(57)【要約】【課題】管板における高い熱応力を取り除き、又は少なくとも大幅に低減し、それによりケーシング補償器を省くことができ、同時に、ＳＣＣの発生を防止するか又は少なくとも遅延させる。【解決手段】本発明は、圧力容器と、入口管板及び出口管板を通って案内され、圧力容器の内部空間を通って延びるように配置された複数の直管を含む直管束とを備える、直管構成を有する管束型熱交換器に関する。本発明は、さらに、管束型熱交換器を含むガスタービン冷却空気用冷却器と、本発明によるガスタービン冷却空気用冷却器を含むガスタービン発電所並びにガス及び蒸気タービン発電所と、プロセスガス冷却器と、かかるガスタービン冷却空気用冷却器を用いた冷却空気の冷却方法とに関する。【選択図】図１
2015114100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直管構成を有する管束型熱交換器（１）であって、
一緒に圧力容器（２６）の内部空間（４）を定める、特に中空円筒型外側ケーシング（３）と、入口管板（２ａ）と、出口管板（２ｂ）とを含む圧力容器（２６）と、
前記入口管板（２ａ）及び前記出口管板（２ｂ）の内部に開口するように配置され、前記圧力容器（２６）の前記内部空間（４）を通って延びる、複数の直管（５）を含む直管束と、
冷却されることになる一次流体が前記入口管板（２ａ）に案内され、その後、前記直管（５）へ案内される入口（ＥＳ１）と、前記直管（５）から到来する前記冷却された一次流体が前記出口管板（２ｂ）を通って排出される出口（ＡＳ１）と、
二次流体が冷却目的で前記内部空間（４）へ供給される入口（ＥＳ２）と、前記二次流体が前記内部空間（４）から排出される出口（ＡＳ２、ＳＴ）と、
を備え、
前記管束型熱交換器の前記直管（５）は、フェライト系ステンレス鋼で作製され、断熱デバイスが、前記入口管板（２ａ）のレベルで、前記複数の直管のうち少なくとも１つの内側に配置されることを特徴とする、管束型熱交換器。
【請求項２】
前記直管は、以下のフェライト系ステンレス高級鋼：１．４５０９（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５１０（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５１１（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５１２（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５１３（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５２０（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５２１（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４６０７（ｐｒＥＮ１００８８−２０１１）、ＴＰ４０９（ＡＳＭＥ）、ＴＰ４３９（ＡＳＭＥ）、又はＴＰ４４４（ＡＳＭＥ）のうちの１つから作製されることを特徴とする、請求項１に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項３】
前記外側ケーシング（３）は、非合金鋼、具体的には、Ｐ３５５ＮＨ（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−３）、１５ＮｉＣｕＭｏＮｂ５−６−４（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−２）、２０ＭｎＭｏＮｉ４−５（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−２）、１３ＣｒＭｏ４−５（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−２）、１０ＣｒＭｏ９−１０（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−２）、ＳＡ−５１６−Ｇｒ．７１（ＡＳＭＥ）、ＳＡ−３０２−Ｇｒ．Ｂ（ＡＳＭＥ）、又はＳＡ−５３３−Ｇｒ．Ｂ（ＡＳＭＥ）で作製されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項４】
