(57)【要約】【課題】ボイラの内部の圧力の変動等にかかわらず、返送ラインにおけるキャビテーションの発生を抑制できるボイラ装置を提供すること。【解決手段】蒸気を生成するボイラ１０と、ボイラ１０に水を供給する給水ライン３０と、給水ライン３０に設けられる給水ポンプ３１と、一端が給水ライン３０における給水ポンプ３１の下流側に接続され、給水ライン３０を流通する水の一部又は全部を返送する返送ライン４０と、返送ライン４０に所定間隔をあけて配置される複数のオリフィス５０ａ〜５０ｆと、を備え、複数のオリフィス５０ａ〜５０ｆの開口径は、上流側から下流側に向かって徐々に大きくなっているボイラ装置１。【選択図】図１
2015102261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を生成するボイラと、
前記ボイラに水を供給する給水ラインと、
前記給水ラインに設けられる給水ポンプと、
一端が前記給水ラインにおける給水ポンプの下流側に接続され、該給水ラインを流通する水の一部又は全部を返送する返送ラインと、
前記返送ラインに所定間隔をあけて配置される複数のオリフィスと、を備え、
前記複数のオリフィスの開口径は、上流側から下流側に向かって徐々に大きくなっているボイラ装置。
【請求項２】
前記返送ラインの内径と前記オリフィスの開口径との比は、該複数のオリフィスそれぞれの下流側におけるキャビテーション数が、初生キャビテーション数を上回るように設定される請求項１に記載のボイラ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ装置に関する。より詳細には、ボイラに水を供給する給水ラインに設けられた給水ポンプを保護するために、給水ラインを流通する水の一部を給水ポンプの２次側から１次側に循環させるボイラ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気を生成するボイラと、このボイラに水を供給する給水ラインと、この給水ラインに設けられる給水ポンプと、を備えるボイラ装置が広く用いられている。このようなボイラ装置では、給水ポンプの出力を制御することでボイラへの給水量を調整している。また、給水ポンプを保護することを目的として、給水ラインを流通する水の一部を給水ポンプの２次側から１次側に循環させる返送ラインを備えるボイラ装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１７０７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような返送ラインを備えるボイラ装置では、返送ラインにオリフィスを配置して、循環される水の量及び圧力を調整している。ここで、ボイラの内部の圧力（蒸気圧）は、所定の幅で変動する。そして、ボイラの蒸気圧に応じて、ボイラに給水を行う給水ポンプの出力も変動する。そのため、ボイラの蒸気圧が高い場合には、この高圧のボイラに給水を行うために給水ポンプの出力も大きくなり給水ポンプの２次側の圧力も高くなる。そして、給水ポンプの２次側の圧力が高くなることに起因して、返送ラインにおけるオリフィスの前後の圧力差が大きくなり、返送ラインにおいてキャビテーションが発生してしまう場合があった。
【０００５】
従って、本発明は、ボイラの内部の圧力の変動等にかかわらず、返送ラインにおけるキャビテーションの発生を抑制できるボイラ装置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】
【０００６】
本発明は、蒸気を生成するボイラと、前記ボイラに水を供給する給水ラインと、前記給水ラインに設けられる給水ポンプと、一端が前記給水ラインにおける給水ポンプの下流側に接続され、該給水ラインを流通する水の一部又は全部を返送する返送ラインと、前記返送ラインに所定間隔をあけて配置される複数のオリフィスと、を備え、前記複数のオリフィスの開口径は、上流側から下流側に向かって徐々に大きくなっているボイラ装置に関する。
【０００７】
また、前記返送ラインの内径と前記オリフィスの開口径との比は、該複数のオリフィスそれぞれの下流側におけるキャビテーション数が、初生キャビテーション数を上回るように設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のボイラ装置によれば、返送ラインにおけるキャビテーションの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るボイラ装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るボイラ装置の構成を示す図である。
【図３】開口比（オリフィス開口径／返送ラインの内径）と、キャビテーション数及び初生キャビテーション数と、の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明のボイラ装置１の好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。まず、第１実施形態のボイラ装置１について、図１を参照しながら説明する。
