(57)【要約】【課題】構造が簡単でコンパクト化されていても高品質の過熱蒸気を得ることができ、しかもドライアウト点近傍で水管の劣化が加速される懸念がないボイラを提供することを課題とする。【解決手段】ボイラ１０は、上流側から下流側まで一本の流路で繋がっていて、上流側から給水される水管１２と、水管１２内を流れる環状流の蒸気中の液滴発生を抑制しつつ水管１２を加熱することで、水管１２の下流側から過熱蒸気を放出させる加熱機構３０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側から下流側まで一本の流路で繋がっていて、上流側から給水される水管と、
前記水管内を流れる環状流の蒸気中の液滴発生を抑制しつつ前記水管を加熱することで、前記水管の下流側から過熱蒸気を放出させる加熱機構と
を備えることを特徴とするボイラ。
【請求項２】
複数本の前記水管を配列して備えていることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
【請求項３】
前記水管の外周側に設けられたスペーサを備え、
前記スペーサは、前記水管のドライアウト点から前記水管の上流側へ所定距離内の位置に配置されて、前記水管の周囲の空間を燃焼ガスが流動するガス上流側空間とガス下流側空間とに区分けており、
前記水管内の水を蒸発させる蒸発部が前記ガス上流側空間に形成されているとともに、前記水管内に過熱蒸気を形成する過熱部が前記ガス下流側空間に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
【請求項４】
前記水管がミニチャンネルであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過熱蒸気を生成するボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、食品加工やプラスチックリサイクル等の産業分野で過熱蒸気の利用が進んでいる。この過熱蒸気を発生させるためにボイラが益々利用されてきている。
【０００３】
このように利用が広まっているボイラでは、蒸気相と液相とが流れる気液二相流となる配管部分がかなりの領域で生じている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2004-57704号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような気液二相流のうち高乾き度域では、通常、蒸気相は管中央部を高速で流動し、液相は「管壁に沿う液膜」と「高速蒸気流中に分散して存在する液滴」とに分離して流動する、いわゆる環状噴霧流となる。そして、管壁からの入熱によって液膜が完全に蒸発した後でも、高速の蒸気流中では、相当量の液滴が残存している。
【０００６】
ここで、蒸気流中では蒸気相が熱抵抗となるため、蒸気流中の液滴を完全に蒸発させることは難しい。このため、液滴を含まない高品質の過熱蒸気を得るのに工夫を要し、気水分離器を用いる構成にする場合も少なくなく、ボイラの簡素化やコンパクト化の妨げになっている。なお、このような液滴が残存する条件では、ドライアウト点の近傍で管壁の濡れと乾きが繰り返されて高サイクル熱疲労による管材料の劣化が加速されてしまう懸念も生じる。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、構造が簡単でコンパクト化されていても高品質の過熱蒸気を得ることができ、しかもドライアウト点近傍で水管の劣化が加速される懸念がないボイラを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、図１４に示すように、上下方向に配置された一本の配管で下方側から給水するとともに配管を加熱して過熱蒸気を生成した場合、液単相流、スラグ流、チャーン流、環状噴霧流、液滴流、蒸気単相流のように順次変化していくことに着目した。ここで、環状噴霧流では擾乱波が生じ、この擾乱波の波頭で液滴ＤＲが発生し易いことが知られている（図１５、図１６参照）。そこで本発明者は、ドライアウト点の近傍では、液膜表面に形成される大振幅の擾乱波や液滴の管壁付着などの影響により、管壁の濡れと乾きが繰り返され、高サイクル熱疲労が生じ易くなることにも着目した。
