JPS5844922B2 - 最適反転流領域を有する直進燃焼炉筒煙管ボイラ− - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、炉筒的直進燃焼方式の炉筒煙管ボイラーに
おける炉筒内の燃焼ガス反転流を最適な形に維持できる
ようにするため、火炎および燃焼ガスの流れ特性を規整
したものである。

従来公知の炉筒内戻り燃焼方式においては、燃焼装置の
発進火炎は、炉筒の長手軸方向に向って前進し、炉筒奥
付近から燃焼ガス状態で反転流となり、燃焼装置発進端
方向に向って燃焼ガス全量が帰還するのであるが、本発
明においては、炉筒長手軸において燃焼装置発進端の噴
口径ｄと炉筒の内径Ｄ、炉筒内径りと炉筒長さし、炉筒
内径りと炉筒出口排気口径Ｏｄとの比、すなわちｄ／Ｄ
、Ｌ／Ｄ、Ｏｄ／Ｄの三点を規整することにより、炉筒
長手軸上おいて発進火炎が直進し燃焼ガスとなる過程に
おける燃焼ガス束がその外周辺から反転流を生じて、最
適形の帯層を作りなから炉筒内周壁に沿って反転し、中
央を前進する火炎を伴う燃焼ガス束主流とは反対方向に
流動し、遂に主流中に巻き込まれる作用を繰り返すよう
にしたことを特長とするものである。

以下本発明を図示の実験装置および実施の態様に基いて
詳細に説明する。

第１図は実験装置による普通の流れ模様であり、透明塩
ビ筒１の中心長手軸の一端に噴口２を設け、他端対抗面
をそのま又筒内径の状態で排出口３とした場合は、噴流
は放射角をもって末広がり状態に順次拡大したままで排
出口３から放出され、放射状噴流４の外周辺からは単純
な巻き込み流を生じるに反し、第２図では透明塩ビ筒１
の中心長手軸の一端に噴口２を取付け、他端対抗面を絞
った狭搾口５を設けて、噴流を発進させた時の流れ模様
は、噴流４として順次拡大しながら直進しつつ、その外
周辺において多（の帯状層反転流６を生じ、この反転流
６は円筒１の内壁に沿いながら流動するため、このよう
な反転流は、たとえば、つぎのような接触伝熱として炉
筒の放射伝熱面に接触伝熱量を、ステファンボルツマン
の法則による放射熱とは別に付与することになる。

ここに ｔｍ ｃ Ｃ Ｗ。

炉筒内の伝熱面積 ボイラ水と燃焼ガスの平均温度差 付与する接触伝熱量 熱伝達率 炉筒内反転流路の等価換算直径 燃焼ガス流速 この実験装置により最も帯状層反転流のできやすい条件
として得られた結果をフローパターンマツプ（流れ模様
地図）として集約したのが第３図であり、この実験装置
は実際に適用するボイラの炉筒の大きさと流れ作用条件
を相似則により実施したものであるから、得られた結果
はそのま〜実用に供することができる。

この第３図における最適反転流領域から脱れた場合の流
れは著しく悪化し、炉筒内壁面に拡大衝突流を生じるか
、偏流すなわちコアンダフローを生じるか、或は燃焼未
完成のままで排出されるかするため燃焼上も伝熱上も不
適当となるから最適反転流領域の条件を設定する必要が
生じる。

このような考え方として、 「同軸噴流の燃焼室内の流れ」の研究は１９６６年にジ
エイ・シエダイルやダブリュ・レエウケルおよびニー・
ター・チェスターにより第１図の如き公知のものはある
が、本発明の如く、最適反転流領域を発見するためのｄ
／Ｄ、Ｌ／Ｄ、Ｏｄ／Ｄの相関関係を明らかにしたもの
ではなく、また昭和５３年７月に石谷渭幹らが１−反転
噴流の実１験的研究」を東京大学宇宙航空研究所の学術
誌に発表しているが、これは長方形箱内における戻り燃
焼方式の流れ模様に関する研究であって、本発明の如く
円筒形室内における直進燃焼すなわちアドバンスフロー
ファイアリング方式のものではなく、流動作用が異なる
ばかりか、直進燃焼方式流れ模様規整の方法まで追究し
たものではない。

