JPH11248101A - 自然循環式蒸発器、排熱回収ボイラおよびその起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ベント管内の気液二相流によって循環力が小
さくなるのを抑制し、逆流および不安定流動が起こるの
を防ぎ、しかも配管の引き回しにおいて構造が複雑化す
るのを回避すること。 【解決手段】 自然循環式蒸発器は蒸気ドラム１、降水
管２、水シール管３、入口ヘッダ４、伝熱管５、ベント
管６、伝熱管７、出口ヘッダ８、上昇管９から構成され
る。伝熱管５が上流側の管内流体１パスを受け入れ、伝
熱管７が下流側の管内流体２パスを受け入れる。管内流
体１パスおよび管内流体２パスは同一水平面内に配置さ
れ、管外流体と同一平面内において熱交換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はコンバインドサイク
ル発電プラントの排熱回収ボイラの起動時間を短縮し、
望ましい起動特性を得るようにした自然循環式蒸発器、
排熱回収ボイラおよびその起動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】排熱回収ボイラはガスタービンの排ガス
の保有する熱を回収して蒸気を発生させるコンバインド
サイクル発電プラントのキーコンポーネントの１つであ
る。この排熱回収ボイラには伝熱管から構成される幾つ
かの熱交換器が備えられ、これらは過熱器、蒸発器、節
炭器と呼ばれている。

【０００３】図１６に排熱回収ボイラに使用される水平
に配置した伝熱管を有する自然循環式蒸発器の循環回路
を示している。これは排熱回収ボイラのダクト１５を縦
型構造として管外流体１０を下方から上方へ導く方式に
適用される。この自然循環式蒸発器の循環回路は蒸気ド
ラム１→降水管２→水シール管３→入口ヘッダ４→伝熱
管２５→出口ヘッダ８→上昇管９→蒸気ドラム１で構成
される。

【０００４】蒸気ドラム１に導かれた給水は降水管２を
下降して逆流を防止するために設置される水シール管３
を経由して入口ヘッダ４に流入する。入口ヘッダ４に流
入した給水は水平に配置した伝熱管２５に導かれ、管外
流体１０と熱交換しながら蒸発して気液二相流となり、
出口ヘッダ８に流入する。出口ヘッダ８に流入した気液
二相流は上昇管９を上昇して蒸気ドラム１に戻る。

【０００５】この自然循環式蒸発器の循環力は伝熱管が
水平に配置されているため、伝熱管内流体の静水頭は零
であるから、次式で表される。

【０００６】 （循環力）＝（降水管流体の静水頭）−（水シール管内流体の静水頭） −（上昇管内流体の静水頭） …（式１） すなわち、上昇管内流体が蒸発して気液二相流となる
と、（式１）の右辺第３項が小さくなり、自然循環力が
発生して管内流体の循環が行われる。

【０００７】この自然循環式蒸発器を有する排熱回収ボ
イラの起動において、自然循環式蒸発器の管内流体の循
環を開始させるには管外流体１０との熱交換により伝熱
管内流体が蒸発して気液二相流となり、蒸発による体積
膨張を利用して上昇管９に気液二相流が流入し、管内流
体の循環が開始する。

【０００８】図１７は排熱回収ボイラのダクト幅を短く
して交換熱量を増大するために伝熱管を鉛直上向きに折
り返して管内流体をパス化した並流方式の管内２パス自
然循環式蒸発器の循環回路を示している。これは排熱回
収ボイラのダクト１５を縦型構造として管外流体１０を
下方から上方へ導き、伝熱管５から流入して伝熱管７へ
流出させる方式に適用される。

【０００９】この方式は管外流体１０の高温側が管内流
体の低温側から流入して管外流体１０の低温側が管内流
体の高温側へ流出するため並流方式と呼ばれている。こ
の自然循環式蒸発器の循環回路は蒸気ドラム１→降水管
２→水シール管３→入口ヘッダ４→伝熱管５（管内流体
１パス）→ベント管６→伝熱管７（管内流体２パス）→
出口ヘッダ８→上昇管９→蒸気ドラム１で構成される。

【００１０】この自然循環式蒸発器を有する排熱回収ボ
イラでは起動時、管外流体１０との熱交換により、最初
に、管外流体１０の上流側である管内流体１パスが蒸発
して気液二相流が生じる。次いで、管外流体１０の下流
側である管内流体２パスが蒸発して気液二相流が生じ、
蒸発による体積膨張を利用して上昇管９に気液二相流が
流入し、自然循環力が発生することで、管内流体の循環
が開始する。

【００１１】すなわち、排熱回収ボイラの起動初期にお
いて、管外流体１０の熱量は、まず管外流体１０の上流
側の管内流体１パスとの熱交換に多くが費やされるため
時間がある程度経過しないと、上昇管９に近い管外流体
１０の下流側の管内流体２パスでは蒸発が起こらない。

【００１２】したがって、上昇管９に気液二相流が流入
して自然循環力が発生することで、管内流体の循環が開
始するまでの時間が上述した自然循環式蒸発器と比較し
て長くなる。

