JP2699245B2 - モジユラー水管ボイラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、通常の加熱、暖房用等
の業務用、産業用及び空調用から発電用などのすべての
範囲で広く使われている水管ボイラにおいて、その燃焼
室を本発明者ら５名の発明になる特開平２−２７２２０
７号「水管式ボイラとその燃焼方法」による収熱水管内
挿型燃焼室とし、該収熱水管内挿型燃焼室とその後流の
接触管群を実質的に同一構造の水管群として構成された
水管ボイラとして、燃焼ガスの流れ方向の一本一本の水
管が一様のパネル状に構成されたものをそれぞれの基本
要素として、該水管列をパネル状に構成された基本単位
をヘッダを介して適当数纏めてこれを基本モジュールと
し、該基本モジュールの幅と奥行きを適宜組み合わせる
ことによって、本発明のボイラをその設置場所の面積や
高さに合わせた設計ができるようになしたものであり、
設計自由度の大きいモジュラー水管ボイラを提供するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来の水管ボイラは、バーナからの発出
火炎を炉壁水管などで囲む大きな燃焼空間からなる燃焼
室と、その後流の水管群からなる接触伝熱面とから構成
されているのを基本としていた。その場合、従来の燃焼
室は、例えば、特開平３−２６０５０１号の〔図５〕、
〔図６〕に見られるように、バーナによって規定される
発出火炎を取り囲むようにその周囲に輻射伝熱水管壁を
配設してなり、一般に一つの大きな空間部を構成してい
た。即ち、従来の燃焼室の場合バーナの発出火炎の寸法
（直径や長さ）はおおむねボイラの容量（つまり燃焼
量）に、ある函数関係で比例して大きくなり、なおかつ
従来のボイラではボイラ燃焼室の限界伝熱面熱負荷の関
係からその相似則によって該燃焼室の大きさを更に大き
くする必要があり、一般に従来のボイラ燃焼室の大きさ
は小容量のボイラから大容量のボイラまでその容量（即
ち蒸発量や燃焼量）にほぼ比例の一線上に乗る関係にあ
った。かくしてボイラ燃焼室の大きさ（容積）はボイラ
全体の大きさの４０〜７０％を占めるほどに大きく、そ
のため直径と長さ、或は幅と奥行きと長さで規定される
一つの大きな空間を必要としていたのである。これはバ
ーナからの発出燃焼火炎が冷却伝熱面に当たると、該伝
熱面が過熱により焼けたり、或は該燃焼火炎が冷却され
て未燃分が発生する恐れがあるという従来の考え方か
ら、該火炎は該伝熱面に当たらないようにする設計思想
に支配されていたからである。

【０００３】

【図５】

【０００４】

【図６】

【０００５】上記のような従来の設計思想を燃焼室の大
きさが相似則によって規定されるという意味で相似則概
念と定義すると、従来のボイラのすべてがこの相似則概
念に支配されており、そのためにボイラを更に小型、軽
量、高性能にしようとすると、そのための技術としては
高負荷燃焼技術の追及しかなかった。即ち、バーナから
の発出火炎を小さくして燃焼室を小さくし、或は平面火
炎バーナや表面燃焼バーナのごとく火炎長さを短くして
燃焼室を小さくすることによってボイラを小型化して改
善しようとしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術には次のような解決すべき課題があった。特に
その課題はボイラを大容量化するほど重要になってい
た。即ち、第１の課題は、何れにしてもボイラの容量が
大きくなるほどその燃焼室の必要空間は大きくなり、こ
れがボイラ容積の半分以上を占拠するほどに大きく、か
つその構成寸法（幅や長さなど）を、バーナからの発出
火炎の寸法に合わせる必要があるために変えることがで
きないという決定的に大きな制約となるため、これがボ
イラをその設置場所の寸法や面積に合わせて設計するこ
とがてきなくなるというボイラ設計の自由度を著しく損
なうことになっていたのである。例えば、燃焼室の縦横
の寸法を変えたり、或は極端には燃焼室を途中で折り曲
げたり、また該壁面の一部に凹凸をつけて柱や天井の梁
下に整合させたり、という自由度が従来の相似則概念に
は殆どなかった。

