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最近の火力発電所のボイラーには高温・高圧・大容量のものが要求される。そのとき燃焼室温度が高温化すると、伝熱量が温度の4乗に比例して増大する放射熱が、接触熱伝達に勝ってくる。このため炉壁が高熱となり焼損し易くなる。これを防止すると同時に水の蒸発・過熱を円滑に行うために、燃焼室の周囲の壁のすべてに直径20〜100mmの水管を縦に並べて水管による炉壁をつくる形のボイラーが主流となった。この炉壁を水冷壁(water
cooled wall)という。
最近のボイラーの燃焼室は接触伝熱面を減らして放射伝熱面を多くするようにバーナーの燃焼形態も工夫されている。下図は燃焼室形状と燃焼の様子を示す。
下図は水冷壁の構造概念図である。
今日の大容量ボイラーは放射伝熱面を広く取るため燃焼室内の水冷壁は巨大な塔状を成している。炉壁を構成する水管は一般に上部を固定した吊り下げ型で下端は自由端として大きな熱膨張に備えている。下図は自然循環ボイラーの具体例である。
下図は気水ドラム内部の構造の概念図である。
このような自然循環ボイラーでは水の循環が円滑に行くように水頭を高く(40〜50m)し、ドラムからの降水母管を太くして、これが加熱されないように炉外に設置する形になっている。
しかしながら、発生蒸気が高温・高圧になるにつれて、下図に示すように蒸気と水の密度差は減少してくる。
そのため蒸気圧力が増加すると密度差による自然循環型ボイラー(下左図)では缶水の循環が円滑に行かなくなる。蒸気圧力の増大とともに、ボイラー水の循環経路に循環ポンプを設置して強制的に水を循環される強制循環型ボイラー(下中図)が発達してきた。
さらに、蒸気圧力が臨界圧力を超えると液体と気体の区別が無くなる。そうなると途中の気水分離ドラムの意味はなくなる。そのため給水をボイラーにポンプで圧入した後は節炭器→蒸発管→過熱管を貫流する間に熱吸収を行って他端から順次過熱蒸気としてタービンに送る形式の貫流型ボイラー(下右図)となる。
強制循環ボイラーの特徴
貫流ボイラーの特徴
このHPは以下の記述を参考にした。図もこれらの本から引用しました。