(57)【要約】【課題】多大な工数を要することなく燃焼ガスからの熱吸収量を低減することが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】燃焼ガスの流通方向と交差する交差方向に沿って延び、燃焼ガスと内部で流通する流体とが熱交換を行うとともに流通方向に沿って所定の配置間隔Ｐで配置される円筒状の複数の伝熱管７１ａ〜７１ｄと、複数の伝熱管７１ａ〜７１ｄのそれぞれの流通方向の下流側外周面７１Ａａ〜７１Ａｄに接触した状態で配置され、下流側外周面７１Ａａ〜７１Ａｄの近傍に燃焼ガスの渦が発生することを抑制する渦抑制部７５と、を備える節炭器７０を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスの流通方向と交差する交差方向に沿って延び、前記燃焼ガスと内部を流通する流体とが熱交換を行うとともに前記流通方向に沿って所定の配置間隔で配置される円筒状の複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管のそれぞれの前記流通方向の下流側外周面に接触した状態で配置され、該下流側外周面の近傍に前記燃焼ガスの渦が発生することを抑制する渦抑制部と、を備える熱交換器。
【請求項２】
前記所定の配置間隔は、前記伝熱管の外径の１．５倍以上である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記渦抑制部は、前記伝熱管の長手方向中心軸回りの周方向において、前記伝熱管の前記流通方向の下流側端部を中心とした１２０°以上かつ１８０°以下の範囲で、前記下流側外周面に接触した状態で配置される請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記渦抑制部は、前記流通方向の上流側に配置される第１の前記伝熱管の下流側外周面と、前記第１の伝熱管の前記流通方向の下流側に隣接して配置される第２の前記伝熱管の上流側外周面との双方に接触した状態で配置される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記渦抑制部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはＳｉＣの少なくとも何れかを含む耐火材を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記流通方向に隣接して配置される一対の前記伝熱管の間に配置されるとともに前記耐火材を保持する保持部を備える請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記保持部は、前記一対の前記伝熱管に両端部が溶接される金属製の第１棒状部材と、該第１棒状部材に溶接されるとともに前記第１棒状部材と交差して配置される金属製の第２棒状部材とを備える請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記渦抑制部は、前記交差方向に沿って前記伝熱管の長手軸方向へ延びる管体である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
火炉で生成される燃焼ガスと熱交換を行う請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の熱交換器を備えるボイラ。
【請求項１０】
燃焼ガスの流通方向と交差する交差方向に沿って延び、前記燃焼ガスと内部を流通する流体とが熱交換を行う円筒状の複数の伝熱管を、前記流通方向に沿って所定の配置間隔で配置する工程と、
前記複数の伝熱管のそれぞれの前記流通方向の下流側外周面の近傍に、前記燃焼ガスの渦が発生することを抑制する渦抑制部を、前記下流側外周面に接触した状態で配置する工程と、を備える熱交換器の設置方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、ボイラ及び熱交換器の設置方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、火炉側から順に、過熱器、再熱器、節炭器（エコノマイザ）等の各種の熱交換器が設置されたボイラが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されるボイラは、石炭焚きボイラであり、各種の熱交換器の内部を通過する水や蒸気と燃焼ガスとの熱交換により、高温高圧の蒸気を生成するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−４４３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
