(57)【要約】【課題】電気絶縁のための構成が簡単で装置が小形化され、蒸発管における熱流束が均一化されて熱効率のよい直接加熱式強制循環形電気ボイラーを提供する。【解決手段】循環水を電熱によって加熱して気液二相の加熱水を生成する蒸気発生器３ａと、この蒸気発生器３ａから前記加熱水を供給されて蒸気と高温液体に分離し蒸気を外部へ供給すると共に前記高温液体を前記蒸気発生器３ａに循環水として供給する蒸気ドラム２とを備え、前記蒸気発生器３ａは、直径の異なる複数の蒸発管２２，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１９が同軸状に配置され前記蒸発管に電流が流され前記蒸発管の相互間に循環水が通流される蒸発管ユニット１５を備えている構成とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環水を電熱によって加熱して気液二相の加熱水を生成する蒸気発生器と、この蒸気発生器から前記加熱水を供給されて蒸気と高温液体に分離し蒸気を外部へ供給すると共に前記高温液体を前記蒸気発生器に循環水として供給する蒸気ドラムとを備え、前記蒸気発生器は、直径の異なる複数の蒸発管が同軸状に配置され前記蒸発管に電流が流され前記蒸発管の相互間に循環水が通流される蒸発管ユニットを備えていることを特徴とする直接加熱式強制循環形電気ボイラー。
【請求項２】
前記蒸発管ユニットは、隣り合う蒸発管を電気接続する接続端子と、この接続端子と反対側の端部を塞ぎ電気絶縁材から構成される閉止板とを備え、最内周の蒸発管は三相交流電源に接続され、最外周の蒸発管は接地されていることを特徴とする請求項１記載の直接加熱式強制循環形電気ボイラー。
【請求項３】
前記蒸発管は、管板厚の選定により電気抵抗率が変化させられ、各々の蒸発管の発熱量が調整されていることを特徴とする請求項２記載の直接加熱式強制循環形電気ボイラー。
【請求項４】
前記蒸発管の相互間の間隙長の選定により流路断面積が変化させられ、各々の蒸発管内流速が調整されていることを特徴とする請求項３記載の直接加熱式強制循環形電気ボイラー。
【請求項５】
前記蒸発管の相互間の接続はネジ込み構造によることを特徴とする請求項２記載の直接加熱式強制循環形電気ボイラー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、循環水を通流する蒸発管に交流電流を通電し、蒸発管の電気抵抗による発熱で循環水を加熱して蒸気を発生させる直接加熱式強制循環形電気ボイラーの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直接加熱式強制循環形電気ボイラーの一般的な構成は図３に示すようになっている。即ち、給水タンク１と、蒸気ドラム２と、蒸気発生器３と、ボイラー変圧器４をおもな構成要素とする。蒸気ドラム２と蒸気発生器３の間に連絡管５ａ，５ｂ及び循環ポンプ６を介する循環ループを構成し、循環ポンプ６により蒸気ドラム２のボイラー水をＵ字形の蛇行形状をした蒸発管１０内に強制循環させると共にボイラー変圧器４からブスバー１４を介して三相交流を直接印加し、蒸発管１０自体の電気抵抗による発熱で蒸気を発生させる。
【０００３】
この電気ボイラーでは、強制循環された循環水は蒸気発生器３内の蒸発管１０の発熱で加熱され二相流となり蒸気ドラム２に戻り、ここで気相と液相に分離される。ここでの蒸気ドラム２内は飽和状態となっており、気液二相の加熱水は蒸気ドラム２内の気液分離装置で蒸気と高温の液体に分離された後、蒸気は止め弁８，主蒸気管９を介して蒸気使用負荷に供給される。
【０００４】
蒸気発生器３は、ボイラーの入口出口の管寄せ１１，１２の間に蒸発管１０が接続されている。この蒸発管１０は図のようにＵ字形に交互に曲げられた構造をしており、入口出口管寄せ１１，１２に平行に整列している。蒸発管１０の中央部分には電源端子１３が設置されて蒸発管１０の一本毎にボイラー変圧器４の出力の三相交流が交互に接続され、他方、入口出口管寄せ１１，１２部近傍で接地されている。
【０００５】
