱ガスの入口部、及び
出口部の少なくとも一方に、流量調整部材を設けること
によって、前記ステー管に流入する熱ガスの量を制限し
て、ステー管の出口部での熱ガス温度を低下させ、前記
煙管の出口部での熱ガス温度に近付けたものである。即
ち、煙管並びにステー管の出口部での熱ガス温度を平均
化することである。より好ましくは、ステー管の出口部
での熱ガス温度を煙管の出口部での熱ガス温度と略同一
とする。即ち、煙管、並びにステー管の出口部における
熱ガス温度を略同一とすることは、ステー管における熱
ガスの温度低下を煙管と略同一とし、通過する熱ガスか
らの熱回収率を同等とすることである。この流量調整部
材の一つとしては、煙管やステー管の入口部の保護のた
めに挿入されるフェルールを用い、この内径を適宜調整
する。尚、ここでいうフェルールは、煙管の端部内に挿
入される鍔付きの筒状部材であって、通常、熱ガスや熱
ガス中に含まれる粉塵、ダスト等によって煙管の焼損、
磨耗を防止したり、煙管の端部の管板との溶接部の保護
のために利用される。また、この流量調整部材は、パイ
プやドーナッツ板形状のバッフル板を用い、中央部の管
通孔の内径を調整して前記ステー管の入口部、及び出口
部の少なくとも一方の内部に挿入する。更に、この流量
調整部材は、パイプやドーナッツ板形状のバッフル板を
各ステー管に個別に設ける代わりに、前記各ステー管の
配設位置に、所定の内径の貫通孔を形成したバッフル板
を、前記管板を覆うように取付ける。

【０００９】

【実施例】以下、図１，図２を参照しながら、この発明
に係る煙管を備えたボイラの第１実施例について説明す
る。尚、図１は、この発明の第１実施例の要部の拡大断
面形状を説明するための図面、図２は、この発明を適用
したボイラの断面形状を説明するための図面である。
先ず、第１実施例を説明するまえに、この発明を適用す
るボイラについて図２を参照しながら説明する。このボ
イラは、煙管ボイラであって、熱ガスとしてディーゼル
排気や反応炉等からの排ガスを導入し、この熱ガスをも
とに水、或は温水を得る所謂排熱ボイラである。図２に
おいて、筒状をなす缶体(1) はその両端に管板(2),(3)
を備えており、一方の管板(2) 側には熱ガスの導入筒部
(4) を、他方の管板(3) 側には、排気管(5) を接続する
排気筒部(6) 接続してある。前記導入筒部(4) は、その
上流側（図中左側）から熱ガスが供給される。

【００１０】前記缶体(1) は、対をなす管板(3),(4) 間
に、複数の煙管(7) 並びに複数のステー管(8) を配置し
てあり、これらの煙管(7) 並びにステー管(8) の外周を
円筒状外筒(9) で覆うことで、それらの煙管(7) 並びに
ステー管(8) と筒状外筒(9)間に液体貯溜空間(10)を形
成し、筒状外筒(9) 内に水を供給する水流入口(11)と蒸
気を外部に供給する蒸気出口(12)を設けてある。

【００１１】前記熱ガスの導入筒部(4) を接続した管板
(2) 側には、耐火断熱物層(13)を形成してあり、この耐
火断熱物層(13)を貫通させて、前記各煙管(7) 並びに各
ステー管(8) に、それぞれフェルール(20)(21)を接続し
てある。このフェルール(20)(21)は、一般に耐熱性能に
優れる耐熱鋼や、セラミック製材料等が用いられる。前
記煙管(7) は、熱交換を主目的として管板(2),(3) 間に
配置されるもので、伝熱促進手段として内部に螺旋状の
隆起を設け、これにより所謂スパイラル管としてある。
一方、ステー管(8) は、管板(2),(3) の補強を行なうた
めのもので、直管形状としてある。このボイラにおいて
は、前記導入筒部(4) から導入された熱ガスは、前記各
フェルール(20)(21)を経て、煙管(7) 並びにステー管
(8) 内に流入し、前記液体貯溜空間(10)内の水を加熱し
た後、前記排気筒部(6) を介して排気管(5) から排出さ
れる。

【００１２】この発明においては、伝熱促進手段を備え
た煙管(7) の出口部での熱ガス温度より、ステー管(8)
の出口部での熱ガス温度が高くなるものにおいて、前記
ステー管(8) における熱ガスの入口部、及び出口部の少
なくとも一方に、流量調整部材を設け、これによって前
記ステー管(8) に流入する熱ガスの量を制限して、ステ
ー管(8) の出口部での熱ガス温度を低下させ、前記煙管
(7) の出口部での熱ガス温度に近付けたものである。こ
の第１実施例は、この流量調節手段として、前述のフェ
ルール(21)を利用するもので、以下、図１を参照しなが
ら詳細に説明する。

