JPH09145007A - 自然循環型ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】給水循環の脈動や蒸気ドラム内の液面の水位変
動を抑制して、ボイラの運転安定性を向上させるる。 【解決手段】高熱ガスＧの流路上に設けられた少なくと
も一本の伝熱管１を有し伝熱管１内の給水の熱交換作用
により給水を蒸発させる蒸発部と、伝熱管１より鉛直上
方に配設され伝熱管から送られた給水内の蒸気成分を分
離する蒸気ドラム２と、伝熱管１と蒸気ドラム２を連通
状に接続する上昇管４を有し上昇管４を介して伝熱管１
内の給水を蒸気ドラム２へ送る第１の接続配管部と、蒸
気ドラム２と伝熱管１とを連通状に接続する降水管５を
有し蒸気ドラム２により蒸気成分が分離された給水を降
水管５を介して伝熱管１に供給する第２の接続配管部と
を備え、伝熱管及び上昇管の内の少なくとも一方の配管
と降水管５との間の給水の密度差を利用して給水を自然
循環させる自然循環型ボイラ。降水管５を、上昇管４の
内側に軸方向に沿って配置して二重管を構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばガスタービ
ン等の排ガスの熱を、自然循環により伝熱管内を流れる
給水の熱交換作用により回収して蒸気を生成する自然循
環型ボイラに関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラは、蒸気をタービンに供給する発
電用等に用いられる。このようなボイラは、本体の構造
形式、水の循環方式等により種々のものがあるが、その
中の一つに自然循環型ボイラがある。

【０００３】図１０は、ガスダクトＤを介して水平方向
に案内された排ガスの熱を、鉛直方向に配設された伝熱
管内の給水の熱交換作用により回収する従来公知の横型
自然循環型ボイラの内、特に蒸発器部分の構造を示す図
である。図１０によれば、蒸気ドラム１００において蒸
気が分離された給水は、降水管１０１を下降して伝熱管
入口ヘッダ１０２に流入する。伝熱管入口ヘッダ１０２
において流入された給水は分配され、鉛直方向に配設さ
れた複数の伝熱管１０３…１０３それぞれに供給され
る。

【０００４】一方、図面の向かって左側より水平に流入
したタービン等の排ガス（図中矢印Ｇ参照）は、複数の
伝熱管１０３…１０３に供給された給水と熱交換され
る。伝熱管１０３…１０３内の給水は熱交換により沸騰
して蒸気−水の二相流となり、伝熱管出口ヘッダ１０４
及び上昇管１０５を通って蒸気ドラム１００内に流入す
る。蒸気ドラム１００内に流入した二相流は、気水分離
器１０６において蒸気と水とに分離される。このとき、
分離された蒸気は、蒸気ドラム１００の出口に設けられ
た蒸気出口座１０７を介して外部へ流出し、図示しない
タービンに供給される。また、気水分離器１０６で分離
された水は、給水として降水管１０１を下降して伝熱管
入口ヘッダ１０２を介して複数の伝熱管１０３…１０３
それぞれに供給される。このように、蒸発器では、伝熱
管１０３及び上昇管１０５と降水管１０１との間で給水
が循環することにより熱交換作用が行なわれ、蒸気が生
成される。

【０００５】蒸発器内の給水の循環作用は、ポンプを必
要とせず自然に行なわれることから、このような蒸発器
を有するボイラは自然循環型ボイラと呼ばれている。自
然循環の原理は、伝熱管１０３及び上昇管１０５内の給
水が蒸気−水の二相流であり、この二相流状態の給水の
密度が降水管１０１内の単相状態の給水の密度と比べて
小さいことを利用している。すなわち、伝熱管１０３及
び上昇管１０５内の給水と降水管１０１内の給水との重
力によるアンバランス（比重差）により自然循環が生じ
ている。この自然循環の循環量は、循環力と給水の流動
により増加する圧力損失とのバランスにより定まる。

【０００６】上述したように、横型自然循環型ボイラで
は、給水循環力の発生する二相流部分は、大きく２つに
分けることができる。１つは、加熱される部分であり、
これは伝熱管に相当する。もう１つは加熱されない部分
（非加熱部分）であり、これは上昇管に相当する。伝熱
管部分では加熱による沸騰が即座に循環力として作用す
るのに対し、非加熱である上昇管部分では、循環力は流
入してきた二相流状態に依存する。このため、上昇管部
分で発生する循環力は、伝熱管部分の沸騰により生じた
二相流が当該上昇管に流入するまでの時間だけ伝熱管部
分で発生する循環力より遅れて発生する。

【０００７】図１０に示した横型自然循環型ボイラで
は、上述したように、上昇管部分で発生する循環力は、
伝熱管内で発生した沸騰現象に基づく循環力と比べて、
その伝熱管内で発生した二相流が当該上昇管内へ流入す
る時間分遅れて発生するが、伝熱管が鉛直に配設されて
いること及び上昇管の長さが伝熱管（蒸発管）の長さに
比べて短いことから、伝熱管内での沸騰現象は即座に水
循環力となり、この循環力は上昇管内で発生する循環力
よりも支配的であるため、循環力の時間遅れは大きな影
響を与えなかった。

