JPH11193902A - 多管式水管ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の伝熱管によって伝熱管群を構成し、こ
の伝熱管群に対して交差方向に燃焼反応中ガスを流通さ
せる形式の多管式水管ボイラにおいて、伝熱管群の熱負
荷を上流側から下流側まで均一化することと、伝熱管群
の下流側での熱回収量を増加させることによりボイラ全
体での熱効率を高めること。 【解決手段】 前記伝熱管群１４の上流側の伝熱管１
２，１２，…の外径を大きくし、下流側の伝熱管１３，
１３，…の外径を小さくした構成であり、また前記伝熱
管群１４の上流側の伝熱管１２，１２，…の外径を大き
くし、下流側の伝熱管１３，１３，…の外径を小さくす
るとともに、燃焼反応中ガスの流通方向における単位流
路長さ当たりの前記各伝熱管１２，１３の本数を燃焼反
応中ガスの流通方向の上流側を少なく下流側を多くし
て、伝熱面密度を燃焼反応中ガスの流通方向の上流側を
小さく下流側を大きくした構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、貫流ボイラ，自
然循環式水管ボイラ，強制循環式水管ボイラなどの水管
ボイラにおいて、複数の伝熱管によって缶体を構成した
多管式水管ボイラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃焼室内に多数の伝熱管を配設し、これ
らの伝熱管群の隙間で燃料を燃焼させながら伝熱を行う
ことにより、伝熱管によって燃焼温度を調整することに
より低ＮＯx 化を図るとともにボイラの小型化，高効率
化を図った多管式水管ボイラがある。このような多管式
水管ボイラでは、燃焼ガスは、各伝熱管との熱交換によ
り伝熱管群の下流側ほど温度が低下し、その流速も低下
する。そのため、伝熱管群の下流側ほど伝熱管の熱負荷
が減少し、また熱回収量が少なくなってしまう。そこ
で、特開平６−３００２０７号公報に開示されるよう
に、上部管寄せと下部管寄せとの間に多数の伝熱管から
なる伝熱管群を配置して缶体を構成し、この缶体の一端
側に表面燃焼バーナを配置して前記伝熱管群の伝熱管と
交差する方向に燃焼ガスを流動させるようにしてある多
管式貫流ボイラにおいて、缶体の燃焼ガス通路の平面形
状を、表面燃焼バーナに近い上流側に対して表面燃焼バ
ーナから離反する下流側の幅が小さくなるようにしたも
のが提案されている。

【０００３】しかし、このようなテーパ形状の燃焼ガス
通路とすると、燃焼ガス通路の平面形状を矩形形状とし
たものに比べて伝熱管の配設本数が少なくなるため、か
えって熱回収量が低下する。また、同じ本数の伝熱管を
設置する場合には、缶体の上流側の幅が広くなるため、
ボイラの設置面積が増大するという問題もある。さら
に、伝熱管群の上流側では伝熱管の熱負荷が高く、過熱
や焼損の恐れがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、多管式水管ボイラにおいて、伝熱管群の
熱負荷を上流側から下流側まで均一化することと、伝熱
管群の下流側での熱回収量を増加させることによりボイ
ラ全体での熱効率を高めることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記課題を
解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明
は、複数の伝熱管によって伝熱管群を構成し、この伝熱
管群に対して交差方向に燃焼反応中ガスを流通させる形
式の多管式水管ボイラにおいて、前記伝熱管群の上流側
の伝熱管の外径を大きくし、下流側の伝熱管の外径を小
さくしたことを特徴としており、請求項２に記載の発明
は、前記形式の多管式水管ボイラにおいて、前記伝熱管
群の上流側の伝熱管の外径を大きくし、下流側の伝熱管
の外径を小さくするとともに、燃焼反応中ガスの流通方
向における単位流路長さ当たりの前記各伝熱管の本数を
燃焼反応中ガスの流通方向の上流側を少なく下流側を多
くして、伝熱面密度を燃焼反応中ガスの流通方向の上流
側を小さく下流側を大きくしたことを特徴としている。

【０００６】

【発明の実施の形態】この発明は、多管式水管ボイラと
して実施される。さらに、この発明の多管式水管ボイラ
は、蒸気ボイラや温水ボイラのほか、熱媒を加熱する熱
媒ボイラなどとして適用される。

