JP2000246079A - 流体混合器 - Google Patents

流体混合器

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JP2000246079A JP11048833A JP4883399A JP2000246079A JP 2000246079 A JP2000246079 A JP 2000246079A JP 11048833 A JP11048833 A JP 11048833A JP 4883399 A JP4883399 A JP 4883399A JP 2000246079 A JP2000246079 A JP 2000246079A
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具和 福宿
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボイラ火炉の水壁出口のエンタルピ偏差を低
減する流体混合器。 【解決手段】 下側火炉水壁の伝熱管出口に接続された
下部水壁管出口管寄に連結される複数の流入側連絡管4
と、上側火炉水壁の伝熱管入口に接続された上部水壁管
入口管寄に連結される流出側連絡管5と、を備えた流体
混合器であって、流体混合器3はその本体を円筒形に形
成され、その本体周囲に前記流入側連絡管及び流出側連
絡管を放射状に配置し、流体混合器本体に単段又は複数
段に設置された流入側連絡管と複数段に設置された流出
側連絡管との段間隔L1を流体混合器内径Dの4倍以上
にすること。複数段に設置された前記流出側連絡管の段
間の間隔L2を前記流体混合器内径Dより小さくする流
体混合器。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、事業用及
び産業用ボイラ火炉の水壁出口のエンタルピ偏差を低減
する流体混合器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】事業用または産業用の石炭焚きボイラ
は、おおよそ、図8に示すように、燃料を燃焼させ主と
して輻射伝熱により熱量を吸収する火炉6と、燃焼ガス
を伝熱管群に流通させ主として対流伝熱により熱量を吸
収する横置き伝熱部7とで構成される。
【0003】火炉6は多数のチューブより成る水壁で構
成されており、その大部分の流域ではほぼ均一な熱負荷
を受ける。しかしながら、燃焼装置であるバーナ8の近
傍では熱負荷が局所的に高くなるため、火炉水壁出口に
おいて、管内流体のエピタルに偏差を生じる。従来型ボ
イラであれば、火炉水壁出口における流体の乾き度(=
蒸気含有率)が0.5〜0.7と低く、飽和状態が維持
され、エンピタル偏差を生じても温度偏差を生じること
はなかった。
【0004】一方、火炉水壁出口の流体の乾き度を1付
近まで上げ、火炉水壁で蒸発を完結させることで、伝熱
管群を簡略化し、火炉をコンパクトにできる。このよう
な火炉では、エンタルピ偏差を生じると、エンタルピの
高い側の流体は過熱蒸気となるため、温度が飽和温度以
上になり、エンタルピの低い側の流体との温度差を生じ
る。温度差がある値以上になると、メタルに発生する熱
応力が過大となり、火炉水壁の設計強度を超えるため、
亀裂が入り、最悪の場合、運転を中止する必要がある。
【0005】従来型ボイラでは、一定負荷時にはこのよ
うな問題を生じないため、特別な対策を講じる必要はな
いが、負荷上昇時あるいは下降時に一時的に温度差を生
じるため、火炉水壁の中間高さの部位に図9に示すよう
な火炉水壁中間管寄せ10を設け、管寄せ10で混合し
たのち上部の火炉水壁管に流す構造が採用された例もあ
る。
【0006】また、図10に示すように火炉水壁を上下
に分割し、下側の火炉水壁1を構成する伝熱管の出口に
接続された下部水壁管出口管寄を設け、混合器11で混
合したのち、上側の火炉水壁2を構成する伝熱管入口に
接続された上部水壁管入口管寄に流す構造も採用されて
いる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来型ボイラであれ