【０００８】一方、図１１は、鉛直方向に案内された排
ガスの熱を、水平方向に配設された伝熱管内の給水の熱
交換作用により回収する従来公知の竪型自然循環型ボイ
ラの内、特に蒸発器部分の構造を示す図である。図１１
に示す竪型自然循環型ボイラの蒸発器は、図１０に示し
た蒸発器と略同等の構造であるが、排ガスＧが鉛直方向
に流入する（図中矢印参照）ことと伝熱管１１０…１１
０が水平方向に配設されていることが異なっている。図
１１に示した蒸発器では、伝熱管１１０…１１０が水平
方向に配設されているため、その伝熱管１１０…１１０
部分では給水の循環力は発生しない。給水の循環力は、
鉛直部である上昇管１０５内の二相流と降水管１０１の
単相流との密度差により発生する。

【０００９】上述したように、竪型自然循環型ボイラで
は、給水循環力の発生する二相流部分は、非加熱部分で
ある上昇管部分のみである。すなわち、伝熱管が水平方
向に配設されているため、伝熱管内で発生した二相流は
水循環力とはならず、その二相流が上昇管に流入してか
ら初めて水循環力が発生する。したがって、適切な水循
環力を得るためには、ある程度上昇管を長くして水頭を
確保しなければならず、蒸発現象（二相流現象）と水循
環力の発生との時間遅れが増大した。

【００１０】ここで、竪型自然循環型ボイラ起動時にお
ける二相流状態と水循環力発生状況とを図１２及び図１
３に模式的に示す。なお、図１２では、蒸発器内給水が
２０℃で、大気圧が加わった状態であり、蒸気ドラム液
面までの水頭１０ｍが伝熱管に加わっているものとす
る。

【００１１】図１２（ａ）では、排ガスが流入し、伝熱
管１１０が加熱されている状態を示す。伝熱管１１０の
加熱が進むと、図１２（ｂ）に示すように、伝熱管１１
０内の給水は、その温度が上昇し飽和温度（概ね１２０
℃）に達した状態で沸騰を始める。伝熱管１１０内の給
水の沸騰により出口ヘッダ１０４を介して上昇管１０５
に熱が伝わるため、上昇管１０５内の給水（単相流）
は、次第に暖められる。そして、上昇管１０５内の給水
の温度が上昇して飽和温度に到達すると、図１２（ｃ）
に示すように、伝熱管１１０内で発生した二相流が上昇
管１０５内に流れ込む。この結果、水循環力（図中矢印
参照）が発生し、給水が循環する。給水の循環により伝
熱管１１０内には降水管１０１内の２０℃の給水（冷
水）が流れ込むため、図１３（ｄ）に示すように当該伝
熱管１１０内の沸騰は急激に収まる（蒸発現象の消
滅）。これに対して、上昇管１０５内は依然として二相
流状態であるため、給水の循環力は継続して発生し（図
中矢印参照）、給水は循環を続ける。そして、上昇管１
０５内及び伝熱管１１０内に「２０＋α」℃の給水（単
相流）が満たされた状態（図１３（ｅ））で給水の循環
力は消滅し、給水は循環を停止して図１２（ａ）の状態
に戻る。以降、上述したように、図１２（ａ）の状態に
おいて排ガスが流入して伝熱管１１０内の給水（単相
流）が昇温して沸騰することにより、図１２（ａ）〜図
１３（ｅ）に示す給水の循環が繰り返される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
竪型自然循環型ボイラでは、図１２（ｂ）乃至図１２
（ｄ）に示したように、伝熱管内の給水の蒸発現象（二
相流現象）の発生と上昇管内での水循環力の発生との時
間差から、その水循環力に伴う給水の循環に応じて伝熱
管内へ降水管から断続的に２０℃の冷水が流れ込む。こ
のため、伝熱管内の給水の沸騰状態（二相流現象）は、
その冷水の流れ込みに応じて断続的に発生→消滅→発生
→…を繰り返していた。つまり、伝熱管内の給水の沸騰
現象が継続的に行なわれないため、水循環の脈動を招
き、ボイラの運転安定性を阻害した。

【００１３】また、伝熱管内の給水の沸騰現象の非継続
性（断続性）は、上昇管内へ流入する給水の二相流状態
を不安定にさせた。このため、例えば上昇管内の給水の
一部が一時的に突沸し、当該上昇管内の蒸気泡の量の増
加を招いた。この給水内の蒸気泡の増加は、当該給水が
蒸気ドラムに流入した際、その蒸気ドラム内の液面の水
位を大きく変動させ、ボイラの運転安定性を阻害した。

