(57)【要約】簡単に安価に製造でき、異なった運転条件の大きな帯域幅において特に良好な熱伝達挙動を有する蒸気発生管（１０）を提供する。そのために本発明に基づいて、旋回流を発生する内面形状を形成するために少なくとも１個のインサート（２２）が管の内室（１８）の内部に配置され、そのインサート（２２）が、大きな面積の複数の切欠き開口（２６）を備えた少なくとも１個の枠形鋼板（２４）から成り、この枠形鋼板（２４）が長手方向においてねじられ、その長手縁（３０）が少なくとも部分的に管内壁（３６）に接している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
旋回流を発生する内面形状を形成するために少なくとも１個のインサート（２２）が管の内室（１８）内に配置されている蒸気発生管（１０）において、
インサート（２２）が、大きな面積の複数の切欠き開口（２６）を備えた１個あるいは複数の枠形鋼板（２４）から成り、前記インサート（２２）が長手方向においてねじられ、その長手縁（３０）が少なくとも部分的に管内壁（３６）に接していることを特徴とする蒸気発生管（１０）。
【請求項２】
各切欠き開口（２６）が、枠形鋼板（２４）の両側長手縁（３０）からそれぞれ幅の狭い周縁部平板（３２）によって隔てられていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項３】
枠形鋼板（２４）に長手方向に直列配置された複数の切欠き開口（２６）が、幅の狭い横断部平板（２８）によって互いに隔てられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項４】
インサート（２２）がそのねじり応力のために、所定の運転温度において管の内室（１８）にすべり止めして設置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項５】
インサート（２２）が、少なくとも１箇所、好適には、両端の近くで、管内壁（３６）に固定結合されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項６】
固定結合が溶接結合であることを特徴とする請求項５に記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項７】
インサート（２２）が、管材料に類似した組成の材料で作られていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項８】
複数のインサート（２２）がそれぞれ別個の管部位に配置され、各インサート（２２）の幾何学的パラメータが、運転中に予期される局所的加熱および／又は局所的流れ状態に適合されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１つに記載に応じて形成された複数の蒸気発生管（１０）を有していることを特徴とする貫流ボイラ（２）。
【請求項１０】
旋回流を発生するインサート（２２）を備えた蒸気発生管（１０）の製造方法において、
１個あるいは数個の枠形鋼板で形成されたインサート（２２）が、ねじられバイアス（プレストレス）を有する状態で管の内室（１８）に挿入され、その挿入後、枠形鋼板（２４）の長手縁（３０）が少なくとも部分的に管内壁（３６）に接するまで弛緩されることを特徴とする旋回流を発生するインサート（２２）を備えた蒸気発生管（１０）の製造方法。
【請求項１１】
インサート（２２）が、その少なくとも部分的な弛緩後、少なくとも一端が管内壁（３６）に溶接されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、旋回流を発生する内面形状を備えた蒸気発生管に関する。また本発明は、かかる蒸気発生管を備えた貫流ボイラに関する。さらに本発明は、旋回流を発生する内面形状を備えた蒸気発生管の製造方法に関する。
【０００２】
貫流ボイラの燃焼室壁に、通常、燃焼室を取り囲む煙道を形成するために帯形鋼板を介して互いに気密溶接された多数の蒸気発生管が採用され、これらの蒸気発生管は流れ媒体の貫流に対して並列接続されている。別個の帯形鋼板が管間に位置する管の代わりに、工場で予めフィンが一体形成された管も利用できる。その蒸気発生管は垂直にあるいは斜めに配置される。蒸気発生管は通常、貫流ボイラの安全運転挙動のために、蒸気発生管を貫流する媒体の質量流量密度が小さい場合でも蒸気発生管の十分な冷却が保証されるように設計されている。
【０００３】