石炭燃料は、埋蔵量、市場価格、運搬性等の利点はあるものの、常温常圧下で固体である為、燃料粉砕設備が必要となる。また、発熱量あたりの排ガス中灰分、窒素酸化物、硫黄酸化物が天然ガス等の可燃性ガスと比較して多いことから、灰処理設備や脱硝設備、脱硫設備、集塵設備がガス焚きボイラと比べて大型となる為、これらの機器の運転および保守の為の費用が必要となる。
【０００５】
このような石炭焚きボイラの一部では運用性の改善を求めて、石炭焚きボイラを可燃性ガスを燃料とするガス焚きボイラへ改造する場合がある。この場合、多数の伝熱管で構成された対流伝熱を主とする熱交換器は、石炭を燃焼させるボイラ火炉内部の温度に合わせて設計されているが、可燃性ガスを燃料に用いると、燃焼ガスから発生する輻射強度が石炭燃焼時に比べて低下し、ボイラ火炉内部の温度が上昇する為、熱交換器の燃焼ガスからの対流伝熱による熱吸収量が過大となってしまう。
【０００６】
この対応として、例えば、伝熱管の全長を短くするなど伝熱面積を削減することにより熱交換器の燃焼ガスからの熱吸収量を低減させることができる。しかし、熱交換器の改造にあたっては、伝熱管の内部のボイラ缶水を排出する作業や、伝熱管の切断や溶接と耐圧検査等の作業により、ボイラの改造には多大な工数を要してしまう。また、伝熱管への汚れが残留しているために必要な伝熱面積を正確に設計することが難しい。伝熱管を改造してしまうと、その後の伝熱面積の再修正が難しいこと等から、簡易な改造での対応方法が求められている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、多大な工数を要することなく燃焼ガスからの熱吸収量を低減することが可能な熱交換器、ボイラ、及び熱交換器の設置方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係る熱交換器は、燃焼ガスの流通方向と交差する交差方向に沿って延びるとともに前記流通方向に沿って所定の配置間隔で配置され、前記燃焼ガスと内部を流通する流体とが熱交換を行う円筒状の複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管のそれぞれの下流側外周面に接触した状態で配置され、該下流側外周面の近傍に前記燃焼ガスの渦が発生することを抑制する渦抑制部と、を備える。
【０００９】
本発明の一態様に係る熱交換器によれば、複数の伝熱管のそれぞれの燃焼ガスの流通方向の下流側外周面に渦抑制部が接触した状態で配置されるため、燃焼ガスが伝熱管を通過する際に伝熱管の下流側に渦が発生する現象が抑制される。そのため、伝熱管の下流側外周面において、燃焼ガスの熱が伝熱管内に流通する水や蒸気などの流体に熱伝達されることによる熱吸収量を低減することができる。
【００１０】
本発明の一態様に係る熱交換器において、前記所定の配置間隔は、前記伝熱管の外径の１．５倍以上であってもよい。
複数の伝熱管の流通方向の配置間隔が伝熱管の外径の１．５倍以上である場合、伝熱管の燃焼ガスと伝熱管内を流通する流体との間の熱伝達は、主として対流熱伝達で行われる。このため、下流側に発生する渦に対して、複数の渦抑制部により、燃焼ガスが伝熱管を通過する際に伝熱管の燃焼ガス下流側に渦が発生する現象が抑制される。これにより、燃焼ガスと伝熱管内を流通する流体との間の熱伝達による熱吸収量を低減することができる。
【００１１】
本発明の一態様に係る熱交換器において、前記渦抑制部は、前記伝熱管の長手方向中心軸回りの周方向において、前記伝熱管の前記流通方向の下流側端部を中心とした１２０°以上かつ１８０°以下の範囲で、前記下流側外周面に接触した状態で配置されてもよい。