【００１３】自然循環式蒸発器の管内流体の循環が開始
して蒸気が発生するまで、排熱回収ボイラは昇圧するこ
とができず、管内流体の循環が始まるまでの時間が長く
なると、排熱回収ボイラの起動時間も長くなる。

【００１４】また、長時間循環力が得られない状態で、
管内流体１パスが蒸発すると、降水管２側へ気液二相流
が逆流したり、流動状態が不安定になることがある。

【００１５】さらに、長時間循環力が得られない状態
で、管内流体１パスが蒸発すると、管内の気液二相流の
ボイド率が増大してドライアウトするため、伝熱管５が
許容温度以上に過熱されて損傷する可能性がある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した並
流方式自然循環式蒸発器の難点を改善する次の対向流方
式自然循環式蒸発器が提案されている。これは図１８に
示すように排熱回収ボイラのダクト１５を縦型構造とし
て管外流体１０が下方から伝熱管７にかけて流れ、さら
に伝熱管５に流動するように構成したものである。対向
流方式と呼ぶのは管外流体１０が管内流体の高温側から
流入してより低温側へ流出することによるものである。

【００１７】この自然循環式蒸発器の循環回路は蒸気ド
ラム１→降水管２→水シール管３→入口ヘッダ４→伝熱
管５（管内流体１パス）→ベント管６→伝熱管７（管内
流体２パス）→出口ヘッダ８→上昇管９→蒸気ドラム１
で構成される。

【００１８】この自然循環式蒸発器を有する排熱回収ボ
イラでは起動時、管外流体１０との熱交換により、最
初、管外流体１０の上流側である管内流体２パスが蒸発
して上昇管９に気液二相流が流入し、自然循環力が発生
することにより管内流体の循環が開始する。すなわち、
並流方式自然循環式蒸発器と比較して上昇管９に近い管
内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発するた
め、上昇管９に気液二相流が流入する時間が早まり、管
内流体の循環が開始するまでの時間が短くなり、排熱回
収ボイラの起動時間も短縮することが可能である。

【００１９】また、短時間で循環力が得られるため、逆
流および不安定流動あるいはドライアウトに起因する伝
熱管の損傷が並流方式の自然循環式蒸発器と比較して起
こりにくいという利点がある。

【００２０】しかしながら、この対向流方式自然循環式
蒸発器には次のような問題がある。すなわち、この自然
循環式蒸発器の循環力は次式で表すことができる。 （循環力）＝（降水管流体の静水頭）−（水シール管内流体の静水頭） ＋（ベント管内の静水頭）−（上昇管内流体の静水頭）…（式２） ベント管内流体が蒸発して気液二相流となると、循環力
は（式２）の右辺第３項が小さくなり、逆流方向の力と
して働くため、循環力が小さくなってしまう。一般に、
循環力が小さくなると、不安定流動およびドライアウト
による伝熱管の損傷が起こりやすい。また、ベント管６
内の気液二相流が管内流体の循環を阻害して逆流や不安
定流動になることがある。

【００２１】さらに、配管の引き回しでは上昇管９と伝
熱管５、水シール管３および降水管２はお互いが干渉し
ないようにしなければならないが、現状のままでは構造
が複雑になる難点がある。

【００２２】本発明の目的はベント管内の気液二相流に
よって循環力が小さくなるのを抑制し、逆流および不安
定流動が起こるのを防ぎ、しかも配管の引き回しにおい
て構造が複雑化するのを回避することのできる自然循環
式蒸発器、排熱回収ボイラおよびその起動方法を提供す
ることにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に係る発明は上流側の管内流体１パスおよび
下流側の管内流体２パスを順に受け入れる伝熱管を備え
てなる自然循環式蒸発器において、伝熱管が同一水平面
内において管内流体の各パスが管外流体と熱交換するよ
うに配置されることを特徴とするものである。

【００２４】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては管内流体が気液二相流となったときも循環力は小さ
くならず、管内流体の流動は安定に保たれる。これによ
り逆流および不安定流動が生じにくくなる。また、配管
の引き回しでは構造を簡素にすることができる。

【００２５】さらに、請求項２に係る発明は伝熱管が同
一水平面内において下流側の管内流体２パスが上流側の
管内流体１パスよりも先に管外流体と熱交換するように
配置されることを特徴とするものである。

【００２６】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては管内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発す
ることから、排熱回収ボイラの起動時間を短縮すること
ができる。また、逆流および不安定流動が生じにくくな
る。

【００２７】また、請求項３に係る発明は伝熱管が水平
方向に管外流体が流動する領域にあって、同一水平面内
において下流側の管内流体２パスが上流側の管内流体１
パスよりも先に管外流体と熱交換するように配置される
ことを特徴とするものである。

【００２８】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては管内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発す
ることから、排熱回収ボイラの起動時間を短縮すること
ができる。また、逆流および不安定流動が生じにくくな
る。

