JPH02178502A - 水管群を有するボイラ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水管ボイラや炉筒水管ボイラ等の水管群を有す
るボイラにおいて、水管群の配列や水管群に対するガス
の流れ方向並びにガス流れ方向に直角な方向のピッチを
改良することによってボイラを高性能化して小型化とコ
ストダウンとを達成した水管群を有するボイラに関する
ものである。

〔従来の技術〕

従来、水管ボイラは燃焼室を構成する・炉壁水管や接触
伝熱面を構成する水管群によって全体が構成されている
。

即ち、燃焼室では大きな燃焼空間を収）囲むように水管
を配置し、次の接触伝熱面では非常に多数の水管が密に
配置されているっ そのため、ボイラ全体の大きさは燃焼型空間が大きな部
分を占めているものの、水管の伝熱面積、本数、並びに
重量、つまりボイラのコストの大部分は接触水管群によ
って占められている。

従来のボイラは上記のようでちるため、近時、ボイラ全
体の小型、高性能化及び軽量化、即ちボイラのコスト低
減のために水管群の高性能化が望まれていた。

ボイラのコスト低減のための従来の水管群の設計として
は、水管をできるだけコンパクトＶこ纒めるために、水
管をできるだけ詰めて配列するのがよいという考え方が
基礎にあった。−力水管群を詰めて収容するためには、
ヘッダやドラムの強度上の問題があり、そのために水管
をあまり密に集中できなかった。

従ってその妥協点として、従来の水管群における水管の
配列やピッチが決定されていた。その結果、水管群のガ
ス流れ方向のピッチをＬ（ｆｌｌ、水管の外径をＤ　（
、、）とすると、従来の水管ボイラのＬ／Ｄは大体１，
５程度の値がとられていた。かつ、この値が伝熱性能上
、良いのか又μ悪いのかの評価は、その合理的なよい評
価の手法がみつからない甘ま、殆んどなされることなく
、上記のＬ／Ｄ＝＝１，６程度の値が従来からの経験値
として慣用されていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者等はボイラの水管群の従来の配列やピッチに再
検肘を加え、ボイラの高性能化を達成するため、種々な
基礎的研究を行った。

その結果、零発すＪの基礎となる水管群の性能を評価す
る指標として下記３要件があることがわかった。

■　平均熱伝達率、α（Ｋｃａｌ　／ｒｎｘ、Ｈ，℃）
この値が高いと水管群の伝熱性能がよいということにな
シ、それに比例して伝熱面積が低減される。又伝熱面積
は水管の本数及び重量と関係しているから、結局αが筒
いと水管の本数及び重量が低減されることになる。

■α×ａ０値 ここにａｏは水管群の単位容積あたりに収容されている
伝熱面積（”７ｍ３）を示す。

これよりαＸａｏは水管群の単位谷積当シの伝熱性能を
示すことになるからこの値が論いことは水音群の占有容
積が低減できることになる。

この値はａｏがいくら高くてもαが小さければ、結局α
×ａ０の値は扁くならないことを示す。

■　圧損△Ｐ（ＩＩＩＩＩＡｑ） 上記のａｏを大きくすると△Ｐが大きくなる。

この△Ｐ、つまり水管群を通過するガス流動損失が大き
すぎるとファン動力が増大するので問題となる。

かつ、水管群の高性能化にはαが尚く、α×ａ０が篩く
、その上△Ｐが小さいほどよいということになる。

本発明者等の基礎的研究から第１図（Ａ）、　ＣＢ）、
（Ｃ１に示すようなごばん目配列の水管においては次の
ことが例かになった。

（１）第１図［Ｆ］）、（Ｑにおいて、水管群のガス流
れ方向のピッチＬをＬ＝Ｄから水管群を徐々に後方にず
らすことによってＬを大きくしていくと、最初は水管の
後部ではガスを巻き込まない、つまり索通りするデッド
スペース（Ｄｅａｄ　５ｐａｃｅ　）が存在し、伝熱性
能が悪い領域がある〔第１図ａ３）〕、そして更にＬを
大きくするとＬ／Ｄ＝１．８〜２．０程度のところでガ
スが水管後部へ廻υ込むようになり、〔第１図（Ｃ）　
’）急激に伝熱性能が向上することが観察された。