蒸発管１０の中央に三相交流を印加すると、蒸発管１０自体の電気抵抗により蒸発管１０は発熱し、入口管寄せ１１から流入した循環水に熱を伝えることで加熱し、出口管寄せ１２部分では蒸気と循環水の二相流状態となって出口管寄せ１２から流出する。一方、電気的には蒸発管１０中央部に設置された電源端子１３から蒸発管１０の一本毎にＲ，Ｓ，Ｔ相が交互に印加されているため、入口出口管寄せ１１，１２部分の電位は合成されて電位０（中性点）となり、蒸気発生器３の外面は、中性となり電気的に安全となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の直接加熱式強制循環形電気ボイラーの蒸気発生器３は前記のような構造をしており、蒸発管１０がＵ字形の蛇行形状をしており、各々の蒸発管１０には異なる相の電圧が印加されるので互いの絶縁を確保する必要がある。このため、各々の蒸発管１０は、電気絶縁材を介してディスタンスロッドで拘束され絶縁を保っている。また、蒸気発生器３全体としては蒸発管１０をサポートする必要があるため、構造枠に絶縁材を介した支持部材が配置され、蒸発管１０をサポートしている。
【０００７】
このように従来の直接加熱式強制循環形電気ボイラーは、蒸発管１０の形状から電気的絶縁を確保しながら蒸発管１０をサポートしなければならず、構造上の制約が多い。
【０００８】
また、循環水は蒸発管１０の内部を流れることから、伝熱は蒸発管１０の内面のみで行われ、蒸発管１０の外面からは外部へ放熱してしまうため、蒸気発生器３全体として保温をし熱損失を防止している。このため、保温表面は蒸気発生器３の全体を覆う保温となり、蒸気発生器３が大型になっている。
【０００９】
また、蒸発管１０内部流体は、出口管寄せ１２に向かうにつれて二相流となり、蒸発管１０出口付近の流速は非常に高速となり、且つ蒸発管１０はＵ字形の蛇行形状をしているため、エロージョンが発生するおそれがある。
【００１０】
そこで本発明は、電気絶縁のための構成が簡単で装置が小形化され、蒸発管における熱流束が均一化されて熱効率のよい直接加熱式強制循環形電気ボイラーを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、循環水を電熱によって加熱して気液二相の加熱水を生成する蒸気発生器と、この蒸気発生器から前記加熱水を供給されて蒸気と高温液体に分離し蒸気を外部へ供給すると共に前記高温液体を前記蒸気発生器に循環水として供給する蒸気ドラムとを備え、前記蒸気発生器は、直径の異なる複数の蒸発管が同軸状に配置され前記蒸発管に電流が流され前記蒸発管の相互間に循環水が通流される蒸発管ユニットを備えている構成とする。
【００１２】
この発明によれば、電気絶縁のための構成が簡単で装置が小形化され、蒸発管における熱流束が均一化されて熱効率のよい直接加熱式強制循環形電気ボイラーを提供することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記蒸発管ユニットは、隣り合う蒸発管を電気接続する接続端子と、この接続端子と反対側の端部を塞ぎ電気絶縁材から構成される閉止板とを備え、最内周の蒸発管は三相交流電源に接続され、最外周の蒸発管は接地されている構成とする。
【００１４】
この発明によれば、最内周蒸発管に流入した循環水は、多重管構造となった蒸発管で各々の蒸発管内を折り返しながら蒸発管から伝熱加熱され最外周蒸発管へと流れ、蒸気を含んだ二相流となって出口管寄せに流出することで蒸気を発生させることができる。また、各々隣接した蒸発管を接続する接続端子により電気的に直列に接続された構成とするので、蒸気発生器自体をコンパクト化することができる。さらに、電気的には蒸発管中央部に設置された電源端子から蒸発管一本毎にＲ，Ｓ，Ｔ相が交互に印加される為、最外周蒸発管部分の電位は合成されて電位０（中性点）となり最外周蒸発管は接地されるため中性点となり電気的に安全であり、蒸発管ユニットのサポートを最外周蒸発管から直接とることができるようになり、電気的な絶縁処置が不要である。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記蒸発管は、管板厚の選定により電気抵抗率が変化させられ、各々の蒸発管の発熱量が調整されている構成とする。