【００１４】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
ので、自然循環型ボイラにおいて、伝熱管内の給水の蒸
発現象を継続的に行なうことにより、給水循環の脈動や
蒸気ドラム内の液面の水位変動を抑制して、運転安定性
を向上させることをその目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
請求項１に記載した発明の自然循環型ボイラは、高熱ガ
スの流路上に設けられた少なくとも一本の蒸発用配管を
有し当該蒸発用配管内の流体の熱交換作用により当該流
体を蒸発させる蒸発部と、前記蒸発用配管より鉛直上方
に配設され当該蒸発用配管から送られた流体内の蒸気成
分を分離する分離部と、前記蒸発用配管と前記分離部を
連通状に接続する第１の配管を有し当該第１の配管を介
して当該蒸発用配管内の流体を前記分離部へ送る第１の
接続配管部と、前記分離部と前記蒸発用配管とを連通状
に接続する第２の配管を有し当該分離部により蒸気成分
が分離された流体を当該第２の配管を介して当該蒸発用
配管に供給する第２の接続配管部とを備え、前記蒸発用
配管及び前記第１の配管の内の少なくとも一方の配管と
前記第２の配管との間の流体の密度差を利用して当該流
体を自然循環させる自然循環型ボイラにおいて、前記第
１の配管及び前記第２の配管の内の一方の配管を、他方
の配管の内側に軸方向に沿って配置して二重管を構成し
ている。

【００１６】特に、請求項２に記載した発明は、請求項
１に記載した自然循環型ボイラであって、前記二重管に
おける内側配管の内周面及び外周面の内の少なくとも一
方の面に、当該面の伝熱を促進する熱伝達促進部材を取
り付けている。

【００１７】また、特に、請求項３に記載した発明は、
請求項１に記載した自然循環型ボイラであって、前記二
重管を当該二重管における内側配管の鉛直下側部から支
持している。

【００１８】さらに、請求項４に記載した発明は、請求
項１に記載した自然循環型ボイラであって、前記二重管
における内側配管に、当該二重管における外側配管と当
該内側配管との熱伸び差を吸収する熱伸び吸収部材を取
り付けている。

【００１９】さらにまた、請求項５に記載した発明は、
請求項１に記載した自然循環型ボイラであって、前記二
重管における内側配管を第１の配管で、外側配管を第２
の配管で構成するとともに、当該第１の配管の鉛直上側
端部に前記分離部を連通状に接合している。

【００２０】一方、前記目的を達成するため請求項６に
記載した発明の自然循環型ボイラは、高熱ガスの流路上
に設けられた少なくとも一本の蒸発用配管を有し当該蒸
発用配管内の流体の熱交換作用により当該流体を蒸発さ
せる蒸発部と、前記蒸発用配管より鉛直上方に配設され
当該蒸発用配管から送られた流体内の蒸気成分を分離す
る分離部と、前記蒸発用配管と前記分離部を連通状に接
続する第１の配管を有し当該第１の配管を介して当該蒸
発用配管内の流体を前記分離部へ送る第１の接続配管部
と、前記分離部と前記蒸発用配管とを連通状に接続する
第２の配管を有し当該分離部により蒸気成分が分離され
た流体を当該第２の配管を介して当該蒸発用配管に供給
する第２の接続配管部とを備え、前記蒸発用配管及び前
記第１の配管の内の少なくとも一方の配管と前記第２の
配管との間の流体の密度差を利用して当該流体を自然循
環させる自然循環型ボイラにおいて、前記第１の配管及
び前記第２の配管に接続され、当該第１の配管内の流体
と当該第２の配管内の流体とを熱交換させる熱交換装置
を備えている。

【００２１】請求項１乃至５に記載した発明の自然循環
型ボイラによれば、蒸発用配管を流れる流体（例えば給
水）は、高熱ガスにより蒸発して蒸気−水混合の二相流
状態の給水となる。この給水は、第１の配管を流れて例
えば蒸気ドラム等の分離部へ流入する。

【００２２】このとき、第１の配管及び第２の配管の内
の一方の配管（例えば第２の配管）が、他方の配管（第
１の配管）の内側に軸方向に沿って配置されて二重管が
構成されているため、第２の配管内の流体（給水；例え
ば２０℃の冷水）は、第１の配管を流れる二相流状態の
給水と熱交換して予熱される。したがって、第２の配管
から蒸発部の蒸発用配管へ冷水が供給されることがな
く、蒸発用配管内での沸騰現象が継続的に安定して行な
われる。また、同じく第１の配管及び第２の配管が二重
管であるため、第１の配管内の二相流状態の給水は第２
の配管内の給水に全体的に冷却される。したがって、第
１の配管内の給水の一時的な突沸及びその突沸に伴う蒸
気泡の一時的な増加を抑えることができる。

【００２３】さらに、請求項６に記載した発明の自然循
環型ボイラによれば、蒸発用配管を流れる流体（例えば
給水）は、高熱ガスにより蒸発して蒸気−水混合の二相
流状態の給水となる。この給水は、第１の配管を流れて
分離部へ流入する。