ば、温度差を低減するために、火炉水壁出口の流体の乾
き度を0.5〜0.7になるように設計される。そうす
れば、火炉水壁の熱吸収量のアンバランスを生じても、
火炉水壁出口の流体の乾き度は1を超えることはない。
したがって、管内流体は常に飽和温度に保たれるため、
温度差を生じることはない。
【0008】これに対し、火炉水壁出口における流体の
乾き度が1付近になるように設計された火炉では、熱吸
収量のアンバランスを生じると、熱吸収量の高い管は乾
き度が1を越え、飽和温度以上になる。一方、熱吸収量
の低い管は常に飽和温度である。したがって、熱吸収量
の高い管と低い管とで温度差を生じる。
【0009】このような問題に対し、従来型火炉で用い
られている手法は、例えば、火炉水壁の中間高さの部位
に火炉水壁中間管寄を設け、混合したのち上部の火炉水
壁管に流す構造や、火炉水壁を上下に分割し、下側の火
炉水壁を構成する伝熱管の出口に接続された下部水壁管
出口寄を設け、混合器で混合したのち、上側の火炉水壁
を構成する伝熱管入口に接続された上部水壁管入口管寄
に流す構造では、温度差を設計許容値以下に抑えること
は困難である。
【0010】これは、管内流体の流動状態が乾き度によ
って変化するためである。流量を一定とすると、乾き度
の増大により、管内の流動状態は図11のように変化す
る。乾き度の低い領域では、液相の占める割合が大き
く、管壁に液膜が形成されるスラグ流もしくは気泡流と
なるのに対し、乾き度が高い領域では、管内を液相がミ
ストとなって浮遊する環状噴霧流となる。
【0011】したがって、流動様式が大きく異なるた
め、従来の手法をそのまま適用することは不可能であ
る。実際に、従来の設計法を適用してデータを採取した
結果、図12に示すように部分負荷時にメタル温度差が
設計許容値を超え問題となる。
【0012】本発明の目的は、火炉水壁出口における流
体の乾き度が1付近になるように設計された火炉におい
ても、エンタルピ偏差を生じることがなく、火炉水壁を
構成する管間での温度差を低減し、火炉耐圧部の障害を
防止することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は次のような構成を採用する。
【0014】下側火炉水壁の伝熱管出口に接続された下
部水壁管出口管寄に連結される複数の流入側連絡管と、
上側火炉水壁の伝熱管入口に接続された上部水壁管入口
管寄に連結される流出側連絡管と、を備えた流体混合器
であって、前記流体混合器はその本体を円筒形に形成さ
れ、その本体周囲に前記流入側連絡管及び流出側連絡管
を放射状に配置し、前記流体混合器本体に単段又は複数
段に設置された流入側連絡管と複数段に設置された流出
側連絡管との段間隔を流体混合器内径の4倍以上にする
流体混合器。
【0015】また、前記流体混合器において、複数段に
設置された前記流出側連絡管の段間の間隔を前記流体混
合器内径より小さくすることを特徴とする流体混合器。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る流体混合
器について、図1〜図6を用いて以下説明する。図1は
本実施形態に係る流体混合器を超臨界圧変圧貫流ボイラ
に適用した構成例を示す。図2は図1に示した流体混合
器の拡大図である。さらに、図3は図2の断面図であっ
て流体混合器の構造を簡略化して示したものである。図
3には、流体混合器の内径D、流入側連絡管と流出側連
絡管の間隔L1及び流出側連絡管同士の間隔L2を図示
している。ここで、1は下側火炉水壁、2は上側火炉水
壁、3は流体混合器、4は流入側連絡管、5は流出側連
絡管、をそれぞれ表す。
【0017】まず、図1に示すように、本実施形態のボ
イラは周囲が水壁で構成されており、水壁がその高さの
中間部よりも高い位置で上下に分割されている。ここ
で、下側火炉水壁1は伝熱管が傾斜したスパイラル壁で
構成され、上側火炉水壁2は伝熱管が垂直である上部水
壁で構成されている。スパイラル壁及び上部水壁は多数
の伝熱管で構成されているが、数十本程度を一つにまと
めて管寄せで結合する構造となっている。
【0018】スパイラル壁側に接続された下側火炉水壁
