JP7019407B2 - ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、ボイラに関するものである。

船舶に搭載される補助ボイラは、タンク内のクリーニングや配管のヒートトレースなどといった船舶内での各種用途に使用される蒸気を生成する。補助ボイラとして使用されるボイラには、二胴水管構造、又は、シリンドリカル構造（円筒形構造）といった構造を有するものが採用されている。

下記の特許文献１には、シリンドリカル構造を有する多管式水管ボイラにおいて、各水管の熱負荷を均一化するとともに、煤の付着に関する諸問題を解消する技術が開示されている。

特開平１１－８２９０５号公報（特許第３２８２５５６号公報）

上述した二胴水管構造を有するボイラは、上下それぞれに配置された二つのドラムと、ドラム間を結び、軸が上下方向に配置された伝熱管（水管）と、伝熱管に対して水平方向の横位置に設けられた火炉を備え、船舶内の据付面積が大きい。火炉内では、バーナによって、鉛直方向の下向きに火炎が形成される。

そこで、据付面積のコンパクト化を図るため、シリンドリカル構造を有するボイラが採用される場合がある。シリンドリカル構造では、燃焼室が縦型の円筒形状を有するように、環状の領域において、複数の伝熱管（水管）が配置される。環状に配置された複数の伝熱管の内側に燃焼室が形成され、バーナによって鉛直方向の下向きに火炎が形成される。伝熱管間には、燃焼室で生成されたガスが流通するガス通路が形成されている。伝熱管間のガス通路内をガスが流通することによって、燃焼室で生成された燃焼ガスと、伝熱管内の水又は蒸気とが熱交換される。

シリンドリカル構造のボイラにおいて、従来、特許文献１において開示されているように、ガス通路は、燃焼ガスが、燃焼室側に形成された入口から流入して、外周側に形成された出口から流出するように形成されている。ガス通路は、円環状の領域において１方向のみに流通する。

近年、シリンドリカル構造を有するボイラを採用しながらも、ボイラの伝熱性能の向上が要求されている。しかし、ボイラ高さを高くすると、ガス通路のガス通過面積が大きくなり、流速が低減するため、熱伝達率が低減するという問題がある。また、伝熱管の長さが長くなったり、ガス通路のガス通過面積が大きくなったりするため、船舶のプロペラ等を起因とする振動によって、伝熱管が共振したり、ガス通路を流通するガスが共鳴したりするおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガス流速を高めることができ、熱交換性能を向上させることが可能なボイラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のボイラは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の第１態様に係るボイラは、燃料を燃焼して火炎を形成するバーナと、管軸方向が上下方向となるように環状の領域に配置された複数の伝熱管と、前記バーナの下方に配置され、前記複数の伝熱管によって囲まれて形成された燃焼室と、前記伝熱管間に形成され、前記燃焼室で生成された燃焼ガスが流通する複数のガス通路とを備え、前記伝熱管の一部は、円周上に配置され前記燃焼室に面した内壁部、及び、該内壁部よりも外側の円周上に配置され前記内壁部との間で前記ガス通路を形成する外壁部を形成して、前記ガス通路は、少なくとも１枚の分割板によって上下の空間に分割されている。

この構成によれば、複数の伝熱管が、伝熱管の管軸方向が上下方向となるように環状の領域に配置され、燃焼室が、燃料を燃焼して火炎を形成するバーナの下方に配置され、複数の伝熱管によって囲まれて形成されている。バーナは、燃焼室に向けて下向きに火炎を形成する。ガス通路は、伝熱管間に形成されており、燃焼室で生成された燃焼ガスが流通する。また、ガス通路は、少なくとも１枚の分割板によって上下の空間に分割されており、複数のガス通路が形成されている。

これにより、ボイラには一つのガス通路ではなく、複数のガス通路が形成されていることから、同一高さのボイラと比較すると、ガス通路のガス通過面積が低減され、ガス通路内を流れる燃焼ガスの流速が増加し、熱伝達率が向上する。また、分割板によって、伝熱管が支持されることから、伝熱管の固有振動数や、ガス通路における気柱固有値を変化させることができ、伝熱管の共振やガスの共鳴を抑制できる。
なお、環状の領域とは、円環形状である場合に限定されず、円以外の形状であって中間部分を囲むように形成された領域を含む。

上記第１態様において、前記燃焼ガスは、前記複数のガス通路のうち一つの第１ガス通路を流通した後、前記複数のガス通路のうち他の第２ガス通路を流通するようにしてもよい。