この発明によれば、最外周蒸発管以外は、管の内外面の両面からほぼ同じ圧力を受けることになるため、耐圧部とはならない。このため、蒸発管の板厚は強度の制約を受けないので、板厚による電気的特性（電気抵抗）を自由に選定できる。即ち、板厚により電気的特性（電気抵抗）は決定されるため、内筒となる蒸発管は直径が相違しても電気抵抗率を同一にすることで、蒸発管の熱流束を同一にすることができる。また、蒸発管の発熱は管の内外面の両側から流体に伝熱されることから伝熱効率が向上する。
【００１６】
請求項４記載の発明は、前記蒸発管の相互間の間隙長の選定により流路断面積が変化させられ、各々の蒸発管内流速が調整されている構成とする。
この発明によれば、内部流体は、外周に向かうにつれて気液二相流となる為従来の蒸発管では出口付近の流速は非常に高速となり、エロージョンの心配があったが、多重管構造とし蒸発管と蒸発管の間隙長を適切に設定することで、蒸発管内の流体状態に最適な流路を設計できる。即ち、流路断面積を自由に選定できるのでエロージョンに対する耐性を向上させることができる。
【００１７】
請求項５記載の発明は、前記蒸発管の相互間の接続はネジ込み構造による構成とする。
この発明によれば、蒸発管同士の接続端子をネジ構造とすることにより接触面積を大きくとることができ、接触不良を防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の直接加熱式強制循環形電気ボイラーを図１，図２を参照して説明する。
図１は、本実施の形態の直接加熱式強制循環形電気ボイラーの蒸気発生器回りの全体図を示す。大気圧状態の給水タンク１内の給水は給水管７を介して給水ポンプ７Ｐにより蒸気ドラム２に送水される。送水された給水は連絡管５ａを介して循環ポンプ６により蒸気発生器３ａに送られ、気液二相流の加熱水となって連絡管５ｂを介して再び蒸気ドラム２に戻る。蒸気ドラム２に流入した気液二相の加熱水は蒸気ドラム２内の気液分離装置で蒸気と高温の液体に分離した後、蒸気は止め弁８と主蒸気管９を介して蒸気使用負荷に供給される。
【００１９】
蒸気発生器３ａには入口管寄せ１１と蒸発管ユニット１５と出口管寄せ１２が設けられている。蒸発管ユニット１５は２本が１対として配置され、中央部に電源端子１３が取り付けられている。電源端子１３にはボイラー変圧器４からブスバー１４により三相交流電流が給電される。蒸発管ユニット１５は整列して入口管寄せ１１と出口管寄せ１２に接続され、各々にＲ，Ｓ，Ｔ三相交流が交互に接続されている。
【００２０】
蒸発管ユニット１５の詳細を図２に示す。蒸発管ユニット１５は蒸発管１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１９，２２が多重管となって配置されている。各々の蒸発管１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１９，２２は隣接した蒸発管１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１９，２２に取り付けられ開口１７ａを有する接続端子１７により結合され、電気的に直列に接続されている。接続端子１７の反対側の端子は絶縁材による閉止板１８により閉止されている。最外周蒸発管１９は入口管寄せ１１と出口管寄せ１２に接続される管台２０に取り付けられている。また、最外周蒸発管１９には接地端子２１が取り付けられ中性点として接地されている。
【００２１】
蒸発管ユニット１５内における流体の流れとしては、蒸気ドラム２より循環ポンプ６を介して蒸発管ユニット１５の最内周蒸発管２２に送られ、多重管構造となった蒸発管２２，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１９で各々の蒸発管２２，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１９内を折り返しながら流れる。そして、蒸発管２２，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１９から伝熱加熱され最外周蒸発管１９へと流れ、蒸気を含んだ二相流となって出口管寄せ１２に流出することで蒸気を発生させる。