それ以後更にＬを後方にずらして行くと伝熱性！（ａ７
）は若干増加するが、水管のピッチが粗くなりすぎてα
×ａｏが逆に低下することになる。

これらの関係を図示すると第２図（４）、第２図（、Ｂ
）におけるとばん目配列の場合の■、（Ｘ’）ようにな
る。

即ち水管群の小型、軽量化を図るためには実用上Ｌ／Ｄ
の最適範囲はＬ／ｐ　＝　＋　、　ｓ〜２．５であるこ
とがわかった。

（１１）上記は任意のＨ／Ｄ　ＣＨＧｍ）は水管群のガ
ス流れに直角方向のピッチ〕についていえるがＨ／Ｄが
あまり小さくなシすぎるとカス流路が取れなくなって圧
損（△Ｐ）が増大し、そのためにファン容量が増大する
ことや部分的にガス流速が大きくなシすぎて、カスの偏
流が生起し、そのため結局、伝熱性能が低下することに
なる。

またＨ／Ｄが大きすぎると流速が小さくなシすき゛てα
やαＸａ０を高めることができないことになる。

１だ従来は水管群を高性能化するための配列として第１
図０に示す千鳥配列も考えられた。

本発明者等はこれについても研究を行った結果、第２図
囚、第２図ＣＢ）の（ト）、（Ｙ）の曲線に示すように
、Ｌ／／ＤＬｖｆ直が大きくなるにつれてα及びα×ａ
０の値がごばん目配列の場合よ少も著しく劣る結果が得
られた。

つまり（１’、（１’Ｘａ０の値は通常製τＦ可能なＬ
／Ｄ　＝１．２以上においては、千鳥配列は別記適正な
ごばん目配列よりも劣ることが用かになった。

上記に示した木発明者等の研究の結果、水管群を１する
ボイラの水管群の設計ではＬ／Ｄが基本的に重要なファ
クターであることが判明し、その最適値をとる限シ、千
鳥配列よシもとばん目配列の方が著しく有利であること
。

及び従来から経験的に採用されているＬ／Ｄ＝１．５程
度はごばん目配列であっても千鳥配列であっても、むし
ろボイラの性能の悪いところの値であることが明かにな
った。

その低水管群において、水管と水管との聞を広くして、
かつごばん目配列にする方が水管ガス側の汚れ対策や保
守が更に容易になるという利点がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第１は燃焼室内又は対流伝熱部内に水管群を有
するボイラにおいて、水管群のガス流れ方向のピッチを
Ｌ（ｍｍ）、水管の外径をＤω方）とするときＬ／Ｄを
１．８以上、２．５以下としてとばん目に配列した水管
群を有するボイラであシ、その第２は上記第１発明にお
いて、水管群のガス流れに直角方向のピッチをＨ−）と
するとき、１．２≦Ｈ／Ｄ　＝’−２とした第１発明に
記載した水管群を有するボイ２であり、その第３は上記
第１、第２発明において、カス流れ方向の水管群の１列
目と２列目だけを第１発明又は第２発明におけるＬ／Ｄ
が２列目以降の１１３程度以上、２．５以下を３程度に
した第１発明又は第２発明に記載の水管群を有するボイ
ラである。

上記したように本発明者等の研究結果より、第２図囚、
ａ３）の（Ｘ）、（Ｘ’）に示すように、基本的にはＬ
／Ｄが１．８程度以上、２．５程度以下が決定的に重要
であり、それ以外のＬ／Ｄの値は採用しても不利となり
、又Ｈ／Ｄについても１．２≦Ｈ／Ｄ≦２であることが
必要で１．２未満ではガスの流路が取れなくなって圧損
が増大し、ファン容量が増大し、更に偏流による性能が
低下する。又Ｈ／Ｄが２を超過するとガス流速がとれな
くなって、たとえ最適のＬ／Ｄの場合でもボイラ全体の
伝熱性能が低下するため本発明の目的を達成することが
できない。