【０００７】この発明の多管式水管ボイラは、複数の伝
熱管によって伝熱管群を構成し、この伝熱管群の各伝熱
管に対して燃焼反応中ガスを交差方向に流通させる形式
の多管式水管ボイラにおいて実現される。この形式の多
管式水管ボイラにおいては、伝熱管群を構成する各伝熱
管の全てあるいはその一部が燃焼反応領域内にあり、こ
の燃焼反応領域内の各伝熱管によって燃焼反応中ガスを
冷却して所定温度に調整し、低ＮＯx 化を図るとともに
ボイラの小型化，高効率化を図っている。この伝熱管群
は、上部管寄せおよび下部管寄せ間に配置してあり、こ
の伝熱管群と上部管寄せおよび下部管寄せによってボイ
ラの缶体が構成される。

【０００８】そして、前記伝熱管群の上流側の伝熱管の
外径を大きくし、下流側の伝熱管の外径を小さくする。
このように伝熱管群を構成する各伝熱管の外径を設定す
ることにより、上流側の大径の伝熱管における熱負荷が
減少する一方で下流側の小径の各伝熱管における熱負荷
が増加し、伝熱管群全体での伝熱管の熱負荷を均一化す
る。この理由は、外径の異なった伝熱管に同じ流速で同
じ温度の高温ガス（この場合には、燃焼反応中ガス）が
接触する場合、伝熱管の径（外径）が小さいほうが、表
面積（受熱面積）当たりの内容積が小さく、熱負荷が高
くなるからである。また、この構成によれば上流側の伝
熱管における熱負荷を減少させることができるため、こ
の上流側の伝熱管で生じがちな過熱や焼損等の問題につ
いても回避できる。

【０００９】ここで、前記燃焼反応中ガスとは、燃焼反
応を生じている最中の高温のガスをいう。前記燃焼反応
領域としては、好ましくは燃焼反応中ガスに火炎が生じ
ている領域または燃焼反応中ガスの温度が９００℃以上
の高温の燃焼反応中ガスが存在する領域とする。ここで
いう火炎は、燃焼反応が活発に行われている燃焼反応中
ガスに生じる現象である。この火炎は、目視できる場合
もあるし、目視し難い場合や目視できない場合もある。

【００１０】さらに、この発明の多管式水管ボイラは、
前述の形式の多管式水管ボイラにおいて、前記伝熱管群
の上流側の伝熱管の外径を大きくし、下流側の伝熱管の
外径を小さくするとともに、燃焼反応中ガスの流通方向
における単位流路長さ当たりの前記各伝熱管の本数を燃
焼反応中ガスの流通方向の上流側を少なく下流側を多く
して、伝熱面密度を燃焼反応中ガスの流通方向の上流側
を小さく下流側を大きくしたものである。このように、
伝熱面密度（単位流路長さ当たりの伝熱面積）を燃焼反
応中ガスの流通方向の上流側を小さく下流側を大きくす
ることにより、伝熱管群を流通する燃焼反応中ガスの温
度低下や流速の低下によらず、伝熱管群の下流側におけ
る熱回収量を増加できる。したがって、伝熱管群におけ
る熱回収量が均一化し、伝熱管群の全体において、熱回
収量を多くできるため、ボイラ全体として熱効率が高ま
る。

【００１１】ここで、この発明の多管式水管ボイラで
は、伝熱管群の上流側の伝熱管の外径を大きく、下流側
の伝熱管の外径を小さくするが、２種類の外径の伝熱管
を配置するものに限るものではなく、３種類以上の外径
の伝熱管を、伝熱管郡において燃焼反応中ガスの流通方
向の上流側ほどその外径が大きく下流側ほどその外径が
小さくなるように配置したものを含む。また、伝熱管群
には、燃焼ガスの流通方向の上流側には外径の大きな伝
熱管のみを、下流側には外径の小さな伝熱管のみを配置
する構成に限るものではない。すなわち、燃焼反応中ガ
スの流通方向のある領域における伝熱管すべての外径
を、その領域より上流側の領域の伝熱管の外径よりも小
さくする必要はなく、たとえば一部の伝熱管については
上流側のものと同じ外径とすることもできる。また、こ
の発明の多管式水管ボイラでは、伝熱管群における各伝
熱管の配置は、千鳥状とすることも碁盤目状とすること
もでき、さらには適宜組み合わせることもできる。

【００１２】

【実施例】以下、この発明に係る多管式水管ボイラの第
一実施例について、図１および図２を参照しながら説明
する。図１は、この発明の第一実施例の横断面の説明
図、図２は、図１の縦断側面の説明図である。

