JP3046890U - 貫流ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 横断面が矩形の燃焼室（４）を備え、この燃焼室（４）
の各燃焼室壁（４ａ、４ａ′）が垂直に配置されフィン
（１４、１４′）を介して互いに気密に接続された蒸発
器管（１２、１２′）を含み、蒸発器管（１２、１
２′）が流れ媒体によって下から上に貫流可能な貫流ボ
イラにおいて、蒸発器管（１２、１２′）の種々の入熱
量を一様にするために、本考案に基づいて、蒸発器管
（１２、１２′）において個々の蒸発器管（１２、１
２′）およびそれらに付属するフィン（１４、１４′）
から形成される熱吸収面積（Ｆ、Ｆ′）が、燃焼室壁
（４ａ、４ａ′）の中央範囲において燃焼室（４）の隅
部（２６、２６′）におけるよりも小さくされている。

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、横断面が矩形の燃焼室を備え、この燃焼室の各燃焼室壁がほぼ垂直 に配置されフィンを介して互いに気密に接続された蒸発器管を含み、蒸発器管が 流れ媒体によって下から上に貫流可能な貫流ボイラに関する。

貫流ボイラでは、燃焼室壁を形成する蒸発器管による加熱作用は、循環して流 れる水−水／蒸気−混合物を一部しか蒸発しない自然循環式ボイラと異なり、流 れ媒体が蒸発器管を一回通過するだけでこれを完全に蒸発する。自然循環式ボイ ラでは蒸発器管は原理的に垂直に配置されているが、貫流ボイラあるいは強制貫 流ボイラの蒸発器管は垂直並びに螺旋状に、従って斜めに配置されている。

燃焼室壁が垂直に配置された蒸発器管から構成されている貫流ボイラは、螺旋 状に配管敷設された貫流ボイラに比べてコスト的に有利に製造できる。垂直に配 管敷設された貫流ボイラは更に傾斜した蒸発器管を備えたものに比べて水／蒸気 側圧力損失が小さい。しかし垂直に配置された個々の蒸発器管の入熱量に差を生 ずることは避けられず、この入熱量の相違は隣接する蒸発器管の間に、特に蒸発 器の出口において温度差を生ずる。

垂直に配管敷設された燃焼室において熱流の大きさ、従って個々の蒸発器管へ の入熱の大きさは燃焼室壁における蒸発器管の位置に左右されるので、横断面が 矩形の燃焼室あるいは燃焼室囲いの隅部における蒸発器管はその全長にわたっ
て、 燃焼室壁の中央における蒸発器管よりもガス側の熱流密度が小さくなる。この原 因は、化石燃料が燃焼する際に生ずる燃焼室の内部における火炎が得られる全空 間を一様に充填しないことにある。従って燃焼室の内部において垂直方向並びに 水平方向にほぼ釣鐘状の温度プロフィルが生ずる。この温度プロフィルは燃焼室 の中央範囲から出発して上向きにおよび下向きに並びに燃焼室の隅部に向けて減 少している。これによって燃焼室の隅部の範囲における蒸発器管に比べて、燃焼 室壁の中央における蒸発器管に多量の熱が導入される。これにより更に燃焼室壁 の中央範囲における蒸発器管の水／蒸気側の冷却が困難になる。これにより蒸発 器管の出口における蒸気温度は許容できないような高温になる。フィンの温度も 燃焼室壁の中央において高い熱流密度のために許容できない高い値をとる。

燃焼室の垂直方向において互いに隣接する管の間における許容できない高い温 度差は摩擦圧力損失の急激な減少によって防止される。減少自体は蒸発器管内に おける流速あるいは質量流量密度の相応した低下によって達成される。もっとも そのために内側にリブの付いた蒸発器管を使用する必要がある。内側にリブの付 いた蒸発器管は質量流量密度が低い場合にも特に良好な熱伝達特性を有している からである。内側面に多条ねじを形成するリブを備えたこの種の蒸発器管並びに そのボイラへの採用は例えばヨーロッパ特許出願第０５０３１１６号明細書で知 られている。

