(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の上部管寄せと下部管寄せの間に多数の水管を相互に密閉状に連結して同心円状に設けた内側環状水管列および外側環状水管列と、内側環状水管列で囲繞された燃焼室と、内外の環状水管列の間に環状に設けた燃焼ガス通路と、前記内側環状水管列の略直径方向の対向する位置に軸方向に設けた一対の内側入口と、この一対の内側入口を結ぶ方向と略直交して対向する位置で外側環状水管列に軸方向に設けた一対の外側出口と、前記一対の外側出口を含む位置から外側環状水管列を半環状に囲繞する外壁と、この外壁の円周方向の中央に設けた燃焼ガス出口とから構成され、燃焼ガスを前記燃焼ガス通路内で４方向に分流させて接触伝熱させると共に、前記外壁と外側環状水管列の間を誘導通路として燃焼ガスを燃焼ガス出口へ導出するようにしたことを特徴とする４パス型多管式貫流ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蒸気ボイラ、温水ボイラ等に用いられる多管式貫流ボイラに関し、更に詳細には、接触伝熱部において燃焼ガスを４方向に分流させて燃焼ガスの圧力損失の極小化を図った４パス型多管式貫流ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多管式貫流ボイラとして、内側環状水管列と外側環状水管列を同心円状に配置した構造は知られている。
【０００３】
図５は第１従来例である１パス型多管式貫流ボイラの横断面構成図である。紙面の垂直方向の上下に上部管寄せと下部管寄せ（図示せず）があり、この上下管寄せ間に多数の水管６を立設している。これらの水管６は同心円状に二重に配列され、内側環状水管列８と外側環状水管列１０が形成されている。
【０００４】
内側環状水管列８の水管６は相互にスペーサ１２により連接されて、内部に密閉状の燃焼室１４を形成している。このスペーサ１２を一箇所取り除いた部分が燃焼ガスの内側入口１６となる。同様に外側環状水管列１０の水管６もスペーサ１２により連接され、内外の環状水管列８、１０の間に環状の燃焼ガス通路１８を形成する。
【０００５】
また、外側環状水管列１０のスペーサ１２を一箇所取り除いて燃焼ガスの外側出口２０とし、外壁２２上に形成される燃焼ガス出口２４に連続している。
【０００６】
特に、内外の環状水管列８、１０の水管６ａ、６ｂをスペーサ１２ａで連結しているので、燃焼ガス通路１８はラセン状に１回転することになり、燃焼ガスは燃焼室１４から１回転の１パスで燃焼ガス出口２４へと排出される。
【０００７】
図６は第２従来例である２パス型多管式貫流ボイラの横断面構成図である。図５と同一部分には同一番号を付す。この従来例では、内外の環状水管列８、１０を分離し、内側入口１６と外側出口２０を同心円の略直径方向に対向して設けている。外側出口２０は燃焼ガス出口２４に連続している。
【０００８】
この従来例では、燃焼室１４から内側入口１６に流入した燃焼ガスは燃焼ガス通路１８内で左右の２方向に分流し、半円周を流動した後、再び外側出口２０で合流して、燃焼ガス出口２４から排出される。２方向に分流するため２パス型と呼称している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
多管式貫流ボイラでは、下部管寄せから水管６を経て上部管寄せへと水を流通させている。熱交換は基本的に燃焼ガス通路１８内で行なわれ、接触伝熱により燃焼ガスから熱を吸収して水が水蒸気へと変化する。
【００１０】
貫流ボイラでは、接触伝熱部において高熱伝達率を追求しているが、高熱伝達化する程、伝熱過程での燃焼ガスの圧力損失が大きくなる。即ち、伝熱効率と燃焼ガス通過圧損とは相反関係になるのが常である。
【００１１】