【００２４】このとき、第１の配管及び第２の配管に、
第１の配管内の給水と第２の配管内の給水（例えば２０
℃の冷水）とを熱交換させる熱交換装置が接続されてい
るため、第２の配管内の給水は、第１の配管を流れる二
相流状態の給水と熱交換して予熱される。したがって、
第２の配管から蒸発部の蒸発用配管へ冷水が供給される
ことがなく、蒸発用配管内での沸騰現象が継続的に安定
して行なわれる。また、同じく第１の配管及び第２の配
管が二重管であるため、第１の配管内の二相流状態の給
水は第２の配管内の給水に全体的に冷却される。したが
って、第１の配管内の給水の一時的な突沸及びその突沸
に伴う蒸気泡の一時的な増加を抑えることができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照して説明する。

【００２６】（第１実施形態）図１は、本実施形態に係
わる竪型自然循環型ボイラの内、特に蒸発器部分の構造
を示す図である。図１に示す竪型自然循環型ボイラの蒸
発器は、ガスダクトＤを介して鉛直方向に流入したター
ビン等の排ガスＧの流路上に配設された伝熱管１…１
（図１では１つの伝熱管のみを示しており、以下伝熱管
１として説明する）と、気水分離部である蒸気ドラム２
とを備えている。伝熱管１は、隣接した２本の配管を有
し、この２本の配管が蒸気ドラム側から鉛直方向に直交
する水平一方向に延び、Ｕ字ベンド（返し部）１Ｕを介
して上方へ曲げられ、蒸気ドラム側へ戻ってくる構造と
なっている。つまり、２本の配管がガスダクトＤを２回
通過する、いわゆる２パスタイプの伝熱管として構成さ
れている。

【００２７】２パスタイプの伝熱管１の内、Ｕ字ベンド
（返し部）１Ｕを介して上方へ曲げられた２つの配管
（上側伝熱管）１ａは、伝熱管出口ヘッダー３を介し
て、鉛直方向に配設された上昇管４の下部に連通状に接
合されている。この上昇管４の上端部は、蒸気ドラム２
に連通状に接合されている。

【００２８】この上昇管４の内部には、図１（ａ）及び
（ｂ）に示すように、上端部が蒸気ドラム２に連通状に
接合された降水管５が鉛直方向に沿って同軸状に配設さ
れている。つまり、上昇管４及び降水管５とで同軸状の
二重管を構成している。

【００２９】二重管の内管である降水管５は、上昇管４
の底面よりさらに鉛直下方に延設され、その鉛直下方に
沿った最下部においてＵ字状に曲げられている。そのＵ
時状に曲げられた降水管５の鉛直上方に向けられた端部
５ａは、前記伝熱管出口ヘッダー３と鉛直方向において
対向する位置に配設された伝熱管入口ヘッダー６を介し
て前記上側伝熱管１ａに対して鉛直下方に位置する２本
の配管（下側伝熱管）１ｂに連通状に接合されている。
なお、蒸発器は、その蒸発器の降水管５のＵ字状に曲げ
られた部分（屈曲部５ａ）が図示しないボイラ本体の一
部等に固定支持されることにより、鉛直方向に沿って立
設している。

【００３０】また、二重管の外管である上昇管４は、当
該上昇管４及び降水管５内部の圧力が略等しいため、耐
圧の観点から厚肉管として形成されている。一方、降水
管５の内の二重管の内管部分は、上昇管４と比べて肉圧
の薄い薄肉管として形成されている。

【００３１】蒸気ドラム２は、内部に固定され、上昇管
４から送られた蒸気−水の二相流を蒸気と水に分離する
気水分離器１０と、気水分離器１０により分離された蒸
気を例えばタービンに供給するために外部へ流出するた
めの蒸気出口座１１とを備えている。

【００３２】次に本実施形態の作用について説明する。

【００３３】ガスダクトＤを介して図面の向かって下側
から鉛直上方へ流入したタービン等の排ガスＧ（図中矢
印参照）は、下側伝熱管１ｂからＵ字ベンド１Ｕを介し
て上側伝熱管１ａへ流れる給水（図１中ｓ1 及びｓ2 で
示す）と熱交換される。下側伝熱管１ｂ及び上側伝熱管
１ａ内の給水は熱交換により沸騰を始めて蒸気−水の二
相流となり、伝熱管出口ヘッダ３を介して二重管の外管
である上昇管４内に流入する。そして、蒸気−水の二相
流となった給水は、上昇管４を通って上昇し（図１中ｓ
3 で示す）、蒸気ドラム２内に流入する。蒸気ドラム２
内に流入した給水は、気水分離器１０において蒸気と水
とに分離される。このとき、分離された蒸気は、蒸気ド
ラム２の出口に設けられた蒸気出口座１１を介して外部
へ流出し、図示しないタービンに供給される。

【００３４】また、気水分離器１０で分離された水は、
給水として二重管の内管である降水管５を下降する。こ
のとき、下降中の給水は、上昇管４内を上昇する給水と
降水管５及び上昇管４を介して熱交換する。この結果、
降水管５を下降する給水（図１中ｓ4 で示す）は、熱交
換により予熱された状態で伝熱管入口ヘッダー６へ流入
し（図１中ｓ5 で示す）、この伝熱管入口ヘッダー６か
ら下側伝熱管１ｂへ供給される。以下、（下側・上側）
伝熱管１〜上昇管４〜蒸気ドラム２〜降水管５〜（下側
・上側）伝熱管１〜…と給水が循環することにより熱交
換作用が行なわれ、蒸気が生成される。

