JP3805895B2 - 4パス型多管式貫流ボイラ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、蒸気ボイラ、温水ボイラ等に用いられる多管式貫流ボイラに関し、更に詳細には、接触伝熱部において燃焼ガスを4方向に分流させて燃焼ガスの圧力損失の極小化を図った4パス型多管式貫流ボイラに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、多管式貫流ボイラとして、内側環状水管列と外側環状水管列を同心円状に配置した構造は知られている。
【0003】
図5は第1従来例である1パス型多管式貫流ボイラの横断面構成図である。紙面の垂直方向の上下に上部管寄せと下部管寄せ(図示せず)があり、この上下管寄せ間に多数の水管6を立設している。これらの水管6は同心円状に二重に配列され、内側環状水管列8と外側環状水管列10が形成されている。
【0004】
内側環状水管列8の水管6は相互にスペーサ12により連接されて、内部に密閉状の燃焼室14を形成している。このスペーサ12を一箇所取り除いた部分が燃焼ガスの内側入口16となる。同様に外側環状水管列10の水管6もスペーサ12により連接され、内外の環状水管列8、10の間に環状の燃焼ガス通路18を形成する。
【0005】
また、外側環状水管列10のスペーサ12を一箇所取り除いて燃焼ガスの外側出口20とし、外壁22上に形成される燃焼ガス出口24に連続している。
【0006】
特に、内外の環状水管列8、10の水管6a、6bをスペーサ12aで連結しているので、燃焼ガス通路18はラセン状に1回転することになり、燃焼ガスは燃焼室14から1回転の1パスで燃焼ガス出口24へと排出される。
【0007】
図6は第2従来例である2パス型多管式貫流ボイラの横断面構成図である。図5と同一部分には同一番号を付す。この従来例では、内外の環状水管列8、10を分離し、内側入口16と外側出口20を同心円の略直径方向に対向して設けている。外側出口20は燃焼ガス出口24に連続している。
【0008】
この従来例では、燃焼室14から内側入口16に流入した燃焼ガスは燃焼ガス通路18内で左右の2方向に分流し、半円周を流動した後、再び外側出口20で合流して、燃焼ガス出口24から排出される。2方向に分流するため2パス型と呼称している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
多管式貫流ボイラでは、下部管寄せから水管6を経て上部管寄せへと水を流通させている。熱交換は基本的に燃焼ガス通路18内で行なわれ、接触伝熱により燃焼ガスから熱を吸収して水が水蒸気へと変化する。
【0010】
貫流ボイラでは、接触伝熱部において高熱伝達率を追求しているが、高熱伝達化する程、伝熱過程での燃焼ガスの圧力損失が大きくなる。即ち、伝熱効率と燃焼ガス通過圧損とは相反関係になるのが常である。
【0011】
第1従来例である1パス型多管式貫流ボイラでは、燃焼ガス通路18は約1円周分と最も長い。従って、燃焼ガスの通過圧力損失は最も高くなる。第2従来例である2パス型多管式貫流ボイラでは、燃焼ガス通路18は約半円周分であり、第1従来例の1/2になっている。つまり燃焼ガス通過圧力損失は小さくはなるが、それでも比較的高い。
【0012】
従って、これら従来の多管式貫流ボイラでは、ガス通過圧力損失を見込んだ上で、燃焼室14内での燃焼ガスの圧力を高く保持する必要があった。
【0013】
燃焼ガスの圧力を高くすると、ランニングコストが高くつくだけでなく、ボイラの缶体構造を強化しなければならず、ボイラ全体を大型化・コスト高にする要因でもあった。従って、近年のコンパクト化、低コスト化、低公害化等の要請に応えることは困難であった。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記欠点を解消するためになされたものであり、伝熱効率を維持しながらガス通過圧力損失を小さくできるようにしたものである。