【００１３】図１および図２において、多管式水管ボイ
ラの缶体１は、所定の距離を離して配置した上部管寄せ
２と下部管寄せ３とを有している。この上部管寄せ２と
下部管寄せ３との間には一対の伝熱管壁４，４を配置し
てある。前記各伝熱管壁４は互いに平行に対面させて配
置される。前記各伝熱管壁４は、複数の壁構成伝熱管
５，５，…、６，６，…を縦列配置し、隣り合う各壁構
成伝熱管５，６間の隙間を適宜の閉鎖部材７で閉鎖した
ものである。そして、前記各壁構成伝熱管５，６の両端
は、それぞれ前記上部管寄せ２および下部管寄せ３に接
続してある。そして、前記上部管寄せ２，前記下部管寄
せ３および前記各伝熱管壁４によってほぼ矩形の缶体１
の外郭が構成される。そして、前記缶体１の一方の開口
部には燃焼装置８が配置され、他方の開口部には排ガス
出口９が形成される。

【００１４】前記燃焼装置８は、この第一実施例におい
ては予混合式バーナとしてある。前記燃焼装置８は、ほ
ぼ矩形平板形状の保炎体１０を備えている。この保炎体
１０は、多孔質で少なくとも耐熱性を有する素材を板状
に形成し、そのほぼ全面に予混合気の噴出孔（図示省
略）を形成したものを利用することができる。前記燃焼
装置８には、予混合気の供給流路１１を接続してある。

【００１５】前記上部管寄せ２と前記下部管寄せ３との
間であって、前記一対の伝熱管壁４，４で挟まれる空間
内には、多数の伝熱管１２，１２，…、１３，１３，…
を配置して伝熱管群１４を構成してある。前記各伝熱管
１２，１３は、裸管であって、それぞれの上端および下
端を前記上部管寄せ２および前記下部管寄せ３に接続し
てある。以下では、この伝熱管群１４のうち、前記燃焼
装置８側のものを第一伝熱管群１５、前記排ガス出口側
９のものを第二伝熱管群１６という。

【００１６】前記第一伝熱管群１５を構成する伝熱管
（以下、「第一伝熱管」という）１２，１２，…は、す
べて同じ形状，寸法としてあり、これらを千鳥状に配列
してある。また、前記第二伝熱管群１６を構成する伝熱
管（以下、「第二伝熱管」という）１３，１３，…も同
様にすべて同じ形状で寸法も同じとしてあり、これらを
千鳥状に配列してある。そして、前記各第二伝熱管１３
は、前記第一伝熱管１２よりも外径の小さな伝熱管とし
ている。また、前記各壁構成伝熱管５，６のうち、前記
燃焼装置８側のもの（以下、「第一壁構成伝熱管」とい
う）５は、前記第一伝熱管１２と同じ寸法，形状とし、
前記排ガス出口９側のもの（以下、「第二壁構成伝熱
管」という）６は、前記第二伝熱管１３と同じ寸法，形
状としてある。

【００１７】前記各第一伝熱管１２は、その隣り合うも
の同士の各隙間を、前記各第一伝熱管１２の外径とほぼ
同等かそれ以下に設定してある。また、前記各第一伝熱
管１２のうち、前記保炎板１０に対面するものは、前記
各第一伝熱管１２の外径の３倍以内の距離に配置してあ
る。一方、前記各第二伝熱管１３は、その隣り合うもの
同士の各隙間を、前記各第二伝熱管１３の外径とほぼ同
等かそれ以下に設定してある。ここで、前記伝熱管群１
４は、燃焼反応中ガスの流通方向における単位流路長さ
当たりの前記各伝熱管１２，１３の本数を燃焼反応中ガ
スの流通方向の上流側を少なく下流側を多くしてある。
すなわち、前記第一伝熱管群１５および前記第二伝熱管
群１６の占める領域は、前記一対の伝熱管壁４間におい
てほぼ同等であり、前記第一伝熱管群１５には第一伝熱
管１２を９本配置し、前記第二伝熱管群１６には第二伝
熱管１３を２１本配置してある。そして、これらの各伝
熱管１２，１３の外径および本数の関係は、伝熱面密
度、すなわち単位流路長さ当たりの伝熱面積が、第一伝
熱管群１５で小さく第二伝熱管群１６で大きくなるよう
に設定されている。