第１実施形態のボイラ装置１は、図１に示すように、ボイラ１０と、給水タンク２０と、給水ライン３０と、この給水ライン３０に配置される給水ポンプ３１及び逆止弁３２と、返送ライン４０と、この返送ライン４０に配置される複数のオリフィス５０と、を備える。
【００１１】
ボイラ１０は、ガスや油等の燃料を燃焼させて水を加熱することで蒸気を生成する。ボイラ１０で生成された蒸気は、蒸気供給ライン１１を介して蒸気使用設備１２に供給される。
給水タンク２０は、ボイラ１０に供給するための水を貯留する。
【００１２】
給水ライン３０は、給水タンク２０とボイラ１０とを接続し、給水タンク２０に貯留された水をボイラ１０に供給する。
給水ポンプ３１は、給水タンク２０側から供給される水を昇圧してボイラ１０側に吐出する。
逆止弁３２は、給水ライン３０における給水ポンプ３１の下流側に配置される。この逆止弁３２は、給水ライン３０を流通する水がボイラ１０側から給水タンク２０側に逆流することを防止する。
【００１３】
返送ライン４０は、一端側が給水ライン３０における給水ポンプ３１の下流側（２次側）、より具体的には、給水ポンプ３１と逆止弁３２との間に接続され、他端側が給水ライン３０における給水ポンプ３１の上流側に接続される。この返送ライン４０は、給水ライン３０を流通する水の少なくとも一部を返送する。
複数のオリフィス５０は、返送ライン４０に所定間隔をあけて配置される。第１実施形態では、６つのオリフィス５０ａ〜５０ｆが配置される。
オリフィス５０は、返送ライン４０の内径よりも小さな径の開口を有し、返送ライン４０を流通する水が所定の流量となるように制限する。複数のオリフィス５０の詳細については、後述する。
【００１４】
以上のボイラ装置１によれば、給水タンク２０に貯留された水は、給水ライン３０を流通してボイラ１０に供給される。ここで、給水ライン３０を流通する水は、給水ポンプ３１により昇圧されてボイラ１０に送り込まれる。また、給水ライン３０を流通する水の一部は、返送ライン４０を通って給水ライン３０における給水ポンプ３１の１次側に返送（循環）される。このとき、返送ライン４０を流通する水の流量は、複数のオリフィス５０によって所定の量に制限される。また、返送ライン４０を流通する水の圧力は、複数のオリフィス５０によって徐々に降圧される。
ボイラ１０では、給水ライン３０から供給された水が燃料を燃焼させることにより加熱され、蒸気が生成される。ボイラ１０で生成された蒸気は、蒸気供給ライン１１を介して蒸気使用設備１２に供給される。
【００１５】
ここで、給水ライン３０を流通する水の圧力は、ボイラ１０の内部の圧力（蒸気圧）に応じて変動する。即ち、ボイラ１０の内部の圧力が高い場合には、この高圧のボイラ１０に給水を行うために、給水ライン３０（給水ポンプ３１の２次側）の圧力も高くする必要がある。このように、給水ポンプ３１の２次側の圧力が高くなった場合には、返送ライン４０を流通する水の圧力も高くなり、返送ライン４０におけるオリフィス５０の前後の圧力差が大きくなる。その結果、オリフィスの開口径を小さくして急激に圧力を変化させた場合には、返送ライン４０においてキャビテーションが発生してしまう場合がある。
【００１６】
そこで、第１実施形態では、返送ライン４０に複数のオリフィス５０ａ〜５０ｆを配置した。そして、複数のオリフィス５０ａ〜５０ｆの開口径が、返送ライン４０上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように、これら複数のオリフィス５０ａ〜５０ｆを配置した。これにより、複数のオリフィス５０それぞれの上流側と下流側との圧力差を大きくしすぎることなく、返送ライン４０を流通する水の圧力を徐々に低下させられる。
【００１７】
より具体的には、第１実施形態では、複数のオリフィス５０の数量及びそれぞれのオリフィス５０の開口径は、給水ポンプ３１の２次側圧力が想定される最大値であった場合において、各オリフィス５０の２次側におけるキャビテーション数が初生キャビテーション数を上回るように設計される。
【００１８】
ここで、キャビテーション数（σ）とは、キャビテーションの発達の程度を表す指標であり、以下の式（１）により定義される。
【００１９】
σ＝（Ｐ０−Ｐｖ）／（ρｖ２／２）            （１）
（Ｐｖ：大気圧に対する水蒸気圧力、ρ：水の密度、ｖ：管内平均流速、Ｐ０：局所圧力）
【００２０】
また、このキャビテーション数は、以下の式（２）又は（３）によって規定される場合もある。
【００２１】
σ＝（Ｐｄ−Ｐｖ）／（Ｐｕ−Ｐｄ）              （２）
σ＝（Ｐｄ−Ｐｖ）／（Ｐｕ＋ρｖ０２／２−Ｐｄ）  （３）
（Ｐｕ：オリフィス１次側の圧力、ｖ０：局所流速）
【００２２】
また、初生キャビテーション数とは、上記式（１）におけるオリフィス２次側の圧力及び速度を変化させ、キャビテーションが発生し始める状態のキャビテーション数を表したものである。即ち、上記式（１）により算出したキャビテーション数が初生キャビテーション数以下となった場合には、当該オリフィスの２次側においてキャビテーションが発生する可能性が高くなることを表す。