更に水管群にカスが入る一列目及び二列目の水管群では
ガスの流れが未だ充分一定にならないため、特に−列目
水管の後部にはガスが廻シ込み難く、伝熱性能が悪い。

そのためガス流れ方向の一列目と二列目だけはＬ／Ｄを
本発明者等の研究結果によると３程度にすると効果的で
ある。

〔実施例〕

次に本発明を図面によって説明する。第４図は本発明の
水平方向ガス流れ中の立水管配置ボイラを示す一実施例
である。

第４図においては、燃焼室内に収熱水管（３）群をたて
て配投し、収熱水管（３）がバーナ先端から僅かに離れ
たところからＨ／Ｄ＝１゜５７の如くなし、−段目と２
段目のみＬ／Ｄ　：８．　Ｏで以後はＬ／Ｄ　＝２．０
に配置されている。

この水管群の所で燃焼が行なわれ、燃焼が完了した後、
次段のＨ／Ｄ：１，５７、Ｌ／Ｄ　＝　２．０に配置さ
れた接触水管（４）群で伝熱が行なわれる。

水管（３）、ｔ４）の配列によって、燃焼室内祝熱水管
（３）では水管後流にもガスが廻り込んで、燃焼が促進
されるとともに、接触伝熱性能も向上する。

そのため上記本発明の水管の配列を取らしめることによ
って、接触水管（４）群でも伝熱性能が向上し、ボイラ
全体が大幅に小型化されることになる。

本発明においては燃焼室内祝熱水管（３）は、燃焼反応
が起っているボイラ部分から、接触水管（４）群は燃焼
反応が完了したところから始まるとしているが、本実施
例〔第４図、第５図、第６図（ト）、　ＣＢ）’ｌ］で
は水管構成上の上記の相違は全くない。

更に本発明の燃焼室と接触水管群は本実施例のようにガ
スの流れを水平方向に配置しても（第４図）又は垂直水
管を共用して上下の縦配置にしてもよい。（第５図） 又接顎水管群の後流部ではガス温度も低下しているので
これらをフィン付水管にすると更に効果的である。

本発明は炉内収熱水管ボイラのみに限定されるものでは
なく、通常の水管ボイラや炉筒内に設けた水管群その他
強制循環式のような水装置水管など、水管群を有するす
べてのボイラに適用される。

本発明の他の一実施例として水装置ヘアピン型廃熱水管
ボイラを第６図囚、ＣＢ）に示した。

排ガス（６）はボイラの下部より入り、水平配置された
水管＋３＋、＋４ｊ群を通って上方へぬける。水平置水
管ｉ３１．ｆ＋ｉ群はヘアピン状に折り返しの構成をと
り、上下のヘッダ（９１１０ｏ１で流路が纒められてい
る、両ヘッダ［９１、（＋０１はドラム（７）と接続さ
れているが、この場合降水管だけを設けた自然循環式と
してもよいし、降水管中に強制循環ポンプ（図示せず）
を設けて強制循環式にしてもよい。

従来はヘアピン水管群をできるだけコンパクトに収める
ために、ガスの流れ方向のピッチをできるだけ詰めて構
成するのがよいとされ、わざわざ汎用性のない曲げ半径
の小さいリターンベンドが必要となシ、このことがまた
ヘアピン型水管群を有する廃熱ボイラのコストアップの
要因となっていた。

更にこの種廃熱ボイラを自然循環で設計する場合は、曲
げ半径の小さいリターンペンドはど管内の流動抵抗が大
きくなシ、そのため沸＃伝熱上安全な循環比が収り難い
という問題があった。

本発明をこの廃熱ボイラに適用することによって、水平
置水管群の配列とピッチとをＬ／Ｄ　＝　１．８〜２．
５、Ｈ／Ｄ　＝　１．２〜２．０でとばん目配列の構成
にすると、従来とられて来たＬ／Ｄ　＝　１．５程度の
廃熱ボイラよシ水管群の伝熱性能が著しく向上し、水管
の本数も、全水管の占有容積も低減して大きなコストダ
ウンが達成される。