【００３５】以上の給水循環作用における本実施形態の
特徴を図２を参照して説明する。図２は、特に大気圧下
での給水温度が約２０℃（冷水）の状態からのボイラ起
動に際し（起動直後を時刻ｔ0 とする）、時刻変化（ｔ
0 〜ｔ6 ）に応じた上昇管あるいは降水管の温度分布の
変化を概念的に示す図である。なお、降水管５内の給水
温度は、上昇管４内の給水温度と比べて若干低くなる
が、その低下量は相互の伝熱効率に依存している。ま
た、Ｔsat は、蒸気ドラム２及び降水管５、あるいは蒸
気ドラム２及び上昇管４内の給水の水頭圧に応じた鉛直
方向（高さ方向）の当該給水の飽和温度を示している。

【００３６】時刻ｔ0 でのボイラ起動直後では、降水管
５及び上昇管４内の温度は一定（＝２０℃）である。そ
の後、伝熱管１内の給水が熱交換により飽和温度に到達
し、沸騰を始める。沸騰により二相流となった伝熱管１
内の給水は、伝熱管出口ヘッダー３から上昇管４内へ下
端部側から流入する。このとき、２０℃の降水管５内の
上昇管下端部に隣接する部分（以下、隣接部という）の
給水は、上昇管下端部内へ流入した給水と熱交換される
（時刻ｔ1 ）。そして、時刻ｔ2 以降、上昇管４及び降
水管５内の給水が、その下端部及び隣接部から鉛直上方
へ向けて順次飽和温度に到達し、上昇管４内の給水につ
いては、二相流の領域が次第に増えていく。つまり、上
昇管４内の給水の温度上昇に伴って、降水管５内の給水
を予熱させることができる。また、上昇管４内の給水は
降水管５内の給水により全体的に冷却されるため、当該
給水の一部の一時的な突沸を抑制することができる。

【００３７】そして、二相流領域の増加に伴い上昇管内
において循環力が発生して蒸発器の水循環が始まり、以
下、循環力の増加につれてその水循環量も増大してい
く。

【００３８】一方、降水管５内の給水は、発生した循環
力により下降し、伝熱管入口ヘッダー６を介して伝熱管
１内へ流入するが、このとき、伝熱管１へ流入する給水
は上記予熱作用により冷水状態ではないため、伝熱管１
内の沸騰現象は、消滅することなく継続的に行なわれ
る。なお、降水管５内の給水の温度は、循環量が増加し
ても、その循環量の増加に伴って上昇管４内の給水から
の加熱も増えるため常に安定している。すなわち、伝熱
管１内に流入する給水の温度が常に安定しているため、
伝熱管１内の沸騰現象も安定して継続する。

【００３９】以上述べたように、本実施形態によれば、
降水管と上昇管とで二重管を形成し、当該降水管を流れ
る給水と上昇管を流れる給水との間で熱交換するように
構成したため、降水管内の給水が上昇管内の給水により
予熱され、伝熱管内へ冷水が流入することがない。この
結果、伝熱管内での沸騰現象が継続的に安定して行なわ
れ、蒸発器内の給水の循環が安定する。また、上記熱交
換作用により、上昇管内の給水は降水管内の給水により
冷却されるため、当該上昇管内の給水の一時的な突沸及
びその突沸に伴う蒸気泡の一時的な増加を抑えることが
できる。したがって、蒸気ドラム内の水位変動を抑制す
ることができる。

【００４０】（第２実施形態）本発明の第２実施形態を
図３に示す。

【００４１】図３によれば、本実施形態の蒸発器は、上
昇管２０と降水管２１とは従来と同様に別個の配管で構
成するとともに、上昇管２０内の給水と降水管２１内の
給水とを熱交換する熱交換器２２を設けている。すなわ
ち、図３に示すように、熱交換器２２の低温側入出力部
には、鉛直方向に配設された上昇管２０が接続されてい
る。その上昇管２０の上端部は、蒸気ドラム２に連通状
に接合されている。また、熱交換器２２の低温側入出力
部には、鉛直方向に沿って配設された降水管２１が接続
されている。降水管２１の上端部は、蒸気ドラム２に連
通状に接合されている。降水管２１の下端部２１ａは、
第１実施形態と同様にＵ字状に曲げられて伝熱管入口ヘ
ッダー６を介して下側伝熱管１ｂに連通状に接合されて
いる。なお、本実施形態の蒸発器のその他の構成は第１
実施形態の蒸発器と略同様であるため、図１と同一の符
号を付してその説明は省略する。