渦抑制部が伝熱管の下流側外周面に接触する範囲を１２０°以上とすることにより、燃焼ガスが伝熱管を通過する際に伝熱管の下流側に渦が発生する現象が効果的に抑制される。また、渦抑制部が伝熱管の下流側外周面に接触する範囲を１８０°以下とすることにより、熱交換器の熱吸収量が過度に低下することを抑制し、隣接して配置される他の複数の伝熱管との配置間隔が過度に狭くなることで燃焼ガスが流通する際の圧力損失が増加することを抑制することができる。
【００１２】
本発明の一態様に係る熱交換器において、前記渦抑制部は、前記流通方向の上流側に配置される第１の前記伝熱管の下流側外周面と、前記第１の伝熱管の前記流通方向の下流側に隣接して配置される第２の前記伝熱管の上流側外周面との双方に接触した状態で配置される。
第１の伝熱管と第２の伝熱管との間の燃焼ガスの流通方向の隙間を埋めるように渦抑制部が配置されるため、比較的容易な設置作業により渦抑制部を設置することができる。
【００１３】
本発明の一態様に係る熱交換器において、前記渦抑制部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはＳｉＣの少なくとも何れかを含む耐火材を備える構成としてもよい。
本構成の熱交換器によれば、耐熱性と耐磨耗性に優れて汎用的に用いられるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、またはＳｉＣを含む耐火材を用いることにより、比較的安価で燃焼ガスに対して耐久性のある材料により渦抑制部を形成することができる。
【００１４】
上記構成の熱交換器において、前記流通方向に隣接して配置される一対の前記伝熱管の間に配置されるとともに前記耐火材を保持する保持部を備える形態としてもよい。
上記形態の熱交換器によれば、保持部により耐火材を保持することにより、耐火材の施工を容易にするとともに、経年劣化等により耐火材が伝熱管から剥離することを抑制することができる。
【００１５】
上記形態の熱交換器において、前記保持部は、前記一対の前記伝熱管に両端部が溶接される金属製の第１棒状部材と、該第１棒状部材に溶接されるとともに前記第１棒状部材と交差して配置される金属製の第２棒状部材とを備えていてもよい。
第１棒状部材と第２棒状部材を交差して配置することにより、耐火材を一対の伝熱管の隙間に適切に保持することができる。また、第１棒状部材の両端部が一対の伝熱管に溶接されており、第１棒状部材から一対の伝熱管への熱伝達が可能であるため、燃焼ガスの熱によって保持部が焼損することを抑制することができる。
【００１６】
本発明の一態様に係る熱交換器において、前記渦抑制部は、前記交差方向に沿って前記伝熱管の長手軸方向へ延びる管体であってもよい。
伝熱管の燃焼ガス流通方向の下流側外周面に接触させて、管体を伝熱管の長手軸方向へ配置することにより、燃焼ガスが伝熱管を通過する際に伝熱管の直ぐ下流側に渦が発生する現象が抑制される。
【００１７】
本発明の一態様に係るボイラは、火炉で生成される燃焼ガスと熱交換を行う上記のいずれかの熱交換器を備える。
本発明の一態様に係るボイラによれば、多大な工数を要することなく燃焼ガスからの熱吸収量を低減することができる。
【００１８】
本発明の一態様に係る熱交換器の設置方法は、燃焼ガスの流通方向と交差する交差方向に沿って延び、前記燃焼ガスと内部を流通する流体とが熱交換を行う円筒状の複数の伝熱管を、前記流通方向に沿って所定の配置間隔で配置する工程と、前記複数の伝熱管のそれぞれの前記流通方向の下流側外周面の近傍に、前記燃焼ガスの渦が発生することを抑制する渦抑制部を、前記下流側外周面に接触した状態で配置する工程と、を備える。
【００１９】
本発明の一態様に係る熱交換器の設置方法によれば、複数の伝熱管のそれぞれの燃焼ガスの流通方向の下流側外周面に渦抑制部が接触した状態で配置されるため、燃焼ガスが伝熱管を通過する際に伝熱管の下流側に渦が発生する現象が抑制される。そのため、伝熱管の下流側外周面から燃焼ガスの熱が伝熱管内に流通する水や蒸気などの流体に熱伝達されることによる熱吸収量を低減することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、多大な工数を要することなく燃焼ガスからの熱吸収量を低減することが可能な熱交換器、ボイラ及び熱交換器の設置方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態のボイラを示す縦断面図である。
【図２】図１に示す節炭器の部分拡大図である。