【００２９】さらに、請求項４に係る発明は伝熱管が下
方から上方へ、さらに反転して上方から下方に管外流体
が流動する互いに仕切られた領域にあって、同一水平面
内において下流側の管内流体２パスが上流側の管内流体
１パスよりも先に管外流体と熱交換するように配置され
ることを特徴とするものである。

【００３０】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては管内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発す
ることから、排熱回収ボイラの起動時間を短縮すること
ができる。また、逆流および不安定流動が生じにくくな
る。

【００３１】また、請求項５に係る発明は伝熱管が個別
に状態量または流量が異なる管外流体が流動する互いに
仕切られた領域にあって、同一水平面内において下流側
の管内流体２パスが上流側の管内流体１パス側よりも大
きい状態量または流量の管外流体と熱交換するように配
置されることを特徴とするものである。

【００３２】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
てはそれぞれの領域で異なる状態量または流量の管外流
体を用いて交換熱量を調節するので、管内流体２パスが
管内流体１パスよりも先に蒸発し、排熱回収ボイラの起
動時間を短縮することができる。また、逆流および安定
流動が生じにくくなる。

【００３３】さらに、請求項６に係る発明はダクト内に
請求項１記載の自然循環式蒸発器を備えてなるものであ
る。

【００３４】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては管内流体が気液二相流となったときも循環力は小さ
くならず、管内流体の流動は安定に保たれる。これによ
り逆流および不安定流動が生じにくくなる。また、配管
の引き回しでは構造を簡素にすることができる。

【００３５】また、請求項７に係る発明はダクト内に請
求項２記載の自然循環式蒸発器を備えてなるものであ
る。

【００３６】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては管内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発す
ることから、排熱回収ボイラの起動時間を短縮すること
ができる。また、逆流および不安定流動が生じにくくな
る。

【００３７】さらに、請求項８に係る発明はダクト内に
請求項３記載の自然循環式蒸発器を備えてなるものであ
る。

【００３８】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては管内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発す
ることから、排熱回収ボイラの起動時間を短縮すること
ができる。また、逆流および不安定流動が生じにくくな
る。

【００３９】また、請求項９に係る発明はダクト内に請
求項４記載の自然循環式蒸発器を備えてなるものであ
る。

【００４０】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては管内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発す
ることから、排熱回収ボイラの起動時間を短縮すること
ができる。また、逆流および不安定流動が生じにくくな
る。

【００４１】さらに、請求項１０に係る発明はダクト内
に請求項５記載の自然循環式蒸発器を備えてなるもので
ある。

【００４２】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
てはそれぞれの領域で異なる状態量または流量の管外流
体を用いて交換熱量を調節するので、管内流体２パスが
管内流体１パスよりも先に蒸発し、排熱回収ボイラの起
動時間を短縮することができる。また、逆流および安定
流動が生じにくくなる。

【００４３】また、請求項１１に係る発明はダクト内に
水平に並ぶ複数個のゾーンを有し、ゾーンにそれぞれ請
求項１記載の自然循環式蒸発器を備えてなるものであ
る。

【００４４】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては各ゾーンの蒸発器で管内流体が気液二相流となった
ときも、循環力が小さくならず、管内流体の流動が安定
に保たれる。これにより逆流および不安定流動が生じに
くくなる。また、配管内の引き回しでは構造を簡素にす
ることができる。

【００４５】さらに、請求項１２に係る発明は上流側の
管内流体１パスおよび下流側の管内流体２パスを順に受
け入れる伝熱管を備えた自然循環式蒸発器を有する排熱
回収ボイラの起動方法において、伝熱管を同一水平面内
において管内流体の各パスが管外流体と熱交換するよう
に配置し、しかして、排熱回収ボイラの起動にあたり、
管内流体２パス側が管内流体１パス側と比較して交換熱
量を大きく保って起動するようにしたことを特徴とする
ものである。

【００４６】この起動方法においてはそれぞれの交換熱
量に差をつけて起動するので、管内流体２パスが管内流
体１パスよりも先に蒸発し、排熱回収ボイラの起動時間
を短縮することができる。また、逆流および不安定流動
が生じにくくなる。

【００４７】また、請求項１３に係る発明は上流側の管
内流体１パスおよび下流側の管内流体２パスを順に受け
入れる伝熱管を備えた自然循環式蒸発器を有する排熱回
収ボイラの起動方法において、伝熱管を同一水平面内に
おいて管内流体の各パスが管外流体と熱交換するように
配置し、しかして、排熱回収ボイラの起動にあたり、管
内流体２パス側が管内流体１パス側と比較して管外流体
の流量を大きく保って起動するようにしたことを特徴と
するものである。

【００４８】この起動方法においてはそれぞれの管外流
体の流量に差を付けて起動するので、管内流体２パスが
管内流体１パスよりも先に蒸発し、排熱回収ボイラの起
動時間を短縮することができる。また、逆流および不安
定流動が生じにくくなる。