第１従来例である１パス型多管式貫流ボイラでは、燃焼ガス通路１８は約１円周分と最も長い。従って、燃焼ガスの通過圧力損失は最も高くなる。第２従来例である２パス型多管式貫流ボイラでは、燃焼ガス通路１８は約半円周分であり、第１従来例の１／２になっている。つまり燃焼ガス通過圧力損失は小さくはなるが、それでも比較的高い。
【００１２】
従って、これら従来の多管式貫流ボイラでは、ガス通過圧力損失を見込んだ上で、燃焼室１４内での燃焼ガスの圧力を高く保持する必要があった。
【００１３】
燃焼ガスの圧力を高くすると、ランニングコストが高くつくだけでなく、ボイラの缶体構造を強化しなければならず、ボイラ全体を大型化・コスト高にする要因でもあった。従って、近年のコンパクト化、低コスト化、低公害化等の要請に応えることは困難であった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記欠点を解消するためになされたものであり、伝熱効率を維持しながらガス通過圧力損失を小さくできるようにしたものである。即ち、本発明に係る４パス型多管式貫流ボイラは、環状の上部管寄せと下部管寄せの間に多数の水管を相互に密閉状に連結して同心円状に設けた内側環状水管列および外側環状水管列と、内側環状水管列で囲繞された燃焼室と、内外の環状水管列の間に環状に設けた燃焼ガス通路と、前記内側環状水管列の略直径方向の対向する位置に軸方向に設けた一対の内側入口と、この一対の内側入口を結ぶ方向と略直交して対向する位置で外側環状水管列に軸方向に設けた一対の外側出口と、前記一対の外側出口を含む位置から外側環状水管列を半環状に囲繞する外壁と、この外壁の円周方向の中央に設けた燃焼ガス出口とから構成され、燃焼ガスを前記燃焼ガス通路内で４方向に分流させて接触伝熱させると共に、前記外壁と外側環状水管列の間を誘導通路として燃焼ガスを燃焼ガス出口へ導出するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る４パス型多管式貫流ボイラについて詳述する。
【００１６】
図１は４パス型多管式貫流ボイラの第１実施例の横断面構成図であり、図２はそのＡ−Ａ線縦断面図である。図中、図５および図６と同一部分には同一番号を付し、それらの説明を簡略にする。
【００１７】
燃焼室上部にはバーナが配置され、燃焼室１４に燃料と空気を吹き込んで燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスの燃焼温度およびガス圧力は所定値になるように調整されている。
【００１８】
内側環状水管列８の略直径方向で対向する位置に一対の内側入口１６、１６が軸方向に形成されている。この内側入口１６、１６はこの位置のスペーサ１２を除去することにより形成される。この場合には、内側入口１６、１６は軸方向全長にわたってスリット状に形成されるが、その軸長を短かくするために内側入口を切欠いたスペーサ１２を嵌め込んでもよい。つまり内側入口の縦横のサイズは適切に可変できる。
【００１９】
また外側環状水管列１０の略直交方向で対向する位置には一対の外側出口２０、２０が軸方向に形成されている。この外側出口２０、２０を結ぶ線は前記内側入口１６、１６を結ぶ線と略直交するように配置される。
【００２０】
従って、内側入口１６、１６の各々に流入した燃焼ガスは左右２方向に分流するので、全体として燃焼ガスは燃焼ガス通路１８内で４方向に分流することになる。分流した燃焼ガスは１／４円周を流通して再び合流し、外側出口２０、２０から流出してゆく。
【００２１】
外壁２２は、外側出口２０、２０を含んだ位置から中央に位置する燃焼ガス出口２４まで外側環状水管列１０を囲繞しながら誘導通路２６を形成している。前述した燃焼ガスは誘導通路２６を流通して燃焼ガス出口２４から排出されてゆく。
【００２２】
