JPS5886302A - 給水加熱器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、火力、原子力発電プラントの汽力原動機用給
水加熱器に係り、特に胴体内の不凝縮ガスを効率よく捕
集・排出し得る給水加熱器に関するものである。

火力、原子力発電プラントにおいて、ボイラ又は原子炉
に供給される給水はヒドラジンその他の薬品によってＰ
Ｈ値を調整される。この給水が蒸気となって蒸気タービ
ンを駆動し、その一部は給水加熱蒸気として蒸気タービ
ンから抽気されて給水加熱器に導入される。

給水加熱器に導入された蒸気は加熱管内を流れる給水と
熱交換してドレンとなるが、このとき蒸気の一部は不凝
縮ガスとして給水加熱器の胴体内に残留して熱交換作用
を妨げる。このため、上記の残留不凝縮ガスを効率良く
捕集・排出することができるか否かが給水加熱器の性能
に大きい影響を及ぼす。

従来の給水加熱器における不凝縮ガスの排出に関する技
術を第１図について次に述べる。

第１図は従来一般に用いられている給水加熱器の垂直縦
断面図である。

被加熱流体である給水は給水入口管台２から水室１内に
入り、Ｕ字形の加熱管５，５・・・よりなる管群を流通
して給水出口管台３から流出する。

４は上記の加熱管５，５０両端を貫通固着した管板、６
は管支持板、７は管支持板を補強しているタイロッドで
ある。。

一方、加熱流体である蒸気は蒸気入口管台１０から加熱
器胴体９内に流入し、これとともに加熱流体である高圧
側加熱器の高温ドレンはドレン入口管台１１から加熱器
胴体９内に流入する。

前記の管支持板６，６．６・・・は胴体９の長手方向と
垂直に、交互に上下に千鳥形に配列されているので、蒸
気入口管台ｌＯから導入された加熱用蒸気は矢印１６の
ように上下に蛇行流動し、給水との熱交換器によりドレ
ン１２となって胴体内の底部に溜まり、ドレンクーラゾ
ーン１３を経てドレン出口１４から排出される。ドレン
入口管台１１から導入された高温ドレンは気水混合体で
あって、矢印１５．１６のどとく管支持板６．６に案内
されて蛇行し、給水と熱交換した後ドレン出口１４から
排出される。上記の加熱流体中に随伴して胴体９内に流
入した不凝縮ガスは加熱体の流れ１５．１６に伴って胴
体９内を流動ｉ−１不凝縮ガス排出口８，８から給水加
熱器外に排出される。

以上説明したような従来形の給水加熱器においては、蒸
気入口管台１０から流入した加熱蒸気およびドレン入口
管台１１から流入した高温の気水混合ドレンは管支持板
６，６にｇ導されて蛇行流動するため、その流速はかな
り速いものとなる。

このように高温の流体が高速で流動すると鉄鋼材料製の
構造物に摩食が発生し易いことは周知である。特に、加
熱流体のＰ　Ｉ（値が低いときは化学的腐食と機械的侵
食とが併行して進み、胴板及び内部構造物の減肉現象が
発生する。その」−１前述した従来形の給水加熱器では
不凝縮ガスの捕集・排出を効率よく行うことが困難であ
るだめ、不凝縮ガスの影響によって熱交換性能が阻害さ
れるという不具合もある。

本発明は上記の事情に鑑みて為され、低Ｐ　）Ｉ値の加
熱用流体が流入しても著しい腐食・侵食を発生する虞れ
が無く、その上不凝縮ガスを効率よく加熱器外に排出し
て熱交換性能を向上せしめ得る給水加熱器を提供するこ
とを目的とする。

上記の目的を達成するだめ、本発明は、数次にわたる研
究改良を繰返し、加熱器胴体内の管巣の上方に加熱流体
が胴体の長手方向に流動し得る流路を設けて前述の蛇行
流動による弊害を解消し、更に管束の中央部に胴体の長
手方向の不凝縮ガス排出母管を設けて不凝縮ガスの排出
を促進し、更に不凝縮ガスを上記の排出管に誘導するバ
ッフルを設け、かつ、上記不凝縮ガス排出母管に吸込オ
リフィスを設けて不凝縮ガスの排出を効率よく行い得る
ようにし、更に上記の吸込オリフィスの効果を最大限に
発揮せしめるだめ、吸込オリフィスは熱交換量比を異に
する各管束セクション毎に当該管束セクションの熱交換
量および不凝縮ガス排出母管内の圧力損失に見合ったも
のとして完成したものである。