【００４９】さらに、請求項１４に係る発明は上流側の
管内流体１パスおよび下流側の管内流体２パスを順に受
け入れる伝熱管を備えた自然循環式蒸発器を有する排熱
回収ボイラの起動方法において、伝熱管を同一水平面内
において管内流体の各パスが管外流体と熱交換するよう
に配置し、しかして、排熱回収ボイラの起動にあたり、
管内流体２パス側が管内流体１パス側と比較して管外流
体の温度を高く保って起動するようにしたことを特徴と
するものである。

【００５０】この起動方法においてはそれぞれの管外流
体の温度に差をつけて起動するので、管内流体２パスが
管内流体１パスよりも先に蒸発し、排熱回収ボイラの起
動時間を短縮することができる。また、逆流および不安
定流動が生じにくくなる。

【００５１】また、請求項１５に係る発明は伝熱管がフ
ィン付き伝熱管からなり、管内流体２パスを受け入れる
伝熱管が管内流体１パスを受け入れる伝熱管と比較して
フィンピッチを高密度に形成されることを特徴とするも
のである。

【００５２】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては管内流体２パスを受け入れる伝熱管が管内流体１パ
スを受け入れる伝熱管よりも大きい伝熱面積を備えるの
で、管内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発
し、排熱回収ボイラの起動時間を短縮することができ
る。また、逆流および不安定流動が生じにくくなる。

【００５３】さらに、請求項１６に係る発明は管内流体
１パスを受け入れる伝熱管と管内流体２パスを受け入れ
る伝熱管とを管内流体を反転させる直線状の中間ヘッダ
によって連通させるようにしたことを特徴とするもので
ある。

【００５４】上記構成からなる自然循環式蒸発器におい
ては直線状の中間ヘッダを用いることにより単純な構造
で管内流体のパス化を実現することができる。

【００５５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態−第１
の実施の形態−を図面を参照して説明する。図１におい
て、自然循環式蒸発器は蒸気ドラム１、降水管２、水シ
ール管３、入口ヘッダ４、伝熱管５、ベント管６、伝熱
管７、出口ヘッダ８、上昇管９から構成されている。こ
の蒸発器においては伝熱管５が上流側の管内流体１パス
を受け入れ、伝熱管７が下流側の管内流体２パスを受け
入れる。管内流体１パスおよび管内流体２パスは共に同
一水平面内に配置され、たとえば鉛直方向に流動する管
外流体と同一水平面内において熱交換するように構成さ
れている。

【００５６】本実施の形態は上記構成からなり、蒸気ド
ラム１に導かれた給水は降水管２を下降して水シール管
３を経由し、入口ヘッダ４に流入する。入口ヘッダ４に
流入した給水は水平に配置される伝熱管５に導かれ、ベ
ント管６を経由し、伝熱管５と同一水平面内に置かれる
伝熱管７に流入する。この間、伝熱管５、７で管内流体
１パスおよび管内流体２パスが管外流体と熱交換して気
液二相流となる。この後、気液二相流は出口ヘッダ８に
流入し、上昇管９を上昇して蒸気ドラム１に戻る。

【００５７】この自然循環式蒸発器の循環力は伝熱管
５、７およびベント管６が同一水平面内にあるため、こ
の箇所での管内流体の静水頭が零となり、次式で表され
る。

【００５８】 （循環力）＝（降水管流体の静水頭）−（水シール管内流体の静水頭） −（上昇管内流体の静水頭） …（式３） すなわち、上昇管内流体が蒸発して気液二相流になる
と、（式３）の右辺第３項が小さくなり、自然循環力が
発生して管内流体の循環が行われる。

【００５９】この自然循環式蒸発器においてはベント管
６が同一水平面内にあるため、ベント管内流体が蒸発し
て気液二相流になっても、ベント管６内の静水頭は零の
ままであり、（式３）の循環力に影響せず、循環力は小
さくならない。一般に、循環力が小さくなると、逆流お
よび不安定流動さらにはドライアウトによる伝熱管の損
傷が起こり易いが、本実施の形態の自然循環式蒸発器は
管内流体の流動が安定に保たれ、逆流および不安定流動
が起こりにくく、ドライアウトによる伝熱管の損傷が起
こるのを防ぐことができる。

【００６０】さらに、配管の引き回しでは上昇管９と伝
熱管５、水シール管３、降水管２が干渉することがな
く、従来の対向流方式の管内２パス自然循環式蒸発器よ
りも構造を簡素にすることができる。

【００６１】さらに、本発明の他の実施の形態−第２の
実施の形態−を説明する。図２において、自然循環式蒸
発器は蒸気ドラム１、降水管２、水シール管３、入口ヘ
ッダ４、伝熱管５、ベント管６、伝熱管７、出口ヘッダ
８、上昇管９から構成されている。この蒸発器において
は伝熱管５が上流側の管内流体１パスを受け入れ、伝熱
管７が下流側の管内流体２パスを受け入れる。管内流体
１パスおよび管内流体２パスは共に同一水平面内に配置
され、水平方向に流れる管外流体１０と同一水平面内に
おいて熱交換するように構成されている。