【００１８】ここで、第一実施例において、隣り合う第
一伝熱管１２同士の中心間距離と隣り合う第二伝熱管１
３同士の中心間距離とを比較すると、同じ方向に隣り合
うものの中心間距離は、第二伝熱管１３同士のほうが短
くなっている。これは、前記各第二伝熱管１３の外径を
前記各第一伝熱管１２の外径よりも小さく設定したこと
および単位流路長当たりの本数を多く設定したことに基
づくものである。

【００１９】以上の構成において、前記供給流路１０か
ら予混合気を供給すると、この予混合気は、前記燃焼装
置８を介して前記保炎体１０のほぼ全面から前記各第一
伝熱管１２に向けて噴出する。そして、この予混合気に
適宜の着火手段（図示省略）によって着火する。燃焼を
開始した予混合気は、燃焼反応中ガスとして第一伝熱管
群１５の各第一伝熱管１２間の隙間および各第一壁構成
伝熱管５と前記各第一伝熱管１２間の隙間を流通する。
ここで、燃焼反応領域は、保炎体１０からの予混合気の
噴出速度，燃焼の燃焼速度，各伝熱管５，６，１２，１
３の外径や配置によってその形成範囲が相違するが、以
下の説明では燃焼反応領域は第一伝熱管群１５を覆う範
囲とする。また、燃焼反応中ガスの存在領域も前述の燃
焼反応領域と同様に前述の条件によって相違するが、以
下の説明では第二伝熱管群１６の中程まで存在するもの
とする。ここで、第二伝熱管群１６の下流側では燃焼反
応がほとんど終了した燃焼反応終了ガスが存在し、この
燃焼反応終了ガスは、前記排ガス出口９から排ガスとし
て排出されるものとする。

【００２０】この燃焼反応中ガスの流通の過程において
は、燃焼反応中ガスと各伝熱管５，１２との伝熱が行わ
れ、そして燃焼反応中ガスは、これら各伝熱管５，１２
との伝熱によって徐々に温度が低下し、体積も減少す
る。第一伝熱管群１５を通過した燃焼反応中ガスは、続
いて第二伝熱管群１６に流入する。この第二伝熱管群１
６においては、各第二伝熱管群１６は、第一伝熱管１２
よりも小径の第二伝熱管１３で構成されているため、熱
回収量が増加する。これは、前述のように伝熱管の外径
が小さいほうが、表面積（受熱面積）当たりの内容積が
小さく、熱負荷が高くなるからである。

【００２１】また、この第二伝熱管群１６における伝熱
面密度は、第一伝熱管群１５における伝熱面密度よりも
大きく、また各第二伝熱管１３の熱負荷を高めてあるた
め、温度が低下し、体積の減少した燃焼反応中ガスが流
入しても、効率よく熱回収でき、熱回収量が増加する。

【００２２】以上の燃焼反応中ガスの流通過程におい
て、各伝熱管群１５，１６を通過する燃焼反応中ガス
は、各第一伝熱管１２および各第二伝熱管１３との伝熱
により冷却され、燃焼温度が低下するため、サーマルＮ
Ｏx の発生を防止できる。

【００２３】また、この第一実施例においては、前記各
第一伝熱管１２および前記各第二伝熱管１３を、各伝熱
管群１５，１６において隣り合うもの同士の隙間を各伝
熱管の外径以下に設定している。この設定によると、前
記各第一伝熱管１２および前記各第二伝熱管１３間の隙
間を流れる燃焼反応中ガスの流速を高めることができ
る。そして、燃焼反応中ガスの流速を高く維持すること
により、前記各第一伝熱管１２に渦流を発生させ、前述
の保炎性の向上を図り、また燃焼性の改善を図ることが
できる。

【００２４】以上の説明において、前記各伝熱管群１
５，１６を構成する各伝熱管１２，１３は、各伝熱管群
１５，１６内においてすべて同じ寸法，形状としている
が、前記各伝熱管１２，１３は、前記各伝熱管群１５，
１６内において適宜に寸法，形状を異ならせることもで
きる。この場合の第二実施例について図３および図４を
参照しながら説明する。以下の第二実施例の説明では、
前記第一実施例に対応する構成部材には同一参照番号を
附してその詳細説明を省略する。