【図３】図２に示す節炭器のI-I矢視断面図である。
【図４】図３に示す節炭器の変形例を示す断面図である。
【図５】渦抑制部の施工範囲と対流熱伝達係数の関係を示す図である。
【図６】伝熱管及び渦抑制部を示す部分拡大図である。
【図７】渦抑制部の施工範囲と圧力損失及び施工性の関係を示す図である。
【図８】第２実施形態の節炭器を示す断面図である。
【図９】第３実施形態の節炭器を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係るボイラ１０について、図面を参照して説明する。
本実施形態のボイラ１０は、天然ガス等の可燃性ガスを燃料として燃焼させるガス焚きボイラである。図１に示すように、本実施形態のボイラ１０は、バーナ２０が設置された火炉３０と、火炉３０から延びるとともに火炉３０で生成される燃焼ガスを流通させる煙道４０（燃焼ガス通路）とを備えている。火炉３０および煙道４０の壁面には炉壁管（図示略）が配置され、炉壁管内を流れる水が、煙道４０を流れる燃焼ガスにより加熱されて蒸気になる。
【００２３】
煙道４０には、例えば、火炉３０側から燃焼ガスの流通方向に沿って順に、過熱器５０、再熱器６０、節炭器（エコノマイザ）７０を含む各種の熱交換器が設置されており、これらの熱交換器の内部を通過する水や蒸気が煙道４０を流れる燃焼ガスと熱交換することによって高温高圧の蒸気が生成される。
【００２４】
次に、図２及び図３を参照して、節炭器７０について詳細に説明する。
図２は図１に示す節炭器７０の部分拡大図である。図３は、図２に示す節炭器のI-I矢視断面図である。
図２では、節炭器７０が設置されている煙道４０において、燃焼ガスが鉛直上方（上流側）から鉛直下方（下流側）に向かって通過する。本実施形態において、節炭器７０は、水平方向に延在する複数の伝熱管が煙道４０の下流側（図２の鉛直下方）から上流側（図２の鉛直上方）に向かって蛇行状且つ平面状に配列された伝熱管パネル７１，７２，７３が、図２の紙面に垂直な方向に並ぶように配置されている。
【００２５】
図２に示すように、本実施形態の節炭器７０の伝熱管パネル７１は、燃焼ガスの流通方向である鉛直方向と交差する交差方向に沿って延びる複数の伝熱管７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７１ｅ，７１ｆ，７１ｇ，７１ｈ，７１ｉ，７１ｊ（以下、伝熱管７１ａ〜７１ｊという）を備える。複数の伝熱管７１ａ〜７１ｊは、燃焼ガスの流通方向に沿って一定の配置間隔Ｐで配置される円筒状かつ金属製（例えば、低合金鋼、ステンレス鋼など）の管体である。配置間隔Ｐは、伝熱管７１ａ〜７１ｊの外径Ｄの１．５倍以上とするのが望ましい。
【００２６】
節炭器７０と熱交換をする燃焼ガスは、過熱器５０および再熱器６０で熱交換された後の例えば４５０℃以下の比較的中温領域の燃焼ガスであるため、節炭器７０の伝熱管パネル７１の伝熱管７１ａ〜７１ｊ内を流通する水や蒸気などの流体と燃焼ガスとの間の熱伝達は、主として対流熱伝達で行われることが好ましい。伝熱管７１ａ〜７１ｊ内を流通する流体と燃焼ガスとの間の熱伝達状態に対して、配置間隔Ｐと伝熱管７１ａ〜７１ｊの外径Ｄの関係が変わる。
【００２７】
配置間隔Ｐが外径Ｄの１．０倍程度では、対流熱伝達が効果的に行われないため、相対的に輻射伝熱が主体となるが、外径Ｄの１．５倍以上とすることで、対流熱伝達が主体となって効率的に熱伝達が行われる。
一方、配置間隔Ｐが外径Ｄの２．５倍以上になると、伝熱管パネル７１の高さが高くなり節炭器７０が過大となって、空間上の問題から煙道４０内に設置できなくなるので、好ましくない。
【００２８】
また、伝熱管パネル７１の高さを変えないために伝熱管７１ａ〜７１ｊ数を減少させると、伝熱面積が低下し、要求される熱吸収量を確保できなくなるので、好ましくない。伝熱管７１ａ〜７１ｊ内を流通する流体と、燃焼ガスとの間の熱伝達を、主として対流熱伝達によるものとすることで、後述するように、渦抑制部７５により燃焼ガスからの熱吸収量を低減することができる。
【００２９】
