ボイラーの自然循環方式と強制循環方式で、強制循環方式は「管径小さく」「高さを低く」って？？？

Question

ボイラーの自然循環方式と強制循環方式との比較において、
「強制循環方式は自然循環方式に比べ、「管径を小さく」「ボイラの高さを低く」出来る」
と書いてありました。

ここでいう所の「管径」というのは、降水管、蒸発管の管径の事でしょうか？
また、「ボイラの高さを低く」というのは、蒸気ドラムの高さを低く出来るという事なのでしょうか？
どうして、強制循環方式だとこのような事が可能なのでしょうか？

教えてください。(^▽^)

kazu0801 · Accepted Answer

＞本質は、自然循環では流速が遅い、だから強制循環で流速を上げます、その結果管径が細くても供給水量の確保
が可能になる。
・・・ではないのです。
ボイラーには暖房用小規模ボイラーから発電用ボイラーまで規模が違います。
発電用ボイラーでは水管ボイラーでは高温高圧の蒸気が要求されます。
それには大容量の火炉と水管が必要になり熱交換の時間も必要になります。
流速を遅くして熱交換効率を上げる
小型ボイラーで低圧蒸気でよい場合は強制循環でもいいですが、大容量の
ボイラーでは自然循環の構造となるのです。
管径が細い水管は小規模のボイラーで可能となります。
＞水が入っているドラムの底から火を当てるのではなく、ドラムから上に伸びている蒸発管で蒸発させている
火炉についてはボイラー構造を勉強してください。
火炉の下側にバーナーが設置され原油やガス、石炭、コークス粉が燃焼してます。
これが火炉を過熱し火炉の壁面にある水管を加熱するのです。
燃焼ガスは火炉上部にある加熱器管を過熱し、火炉を出て節炭器で給水管を加熱し、
空気予熱器で燃焼用空気を加熱し煙突から大気に出ます。
他の質問でも述べましたが、一部の図を見て判断したら誤解します。
基本から順序よく学びましょう。

fxq11011 · Answer

＞火力発電所のボイラーは水管ボイラーが使われるみたいです
火炎の中を水管が水平方向に並んでいる・・・だと思います。
ボイラーの高い、低い、はどの部分の寸法？
同じ体積の水なら、底を熱するのと何ら変わりません。水管が長ければ、例えば３列同じ高さで・・・、
半分の長さで同じ水量をと思えば６列を同じ高さに配置するか、３列の２段重ね（高くなります）。
燃料の燃焼は当然のこと？、水管の下方だと思います。
高さが低いほど有利・・・・の結論に至る前に関連する説明があるはずです、結論ばかりをほしがる人は、その部分を理解しようとしません。
＞同じ流量で管径を細く出来る→すぐ熱交換出来るので蒸発管が短く出来る→ボイラ低く出来る
一つの理解の仕方です、単位時間当たりの流量は同じです、でも水から見れば加熱される時間は短縮します、すぐ熱交換はできますが、それで十分な熱量が得られるかは、別の問題があります、即、低くできる、に結び付けられるのか？、低くできると言うより小型にできる、は容易に想像できるかもしれませんが。

fxq11011 · Answer

同じ量の水を流すとき、流速を２倍にすれば管径は半分でOKですね。
流速を２倍、強制循環なら３倍も可能かも。
原子力発電のように、水中に発熱体がある場合はあまり関係ないようにも思います、もちろん若干はあります。
下部から炎当で熱するタイプなら、熱源はボイラーの下、熱気はしたから上昇します、水は温度が上がると軽くなり上昇し、対流します、だから下部を熱するのが最も効率的。
下部の面積が広いほど、一時に大量の水を熱することができます。
同じ量の水なら、（同じ体積なら）底面積が広いほど高さは低くなります。
したがって、単に高さが低い・・・ではなく、底面積が広いほど・・・・、必然の結果として低くなるだけです。
※理解の仕方に問題？
給水流量が足りないので・・・・・・、確かに結果としては間違いではありません。
本質は、自然循環では流速が遅い、だから強制循環で流速を上げます、その結果管径が細くても供給水量の確保
が可能になる。