【００６２】本実施の形態は上記構成からなり、蒸気ド
ラム１に導かれた給水は降水管２を下降して水シール管
３を経由し、入口ヘッダ４に流入する。入口ヘッダ４に
流入した給水は水平に配置される伝熱管５に導かれ、ベ
ント管６を経由し、伝熱管５と同一水平面内に置かれる
伝熱管７に流入する。この間、伝熱管５、７で管内流体
１パスおよび管内流体２パスが管外流体と熱交換して気
液二相流となる。この後、気液二相流は出口ヘッダ８に
流入し、上昇管９を上昇して蒸気ドラム１に戻る。

【００６３】この対向流方式の管内２パス自然循環式蒸
発器においては排熱回収ボイラの起動時、上昇管９に近
い管内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発する
ので、上昇管９に気液二相流が流入する時間が早まり、
管内流体の循環が開始されるまでの時間が短くなり、排
熱回収ボイラの起動時間を短縮することができる。

【００６４】また、上記実施の形態のものと同様に短時
間で循環力が得られるため、逆流および不安定流動が起
こりにくくなり、ドライアウトに起因する伝熱管の損傷
が起こるのを防ぐことが可能になる。

【００６５】さらに、本発明の他の実施の形態−第３の
実施の形態−を説明する。図３において、自然循環式蒸
発器は上記実施の形態（図１参照）のものと同様に構成
されている。管内流体１パスおよび管内流体２パスは共
に同一水平面内に配置され、それぞれパス化されている
管外流体と熱交換するようになっている。すなわち、下
流側の管内流体２は管外流体１パス１１と熱交換し、上
流側の管内流体１は管外流体２パス１２と熱交換する。

【００６６】本実施の形態は上記構成からなり、排熱回
収ボイラの起動時、伝熱管７で管内流体２パスが管外流
体１パス１１と熱交換し、また、伝熱管５で管内流体１
パスが管外流体２パス１２と熱交換して気液二相流とな
る。この気液二相流は出口ヘッダ８に流入し、上昇管９
を上昇して管内流体の循環が開始される。

【００６７】この起動過程においては上昇管９に近い管
内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発するた
め、上昇管９に気液二相流が流入する時間が早まり、管
内流体の環境が開始されるまでの時間が短くなり、排熱
回収ボイラの起動時間を短縮することができる。

【００６８】また、上記実施の形態のものと同様に短時
間で循環力が得られるため、逆流および不安定流動が起
こりにくくなり、ドライアウトに起因する伝熱管の損傷
が起こるのを防ぐことができる。

【００６９】さらに、本発明の他の実施の形態−第４の
実施の形態−を説明する。図４において、自然循環式蒸
発器は上記実施の形態（図１参照）のものと同様に構成
されている。管内流体１パスおよび管内流体２パスは共
に同一水平面内に配置され、それぞれ区分される領域を
流動する管外流体と熱交換するように構成されている。
すなわち、管内流体１パスは一方の領域を流れる管内流
体１３と熱交換し、管内流体２パスは他方の領域を流れ
る管内流体１４と熱交換する。

【００７０】本実施の形態は上記構成からなり、排熱回
収ボイラの起動時、伝熱管５で管内流体１パスが管外流
体１３と熱交換し、また伝熱管７で管内流体２パスが管
外流体１４と熱交換して気液二相流となる。この気液二
相流は出口ヘッダ８に流入し、上昇管９を上昇して管内
流体の循環が開始される。

【００７１】この起動過程では領域を隔てられた管外流
体１３と管外流体１４との間には状態量に幾分かの差が
あり、状態量がより大きい管外流体１４と熱交換する管
内流体２パスが管内流体１パスよりも先に蒸発する。こ
れにより上昇管９に気液二相流が流入する時間が早ま
り、管内流体の循環が開始されるまでの時間が短くな
り、排熱回収ボイラの起動時間を短縮することが可能に
なる。

【００７２】また、上記実施の形態のものと同様に短時
間で循環力が得られるため、逆流および不安定流動が起
こりにくくなり、ドライアウトに起因する伝熱管の損傷
が起こるのを防ぐことができる。

【００７３】さらに、本発明の他の実施の形態−第５の
実施の形態−を説明する。図５において、排熱回収ボイ
ラは縦型構造のダクト１５内に同一水平面内に管内流体
１パスを受け入れる伝熱管５および管内流体２パスを受
け入れる伝熱管７を配置している自然循環式蒸発器（図
１参照）を備えている。この管内流体１パスおよび管内
流体２パスは鉛直方向に流動する管外流体１０と同一水
平面内において熱交換するように構成されている。

【００７４】本実施の形態は上記構成からなるもので、
本発明による自然循環式蒸発器を排熱回収ボイラに組み
込むことにより、上述した第１の実施の形態のものと同
様な効果を得ることができる。

【００７５】さらに、本発明の他の実施の形態−第６の
実施の形態−を説明する。図６において、排熱回収ボイ
ラに横型構造のダクト１５内に同一水平面内に管内流体
１パスを受け入れる伝熱管５および管内流体２パスを受
け入れる伝熱管７を配置している自然循環式蒸発器（図
２参照）を備えている。この管内流体１パスおよび管内
流体２パスは水平方向に流れる管外流体１０と同一水平
面内において熱交換するように構成されている。