その重要な設計基準は蒸気発生管の熱伝達特性にある。高い熱伝達率は、蒸気発生管を貫流する媒体の特に効果的な加熱を可能とし、同時に蒸気発生管を確実に冷却する。蒸気発生管の熱伝達挙動は、未臨界圧で運転される通常の蒸気発生管の場合、沸騰による局所的な異常乾燥、いわゆるSiedekrisenによって害される。その場合、管壁はもはや液状流れ媒体（一般に水）でぬらされず、このために十分に冷却されない。その際、過度に早い乾きのために、管壁の強度値が低下することがある。
【０００４】
その熱伝達挙動の改善のために、通常は成形過程（例えば冷間引抜き加工）により内周面にスパイラル状にねじれたリブの形態の表面組織あるいは内面形状を有する通常の蒸気発生管が採用される。そのリブによって、蒸気発生管を貫流する媒体に旋回が与えられ、これにより、遠心力のために重い液相が管内壁に集まり、そこでぬれ液膜を形成する。これによって、比較的高い熱流密度の場合でも小さな質量流量密度の場合でも、管内壁から流れ媒体への確実な熱伝達が保証される。
【０００５】
公知の蒸気発生管の場合、これが管材料の変形性が限られているために製造にコストがかかるという欠点がある。特にクロム高含有の耐熱鋼の場合、変形性が著しく制限される。かかる材料は今日において、蒸気発生管に対して、その材料が（少なくとも原理的には）特に高い蒸気パラメータ特に高い蒸気温度およびそれに伴う特に高い効率に対する蒸気発生器の設計を可能とするので、ますます重んじられている。しかし、平滑管からの成形過程において流れ技術的に有利な所望のリブ形状を備えた内面リブ付き管を製造することは、加工時における材料上の制限によって、実際に全くできないか、高価な経費をかけねばできない。特に急勾配のねじ山角および角の尖った移行部が大きなリブ高に関係して製造することが困難である。また、リブの高さは狭い枠内でしか作れない。さらに、管に沿った形状に関して僅かな柔軟性しか生じない。
【０００６】
あるいはまた、蒸気発生管に追加組込みするための種々の形状の旋回流発生組込み部品が既に提案されている。これには特にいわゆる「ねじれテープ」、即ち、帯形鋼板から作られてねじられるかひねられたテープが属する。もっとも従来公知の管組込み物には共通して、一方では、管の中心部における（本来の）自由開口断面を塞ぎ、このために非常に大きな圧力損失を生じさせ、他方では、流れ全体を著しく方向転換させ、その際に部分的に「過旋回」させる、という欠点がある。単純なねじれテープは例えば、二相流において蒸気含有率が高い場合に管壁とテープとの間の管壁側空間に水相を集合させ、同時にテープの陰側を乾燥させ、これにより、その内壁部位の冷却を不十分にさせる。従って、ねじれテープの形態の組込み物を備えた蒸気発生管は、蒸気発生器において一般に生ずるあらゆる運転状態に対して一様には適用できない。
【０００７】
本発明の課題は、簡単に安価に製造でき、異なった運転条件の大きな帯域幅において特に良好な熱伝達挙動を有する、冒頭に述べた形式の蒸気発生管を提供することにある。さらに、かかる蒸気発生管の製造に適した製造方法並びに高い運転安全性と高い効率において特に単純な構造を有する貫流ボイラを提供することにある。
【０００８】
蒸気発生管に関する上述の課題は、旋回流を発生する内面形状を形成するために、少なくとも１個のインサート（組込み物）が管の内室の内部に配置され、このインサートが、大きな面積の複数の切欠き開口を備えた少なくとも１個の枠形鋼板から成り、このインサートが長手方向においてねじられ、その長手縁が少なくとも部分的に管内壁に接していることによって解決される。
【０００９】
本発明は、蒸気発生管の内部における多相流が熱伝達率を改善するために旋回を有するようにし、これにより、液相が回転（遠心力）により管内壁に沿って導かれ、その管内壁をできるだけ一様にぬらす、という考えから出発している。従って、かかる旋回流の的確な発生と維持のために、管内部に適切な流れ案内要素が配置されねばならない。既に明らかになっているように、一方では、「過旋回」も流れ経路に沿った極度に大きな圧力損失も生ぜず、他方では、旋回作用が流れ媒体の液相を管全周にわたり管内壁に沿って案内するために十分な強さを有することが、流れ案内にとって特に好ましい。
【００１０】
給水ポンプに対して大きなエネルギ需要を生じさせる高い圧力損失を防止するためおよび管内部における蒸気排出案内を保証するために、流れ案内要素は実質的に管内壁に内面形状の形態で配置され、中心部における管開口断面を全くあるいはほんの僅かしか塞がないようにしなければならない。さらに、通常構造のリブ付き管で生じる製造制限を回避するために、旋回を発生する内面形状は、蒸気発生管と無関係に所望の形状で製造され、後から管にはめ込まれる管組込み物あるいはインサートによって実現されるようにしなければならない。