この構成によれば、燃焼室で生成された燃焼ガスは、第１ガス通路を流通した後、第２ガス通路を流通することから、ボイラの上下方向に折り返して流れる。

上記第１態様において、前記第１ガス通路は、前記燃焼室の高温側に配置され、前記第２ガス通路は、前記燃焼室の低温側に配置されてもよい。

この構成によれば、燃焼室で生成された燃焼ガスは、高温側に配置された第１ガス通路を流通した後、低温側に配置された第２ガス通路を流通する。

上記第１態様において、前記第１ガス通路のガス通過面積は、前記第２ガス通路のガス通過面積よりも広くてもよい。

この構成によれば、流速の高い上流側の第１ガス通路において、流速の低い下流側の第２ガス通路よりもガス通過面積が広いため、第１ガス通路と第２ガス通路のガス通過面積が等しい場合に比べて、圧力損失の上昇を抑制できる。

上記第１態様において、前記複数の伝熱管は、前記領域において格子状又は千鳥状に配列されてもよい。

この構成によれば、複数の伝熱管が、同心円状に、かつ、所定の曲率を有する円周上に配置される場合と異なり、複数の伝熱管を格子状又は千鳥状に配置すればよく、製作工程にかかる手間や時間を低減できる。また、伝熱管が千鳥状に配列される場合、格子状に配列される場合に比べて、単位体積当たりの伝熱面積量を増加させることができ、熱交換性能を向上させることができる。

本発明の参考態様に係るボイラは、燃料を燃焼して火炎を形成するバーナと、管軸方向が上下方向となるように円環状の領域に配置された複数の伝熱管と、前記バーナの下方に配置され、前記複数の伝熱管によって囲まれて形成された燃焼室と、環状の前記領域において前記伝熱管間に形成され、前記燃焼室で生成された燃焼ガスが流通するとともに上方に入口及び／又は出口が形成され下方に出口及び／又は入口が形成された通路とを備え、前記複数の伝熱管は、前記領域において格子状又は千鳥状に配列されている。

この構成によれば、複数の伝熱管が、伝熱管の管軸方向が上下方向となるように環状の領域に配置され、燃焼室が、燃料を燃焼して火炎を形成するバーナの下方に配置され、複数の伝熱管によって囲まれて形成されている。バーナは、燃焼室に向けて下向きに火炎を形成する。ガス通路は、伝熱管間に形成されており、燃焼室で生成された燃焼ガスが流通する。複数の伝熱管が、同心円状に、かつ、所定の曲率を有する円周上に配置される場合と異なり、複数の伝熱管を格子状又は千鳥状に配置すればよく、製作工程にかかる手間や時間を低減できる。また、単位体積当たりの伝熱面積量を増加させることができ、熱交換性能を向上させることができる。

本発明によれば、ボイラには一つのガス通路ではなく、複数のガス通路が形成されていることから、同一高さのボイラと比較すると、ガス流速を高めることができ、また、ガス流速を高めることによって熱伝達率が向上するため、熱交換性能を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るボイラを示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るボイラの変形例を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るボイラを示す横断面図であり、図１のIII－III線矢視図である。 本発明の一実施形態に係るボイラを示す横断面図であり、図１のIV－IV線矢視図である。 本発明の一実施形態に係るボイラの変形例を示す横断面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るボイラ１について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るボイラ１は、水管式ボイラの一種であり、ケーシング２と、下部水室３と、上部水室４と、複数の伝熱管（水管）５と、バーナ６などを備える。ボイラ１は、シリンドリカル構造を有し、燃焼室７が縦型の円筒形状を有するように、環状の領域において、複数の伝熱管５が配置される。環状に配置された複数の伝熱管５の内側に燃焼室７が形成され、伝熱管５の間には、燃焼室７で生成された燃焼ガスが流通するガス通路８が形成されている。伝熱管５間のガス通路８内をガスが通過することによって、燃焼室７で生成された燃焼ガスと、伝熱管５内の水又は蒸気とが熱交換する。

ケーシング２は、円筒形状を有し、円筒の軸方向が上下方向に対して平行になるように設置される。ケーシング２の外面には、通常、断熱材が設けられる。ケーシング２にはガスを排出する排ガス出口１８が形成される。

ケーシング２の下部には、下部水室３が設置される。下部水室３は、例えば円筒形状を有する容器である。運転時、下部水室３には、給水入口１７を介して外部から水が供給され、供給された水は、伝熱管５へ送られる。下部水室３の上面には、燃焼室７との境界部分に管板９が設置される。管板９は、円板状の部材であり、水平面に対して平行に設置される。