【０００９】
本発明者は、このような検討を踏まえ、上記課題を解決することを鋭意検討し、実験や解析計算を行って更に検討を加え、本発明を完成するに至った。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係るボイラは、上流側から下流側まで一本の流路で繋がっていて、上流側から給水される水管と、前記水管内を流れる環状流の蒸気中の液滴発生を抑制しつつ前記水管を加熱することで、前記水管の下流側から過熱蒸気を放出させる加熱機構とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、構造が簡単でコンパクト化されていても高品質の過熱蒸気を得ることができ、しかもドライアウト点近傍で水管の劣化が加速される懸念がないボイラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態で、（ａ）はボイラの構成を示す正面断面図、（ｂ）はボイラの構成を示す側面断面図である。
【図２】本発明の一実施形態で、（ａ）はボイラの水管群ユニットの構成を示す正面図、（ｂ）は水管群ユニットで使用するスペーサを示す説明図、（ｃ）はスペーサ同士を連結することで隣り合う水管群ユニットを連結することを示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態で、ボイラの蒸発部の構成を示す平面断面図である。
【図４】本発明の一実施形態で、（ａ）はボイラの過熱部の構成を示す平面断面図、（ｂ）は過熱部で生成された過熱蒸気が案内されるヘッダの構造を説明する平面断面図である。
【図５】本発明の一実施形態で、（ａ）はドライアウト点の近傍を説明する水管鉛直断面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｕ−Ｕの断面図である。
【図６】実験装置の構成を示す正面図である。
【図７】実験装置の試験部の構成を示す正面図である。
【図８】（ａ）は実験時の試験部の上流側に設けられた可視化部を示す写真図であり、（ｂ）は実験時の試験部の下流側に設けられた可視化部を示す写真図である。
【図９】実験結果を示すグラフ図である。
【図１０】実験結果を示すグラフ図である。
【図１１】実験で得られたチャート図である。
【図１２】実験で得られたチャート図である。
【図１３】実験結果を示すグラフ図である。
【図１４】上下方向に配置された一本の配管で液単相流から蒸気単相流が形成されるまでの流れを説明する鉛直断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、水管内で液膜から液滴が発生する一例を説明する模式的な鉛直断面図である。
【図１６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、水管内で液膜から液滴が発生する一例を説明する模式的な鉛直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のもののみに限定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
【００１４】
［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。本実施形態では、シンプルかつコンパクト性に優れることに重点をおいたボイラの例を、図１〜図５を参照しつつ説明する。
【００１５】
本実施形態に係るボイラ１０は、10×10程度（縦横にそれぞれ10本程度）に正方配列された多数本の水管１２を有する水管群ユニット１４を複数（例えば６個）備えている。ボイラ１０は、定格出力に応じて水管群ユニット１４の数や配列を変更することが可能である。
【００１６】
水管群ユニット１４は、何れも、このように正方配列されて上下方向に向けられてそれぞれ上流側から下流側まで一本の流路で繋がっている水管１２と、水管１２の下部に接続され水管１２の上流側（本実施形態では下方側）から給水する下部ヘッダ１６と、水管１２の上部に接続され水管１２の下流側から放出される過熱蒸気が通過する上部ヘッダ１８と、各水管１２の外周側に位置し各水管１２を固定するとともに隣り合うユニット同士を連結するためのスペーサ２０とを備えている。本実施形態では、各水管１２は上流端１２ｕｅ（図１では下方端）から下流端１２ｄｅ（図１では上方端）まで一本の流路で繋がっている。