【００１１】
この目的のために、ここで提案された構想において、長手方向においてねじられた枠形鋼板が管の内室に配置され、この枠形鋼板がその長手縁で少なくとも部分的に、しかし好適には全体にわたり管内壁に接している。異なった形態において、複数の枠形鋼板で形成され長手方向においてねじられた組込み体が管内部に配置され、その場合、ねじられ、ないしひねられた各枠形鋼板が、その両側長手縁で管内壁に接している。この形態は、図を参照した説明でも後述されている。従来公知のねじれテープと異なって、各枠形鋼板は、例えば鋼板材料から打抜き加工あるいは切削加工された複数の大きな面積の切欠き開口を備えている。ここで大きな面積とは、すべての切欠き開口で形成される総面積が各枠形鋼板の基礎面積の少なくとも５０％、好適には少なくとも８０％であり、これによって、管の内室への挿入後、中心部における管開口断面の主要部が開いていることを意味する。これによって、管内部における蒸気は支障なく集積し流出する。
【００１２】
旋回流の発生は、閉鎖（開口無し）ねじれテープの場合と異なり、周縁近くの部位、即ち、切欠き開口を縁取るか取り囲む周縁部平板によって生じ、その周縁部平板は、管内壁に沿ってそれぞれスパイラル状にねじれ、通常のリブ付き管のリブに類似した形状とそれに類似した機能を有する。通常のねじれテープの「過旋回」のような不利な作用は回避される。その代わりに、中庸な旋回強さおよび比較的小さな圧力損失においても、液状流れ媒体による管内壁の一様なぬらしが達成される。長手方向に直列配置された複数の切欠き開口の切欠き開口間にそれぞれ場合により設けられた横断部平板（クロスピース）および終端部の横平板は、管組込み物に対する支持機能だけを有し、蒸気発生管の中心部における旋回流をほとんど妨げない。
【００１３】
本発明の構想において特に有利に、成形過程による大きな成形力の作用下で平滑管から製造されるリブ付き管に比べて、例えばひねり数、周縁部平板の幅（リブ付き管のリブ高さに相当）、ねじ山角および角の尖り度のような流れ関連パラメータについて大きな柔軟性が存在する。相応した設計パラメータは、インサート部品として形成する際、そのために一般に適切に打抜き加工あるいは切削加工された１つのないし複数の鋼板あるいは金属テープが用意され、比較的簡単に製造できる平滑管の中にひねりながら挿入されるだけで済むので、特に簡単且つ正確に実施できる。
【００１４】
その管インサートは、蒸気発生管の所定の運転パラメータにおいて、枠形鋼板のねじり応力のために管の内室に有利にすべり止めして置かれる。即ち、鋼板材料およびねじり応力は、管の内室においてインサートのクリープあるいはすべりが阻止されるような、幾何学的状態となっている。
【００１５】
管インサートは既にその幾何学的寸法およびそのねじり応力のために蒸気発生管内に比較的固く確実に置かれているけれども、好適には、各枠形鋼板あるいは少なくとも１個の枠形鋼板が少なくとも一箇所で、好適には、その両端の近くで、管内壁に固く結合される補助固定部が設けられている。その固い結合は耐熱溶接が有利である。しかし特により確実な固定を保証する幾分手間のかかる異なった方式は、枠形鋼板の長手縁にわたって分布された複数の点溶接箇所を含んでいる。その溶接固定は、枠形鋼板が管材料に類似した組成の材料で製造されているときに、特に良好に実施できる。
【００１６】
さらに、ボイラの全高にわたって延びる比較的長い蒸気発生管の場合、その長さ方向に沿って場所に応じて、蒸気含有率並びに加熱パターンの空間的展開ないし変化を考慮に入れた種々の案内形状部を管内部に設けることが望ましい。かかる構想は、それぞれ別個の管部位に配置される複数のインサートが蒸気発生管に挿入されることによって有利に実現でき、それぞれのインサートはそれらの幾何学的パラメータが、運転中に予期される局所的な加熱および／又は局所的流れ状態に合わされている。二相流れの場合でも１度旋回が発生すれば少なくとも管直径の５倍の流れ距離にわたり維持されることが分かっているので、管にインサートを中断なく全体的に装備する必要はない。むしろ、インサートは中間室（隙間）によって間隔をあけて蒸気発生管内に組み入れておくことができる。
【００１７】