【００７６】本実施の形態は上記構成からなるもので、
本発明による自然循環式蒸発器を排熱回収ボイラに組み
込むことにより上述した第２の実施の形態のものと同様
な効果を得ることができる。

【００７７】さらに、本発明の他の実施の形態−第７の
実施の形態−を説明する。図７において、排熱回収ボイ
ラは縦型構造のダクト１５内に同一水平面内に管内流体
１パスを受け入れる伝熱管５および管内流体２パスを受
け入れる伝熱管７を配置している自然循環式蒸発器（図
３参照）を備えている。ダクト１５内は管外流体のパス
化のために仕切板１６によって複数個の流路に仕切られ
ている。管内流体１パスおよび管内流体２パスはそれぞ
れ仕切られた流体流路に置かれ、管外流体１２および管
外流体１１と各々熱交換するようになっている。

【００７８】本実施の形態は上記構成からなるもので、
本発明による自然循環式蒸発器を排熱回収ボイラに組み
込むことにより上述した第３の実施の形態のものと同様
な効果を得ることができる。

【００７９】さらに、本発明の他の実施の形態−第８の
実施の形態−を説明する。図８において、排熱回収ボイ
ラは縦型構造のダクト１５内に同一水平面内に管内流体
１パスを受け入れる伝熱管５および管内流体２パスを受
け入れる伝熱管７を配置している自然循環式蒸発器（図
４参照）を備えている。ダクト１５内は異なる状態量の
管外流体を流動させるために仕切板１６によって流路が
互いに仕切られている。管内流体１パスおよび管内流体
２パスはこの仕切られた流体流路に置かれ、管外流体１
３および管外流体１４と各々熱交換するように構成され
ている。

【００８０】本実施の形態は上記構成からなるもので、
本発明による自然循環式蒸発器を排熱回収ボイラに組み
込むことにより上述した第４の実施の形態のものと同様
な効果を得ることができる。

【００８１】さらに、本発明の他の実施の形態−第９の
実施の形態−を説明する。図９において、排熱回収ボイ
ラは縦型構造のダクト１５内に同一水平面内に管内流体
１パスおよび管内流体２パスを配置している自然循環式
蒸発器（図４参照）を備えている。ダクト１５内は管内
流体２パス側により多量の管外流体１４が流動するよう
に管外流体流路入口を拡大させている仕切板１６によっ
て複数個の流路に仕切られている。管内流体１パスおよ
び管内流体２パスはこの仕切られた管外流体流路に置か
れ、管外流体１３および管外流体１４と各々熱交換する
ようになっている。

【００８２】本実施の形態は上記構成からなり、排熱回
収ボイラの起動時、伝熱管５で管内流体１パスが管外流
体１３と熱交換し、また伝熱管７で管内流体２パスが熱
交換して気液二相流となる。この気液二相流は出口ヘッ
ダ８に流入し、上昇管９を上昇して管内流体の循環が開
始される。

【００８３】この起動過程では入口を拡大させている管
外流体１４が管外流体１３よりも多量に流れるために上
昇管９に近い管内流体２パスが管内流体１パスよりも先
に蒸発する。これにより上昇管９に気液二相流が流入す
る時間が早まり、管内流体の循環が開始されるまでの時
間が短くなり、排熱回収ボイラの起動時間を短縮するこ
とができる。

【００８４】また、短時間のうちに循環力が得られるた
め、逆流および不安定流動が生じにくくなり、ドライア
ウトに起因する伝熱管の損傷が起こるのを防ぐことが可
能になる。

【００８５】さらに、本発明の他の実施の形態を説明す
る。図１０において、排熱回収ボイラは縦型構造のダク
ト１５内に水平に並ぶ複数個のゾーンを有し、この各ゾ
ーンに同一水平面内に管外流体１パスおよび管外流体２
パスを配置している自然循環式蒸発器（図１参照）を備
えている。この蒸発器のすべての管内流体１パスおよび
管内流体２パスは鉛直方向に流動する管外流体と同一水
平面内で熱交換するように構成されている。

【００８６】本実施の形態は上記構成からなり、排熱回
収ボイラの起動時、それぞれの伝熱管５で管内流体１パ
スが管外流体１０と熱交換し、また伝熱管７で管内流体
２パスが熱交換して気液二相流となる。この気液二相流
はそれぞれの出口ヘッダ８に流入し、さらにそれぞれの
上昇管９を上昇して管内流体の循環が開始される。

【００８７】各ゾーンのベント管６はいずれも同一水平
面内にあり、管内流体が気液二相流になったときも、循
環力は小さくならず、管内流体の流動が安定に保たれ
る。これにより、逆流および不安定流動が生じにくくな
り、ドライアウトによる伝熱管の損傷が起こるのを防ぐ
ことが可能になる。

【００８８】さらに、配管の引き回しではそれぞれのゾ
ーンにおいて上昇管９と伝熱管５、水シール管３、降水
管２が干渉することがなく、構造を簡素にすることが可
能になる。