【００１７】
そしてボイラ１０は、各水管群ユニット１４の下部ヘッダ１６に接続されている下部メインヘッダ（給水ヘッダ）２２と、各水管群ユニット１４の上部ヘッダ１８に接続されている蒸気メインヘッダ２４とを備えている。下部ヘッダ１６の上流側には下部ヘッダ給水入口１６ｕが形成されており、下部メインヘッダ２２から下部ヘッダ給水入口１６ｕに給水される構成になっている。
【００１８】
更に、ボイラ１０は、水管１２を加熱する加熱機構３０を備えている。加熱機構３０は、水管内を流れる環状流Ｆ（図５参照）の蒸気ＦＧ中の液滴発生を抑制しつつ水管１２を加熱することで、水管１２の下流側から過熱蒸気を放出させるようになっている。
【００１９】
加熱機構３０はバーナ３２を備えており、バーナ３２は、水管１２に向けて放出する燃焼ガスの対流による熱伝達と、水管１２に向けた火炎による熱放射と、で水管内の水に効率良く熱が伝わる構成にされている。また、加熱機構３０は、上部ヘッダ１８と下部ヘッダ１６との間の水管部分を覆う遮蔽部３４を備えており、燃焼ガスによる熱伝達を遮蔽部３４によって効率良く行う構成にされている。
【００２０】
ここで、隣り合うスペーサ２０はスペーサ支持棒２１によって互いに連結されており、この結果、水管群ユニット１４が配置されている空間では、各スペーサ２０によって燃焼ガスが流動するガス上流側空間Ｓｕとガス下流側空間Ｓｄとに区分けられている。
【００２１】
そして、バーナ３２の吹出し口とは反対側では、スペーサ２０が配置されていないことで上下方向のガス流動が規制されない縦長状の非規制空間Ｓｎが形成されている。
【００２２】
また、ガス下流側空間Ｓｄでは、非規制空間Ｓｎの下流側に、エコノマイザ３６が配置された案内路Ｓｅが形成されており、案内路Ｓｅの下流端部にダクト３８が接続されている。ここで、エコノマイザ３６の下流側は、下部メインヘッダ２２の上流側に接続されており、サブクール水は、まずエコノマイザ３６に供給されて、燃焼ガスとの熱交換により温水にしてから下部ヘッダ１６に送られるようになっている。
【００２３】
そして、ダクト３８の下流側は、それぞれ、上部ヘッダ１８に接続されている、そして、上部ヘッダ１８の下流側には上部ヘッダ蒸気出口１４ｅ（図１、図４参照）が形成されており、各上部ヘッダ蒸気出口１４ｅは何れも蒸気メインヘッダ２４に接続されている。
【００２４】
このような構成により、バーナ３２から吹き出された燃焼ガスはガス上流側空間Ｓｕに流入し、ガス上流側空間Ｓｕに位置する水管部分１２ｕを加熱しつつ非規制空間Ｓｎに到達する。そして非規制空間Ｓｎ内を上昇してガス下流側空間Ｓｄに流入し、ガス下流側空間Ｓｄに位置する水管部分１２ｄを加熱しつつ案内路Ｓｅにまで到達する。そして、案内路Ｓｅ内のエコノマイザ３６の外側を通過することでエコノマイザ３６内の水を加熱しつつ、ダクト３８から排出されるようになっている。
【００２５】
本実施形態では、燃焼ガスがガス上流側空間Ｓｕの水管部分１２ｕを加熱することによってほとんど蒸発し、燃焼ガスがガス下流側空間Ｓｄの水管部分１２ｄを加熱することによって水管部分１２ｄ内が過熱蒸気となるように、ガス下流側空間Ｓｄ、ガス上流側空間Ｓｕおよび非規制空間Ｓｎの寸法、燃焼ガスの温度および流量、が予め設定されている。従って、スペーサ２０の下側には水管内の水を蒸発させる蒸発部４０が形成され、スペーサ２０の上側では水管内を過熱蒸気にする過熱部４２が形成されたボイラ構造になっている。
【００２６】
このようなボイラ構造にするにあたり、スペーサ２０は、水管１２のドライアウト点Ｐから水管上流側（すなわち本実施形態では下方側）へ所定距離ｄ内の位置に配置されている。なお、ドライアウト点Ｐは、環状流Ｆを形成している液膜ＦＬがすべて蒸発する部位である。
【００２７】
