(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）が管内室（１８）内に配置され、そのインサート（２２）が、多条ねじの形態でスパイラル状に管内壁（２６）に沿ってねじれて延びる複数のワイヤ（２４）から成っている。
2009518610.tif 000002
【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）が管内室（１８）内に配置されている蒸気発生管（１０）において、
前記インサート（２２）が、多条ねじの形態でスパイラル状に管内壁（２６）に沿ってねじれて延びる複数のワイヤ（２４）から成っていることを特徴とする蒸気発生管（１０）。
【請求項２】
管軸線に対して垂直に向けられた基準平面に対する各ワイヤ（２４）のねじれ角が、少なくとも３０°、好適には、たかだか７０°であ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】
各ワイヤ（２４）が円形の横断面を有し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】
各ワイヤ（２４）がほぼ矩形の横断面を有し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５】
各ワイヤ（２４）が、所定の運転温度において、その内部応力により管内室（１８）内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４のいずれか１つに記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項６】
管内壁（２６）に接する複数のワイヤ（２４）が、半径方向補強支え（３０）を介して相互に、および／又は、管軸線に沿って延びる中央ワイヤ（３２）に結合されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項７】
管軸線の方向に延びる複数の保持ワイヤ（３４）が設けられ、該各保持ワイヤ（３４）がそれぞれ、前記スパイラル状ワイヤ（２４）における管内室（１８）とは反対の側に固定さ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】
各ワイヤ（２４）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（２６）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７のいずれか１つに記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項９】
前記固定結合が溶接接合である、ことを特徴とする請求項８に記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項１０】
インサート（２２）の少なくとも管内壁（２６）に接する部分が、管材料に類似した組成の材料で製造されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項１１】
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、該各インサート（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１０のいずれか１つに記載の蒸気発生管（１０）。
【請求項１２】
請求項１ないし１１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１３】
旋回流を発生する内面形状を備えた蒸気発生管（１０）の製造方法において、
複数のワイヤ（２４）が初期応力（プレストレス）を与えた状態で平滑管（２０）の中に挿入され、その各ワイヤ（２４）が多条ねじの形態で配置され、各ワイヤ（２４）がその挿入後、そのターン（コイル一巻）が管内壁（２６）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内面形状を備えた蒸気発生管（１０）の製造方法。
【請求項１４】
ワイヤ（２４）がその部分的弛緩後に少なくとも１つの端末が管内壁（２６）に溶接される、ことを特徴とする請求項１３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複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器の場合、沸騰による局所的な異常乾燥、いわゆるSiedekrisenの発生によって害される。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蒸気発生管が採用される。そのリブの形成によって、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および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、これが管材料の限られた形成性のために製造に手間がかかるという欠点がある。特にクロムを多く含有する耐熱鋼の場合、形成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、あるいは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は、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（プロフィル）形成に関して僅かな柔軟性しかない。
【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を発生する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特に単純な構造で高い運転安全性と高い効率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）が管内室内に配置され、このインサートが、多条ねじの形態でスパイラル状に管内壁に沿ってねじれて延びる複数のワイヤから成っ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、管内部に適当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の排出を保証するために、流れ案内要素が実質的に管内壁に内面形状の形態で配置され、中心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に関連づけられた製造制限を回避するために、旋回流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。この目的のために、ここで提案された構想において、蒸気発生管への挿入後にスパイラル状に管内壁に沿ってねじれて延びる複数のワイヤが利用され、これによって、管横断面開口の大部分（５０％以上）が開いたままとなり、これによって、蒸気が管内部に集まり、排出することができる。