【００８９】また、上記した実施の形態の排熱回収ボイ
ラは次の起動方法によって最も効果的に利用することが
可能になる。

【００９０】第１の起動方法は伝熱面の交換熱量に差を
つけて起動する方法であり、これは図１１に示すよう
に、一定時間、管内流体１パス１７側の交換熱量と比較
して管内流体２パス１８側の交換熱量が大きく保たれ
る。

【００９１】さらに、第２の起動方法は管外流体の流量
に差をつけて起動する方法で、これは図１２に示すよう
に、一定時間、管内流体１パス１９側と比較して管内流
体２パス２０側の管外流体の流量が大きく保たれる。ち
なみに、この起動方法は既に述べた第４の実施の形態の
蒸発器を組み込む排熱回収ボイラにおいて容易に実現さ
せることが可能である。

【００９２】また、第３の起動方法は管外流体の温度に
差をつけて起動する方法で、これは図１３に示すよう
に、一定時間、管内流体１パス２１側と比較して管内流
体２パス２２側の管外流体の温度が高く保たれる。この
起動方法を実現できるのは既に述べた第２および第３の
実施の形態の蒸発器を使用するもので、これに代えて、
たとえば別に燃料を投入して管外流体を助燃するように
してもよい。

【００９３】さらに、本発明の他の実施の形態を説明す
る。図１４において、伝熱管５、７は管内流体１パスを
受け入れる伝熱管５のフィン２３のピッチＬ１と、管内
流体２パスを受け入れる伝熱管７のフィン２３のピッチ
Ｌ２とは交換熱量に差をつけるために伝熱管７のピッチ
Ｌ２が伝熱管５のピッチＬ１と比較して高密度に形成さ
れている。より大きい伝熱面積を有する伝熱管７は伝熱
管５よりも優れた伝熱特性を有する。

【００９４】この伝熱管５、７を用いた自然循環式蒸発
器においては上昇管９に近い管内流体２パスが管内流体
１パスよりも先に蒸発するため、上昇管９に気液二相流
が流入する時間が早まり、管内流量の循環が開始される
までの時間が短くなり、排熱回収ボイラの起動時間を短
縮することができる。また、短時間で循環力が得られる
ため、逆流および不安定流動が起こりにくくなり、ドラ
イアウトに起因する伝熱管の損傷が起こるのを防ぐこと
が可能になる。

【００９５】本実施の形態はフィン２３のピッチを変え
るのに代えて、伝熱管同士の間でフィン高さ、フィン形
状、フィン材質を変える方法が可能であり、あるいは伝
熱管自身の材質を変えるようにしてもよい。

【００９６】さらに、本発明の他の実施の形態を説明す
る。図１５（ａ）（ｂ）において、伝熱管５はそれの入
口に入口ヘッダ４を備えている。また、伝熱管７はそれ
の出口に出口ヘッダ８を備えている。この伝熱管５、７
は一方から他方に管内流体を反転させる直線状の中間ヘ
ッダ２４を備えている。これは本発明に係る蒸発器に組
み込まれたとき、伝熱管５が上流側の管内流体１パスを
受け入れ、伝熱管７が下流側の管内流体２パスを受け入
れるように使用される。

【００９７】本実施の形態においてはベント管６に代え
て直線状の中間ヘッダ２４を用いることにより単純な構
造で管内流体のパス化を実現することが可能になる。

【００９８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は管内流体が
気液二相流となったときも、循環力が小さくならないで
管内流体の流動が安定に保たれる。したがって、本発明
によれば、逆流および不安定流動が起こるのを防ぐこと
ができ、また配管の引き回しにおいて構造が複雑化する
のを回避することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による自然循環式蒸発器の実施の形態を
示す系統図。