次に、第２図乃至第１４図を参照しつつ本発明の一実施
例をその研究改良の経過順に説明する。

第２図は本発明の一実施例に係る給水加熱器の垂直縦断
面図、第３図は上図の＋ｎ　−＋ｎ面による垂直横断面
図、第４図は同じ＜　ＩＶ−ＩＶ面による垂直横断面図
である。

管支持板２１．．２１はその上端が胴体９の天井面に達
しないように上部を切り欠き、蒸気入口管台１０又はド
レン入口管台１１から流入した加熱流体が胴体９の長手
方向に流動できる自由流動部分２２を形成する。

これにより胴体９内に流入した加熱流体は自由流動部分
２２内で膨張し、流体流線２９．２９の如く、管支持板
２１．２１で区切られた各管巣セクション３０．３０・
・・に直行流入する。このため流速が著しく低下し、胴
板及び内部構造物の腐食・侵食を誘発する虞れが無い。

しかし、上述の構成により各管束セクション３０．３０
・・・がそれぞれ独立し、加熱流体の全体的流れに対し
て並列に接続された流路が形成される。このため、各管
巣セクションに不凝縮ガスが停滞し易くなり、従来装置
（第１図）のように胴体の端部に不凝縮ガス排出口８を
穿っただけでは不凝縮ガスの排出不完全となり、熱交管
効率が低下する。

そこで本実施例は胴体９の軸心に沿って不凝縮ガス排出
母管２３を設置する。ドレンクーラゾーン１３の上方に
は不凝縮ガス排出母管２０を設置し、スリーブ１７によ
って前記の不凝縮ガス排出母管２３と接続する。

第５図は上記の不凝縮ガス排出母管２３を設けて流体の
流動状態を観察した実験結果を示す。

３１、−３１は蒸気入口管台１０又はドレン入口管台１
１から流入した加熱流体の流線である。本図に示すよう
に、不凝縮ガス排出母管２３を胴体９の軸心に沿って設
置しただけでは不凝縮ガス排出母管２３付近の加熱体の
流線３１は下降流が優勢で上昇流が劣勢であるため、不
凝縮ガス排出母管２３よりも下方に不凝縮ガス停滞部３
２が発生し、この部分における熱交換が阻害される。

そこで本実施例は不凝縮ガス排出母管２３に不凝縮ガス
を誘導するように集合バッフル２７を設ける。

第６図は上記の集合バッフル２７を設けて不凝縮ガスの
誘導・排出状態を観察しだ実験結果を示す。

実験の結果、第６図のような集合バッフル２７を各管巣
セクションに設けても、すべての管束セクションで同様
の効果が得られないととが判明した。そして、この集合
バッフル２７は各管巣セクション毎に当該管巣セクショ
ンの交換熱量比に応じて有効な形状寸法としなければ所
期の目的が達成されないことが判明した。

次に、上記の交換熱量比について第７図を参照しつつ説
明する。

第７図は管式熱交換器における温度関係を示した図表で
、横軸は加熱管５の長さ方向の位置、縦軸は温度を表わ
す。各記号は下記を意味する。

Ｔ：胴側蒸気飽和温度（１？） ｔｌ　：給水入口温度（］ ｔ２　：給水出口温度（Ｃ） Δｔ１　：給水入口側における胴側、給水側、温度差　
　　（Ｃ） Δｔ２　：給水出口側における胴側、給水側、温度差　
　　（Ｃ） 給水加熱器胴体蒸気側温度Ｔは胴側圧力の飽和温度であ
り給水側は給水入口温度ｔ、にて流入し、１セクシヨン
にてＢ布温度上昇する。給水は順次温度上昇を続けた給
水出口前セクションにて、ｔ２′　となり、最終温度ｔ
２にて流出する。

各管束セクション３４〜４５における加熱面積Ｓが一定
であり、又熱貫流率Ｋが全セクションにて一定であると
仮定した場合（熱貫流率はほぼ一定と見て良い）、■セ
クションにおける交換熱量Ｑは下式にて表示される。

Ｑ＝ＫＳΔｔ Δｔ：各セク７ヨンにおける胴側、給水側の温度差　（
ｒ） Ｑ　：　（Ｋ　ｃ　ａ　Ｉ　／　ｈ　ｒ　）Ｋ　：　（
ＫＣａ　Ｉ　７ｍ２・ｈ　ｒ、　Ｃ）Ｓ：（ｍ２　） Δｔ　：　（Ｃ） （９） 上式より、給水入口側セクション３４の交換熱量はＱ＝
ＫＳＩ４ｆｔ、　、給水出口側セクション４５の交換熱
量はＱ＝ＫＳΔｔ２であり、これらはＫ。