【００４２】次に本実施形態の作用について説明する。
なお、給水循環作用については、第１実施形態と略同様
であるため、その説明は省略し、本実施形態のポイント
である熱交換器２２での熱交換作用について説明する。
すなわち、本実施形態では、沸騰により二相流となった
伝熱管１内の給水は、伝熱管出口ヘッダー３から熱交換
器２２を介して上昇管２０内へ流入する。このとき、熱
交換器２２では、上昇管２０内で発生した二相流である
給水と降水管２１内の給水との間で熱交換が行なわれ、
当該降水管２１内の給水が第１実施形態と同様に予熱さ
れる。また、上昇管２０内で発生した二相流である給水
も、降水管２１内の給水により冷却される。

【００４３】したがって、第１実施形態と略同様に、降
水管を流れる給水と上昇管を流れる給水との間で熱交換
することが可能になり、第１実施形態と略同様の効果が
得られる。

【００４４】なお、熱交換器の熱源として、排ガスの一
部を利用してもよい。

【００４５】（第３実施形態）本発明の第３実施形態を
図４に示す。

【００４６】図４によれば、本実施形態の蒸発器は、図
１において、二重管の内管である降水管３０…３０を同
軸状に多数配設したものである。なお、その他の構成は
第１実施形態と略同様であるため、図１と同一の符号を
付してその説明は省略する。

【００４７】本実施形態によれば、外管である上昇管４
内の給水と内管である降水管３０…３０の給水の接触面
積が増大するため、当該上昇管４内の給水と降水管３０
…３０の給水との間の伝熱効率を向上させることができ
る。なお、その他の作用・効果は、第１実施形態と略同
様であるため、その説明は省略する。

【００４８】（第４実施形態）本発明の第４実施形態を
図５に示す。

【００４９】図５によれば、本実施形態の蒸発器は、二
重管の内管を上昇管４０で構成し、二重管の外管を降水
管４１で構成している。つまり、本発明は内管及び外管
の位置関係を特に限定するものではなく、図５に示すよ
うな変形が可能である。なお、その他の構成は、第１実
施形態と略同様であるため、図１と同一の符号を付して
その説明は省略し、また作用・効果も第１実施形態と略
同様であるため、その説明は省略する。

【００５０】（第５実施形態）本発明の第５実施形態を
図６に示す。

【００５１】図６（ａ）は、上昇管５０と降水管５１と
で構成する二重管の断面図であり、６（ｂ）は、本実施
形態の特徴部分を示す二重管の正面図（一部重断面図）
である。図６（ｂ）によれば、本実施形態の降水管５１
と上昇管５０との間にはガイド部材５２が設けられ、ま
た降水管５１の外周には、伝熱促進部材である螺旋フィ
ン５３が取り付けられている。なお、その他の構成要素
は、第１実施形態と略同様であるため、図１と同一の符
号を付してその説明は省略する。

【００５２】本実施形態では、ガイド部材５２により当
該降水管５１と上昇管５０との間隔は一定に保持され
る。また、螺旋フィン５３により上昇管５０内の給水の
流れを乱すとともに伝熱面積を拡大させることができ
る。この結果、降水管５１内の給水と上昇管５０内の給
水との熱交換を促進させることができる。なお、その他
の作用・効果は第１実施形態と略同様であるため、その
説明は省略する。

【００５３】本実施形態では、伝熱促進部材である螺旋
フィン５３を降水管５１の外周に取り付けたが、本発明
はこれに限定されるものではなく、螺旋フィン５３を外
管である上昇管５０の内周面に取り付けて当該上昇管５
０内の給水の流れを乱す陽に構成してもよく、また、螺
旋フィン５３を降水管５１の内周面に取り付け、当該降
水管５１を流れる給水の流れを乱すように構成してもよ
い。

【００５４】（第６実施形態）本発明の第６実施形態を
図７に示す。

【００５５】図７は、本発明を複数の伝熱管６０…６０
をガスダクトＤを１回通過する、いわゆる１パスタイプ
の伝熱管として構成した例である。すなわち、図７に示
すように、降水管６１のＵ字状に曲げられた部分の内水
平部分６１ａが伝熱管６０…６０の長さに応じて延長さ
れ、各伝熱管６０…６０の内一方の端部は、伝熱管入口
ヘッダー６を介してその延長された降水管６１の端部６
１ｂに連通状に接合されている。また、伝熱管６０…６
０の他方の端部は、伝熱管出口ヘッダー３を介して上昇
管４に連通状に接合されている。なお、その他の構成
は、第１実施形態と略同様であるため、図１と同一の符
号を付してその説明は省略し、また作用・効果も第１実
施形態と略同様であるため、その説明は省略する。

【００５６】（第７実施形態）本発明の第７実施形態を
図８に示す。

【００５７】本実施形態によれば、図８に示すように、
上昇管７０及び降水管７１を構成する二重管の内、内管
である降水管７１を複数の配管に分け、前記配管どうし
をエキスパンション７２を介して接合したものである。
なお、その他の構成要素は、第１実施形態と略同様であ
るため、図１と同一の符号を付してその説明は省略す
る。