前記断熱デバイスは、フェルール（８）を含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項５】
前記フェルール（８）は、前記フェルール（８）の軸方向において少なくとも１つの外縁部（２３）に向かってテーパ付けされ、流れの方向に見て、拡大する内径を有するようにデザインされることを特徴とする、請求項４に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項６】
前記フェルール（８）は、少なくとも１つの外縁部（２４）に向かって、半径方向に突出し、前記少なくとも１つの直管（５）の前記内径より大きいストップ部材直径を有するストップカラー（１７）を備えることを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項７】
前記フェルール（８）は、前記外縁部（２３、２４）の間の領域内に前記軸方向に延びる環状凹部を備え、前記環状凹部は、前記フェルール（８）のジャケット外側表面と前記少なくとも１つの直管（５）の前記内壁表面との間に受け空洞（１７）を形成することを特徴とする、請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項８】
断熱体（１３）が、前記フェルール（８）と前記少なくとも１つの直管（５）の内側壁面との間、特に前記受け空洞（１７）の領域に配置されることを特徴とする、請求項４〜請求項７のいずれかに記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項９】
前記断熱体（１３）は、前記フェルール（８）により積極的及び／又は非積極的方法で前記少なくとも１つの直管（５）の内側に固定された断熱本体であり、前記断熱本体は、特に断熱紙からなることを特徴とする、請求項８に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項１０】
前記断熱本体は、前記少なくとも１つの直管（５）の前記内側壁面を、特に少なくとも前記入口管板（２）のレベルに対応する区画において、少なくとも部分的に覆うことを特徴とする、請求項８又は請求項９に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項１１】
熱シールド（１９）が、前記一次流体の流れの方向に見て、前記入口管板（２ａ）の上流に配置されることを特徴とする、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項１２】
前記熱シールド（１９）は、前記直管（５）に対応する通路開口部（６）を備え、前記断熱デバイスは、前記入口管板（２ａ）を離れる方向を向く側から前記入口管板（２ａ）のレベルまで延びるようにデザインされることを特徴とする、請求項１１に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項１３】
前記熱シールド（１９）は、セラミック繊維パネル（２９）を備えることを特徴とする、請求項１１又は請求項１２に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項１４】
前記セラミック繊維板（２９）を前記入口管板（２ａ）の前部に固定するようデザインされ、具体的には複数の保持ブラケット及び／又は保持板を含む、保持デバイスを備えることを特徴とする、請求項１３に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項１５】
前記保持ブラケット及び／又は保持板は、前記外側ケーシングの内側表面に沿って同軸に配置されることを特徴とする、請求項１４に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項１６】
ガスタービン発電所又はガス及び蒸気タービン発電所におけるガスタービンの冷却空気の冷却のための、具体的には冷却されることになる、少なくとも４５０℃、特定的には少なくとも４７０℃、より特定的には最大５５０℃までの入口温度を有する冷却空気の冷却のためにデザインされたことを特徴とする、請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の管束型熱交換器（１）。
【請求項１７】