【図２】本発明の他の実施の形態を示す系統図。

【図３】本発明の他の実施の形態を示す系統図。

【図４】本発明の他の実施の形態を示す系統図。

【図５】本発明による排熱回収ボイラを示す構成図。

【図６】本発明の他の実施の形態を示す構成図。

【図７】本発明の他の実施の形態を示す構成図。

【図８】本発明の他の実施の形態を示す構成図。

【図９】本発明の他の実施の形態を示す構成図。

【図１０】本発明の他の実施の形態を示す構成図。

【図１１】本発明の起動方法における交換熱量の推移を
示す特性図、

【図１２】本発明の起動方法における管外流体の流量の
推移を示す特性図、

【図１３】本発明の起動方法における管外流体の温度の
推移を示す特性図。

【図１４】本発明の他の実施の形態を示す構成図。

【図１５】本発明の他の実施の形態を示す構成図。

【図１６】従来の自然循環式蒸発器を示す系統図。

【図１７】従来の並流方式の管内２パス自然循環式蒸発
器を示す系統図。

【図１８】従来の対向流方式の管内２パス自然循環式蒸
発器を示す系統図。

【符号の説明】

１ 蒸気ドラム ２ 降水管 ３ 水シール管 ４ 入口ヘッダ ５、７ 伝熱管 ６ ベント管 ８ 出口ヘッダ ９ 上昇管 １５ ダクト １６ 仕切板

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上流側の管内流体１パスおよび下流側の
   管内流体２パスを順に受け入れる伝熱管を備えてなる自
   然循環式蒸発器において、前記伝熱管が同一水平面内に
   おいて前記管内流体の各パスが管外流体と熱交換するよ
   うに配置されることを特徴とする自然循環式蒸発器。
2. 【請求項２】 前記伝熱管が同一水平面内において下流
   側の前記管内流体２パスが上流側の前記管内流体１パス
   よりも先に管外流体と熱交換するように配置されること
   を特徴とする請求項１記載の自然循環式蒸発器。
3. 【請求項３】 前記伝熱管が水平方向に管外流体が流動
   する領域にあって、同一水平面内において下流側の前記
   管内流体２パスが上流側の管内流体１パスよりも先に管
   外流体と熱交換するように配置されることを特徴とする
   請求項２記載の自然循環式蒸発器。
4. 【請求項４】 前記伝熱管が下方から上方へ、さらに反
   転して上方から下方に管外流体が流動する互いに仕切ら
   れた領域にあって、同一水平面内において下流側の管内
   流体２パスが上流側の管内流体１パスよりも先に管外流
   体と熱交換するように配置されることを特徴とする請求
   項２記載の自然循環式蒸発器。
5. 【請求項５】 前記伝熱管が個別に状態量または流量が
   異なる管外流体が流動する互いに仕切られた領域にあっ
   て、同一水平面内において下流側の管内流体２パスが上
   流側の管内流体１パス側よりも大きい状態量または流量
   の管外流体と熱交換するように配置されることを特徴と
   する請求項１記載の自然循環式蒸発器。
6. 【請求項６】 ダクト内に請求項１記載の自然循環式蒸
   発器を備えてなる排熱回収ボイラ。
7. 【請求項７】 ダクト内に請求項２記載の自然循環式蒸
   発器を備えてなる排熱回収ボイラ。
8. 【請求項８】 ダクト内に請求項３記載の自然循環式蒸
   発器を備えてなる排熱回収ボイラ。
9. 【請求項９】 ダクト内に請求項４記載の自然循環式蒸
   発器を備えてなる排熱回収ボイラ。
10. 【請求項１０】 ダクト内に請求項５記載の自然循環式
    蒸発器を備えてなる排熱回収ボイラ。
11. 【請求項１１】 ダクト内に水平に並ぶ複数個のゾーン
    を有し、前記ゾーンにそれぞれ請求項１記載の自然循環
    式蒸発器を備えてなる排熱回収ボイラ。
12. 【請求項１２】 上流側の管内流体１パスおよび下流側
    の管内流体２パスを順に受け入れる伝熱管を備えた自然
    循環式蒸発器を有する排熱回収ボイラの起動方法におい
    て、前記伝熱管を同一水平面内において前記管内流体の
    各パスが管外流体と熱交換するように配置し、しかし
    て、該排熱回収ボイラの起動にあたり、前記管内流体２
    パス側が前記管内流体１パス側と比較して交換熱量を大
    きく保って起動するようにしたことを特徴とする排熱回
    収ボイラの起動方法。
13. 【請求項１３】 上流側の管内流体１パスおよび下流側
    の管内流体２パスを順に受け入れる伝熱管を備えた自然
    循環式蒸発器を有する排熱回収ボイラの起動方法におい
    て、前記伝熱管を同一水平面内において前記管内流体の
    各パスが管外流体と熱交換するように配置し、しかし
    て、該排熱回収ボイラの起動にあたり、前記管内流体２
    パス側が前記管内流体１パス側と比較して管外流体の流
    量を大きく保って起動するようにしたことを特徴とする
    排熱回収ボイラの起動方法。
14. 【請求項１４】 上流側の管内流体１パスおよび下流側
    の管内流体２パスを順に受け入れる伝熱管を備えた自然
    循環式蒸発器を有する排熱回収ボイラの起動方法におい
    て、前記伝熱管を同一水平面内において前記管内流体の
    各パスが管外流体と熱交換するように配置し、しかし
    て、該排熱回収ボイラの起動にあたり、前記管内流体２
    パス側が前記管内流体１パス側と比較して管外流体の温
    度を高く保って起動するようにしたことを特徴とする排
    熱回収ボイラの起動方法。
15. 【請求項１５】 前記伝熱管がフィン付き伝熱管からな
    り、前記管内流体２パスを受け入れる前記伝熱管が前記
    管内流体１パスを受け入れる前記伝熱管と比較してフィ
    ンピッチを高密度に形成されることを特徴とする請求項
    １ないし５のいずれか１項に記載の自然循環式蒸発器。
16. 【請求項１６】 前記管内流体１パスを受け入れる該伝
    熱管と前記管内流体２パスを受け入れる該伝熱管とを管
    内流体を反転させる直線状の中間ヘッダによって連通さ
    せるようにしたことを特徴とする請求項１ないし５のい
    ずれか１項に記載の自然循環式蒸発器。