【０００７】第２の課題は、従来は燃焼室を水管モジュ
ールで構成しようとする場合、その燃焼室が大きな空間
を囲む形になるため、その四周の水管壁や天井乃至は底
面の壁を水管で構成した水管壁モジュールとすることし
か考えられず、特に大容量ボイラにおいて燃焼室の断面
を水管モジュールとする、即ち、その横断面や縦断面を
水管モジユールで構成するという考えは生まれてこなか
つた。もしその断面をモジュールにしようとしてもその
四囲に水管があるのみでその途中に水管がなく、モジュ
ールの形になり得なかったのである。

【０００８】第３の課題は、従来のボイラでは、例え
ば、前記特開平３−２６０５０１号の〔図５〕、〔図
６〕に見られるように、ある容量までは燃焼室とその後
流の接触伝熱面を構成する水管群をうまくモジュールに
構成できたとしても大容量ボイラになれば該モジュール
は該燃焼室とは別個のモジュールとせざるを得ず、本来
の製造工場でのモジュール化によるコストダウンが中途
半端に終わるばかりでなく、更にボイラを現地に設置す
るに当たって全体を分割可能な構造として搬入組立を容
易にするという趣旨においても中途半端に終わり、折角
モジュール構成としても結局は現地工事が多くなり、そ
のコストダウンが進まなかった。

【０００９】本発明は、従来の大きな空間の燃焼室を全
くなくして、燃焼火炎を水管群にぶっつけて該水管群中
で燃焼させ、燃焼と伝熱の促進によって水管の焼損を防
止するという従来の常識を破った方法によってボイラ全
体が空間のない水管群のみで構成されるようになして、
小型高性能の水管群のみで構成されるボイラを完成さ
せ、更に該ボイラの水管群を適宜分割可能なほぼ同一寸
法、同一形状にボイラ要素を分割してモジュラー型構造
とすることによつて、製造工場でのコストダウンを行う
とともに、現地への搬入や据え付け、組立を容易にし現
地工事を簡略化ならしめるモジュラー水管ボイラを提供
することを目的としたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、その第１は、ボイラ全体が水管群で構
成され、一群の該水管群の前部で燃料が燃焼し、その後
流部水管群が接触伝熱水管群となる水管ボイラにおい
て、燃焼ガスの流れの通路が所望の任意の個所で水平方
向及び／又は垂直方向に複数回折り曲げられて構成さ
れ、該通路の前後部において燃焼ガスの流れ方向の一本
一本の水管が纏まってパネル状に構成されて基本要素と
なり、該基本要素の適当数が一つのヘッダによって纏め
られて基本モジュールを形成して、ヘッダに纏められた
該基本モジュールが任意所望数上下のヘッダに単数又は
複数個水側及び蒸気側連絡管に取り付けられ、該基本要
素及び該基本モジュールの形状、構成を該水管群の燃焼
部とそれにつづく接触部とにかかわりなく基本モジュー
ルを幾個か集めて同様のモジュール構成となし、該基本
モジュールの単数又は複数が水管及び蒸気側連絡管によ
って取付けられるようになし、該基本要素及び該基本モ
ジュールの形状を該水管群の燃焼部とそれにつづく接触
部とにかかわりなく、基本モジュールを幾つか集めた構
成となして、該基本モジュールの単数又は複数が連絡管
のフランジ又は溶接によってドラムに連結されてなるこ
とを特徴とするモジュラー水管ボイラであり。その第２
は、ボイラ燃焼ガスの折れ曲がり部において、基本要素
の水管を一部削除して、ガスの通路を設けたことを特徴
とする上記第１記載のモジュラー水管ボイラであり。そ
の第３は、ボイラ燃焼ガスの折れ曲がり部において、基
本要素の水管を一部削除した熱ガス通路の外側隅部に整
流斜壁が設けられてなることを特徴とする上記第２記載
のモジュラー水管ボイラに関するものである。