即ち、本発明に係る4パス型多管式貫流ボイラは、環状の上部管寄せと下部管寄せの間に多数の水管を相互に密閉状に連結して同心円状に設けた内側環状水管列および外側環状水管列と、内側環状水管列で囲繞された燃焼室と、内外の環状水管列の間に環状に設けた燃焼ガス通路と、前記内側環状水管列の略直径方向の対向する位置に軸方向に設けた一対の内側入口と、この一対の内側入口を結ぶ方向と略直交して対向する位置で外側環状水管列に軸方向に設けた一対の外側出口と、前記一対の外側出口を含む位置から外側環状水管列を半環状に囲繞する外壁と、この外壁の円周方向の中央に設けた燃焼ガス出口とから構成され、燃焼ガスを前記燃焼ガス通路内で4方向に分流させて接触伝熱させると共に、前記外壁と外側環状水管列の間を誘導通路として燃焼ガスを燃焼ガス出口へ導出するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る4パス型多管式貫流ボイラについて詳述する。
【0016】
図1は4パス型多管式貫流ボイラの第1実施例の横断面構成図であり、図2はそのA−A線縦断面図である。図中、図5および図6と同一部分には同一番号を付し、それらの説明を簡略にする。
【0017】
燃焼室上部にはバーナが配置され、燃焼室14に燃料と空気を吹き込んで燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスの燃焼温度およびガス圧力は所定値になるように調整されている。
【0018】
内側環状水管列8の略直径方向で対向する位置に一対の内側入口16、16が軸方向に形成されている。この内側入口16、16はこの位置のスペーサ12を除去することにより形成される。この場合には、内側入口16、16は軸方向全長にわたってスリット状に形成されるが、その軸長を短かくするために内側入口を切欠いたスペーサ12を嵌め込んでもよい。つまり内側入口の縦横のサイズは適切に可変できる。
【0019】
また外側環状水管列10の略直交方向で対向する位置には一対の外側出口20、20が軸方向に形成されている。この外側出口20、20を結ぶ線は前記内側入口16、16を結ぶ線と略直交するように配置される。
【0020】
従って、内側入口16、16の各々に流入した燃焼ガスは左右2方向に分流するので、全体として燃焼ガスは燃焼ガス通路18内で4方向に分流することになる。分流した燃焼ガスは1/4円周を流通して再び合流し、外側出口20、20から流出してゆく。
【0021】
外壁22は、外側出口20、20を含んだ位置から中央に位置する燃焼ガス出口24まで外側環状水管列10を囲繞しながら誘導通路26を形成している。前述した燃焼ガスは誘導通路26を流通して燃焼ガス出口24から排出されてゆく。
【0022】
まず、本発明者等は、図5および図6で示す第1従来例および第2従来例と比較して、この第1実施例の燃焼ガス通過圧力損失がどれ程小さくなるかを理論的に検討することにした。但し、その前提として3者の吸収熱量、即ち伝熱効率は同じであると仮定し、この条件を満たすように物理量を構成する。これらの物理量を表1にまとめる。
【0023】
【表1】
【0024】
第1従来例を1パス、第2従来例を2パス、第1実施例を4パスと指称し、1パス当りの物理量を表1に示す。単位時間当りの排ガス量をGv、燃焼ガス通路18の1円周当りに関して伝熱面積をA、管列数をZn、通過高さ(水管の軸長)をHとし、3者の伝熱効率(吸収熱量)を等しくするため燃焼ガス通路18の通過幅を表の順にD、D/2、D/4とする。従って、後述する計算によっても吸収熱量は同等になるが、これは前提条件と一致する。従って、通過面積は表1のようになる。
【0025】
定数chは水管配列によって決まり、ψは管列数によって決まる。また、定数cfはレイノルズ数および水管配列によって決まる。
【0026】
これらの定数ch、ψ、cfは3者に対して略等しく、C1 、C2 、C3 とする。また、流体の熱伝導率a、燃焼ガスの比重量γ0 、管壁平均温度tw および流体平均温度tm も3者に対して同じである。燃焼ガス流速W0 、レイノルズ数Re、プラントル数Prおよびヌセルト数Nuは下記に示すように計算でき、それぞれ3者に対して等しくなる。
W0 =Gv/D・H
Re=W0 ・d/ν
Pr=ν/a