このような所定距離ｄを決定する際には、水管１２内で液滴が発生しない（液滴発生限界以下）ようにすることで、ドライアウト点Ｐの近傍で壁温の時間変動が許容範囲であること、ドライアウト点Ｐの水管下流側で管壁温度の上昇が許容範囲であること、が満たされるように、水管１２の管径、水管１２に給水する水の流量、バーナ３２から吹き出す燃焼ガス温度や燃焼ガス流量などを決定する。その際、蒸発部４０では水管内における蒸気の乾き度を１近くにまで上昇させることがボイラ１０をコンパクトで高性能にする上で効果的である。
【００２８】
本実施形態によれば、このように、スペーサ２０の配置位置が、水管１２のドライアウト点Ｐから水管上流側へ上記所定距離ｄ内の位置にされている。従って、１本の水管１２において上流側から水が供給され下流側では過熱蒸気として出す、構造が簡単で著しくコンパクトにされた本実施形態に係るボイラ１０であっても、水管１２の環状流Ｆの蒸気ＦＧ中に発生する液滴が充分に抑制された高品質の過熱蒸気を得ることができ、しかも、ドライアウト点近傍で水管１２の劣化が加速される懸念がない。
【００２９】
また、このように蒸気ＦＧ中に発生する液滴が充分に抑制されているので、液膜ＦＬの
ドライアウト点Ｐの発生高さ位置が明確で安定している。
【００３０】
また、気水分離器を設置する必要がなく、しかも、水管１２の複雑な引き回しを必要とせず、また、過熱部４２以外に過熱器を別途に配置する必要がない。従って、ボイラ１０の更なる簡素化、コンパクト化が実現される。
【００３１】
また、スペーサ２０は、水管１２の固定と水管群ユニット１４の連結とを行う機能に加えて、水管上流側の蒸発部４０と水管下流側の過熱部４２とを区切る役割も果たしており、ボイラ１０の簡素化、小型化に大きく寄与している。
【００３２】
また、過熱部４２では、対流伝熱のみによって熱交換が行われて液膜ＦＬのドライアウトと蒸気過熱とを行うことができる。従って、過熱部４２では、放射伝熱の寄与が無視できること、および、燃焼ガスの温度が蒸発部４０に比べて低下していることから、ドライアウト点近傍及びその下流の蒸気単相部における壁温上昇が緩和できる。
【００３３】
なお、上記所定距離ｄを設定する際に、液膜ＦＬの消失とともに液滴を含まない飽和蒸気が得られるように設定することが理想的である。このような理想的な設定をすることで、液膜ＦＬのドライアウト点Ｐよりも下流側で加えられる熱は、すべて蒸気の温度上昇、すなわち過熱蒸気の生成に消費される。
【００３４】
このことを実現させるには、水管１２は、内径が２mm程度以内のミニチャンネル（ミニチャンネル水管）にされていることが好ましい。これにより、液膜ＦＬのレイノルズ数を低減させることができ、二相流の流動様式を、擾乱波等による液膜からの液滴の発生が防止された純粋な環状流にし易い。すなわち、ドライアウト点の近傍およびその下流における熱流束を、管壁温度の上昇が許容できる程度に低く抑制することのみで、簡素でかつコンパクト性に優れたボイラにし易い。
【００３５】
また、少量の液滴発生が生じる場合には、ドライアウト点Ｐよりも下流側にベンド部を設けて液滴付着を促進する対策も考えられる。
【００３６】
＜実験例＞
本発明者はドライアウト実験を行った。実験装置の全体構成を図６に、実験装置の要部構成を図７に、実験装置の要部で可視化を図ったことを図８に、それぞれ示す。
【００３７】
（１）実験装置
本実験例で用いる実験装置５０では、試験流体としては水を用いる。試験流体は、ポンプ５２（循環用のプランジャーポンプ）を流出した後、コリオリ式流量計５４（精度±0.4%）と予熱器５６とを経て試験部６０（細径水管の一部を模擬したもの）に流入する。
【００３８】
そして、試験流体は、試験部６０を流出した後、上部タンク６２（凝縮器）と下部タンク６４（脱気槽）とを経て、二重管式熱交換器６６で流体温度を十分に下げてからポンプ５２に戻る。予熱器５６の出入口（上流端、下流端）および試験部６０の出口（下流端）に、圧力と流体温度の計測点を設けた。計測精度は、圧力は±0.75kPa以内、流体温度は±0.1K以内である。なお、予熱器５６における流体加熱は、直流電源を用いた直接通電加熱により行った。また、上部タンク６２は、凝縮用の伝熱管を内蔵しているが、蒸気の系外への流出を防ぐため、ジムロート冷却器を併用した。
【００３９】
試験部６０は、内径D = 1.91mm（外径は2.4mm）、肉厚δ = 0.24mmのSUS304製鉛直円管で構成され、試験流体は試験部６０の下方側から流入する。したがって、試験流体の流動方向は鉛直上向きである。