【００１１】即ち、本発明は従来の大きな空間を要する
燃焼室を前記した特開平２−２７２２０７号発明のよう
に実質上空間のない収熱水管内挿型燃焼室とし、従来の
燃焼室の水管群が輻射伝熱を受ける平面水管壁からなる
のに反して、本発明では該水管群内で輻射と接触との重
畳した伝熱を受ける管巣燃焼水管群からなり、従って本
発明の燃焼室は著しく小さくなり、更に適当な燃焼ガス
温度まで熱吸収を行う水管のみで構成されるため、その
中における発出火炎の通路は必ずしも真直である必要は
なく折り曲げ部が存在していてもよい。即ち、その通路
設計をその後流の接触水管群と同様に折り曲げたり、更
には凹凸をつけたりすることが可能である。

【００１２】更に、従来の燃焼室ではそのモジュールが
四囲の水管壁としてしか考えられなかったのに対して、
本発明では水管群を有する燃焼室の燃焼ガスの流れ方向
にほぼ同一寸法とほぼ同一形状に構成された水管列を適
当数纏められて一つのパネル状に構成されて基本要素と
し、該基本要素を適当数が一つのヘッダによって纏めら
れて基本モジュールとすることにより、該燃焼室水管群
部とその後流の接触水管群とを同様のモジュール構成と
することができるようになり、該接触水管群とそれらが
集合する上下集合管とによってボイラ水管パネルとして
の要素が構成され、蒸気及び水ヘッダと水管群よりなる
基本要素の上下集合管とが１乃至複数本の水側及び蒸気
側連絡管によって接続するようになした単独又は複数の
上記基本モジュールによって構成されたモジュラー水管
ボイラである。

【００１３】その結果、前記した従来の燃焼室と接触水
管群のモジュールが同様な形状や構造にできないという
のに比べて、本発明では上記したようにその接触水管群
部を上記燃焼室水管群部と同様の構造にし、燃焼ガスの
流れ方向の一本一本の水管を一つのパネル状に構成して
基本要素とし、該基本要素の適当数が一つのヘッダによ
って纏められて基本モジュールを形成することにより、
その全体をほぼ同一の形状とすることができ、従って前
部を構成する管巣燃焼水管群部とそれにつながる接触水
管群部の途中の適当な部分で折れ曲がり部のあるガス側
通路を構成せしめることができ、結局ボイラを設置場所
の寸法や面積に合わせることができるという設計の自由
度において著しく優れ、更にボイラ全体のモジュール化
による製造工程におけるコストダウンとともに、現地へ
の搬入、据え付け、組立が一体的に、しかも著しく容易
にできるようならしめた、より有効にして分割可能なモ
ジュラー水管ボイラを提供するものである。

【００１４】更に大きな特徴として、第１にはこのよう
に燃焼ガス流れ方向の水管列が纏まって水管パネル状に
構成されて基本要素とし、かつこの基本要素の適当数が
一つのヘッダに纏められて基本モジュールとすることに
よって、上記の各水管パネルの流れ方向の水管の熱負荷
分布が同様になり、従って該水管パネル内の二相流流れ
分布も同様になるから、それらの設計を同一になし得ら
れ著しく設計が簡略化され、なおかつ安全に設計できる
ことになる。更に第２には、このような基本モジュール
構造とすることにより各基本要素又は基本モジュール又
はそれ以下の小さい基本モジュール単位毎の製作、取り
替え、修理、増設などが可能となり、将来の故障時、或
は負荷が変わる、などの対応が非常に容易になる利点が
ある。

【００１５】なお本発明のモジュラー水管ボイラの燃焼
ガス通路が折れ曲がる場合における折れ曲がり部におい
ては、該ガス通路の幅方向の管列数が少ない時は該曲が
り部の流れの偏流に対する配慮はそれほど必要でない
が、基本モジュールを構成する一つのヘッダに纏められ
る管列数が４列程度以上になると流れの幅方向の分布が
できるだけ一様になるように該折れ曲がり部において基
本要素の水管を一部削除するか、更には該隅部に整流の
ための耐火材などによる斜壁を設けると好適である。