Nu=C4 ・ch・ψ・Re0.6 ・Pr0.3 (C4 は定数)
【0027】
以上の諸量を基に、吸収熱量Qと圧力損失ΔPを計算する。1パス、2パス、4パスに対しQ1 、Q2 、Q4 およびΔP1 、ΔP2 、ΔP4 と表記して求める。単位時間当りの吸収熱量Qは伝熱面積と温度差(tw −tm )に比例するから、
Q=K・A・(tw −tm )
で表わされる。ここで比例定数となる熱伝達率Kは
K=Nu・λ/d
=C4 ・C1 ・C2 ・(u・d/ν)0.6 ・(ν/a)0.3 ・λ/d
となるから、最終的に吸収熱量Qは
Q=C5 ・W0 0.6・A・(tw −tm ) (1)
となる。ここでC5 はC5 =C4 ・C1 ・C2 ・(d/ν)0.6 ・(ν/a)0.3 ・λ/dの定数である。
【0028】
また、燃焼ガスの圧力損失ΔPは重力加速度をgとして
ΔP=C6 ・cf・Z・γ0 ・W0 2/2g
で与えられ、最終的に
ΔP=C7 ・Z・W0 2 (2)
となる。ここでC7 はC7 =C6 ・C3 ・γ0 /2gの定数である。
【0029】
以上で得られた(1)式および(2)式を用いて、1パス、2パス、4パスに対し、QおよびΔPを具体的に求めると次のようになる。
【0030】
Q1 =C5 ・A・(G/DH)0.6 ・(tw −tm )
Q2 =Q1
Q4 =Q1
ΔP1 =C7 ・Z・(G/DH)2
ΔP2 =ΔP1 /2
ΔP4 =ΔP1 /4
【0031】
以上から吸収熱量については、Q1 =Q2 =Q4 が当初予想の通りに求まった。圧力損失についてはΔP1 =2ΔP2 =4ΔP4 、即ちΔP1 >ΔP2 >ΔP4 となることが分った。これらの結果はある条件下で得られたものであるが、理論的には本発明に係る4パス型多管式貫流ボイラが最も高特性であることを示している。
【0032】
次に吸収熱量と圧力損失を実験的に評価した。吸収熱量は燃焼ガス温度によって評価できる。図5、図6および図1の3例に示されるH点、I点、J点の燃焼ガス温度と燃焼ガス圧力を測定した。H点は燃焼室14の中心位置、I点は内側入口16の付近、J点は燃焼ガス出口24の付近である。H点での燃焼ガス温度は測定しなかった。結果は表2に示されている。
【0033】
【表2】
【0034】
表2において、温度差ΔTおよび圧力損失ΔPはI点からJ点を差し引いた値である。H点の圧力は参考値として表示している。1パス、2パス、4パスに対する温度差はそれ程相違がないにも拘らず、圧力差ΔPには大きな違いが現われた。第1および第2従来例が大きな圧力損失を示しているのに対し、本発明の第1実施例では圧力損失が極めて小さいことが分った。
【0035】
更に、4パスでは燃焼室での出口圧力は50mmAqであり、1パスや2パスの値に対し1/3〜1/2の低圧損にすることができる。このことから、本発明の4パス型多管式貫流ボイラでは、従来と同様の伝熱性能を燃料ガスの低圧供給で実現することができ、しかも熱交換前後の圧力損失を極減化できることが理論的にも実験的にも証明されたのである。
【0036】
図3は本発明の第2実施例の横断面構成図である。第1実施例と異なる点を説明すると、外壁22は外側環状水管列10を同心円状に囲繞している。この外壁22には一対の燃焼ガス出口24、24が設けられており、これらの燃焼ガス出口24、24を結ぶ方向は一対の外側出口20、20を結ぶ方向と略直交している。
【0037】
外壁22と外側環状水管列10の間には燃焼ガスの誘導通路26が形成され、外側出口20、20から流出する燃焼ガスは4方向に分流し、しかも略等距離を流通した後ガス出口24、24へと排出されてゆく。
【0038】
この誘導通路26は、燃焼ガス通路18で吸熱しきれなかった燃焼ガスの残留熱を更に吸熱するために設けられており、伝熱効率を一層に向上させる効果を奏する。
【0039】
図4は本発明の第3実施例の横断面構成図である。本実施例では外壁22は設けられておらず、一対の外側出口20、20に連続して直ちに一対の燃焼ガス出口24、24が設けられている。
【0040】
従って、本実施例では伝熱作用は燃焼ガス通路18内で行なわれ、外壁22を設けないためにボイラ価格の低減化を図ることができる。