【００１１】
また、単純なコイルばね、即ち、一条コイルばねが一般に弱い旋回流しか発生しないことが知られている。その流れは管壁に接するワイヤを介して方向転換される。その僅かな旋回のために、前述の沸騰による局所的な異常乾燥（Siedekrisen）が早く発生する。その作用は確かに例えば大きなワイヤ直径（大きなリブ高さに相当）によって補償されるが、これは、単純なコイルばねの形態のワイヤ配置の場合、管壁とワイヤ形インサートとの間の管壁側空間における水相の集合あるいはせき止めを容易に生じさせ、同時にワイヤの陰側において内壁部位を乾燥させ、即ち、その壁部位の冷却を不十分にさせる。かかる欠点は、ここで提案された構想に応じて、複数のワイヤが多条ねじの形態でそれぞれスパイラル状に管内壁に接することによって解消される。この形態において、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、他方では、流れの過旋回が完全に回避される。
【００１２】
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、特に有利に、例えば形状（プロフィル）高さ、条数、ねじれ角、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、そのために一般には適合した横断面形状のワイヤや金属テープだけが用意され、例えばねじりおよび／又は曲げによって所望の配列位置に置かれるだけで済むので、特に簡単且つ正確に実施できる。
【００１３】
通常の設計と寸法の蒸気発生管において、二条ねじあるいは三条ねじの形態のワイヤの配置が特に目的に適っている。しかし、四条から六条のねじの形態も有利であり、特に大きな直径の蒸気発生管の場合、八条ねじの形態も考えられる。管軸線に対して垂直な基準平面に対する各ワイヤのねじれ角（らせんの傾き角）が、少なくとも３０°、好適には、たかだか７０°であることが有利である。４０°〜５５°の範囲のねじれ角が正に特に有利である。
【００１４】
特に単純で安価に製造するために、各ワイヤが円形の横断面あるいはほぼ矩形の横断面を有している。後者の形態において、特に縁が追加加工され、これにより、比較的急勾配のねじ山角および角が尖った移行部が実現できる。蒸気発生管の直径に応じておよび所定の流れ状態および温度状態に応じて、ワイヤの直径を変えることができる。一般にワイヤ直径ないし平均横断面広がり寸法は、平滑管の内径の５％〜１５％が有利である。
【００１５】
各ワイヤないし複数のワイヤから成る管インサートが、蒸気発生管の所定の運転温度においてその内部応力により管内室内にすべり止めして置かれていることが有利である。即ち、ワイヤ材料および内部応力は、個々のターン（コイル一巻）のクリープあるいはすべりが相対的に阻止されるような幾何学的状態となっている。
【００１６】
必要と認められる場合には、管内壁に接する複数のワイヤは、半径方向補強支えを介して相互に、および／又は管軸線に沿って延びる中央ワイヤに結合される。かかる支え芯によって、ワイヤないしばねの内部応力が場合により弱まった場合でも、個々のターンのすべり変位は防止され、これにより、管インサートは蒸気発生管内においてその元の形状および位置を永続的に維持する。それに加えてあるいはその代わりに、管軸線の方向に延びる複数の保持ワイヤを設けることができる。これらの各保持ワイヤはそれぞれ、スパイラル状ワイヤにおける管内室とは反対の側に固定されている。このようにして、半径方向補強支えを備えた形態と同じ作用が生ずる。補強支えおよび／又は保持ワイヤおよび／又は中央ワイヤを含む支え芯は、これが腐食ないしスケーリング（湯あかの付着）に対して防護するだけで済み、管内壁の非常に高い温度で直接には負荷されないので、管内壁に接する旋回流を発生するワイヤに比べて低級材料で作ることができる。
【００１７】
管インサートは既にそのワイヤの内部応力により相互におよび蒸気発生管内に比較的確実に設置されているけれど、補助固定部が設けられるのが好ましく、その場合、各旋回流を発生するワイヤが、少なくとも一箇所で、好適には、その両端の近くで、管内壁に固定結合されている。その固定結合は耐熱溶接接合であることが有利である。しかし特に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、各ワイヤの長手方向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、インサートの少なくとも管内壁に接する部分が管材料に類似した組成の材料で製造されているとき、特に良好に実施できる。
【００１８】
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分布の空間的展開ないし変化を考慮に入れた異なる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、複数のインサートが蒸気発生管のそれぞれ別個の管部位に配置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。二相流の場合でも最初の発生した旋回流は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、インサートを中間室（隙間）によって間隔をあけて蒸気発生管内に組み入れることができる。
【００１９】
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。管の旋回流を発生する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。比較的短い管長で多数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小さな流速と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することができるので、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。
【００２０】
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、かなりのコストが削減できる。
【００２１】