【００１３】この第１実施例においては、前記煙管(7)
並びにステー管(8) の外径は、略同じとしてあるが、前
記ステー管(8) は、管板(2),(3) 間を連結し、ボイラの
缶体(1) の補強を行なう観点から、前記煙管(7) よりも
肉厚を大きくしてある。従って、ステー管(8) の内径
は、前記煙管(7) の内径より小さく設定してある。この
際のステー管(8) の内径並びに外径は、前記補強部材と
しての機能を満足するように設定したもので、ステー管
(8) が自重で下方に湾曲しないように設定し、補強部材
としての機能を満足するものである（ステー管(8) の途
中に支持部材が不要である。）。尚、図示する第１実施
例においては、各フェルール(20)(21)の外周と、煙管
(7) ，ステー管(8) ，及び耐火断熱物層(13)との間の部
材は、耐熱性の充填物(14)である。ここで、管路の摩擦
損失は、長さに比例し、内径に反比例するから、煙管
(7)の摩擦損失は、ステー管(8) よりも少ないが、前記
煙管(7) は、内部に螺旋状の隆起を形成することによっ
て乱流を促進して熱伝達率を向上させており、この構造
によると、その流動抵抗、並びに熱伝達率は、平滑な直
管に比べてそれぞれ数倍になることが知られている。し
かし、ステー管(8) における流動抵抗が煙管(7) と同じ
になるように、ステー管(8) の内径を煙管(7) よりも小
さくする（外径も同様に小さくする）と、前述のように
ステー管(8) 本来の補強部材としての機能を阻害し、ま
た、ステー管(8) の厚みをむやみに大きくすることは、
管材料のコスト増加を招く。そこで、この発明において
は、前記ステー管(8) に用いるフェルール(21)の内径
を、前記煙管(7) に用いるフェルール(20)の内径よりも
小さく設定し、これによって前記ステー管(8) に流入す
る熱ガスの量を制限して、ステー管(8) の出口部での熱
ガス温度を低下させ、前記煙管(7) の出口部での熱ガス
温度に近付けている。即ち、煙管(7) 並びにステー管
(8) の出口部での熱ガス温度を平均化している。更に、
ステー管(8) の出口部での熱ガス温度を煙管(7) の出口
部での熱ガス温度と略同一とするのがより好ましい。即
ち、煙管(7) 並びにステー管(8) の出口部における熱ガ
ス温度を略同一とすることにより、ステー管(8) におけ
る熱ガスの温度低下を煙管(7) と略同一とし、通過する
熱ガスからの熱回収率を同等とすることができる。従っ
て、これら各フェルール(20)(21)の内径の関係は、前記
煙管(7) 並びにステー管(8) の出口部における熱ガス温
度が略同一となるようにする。 ここで、略同一とは、
煙管(7) 出口部における熱ガス温度に対して、ステー管
(8) の出口部における熱ガス温度が上下３０℃、より好
ましくは２０℃以内の差となるように設定する。このよ
うに各フェルール(20)(21)の内径を設定することによ
り、煙管(7) 並びにステー管(8) の出口部における熱ガ
ス温度が略同一とすることは、煙管(7) 、並びにステー
管(8) における熱ガスの温度低下を略同一とすることで
ある。また、前述のように、管路においては内径が小さ
いほど流動抵抗が増加するため、伝熱効率が向上し、入
口部と出口部における熱ガスの温度差が拡大する。

【００１４】即ち、煙管(7) への熱ガスの流入量が増加
し、前記伝熱促進手段を備えた煙管(7) における熱回収
量が増加する。一方、ステー管(8) においては、熱ガス
の流入量が減少するが、フェルール(21)の内径を上述の
ように設定しているため、温度の低下量は増大し、熱ガ
スからの熱回収率は増加する。従って、煙管(7) 並びに
ステー管(8) への熱ガスの流入量が最適に配分され、全
体的な熱回収率は向上する。従って、同一の熱回収量の
ボイラで比較すると、この発明によれば、その伝熱面面
積を大幅に縮小できることになる。更に、前述のよう
に、ステー管(8) の内径、並びに外径を煙管(7) より小
さくし、ステー管(8) 本来の補強部材としての機能を阻
害することがなくなるため、前述のようなステー管の途
中を支える支持部材の必要が無く、従って、構造の簡単
なボイラとすることができる。