ここで述べた蒸気発生管は、目的に適って、化石燃料貫流ボイラに採用される。旋回流を発生する管の内面形状とそれに伴う熱伝達挙動の改善とによって、垂直管配置（垂直配管敷設）形のボイラ構造においても、流れ媒体への十分な熱伝達ないし管壁の冷却が保証される。比較的短い管長でより多くの管を有する垂直配管敷設は、斜めにあるいはスパイラル状に配置された管に比べてより小さな流速とより小さな質量密度とにより、低減された圧力損失と低減された最低流量によるボイラの運転を可能とする。これによって、そのボイラを有する発電所はより小さな最低負荷に対して設計できる。最低流速ないし最低負荷を下回った場合に水と蒸気が層流でしか流れず、このために、管壁の部分部位がもはやぬらされない傾斜蒸気発生管で知られた分離効果は、垂直配管敷設の場合には生じない。さらに、垂直配管敷設形ボイラ壁は一般に自己支持形に設計されるので、ボイラに対する大規模で高価な溶接作業を伴う支持構造物が不要となる。
【００１８】
また、上述の管組込み物は、例えばガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラに存在するような対流加熱の場合でも、向上された熱伝達のために、熱交換面積を減少させ、これに伴って、大幅なコスト削減が生じる。
【００１９】
製造方法に関する上述の課題は、１個あるいは互いに結合された数個の枠形鋼板から成る組込み体（インサート）が、ねじられバイアス（プレストレス）を有する状態で管の内室に挿入され、その挿入後、枠形鋼板の長手縁が少なくとも部分的に管内壁に接するまで弛緩される、ことによって解決される。換言すれば、１個あるいは数個の枠形鋼板がねじりによってバイアス（プレストレス）が与えられ、直径が減少されたこの状態において蒸気発生管の中に入れられる。組込み体はその部分的弛緩後に自発的に管内壁に接する。その残留ねじり応力は、蒸気発生管の所定の運転温度において枠形鋼板のすべりおよび所望の大きさを超えたねじれ戻りが生じないように選定されている。加えて、組込み体は有利に少なくとも一端が管内壁に溶接されている。
【００２０】
本発明によって得られる利点は特に、新しい管インサートにより、熱伝達改良への要求に適合可能で、全ての管材料に対して採用可能な管の内室における柔軟な流れガイドが生ずることにある。かなり自由に形成可能な幾何学的パラメータによって得られる設計柔軟性に基づいて、蒸気発生管の長さにわたって変化する旋回分布を設定することができ、その旋回分布をそれぞれの場所の加熱に正確に合わすことができる。その場合、通常のリブ付き管の製造限界が回避される。殊に高い蒸気パラメータ設計値の発電所を新たに開発する際、リブ付き管の製造は、高温高圧のために必要な新材料のクロムをより多く含有するためにますます高コストとなる。ここでは、旋回流を発生する新たなインサートがリブ付き管の代わりとなり、ないしは、そのような流れガイドの利用が初めて可能となる。
【００２１】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号が付されている。
【００２２】
図１に横断面矩形の貫流ボイラ２が概略的に示され、その垂直煙道は囲壁あるいは燃焼器壁４によって形成され、その下端は漏斗状底６に移行している。
【００２３】
煙道の燃焼領域Ｖに、燃料用の複数のバーナがそれぞれ、蒸気発生管１０で構成された燃焼器壁４に存在するここでは２個しか見えていない対応した開口８に設けられている。垂直に配置された蒸気発生管１０は、燃焼領域Ｖにおいて蒸発器伝熱面１２に互いに気密に溶接されている。
【００２４】
煙道の燃焼領域Ｖの上側に対流伝熱面１４が存在している。さらに、化石燃料の燃焼によって発生された燃焼ガスＲＧを垂直煙道から排出する燃焼ガス排出通路１６が存在している。蒸気発生管１０に流入する流れ媒体は、バーナ火炎の放射熱および燃焼ガスＲＧの対流熱伝達によって加熱され、その際、蒸発される。燃焼ガスＲＧは蒸気発生管１０に流入する流れ媒体に対する加熱媒体として用いられる。この実施例において、流れ媒体として水あるいは水・蒸気・混合体が利用される。
【００２５】
図１に示された単一煙道形ボイラ（いわゆる塔形ボイラ）のほかに、例えばタブル煙道形ボイラの形態のような他のボイラ構成も勿論可能である。後述する蒸気発生管はそれらすべての形態において採用でき、詳しくは、燃焼領域並びに残りの燃焼ガス通路に採用できる。廃熱ボイラにおける採用も考えられる。
【００２６】
図２は、貫流ボイラ２の燃焼器壁４の配管敷設に採用される蒸気発生管１０の一部を断面図で示している。平滑管２０の管の内室１８に、熱伝達挙動を向上するために旋回流を発生する内面形状を形成するインサート（組込み物）２２が挿入されている。インサート２２はこの実施例において、長手方向において、即ち、管軸線を中心としてひねられた枠形鋼板２４から成り、この枠形鋼板２４は大きな面積の複数の切欠き開口２６を有している。図３に示されたねじり前の枠形鋼板２４の幅Ｂは、その収容のために利用される平滑管２０の管直径より僅かに大きくされている。複数の矩形切欠き開口２６が長手方向に見て直列に配置され、幅の狭い横断部平板（クロスピース）２８によって互いに仕切られている。切欠き開口２６は横方向に枠形鋼板２４のほぼ全幅Ｂにわたって延び、両側の長手縁３０から幅の狭い周縁部平板３２によって分けられている。