具体的にはガスタービン発電所又はガス及び蒸気タービン発電所における、請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の管束型熱交換器（１）を備えるガスタービン冷却空気用の冷却器、又は請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の管束型熱交換器（１）を備えるプロセスガス冷却器。
【請求項１８】
請求項１７に記載のガスタービン冷却空気用の冷却器を備える、ガスタービン発電所又はガス及び蒸気タービン発電所。
【請求項１９】
請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の管束型熱交換器を備える請求項１８に記載のガスタービン発電所又はガス及び蒸気タービン発電所において、請求項１７に記載のガスタービン冷却空気用の冷却器を用いて冷却空気を冷却するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直管構成を有する管束型熱交換器、ガスタービン冷却空気用冷却器、プロセスガス冷却器、ガスタービン又はガス及び蒸気タービン発電所、並びに独立請求項によるかかるガスタービン冷却空気用冷却器を用いた冷却空気の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、本技術分野では公知であり、冷却されることになる熱放散媒体（これ以降、一次流体と呼ぶ）と加熱されることになる熱吸収媒体（これ以降、二次流体又は「冷却媒体」と呼ぶ）との間で熱を交換する役割を果たし、本文脈に関連する型式の熱交換器において、２つの媒体は、特にこれらが混合しないような方法で、相互に空間的に分離される。かかる熱交換器は、例えば、圧縮（一次流体の）によって高温になった空気を冷却してガスタービンの効率を改善する目的のために、ガスタービン冷却空気の冷却のために使用される冷却器において、詳細にはガスタービン発電所又はガス及び蒸気タービン発電所において、各種工業用途に関連して用いられる。別の用途は、例えばアンモニア工場の合成ガス冷却器等の化学工業におけるプロセスガス冷却器である。さらに、冷却されることになる冷却空気は、ガスタービン冷却空気用冷却器に流入する際に４００℃以上、場合によっては４５０℃以上の温度になるが、二次流体は水であることが多い。
【０００３】
上記の分野で用いられる熱交換器は、そのデザインに関して異なるグループに分類できる。１つのグループは、いわゆる管束型熱交換器からなり、基本デザインは本技術分野では公知である。管束型熱交換器は、典型的には平行に延び、それぞれの用途に応じて、一次流体（例えば空気）が流れ方向に流れるように配置された複数の管体を備えることを特徴とする。同時に、二次流体は、２つの流体間で熱交換を行うことができるように、管体の外側表面の周りを流れる。
【０００４】
かかる熱交換器は、圧力容器、具体的には、例えば中空円筒の形状の圧力容器をさらに備える場合が多い。例えば、圧力容器は、詳細には外側ケーシングに溶接することができる入口管板及び出口管板によって表面側で境界が定められる、基本的に中空円筒形の外側ケーシングを備える。管板は、通常、円盤状構成要素であり、管束を形成する管体を支持する。「入口管板」という用語は、一次流体が、管体側から圧力容器に流入する際に通り抜ける管板を指す。「出口管板」という用語は、一次流体の流れ方向に関して下流に配置され、一次流体が圧力容器から流出する際に通り抜ける管板を指す。従って、外側ケーシング、入口管板、及び出口管板は協働して圧力容器の内部空間を取り囲み、管束を形成する管体は、この内部空間を通過する。従って、管体の前端区画及び後端区画は、各管板のそれぞれの開口に収容される。圧力容器の長手方向軸が管体の長手方向軸と平行であるように、管体が長手方向に直線で延びるように配置される場合、管束型熱交換器は、直管構成を有する。この型式の管束型熱交換器は、具体的には完全に直線様式で圧力容器内を通る個々の管体によって特徴付けられる。従って、管体は、例えばＵ字形状になるように湾曲していない。従って、入口管板及び出口管板は、互いに離間し、対向して配置される。管束型熱交換器の運転中、二次流体（具体的には冷却水）は、中空円筒を通って、つまり管体の外側表面に沿って、圧力容器を通って流れるが、一次流体（具体的に空気）は、管体の内側で、圧力容器を通って流れる。このプロセスにより、熱交換によって高温流体は冷却され、低温流体は加熱される。例えば、ガスタービン冷却空気からの熱を放散する目的で、典型的には、圧力容器内部のケーシング側において、水が管体の周りを、つまり管体の外側表面の周りを流れる。