図３に示すように、伝熱管パネル７２は交差方向に沿って延びる複数の伝熱管７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄを含む複数の伝熱管を備え、伝熱管パネル７３は交差方向に沿って延びる複数の伝熱管７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄを含む複数の伝熱管を備える。各伝熱管パネル７１，７２，７３は、複数の伝熱管を連結した単一の流路を形成し、例えば燃焼ガスの下流側（図３の鉛直下方）から燃焼ガスの上流側（図３の鉛直上方）に向かって蛇行状且つ平面状に配列される。
【００３０】
複数の伝熱管７１ａ〜７１ｊの間には、燃焼ガスの下流側外周面７１Ａａ，７１Ａｂ，７１Ａｃ，７１Ａｄの近傍に燃焼ガス流れに渦が発生することを抑制する複数の渦抑制部７５が配置されている。図３に示すように、渦抑制部７５は、燃焼ガス流通方向の上流側に配置される伝熱管７１ａの下流側外周面７１Ａａと、伝熱管７１ａの燃焼ガス流通方向の下流側に隣接して配置される伝熱管７１ｂの上流側外周面７１Ｂｂとの双方に接触した状態で配置される。
【００３１】
同様に、渦抑制部７５は、燃焼ガス流通方向の上流側に配置される伝熱管７１ｂの下流側外周面７１Ａｂと、伝熱管７１ｂの燃焼ガス流通方向の下流側に隣接して配置される伝熱管７１ｃの上流側外周面７１Ｂｃとの双方に接触した状態で配置される。同様に、渦抑制部７５は、燃焼ガス流通方向の上流側に配置される伝熱管７１ｃの下流側外周面７１Ａｃと、伝熱管７１ｃの燃焼ガス流通方向の下流側に隣接して配置される伝熱管７１ｄの上流側外周面７１Ｂｄとの双方に接触した状態で配置される。
【００３２】
図３に示す渦抑制部７５は、例えばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３又は、ＳｉＣの少なくとも何れかを含むセラミック原料が粘土状となったものを施工して乾燥することで形成された耐火材である。渦抑制部７５は乾燥した後に燃焼ガスを流通することで焼成されて、耐熱性と耐磨耗性に優れたものに形成される。渦抑制部７５は、伝熱管７１ａの長手方向中心軸Ｘ回りの周方向において、伝熱管７１ａの燃焼ガス流通方向の下流側端部７１Ｃａを中心とした施工範囲θで、下流側外周面７１Ａａに接触した状態で配置される。ここでは、伝熱管７１ａについて説明したが、他の伝熱管についても同様である。
【００３３】
図３は、施工範囲θを１２０°とした例を示す。一方、図４に節炭器７０の変形例は、施工範囲θを１８０°とした例を示す。本実施形態においては、施工範囲θとして、１２０°以上かつ１８０°以下のいずれかの角度を設定するものとする。ここで、施工範囲θを１２０°以上かつ１８０°以下とする理由を説明する。
【００３４】
図５は、渦抑制部７５の施工範囲と対流熱伝達係数Ｒｃの関係を示す図である。
伝熱管７１ａ〜７１ｊを燃焼ガスの流通方向と直交する方向に設置した場合、伝熱管７１ａ〜７１ｊの熱吸収量Ｑは、下記の式（１）で表される。
Ｑ＝Ｓ・Ｒｃ・ＬＭＴＤ          （１）
【００３５】
ここで、Ｓは有効伝熱面積であり、Ｒｃは対流熱伝達係数であり、ＬＭＴＤは燃焼ガスと水又は蒸気の対数平均温度差である。伝熱管７１ａ〜７１ｊの熱吸収量Ｑを減少させたい場合、有効伝熱面積Ｓを減少させれば良いが、伝熱管７１ａ〜７１ｊの本数や長さを減らす改造が必要となり、また一旦改造を行うと後で有効伝熱面積の再修正が難しくなる。そこで、本実施形態では、伝熱管７１ａ〜７１ｊの有効伝熱面積Ｓを変えずに対流熱伝達係数Ｒｃを減少させることにより、伝熱管７１ａ〜７１ｊの熱吸収量Ｑを減少させることとした。図５に示すように、施工範囲θを広くするほど対流熱伝達係数Ｒｃが減少し、それに伴って伝熱管７１ａ〜７１ｊの熱吸収量Ｑも減少する。
【００３６】
図６は、伝熱管７１ａ及び渦抑制部７５を示す図であり、施工範囲θを１２０°より狭くした例を示す。図６に示すように、施工範囲θを１２０°より狭くすると、対流熱伝達係数Ｒｃが増加し、それに伴って伝熱管７１ａ〜７１ｊの熱吸収量Ｑも増加する。
【００３７】
燃焼ガスが伝熱管を通過する際に伝熱管の燃焼ガス下流側に熱伝達を促進する渦が発生するために、伝熱管７１ａの下流側外周面７１Ａａが乱流域になり温度の高い燃焼ガスと次々に熱伝達することが可能となる。このため、伝熱管７１ａ内を流通する流体が伝熱管７１ａの下流側外周面７１Ａａを介した燃焼ガスとの対流熱伝達係数Ｒｃが増加する。
【００３８】