【００１６】

【実施例】次に図面によって本発明を説明する。〔図
１〕〜〔図５〕は本発明のモジュラー水管ボイラの一実
施例、〔図６〕〜〔図８〕は他の実施例、〔図９〕、
〔図１０〕は燃焼ガスの流れ方向を示す模式図である。

【００１７】

【図１】

【００１８】

【図２】

【００１９】

【図３】

【００２０】

【図４】

【００２１】

【図７】

【００２２】

【図８】

【００２３】

【図９】

【００２４】

【図１０】

【００２５】〔図１〕は本発明のモジュラー水管ボイラ
の側面図で、（１ａ）は水管と該水管間を塞ぐフイン板
からなるメンブレン壁、（３ａ）が上部集合管、（３
ｂ）が下部集合管、（３ｃ）が蒸気ヘッダ、（３ｄ）が
水ヘッダ、（４ａ）が第一蒸気連絡管、（４ｂ）が第２
蒸気連絡管、（４ｃ）が降水管、（２０）が本発明の基
本モジュールを組み立てるフランジ又は溶接部、（５）
が蒸気ドラム、（６）はボイラケーシングを示す。

【００２６】〔図２〕は〔図１〕のＩＩ−ＩＩ矢視図
で、耐火材などからなる前壁（８）に取り付けられたバ
ーナ（７）からの発出火炎はすぐに前記の本発明による
管巣燃焼水管（２ａ）群中に入り伝熱の後、該燃焼ガス
は該管巣燃焼部を出て本発明の第一の特徴であるボイラ
後部の水管群が削除された燃焼ガスの折れ曲がり部（９
ａ）からその後部の第一接触管群（２ｂ）及び第二接触
管群（２ｃ）において更に伝熱の後、排ガス出口（１
０）から排出される。

【００２７】この場合に本発明では、第１通路の管巣燃
焼部（２ａ）においてもまた後の第２通路の第一接触管
群（２ｂ）及び第二接触管群（２ｃ）においても、燃焼
ガスの流れ方向の水管列を一つのパネル状に構成したも
のを前記したように基本要素として、該基本要素を幅方
向に適当数ヘッダにより纏められ、それぞれのヘッダに
纏められた数多くの水管群により基本モジュールを構成
するところに第二の特徴があり、かくすることにより該
燃焼室水管群をその後流の接触水管群と同様のモジュー
ル構成とすることができ、なお該水管パネル内の熱負荷
分布が同様になり、従って該水管パネル内の二相流流れ
分布も同様になり、設計が単純化され、かつ安全確実に
設計されるところに上記第１、第２の特徴に加えて更に
第３の大きな特徴がある。重要なことはそのような構成
とすることによって、前部を構成する管巣燃焼水管群部
とそれにつながる接触水管部の全燃焼ガス流れ方向の工
程において、その途中の適当な部分で折れ曲がり部を設
けてガス通路が折れ曲がるように構成することができ、
これによって本発明のボイラをその容量と設置場所の許
容寸法や面積に合わせて自由に設計することができると
いう、設計自由度の非常に大きいボイラが得られること
になつた。勿論ガス流れの幅方向の水管群パネルを同じ
構造と形状の基本モジュールとすることができる。従つ
て製造工程におけるコストダウンとともに、現地への搬
入、据え付けが便利なように適当な大きさの寸法のモジ
ュラー水管ボイラの設計とすることができ、組立工事も
非常に容易に安価にできることになる。