これは、相変化を伴うことなく行うことができる。しかしながら、このプロセスは、水を蒸発させ、高蒸発エンタルピーに起因するエネルギー消費の増大を招くことが多い。従って、ケーシング側では質量流量は小さく保持される。発生した蒸気は、排熱ボイラに放出すること又はプロセス蒸気として利用することができる。従って、冷却流体出口（液体冷却流体の出口）に代わるものとして、又はこれを補うものとして、圧力容器は、具体的には冷却流体が水の場合、冷却流体出口に隣接する蒸気出口（蒸発した冷却流体の出口）を備えることもできる。通常、一次流体は、空気入口を備えた空気チャンバを介して管体に供給され、入口管板を通り抜ける。管束型熱交換器の複数の管体、具体的には全ての管体は、空気チャンバ内に開口している。管束型熱交換器の管体を通り抜けた後、冷却されることになる空気は、出口管板を介して管体から流出して、下流に配置された空気チャンバ内に集まり、そこから空気出口を介して放散される。
【０００５】
従来技術の管束型熱交換器に見出される問題点は、通常、管体が、具体的にはその前端部及び後端部が管板に緊密に結合するので、運転中、管板に高い熱応力がかかるという事実である。特に、管板が典型的には中空円筒のケーシングに固定されること、及び高い熱勾配が、例えばボイラ、コジェネレーション装置等の多くの用途での熱交換器の低温側と高温側との間に生じることに起因して、特に高温側、つまり一次流体が直管に供給される入口管板の側で、高い熱負荷が管板に加わる。特有の問題は、管板の半径方向における、管体と管板との間の不均等な熱分布である。このことは、管板材料に損傷を引き起こす場合があるので、管束型熱交換器の実施可能性が損なわれる可能性がある。さらに、特にガスタービン冷却空気用冷却器で用いる一般的な管束型熱交換器のデザインに関して、ガスタービンの管体側つまり管体の内側表面に関する高度な清浄性要件に起因して、ステンレス材料が絶対不可欠であることを考慮する必要がある。しかしながら、同時に、特にガスタービン冷却空気において、冷却されることになる一次流体により生じるような、場合のよっては４５０°Ｃを超える温度に達することがある、高温の発生に十分対処する必要がある。従って、入口管板に向かう入口区画並びにこの区画の管体は、約５００°Ｃから５５０°Ｃに至る温度に耐え得る必要がある。費用対効果上の理由で、圧力容器は、通常、特にＤＩＮ  ＥＮ（ドイツ規格協会；欧州規格）１００２８ファミリーの規格に規定された型式の非合金圧力容器鋼で作製される。運転中、冷却されることになる冷却空気は、例えば入口管板の上流のチャンバ並びに管板自体といった、管束型熱交換器の入口区画に配置された構成要素を圧力容器のケーシングに比較して相当程度まで加熱する。これによってこの領域の温度差が最大２００Ｋになり、大きな応力及び変形を生じさせてしまう。このため、温度に誘発された長さの変化を補償する目的で、特に、管体側とケーシング側との間の相当大きな温度差に直面する直管構成の場合、及び／又は膨張係数が異なるオーステナイト系熱交換器管及びフェライト系ケーシングを含む材料の組み合わせの場合、いわゆるケーシング補償器が必要である。かかるケーシング補償器は比較的高価であり、さらに高度の維持管理を必要とする点で不利である。特に、溶接継ぎ目及び可動部は、付加的な弱点及び漏れの源となる。さらに、浮動軸受のサドル部からの摩擦力並びに管体力は、ケーシングによっては伝達されず、熱交換器の管体によってのみ伝達される。このことは、管体と管板とを接続する要素に大きな負荷が作用していることを意味する。また、顧客は、例えばガスタービン冷却空気用冷却器といった、当該ケーシング補償器のないシステムを要求する場合が多い。
【０００６】
さらに、塩化物含有媒体をケーシング側で用いると、いくつかの管体材料は、いわゆる応力腐食割れ（ＳＣＣ）を引き起こす傾向がある。この現象は、主として、塩化物が隙間に集まりやすい、管体と管板との間の接続部で発生する。この現象に必要な応力は、構造体の熱膨張及び変形により生ずる。ＳＣＣは、急速に、数日のうちに、損傷を引き起こすことがある。直管構成を有する一般的な熱交換器の管体に用いられることが多いオーステナイト系管体材料（具体的には、ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５に準拠する１．４３０１若しくは１．４３０６、又はＡＳＴＭ若しくはＡＳＭＥに準拠するＴＰ３０４若しくはＴＰ３０４Ｌ）は、ＳＣＣに対する十分な耐性を持たない場合が多い。