図５に示すように、施工範囲θを狭くするほど伝熱管７１ａの燃焼ガス流通方向の下流端部の紙面右側または左側で燃焼ガスの熱伝達を促進する渦の発生頻度が増加しはじめて対流熱伝達係数Ｒｃが増加する。またさらに、図６に示すように、施工範囲θを１２０°より狭くすると、伝熱管７１ａの燃焼ガス流通方向の下流端部の紙面右側と左側の両方で燃焼ガスの熱伝達を促進する渦の発生頻度が増加し、伝熱管７１ａの燃焼ガス下流側に矢印で示す燃焼ガスの渦が一層に発生し易くなる。
【００３９】
以上のように、施工範囲θを広くすることにより伝熱管７１ａ〜７１ｊの熱吸収量Ｑが減少するが、燃焼ガスの圧力損失や渦抑制部７５の施工性も考慮する必要がある。図７は、渦抑制部７５の施工範囲と圧力損失及び施工性の関係を示す図である。図７において、実線は施工範囲θと節炭器７０を流通する燃焼ガスの圧力損失との関係を示す。
【００４０】
施工範囲θを１２０°より狭くした場合、前述した伝熱管７１ａの燃焼ガス下流側に燃焼ガスの渦が一層に発生することで燃焼ガスの流通に対して抵抗となるため、伝熱管パネル７１と伝熱管パネル７２の間、及び伝熱管パネル７２と伝熱管パネル７３の間を流通する燃焼ガスに大きな圧力損失が生じてしまう。また、施工範囲θを１８０°より広くした場合、伝熱管パネル７１と伝熱管パネル７２との間隔、及び伝熱管パネル７２と伝熱管パネル７３との間隔が狭くなるため、伝熱管パネル７１と伝熱管パネル７２の間、及び伝熱管パネル７２と伝熱管パネル７３の間を流通する燃焼ガス流路が狭くなり大きな圧力損失が生じてしまう。
【００４１】
図７において、破線は施工範囲θと節炭器７０へ渦抑制部７５を施工する際の施工性との関係を示す。
渦抑制部７５の施工はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３又は、ＳｉＣの少なくとも何れかを含む粘土状のセラミックス原料から耐火材を形成するため、施工範囲θを１２０°より狭くした場合、渦抑制部７５を非常に狭い肉厚で施工する必要があり、施工性が低くなる。また、施工範囲θを１８０°より広くした場合、渦抑制部７５を非常に厚い肉厚で施工する必要があり、施工性が低くなる。
以上のように、施工範囲θを１２０°より狭くあるいは１８０°より広くすると、圧力損失が高く、かつ渦抑制部７５の施工性が低くなることから、施工範囲θを１２０°以上かつ１８０°以下が好ましい。
【００４２】
本実施形態の節炭器７０は、燃焼ガス流通方向に隣接して配置される一対の伝熱管（例えば、伝熱管７１ａと伝熱管７１ｂ）の間に配置されるとともに耐火材を保持する保持部（スタッド）７６を備える。図３に示すように、保持部７６は、伝熱管７１ａと伝熱管７１ｂに両端部が点溶接される金属製（例えば、低合金鋼、ステンレス鋼など）の第１棒状部材７６ａと、第１棒状部材７６ａに溶接されるとともに第１棒状部材７６ａと交差して配置される第２棒状部材７６ｂとを備える。図２に示すように、保持部７６は、伝熱管が延びる交差方向に沿った複数箇所に配置されている。保持部７６は、第１棒状部材７６ａと第２棒状部材７６ｂとの回りにセラミック原料からなる耐火材を固着させることで、渦抑制部７５を保持している。
【００４３】
次に、本実施形態の節炭器７０の設置方法について説明する。
第１に、図２に示すように、複数の伝熱管７１ａ〜７１ｊを、燃焼ガス流通方向に沿って配置間隔Ｐで配置する。作業者は、複数の伝熱管７１ａ〜７１ｊを単一の流路を形成するように連結する。
第２に、複数の伝熱管７１ａ〜７１ｊのそれぞれの燃焼ガス流通方向の下流側外周面の近傍に、燃焼ガスの熱伝達を促進する渦が発生することを抑制する複数の渦抑制部７５を配置する。この際、渦抑制部７５が伝熱管７１ａ〜７１ｊの下流側外周面に接触した状態とする。
【００４４】
次に、本実施形態の節炭器７０が奏する作用及び効果について説明する。
本実施形態の節炭器７０によれば、複数の伝熱管７１ａ〜７１ｊのそれぞれの燃焼ガス流通方向の下流側外周面に渦抑制部７５が接触した状態で配置されるため、燃焼ガスが伝熱管７１ａ〜７１ｊを通過する際に伝熱管７１ａ〜７１ｊの下流側に熱伝達を促進する渦が発生する現象が抑制される。そのため、伝熱管７１ａ〜７１ｊの下流側外周面から燃焼ガスの熱が伝熱管７１ａ〜７１ｊ内に流通する水や蒸気などの流体に熱伝達されることによる熱吸収量を低減することができる。
【００４５】