製造方法に関する上述の課題は、複数のワイヤが初期応力（プレストレス）を与えた状態で平滑管の中に挿入され、その各ワイヤが多条ねじの形態で配置され、各ワイヤがその挿入後、そのターンが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、予め配列された複数のワイヤで形成された多条コイルばねは、これが例えば引き伸ばされることによってあるいはねじられることによって、初期応力（プレストレス）が与えられる。そのインサートは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。これはその部分的弛緩後に自発的に管内壁に接する。そのワイヤの残存内部応力は、蒸気発生管の所定の運転温度においてクリープが生じないように選定されている。加えてそのワイヤはその部分的弛緩後に少なくとも１つの端末が管内壁に溶接されていると有利である。
【００２２】
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、熱伝達改良という要求に適合し、全ての管材料に対して採用可能な管内室における柔軟な流れガイドが得られることにある。ワイヤ直径、ワイヤ配置の条数、ねじれ角、ねじ山角および角の尖り度のような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流パターンを設定することができ、その旋回流パターンはそれぞれの場所的加熱に正確に適合される。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多く含有するためにますます複雑となる。ここでは、新たな旋回流を発生するインサートがリブ付き管の代わりとなり、ないしは、そのようなインサートの利用が初めて可能となる。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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に存在し、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の形に互いに気密に溶接されている。
【００２６】
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。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。
【００２７】
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。
【００２８】
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の一部を断面斜視図で示している。平滑管２０の管内室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、一定ねじれ角（および一定リード）の三条ねじの形態で管内壁２６に沿ってねじれて延びる３本のワイヤ２４から成っている。ワイヤ２４はその内部応力によって管内壁２６に固く接している。追加的に、各ワイヤ２４はそれぞれ数箇所で、特に両端の近くで点溶接によって管内壁３６に固定されている。
【００２９】
ワイヤ２４はこの実施例において、これを収容する平滑管２０の管壁２８と同様に、クロム高含有率の耐熱合金から成っている。そのほかに例えば１３ＣｒＭｏ４４鋼のような当該技術者に良く知られた他の普通の適切な材料も存在する。ワイヤ２４の数（コイルばねの条数）およびねじれ角のほかに、ワイヤ２４の横断面形状も重要な設計基準である。特に、各ワイヤ２４を平滑管２０と別個に製造することにより、ワイヤ２４の高さと幅並びに管内壁２６に対するねじ山角および縁の尖り度が任意に設定できる。一般的に、幾何学的パラメータは通常のリブ付き管のリブの場合と同様に選定できる。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。
【００３０】
図３は図２に示された蒸気発生管１０の異なった実施例を示している。この場合、管内壁２６に接するワイヤ２４は、溶接された半径方向補強支え３０を介して、管軸線に沿って延びる中央ワイヤ３２に結合され、これによって、ばね作用が弱まった場合でも、個々のばねリードないしワイヤターンのすべり変位は効果的に防止される。補強支え３０および中央ワイヤ３２を含む支え芯は、管内壁２６に接する旋回流を発生するワイヤ２４のように高温に曝されないので、これは低級材料で作ることができる。
【００３１】
図３の実施例において、３個の細い半径方向補強支え３０は、蒸気発生管１０の共通横断面内に位置する正星形に統合されている。これらの複数の星形支材は蒸気発生管１０の長手方向に等間隔に順次配置されている。図３の右上部に示された蒸気発生管１０の横断面図から理解できるように、すべての星形支材は同一に方向づけられ、これにより、相応した各補強支え３０を直列配置して形成された星形支材は横断面において合同的に位置している。これによって、管内室１８における旋回流はほとんど損なわれない。
【００３２】
さらに図４は、図３に示された実施例と組み合わせ得る異なった実施例を示している。この場合、管軸線に対して平行に延びる３本の保持ワイヤ３４が設けられ、これらの保持ワイヤ３４は旋回流を発生するスパイラル状ワイヤ２４のすべり変位を防止する。その保持ワイヤ３４は横断面で見て管内周にわたり均一に分布され、それぞれ旋回流を発生するワイヤ２４における管内室２８とは反対の側に固定されている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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インサートを備えた蒸気発生管の断面斜視図。
【図３】蒸気発生管の異なった実施例の断面斜視図と横断面図。
【図４】蒸気発生管のさらに異なった実施例の断面斜視図と横断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１０    蒸気発生管
１８    管の内室
２０    平滑管
２２    インサート（組込み物）
２４    ワイヤ
２６    管内壁
３０    ラジアル強化支え
３４    保持ワイヤ
【図１】
2009518610.tif 000003
【図２】
2009518610.tif 000004
【図３】
2009518610.tif 000005
【図４】
2009518610.tif 000006
【国際調査報告】
2009518610.tif 000007
2009518610.tif 000008
2009518610.tif 000009
2009518610.tif 000010
2009518610.tif 000011
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