まず、本発明者等は、図５および図６で示す第１従来例および第２従来例と比較して、この第１実施例の燃焼ガス通過圧力損失がどれ程小さくなるかを理論的に検討することにした。但し、その前提として３者の吸収熱量、即ち伝熱効率は同じであると仮定し、この条件を満たすように物理量を構成する。これらの物理量を表１にまとめる。
【００２３】
【表１】
0003805895.tif 000002
【００２４】
第１従来例を１パス、第２従来例を２パス、第１実施例を４パスと指称し、１パス当りの物理量を表１に示す。単位時間当りの排ガス量をＧｖ、燃焼ガス通路１８の１円周当りに関して伝熱面積をＡ、管列数をＺｎ、通過高さ（水管の軸長）をＨとし、３者の伝熱効率（吸収熱量）を等しくするため燃焼ガス通路１８の通過幅を表の順にＤ、Ｄ／２、Ｄ／４とする。従って、後述する計算によっても吸収熱量は同等になるが、これは前提条件と一致する。従って、通過面積は表１のようになる。
【００２５】
定数ｃｈは水管配列によって決まり、ψは管列数によって決まる。また、定数ｃｆはレイノルズ数および水管配列によって決まる。
【００２６】
これらの定数ｃｈ、ψ、ｃｆは３者に対して略等しく、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 とする。また、流体の熱伝導率ａ、燃焼ガスの比重量γ0 、管壁平均温度ｔw および流体平均温度ｔm も３者に対して同じである。燃焼ガス流速Ｗ0 、レイノルズ数Ｒｅ、プラントル数Ｐｒおよびヌセルト数Ｎｕは下記に示すように計算でき、それぞれ３者に対して等しくなる。
Ｗ0 ＝Ｇｖ／Ｄ・Ｈ
Ｒｅ＝Ｗ0 ・ｄ／ν
Ｐｒ＝ν／ａ
Ｎｕ＝Ｃ4 ・ｃｈ・ψ・Ｒｅ0.6 ・Ｐｒ0.3   （Ｃ4 は定数）
【００２７】
以上の諸量を基に、吸収熱量Ｑと圧力損失ΔＰを計算する。１パス、２パス、４パスに対しＱ1 、Ｑ2 、Ｑ4 およびΔＰ1 、ΔＰ2 、ΔＰ4 と表記して求める。単位時間当りの吸収熱量Ｑは伝熱面積と温度差（ｔw −ｔm ）に比例するから、
Ｑ＝Ｋ・Ａ・（ｔw −ｔm ）
で表わされる。ここで比例定数となる熱伝達率Ｋは
Ｋ＝Ｎｕ・λ／ｄ
＝Ｃ4 ・Ｃ1 ・Ｃ2 ・（ｕ・ｄ／ν）0.6 ・（ν／ａ）0.3 ・λ／ｄ
となるから、最終的に吸収熱量Ｑは
Ｑ＝Ｃ5 ・Ｗ00.6・Ａ・（ｔw −ｔm ）          （１）
となる。ここでＣ5 はＣ5 ＝Ｃ4 ・Ｃ1 ・Ｃ2 ・（ｄ／ν）0.6 ・（ν／ａ）0.3 ・λ／ｄの定数である。
【００２８】
また、燃焼ガスの圧力損失ΔＰは重力加速度をｇとして
ΔＰ＝Ｃ6 ・ｃｆ・Ｚ・γ0 ・Ｗ02／２ｇ
で与えられ、最終的に
ΔＰ＝Ｃ7 ・Ｚ・Ｗ02                          （２）
となる。ここでＣ7 はＣ7 ＝Ｃ6 ・Ｃ3 ・γ0 ／２ｇの定数である。
【００２９】
以上で得られた（１）式および（２）式を用いて、１パス、２パス、４パスに対し、ＱおよびΔＰを具体的に求めると次のようになる。
【００３０】
Ｑ1 ＝Ｃ5 ・Ａ・（Ｇ／ＤＨ）0.6 ・（ｔw −ｔm ）
Ｑ2 ＝Ｑ1 
Ｑ4 ＝Ｑ1 
ΔＰ1 ＝Ｃ7 ・Ｚ・（Ｇ／ＤＨ）2 
ΔＰ2 ＝ΔＰ1 ／２
ΔＰ4 ＝ΔＰ1 ／４
【００３１】
以上から吸収熱量については、Ｑ1 ＝Ｑ2 ＝Ｑ4 が当初予想の通りに求まった。圧力損失についてはΔＰ1 ＝２ΔＰ2 ＝４ΔＰ4 、即ちΔＰ1 ＞ΔＰ2 ＞ΔＰ4 となることが分った。これらの結果はある条件下で得られたものであるが、理論的には本発明に係る４パス型多管式貫流ボイラが最も高特性であることを示している。
【００３２】
次に吸収熱量と圧力損失を実験的に評価した。吸収熱量は燃焼ガス温度によって評価できる。図５、図６および図１の３例に示されるＨ点、Ｉ点、Ｊ点の燃焼ガス温度と燃焼ガス圧力を測定した。Ｈ点は燃焼室１４の中心位置、Ｉ点は内側入口１６の付近、Ｊ点は燃焼ガス出口２４の付近である。Ｈ点での燃焼ガス温度は測定しなかった。結果は表２に示されている。
【００３３】
【表２】