水は、圧力容器のケーシング側で蒸発し、この領域に、望ましくない塩化物濃度を生じさせる。塩化物は、管体と管板との間の隙間に集まる。冷却空気用の冷却器の故障は、修理を行う間、ガス発電所全体を停止させる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、管板における高い熱応力を取り除き、又は少なくとも大幅に低減し、それによりケーシング補償器を省くことができ、同時に、ＳＣＣの発生を防止するか又は少なくとも遅延させることができる、特にガスタービン冷却空気用冷却器又はプロセスガス冷却器のための管束型熱交換器のデザインを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本目的は、直管構成を有する管束型熱交換器、ガスタービン冷却空気用冷却器、プロセスガス冷却器、ガス又はガス及び蒸気タービン発電所、及び独立請求項によるかかる冷却空気用冷却器を用いた冷却空気の冷却方法により達成される。有利な実施形態は、独立請求項に記載される。
【０００９】
本発明の本質的基本概念は、管束型熱交換器の直管がフェライト系ステンレス鋼で作製されるという事実にある。特に、フェライト系ステンレス鋼は、ＳＣＣに対して非常に高い耐性を示すという利点を有する。これ以降、使用される鋼材の特定の鋼材等級及び特性を参照する範囲について、主としてＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５、ＤＩＮ  ＥＮ１００２０：２０００、ＤＩＮ  ＥＮ１００２７−１：２００５及びＤＩＮ  ＥＮ１００２７−２：１９９２規格に規定される定義及び概念に準拠して用いられる。従って、「ステンレス鋼」という表現は、少なくとも１０．５％のクロム及び１．２％を超えない炭素の質量含有率を有する鋼材等級を含むように意図される。さらに、これ以降の参照は、ＡＳＭＥ規格に規定された鋼材等級に対して行う。公知のフェライト系ステンレス鋼の一般的グループのうち、以下の鋼材は、特に好ましいことが分かっている。つまり、１．４５０９（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５１０（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５１１（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５１２（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５１３（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５２０（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４５２１（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５）、１．４６０７（ｐｒＥＮ１００８８−２０１１）、ＴＰ４０９（ＡＳＭＥ）、ＴＰ４３９（ＡＳＭＥ）及びＴＰ４４４（ＡＳＭＥ）、１．４５１０により指定される鋼材が最も好ましい。フェライト系ステンレス鋼の別の本質的利点は、フェライト系ステンレス鋼が、好ましくは非合金鋼で作製される圧力容器ケーシングの熱膨張係数［Ｋ-1］より小さい熱膨張係数［Ｋ-1］を有するという事実にある。「非合金鋼」つまり「合金でない鋼材」は、ＤＩＮ  ＥＮ１００２０：２０００の項目３．２．１に定義され、規定される。本発明の開示の範囲において、この定義は、引用により本明細書に組み入れられる。圧力容器の外側ケーシングの製造に特に好ましい鋼種は、具体的には以下の通りである。つまりＰ３５５ＮＨ（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−３）、１５ＮｉＣｕＭｏＮｂ５−６−４（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−２）、２０ＭｎＭｏＮｉ４−５（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−２）、１３ＣｒＭｏ４−５（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−２）、１０ＣｒＭｏ９−１０（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−２）、ＳＡ−５１６−Ｇｒ．７１（ＡＳＭＥ）、ＳＡ−３０２−Ｇｒ．Ｂ（ＡＳＭＥ）又はＳＡ−５３３−Ｇｒ．Ｂ（ＡＳＭＥ）。直管用の「フェライト系ステンレス」鋼と圧力容器ケーシング用の「非合金鋼」の具体的な材料の組み合わせは、温度により誘起される長さの変化が、運転中は事実上保証されるという利点を有する。さらには、かかるデザイン及び材料の場合、ケーシング補償器を完全になくすことすら可能である。