Ｓが一定値の為Δｔに支配され、図より明らかなごとく
、大きな差がある。ところが給水加熱器の構造上セクシ
ョン３４とセクション４５は胴体断面において、下部管
束と上部管巣の関係となるので、上下管巣には交換熱量
差が存在することになる。本交換熱量差による上下熱量
比は給水加熱器管板側において最大となり、原子カプラ
ントにおいて最大１：５程度、火力プラントにおいては
最大１：２０程度となる。なお上下交換熱量比は管板４
より加熱管５のＵベント側に行くに従い比率が下がり、
Ｕベント部分においてほぼ１：１となる。

このような上下管巣の熱交換量比は、上方からの下降蒸
気流と下方からの上昇蒸気流との勢いのバランスによっ
て定寸り、たとえば上下管巣の熱交換量比が約１：１．
５の管束セクションにおいて不凝縮ガス集合バッフルの
４寸法を比較的長くと（１０） ると、第８図に示すように下方からの上昇気流が優勢に
なってバッフルの下流側に不凝縮ガスの停滞部３２′を
生じる。

上記の不凝縮ガス停滞部３２′の発生を防止するために
は、第９図のように不凝縮ガス集合バッフル２７の長さ
を熱交換量比に見合って短かくする。これにより、不凝
縮ガスが管束の各セクションにおいて管巣の中央部、即
ち不凝縮ガス排出母管の設置部に集合するから、不凝縮
ガスを管束の全セクションにおいて不凝縮ガス排出母管
で連続的に吸い出して排出することができる。

第９図において、胴体９と加熱管５の管束との間を流れ
る蒸気流３１の流速を下げて胴体内面や加熱管の腐食、
侵食を防止するためには、胴体９の内面と加熱管５の管
束外周との距離を１００ｍｍ乃至２５０ｍｍとすること
が適当である。これよりも狭いと流速が充分に低くなら
ないし、これよりも広いと胴体の内径をか大きくなり重
量が増加するので不経済である。

以上のようにして不凝縮ガスを不凝縮ガス排出（１１） 母管によって排出する場合、各管巣セクション３０．３
０・・・ごとに、流入する蒸気量と不凝縮ガスとして排
出する量との比（以下、これをベントレイトと言う）を
適正にすることが重要で、この値は０．０５〜３％とす
ることが望ましい。ベントレイトが００５％未満である
と不凝縮ガスの排出が不足で熱交換率が低下するし、３
％を越えると加熱用蒸気の一部を無駄に捨ててしまうこ
とになるからである。

本発明においては、前述のごとく加熱器胴体内の管巣上
方に加熱流体が胴体の長手方向に流動し得る流路を設け
ると共に、上記管巣の中央部に胴体の長手方向の不凝縮
ガス排出母管、及び不凝縮ガスを上記の排出母管に誘導
する不凝縮ガス集合バッフルを設け、更に、上記の不凝
縮ガス排出母管による不凝縮ガス排出のベントレイトを
適正ならしめるだめ不凝縮ガス排出母管の吸込み口に不
凝縮ガスのオリフィスを設け、上記の不凝縮ガス吸込オ
リフィスは熱交換量比を異にする各管巣セクション毎に
当該管束セクションの熱交換量およ２（１２） び不凝縮ガス排出母管内に発生する圧力損失に見合った
ものとすることを特徴とする。

次に、本発明の一実施例における吸込オリフィスの設定
を第１１図について説明する。本図は先に説明した第２
図の給水加熱器のＸ１ｌ−刈断面である。９は胴体、１
３はドレンクーラゾーン、５７はドレンクーラゾーン上
部の管支持板、２１はドレンクーラゾーン上部以外に設
けた管支持板である。

２０はドレンクーラゾーン１３の上部に設けた不凝縮ガ
ス排出母管、２３はドレンクーラゾーンの上部以外に設
けた不凝縮ガス排出母管、２７は前記の不凝縮ガス集合
バッフルである。上記不凝縮ガス排出母管の刈ト■断面
を第１２図に、ｘｙ　−ｘｉｖ断面を第１３図にｘｖ−
ｘｖ断面を第１４図にそれぞれ示す。これらの各断面図
に示すごとく不凝縮ガス排出母管２３．同２０に吸込オ
リフィス２４を穿つ。