0003805895.tif 000003
【００３４】
表２において、温度差ΔＴおよび圧力損失ΔＰはＩ点からＪ点を差し引いた値である。Ｈ点の圧力は参考値として表示している。１パス、２パス、４パスに対する温度差はそれ程相違がないにも拘らず、圧力差ΔＰには大きな違いが現われた。第１および第２従来例が大きな圧力損失を示しているのに対し、本発明の第１実施例では圧力損失が極めて小さいことが分った。
【００３５】
更に、４パスでは燃焼室での出口圧力は５０ｍｍＡｑであり、１パスや２パスの値に対し１／３〜１／２の低圧損にすることができる。このことから、本発明の４パス型多管式貫流ボイラでは、従来と同様の伝熱性能を燃料ガスの低圧供給で実現することができ、しかも熱交換前後の圧力損失を極減化できることが理論的にも実験的にも証明されたのである。
【００３６】
図３は本発明の第２実施例の横断面構成図である。第１実施例と異なる点を説明すると、外壁２２は外側環状水管列１０を同心円状に囲繞している。この外壁２２には一対の燃焼ガス出口２４、２４が設けられており、これらの燃焼ガス出口２４、２４を結ぶ方向は一対の外側出口２０、２０を結ぶ方向と略直交している。
【００３７】
外壁２２と外側環状水管列１０の間には燃焼ガスの誘導通路２６が形成され、外側出口２０、２０から流出する燃焼ガスは４方向に分流し、しかも略等距離を流通した後ガス出口２４、２４へと排出されてゆく。
【００３８】
この誘導通路２６は、燃焼ガス通路１８で吸熱しきれなかった燃焼ガスの残留熱を更に吸熱するために設けられており、伝熱効率を一層に向上させる効果を奏する。
【００３９】
図４は本発明の第３実施例の横断面構成図である。本実施例では外壁２２は設けられておらず、一対の外側出口２０、２０に連続して直ちに一対の燃焼ガス出口２４、２４が設けられている。
【００４０】
従って、本実施例では伝熱作用は燃焼ガス通路１８内で行なわれ、外壁２２を設けないためにボイラ価格の低減化を図ることができる。
【００４１】
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は以上詳述したように、内外の環状水管部の間にある燃焼ガス通路において、燃焼ガスを４方向に分流させ、しかも各分流を略等距離だけ伝熱走行させた後、燃焼ガスを燃焼ガス出口から排出する構成を採用したものである。
【００４３】
その結果、接触伝熱部の伝熱効率を維持しつつ、燃焼ガスの圧力損失を低く押えることに成功したものである。従って、炉内圧力を低くでき、長年の課題であった燃料ガスの低圧供給を可能ならしめ、高伝熱効率を有する簡易・小型ボイラを実現したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る４パス型多管式貫流ボイラの第１実施例の横断面構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線縦断面図である。
【図３】本発明の第２実施例の横断面構成図である。
【図４】本発明の第３実施例の横断面構成図である。
【図５】第１従来例である１パス型多管式貫流ボイラの横断面構成図である。
【図６】第２従来例である２パス型多管式貫流ボイラの横断面構成図である。
【符号の説明】
２はバーナ、４ａは上部管寄せ、４ｂは下部管寄せ、６は水管、８は内側環状水管列、１０は外側環状水管列、１２はスペーサ、１４は燃焼室、１６は内側入口、１８は燃焼ガス通路、２０は外側出口、２２は外壁、２４はガス出口、２６は誘導通路。
【図１】
0003805895.tif 000004
【図２】
0003805895.tif 000005
【図３】
0003805895.tif 000006
【図４】
0003805895.tif 000007
【図５】
0003805895.tif 000008
【図６】
0003805895.tif 000009