【００４０】
本実験例では、図７に示すように、銅製の電極６８ｕ、６８ｄを試験部６０に沿った長手方向距離が170mmとなる位置にそれぞれ設置するとともに、交流電力による直接通電加熱を行った。供給電力の制御には、ボルトスライダーを用いた。また、流路外壁温度を計測するために、試験部６０の長手方向に沿って30mm間隔で熱電対７０をスポット溶接した。
【００４１】
ここで、熱電対７０の計測高さ位置は5ヶ所であり、各高さ位置に2個の熱電対を設置したため、試験部外壁に設置した熱電対の総数は10である。
【００４２】
また、最上流側（本実験例では最下端側）および最下流側（本実験例では最上端側）で、熱電対と電極との間隔は25mmである。従って、従って、最上流側の電極６８ｕを原点としたときの各熱電対７０の高さＺは、下方（上流側）から順に、5mm、55 mm、85 mm、115 mm、145 mmとなる。
【００４３】
また、差圧計を用いて試験部出入口間（長手方向距離が170mm）における圧力損失を計測した。壁温計測に使用した熱電対の精度は±0.05K以内、差圧計の精度は±130Pa以内である。また、電気絶縁を兼ねて、試験部６０の上流端部と下流端部にそれぞれガラス製の可視化部６０ｖｕ、６０ｖｄ（図７、図８参照）を設けた。
【００４４】
（２）実験手順
本実験例では、まず下部タンク６４に蒸留水を給水するとともに、下部タンク６４内に設置したヒータおよびジムロート冷却器を用いて、脱気を行った。この後、ポンプ出力により試験流体の質量流束Gを制御するとともに、電極６８ｕ、６８ｄ間の電圧を増加させて、試験部６０の熱流束qwを設定する。流量Gと熱流束qwとを既定値に設定した後、予熱器５６への供給電力により試験部６０の入口（上流端）における蒸気の乾き度xinを徐々に増加させる。試験部外壁に設置した熱電対７０による温度データの急上昇によりドライアウトの発生を検知した。温度、流量等の実験データは、データロガーを用いて１秒ごとに計測した。
【００４５】
（３）実験条件
実験条件を以下に示す。
ケース番号      Ｇ(kg/m2s)    qw(KW/m2)
1              15            15
2              30            30
3              50            50
4              50            70
【００４６】
ミニチャンネルでは摩擦損失が過大になりやすいことを考慮して、Gは15, 30, 50 kg/m2sの何れかなるように設定した。
【００４７】
また、加熱部（試験部６０のうち加熱される部分）の出入口における蒸気の乾き度の差をΔx = xout - xinで表すと、Gとqwとは次の関係を満足する。
【数１】
2018096631.tif 000003
【００４８】
ここで、Δhvは蒸発潜熱を表す。ケース1〜3では、Δxが0.16程度となるようにqwを設定した。ケース4では、qwの影響を調べるため、Gはケース3と同じ値のままで、qwを1.4倍とした(Δx = 0.22)。各ケースで、予熱器５６の出力を調節し、xin = 0〜0.9の範囲で実験データを収集した。なお、圧力条件はほぼ大気圧とした。
【００４９】
（４）実験結果
（ａ）液膜のドライアウト
熱電対７０による温度データから算出された各局所熱伝達率h（h1〜h5）の値を、ケース1に関して図９に、ケース2に関して図１０に、それぞれ示す。ここで、局所熱伝達率hは外壁温度の時間平均値に基づいて、管壁内における均一発熱を仮定して内壁温度Twを算出し、また、流体温度は飽和温度Tsatに等しいとして次式より算出した。
【数２】
2018096631.tif 000004
【００５０】
ここで、添え字のiは計測高さ位置を表し、上流側から下流側（本実験例では下方側から上方側）に番号を振った。なお、h2が欠落しているのは、熱電対の破損により温度が計測できなかったためである。また、図９、図１０の横軸は、熱電対位置における局所乾き度xである。xin（試験部入口における蒸気の乾き度）を変化させながら計測したので、xinの設定値ごとに、h1〜h5が１組得られることになる。なお、図９、図１０中に実線で示した曲線は、相関式（「榎木、宮田、森、微細流路内沸騰熱伝達の整理式の修正、日本冷凍空調学会論文集、32(3), 275-283 (2015)」に記載された式）による予測値を示す。