貫流ボイラの燃焼室壁が内側にリブの付いた蒸発器管で配管敷設されている場 合、軸方向の流れに旋回が重畳され、この旋回は管内壁における水膜による熱吸 収媒体の位相分離を生ずる。これによって水がほぼ完全に蒸発するまで非常に良 好な沸騰熱伝達が維持される。しかし２００〜２２１バールの圧力範囲において 強い加熱の際に旋回流だけでは必ずしも許容できない高い壁温を避けることはで きない。約２１０バールの臨界圧力の近くで（この場合には液体類似媒体と蒸気 類似媒体との間でなお僅かな密度差が存在する）、管内壁あるいは加熱面の濡れ を保証することは２００バール以下の圧力範囲よりも非常に難しい。これは管壁 と熱吸収媒体の液相との間に生ずる蒸気膜（膜沸騰）が熱伝達を妨げることに起 因する。この蒸気膜発生範囲においては管壁の温度は著しく上昇する。文献「フ ァウゲーベー・クラフトウェルクステヒニク７３」（１９９３年４号、第３５２ 〜３６０頁に掲載のイヨット・フランケ、ヴェー・コーラー及びエー・ウィトコ フ共著の論文「ベンソンボイラ用蒸発器の構想」に記載されているように、約２ １０バールの圧力以上においては濡れた加熱面による沸騰状態から濡れてない加 熱面による膜沸騰に達するには僅かな壁過熱で既に十分である。また上述の圧力 範囲においては僅かな過熱で既に過熱境界層に蒸気泡が生じ、これは大きな気泡 に結合し従って熱伝達を妨げる（均質な核形成）。

上述の熱伝達メカニズムはいまや、約２００バールおよびそれ以上の圧力で運 転される貫流ボイラの上述の管において質量流量密度、従って摩擦圧力損失を２ ００バール以下の圧力で運転される貫流ボイラよりも高く設定しなければならな くする。これによって各管を更に過剰加熱する際にその流量も増大するという利 点が失われる。しかし高い熱効率、従って二酸化炭素の僅かな発生を得るために ２００バール以上の高い蒸気圧力が必要であるので、この圧力範囲において良好 な熱伝達を保証する必要がある。従って垂直に配管敷設された燃焼室壁を備えた 貫流ボイラは普通は、約２００〜２２１バールの臨界圧力範囲において常に蒸発 器管から流れ媒体あるいは熱吸収媒体への十分に高い熱伝達を達成するために、 蒸発器管内において比較的高い質量流量密度で運転される。しかしこの処理はま ず第１に燃焼器の垂直方向における温度経過を考慮に入れている。

水平方向における温度経過の補償、従って良好な加熱バランスは、燃焼室を螺 旋状に配管敷設（スパイラル巻回）した場合に、各蒸発器管あるいは平行管が実 質的に燃焼室のすべての加熱領域を通過するので達成される。しかしスパイラル 巻回は垂直の配管敷設に比べて蒸発器管の入口面積が比較的小さく従って蒸発器 管の総数が比較的少ないので、蒸発器管における流れ媒体の流速が高くなる。こ れは更に非常に高い水／蒸気側の圧力損失を生ずる。

本考案の課題は、蒸発器管の出口における温度差が特に小さな値に減少され、 高い熱効率に設計されるような垂直に配管敷設された燃焼室壁を備えた貫流ボイ ラを提供することにある。

この課題は本考案によれば、蒸発器管において個々の蒸発器管およびそれらに 付属するフィンから形成される熱吸収面積が、燃焼室壁の中央範囲において燃焼 室の隅部におけるよりも小さくされることによって解決される。

本考案は、蒸発器管の熱吸収が管円周のガス側半部を介してだけでなく、フィ ンあるいは帯金を介しても行われるという考えから出発している。それ自体冷却 されないフィンによって吸収される熱は隣接する蒸発器管に放出される。個々の 蒸発器管の熱吸収面積は、蒸発器管の燃焼室の内部における火炎の側の半周およ びフィンの面積から生ずる。フィンの面積はフィンの全幅あるいは二つのフィン の半幅の二倍とその垂直方向における長さから生ずる。

そのように規定された個々の蒸発器管の熱吸収面積をいま少なくともほぼ水平 方向における温度経過に合わせるために、有利な実施態様においては、蒸発器管 を結ぶフィンの幅は各燃焼室壁の中央範囲において燃焼室の隅部におけるよりも 小さくされている。