【００２８】なお燃焼ガスが管群部を出て折れ曲がる部
分、即ち〔図２〕（９ａ）の水管群を削除したガスの流
れの折れ曲がり部や後記の〔図７〕における（９ａ），
（９ｃ）のガスの折れ曲がり部は、〔図２〕のように前
半（第１通路の出口）は水管を省いて空間を設け、該空
間部を点検や掃除のメンテナンススペースとして使い、
その後半（第２通路の入り口）には水管群（２ｂ）を配
設して伝熱面とするのもよく、これらは設計上の自由度
の範囲内の問題としてよい。ただし前記したガスの折れ
曲がり部とその後流のガス流れの幅方向の分布の一様性
を保つには、本発明者らの研究の結果、該ガスの折れ曲
がり部には、〔図４〕や〔図７〕の（９ａ），（９
ａ），（９ｃ）のように水管群をすべて省くのがよく、
更に〔図５〕のように（９ａ）部の入り口側と出口側の
それぞれの外側隅部を（１２ａ），（１２ｂ）のように
耐火材などよりなる整流壁を設けるのがよいということ
が本発明者らの研究の結果判明した。更にまた、このよ
うに上記空間を設ける場合、上記ガスの折れ曲がり部の
空間に出入りできる開口をつけるのがよく、その例を
〔図６〕及び〔図７〕の（１３）に示した。〔図２〕の
（１１）は〔図４〕の（８）や〔図５〕の（１２ａ）な
どと同様の耐火材などによる出口煙室壁を示す。〔図
３〕は〔図１〕のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図で、（７）はバ
ーナである。

【００２９】〔図７〕は本発明の容量の更に大きい他の
一実施例で、〔図６〕のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視図である。
〔図８〕は〔図６〕のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視図で、な
お、バーナ（７）の取付形状が〔図８〕と〔図３〕とで
異なるが他には異なるところはない。

【００３０】〔図９〕は燃焼ガスの水平方向のみのジグ
ザグ流れの方向を示す模式図あり、〔図１０〕は燃焼ガ
スが最初水平方向から、ついで垂直方向に流れ、更に上
部の水平方向に排ガスとして放出される場合の同様にジ
グザグ流れの方向を示す模式図である。

【００３１】

【発明の効果】本発明の効果を纏めると下記の通りであ
る。 （イ）本発明は水管式ボイラにおいて、水管群内で燃料
を燃焼させることによつて従来のような大きな空間の燃
焼室を無くし水管群のみで燃焼室を構成し、従ってその
大きさは従来の水管ボイラに比べて著しくコンパクトに
なり、しかも高負荷燃焼でも水管が焼損することのない
安全なモジュラー水管ボイラが達成された。 （ロ）本発明の管巣燃焼水管群及びその後流の接触水管
群において、燃焼ガス流れ方向を適宜折れ曲がるように
構成し、かつ燃焼ガスの流れ方向の水管列を一つの水管
パネル状に構成したものを基本要素とし、該基本要素を
幅方向にそれぞれのヘッダによって適当数纏められて、
それぞれのヘッダに纏められた基本要素を構成する数多
くの水管群より構成されて基本モジュールとすることに
より、燃焼室水管群とその後流の接触水管群とを同様の
モジュール構成とし、かくすることによつて本発明は燃
焼ガスの通路は必ずしも真直に構成する必要はなく、他
の条件に合わせて必要に応じて該燃焼ガスの通路に凹凸
をつけたり、或は適当なところで折り曲げ部をつくるこ
とによって、ボイラとしての許容される設置スペースに
合わせて、自由に設計できるモジュラー水管ボイラを得
ることができるようになった。 （ハ）かくすることにより、各パネルの水管の熱負荷分
布が同様になり、従って該水管及び二相流の流れ分布も
同様になり、各水管によって構成される基本要素又は基
本モジュールの設計が単純にかつ安全に行われるように
なった。 （ニ）同様にこのように基本モジュールを構成すること
により、該ボイラの一部を取り替えるにも基本要素又は
基本モジュール毎に取り替えることができ、また修理に
おいても同様である。また本発明のボイラの容量を変更
する必要が生じても、容易に基本要素毎又は基本モジュ
ール毎に取り外し、或は増設できることが可能である。 （ホ）本発明の管巣燃焼水管群及び接触水管群におい
て、燃焼ガスの流れ方向の水管群からなる基本要素、更
に該水管群からなる基本要素をそれぞれヘッダにより適
当数纏めて基本モジュールとすることにより、製造工場
での製作、設置現場への搬入、据え付け、そして組立が
非常に容易になり、設置工期が短縮され、コスト低下が
容易になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のモジュラー水管ボイラの一実施例の側
面図。