【００５１】
流路内で、液滴流量比等の熱流動状態が平衡状態にあれば、各ケースでhはxのみの関数となることが期待できる。しかし、xが同じであっても熱電対位置によってhが異なる場合があり、予熱器出口のエルボなど、入口条件の影響が残存していることが示唆される。
【００５２】
ドライアウト発生時のxに着目すると、hの値が1 kW/m2K程度以下にまで顕著に低下する様子が観察されているのは、ケース4ではx = 0.5以上だが、ケース2では0.8以上、Gがもっとも小さいケース1では0.9以上となっていた。この結果により、少なくともGが十分に小さい条件では、x = 1近くまで高熱伝達率が維持されており、効率的に液蒸発が行えることがわかった。
【００５３】
ここで、環状流中で液滴発生が開始するときの液膜質量流束Gfが次式（D. G. Owen, G. F. Hewitt, A proposed entrainment correlation, AERE-R12279 (1986) に記載された式）で与えられるとされている。
【数３】
2018096631.tif 000005
【００５４】
本実験の条件を上式に代入すると、G ＜ 100 kg/m2sであれば液滴は発生しないという結果になる。
【００５５】
（ｂ）壁温変動
ケース3で、ドライアウト発生時における壁温の時間変動状況を図１１、図１２に示す。上述したように、本実験例では各壁温の計測高さ位置で2つの熱電対を設置したが、z = 25mm、85mmの高さ位置では片方の熱電対で計測できず、z = 55mmの高さ位置では両方の熱電対で計測できなかった。このため、図１１では、z = 85mmの高さ位置における１つの熱電対の計測データを表示し、図１２では、z＝115mmの高さ位置における２つの熱電対の計測データを表示している。
【００５６】
zが85mm（図１１参照）以下では、外壁温度が108℃程度でほぼ一定であるのに対して、zが115mm（図１２参照）以上では、温度変動が生じたり、外壁温度が111℃程度に上昇したりしている。従って、zが85〜115mmの区域で、液膜ＦＬのドライアウトが発生していると考えられる。よって、低熱流束域でドライアウト点を発生させるボイラ構成にすることで、管壁材料の健全性を確保するためにドライアウト点近傍における温度変動を十分に低く抑えること、は充分に行い易いと考えられる。
【００５７】
（ｃ）ドライアウト後の管壁温度
ケース2でxin = 0.9（図１０参照）とした場合、ｚ＝85mm（測定点3）およびその下流で壁温上昇が観測された。このときの壁温をDittus-Boelter式による予測値と比較した結果を図１３に示す。計測値は予測値よりやや高いが、予測値からはさほど離れてはいない。この結果により、ドライアウト点より下流の壁温は、通常の熱伝達率相関式を用いて十分に予測可能と考えられる。
【００５８】
（ｄ）まとめ
本実験例では、内径1.9mmのミニチャンネルを用いて液膜のドライアウト実験を実施した。この結果、少なくとも質量流束が十分に小さい実験条件では、出口での乾き度が概ね１となるまで、液膜のドライアウトは発生しないことを確認できた。また、ドライアウト発生時における壁温変動は顕著ではないことを示すとともに、ドライアウト点下流における壁温が既存の熱伝達率相関式で十分に予測可能であることを確認した。
【００５９】
＜解析計算例＞
本発明者は、上記実施形態のボイラ１０の性能を概略で評価するために、達成可能な蒸気量と蒸気温度とを解析計算により試算した。解析対象のボイラの構成を以下に示す。
水管内径 (mm)：2
水管外径 (mm)：3
水管ピッチ (mm)：4.5
蒸発部長さ (mm)：1000
過熱部長さ (mm)：200
水管群ユニット数：1
燃料：メタン
燃焼ガス温度 (℃)：1200
燃焼効率：0.8
空気当量比：1.4
【００６０】
