2級ボイラー技士 2024年(R6)4月-問2 過去問の解説 【ボイラーの構造に関する知識】

問題

水管ボイラーについて、適切でないものは次のうちどれか。

1.	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大きくなり、ボイラー水の循環力が強くなる。
2.	強制循環式水管ボイラーは、ボイラー水の循環系路中に設けたポンプによって、強制的にボイラー水の循環を行わせる。
3.	二胴形水管ボイラーは、炉壁内面に水管を配した水冷壁と、上下ドラムを連絡する水管群を組み合わせた形式のものが一般的である。
4.	高圧大容量の水管ボイラーには、炉壁全面が水冷壁で、蒸発部の接触伝熱面が少ない放射形ボイラーが多く用いられる。
5.	貫流ボイラーは、管系だけで構成され、蒸気ドラム及び水ドラムを必要としないので、高圧ボイラーに適している。

回答

正解は（1）

１．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大きくなり、ボイラー水の循環力が強くなる。
→不適当
「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、ボイラー水の循環力が弱くなる。」が正しい文章です。
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。
• 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。

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。

２．強制循環式水管ボイラーは、ボイラー水の循環系路中に設けたポンプによって、強制的にボイラー水の循環を行わせる。
→正しい
選択肢1で解説したように、自然循環式の水管ボイラーでは高圧になると蒸気と水の密度差が小さくなり、循環力が弱ります。そのため、水の循環経路中に循環ポンプを設けて、強制的にボイラー水を循環させる必要があります。これを強制循環式水管ボイラーといい、主に高圧ボイラーに採用されます。

３．二胴形水管ボイラーは、炉壁内面に水管を配した水冷壁と、上下ドラムを連絡する水管群を組み合わせた形式のものが一般的である。
→正しい
水管ボイラーはドラムの数によって、単胴型、二胴型、三胴型に分類されます。
二胴型は以下の画像のように上下にドラムを二つもち、それぞれのドラムを連絡する管と、燃焼室の壁面に水管を配した水冷壁によって構成されています。

４．高圧大容量の水管ボイラーには、炉壁全面が水冷壁で、蒸発部の接触伝熱面が少ない放射形ボイラーが多く用いられる。
→正しい
放射形ボイラーとは、炉壁全面を水管で覆った水冷壁によって構成し、この水冷壁の中を通過した水を放射伝熱（火炉からの熱）によって加熱して蒸気にします。そのため、接触伝熱面（燃焼室を出た後の熱、高温ガスなど）はかなり少なくなっています。
このような構造のため、水ドラムは不要で蒸気ドラムだけで構成されています。

• 放射伝熱面：炉筒のような燃焼室に直面している火炎などから強い放射熱を受ける部分
• 対流伝熱面（接触伝熱面）：煙管のように燃焼室を出た後の、高温のガスが通る部分

水冷壁：ボイラーの燃焼室の壁を構成する、水管が並んだパネル状の部品です。この水冷壁は、高温の燃焼ガスからの熱を吸収して水を蒸気に変える伝熱面としての役割を持ちつつ、炉壁の温度上昇を防いでボイラーの焼損を防止します。

５．貫流ボイラーは、管系だけで構成され、蒸気ドラム及び水ドラムを必要としないので、高圧ボイラーに適している。
→正しい
貫流ボイラーは、水が管内を一方向で流れながら加熱され、そのまま蒸気になる構造です。
水または蒸気が流れるのは水管の中だけで、ドラム（水や蒸気を一時的に貯める容器）が不要となっています。
このような構造から、水管の強度を高めるだけで高圧に耐えられるようになるため高圧ボイラーに適しています。
一方、ドラムを有するボイラー（丸ボイラーなど）は、ドラムの強度上げないと高圧化が難しくなっています。