【0041】
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
【0042】
【発明の効果】
本発明は以上詳述したように、内外の環状水管部の間にある燃焼ガス通路において、燃焼ガスを4方向に分流させ、しかも各分流を略等距離だけ伝熱走行させた後、燃焼ガスを燃焼ガス出口から排出する構成を採用したものである。
【0043】
その結果、接触伝熱部の伝熱効率を維持しつつ、燃焼ガスの圧力損失を低く押えることに成功したものである。従って、炉内圧力を低くでき、長年の課題であった燃料ガスの低圧供給を可能ならしめ、高伝熱効率を有する簡易・小型ボイラを実現したものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る4パス型多管式貫流ボイラの第1実施例の横断面構成図である。
【図2】図1のA−A線縦断面図である。
【図3】本発明の第2実施例の横断面構成図である。
【図4】本発明の第3実施例の横断面構成図である。
【図5】第1従来例である1パス型多管式貫流ボイラの横断面構成図である。
【図6】第2従来例である2パス型多管式貫流ボイラの横断面構成図である。
【符号の説明】
2はバーナ、4aは上部管寄せ、4bは下部管寄せ、6は水管、8は内側環状水管列、10は外側環状水管列、12はスペーサ、14は燃焼室、16は内側入口、18は燃焼ガス通路、20は外側出口、22は外壁、24はガス出口、26は誘導通路。
Claims (1)
- 環状の上部管寄せと下部管寄せの間に多数の水管を相互に密閉状に連結して同心円状に設けた内側環状水管列および外側環状水管列と、内側環状水管列で囲繞された燃焼室と、内外の環状水管列の間に環状に設けた燃焼ガス通路と、前記内側環状水管列の略直径方向の対向する位置に軸方向に設けた一対の内側入口と、この一対の内側入口を結ぶ方向と略直交して対向する位置で外側環状水管列に軸方向に設けた一対の外側出口と、前記一対の外側出口を含む位置から外側環状水管列を半環状に囲繞する外壁と、この外壁の円周方向の中央に設けた燃焼ガス出口とから構成され、燃焼ガスを前記燃焼ガス通路内で4方向に分流させて接触伝熱させると共に、前記外壁と外側環状水管列の間を誘導通路として燃焼ガスを燃焼ガス出口へ導出するようにしたことを特徴とする4パス型多管式貫流ボイラ。
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JP18495298A JP3805895B2 (ja) | 1998-06-30 | 1998-06-30 | 4パス型多管式貫流ボイラ |
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Publications (2)
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JP2000018502A JP2000018502A (ja) | 2000-01-18 |
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Country Status (1)
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JP (1) | JP3805895B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100430666C (zh) * | 2006-10-26 | 2008-11-05 | 华东理工大学 | 多用途直流管屏式热载体锅炉 |
-
1998
- 1998-06-30 JP JP18495298A patent/JP3805895B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN100430666C (zh) * | 2006-10-26 | 2008-11-05 | 华东理工大学 | 多用途直流管屏式热载体锅炉 |
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