2級ボイラー技士 2024年(R6)10月-問2 過去問の解説 【ボイラーの構造に関する知識】

問題

ボイラーの水循環について、適切でないものは次のうちどれか。

1.	ボイラー内で、温度が上昇した水及び気泡を含んだ水は上昇し、その後に温度の低い水が下降して、水の循環流ができる。
2.	自然循環式水管ボイラーは、高圧になるほど蒸気と水との密度差が小さくなり、循環力が弱くなる。
3.	水管ボイラーは、水循環を良くするため、水と気泡の混合体が上昇する管と、水が下降する管を区別して設けているものが多い。
4.	炉筒を有するボイラーでは、水循環を良くするため、炉筒をボイラーの中央に配置するのが良い。
5.	水循環が不良であると気泡が停滞することなどにより、伝熱面が焼損、膨出するなどの原因となる。

回答

正解は（4）

１．ボイラー内で、温度が上昇した水及び気泡を含んだ水は上昇し、その後に温度の低い水が下降して、水の循環流ができる。
→正しい
ボイラー内の水は、まず加熱されることで温度が上がります。すると密度が下がり、軽くなるため浮力によって上昇します。上昇した水は次第に冷えて温度が下がり、密度が大きくなって重くなります。すると今度は下降し、この「温度変化による密度差」の繰り返しによって自然対流が生じ、水の循環流が形成されます。

例えば 温泉や入浴中の浴槽 をイメージするとわかりやすいです。お湯が湯口から供給されると、熱いお湯は軽いため上層に広がり、下の方は比較的冷たいままです。この上下の温度差によって水がゆっくり動き、全体が均一に温まっていきます。

• 温度が低い → 密度が大きい（重い） → 下に沈む
• 温度が高い → 密度が小さい（軽い） → 上に上がる

２．自然循環式水管ボイラーは、高圧になるほど蒸気と水との密度差が小さくなり、循環力が弱くなる。
→正しい
自然循環式の水管ボイラーでは、加熱によってできた「水＋蒸気の混合体」が上昇管を上がり、冷えた水が下降管を下がることで、水の循環が生まれています。
この循環を動かす原動力は「蒸気と水の密度差」です。

• 圧力が低いとき：
  蒸気の密度は水に比べて非常に小さく（＝とても軽い）、密度差が大きいため、循環が活発に起こります。
• 圧力が高いとき：
  蒸気の密度が水に近づいていく（＝蒸気が重くなる）ため、密度差が小さくなり、浮力が弱くなります。その結果、循環力も弱くなります。

極端な例として、臨界圧力（約22.1MPa）では水と蒸気の性質が区別できなくなり、密度差もゼロになるため、自然循環は成り立たなくなります。

３．水管ボイラーは、水循環を良くするため、水と気泡の混合体が上昇する管と、水が下降する管を区別して設けているものが多い。
→正しい
水管ボイラーは、効率よく水を循環させるために、管の役割を分けています。燃焼ガスの熱で温められた水や気泡を含む混合体は密度が小さくなり、自然に上昇するため「上昇管」と呼ばれる管を通ります。逆に、温度が下がって密度が大きくなった水は「下降管」と呼ばれる管を通って下に戻ります。

• 温度が低い → 密度が大きい（重い） → 下に沈む
• 温度が高い → 密度が小さい（軽い） → 上に上がる

このように、上昇管と下降管をはっきり区別して設けることで、ボイラー内部に自然な循環流（自然対流）が形成され、効率よく蒸気を発生させることができます。

４．炉筒を有するボイラーでは、水循環を良くするため、炉筒をボイラーの中央に配置するのが良い。
→不適当
炉筒を有するボイラーにおいては、水循環を良くするため、炉筒をボイラーの中央から少しずらして配置します。

５．水循環が不良であると気泡が停滞することなどにより、伝熱面が焼損、膨出するなどの原因となる。
→正しい
水循環が不十分だと、加熱されている伝熱面に気泡が停滞し、水との接触が遮断されます。これにより熱が奪われなくなり、伝熱面が過熱され、最悪の場合、焼損や膨出といった重大な事故につながります。