水管１２は、内径2mm、外径3mmとし、ピッチ（水管中心間の距離）4.5mmで正方配列とした。蒸発部４０の上下方向長さは1000mm、過熱部４２の上下方向長さは200mmで、ユニット数は1（水管総数100本）とした。燃料はメタンガス（発熱量50MJ/kgと仮定）とし、燃焼ガスの初期温度1200℃、燃焼効率0.8、空気当量比1.4とした。簡単のため、水管内における水および蒸気の物性値は大気圧の飽和条件における値、燃焼ガスの物性値は1000Kにおける空気の値で代表させた。また、蒸発部４０には飽和水が、過熱部４２には飽和蒸気が、それぞれ流入するものとし、エコノマイザは無視した。計算手順の概略を、以下の(a)〜(f)に示す。
【００６１】
(a) 蒸発量Gと過熱蒸気温度Tvの初期推定値を設定する。
(b) 次式より、蒸発部の熱通過率Kvapを求める。
【数４】
2018096631.tif 000006
【００６２】
ここで、hc,inは水管内での対流熱伝達率であり、一定値（10kW/m2K）とした。Δw、λwは、それぞれ、管壁の厚さおよび熱伝導率である。水管１２の材質はステンレスとした。hc,outとhradは、各々管外における対流及び熱放射に関する熱伝達率であり、次式により評価する。
【数５】
2018096631.tif 000007
【数６】
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【００６３】
ここで、ReはReynolds数、PrはPrandtl数、λは熱伝導率、doは水管外径、εは放射率、σはStephan-Boltzmann定数、Tは温度である。また、添え字でgは燃焼ガスの場合、wは管壁の場合を表す。
【００６４】
(c) 蒸発部４０における熱バランスを表す次式より蒸発量Gを算出する。
【数７】
2018096631.tif 000009
【００６５】
ここで、Tsatは飽和温度、lvapは蒸発部長さ、diは水管内径、Nunitは水管ユニット数、Δhvapは蒸発熱である。
(d) 次式より、過熱部の熱通過率Kshを求める。
【数８】
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ここで、hsh,inとhsh,outとは、それぞれ、過熱部水管内外での対流熱伝達率である。  
【００６６】
hsh,outは[数５]、hsh,inは次式により評価する。
【数９】
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【００６７】
ここで、添え字のvは蒸気の場合を表す。
(e) 過熱部における熱バランスを表す次式により過熱蒸気温度Tvを算出する。
【数１０】
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【００６８】
ここで、Tvは蒸気温度、lshは過熱部長さ、Cp,vは蒸気の定圧比熱である。
(f) G,Tvの計算結果を予測値と比較し、収束するまで(b)〜(e)のステップを繰り返す。
【００６９】
このようにして得られた性能計算結果を以下に示す。
蒸気量 (kg/h)：34
過熱蒸気温度 (℃)：320
水管外壁最高温度 (℃)：154
【００７０】
蒸気量34kg/h、過熱蒸気温度320℃を達成可能、という計算結果になった。簡素な構造で比較的高温の過熱蒸気を得ることができるので、無酸素状態で焼成や乾燥等の作業が可能である。従って、例えば食品分野では、品質劣化を抑えつつ焼成、焙煎等の食品加工を効率よく実施できると期待できる。なお、解析対象のボイラの構成として示した蒸気量は1ユニット構成の場合の計算結果であり、ユニット数を増加させることで、より大量の蒸気を生成することができる。また、上記の使用条件における水管最高温度は154℃と計算され、大きな問題とはならないレベルであると見積もられた。
【００７１】
このように、本解析計算例では、高温の過熱蒸気を生成可能であるという計算結果になった。従って、食品分野等で有効に活用可能と考えられる。
【符号の説明】
【００７２】
１０  ボイラ
１２  水管
２０  スペーサ
３０  加熱機構
４０  蒸発部
４２  過熱部
ｄ  所定距離
Ｆ  環状流
ＦＧ  蒸気
Ｐ  ドライアウト点
Ｓｕ  ガス上流側空間
Ｓｄ  ガス下流側空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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