この第２図第３図の実験を用いて得られたのが第４図で
あり、前述の実験は第４図、第５図、第６図、第７図を
発明するための不可欠な階梯である。

第４図において、ボイラ一本体７の内部に内径りの炉筒
８を嵌入定着し、炉筒の中心軸前面には噴口径ｄを有す
る液体または気体燃焼装置９を装置し、その同軸対抗面
には口径Ｏｄの排出口１０を設け、口径の狭搾された排
出口１０は後部管板１１との間に、２００ｍｍ程度の直
線距離をとって、排出口１０と同軸同口径の排出筒１２
を後部管板１１との間に開口する。

なお、ボイラーの前部管板１３を貫通して前面に突出し
た炉筒の前面１４から同軸対抗面の排出口１０の内面と
の間には所定の距離りを取って炉筒の燃焼室を構成する
。

炉筒８の上面および両側面には接触伝熱面としての煙管
群１５．１５’を一回路または多回路となるよう横架定
着せしめるものとする１、 この場合前部管板１３と後部管板１１を貫通装着する煙
管群１５ 、１５’は、熱伝達率の高い螺旋状煙管や直
管内部に螺旋状巻線或は捩り羽根棒などを挿入し、控管
を組合せるのが適当である。

また前部管板１３の前面には前煙室１６、後部管板１１
の後面には後煙室１７をそれぞれ組合せるものとする。

第５図は燃焼装置９側から見たボイラ一本体７の正面図
である。

かくして、ｄ／Ｄの下限を０．１５、上限を０．３５、
Ｌ／Ｄの下限を１．５上限を４、Ｏｄ／Ｄの下限を０３
上限を０．８の範囲内に収納されるように構成すること
によって第３図の流れ模様地図またはフローパターンマ
ツプの領域にはいり、第２図に示した好適反転流を得ら
れることになる。

ｄ／Ｄ 、Ｌ／Ｄ 、Ｏｄ／Ｄに上記数値を与えている
ことは、炉筒内に拡大衝突流や偏流、すなわち、コアン
ダフローを生じることなく、また炉筒外へ未完全燃焼の
まま排出することなく、最適な反転流領域を得んとする
ものである。

従って上記数値を与えた根拠はこれら目的を達成するの
に必要且十分な条件ということになる。

それでは、なぜこのような最適反転流を炉筒内に形成さ
せる必要があるのかを以下にデータ等を用いてさらに説
明する。

炉筒煙管ボイラの燃焼方式についての発達過程をみると
、昭和４３年以前は直進燃焼方式しかなく、昭和４３年
当社が日本国内において始めてもどり燃焼方式の開発に
成功した（特許第８４７０８３号明細書を参照されたい
）。

この燃焼方式は炉筒内で燃焼したガスが前側（バーナ側
）へ反転して戻って（る燃焼方式で、もどり燃焼とか反
転燃焼と呼ばれている。

この燃焼方式の最大の特色は、炉筒煙管ボイラとしての
構造を簡単に、小型・軽量に、さらには高性能化をはか
ることにある。

この方式では、煙を炉筒内で逆転させているため、炉内
温度がより均一に、燃焼効率もより一層増進される。

また燃焼用空気予熱にみられる通り、雰囲気が高温にな
って、油滴と空気との混合と反応とが促進され、それが
もどり流のか（乱や混合、あるいは渦流作用によってさ
らに倍加され、完全燃焼の３条件、温度とかく乱と燃焼
時間と、反転流による自己再循環により、ＮＯｘ値への
低減効果も顕著に得られることがわかった。