1の出口管寄せには各々流入側連絡管4が接続され、こ
の連絡管4は流体混合器3へと接続される。流体混合器
3は図2に示すように円筒形をしており、複数本の流入
側連絡管4、流出側連絡管5が周囲に放射状に配置され
ている。下側火炉水壁1より延びる流入側連絡管4を通
ってきた流体は流体混合器3内で混合され、上側火炉水
壁2の入口管寄せと接続された流出側連絡管5に分配さ
れ流出する。本実施形態のボイラでは混合器の内径Dを
200mmに設定し、流入側連絡管と流出側連絡管との
間隔L1は流体混合器内径の4倍に設定している。
【0019】次に、本発明の実施形態を採用することに
伴う本発明の機能乃至作用について以下説明する。本発
明の実施形態によれば、流入側連絡管4及び流出側連絡
管5を円筒形の流体混合器3の周囲に放射状に配置して
いるので、周方向のエンタルピ偏差を低減できると同時
に、旋回を発生することがないので、流体混合器3の内
部でのエロージョンを防止できる。ここで、流入側連絡
管4より流入するミストは気相に同伴され、慣性力を持
つため、流体混合器3の内部に均一に分散できず、図4
に示すように流体混合器3の中心部へ密集する。
【0020】しかしながら、密集したミストは気相から
の摩擦抵抗を受け徐々に拡散し、図5に示すように流出
側連絡管より流出する。そこで、流入側連絡管と流出側
連絡管の間隔L1を種々変更して実験を行った結果、流
入側連絡管と流出側連絡管の間隔L1を流体混合器内径
Dの4倍以上にすることで、流出側上下段のミストの分
散割合がほぼ一定となり、この条件でエンタルピ偏差が
許容値を大幅に下回ることが分かった。得られた測定結
果を図6に示す。
【0021】図6で横軸にL1/Dをとり、縦軸はエン
タルピ偏差を表す。50%負荷と30%負荷の双方にお
いて、L1/Dを4以上とすると、エンタルピ偏差は許
容値以下となっている。
【0022】エンタルピ偏差を許容値以下に抑えること
で、下側火炉水壁1の内部流体にエンタルピ偏差があ
り、一部過熱蒸気となる場合でも、流体混合器3におい
てエンタルピ混合され、上側火炉水壁2の入口では、エ
ンタルピ偏差が低減できる。よって、上側火炉水壁2の
出口における伝熱管間の温度差を大幅に低減できるた
め、メタルに発生する熱応力を火炉水壁の設計強度以下
に抑えることが可能となる。そのため、火炉の寿命が延
び、火炉水壁の損傷事故も防止できる。
【0023】本発明の他の実施形態を用いた場合の実験
結果を図7に示す。本実施形態では、流入側連絡管と流
出側連絡管の間隔L1を流体混合器内径Dの4倍以上確
保した上で、流出側連絡管同士の間隔L2を流体混合器
内径D以下にしたものである。図7に依ると、L2/D
を1以下とすることにより、50%負荷と30%負荷の
双方において、エンタルピ偏差が許容値以下となってい
る。このような構成とすることで、流出側連絡管の上下
段間をほぼ圧力の等しい領域に設置できるので、ミスト
が流出側連絡管の上下段管に分配され、エンタルピ偏差
をさらに低減できる。
【0024】以上説明したように、本発明の実施形態は
次のような構成と作用乃至効果を奏するものを含むもの
である。
【0025】流入側連絡管及び流出側連絡管を円筒形の
流体混合器の周囲に放射状に配置することにより、周方
向のエンタルピ偏差を低減できると同時に、旋回を発生
することがないので、流体混合器のエロージョンを防止
できる。さらに、流入側連絡管と流出側連絡管の間隔を
流体混合器内径の4倍以上に設置することで、流出側上
下段へのミストの流量配分を適切にできる。よって、下
側の火炉水壁伝熱管の内部流体にエンタルピ偏差があ
り、一部過熱蒸気となる場合でも、流体混合器において
エンタルピ混合され、上側の火炉水壁伝熱管入口では、
エンタルピ偏差を低減できる。
【0026】したがって、上側の火炉水壁伝熱管出口に
おける伝熱管間の温度差を低減できるため、メタルに発
生する熱応力を火炉水壁の設計強度以下に抑えることが
可能となる。そのため、火炉の寿命が延び、火炉水壁の
損傷事故も防止できる。
【0027】また、複数段の流出側連絡管の間隔を流体
混合器内径より小とすることで、流出側連絡管上下段へ
のミストの流量配分をさらに適正化できる。