初生キャビテーション数は、例えば、「カンガイ用管水路の圧力調整に関する研究−１−複数個のオリフィスによる管内圧力調整に関する実験と考察」（黒田  正治．福田  哲郎．長  智男．  農業土木学会論文集／農業土木学会  編．（通号  ７８）  １９７８．１２．  ｐ５７〜６４  ＩＳＳＮ  ０３８７−２３３５）に記載の手法に基いて求めることができる。
【００２３】
このように、複数のオリフィス５０を、給水ポンプ３１の２次側圧力が想定される最大値であった場合において、各オリフィス５０の２次側におけるキャビテーション数が初生キャビテーション数を上回るように設定して配置することで、ボイラ１０の内部の圧力にかかわらず、返送ライン４０におけるキャビテーションの発生を抑制できる。
【００２４】
図３に、複数のオリフィス５０のキャビテーション数の設定方法の一例を示す。図３は、開口比（オリフィス開口径／返送ラインの内径）と、キャビテーション数及び初生キャビテーション数と、の関係を示す。この図３における初生キャビテーション数は、「カンガイ用管水路の圧力調整に関する研究−１−複数個のオリフィスによる管内圧力調整に関する実験と考察」（黒田  正治．福田  哲郎．長  智男．  農業土木学会論文集／農業土木学会  編．（通号  ７８）  １９７８．１２．  ｐ５７〜６４  ＩＳＳＮ  ０３８７−２３３５）に記載の手法に準じて求めた。
【００２５】
図３に示すように、所定の開口比における初生キャビテーション数を求め、当該求めた初生キャビテーション数を上回るように、複数のオリフィス５０それぞれの開口径を設定することで、返送ライン４０におけるキャビテーションの発生をより効果的に抑制できる。
尚、ここでは、複数のオリフィス５０それぞれのキャビテーション数は、初生キャビテーション数に所定の安全率（１．２程度）を乗じた値となるように設定されている。
【００２６】
以上説明した第１実施形態のボイラ装置１によれば、以下のような効果を奏する。
【００２７】
（１）返送ライン４０に複数のオリフィス５０ａ〜５０ｆを配置した。そして、複数のオリフィス５０ａ〜５０ｆの開口径が、返送ライン４０上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように、これら複数のオリフィス５０ａ〜５０ｆを配置した。これにより、複数のオリフィス５０それぞれの上流側と下流側との圧力差を大きくしすぎることなく、返送ライン４０を流通する水の圧力を徐々に低下させられる。よって、返送ラインにおけるキャビテーションの発生を抑制できる。
【００２８】
（２）複数のオリフィス５０ａ〜ｅを、給水ポンプ３１の２次側圧力が想定される最大値であった場合において、各オリフィス５０の２次側におけるキャビテーション数が初生キャビテーション数を上回るように設定して配置した。これにより、ボイラ１０の内部の圧力にかかわらず、返送ライン４０におけるキャビテーションの発生を抑制できる。
【００２９】
次に、本発明の第２実施形態に係るボイラ装置１Ａについて、図２を参照しながら説明する。尚、第２実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
【００３０】
第２実施形態のボイラ装置１Ａは、返送ライン４０Ａの構成において第１実施形態と異なる。第２実施形態では、返送ライン４０の他端側は、給水ライン３０ではなく、給水タンク２０に接続される。
第２実施形態のボイラ装置１Ａによれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００３１】
以上、本発明のボイラシステムの好ましい各実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、第１実施形態及び第２実施形態では、本発明を、大気開放された給水タンク２０からボイラ１０に給水を行うボイラ装置１に適用したが、これに限らない。即ち、本発明を、ボイラにより生成された蒸気が蒸気使用設備により使用されることで生じるドレンを、大気に開放することなく回収してボイラに給水するクローズドタイプのボイラ装置に適用してもよい。
【００３２】
また、第１実施形態及び第２実施形態では、返送ライン４０にオリフィス５０を６つ配置したが、これに限らない。即ち、返送ラインに配置されるオリフィスは、５つ以下（２つ以上）であってもよく、また、７つ以上であってもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１  ボイラ装置
１０  ボイラ
３０  給水ライン
３１  給水ポンプ
４０  返送ライン
５０ａ  オリフィス
５０ｂ  オリフィス
５０ｃ  オリフィス
５０ｄ  オリフィス
５０ｅ  オリフィス
５０ｆ  オリフィス
【図１】
2015102261.tif 000003
【図２】
2015102261.tif 000004
【図３】
2015102261.tif 000005