この場合の有利な実施態様においては、フィンの幅は中央範囲から出発して燃 焼室の各隅部に向って漸次減少している。その代わりに、各燃焼室壁の蒸発器管 がそれぞれ同じ幅をしたフィン毎にグループにまとめられ、種々のグループのフ ィンの幅が異なるようにもできる。この変形例は先の実施態様に比べて実質的に より簡単に実施される。

垂直に配置された蒸発器管と種々の幅をしたフィンとを備えた燃焼室壁の製造 は、有利には、各燃焼室壁の隅部に接するグループのフィンの幅が同じであるこ とによっても簡単化される。

燃焼室壁の隅部の範囲における熱吸収面積を中央範囲におけるものに比べて更 に増大するために、燃焼室の隅部の範囲における蒸発器管は燃焼室の中に突出す る補助フィンを有している。

ポンプ圧力が必要な蒸気量に合わされる変動圧力で運転される貫流ボイラでは 有利には内側面が平滑ないわゆる平滑管が使用される。しかしそれに変えて、内 側にリブの付いた管を使用することもできる。平滑管並びに内側リブ付き蒸発器 管においては、管の内径および／又は管の外径の変更によって個々の蒸発器管の 異なった入熱量を補助的に一様にすることができる。燃焼室の隅部では燃焼室壁 の中央における蒸発器管に比べて大きな直径の蒸発器管が使用される。

本考案によって得られる利点は特に、燃焼室壁の中央範囲における熱吸収面積 を燃焼室の隅部に比べて減少することによって個々の蒸発器管の異なった入熱量 が一様にされることにある。蒸発器管間におけるフィンあるいは帯金の幅が従来 のように燃焼室全周にわたって一様ではなく、中央範囲において燃焼室の隅部に おけるより狭くされることによって、個々の蒸発器管に対する熱吸収面積が壁の 中央においては減少し、隅部においては増大する。それに応じて個々の蒸発器管 の熱吸収が減少ないし増大する。これによって燃焼室壁の中央に配置されている 蒸発器管の高い入熱量が減少され、燃焼室壁の隅部に配置された蒸発器管の僅か な入熱量が増大される。

以下図を参照して本考案の実施例を詳細に説明する。

図１は垂直に配置された蒸発器管を備えた貫流ボイラの概略図、 図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った種々の幅を有するフィンを備えた気 密の燃焼室壁の横断面図、および 図３はグループ毎に同じフィン幅を有する蒸発器管グループの図２に相応した 図である。

すべての図において対応部分には同一の符号が付されている。

図１には、垂直の煙道が囲い壁４で形成され、この囲い壁４の下端が漏斗状の 底部６に移行している横断面が矩形の貫流ボイラ２を概略的に示している。底部 ６は詳細に示されていない灰の取出し口８を有している。

煙道の下部範囲Ａにおいて垂直に配置された複数の蒸発器管１２で形成された 囲い壁あるいは燃焼室４に化石燃料用の多数のバーナ１０が設けられているが、 図ではそのうち一つのバーナしか示されていない。垂直に配置された蒸発器管１ ２はこの範囲Ａにおいて帯状板金の形をしたフィンあるいは帯金１４（図２およ び図３参照）を介して気密の燃焼室壁４ａの形に互いに溶接されている。貫流ボ イラ２の運転中に下から上に貫流される蒸発器管１２はこの範囲Ａにおいて蒸発 器加熱面１６を形成している。

燃焼室４の中には貫流ボイラ２の運転中において化石燃料の燃焼の際に生ずる 火炎１７があるので、貫流ボイラ２のこの範囲Ａは非常に高い熱流密度によって 特色づけられる。火炎１７は、燃焼室４のほぼ中央から出発して垂直方向におい て上向きおよび下向きに並びに水平方向において横向きに即ち燃焼室４の隅部に 向いて減少する温度プロフィルを有する。

煙道の下部範囲Ａの上には火炎から離れた第２の範囲Ｂが存在し、その上に煙 道の第３の上部範囲Ｃが設けられている。煙道のこれらの範囲Ｂおよび範囲Ｃに はそれぞれ対流形加熱面１８、２０、２２が配置されている。煙道範囲Ｃの上側 には煙道ガス排出通路２４が存在し、化石燃料の燃焼によって発生した煙道ガス ＲＧはこの煙道ガス排出通路２４を通って垂直の煙道から出ていく。