【0028】
【発明の効果】本発明をボイラ火炉に適用することによ
り、下側の火炉水壁伝熱管の内部流体にエンタルピ偏差
があり、一部過熱蒸気となる場合でも、流体混合器にお
いてエンタルピ混合され、上側の火炉水壁伝熱管入口で
は、エンタルピ偏差が低減でき、上側の火炉水壁伝熱管
出口における伝熱管間の温度差を低減できるため、メタ
ルに発生する熱応力を火炉水壁の設計強度以下に抑える
ことが可能となる。そのため、火炉の寿命が延び、火炉
水壁の損傷事故も防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る流体混合器を超臨界圧
変圧貫流ボイラに適用した構成例を示す図である。
【図2】図1に示した流体混合器の拡大図である。
【図3】図2の断面図であって流体混合器の構造を簡略
化して示した断面図である。
【図4】流体混合器内のミスト濃度分布を示した図であ
る。
【図5】流体混合器内部のミストの流動状態を模式的に
示した図である。
【図6】本発明をボイラ火炉に適用して得られた、エン
タルピ偏差の測定値の一例を示した図である。
【図7】本発明の他の実施形態を適用した場合に得られ
た実験結果を示した図である。
【図8】事業用ボイラの概略を説明した図である。
【図9】従来技術における中間管寄せを採用した例を示
した図である。
【図10】従来技術における混合器を採用した例を示し
た図である。
【図11】管内流体の流動状態を模式的にした図であ
る。
【図12】従来技術を炉水壁出口における流体のクオリ
ティが1付近になるように設計された火炉に適用した際
のメタル温度差を示した図である。
【符号の説明】
1 下側火炉水壁 2 上側火炉水壁 3 流体混合器 4 流入側連絡管 5 流出側連絡管 6 火炉 7 横置き伝熱管部 8 バーナ 9 火炉水壁 10 中間管寄せ 11 混合器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 順一郎 広島県呉市宝町6番9号 バブコック日立 株式会社呉工場内 Fターム(参考) 4G035 AB37 AC50 AE13

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下側火炉水壁の伝熱管出口に接続された
    下部水壁管出口管寄に連結される複数の流入側連絡管
    と、上側火炉水壁の伝熱管入口に接続された上部水壁管
    入口管寄に連結される流出側連絡管と、を備えた流体混
    合器であって、 前記流体混合器はその本体を円筒形に形成され、その本
    体周囲に前記流入側連絡管及び流出側連絡管を放射状に
    配置し、 前記流体混合器本体に単段又は複数段に設置された流入
    側連絡管と複数段に設置された流出側連絡管との段間隔
    を流体混合器内径の4倍以上にすることを特徴とする流
    体混合器。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の流体混合器において、 複数段に設置された前記流出側連絡管の段間の間隔を前
    記流体混合器内径より小さくすることを特徴とする流体
    混合器。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011136943A (ja) * 2009-12-28 2011-07-14 Hitachi Plant Technologies Ltd アクロレインの合成方法
JP2019045024A (ja) * 2017-08-30 2019-03-22 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ボイラ構造
CN115614724A (zh) * 2022-09-27 2023-01-17 西安热工研究院有限公司 一种锅炉用中间混合集箱以及锅炉水循环系统
CN116139720A (zh) * 2023-02-20 2023-05-23 无锡嘉源锅炉制造有限责任公司 混合均匀的锅炉集箱

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