これらについてさらに具体的に説明する。

（Ｉ） 炉内解析結果によるもどり燃焼の効果。

第８図〜第１１図に炉内のガス動圧分布、ガス組成分布
、炉内温度分布、火炎輝度分布、及び伝熱面熱負荷分布
を示した。

反転流とすることのねらいは、従来の直進燃焼方式では
、バーナ出口近くで火炎温度が高（、炉内中央を過ぎる
と火炎は消滅して、ガス温度も下り、炉出口近（の放射
伝熱量は著しく小さくなってしまう。

すなわち、この場合には、伝熱量は輝炎放射の方が不輝
炎放射に比べて、はるかに大きいこと、放射伝熱量は温
度の４乗に比例すること、そして放射伝熱量は火炎に対
向する投影同種に比例するから例えば炉の長さに比例し
ないこと、などの説明によるまでもなく、炉内の局部熱
負荷は火炎の流れ方向にそって急激に下ることとなる。

このような火炎を反転流とすると、火炎は炉内に充満し
ながら、往路の火炎温度の勾配と復路のガス温度の勾配
とが互いの差をキャンセルして炉内の温度が均一に、そ
して炉内の局部熱負荷が均一化される。

これは第１１図に示す通りである。

この伝熱面熱負荷が均一であることは、構造的に無理の
ない設計となっていることと、炉筒よりの伝熱量が増加
していることにより小型化がはかれることに大きな特長
がある。

叶 低ＮＯｘ効果。

低ＮＯｘ化の方法等については、今更説明するまでもな
いが、第１１図に示すように、前面バーナより発進され
、炉筒中心部に形成された火炎の周囲には燃焼室の奥の
方からすでに大部分熱吸収を終り、やや低温化した状態
で反転してくる燃焼ガスを巻き込んで、バーナ近傍の高
温領域の温度を緩和する作用を行うことになるため、炉
筒内で自己多段燃焼や自己排ガス循環の作用を行なって
いることとなり、低ＮＯｘ効果が上る。

（資−３−表−１）にその数値を示し、もどり燃焼がい
かに少ないかがわかる。

以上、反転燃焼の有利性を説明したが、この効果を直進
燃焼へ応用できないか研究した結果、得られたのが、ｄ
／Ｄ−０，１５〜０．３５ 、 Ｌ／Ｄ１．５〜４ 、
Ｏｄ／Ｄ−０，３〜０．８の関係である。

即ち、この範囲を逸脱すると、その目的とする最適反転
流を直進燃焼において形成することが不可能となる。

このようにして作られた炉筒内における燃焼方式をアド
バンス・ファイアリング方式と称し、流れの可視化によ
る実験及び実物大の装置を使っての実験により求めたも
のである。

さらにこれは第４図のボイラにより観察し得た結果から
もその確度は高いということができる。

第６図、第７図においても前述と同様であるが、これら
の場合は、図中の狭搾された排出筒１２と、炉筒８の外
径との間には比較的充分な隔たりがあるため、この隔り
を最も有効に利用するため水管群１８．１８′を配列固
着したものであり、その目的とするところは間欠的に火
炎を伴う燃焼ガスが、煙管群１５．１５′に流入せんと
する作用があるため、この火炎を水管群によって接触消
火しようとすると共に後煙室１７を包囲する耐火断熱材
内張り蓋板１９が受ける熱荷重を緩和せんとするもので
ある。

いうまでもなく、燃焼室に面して炉筒の外周に水管群を
配置する方法は、船用ボイラーとしてのハウデンジョン
ソンボイラー等に採用されている方法ではあるが、本実
施例は特に、炉筒後端に最適反転流領域形成のための一
要素として狭搾排出筒１２を設け、煙管群１５．１５′
との間の余裕ある空間部２０と組合せて水管群１８．１
８′を配置したものである。

これは前述の船用ボイラーの炉筒が、その後端において
僅かに直径を縮小するという規格上の寸法に比較すれば
格段の余裕ある空間部２０を形成したことによって、上
記従来技術とは著しい相違が存するのである。

