JP7442169B2 - ボイラの気水分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラの気水分離装置に関する。

ボイラには気水分離装置が設置されることが通例である。すなわち、ボイラは缶体の内部において缶水を沸騰させることによって水蒸気を発生させるものであるが、ボイラから取り出される発生水蒸気には、沸騰に伴うと飛び跳ねによって熱水が含まれることが避けられない。すなわち、ボイラからは蒸気と熱水との気液混合流体が取り出される。このため上記のように気水分離器を設置し、この気水分離器の中で気液混合流体における蒸気と熱水とを分離して、乾いた状態の蒸気だけを系外に排出して需要先へ供給する。分離された熱水は、缶体に戻すか、あるいはドレンとして排出させることが行われている（特許文献１）。

公知の気水分離器は上下方向に円筒状の容器にて構成され、この容器に対して缶体からの蒸気管が横方向に接続され、容器の内部では比重差によって蒸気と熱水とが分離される。分離された軽量の蒸気は、容器の上部から外部へ排出されて需要先へ供給される。蒸気よりも重い熱水は、蒸気から分離されて容器の下部に溜り、容器から取り出されて、ボイラの缶体に戻されるか、あるいはドレンとして排出される。

そして公知の気水分離器では、上下方向に円筒状の容器の中心軸と、横方向の蒸気管の中心軸とが交差するようにして、好ましくはこれらの中心軸が直交するようにして、容器と蒸気管とが相互に組み立てられている。

特開昭５２－９３８０２号公報

ところが、一般的な気水分離器では、ボイラ負荷が急変した場合や、缶内水位が高い場合には、気水分離器内に流入する気液混合流体の量が増大する。すると、分離機能が低下して、乾き度の低い蒸気しか発生しなくなる。極端な場合には、蒸気に水が混入したキャリーオーバーの状態でボイラからの取り出しが行われてしまうこともある。

そこで本発明は、このような課題を解決して、ボイラ負荷が急変した場合や、缶内水位が高い場合であっても、キャリーオーバーの発生を防止し、乾き度の高い良質な蒸気を得ることができるようにすることを目的とする。

この目的を達成するため本発明のボイラの気水分離装置は、
ボイラの缶体にて発生した、蒸気と熱水との気液混合流体を受け入れて、これら蒸気と熱水とを気液分離させるための装置であって、
上下方向の円筒状の容器を備え、
ボイラの缶体にて発生した蒸気と熱水との気液混合流体を前記容器に供給するために前記容器に接続された横方向の蒸気管を備え、
前記蒸気管は、前記容器に対し、前記容器の中心軸に向かう位置から離れた偏心位置において、前記円筒状の容器の接線方向と平行な方向に接続されており、
前記円筒状の容器は、前記蒸気管の接続位置よりも上側の位置において隔壁によって上下に区画されており、
前記隔壁の中央部に、前記容器の内径よりも小径でオリフィスとして機能する貫通穴が形成されているとともに、前記隔壁は、前記貫通穴以外の貫通状態の穴を有しない構成とされ、
前記隔壁の下部に、前記貫通穴を囲む筒状体が上下方向に設置されており、
前記上下方向の筒状体は、前記蒸気管よりも上側に設けられるとともに、下端に開口を有し、かつ下端の開口以外には、前記隔壁よりも下側における前記容器の内部と前記筒状体の内部とを連通する連通路を有しないことを特徴とする。

本発明によると、横方向の蒸気管が、上下方向の円筒状の容器に対し、同容器の中心軸に向かう位置から離れた偏心位置において、同円筒状の容器の接線方向と平行な方向に接続されているため、蒸気と熱水との比重差にもとづく気液分離を行うことができることのほかに、容器の内部において気液混合流体の旋回流を発生させることができ、これにより遠心力の作用による気液分離を行うこともできるため、公知の気液分離装置と比べて気液分離性能を向上させることができ、したがってボイラ負荷が急変した場合や、缶内水位が高い場合であっても、キャリーオーバーの発生を防止し、乾き度の高い良質な蒸気を得ることができる。

本発明の実施の形態のボイラの気水分離装置を備えたボイラ装置の構成を示す図である。 図１における要部の断面構造を示す横断面図である。 図１における要部の断面構造を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態のボイラの気水分離装置についての公知の装置と比べた優位性を示す実験結果のグラフである。

図１において、１０はボイラの缶体であって、内部に缶水を貯留しているとともに、その上端に設けられたバーナ１１によって燃料を燃焼させることで缶水を蒸発させて蒸気を得るものである。１２は燃焼室、１３はバーナ１１からの火炎、１４は燃焼排ガスの排出路である。図示は省略するが、缶体１０の内部における上側の部分は気相すなわち蒸気が充満しており、缶体１０の内部における下側の部分は液相すなわち缶水が貯留されている。１５は缶体１０への給水路で、缶体１０における上述の液相の部分すなわち下側の部分に接続されている。