【００１０】
この点で考慮すべき重要な事実は、フェライト系鋼管材料は、通常は４３０°Ｃまでの温度でのみ使用できることである。しかし、複数の用途において、管板の区域で管体に流入する一次流体の温度は、これより高く、このことが、顧客の仕様において本発明による管束型熱交換器の温度許容度に対して、より高い一次流体の温度が要求されることが多い理由である。これは、ガスタービンの冷却空気回路で冷却されることになる冷却空気にもあてはまる。ここで、冷却目的のために冷却器に案内される空気（一次流体）は、入口管板の領域では４７０°Ｃを超える温度を有することが多い。従来の手法は、管側全体（つまり、管体、管板及びチャンバ）を、考えられる最大運転温度（許容可能温度）に対して構成することである。しかしながら、フェライト系ステンレス鋼で作製された本発明による直管は、この温度範囲では使用できず、管体の許容温度が引き下げられた場合にのみ使用が可能である。例えば、ＥＮ１３４４５及びＡＳＭＥ  Ｄｉｖ.８  Ｓｅｃ．１及び２などの国際ルールの既存のシステムによると、運転中に管体の恒久的冷却が保証される場合にのみ、管体の許容温度を引き下げることができる。これは、圧力容器の内側に配置された直管の区画については、周りを流れる冷却媒体、好ましくは水に恒久的に曝されるので問題なく可能である。特に、冷却されることになる流体が加熱空気であり、冷却流体が水である場合において、管表面の温度は、熱伝達率に起因して液体媒体の温度に近い。従って、システム構成の点から、運転中は管体のケーシング側は常に水で覆われていることを確実にする必要があるだけである。このことは、例えば公知のセンサ及び制御システムを用いて行うことができる。しかしながら、冷却流体（二次流体）に直接的に接触しない直管の区画は、この点においてむしろ重要である。これは、入口管板内に配置され、従って冷却媒体で取り囲まれない直管区画では特に問題である。このため、本発明の目的を達成するために、特に直管に関して上述された材料の選択に加えて、少なくとも１つの直管内側に、具体的には、管束型熱交換器の多くのフェライト系ステンレス鋼製直管全ての内側に、断熱デバイスがさらに設けられる。このように、通常「フェライト系ステンレス鋼」製の直管は、せいぜい４３０℃の最大温度に曝すことができるとしても、本発明による「フェライト系ステンレス」鋼材は、本発明による管束型熱交換器を用いて、４７０℃より高い、好ましくは最大５５０℃の温度を有する流体を冷却するために使用することも可能である。従って、構造の点において、本発明の更に別の態様は、上述した材料の組み合わせに加えて、少なくとも１つの直管内側に、具体的には、管束型熱交換器の多くのフェライト系ステンレス鋼製直管全ての内側の少なくとも入口管板のレベルに対応する区画に、それぞれの断熱デバイスが配置されるという事実である。断熱デバイスの基本的目的は、冷却されることになる一次流体から、特に入口領域の直管への熱伝達を低減させることである。これにより、水で取り囲まれない直管区画でも、望ましくない高温応力から保護される。従って、本発明による断熱デバイスは、入口管板の領域において、つまり具体的には、入口管板が、直管の長手方向軸に対して半径方向においてそれぞれの直管に隣接する区画において、直管を外側に対して断熱することにより、直管に流入する一次流体と管体との間、また管体と管板との間の半径方向の熱伝達が、この領域において大幅に低減される。従って、本質的な態様は、直管の内側表面を、少なくとも管板の領域における断熱デバイスにより、内部を流れる一次流体から保護することである。従って、断熱デバイスは、特にこの区画で直管の内側に配置され、具体的には、管体に流入する冷却されることになる流体が、直管の内側表面に直接物理的に接触するのを防止する。このことは、管内を流れる冷却されることになる一次流体によって生じる過熱からの管体の保護だけでなく、一層な均一で、全体的温度レベルの点でより低い温度分布をもたらす。
【００１１】