図２および図３はそれぞれ煙道範囲Ａにおける燃焼室４の横断面図を示してお り、隅部２６、２６′に接する二つの燃焼室壁４ａ（図２）ないし４ａ′（図
３） が示されている。気密の燃焼室壁４ａ、４ａ′を形成するために、互いに隣接す る蒸発器管１２、１２′間に設けられているフィン１４ないし１４′は蒸発器管 １２、１２′に長手方向に溶接されている。この構造は管・フィン・管・構造と も呼ばれる。

フィン１４、１４′は互い隣接する蒸発器管１２、１２′間のそれぞれの間隔 に相応する幅ｂないしｂ′を有している。出力６００ＭＷの貫流ボイラの場合、 各燃焼室壁４ａ、４ａ′は約３６０本の蒸発器管１２ないし１２′で構成されて いる。蒸発器管１２、１２′の外径ｄ_１、ｄ_１′が約３０ｍｍ、フィン１４、１ ４′の幅ｂ、ｂ′が約２０ｍｍである場合、各燃焼室壁４ａないし４ａ′の全幅 は約２０ｍとなる。

フィン１４の幅ｂおよび蒸発器管１２の半周１２ａ並びにその長さから各蒸発 器管１２の熱吸収面積Ｆが明らかとなる。このことは図２において一本の蒸発器 管１２に具体的に示されている。

図３においては同様に一本の蒸発器管１２′に具体的に示されているように、 熱吸収面積Ｆ′は蒸発器管１２′に接する二つのフィン１４′の幅ｂ′の半分お よび個々の蒸発器管１２′の半周並びにその長さからも明らかとなる。上記の規 定方式は、一方では各フィン１４、１４′の温度がその幅ｂ、ｂ′の半分、即ち フィン１４、１４′の中央で最高値を有し、両側に接する蒸発器管１２、１２′ に向けて低下するという考えに基づいている。他方では各フィン１４、１４′は その熱をそれぞれ半分づつ両側に接する蒸発器管１２ないし１２′に放出すると いう考えに基づいている。

図２の実施例の場合、蒸発器管１２間のフィン１４の幅ｂは燃焼室４の各隅部 ２６から各燃焼室壁４ａの中央まで漸次即ち徐々に減少している。従って蒸発器 管１２およびフィン１４が同じ長さをしている場合、各蒸発器管１２の熱吸収面 積Ｆは燃焼室４の各隅部２６から各燃焼室壁４ａの中央まで連続的に減少する。

従って単位面積当たりの入熱量が同じである場合、フィン幅ｂの減少によって蒸 発器管１２当たりの熱吸収量が減少する。これによって生じた蒸発器管１２の外 側における僅かな熱流密度は蒸発器管１２の内側面に減少された熱量を生ずる。

これによって局所的な熱流密度並びに貫流ボイラの全高にわたる積分熱流密度が 下落する。これは蒸発器管１２の良好な局所的な冷却を生ずる。

図３の実施例の場合、各燃焼室壁４ａ′の蒸発器管１２′はそれぞれ同じ幅
ｂ′ をしたフィン１４′毎にグループＧ_１〜Ｇ_４にまとめられている。各グループＧ
_１、 Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４のフィン１４′の幅ｂ′はそれぞれ異なっている。燃焼室壁４ の隅部２６′に接するグループのフィン１４′の幅ｂ′は好適には同じである。

この実施例においてこれは隅部２６′に接する二つの燃焼室壁４ａのグループＧ
_１ およびグループＧ_５のフィン１４′である。

図３の実施例の場合にだけ示されているように、隅部２６′の範囲に配置され た燃焼室壁４の蒸発器管１２′は種々の勾配で燃焼室壁４の中に突出する補助フ ィン１４″を有している。