本実施形態の節炭器７０において、伝熱管７１ａ〜７１ｊの配置間隔Ｐは、伝熱管７１ａ〜７１ｊの外径Ｄの１．５倍以上である。複数の伝熱管７１ａ〜７１ｊの燃焼ガス流通方向の配置間隔Ｐが伝熱管７１ａ〜７１ｊの外径Ｄの１．５倍以上である場合、伝熱管７１ａ〜７１ｊの燃焼ガスと伝熱管７１ａ〜７１ｊ内を流通する流体との間の熱伝達は、主として対流熱伝達で行われる。
【００４６】
このため、燃焼ガス下流側に発生する熱伝達を促進する渦に対して、複数の渦抑制部７５により、燃焼ガスが伝熱管７１ａ〜７１ｊを通過する際に伝熱管７１ａ〜７１ｊの燃焼ガス流通方向の下流側に熱伝達を促進する渦が発生する現象が抑制されることで、燃焼ガスと伝熱管７１ａ〜７１ｊ内を流通する流体との間の熱伝達による熱吸収量を低減することができる。
【００４７】
本実施形態の節炭器７０において、渦抑制部７５は、伝熱管７１ａ〜７１ｊの長手方向中心軸Ｘ回りの周方向において、伝熱管７１ａ〜７１ｊの流通方向の下流側端部を中心とした１２０°以上かつ１８０°以下の施工範囲θで、下流側外周面に接触した状態で配置される。
【００４８】
渦抑制部７５が伝熱管７１ａ〜７１ｊの下流側外周面に接触する範囲を１２０°以上とすることにより、燃焼ガスが伝熱管７１ａ〜７１ｊを通過する際に伝熱管７１ａ〜７１ｊの燃焼ガス流通方向の下流側に熱伝達を促進する渦が発生する現象が効果的に抑制される。また、渦抑制部７５が伝熱管７１ａ〜７１ｊの下流側外周面に接触する範囲を１８０°以下とすることにより、節炭器７０の熱吸収量が過度に低下することを抑制し、隣接して配置される他の複数の伝熱管７１ａ〜７１ｊとの間隔が過度に狭くなることで燃焼ガスが流通する際の圧力損失が増加することを抑制することができる。
【００４９】
本実施形態の節炭器７０において、渦抑制部７５は、燃焼ガス流通方向の上流側に配置される伝熱管７１ａの下流側外周面７１Ａａと、伝熱管７１ａの燃焼ガス流通方向の下流側に隣接して配置される伝熱管７１ｂの上流側外周面７１Ｂｂとの双方に接触した状態で配置される。
伝熱管７１ａと伝熱管７１ｂとの間の燃焼ガス流通方向の隙間を埋めるように渦抑制部７５が配置されるため、比較的容易な設置作業により渦抑制部７５を設置することができる。
【００５０】
本実施形態の節炭器７０において、渦抑制部７５は、ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３の少なくとも何れかを含む耐火材である。耐熱性と耐摩耗性に優れて汎用的に用いられるＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３を含む耐火材を用いることにより、比較的安価で燃焼ガスに対して耐久性のある材料により渦抑制部７５を形成することができる。
【００５１】
本実施形態の節炭器７０は、燃焼ガス流通方向に隣接して配置される一対の伝熱管７１ａ〜７１ｊの間に配置されるとともに耐火材を保持する保持部７６を備える。保持部７６により耐火材である渦抑制部７５を保持することにより、耐火材の施工を容易にするとともに、経年劣化等により耐火材が伝熱管から剥離することを抑制することができる。
【００５２】
本実施形態の保持部７６は、一対の伝熱管７１ａ，７１ｂに両端部が溶接される金属製の第１棒状部材７６ａと、第１棒状部材７６ａに溶接されるとともに第１棒状部材７６ａと交差して配置される金属製の第２棒状部材７６ｂとを備える。
第１棒状部材７６ａと第２棒状部材７６ｂを交差して配置することにより、耐火材を一対の伝熱管７１ａ，７１ｂの隙間に適切に保持することができる。また、第１棒状部材７６ａの両端部が一対の伝熱管に溶接されており、第１棒状部材７６ａから一対の伝熱管７１ａ，７１ｂへの熱伝達が可能であるため、燃焼ガスの熱によって保持部７６が焼損することを抑制することができる。
【００５３】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
【００５４】
第１実施形態の節炭器７０において、渦抑制部７５は、燃焼ガス流通方向の上流側に配置される伝熱管７１ａの下流側外周面７１Ａａと、伝熱管７１ａの燃焼ガス流通方向の下流側に隣接して配置される伝熱管７１ｂの上流側外周面７１Ｂｂとの双方に接触した状態で配置されるものであった。
それに対して本実施形態の節炭器７０Ａにおいて、渦抑制部７５Ａは、燃焼ガス流通方向の上流側に配置される伝熱管７１ａの下流側外周面７１Ａａに接触して配置される一方で、伝熱管７１ａの燃焼ガス流通方向の下流側に隣接して配置される伝熱管７１ｂの上流側外周面７１Ｂｂには接触しない点で相違している。