缶体１０の外側には気水分離器１６が設けられている。この気水分離器１６は、缶体１０から排出される沸騰状態の気水混合流体を受け入れ、この混合流体を蒸気Ｓと熱水Ｗとに分離し、分離された蒸気Ｓを系外に供給し、また熱水Ｗを缶体１０の内部に戻すものである。気水分離器１６は、上下方向の円筒状の容器１７と、蒸気管１８とを備えている。蒸気管１８は、缶体１０における上側の気相部と、容器１７における高さ方向の中央部分とを連通させている。そして蒸気管１８は、容器１７に対して横向きに接続されている。気水分離器１６において、１９は降水管で、容器１７の底部と、缶体１０における液相の部分とを連通させている。気水分離器１６にて分離された蒸気Ｓは、容器１７の上部から系外へ排出される。気水分離器１６にて分離された熱水Ｗは、容器の１７底部を通って降水管１９へ導かれる。

図１～図３に示すように、蒸気管１８は、容器１７に対し、容器１７における上下方向の中心軸２０に向かう位置から離れた偏心位置において、円筒状の容器１７の接線方向と平行な方向に接続されている。

また図１～図３に示すように、上下方向の円筒状の容器１７は、蒸気管１８の接続位置よりも上側の位置において、横方向の隔壁２１によって上下に区画されている。隔壁２１には、その中央部に、容器１７の内径よりも小径の貫通穴２２が形成されている。隔壁２１よりも上側の空間は、蒸気溜めとして機能する。

隔壁２１の下部には、この隔壁２１の下面２３から下向きに突出する筒状体２４が設置されている。筒状体２４は、貫通穴２２を囲むように形成されており、その内径は貫通穴２２の内径と同径とされている。

図示の構成についての寸法関係を説明する。蒸気管１８の内径をＤ１、容器１７の内径をＤ２、貫通穴２２および筒状体２４の内径をＤ３とする。また蒸気管１８の長さ方向に沿った中心２５の位置から隔壁２１の下面２３までの距離をＨ１、隔壁２１の下面２３から筒状体２４の先端までの突出高さをＨ２とする。

このとき、
Ｄ２＝１．２５×Ｄ１～４×Ｄ１
Ｄ３＝０．２×Ｄ２～０．８×Ｄ２
Ｈ１＝１×Ｄ１～３×Ｄ１
Ｈ２＝０．５×Ｄ３～２×Ｄ３
という寸法関係が成立することが好ましい。その理由は後述する。

上記した構成の気水分離装置によれば、蒸発管１８が円筒状の容器１７に対して偏心状態で接続されているため、図２および図３に示すように、蒸気管１８から容器１７に導入された気液混合流体２６は、容器１７の中心軸２０のまわりの旋回流となる。このため、容器１７の内部においては、公知の気液分離装置の場合と同様の蒸気Ｓと熱水Ｗとの比重差にもとづく気液分離を行うことができるほかに、図示した気液混合流体２６の旋回流によって、遠心力の作用にもとづく気液分離をも行うことができる。このため、比重差にもとづく気液分離だけを行う公知の気液分離装置と比べて、気液分離性能を向上させることができる。

さらに、容器１７の内部には蒸気管１８の接続位置よりも上側の位置において隔壁２１が設けられており、この隔壁２１の中央部に、容器１７の内径よりも小径の貫通穴２２が形成されているため、この貫通穴２２はオリフィスとして機能することになる。その結果、図３に示すように、隔壁２１よりも下側における貫通穴２２の近傍の位置において、すなわち気液混合流体２６の旋回流の中心の部分において、それ以外の位置よりも圧力の低い低圧部２７を形成することができる。この低圧部２７では、他の部分に比べて蒸気Ｓの乾き度が高められる。

また、図示の構成であると隔壁２１よりも下側において気液混合流体２６についての気液分離が行われ、分離された熱水Ｗは隔壁２１よりも下側へ降水するが、そのときに容器１７の内面に衝突する熱水の液滴が存在する。この点に関し、図示の構成では、隔壁２１の下側に所定の突出高さＨ２の筒状体２４が設けられているため、容器１７の内面に衝突して跳ね返った熱水Ｗの液滴が貫通穴２２に入り込み、この貫通穴２２を通過して隔壁２１よりも上側の、容器１７から排出されるべき蒸気Ｓが溜まった部分に到達することを、効果的に防止することができる。この点からも気液分離性能の向上を図ることができる。なお、隔壁２１自体も、跳ね返った熱水の液滴が、隔壁２１よりも上側の部分に入り込むことを阻止可能である。

このように本実施の形態のボイラの気液分離装置によれば、公知の気液分離装置に比べて気液分離性能を向上させることができ、また貫通穴２２による蒸気の乾き度の向上効果を得ることもできる。その結果、公知の気水分離装置よりも乾き度が高められた蒸気Ｓを得ることができる。