そして、第１１図に示すように図示左端の吸込オリフィ
スを１番目の吸込オリフィス５１と名付（１３） け、順次に右方へ２番目の吸込オリフィス５２゜３番目
の吸込オリフィス５３と名付ける。５４はｎ番目の番目
の吸込オリフィスを示している。

ｎ番目のオリフィスの孔径（単位ｍ）をｌ）　ｎとする
。上記のｎ番目のオリフィスの孔径ｌ）ｎは各セクショ
ンに於ける交換熱量比や不凝縮ガス排出母管２０，２３
の内部流速による圧力損失との関係によって決定され下
記式によって表示される。

ただし、αは前記のベントレイトである。このベントレ
イトαを所望の値とするには、上記の式に欠配の各数値
を代入して］）ｎを決定すればよい。

Ｑｎ：ｎ番目の管巣セクションに於ける流入蒸気量　（
ＫｇＩ／５ｅｃ） Ｎｎ：ｎ番目までの不凝縮ガス吸込オリフィス穴径　（
ケ） タ　：重力加速度　（ｍ／５ｅｃ２） Δｐｎ：ｎ番目までの不凝縮ガス排出母管内、外圧力差
　（Ｋｆ／ｍ２　） （１４） γ：蒸気の比重量（Ｋｇ／ｍ３） 上部の式は、各管束セクション３０．３０における交換
熱量比がそれぞれ異なるため流入蒸気の流量Ｑ、　ｎが
それぞれ異なることを考慮し、かつ、各不凝縮ガス吸込
オリフィスで吸込捷れた不凝縮ガスがｎ番目の不凝縮ガ
ス吸込オリフィス５４の位置まで流れる間に圧力損失が
起こり、不凝縮ガス排出母管の内、外面にΔｐｎの圧力
差を発生させる為、この圧力差を考慮して、各管束セク
ションの吸込オリフィス孔径を所望のベントレイトαに
基づいて算出するために導いた計算式である。

本実施例は上述のごとくにして不凝縮ガス排出母管の吸
込オリフィス孔径を熱交換量を異にする各管束セクショ
ン毎に当該管束セクションの熱交換量および不凝縮ガス
排出母管内に発生する圧力損失に見合ったものとして、
各管巣セクションのベントレイトを最適範囲（０，０５
％〜３％）に設定することにより、不凝縮ガスを効果的
に排出して給水加熱器の熱交換効率を向上せしうること
ができる。

（１５） 上記のベントレイトαの最適値については、当該給水加
熱器の使用条件によってそれぞれ差がある。

原子力発電プラントに於ては、ベントレイトは０．０５
％程度が適正値である、火力発電プラントに於て加熱管
５にアルミニウムプラス管を採用した場合は、不凝縮ガ
ス中に多量に含１れる高濃度のアンモニア分によりアン
モニアタックという腐食現象が発生するが、このアンモ
ニアタックを防止する為、（各管巣セクション３０によ
ってベントレイトに多少の違いはあるが）、適正ベント
レイトが３％となることもある。

以上のようにしてベントレイトαを適正に設定して胴体
内部の不凝縮ガスを効果的に排出することは給水加熱器
の性能を向上させ、更にプラント全体の安全性を高める
ために貢献するところが大である。　　　　　□ 第１２図は第１１図に示しだ不凝縮ガス排出母管２３の
■Ｔ−ＸＩＩＩ断面である。この部はＵ字形加熱管のＩ
Ｊ字底部付近で、交換熱量比が１＝１に近い（１６） 部分であるから不凝縮ガス集合バッフルを必要とせず、
不凝縮ガス吸込オリフィス２４は水平方向に穿っである
。そして吸込オリフィス２４からドレン１２を吸い込壕
ないようにひさし状のドレン吸込防止板５６を不凝縮ガ
ス排出母管２３に固着する。

■Ｉ断面を示す１３図においては前述の不凝縮ガス集合
バッフル２７を設けてあって、吸込オリフィス２４は上
記の集合バッフル２７に覆われた個所に穿っである。こ
のため、との管巣セクションにおいては別設のドレン吸
込防止板を設けなくても吸込オリフィス２４からドレン
１２を吸い込む虞れが無い。