【００２５】ここで、第二実施例は、第二伝熱管群１６
を構成する第二伝熱管１３の外径，寸法を異ならせたも
のである。この第二実施例において、第一伝熱管群１５
は、前記第一実施例の第一伝熱管群１５と同様の構成と
してある。そして、第二実施例の第二伝熱管群１６は、
前記第一実施例における第二伝熱管１３と同じ寸法，形
状の第二伝熱管１３と、前記第一実施例における第一伝
熱管１２と同じ寸法，形状の第二伝熱管１３’とで構成
してある。前記第二伝熱管１３’は、伝熱管壁４間のほ
ぼ中央部に縦列に２本配置してあり、この第二伝熱管１
３’の周囲を取り囲むように、また前記伝熱管壁４間に
おいて前記各第二伝熱管１３，１３’がほぼ千鳥状配列
となるように配置されている。さらに、前記伝熱管壁４
を構成する第二壁構成伝熱管６も前記第一実施例の第一
壁構成伝熱管５と同様の寸法，形状としてある。

【００２６】この第二実施例においては、第一伝熱管群
１５の伝熱管本数は、前記第一実施例同様に９本であ
り、前記第二伝熱管群１６の伝熱管本数は、小径の第二
伝熱管１３が１６本、大径の第二伝熱管１３’が２本の
合計１８本である。また、伝熱面密度についても、前記
第二伝熱管群１６が前記第一伝熱管群１５よりも大きく
なっている。したがって、以上の構成の第二実施例にお
いても、前記第一実施例同様に、伝熱管群１４における
熱負荷を均一化するとともに、燃焼反応中ガスの伝熱に
基づく温度低下による熱回収量の低下を防止できる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る多
管式水管ボイラによれば、伝熱管群の上流側の伝熱管の
外径を大きくし、下流側の伝熱管の外径を小さくしたこ
とにより、上流側の各伝熱管においては熱負荷が低下す
るため、この上流側の伝熱管で生じがちな過熱や焼損等
の問題を回避することができ、下流側の各伝熱管におい
ては熱負荷が高まり、伝熱管群全体の各伝熱管の熱負荷
を均一化することができる。

【００２８】さらに、伝熱管群の上流側の伝熱管の外径
を大きくし、下流側の伝熱管の外径を小さくするととも
に、燃焼反応中ガスの流通方向における単位流路長さ当
たりの前記各伝熱管の本数を燃焼反応中ガスの流通方向
の上流側を少なく下流側を多くして、伝熱面密度を燃焼
反応中ガスの流通方向の上流側を小さく下流側を大きく
したことにより、燃焼反応中ガスの温度低下や流速の低
下によらず、伝熱管群の下流側における熱回収量を増加
できる。したがって、伝熱管群における熱回収量が均一
化し、伝熱管群の全体において熱回収量を多くできるた
め、ボイラ全体として熱効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第一実施例の横断面の説明図であ
る。

【図２】図１の縦断側面の説明図である。

【図３】この発明の第二実施例の横断面の説明図であ
る。

【図４】図３の縦断側面の説明図である。

【符号の説明】

１ 缶体 ２ 上部管寄せ ３ 下部管寄せ ８ 燃焼装置 ９ 排ガス出口 １２ 第一伝熱管 １３ 第二伝熱管 １３’ 第二伝熱管 １４ 伝熱管群 １５ 第一伝熱管群 １６ 第二伝熱管群

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の伝熱管１２，１２，…、１３，１
   ３，…によって伝熱管群１４を構成し、この伝熱管群１
   ４に対して交差方向に燃焼反応中ガスを流通させる形式
   の多管式水管ボイラにおいて、前記伝熱管群１４の上流
   側の伝熱管１２，１２，…の外径を大きくし、下流側の
   伝熱管１３，１３，…の外径を小さくしたことを特徴と
   する多管式水管ボイラ。
2. 【請求項２】 複数の伝熱管１２，１２，…、１３，１
   ３，…によって伝熱管群１４を構成し、この伝熱管群１
   ４に対して交差方向に燃焼反応中ガスを流通させる形式
   の多管式水管ボイラにおいて、前記伝熱管群１４の上流
   側の伝熱管１２，１２，…の外径を大きくし、下流側の
   伝熱管１３，１３，…の外径を小さくするとともに、燃
   焼反応中ガスの流通方向における単位流路長さ当たりの
   前記各伝熱管１２，１３の本数を燃焼反応中ガスの流通
   方向の上流側を少なく下流側を多くして、伝熱面密度を
   燃焼反応中ガスの流通方向の上流側を小さく下流側を大
   きくしたことを特徴とする多管式水管ボイラ。