図４は、図１～図３に示される本発明の実施の形態のボイラの気液分離装置と、同実施の形態のような旋回流発生手段も貫通穴付きの隔壁も有しない公知の気液分離装置とについて、これらの気液分離装置へ供給される気液混合流体の蒸気圧力（横軸）が変動したときの、気液分離された蒸気の乾き度（縦軸）の測定結果を示すグラフである。このグラフに示されたとおり、本発明の実施の形態のボイラの気液分離装置によれば、０．８０ＭＰａ以上の蒸気圧力のときに、公知の気液分離装置により得られた蒸気よりも乾き度がいっそう１００％に近付いている。また、公知の気液分離装置では、蒸気圧力が０．８０ＭＰａよりも低くなると乾き度が極端に低下しているが、本発明の実施の形態のボイラの気液分離装置によれば、蒸気圧力が０．５０ＭＰａ程度まで低下しても１００％に近い乾き度を確保している。

上記した各部の寸法Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｈ１、Ｈ２の関係について詳細に説明する。蒸気管１８の内径Ｄ１に比べて容器１７の内径Ｄ２が１．２５×Ｄ１未満であると、容器１７の内部で気水が容器１７の壁に衝突し、それによって、気水分離が行われずに水滴が飛散するという弊害が生じやすい。また容器１７の内径Ｄ２が４×Ｄ１を超えると、気液混合流体２６による容器１７の中心軸２０のまわりの旋回流の流速が低下して、その旋回力も低下するという弊害が生じやすい。貫通穴２２および筒状体２４の内径Ｄ３が０．２×Ｄ２未満であると、それらの内径が小さ過ぎて、不要な圧力損失が発生する可能性がある。また内径Ｄ３が０．８×Ｄ２を超えると、熱水Ｗをせき止める効果が低減して、熱水Ｗの液滴が隔壁２１よりも上側に入り込んでしまう可能性がある。蒸気管１８の中心２５の位置から隔壁２１の下面２３までの距離Ｈ１が１×Ｄ１未満であると、蒸気管１８から容器１７に流入した気液混合流体が隔壁２１に衝突し、跳ね返った水滴が飛散して蒸気とともに筒状体２４に入り込んでしまうという弊害が生じやすい。また距離Ｈ１が３×Ｄ１を超えると、旋回流が、筒状体２４の近傍で発生せずに筒状体よりもかなり下側で発生することになるため、容器１７の中心軸２０の近傍すなわち筒状体２４の設置位置でも気液混合流体２６が存在することになってしまうという弊害が生じやすい。隔壁２１の下面２３から筒状体２４の先端までの突出高さＨ２が０．５×Ｄ３未満であると、筒状体２４を設けた意義が低下して、容器１７の内面に衝突して跳ね返った熱水Ｗの液滴が貫通穴２２へ入り込むことを阻止しにくくなる。反対に突出高さＨ２が２×Ｄ３を超えると、却って熱水Ｗの液滴が筒状体２４に入り込みやすくなってしまう。また、突出高さＨ２があまりに高すぎると、蒸気管１８から容器１７の内部に供給された気液混合流体が筒状体２４に当たってしまって、旋回流を発生しづらくなり、その分だけ気液分離性能が低下することになってしまう。

なお、容器の中心軸２０から蒸気管の中心２５までの距離Ｈ３には制約は無く、発生させるべき旋回流の程度に応じて適宜に設定することができる。

１０ 缶体
１７ 容器
１８ 蒸気管
２０ 中心軸
２１ 隔壁
２２ 貫通穴
２４ 筒状体
２６ 気液混合流体
Ｓ 蒸気
Ｗ 熱水

Claims (1)

1. ボイラの缶体にて発生した、蒸気と熱水との気液混合流体を受け入れて、これら蒸気と熱水とを気液分離させるための装置であって、
   上下方向の円筒状の容器を備え、
   ボイラの缶体にて発生した蒸気と熱水との気液混合流体を前記容器に供給するために前記容器に接続された横方向の蒸気管を備え、
   前記蒸気管は、前記容器に対し、前記容器の中心軸に向かう位置から離れた偏心位置において、前記円筒状の容器の接線方向と平行な方向に接続されており、
   前記円筒状の容器は、前記蒸気管の接続位置よりも上側の位置において隔壁によって上下に区画されており、
   前記隔壁の中央部に、前記容器の内径よりも小径でオリフィスとして機能する貫通穴が形成されているとともに、前記隔壁は、前記貫通穴以外の貫通状態の穴を有しない構成とされ、
   前記隔壁の下部に、前記貫通穴を囲む筒状体が上下方向に設置されており、
   前記上下方向の筒状体は、前記蒸気管よりも上側に設けられるとともに、下端に開口を有し、かつ下端の開口以外には、前記隔壁よりも下側における前記容器の内部と前記筒状体の内部とを連通する連通路を有しないことを特徴とするボイラの気水分離装置。

Images