【００５８】このエキスパンション７２を介して複数の
配管から降水管７１を構成したことにより、降水管７１
及び上昇管７０に温度差が生じた場合に発生する当該降
水管７１及び上昇管７０の軸方向への熱伸び量の差（熱
伸び差）をエキスパンション７２により吸収することが
できる。一般にエキスパンションは高圧力流体を内部に
流すことはできないが、二重管構造における内管及び外
管の圧力差が小さいため、熱伸びを吸収する柔軟な構造
体を接続することが可能である。なお、その他の作用・
効果は第１実施形態と略同様であるため、その説明は省
略する。

【００５９】（第８実施形態）本実施形態の第８実施形
態を図９に示す。

【００６０】図９は、図５に示す第４実施形態の変形例
である。図９によれば、二重管構造の内管を構成する上
昇管８０の上端部に気水分離器８１を接合し、この気水
分離器８１を蒸気ドラム８２内部に設置したものであ
る。なお、その他の構成要素は、第１実施形態と略同様
であるため、図１と同一の符号を付してその説明は省略
する。

【００６１】本実施形態では、上昇管８０より蒸気ドラ
ム８２内へ流入した蒸気−水の二相流は、気水分離器８
１にて蒸気と水に分離されるようになっている。本実施
形態によれば、気水分離器８１が蒸気ドラム８２とは直
接固定されておらず、上昇管８０に接合されているた
め、降水管４１と上昇管８０との熱伸び差により上下方
向に可動するようになっている。この結果、降水管４１
と上昇管８０との熱伸び差に伴う熱応力は発生せず、当
該熱応力による蒸気ドラム８２への悪影響を防止するこ
とができる。なお、その他の作用・効果は第１実施形態
と略同様であるため、その説明は省略する。

【００６２】ところで、上述した本発明に係わる実施形
態では、竪型自然循環型ボイラに基づいて説明したが、
本発明はこれに限定されるものではなく、横型自然循環
型ボイラにも適用可能である。

【００６３】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１乃至５に記
載した発明の自然循環型ボイラによれば、蒸発用配管内
の流体を分離部へ送る第１の配管と分離部により蒸気成
分が分離された流体（例えば、給水）を当該蒸発用配管
に供給する第２の配管とを二重管として構成したため、
第２の配管内の給水は、第１の配管を流れる二相流状態
の給水と熱交換して予熱される。したがって、第２の配
管から蒸発部の蒸発用配管へ温度の低い給水（冷水）が
供給されることがなく、蒸発用配管内での沸騰現象が継
続的に安定して行なわれる。また、同じく第１の配管と
第２の配管とを二重管として構成したため、第１の配管
内の二相流状態の給水は第２の配管内の給水に全体的に
冷却される。したがって、第１の配管内の給水の一時的
な突沸及びその突沸に伴う蒸気泡の一時的な増加を抑え
ることができる。

【００６４】この結果、自然循環型ボイラにおける給水
循環の脈動や分離部内の液面の水位変動を抑制して、当
該ボイラの運転安定性を向上させることができる。

【００６５】また、請求項６に記載した発明の自然循環
ボイラによれば、蒸発用配管内の流体を分離部へ送る第
１の配管及び分離部により蒸気成分が分離された流体
（例えば、給水）を当該蒸発用配管に供給する第２の配
管に、第１の配管内の給水と第２の配管内の流体とを熱
交換させる熱交換装置を接続したため、第２の配管内の
給水は、第１の配管を流れる二相流状態の給水と熱交換
して予熱される。したがって、第２の配管から蒸発部の
蒸発用配管へ温度の低い給水（冷水）が供給されること
がなく、蒸発用配管内での沸騰現象が継続的に安定して
行なわれる。また、同じく第１の配管及び分離部により
蒸気成分が分離された流体（例えば、給水）を当該蒸発
用配管に供給する第２の配管に、第１の配管内の給水と
第２の配管内の流体とを熱交換させる熱交換装置を接続
したため、第１の配管内の二相流状態の給水は第２の配
管内の給水に全体的に冷却される。したがって、第１の
配管内の給水の一時的な突沸及びその突沸に伴う蒸気泡
の一時的な増加を抑えることができる。

【００６６】この結果、自然循環型ボイラにおける給水
循環の脈動や分離部内の液面の水位変動を抑制して、当
該ボイラの運転安定性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係わるボイ
ラの蒸発器の全体構成を示す図、（ｂ）は、（ａ）にお
けるＡ−Ａ矢視断面図。

【図２】時刻変化（ｔ0 〜ｔ6 ）に応じた上昇管あるい
は降水管の温度分布の変化を概念的に示す図。

【図３】本発明の第２実施形態に係わるボイラの蒸発器
の全体構成を示す図。

【図４】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係わるボイ
ラの蒸発器の全体構成を示す図、（ｂ）は、（ａ）にお
けるＡ−Ａ矢視断面図。

【図５】（ａ）は、本発明の第４実施形態に係わるボイ
ラの蒸発器の全体構成を示す図、（ｂ）は、（ａ）にお
けるＡ−Ａ矢視断面図。

【図６】（ａ）は、本発明の第５実施形態に係わるボイ
ラの蒸発器の二重管部分の断面図、（ｂ）は、本発明の
第５実施形態に係わるボイラの蒸発器の二重管部分の正
面図（一部断面図）。