fxq11011 · Answer

極端に考えれば強制循環ならすべての配管同一平面でも可能かと思います。
ボイラ本体も薄っぺらな板状なら、ほぼ一瞬ですべて蒸気になりますね、強制循環ならそれに対応も可能？。

kazu0801 · Answer

＞ボイラの高さが低いとどうして、始動・停止時間が短く出来るのでしょうか？
強制循環式にすることで熱効率が良くなり、始動から規定の圧力温度までの
到達時間が短縮できます。停止もそうです。
ただ金属やボイラー材質には熱膨張のコントロールが必要で適正な加熱時間、
冷却時間が必要です。
急加熱、急冷却はボイラーの劣化損傷の要因になります。

kazu0801 · Answer

＞一番圧力が高い部分（蒸気ドラム）からしか、注入するしかないのでしょうか？
自然循環のメカニズムは圧力の高いところから低いところに流れる。
過熱すれば上昇する上昇した高温は低温部へ落下する。密度差です。
低圧の部分に注入すると密度差に逆らい蒸気ドラムに逆流する可能性があります。
通常は逆止弁で逆流防止をします。ボイラーでは無理です。
＞ドラムが低く出来る理由は何なのでしょうか？
炉内燃焼で蒸発管の内面流体を加熱します。管径が大きいと熱交換に時間がかかり
長さ（高低差）が必要になります。
管径を小さくすると熱効率が良くなり管長が短く出来るということになります。
水ドラムと汽水ドラムの高低差が短く出来るという事です。
強制循環式は小さな管径でも加圧し必要流量が確保できるメリットがあるという
ことです。
何度でも回答しますよ。

kazu0801 · Answer

「管径」というのは、降水管、蒸発管の管径の事です。
「ボイラの高さを低く」というのは、蒸気ドラムの高さを低く出来るという事です。
自然循環方式は密度差（比重差）によって、蒸気ドラムに注入された給水は温度が
低いので密度差により水ドラムに落ちていって、炉内で熱せられた蒸発管の水は
過熱され上昇します。これが自然循環です。
素人はせっかく熱せられた蒸気ドラムに何故低温の給水するの？無駄でしょ！
と考えるでしょう。
理由は蒸気ドラムが水の範囲中で一番圧力が高いからこの部分に注入するしかないのです。
強制循環式でうまく圧力コントロール出来たら缶水循環ポンプ下流側に給水注入でき
たら更に効率は上がります。
管径については管径を小さくしなければならない制約ではありません。
温度差による自然循環を補うため、圧力差による強制循環にするので管径を小さく
できるということです。
ポンプ能力は出口圧力と管径により流量、流速、圧力が関係します。
この場合は降水管から強制的に水ドラムに移送する役目です。
蒸発管は自然循環の管径と同じだと管内の流量は強制循環による水ドラムの圧力上昇で
増量します。
強制循環なので管径を細くしても十分な過熱水は送れるということです。
構造的に管径を下げ、ボイラの構造をコンパクトにしてコストダウン出来るという事
なのです。

doc_somday · Answer

これはメリットでもあり制約でもあります。強制循環のためには管内抵抗が小さくなければなりませんそのためには環内径を小さく管長も小さくしなくてはなりません。一方自然循環のメカニズムは沸騰水が登る事で上昇エネルギーを得ているのです。

ボイラーの自然循環方式と強制循環方式で、強制循環方式は「管径小さく」「高さを低く」って？？？

＞本質は、自然循環では流速が遅い、だから強制循環で流速を上げます、その結果管径が細くても供給水量の確保

＞火力発電所のボイラーは水管ボイラーが使われるみたいです

同じ量の水を流すとき、流速を２倍にすれば管径は半分でOKですね。

極端に考えれば強制循環ならすべての配管同一平面でも可能かと思います。

＞ボイラの高さが低いとどうして、始動・停止時間が短く出来るのでしょうか？

＞一番圧力が高い部分（蒸気ドラム）からしか、注入するしかないのでしょうか？

「管径」というのは、降水管、蒸発管の管径の事です。

これはメリットでもあり制約でもあります。

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