更に、この場合は従来の廃熱ボイラに比較してリターン
ペンドの曲げ半径も大きくなシ、管内の流動抵抗が減少
して自然循環ボイラとして充分安全な循環が得られる設
計ができるようになった。

々お、この種廃熱ボイラは入口の排ガス温度も低いこと
もあり、水管をフィン付管としたり、裸管とフィン付管
とを組合わせたりすると更に効果的である。

〔発明の効果〕

本発明の効果を鵬めると次の通りである。

本発明によって、 （イ）水管群を有するボイラの伝熱性能が極めて良好と
なυ、従来のＬ／Ｄ＝１．５程度の場合に比較して水管
本数が約４０チ、水管群の占有容積も同様に約４０チ低
減できるようになった。これは従来のピッチＬ／Ｄ　”
　１　、５程度では水管後流にガス流れのデッドスペー
スができたため、むしろもつと離した方がよいた・めで
ある。

（ｍｍ）水管群の小型高性能化とともに水管群をとシつ
けるだめのヘッダやドラムの水管取付ピッチが広がるこ
とになるので、水管群を集中するヘッダやドラムの強度
が強くなシ、それだけ肉厚が薄くできて、ボイラ全体の
小型、軽量化とコストダウンが達成される大きな効果が
ある。

ｅ→　本発明の水管の配列によって燃焼呈内収熱水管で
は水管後流にもガスが廻り込んで燃焼が促進されるとと
もに接触伝熱性能も向上する。そのためボイラ全体の大
幅な小型化に寄与する効果は大きい。

に）従来の水装置ヘアピン型廃熱水管ボイラのように汎
用性のない曲げ半径の小さなリターンベンドの水管を使
用する必要がなく、水管群の伝熱性能が向上し、水管の
零敗も全水管の占有容積も低減されるためボイラのコス
トダウンの効果は著しく大きい。

（ホ）　また従来の廃熱ボイラに比較してリターンペン
ドの曲げ半径が大きく取れ、水管内の流動抵抗が減少し
、自然循環ボイラとしても充分安全な循環比が得られる
設計をなし得るようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ｍｍ）は水管群のとばん目配列を示す模型的横
断面図、第１図［Ｆ］）、（０は水管群のとばん目配列
における水管まわ）のガスフローを示す模型的横断面図
でａ３）は水管と水管との間にデッドスペースがある場
合、（Ｑはデッドスペースの無い場合を示す。第１図０
は水管の千鳥状配列の模型的横断面図、第２図囚、ａ３
）はＬ／Ｄの変化による平均熱伝達率αの変化■及び同
Ｌ／Ｄの変化によるαＸａ０の変化ＣＢ）をそれぞれ示
す図、第８図（ト）、［Ｆ］）は従来の水管ボイラの一
例を示すものでＣＡ＋は概略縦断面図、ＣＢ）は水管部
分の概略横断面図、第４図は本発明のたて水管群を有す
る水管ボイラの一実施例の燃焼室内収熱水管群部及び接
触水管群の概略横断面図を示す図、第５図は水管の立装
置の場合の本発明の一実施例の縦断面図、第６図元、■
）は本発明の他の天施例で水装置ヘア１、カスの廻シ込
まないデッドスペース２、ガスの廻り込むスペース

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼室内又は流伝熱部内に水管群を有するボイラに
   おいて、水管群のガス流れ方向のピッチをＬ（ｍｍ）、
   水管の外径をＤ（ｍｍ）とするとき、Ｌ／Ｄを１．８以
   上、２．５以下として、水管群をごばん目配列にしたこ
   とを特徴とする水管群を有するボイラ。 ２、請求項１において、水管群のガス流れに直角方向の
   ピッチをＨ（ｍｍ）とするとき、１．２≦Ｈ／Ｄ≦２と
   なした請求項１記載の水管群を有するボイラ。 ３、請求項１又は２において、ガス流れ方向の水管群の
   一列目と二列目だけのＬ／Ｄを二列目以降１．８以上、
   ２．５以下の代りに３程度となした請求項１又は２記載
   の水管群を有するボイラ。