【図７】本発明の第６実施形態に係わるボイラの蒸発器
の全体構成を示す図。

【図８】（ａ）は、本発明の第７実施形態に係わるボイ
ラの蒸発器の全体構成を示す図、（ｂ）は、（ａ）にお
けるＢで示す破線に囲まれた部分を拡大して示す図。

【図９】（ａ）は、本発明の第８実施形態に係わるボイ
ラの蒸発器の全体構成を示す図、（ｂ）は、（ａ）にお
けるＡ−Ａ矢視断面図。

【図１０】従来公知の横型自然循環型ボイラの概略構成
を示す図。

【図１１】従来公知の竪型自然循環型ボイラの概略構成
を示す図。

【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、図１３と共に用いて竪型
自然循環型ボイラ起動時における二相流状態と水循環力
発生状況とを模式的に示す図。

【図１３】（ｄ）〜（ｅ）は、図１２と共に用いて竪型
自然循環型ボイラ起動時における二相流状態と水循環力
発生状況とを模式的に示す図。

【符号の説明】

１、６０…６０ 伝熱管 １ａ 上側伝熱管 １ｂ 下側伝熱管 ２、８２ 蒸気ドラム ３ 伝熱管出口ヘッダー ４、２０、４０、５０、７０、８０ 上昇管 ５、２１、３０…３０、４１、５１、６１、７１ 降水
管 ６ 伝熱管入口ヘッダー １０、８１ 気水分離器 １１ 蒸気出口座 ２２ 熱交換器 ５２ ガイド部材 ５３ 螺旋フィン ６０…６０ 伝熱管 ７２ エキスパンション

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高熱ガスの流路上に設けられた少なくと
   も一本の蒸発用配管を有し当該蒸発用配管内の流体の熱
   交換作用により当該流体を蒸発させる蒸発部と、前記蒸
   発用配管より鉛直上方に配設され当該蒸発用配管から送
   られた流体内の蒸気成分を分離する分離部と、前記蒸発
   用配管と前記分離部を連通状に接続する第１の配管を有
   し当該第１の配管を介して当該蒸発用配管内の流体を前
   記分離部へ送る第１の接続配管部と、前記分離部と前記
   蒸発用配管とを連通状に接続する第２の配管を有し当該
   分離部により蒸気成分が分離された流体を当該第２の配
   管を介して当該蒸発用配管に供給する第２の接続配管部
   とを備え、前記蒸発用配管及び前記第１の配管の内の少
   なくとも一方の配管と前記第２の配管との間の流体の密
   度差を利用して当該流体を自然循環させる自然循環型ボ
   イラにおいて、 前記第１の配管及び前記第２の配管の内の一方の配管
   を、他方の配管の内側に軸方向に沿って配置して二重管
   を構成したことを特徴とする自然循環型ボイラ。
2. 【請求項２】 前記二重管における内側配管の内周面及
   び外周面の内の少なくとも一方の面に、当該面の伝熱を
   促進する熱伝達促進部材を取り付けた請求項１記載の自
   然循環型ボイラ。
3. 【請求項３】 前記二重管を当該二重管における内側配
   管の鉛直下側部から支持した請求項１記載の自然循環型
   ボイラ。
4. 【請求項４】 前記二重管における内側配管に、当該二
   重管における外側配管と当該内側配管との熱伸び差を吸
   収する熱伸び吸収部材を取り付けた請求項１記載の自然
   循環型ボイラ。
5. 【請求項５】 前記二重管における内側配管を第１の配
   管で、外側配管を第２の配管で構成するとともに、当該
   第１の配管の鉛直上側端部に前記分離部を連通状に接合
   した請求項１記載の自然循環型ボイラ。
6. 【請求項６】 高熱ガスの流路上に設けられた少なくと
   も一本の蒸発用配管を有し当該蒸発用配管内の流体の熱
   交換作用により当該流体を蒸発させる蒸発部と、前記蒸
   発用配管より鉛直上方に配設され当該蒸発用配管から送
   られた流体内の蒸気成分を分離する分離部と、前記蒸発
   用配管と前記分離部を連通状に接続する第１の配管を有
   し当該第１の配管を介して当該蒸発用配管内の流体を前
   記分離部へ送る第１の接続配管部と、前記分離部と前記
   蒸発用配管とを連通状に接続する第２の配管を有し当該
   分離部により蒸気成分が分離された流体を当該第２の配
   管を介して当該蒸発用配管に供給する第２の接続配管部
   とを備え、前記蒸発用配管及び前記第１の配管の内の少
   なくとも一方の配管と前記第２の配管との間の流体の密
   度差を利用して当該流体を自然循環させる自然循環型ボ
   イラにおいて、 前記第１の配管及び前記第２の配管に接続され、当該第
   １の配管内の流体と当該第２の配管内の流体とを熱交換
   させる熱交換装置を備えたことを特徴とする自然循環型
   ボイラ。