【００１５】次に、前記の流量調整部材の他の実施例を
図３を参照しながら説明する。尚、図３は、この発明の
第２実施例の要部の拡大断面形状を説明するための図面
である。この第２実施例は、前記の第１実施例のように
管板(2) に耐火断熱物層(13)を施工しないボイラ、例え
ば熱ガスの温度が比較的低いボイラへの適用例であり、
この場合においては、通常、フェルール(20)(21)は用い
ないため、この第２実施例においては、流量調整部材と
してパイプ(21') を用い、このパイプ(21') 中央部の管
通孔(22)の内径を調整してステー管(8) の入口部の内側
に挿入している。この第２実施例において、煙管(7) に
は、パイプ(21') を挿入していないが、これは、煙管
(7) への熱ガスの流入量を増加させるためである。この
第２実施例において、前記パイプ(21') の内径は、前記
第１実施例におけるフェルール(21)の内径と同様に設定
する。尚、この第２実施例において、流量調整部材をパ
イプ(21') としてあるが、このパイプの代わりにドーナ
ッツ板形状のバッフル板としてもよく、このようなバッ
フル板をステー管(8) の内部に挿入した状態で配置する
他、ステー管(8) の端面に装着した構造としたものでも
よい。更に、この第２実施例においては、ステー管(8)
の入口部に流量調節手段としてのパイプ(21') を設けて
いるが、出口部にもこのパイプ(21') を設けてあっても
よい。また、熱ガスからの熱の影響を更に回避するため
には、熱回収後の温度低下した熱ガスが通過するステー
管(8) の出口部の内側に設ければよい。

【００１６】次に、前記の流量調整部材の更に他の実施
例を図４を参照しながら説明する。尚、図４は、この発
明の第３実施例の要部の拡大断面形状を説明するための
図面である。この第３実施例においては、前述の第２実
施例のように各ステー管(8) に個別に流量調整部材を設
ける代わりに、各ステー管(8) に対応する位置に、各ス
テー管(8) の内径よりも小径の貫通孔(22)を形成したバ
ッフル板(21") を、前記管板(2) を覆うように取付けた
ものである。この第３実施例において、前記バッフル板
(21") の管通孔(22)の内径は、前記第１実施例における
フェルール(21)の内径と同様に設定する。この第３実施
例においても、前記第２実施例同様に、ステー管(8) の
入口部に流量調節手段としてのバッフル板(21") を設け
ているが、入口部と出口部，或は出口部のみに設けてあ
ってもよい。

【００１７】尚、以上の説明においては、蒸気ボイラと
して説明したが、温水ボイラにも同様に適用可能であ
り、また、煙管を備えたボイラであれば、炉筒煙管ボイ
ラにおいても適用可能である。

【００１８】

【発明の効果】この発明に係る煙管を備えたボイラは、
ステー管における熱ガスの入口部、及び出口部の少なく
とも一方に、前記ステー管に流入する熱ガスの量を制限
して前記ステー管の出口部での熱ガス温度を低下させる
流量調整部材を設けた構成であるから、前記ステー管に
流入する熱ガスの量を制限して、ステー管の出口部での
熱ガス温度を低下させ、前記煙管の出口部での熱ガス温
度に近付け、煙管並びにステー管の出口部での熱ガス温
度を平均化することができる。その結果、前記煙管並び
にステー管の内面、即ち伝熱面における熱伝達が均一化
するため、全体的に伝熱面積を低減できる。 また、ステ
ー管の内径を必要以上に小さく設定する必要が無く、ス
テー管本来の補強部材としての機能を損なうことがない
ため、長尺なボイラにおいてもステー管を途中で支持す
る必要が無い。従って、この発明によれば、小型で、構
造の簡単なボイラーを安価に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の要部の拡大断面形状を
説明するための図面である。

【図２】この発明を適用したボイラの断面形状を説明す
るための図面である。

【図３】この発明の第２実施例の要部の拡大断面形状を
説明するための図面である。

【図４】この発明の第３実施例の要部の拡大断面形状を
説明するための図面である。

【符号の説明】

(2) 管板 (3) 管板 (7) 煙管 (8) ステー管 (21) フェルール（流量調整部材） (21') パイプ（流量調整部材） (21") バッフル板（流量調整部材）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 伝熱促進手段を備えた複数の煙管(7) を
   管板(2),(3) 間に架設するとともに、この管板(2),(3)
   間に補強用のステー管(8) を架設してなり、前記ステー
   管(8) の出口部での熱ガス温度が、前記煙管(7) の出口
   部での熱ガス温度より高いものにおいて、前記ステー管
   (8) における熱ガスの入口部、及び出口部の少なくとも
   一方に、前記ステー管(8)に流入する熱ガスの量を制限
   して前記ステー管(8) の出口部での熱ガス温度を低下さ
   せる流量調整部材(21)を設けたことを特徴とする煙管を
   備えたボイラ。