ケーシング２の上部には、上部水室４が設置される。上部水室４は、例えば円環形状を有する容器であり、中央部分には、バーナ６によって形成された火炎が通過する貫通孔４Ａが形成されている。上部水室４には、伝熱管５から水及び蒸気が供給され、蒸気出口１６を介して蒸気が外部へ送られる。上部水室４の下面には、燃焼室７と境界部分に管板１０が設置される。管板１０は、円環形状を有する板状部材であり、水平面に対して平行に設置される。

複数の伝熱管５は、それぞれ管軸が上下方向に対して平行となるように下部水室３と上部水室４の間に配置される。伝熱管５の下端は、管板９と接続され、伝熱管５の上端は、管板１０と接続される。管板９と管板１０には、伝熱管５との接続部分において伝熱管５に対応して、水又は蒸気が流通する複数の孔が形成されている。

伝熱管５は、円筒状のベア（bare）管でもよいし、外周面にフィンが設けられたフィン付き管でもよい。フィンが設けられることによって伝熱面が増加する。

複数の伝熱管５は、燃焼室７の周りの環状の領域に配置される。なお、環状の領域とは、円環形状である場合に限定されず、円以外の形状であって中間部分を囲むように形成された領域を含む。

バーナ６は、ケーシング２の上面において、鉛直方向の下向きに設置される。バーナ６は、空気又は酸素と、油又はガス等の燃料が供給され、燃料を燃焼して、鉛直方向の下方向に火炎を形成する。火炎は、上部水室４の貫通孔４Ａを通過し、燃焼室７の内部に形成される。火炎の先端は、下部水室３の上面近くまで伸びる。

燃焼室７は、バーナ６の下方に配置され、複数の伝熱管５によって囲まれて形成されている。燃焼室７では、燃料の燃焼によって燃焼ガスが生成され、高温化している。燃焼室７は、伝熱管５間に形成されたガス通路８と連通しており、燃焼室７で生成された燃焼ガスがガス通路８へ送られる。

ガス通路８は、複数の伝熱管５の間に形成されており、燃焼室７で生成された燃焼ガスが流通する。また、ガス通路８は、少なくとも１枚の分割板１１によって上下の空間に分割されており、複数のガス通路８が形成されている。分割板１１は、円環形状を有する板状部材であり、水平面に対して平行に設置される。分割板１１は、ガス通路８を仕切る部材であり、中央に位置する燃焼室７を仕切らないように円環形状を有している。分割板１１には、伝熱管５が貫通して配置される複数の孔が形成されている。本実施形態では、１枚の分割板１１が設置され、二つのガス通路８が形成される例を示している。

ガス通路８の入口１４は、燃焼室７に面しており、ガス通路８の出口１５は、外周側に面している。また、分割板１１には、下方のガス通路８Ａと上方のガス通路８Ｂを連通する貫通孔１１Ａ（図４参照）が形成されている。燃焼ガスは、燃焼室７側に形成された入口１４を介して、燃焼室７から下方に位置するガス通路８Ａに供給され、下方のガス通路８Ａを流通する。そして、燃焼ガスは、ガス通路８Ａを流通した後、貫通孔１１Ａを通過して、上方のガス通路８Ｂを流通し、外周側に形成された出口１５から外壁部１３の外側へ供給される。そして、さらに、燃焼ガスは、ケーシング２に形成された排ガス出口１８からケーシング２の外部へ供給される。

ボイラ１には一つのガス通路８ではなく、複数のガス通路８が形成されていることから、同一高さのボイラと比較すると、一つのガス通路８当たりのガス通過面積が低減される。その結果、ガス通路８内を流れる燃焼ガスの流速が増加し、熱伝達率が向上する。また、分割板１１によって、伝熱管５が支持されることから、伝熱管５の固有振動数や、ガス通路８における気柱固有値といった振動特性を変化させることができ、伝熱管５の共振やガスの共鳴を抑制できる。さらに、渦放出による騒音発生を抑制することもできる。

燃焼室７では、火炎の影響によって、下方が上方に比べて高温である。よって、下方のガス通路８Ａは、燃焼室７の高温側に配置され、上方のガス通路８Ｂは、燃焼室７の低温側に配置される。これにより、燃焼室７で生成された燃焼ガスは、高温側に配置された下方のガス通路８Ａを流通した後、低温側に配置された上方のガス通路８Ｂを流通する。伝熱管５内の水は、ガス通路８を流れる燃焼ガスと熱交換することによって、温度上昇しながら、下方から上方へ移動する。