【００２７】
枠形鋼板２４はいまやその長手軸線３４を中心としてねじられ、蒸気発生管１０として利用される平滑管２０の中に応力がかけられた（プレストレスト）状態で入れられる。その場合、枠形鋼板２４の幅Ｂは管直径に対して、枠形鋼板２４が部分的に弛緩されるように寸法づけられ、これにより、最終組立状態において周縁部平板３２は、所定のスパイラル線に沿ってねじれて管内面壁３６に接している。残留応力が枠形鋼板２４を管の内室１８に確実に固定する。追加的に、枠形鋼板２４の帯状縁３２は数箇所で管内壁３６に溶接されている。
【００２８】
枠形鋼板２４はこれを収容する平滑管２０の管壁３６と同様に、クロム高含有率の耐熱合金から成っている。勿論、当該技術者にとって周知の普通の適切な材料も利用できる。枠形鋼板２４を平滑管２０と別個に製造することにより、特に周縁部平板３２の高さと幅並びに長手縁３０で形成されたスパイラル線のピッチ角が任意に設定できる。通常は、幾何学的パラメータは通常のフィン付き管のフィンの場合に類似して選定される。また、燃焼器壁４に沿った加熱分布の経過を考慮に入れた場所依存の適合と最適化を行うこともできる。
【００２９】
図４は、互いに角度を成して配列され互いに結合された２つの枠形鋼板２４から成るインサート２２を備えた蒸気発生管１０を一部断面図で示している。その各枠形鋼板２４は、図３に示された枠形鋼板２４と同様に大きな面積の切欠き開口２６を有している。管内壁３６に接してスパイラル状に延びる両枠形鋼板２４の周縁部平板３２は、全体として四条ねじの形態の旋回流を発生する内面形状を形成している。図２における二条ねじの形態に形成された内面形状に比べて、特に比較的大きな管内径の場合に、管内壁３６を液膜で一様にぬらすために案内する旋回流が、効果的に発生される。
【００３０】
図５に、かかるインサート２２に対する特に単純で目的に適った製造方法が示されている。そのために、図５の左側において断面図から明らかにされているように、それぞれ図３に示された枠形鋼板２４に類似して形成された２個の同形の枠形鋼板２４が、互いにぴったり並んで置かれ、それらの横断部平板２８のほぼ中央で互いに溶接される（点溶接箇所４０）。続いて、両枠形鋼板２４が図５に示されているように、その長手軸線３４を中心として約９０°折り曲げられ、これによって、図５の右側部分に示された横断面ほぼ十字形の構造物が生ずる。インサート２２は最終的に長手方向においてねじられ、平滑管２０の中に挿入される。
【００３１】
必要な場合には同じように、互いに結合された３個の枠形鋼板２４から成るインサート２２が製造される（図６参照）。このインサート２２は、ねじり加工後および平滑管２０への挿入後、六条ねじの形態の旋回流を発生する内面形状を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】垂直配管敷設された燃焼器壁を備えた貫流ボイラの概略図。
【図２】旋回流を発生する内面形状を形成する１つのねじれ枠形鋼板から成るインサートを備えた蒸気発生管の部分断面図。
【図３】管インサートを形成するために利用される枠形鋼板のねじり前における最初の状態の正面図。
【図４】インサートが互いに角度を成して配列された２個の枠形鋼板から成る図２に類似した蒸気発生管の部分断面図。
【図５】図４のインサートに類似して構成される、インサートのねじり前の連続する２つの製造過程における断面図。
【図６】異なった実施例の管インサートの、同様にねじり前の連続する２つの製造過程における断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１０    蒸気発生管
１８    管の内室
２２    インサート（組込み物）
２４    枠形鋼板
２６    開口
２８    横断部平板
３０    長手縁
３２    周縁部平板
３６    管内壁
【図１】
2009518611.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009518611.tif 000008
【国際調査報告】
2009518611.tif 000009
2009518611.tif 000010
2009518611.tif 000011
2009518611.tif 000012