【００２２】
このような蒸発管ユニット１５は、最外周蒸発管１９の外径で高々１００ｍｍ程度にすることも可能であり、蒸発管ユニット１５を図１のように配置すると蒸気発生器３ａの形状を大幅に縮小でき、蒸気発生器３ａをコンパクトにすることができる。
【００２３】
電気的には蒸発管ユニット３ａの中央部に設置された電源端子１３から蒸発管一本毎にＲ，Ｓ，Ｔ相が交互に印加されているため、最外周蒸発管１９の電位は合成されて電位０（中性点）となり、最外周蒸発管１９は接地されるため中性点となり電気的に安全である。したがって、蒸発管ユニット１５のサポートを最外周蒸発管１９から直接とることができるようになり、電気的な絶縁処置が不要となる。
【００２４】
最外周蒸発管１９以外は、管の内外面の両面からほぼ同じ圧力を受けることになるため、耐圧部とはならない。このため、蒸発管２２，１６ａ，１６ｂ，１６ｃの板厚は強度の制約を受けないので、板厚による電気的特性（電気抵抗）を自由に選定できる。即ち、板厚により電気的特性（電気抵抗）は決定されるため、内筒となる蒸発管は直径が相違しても電気抵抗率を同一にすることで、蒸発管の熱流束を同一にすることができる。また、蒸発管の発熱は管の内外面の両側から流体に伝熱されることから伝熱効率が向上する。
【００２５】
内部流体は下流側に向かうにつれて気液二相流となるため、従来の蒸発管では出口付近の流速は非常に高速となり、エロージョンの危険があったが、本実施の形態においては多重管構造とし、蒸発管と蒸発管の間の間隙長を適切に設定することで蒸発管内の流体状態に最適な流路を形成することができる。即ち、流路断面積を自由に選定できるのでエロージョンに対する耐性を向上させることができる。
【００２６】
さらに、蒸発管同士を接続する接続端子１７をネジ構造とすることにより接触面積を大きくとることができ、接触不良を防止することができる。接続端子１７はネジ構造の他、ボルトや圧着などの構成でもよい。
【００２７】
また、接続端子１７に大きな開口１７ａを設けることによって流体の抵抗を減少させることができる。また、蒸発管内流量分布にアンバランスが生じないようにするため、入口側の接続端子１７の開口１７ａを蒸発管内圧損より十分大きな抵抗を持つように開口寸法を調整することで、入口管寄せ１１内の圧力分布の影響をなくし、各蒸発管内流量を一定にすることができ、一部の蒸発管の局所的な異常発熱を防止することができる。
さらにまた、管台２０を用いた接続により蒸発管ユニット１５の数を増減させ、必要とされる蒸発量に合わせることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、電気絶縁のための構成が簡単で装置が小形化され、蒸発管における熱流束が均一化されて熱効率のよい直接加熱式強制循環形電気ボイラーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の直接加熱式強制循環形電気ボイラーの機器構成および接続関係を示す図。
【図２】本発明の実施の形態の直接加熱式強制循環形電気ボイラーにおける蒸発管ユニットを示し、（ａ）は全体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ部詳細図。
【図３】従来の直接加熱式強制循環形電気ボイラーを示す図。
【符号の説明】
１…給水タンク、２…蒸気ドラム、３，３ａ…蒸気発生器、４…ボイラー変圧器、５ａ，５ｂ…連絡管、６…循環ポンプ、７…給水管、７Ｐ…給水ポンプ、８…止め弁、９…主蒸気管、１０，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…蒸発管、１１…入口管寄せ、１２…出口管寄せ、１３…電源端子、１４…ブスバー、１５…蒸発管ユニット、１７…接続端子、１７ａ…開口、１８…閉止板、１９…最外周蒸発管、２０…管台、２１…接地端子、２２…最内周蒸発管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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