本発明の構成は前述の通り、直進燃焼方式の下で燃焼ガ
スの最適反転流を形成せしめることに係るものであり、
その作用効果について整理するとつぎのとおりである。

（１） 炉筒内における伝熱作用は、主としてステフ
ァンボルツマンの法則による放射伝熱であるが、本発明
は前述したように最適反転流による接触伝熱をこれに付
加しえるものである。

（２）炉筒内における直進燃焼で、反転流による燃焼ガ
スの巻き込みがあると、当然燃焼ガス再循環作用が生じ
るため、燃焼に伴う窒素酸化物（ＮＯｘ）の抑制作用を
生じる。

本発明者らが行なったＮＯｘ抑制率の一例はつぎのよう
な値を得ている。

（３）第３図のフローティングマツプに合致する範囲に
おいて、各種形式の燃焼装置を組合せることができるか
ら、従来の戻り燃焼方式の如く、燃焼装置を特定の構造
に限定しなくてよい効果は大きい。

すなわち、市販燃焼装置とボイラの適合性が第３図領域
において可能となる。

（４）第６図、第７図の狭搾部排出口の燃焼ガス流出路
に設けた水管群により、耐火断熱材内張り蓋板の高熱荷
重を緩和し、火炎粉を消去できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は実験装置の縦断面図、第３図は実験装
置によって得られたフローパターンマツプ、第４図は第
１実施例の縦断側面図、第５図はその正面図、第６図は
第２実施例の縦断側面図、第７図はその正面図、第８図
乃至第１１図は本発明の作用効果を説明する説明図であ
る。 １・・・透明塩ビ筒、２・・・噴口、３・・・排出口、
４・・・放射状噴流、５・・・狭搾口、６・・・反転流
、７・・・ボイラ一本体、８・・・炉筒、９・・・液体
または気体燃焼装置、１０・・・排出口、１１・・・後
部管板、１２・・・排出筒、１３・・・前部管板、１４
・・・炉筒の前面、１５・・・煙管群、１５′・・・煙
管群、１６・・・前煙室、１７・・・後煙室、１８・・
・水管群、１８′・・・水管群、１９・・・耐火断熱材
内張り蓋板、２０・・・空間部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直進燃焼方式またはアドバンスフロ一方式より成る
   炉筒煙管ボイラーにおいて、液体または気体燃料による
   燃焼装置の先端噴口径をｄ、炉筒内径をＤ、炉筒有効長
   さをし、噴口と同軸対抗面の炉筒奥に狭搾部を設け、こ
   の排出口径をＯｄとし、これらを炉筒長手軸上に互に相
   関するごとく組合せ、ｄ／Ｄ＝０．１５〜０．３５、し
   山＝１．５〜４、Ｏｄ／Ｄ＝０．３〜０．８の関係にお
   いて、直進燃焼ガスの外周辺に最適反転流を形成せしめ
   るようにしたことを特徴とする最適反転流領域を有する
   直進燃焼炉筒煙管ボイラー。 ２ 直進燃焼方式またはアドバンスフロ一方式より戒る
   炉筒煙管ボイラーにおいて、液体または気体燃料による
   燃焼装置の先端噴口径をｄ、炉筒内径をＤ、炉筒有効長
   さをし、噴口と同軸対抗面の炉筒奥に狭搾部を設け、こ
   の排出口径なＯｄとし、これらを炉筒長手同軸上に互に
   相関するごと（組合せ、ｄ／Ｄ＝０．１５〜０．３５、
   Ｌ／Ｄ−１，５〜４、Ｏｄ／Ｄ、、＝０．３〜０．８の
   関係において直進燃焼ガスの外周辺に最適反転流を形成
   せしめ、かつ炉筒奥の狭搾部排出口と炉筒上面、両側面
   に列架挿着した煙管群との間に形成された空間部に、排
   出口を上下に跨架するように水管群を挿入固着したこと
   を特徴とする最適反転流領域を有する直進燃焼炉筒煙管
   ボイラー。