図２および図３の実施例に示されている蒸発器管１２ないし１２′は内側面が 滑らかな表面をした平滑管である。その代わりに蒸発器管１２、１２′は詳細に 図示されていない様式でその内側面に多条ねじを形成するリブ従って表面組織を 持つこともできる。貫流ボイラ２の燃焼室壁４ａ、４ａ′をそのような内側にリ ブの付いた蒸発器管１２ないし１２′を配管敷設して形成する際、蒸発器管１
２、 １２′内における軸方向流れに旋回が重畳されるので、これによって生ずる追加 的な速度成分によって蒸発器管１２、１２′の特に良好な冷却作用が達成され
る。

これは約２１０バールの臨界圧力範囲で貫流ボイラ２を運転する際に特に有利に 作用する。

平滑管を使用する場合並びに内側にリブの付いた蒸発器管を使用する場合、蒸 発器管１２、１２′の外径ｄ_１、ｄ_１′および又は内径ｄ_２、ｄ_２′を変更する ことによりそれぞれの蒸発器管１２、１２′の熱吸収面積Ｆ、Ｆ′を種々の大き さにできるので、個々の蒸発器管１２、１２′の種々の入熱量を補助的にあるい は択一的に補償することができる。その場合、熱吸収面積Ｆ、Ｆ′は直径ｄ_１、 ｄ_１′、ｄ_２、ｄ_２′の減少に伴って減少する。

Claims (8)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】横断面が矩形の燃焼室（４）を備え、この
   燃焼室（４）の各燃焼室壁（４ａ、４ａ′）が垂直に配
   置されフィン（１４、１４′）を介して互いに気密に接
   続された蒸発器管（１２、１２′）を含み、蒸発器管
   （１２、１２′）が流れ媒体によって下から上に貫流可
   能な貫流ボイラにおいて、蒸発器管（１２、１２′）に
   おいて個々の蒸発器管（１２、１２′）およびそれらに
   付属するフィン（１４、１４′）から形成される熱吸収
   面積（Ｆ、Ｆ′）が、燃焼室壁（４ａ、４ａ′）の中央
   範囲において燃焼室（４）の隅部（２６、２６′）にお
   けるよりも小さくされていることを特徴とする貫流ボイ
   ラ。
2. 【請求項２】蒸発器管（１２、１２′）を結ぶフィン
   （１４、１４′）の幅（ｂ、ｂ′）が各燃焼室壁（４
   ａ、４ａ′）の中央範囲において燃焼室（４）の隅部
   （２６、２６′）におけるよりも小さくされていること
   を特徴とする請求項１記載の貫流ボイラ。
3. 【請求項３】フィン（１４）の幅（ｂ）が中央範囲から
   出発して燃焼室（４）の各隅部（２６）に向って漸次減
   少していることを特徴とする請求項２記載の貫流ボイ
   ラ。
4. 【請求項４】各燃焼室壁（４ａ）の蒸発器管（１２′）
   がそれぞれ同じ幅（ｂ′）をしたフィン（１４′）毎に
   グループ（Ｇ_１〜Ｇ_５）にまとめられ、種々のグループ
   （Ｇ_１、Ｇ_２、Ｇ_３）のフィン（１４′）の幅（ｂ′）
   が異なっていることを特徴とする請求項２記載の貫流ボ
   イラ。
5. 【請求項５】燃焼室（４）の隅部（２６′）に接するグ
   ループ（Ｇ_１、Ｇ_５）のフィン（１４′）の幅（ｂ′）
   が同じであることを特徴とする請求項４記載の貫流ボイ
   ラ。
6. 【請求項６】蒸発器管（１２、１２′）が少なくとも燃
   焼室（４）の隅部（２６、２６′の範囲に、燃焼室
   （４）の中に突出する補助フィン（１４″）を有してい
   ることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに
   記載の貫流ボイラ。
7. 【請求項７】蒸発器管（１２、１２′）がその内側面に
   表面組織を有していることを特徴とする請求項１ないし
   ６のいずれか１つに記載の貫流ボイラ。
8. 【請求項８】蒸発器管（１２、１２′）が燃焼室（４）
   の隅部（２６、２６′）の範囲において、燃焼室壁（４
   ａ、４ａ′）の中央範囲における蒸発器管（１２、１
   ２′）よりも大きな外径（ｄ_１、ｄ_１′）および又は内
   径（ｄ_２、ｄ_２′）を有していることを特徴とする請求
   項１ないし７のいずれか１つに記載の貫流ボイラ。