第１４図は不凝縮ガス排出母管２０のＸｌｆ　−Ｘｌｌ
断面である。この部分はドレンクーラゾーン１３の上部
であり、熱交換量比が最大のところである。

吸込オリフィス２４を不凝縮ガス排出母管２０の上面に
穿っであるのでドレン１２の吸込を防止するため平屋根
状のドレン吸込防止板５６′を設ける。

（１７） 以上のように各管巣セクションにおける流体の状況に応
じてドレン吸込防止板５６．５６’を設けると不凝縮ガ
ス吸込みオリフィスから不凝縮ガス排出母管内にドレン
を吸い込む虞れがなく、不凝縮ガス排出機能を充分に発
揮せしめることができる。

以上説明したように、本発明は、加熱器胴体内の管巣上
方に加熱流体が胴体の長手方向に流動し得る流路を設け
ると共に、上記管束の中央部に胴体の長手方向の不凝縮
ガス排出母管、及び不凝縮ガスを上記の排出母管に誘導
する不凝縮ガス集合バッフルを設け、かつ、上記の不凝
縮ガス排出母管に不凝縮ガス吸込オリフィスを設け、上
記の不凝縮ガス吸込オリフィスは熱交換量比を異にする
各管束セクション毎に当該管束セクションの熱交換量お
よび不凝縮ガス排出母管内に発生する圧力損失に見合っ
たものにすることをより、各管巣セクション毎に適正な
ベントレイトで不凝縮ガスを捕年・排出し、蒸気を無駄
に捨てることなく而も不凝縮ガスを効果的に排出して給
水加熱器の熱交（１８） 換効率を上昇させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来一般に用いられでいる給水加熱器の垂直縦
断面図、第２図は本発明の一実施例における給水加熱器
の垂直縦断面図、第３図は上記給水加熱器のＩＩＩ　−
ｉｎ断面図、第４図は同ＩＶ　−ＩＶ断面図、第５図は
給水加熱器に不凝縮ガス排出母管を単独で設置した賜金
の流体流れ図、第６図は上記不凝縮ガス排出母管に集合
バッフルを付設した場合の流体流れ図、第７図は給水加
熱器内の温度分布を示す図表、第８図は給水加熱器にお
ける集合バッフルの長さが不適正な場合の流れ図、第９
図は同じく適正な場合の流れ図、第１０図はドレンクー
ラゾーン上部の不凝縮ガス排出母管を示すだめの給水加
熱器の横断面図、第１１図は第２図に示しだ本発明に係
る給水加熱器の水平断面図、第１２図は上記給水加熱器
の不凝縮ガス排出母管の刈ト■断面図、第１３図は同混
″−Ｗ断面図、第１４図はｘｖ−ｘｖ断面図である。 １・・・水室、２・・・給水入口管台、３・・給水出口
管台、（１９） ４・・・管板、５・・・加熱器、９・・・胴体、１０−
・・蒸気入口管台、１１・・・ドレン入口管台、１２・
・−ドレン、１３・・・ドレンクーラゾーン、１４・・
ドレン出口、２０．２３・・・不凝縮ガス排出母管、２
１．５７・・・管支持板、２４・・・不凝縮ガス吸込み
オリフィス、２５・・・不凝縮ガス誘導管、２７・・・
不凝縮管集合バッフル、２８・・・スリット、２９，３
１・・・流体の流線、３０・・・管束セク／ヨン、３２
・・・不凝縮ガス停滞部、５１，５２，５３．５４・・
・不凝縮ガス吸込オリフィス、５５・・不凝縮ガスの流
線、５６゜（２０） 第　５　図 羞　／　図 着　７　ｍ ｒ 不　８　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱器胴体内の管巣上方に、加熱流体が胴体の長
   手方向に流動し得る流路を設けると共に、上記管巣の中
   央部に胴体の長手方向の不凝縮ガス排出母管、及び不凝
   縮ガスを上記の排出母管に誘導する不凝縮ガス集合バッ
   フルを設け、かつ、上記の不凝縮ガス排出母管に不凝縮
   ガス吸込オリフィスを設け、上記の不凝縮ガス吸込オリ
   フィスは熱交換量比を異にする各管巣セクション毎に当
   該管束セクションの熱交換量および不凝縮ガス排出母管
   内に発生する圧力損失に見合ったものにすることを特徴
   とする給水加熱器。
2. （２）前記の不凝縮ガス吸込オリフィスは、ドレンの流
   入を防止するためのドレン吸込防止板を備えたものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の給水
   加熱器。