分割板１１は、図１に示すように、ボイラ１の高さの略中間に設置されて、ガス通路８Ａのガス通過面積とガス通路８Ｂのガス通過面積が等しくなるようにしてもよい。または、図２に示すように、分割板１１は、ボイラ１の高さの中間よりも高い位置に設置されて、下方のガス通路８Ａのガス通過面積が、上方のガス通路８Ｂのガス通過面積よりも広くなるようにしてもよい。これにより、流速の高い上流側のガス通路８Ａにおいて、流速の低い下流側のガス通路８Ｂよりもガス通過面積が広いため、上流側のガス通路８Ａと下流側のガス通路８Ｂのガス通過面積が等しい場合に比べて、圧力損失の上昇を抑制できる。

図３～図５に示すように、複数の伝熱管５によって内壁部１２と外壁部１３が形成されることによって、伝熱管５の間にガス通路８が形成される。内壁部１２は、円周上に配置された複数の伝熱管５が互いに隣接して配置されることによって構成され、燃焼室７に面する位置に設けられる。外壁部１３は、円周上に配置された複数の伝熱管５が互いに隣接して配置されることによって構成され、ケーシング２に面する位置に設けられる。

ガス通路８の入口１４は、内壁部１２のうち伝熱管５が配置されない部分を設けることなどによって形成される。ガス通路８の出口１５は、外壁部１３のうち伝熱管５が配置されない部分を設けることなどによって形成される。

内壁部１２と外壁部１３の間には、複数の伝熱管５が更に配置される。内壁部１２と外壁部１３の間の環状の領域に配置される伝熱管５は、同心円状に配列されてもよいし、格子状（図５参照）又は千鳥状（図３及び図４参照）に配列されてもよい。

複数の伝熱管５が、格子状又は千鳥状に配列される場合、同心円状に、かつ、所定の曲率を有する円周上に配置される場合と異なり、製作工程にかかる手間や時間を低減できる。例えば、管板９又は管板１０と伝熱管５の溶接施工などが簡易化される。また、伝熱管５が千鳥状に配列される場合、格子状に配列される場合に比べて、より密集して伝熱管５を配置できる。その結果、単位体積当たりの伝熱面積量が増加し、熱交換性能が向上する。

なお、上記実施形態では、燃焼ガスが、下方のガス通路８Ａを流通した後、上方のガス通路８Ｂを流通する場合について説明したが、本発明は、この例に限定されない。例えば、反対に、上方のガス通路８Ｂを流通した後、下方のガス通路８Ａを流通するようにガス通路８を構成してもよい。この場合、ガス通路８の入口１４は内壁部１２において上方に形成され、ガス通路８の出口１５は外壁部１３において下方に形成される。また、複数のガス通路８が形成されればよく、例えば、上方のガス通路８Ａと下方のガス通路８Ｂの両方に入口１４と出口１５を形成して、ガス通路８Ａ，８Ｂの両方において並行に燃焼ガスが流通するようにしてもよい。

１ ：ボイラ
２ ：ケーシング
３ ：下部水室
４ ：上部水室
４Ａ ：貫通孔
５ ：伝熱管
６ ：バーナ
７ ：燃焼室
８ ：ガス通路
８Ａ ：ガス通路
８Ｂ ：ガス通路
９ ：管板
１０ ：管板
１１ ：分割板
１２ ：内壁部
１３ ：外壁部
１４ ：入口
１５ ：出口
１６ ：蒸気出口
１７ ：給水入口
１８ ：排ガス出口

Claims (5)

1. 燃料を燃焼して火炎を形成するバーナと、
   管軸方向が上下方向となるように環状の領域に配置された複数の伝熱管と、
   前記バーナの下方に配置され、前記複数の伝熱管によって囲まれて形成された燃焼室と、
   前記伝熱管間に形成され、前記燃焼室で生成された燃焼ガスが流通する複数のガス通路と、
   を備え、
   前記伝熱管の一部は、円周上に配置され前記燃焼室に面した内壁部、及び、該内壁部よりも外側の円周上に配置され前記内壁部との間で前記ガス通路を形成する外壁部を形成して、
   前記ガス通路は、少なくとも１枚の分割板によって上下の空間に分割されているボイラ。
2. 前記燃焼ガスは、前記複数のガス通路のうち一つの第１ガス通路を流通した後、前記複数のガス通路のうち他の第２ガス通路を流通する請求項１に記載のボイラ。
3. 前記第１ガス通路は、前記燃焼室の高温側に配置され、前記第２ガス通路は、前記燃焼室の低温側に配置される請求項２に記載のボイラ。
4. 前記第１ガス通路のガス通過面積は、前記第２ガス通路のガス通過面積よりも広い請求項３に記載のボイラ。
5. 前記複数の伝熱管は、前記領域において格子状又は千鳥状に配列されている請求項１から４のいずれか１項に記載のボイラ。

Images