【００５５】
図８に示すように、本実施形態の節炭器７０Ａにおいて、渦抑制部７５Ａは、燃焼ガス流通方向の上流側に配置される伝熱管７１ａの下流側外周面７１Ａａのみに接触している。渦抑制部７５Ａは、伝熱管７１ａの燃焼ガス流通方向の下流側に隣接して配置される伝熱管７１ｂの上流側外周面７１Ｂｂには接触していない。これは、燃焼ガスが伝熱管７１ａを通過する際に伝熱管７１ａの下流側に熱伝達を促進する渦が発生することを抑制するためには、伝熱管７１ａの下流側外周面７１Ａａのみに渦抑制部７５Ａを接触させれば十分であるからである。
【００５６】
本実施形態による渦抑制部７５Ａは、温度上昇などで伝熱管７１ａと燃焼ガス流通方向の下流側に隣接して配置される伝熱管７１ｂとの隙間が変位した場合にも、渦抑制部７５Ａと伝熱管７１ｂとの干渉を抑制できるので、渦抑制部７５Ａが伝熱管７１ａから剥離することを抑制することができる。
【００５７】
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態は、第１実施形態及び第２実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態及び第２実施形態と同様であるものとする。
【００５８】
第１実施形態及び第２実施形態は、渦抑制部７５，７５Ａとして、渦抑制部７５は、ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３の少なくとも何れかを含む耐火材を用いるものであった。
それに対して、本実施形態は、燃焼ガスの流通方向に交差する交差方向に沿って延びる管体である点で相違している。
【００５９】
図９に示すように、本実施形態の節炭器７０Ｂにおいて、渦抑制部７５Ｂは、燃焼ガスの流通方向に交差する交差方向に沿って伝熱管７１ａ〜７１ｄの長手軸方向と同方向に延びる管体である。渦抑制部７５Ｂは、複数の伝熱管７１ａ〜７１ｄのそれぞれの下流側外周面７１Ａａ〜７１Ａｄに接触した状態で配置される。
本実施形態によれば、伝熱管７１ａ〜７１ｄの燃焼ガス流通方向の下流側外周面７１Ａａ〜７１Ａｄに接触させて管体である渦抑制部７５Ｂを配置することにより、燃焼ガスが伝熱管７１ａ〜７１ｄを通過する際に伝熱管７１ａ〜７１ｄの燃焼ガス流通方向の下流側の直ぐ下流に熱伝達を促進する渦が発生する現象が抑制される。
【００６０】
〔他の実施形態〕
以上の説明においては、節炭器７０，７０Ａ，７０Ｂに渦抑制部７５，７５Ａ，７５Ｂを設けるものであったが、他の態様であってもよい。例えば、再熱器６０に渦抑制部を設けるようにしてもよい。すなわち、輻射伝熱を主体にすることなく、主として対流熱伝達で行われるように、伝熱管の外径の１．５倍以上の配置間隔で複数の伝熱管を配置するものであれば、他の熱交換器であってもよい。
【００６１】
また、以上で説明した渦抑制部７５，７５Ａ，７５Ｂは、石炭焚きボイラをガス焚きボイラに改造する際に、多大な工数を要することなく燃焼ガスからの熱吸収量を低減することに特に有効であるが、他の態様であってもよい。例えば、石炭焚きボイラで用いる石炭として以前よりも単位重量あたりの発熱量が大きいものを用いる場合に、本実施形態の渦抑制部７５，７５Ａ，７５Ｂを採用してもよい。すなわち、熱吸収量を低下させる必要がある熱交換器を備えるボイラであれば、ガス焚きボイラ以外の他のボイラであっても適用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１０    ボイラ
２０    バーナ
３０    火炉
４０    煙道
５０    過熱器
６０    再熱器
７０，７０Ａ，７０Ｂ  節炭器（熱交換器）
７１，７２，７３  伝熱管パネル
７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ  伝熱管
７５，７５Ａ，７５Ｂ  渦抑制部
７６    保持部（スタッド）
７６ａ  第１棒状部材
７６ｂ  第２棒状部材
【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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