【図２】〔図１〕のＩＩ−ＩＩ矢視図。

【図３】〔図１〕のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図。

【図４】〔図２〕の改良図。

【図５】更にその改良図。

【図６】本発明の他の一実施例の側面図。

【図７】〔図６〕のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図。

【図８】〔図６〕のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視図。

【図９】燃焼ガスの水平方向のみのジグザグ流れ方向を
示す図。

【図１０】水平方向と垂直方向とに流れる流れ方向を示
す図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ．水管メンブレン壁 １ｅ． 水平置隔壁 ２ａ，２ｂ，２ｃ．２ｄ．水管群 ３ａ，３ｂ． 上部及び下部集合管 ３ｃ，３ｄ． 蒸気及び水ヘッダ ４ａ，４ｂ． 蒸気連絡管 ４ｃ． 降水管 ５． 蒸気ドラム ６． ボイラケーシング ７． バーナ ８，１１． 耐火壁 ９ａ，９ｃ． 燃焼ガス折れ曲がり部 １０． 排ガス出口 １２ａ，１２ｂ． 整流壁 １３． マンホール ２０． モジュラー水管ボイラ組み立
て用フランジ又は溶接

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 唐 景良 大阪市北区大淀北１丁目９番36号 株式 会社 ヒラカワガイダム内 (72)発明者 木下 正成 大阪市北区大淀北１丁目９番36号 株式 会社 ヒラカワガイダム内 (72)発明者 上梨 厚見 大阪市北区大淀北１丁目９番36号 株式 会社 ヒラカワガイダム内 (72)発明者 石谷 清幹 兵庫県芦屋市岩園町８番７号 (56)参考文献 特開 平３−260501（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−23501（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−67402（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボイラ全体が水管群で構成され、一群の
   該水管群の前部で燃料が燃焼し、その後流部水管群が接
   触伝熱水管群となる水管ボイラにおいて、燃焼ガスの流
   れの通路が所望の任意の個所で水平方向及び／又は垂直
   方向に複数回折り曲げられて構成され、該通路の前後部
   において燃焼ガスの流れ方向の一本一本の水管が纏まっ
   てパネル状に構成されて基本要素となり、該基本要素の
   適当数が一つのヘッダによって纏められて基本モジュー
   ルを形成して、ヘッダに纏められた該基本モジュールが
   任意所望数上下のヘッダに単数又は複数個水側及び蒸気
   側連絡管に取り付けられ、該基本要素及び該基本モジュ
   ールの形状、構成を該水管群の燃焼部とそれにつづく接
   触部とにかかわりなく基本モジュールを幾個か集めて同
   様のモジュール構成となし、該基本モジュールの単数又
   は複数が水管及び蒸気側連絡管によって取付けられるよ
   うになし、該基本要素及び該基本モジュールの形状を該
   水管群の燃焼部とそれにつづく接触部とにかかわりな
   く、基本モジュールを幾つか集めた構成となして、該基
   本モジュールの単数又は複数が連絡管のフランジ又は溶
   接によってドラムに連結されてなることを特徴とするモ
   ジュラー水管ボイラ。
2. 【請求項２】 ボイラ燃焼ガスの折れ曲がり部におい
   て、基本要素の水管を一部削除して、ガスの通路を設け
   たことを特徴とする請求項１記載のモジュラー水管ボイ
   ラ。
3. 【請求項３】 ボイラ燃焼ガスの折れ曲がり部におい
   て、基本要素の水管を一部削除した熱ガス通路の外側隅
   部に整流斜壁が設けられてなることを特徴とする請求項
   ２記載のモジュラー水管ボイラ。