上述の効果を有することが保証される限り、断熱デバイスによる管板内に配置された区画における直管の熱解放（ｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｌｉｅｆ）の目的のために、具体的には、管体に流入する一次流体と、入口管板のレベルに対応する区画における直管自体との間の断熱効果において、断熱デバイスの具体的構造及びデザインは異なってもよい。断熱デバイスを、少なくとも管板のレベルに対応する区画に配置され、一次流体の入口側から直管に挿入されたフェルール（又は、それぞれブッシュ）を備えるようにデザインすることは特に有利であることが分かっている。少なくとも１つの、好ましくは全ての直管の内側に配置される場合、フェルールは、管体に流入する流体と管体との間、続いて管体と管板との間の半径方向の熱伝達を防止又は少なくとも低減する目的に対して、それ自体が半径方向における断熱体として機能するか、又はこの領域の断熱体用の担体として機能することができる。このように、熱応力は、管板において、効果的に防止されるか又は少なくとも大幅に低減され、管板に損傷は発生せず、管束型熱交換器は、特に管板の入口領域における一次流体と二次流体との間の比較的大きな温度差（例えば、２００Ｋを超える）の場合であっても、その実施可能性を維持することができる。従って、フェルールは、少なくとも管板を通って延びる区画の少なくとも１つの直管に挿入する様式で配置されるが、管内を延びるフェルールが、管板の一方の側又は両方の側に向かって管体の長手方向において管板の領域から突出する配置も、明らかに可能である。従って、管体を通って案内された流体は、この領域における管体の内側表面に直接沿っては流れず、管体の内側に配置されたフェルールを通って及び／又はフェルールにより支持される断熱体を通って流れる。従って、この領域において、流体は、フェルール及び／又はフェルールにより支持される断熱体によって、半径方向に管体の内側表面から離れて案内されるので、管体の内側から管板に向けての半径方向の熱伝達が低減される又は概ね防止することさえできる。従って、管板に作用する熱応力は、効果的に、かつ構造に関して、比較的単純な様式で低減される。さらに、本発明は、既存のシステムの改修にも非常に良く適しており、この場合、フェルールは、管体の端部を通って管板のレベルまで管体に挿入し、その後この位置で固定できるようにデザインする必要がある。本文脈における「半径方向」とは、それぞれの直管の長手方向中心線を横切る方向を指す。
【００１２】
好ましい実施形態によると、フェルールは、該フェルールの軸方向の少なくとも１つの外縁部に向かって平坦にされ、拡大された内径を有するようにデザインされる。その結果、フェルールの挿入により生ずる断面の変化は、一定の勾配様式で発生し、断面の急激な変化により生ずる圧力の上昇及び下降は低減され、挿入されたフェルールがあっても、より滑らかな流れ挙動が得られる。フェルールの内側表面の断面の変化は、小さい半径から始まり、構造的完全性を保持できる限り、直管の内側表面の内径とほぼ同一の内側半径に至るまでの、好ましくは一定の傾斜に沿って理想的に発生する。かかる平坦にされた領域は、下流に配置されたフェルールの外縁部に向かって延びることがより好ましい。
【００１３】
別の好ましい実施形態によると、フェルールは、少なくとも１つの外縁部に向かって、半径方向に突出するストップカラーと、直管を受けるために直径が少なくとも１つの直管の内径より大きく、特に管板の開口部の内径よりも大きい、ストップ部材とを備える。かかるデザインの結果、フェルールのストップカラー部は、管体の内側には嵌らない。これにより、フェルールを管体に対して比較的容易に位置決めし固定することが可能になり、フェルールの長さ及びストップカラーのサイズの構造的調節により、ストップ位置にある場合に、フェルールを入口管板の領域に確実に配置することを保証できる。さらに、管端部から半径方向に突出するストップカラーは、所望され必要な場合、例えば溶接接続など、更に別の取り付け手段用の基部としての役割を果たすのに適している。ストップカラーは、例えば段付けなど、複数段でデザインすることもでき、従って、様々な外周部を有する多くの区画を備える。段の進行は、段の外周部がフェルールの流れ方向から見て減少することが好ましい。
【００１４】
一般的に、フェルール自体を、低熱伝導性を有し、従って断熱体として作用する材料から製造することは、現在可能である。一般的に、本発明の意味における低熱伝導性は、具体的には６００℃において０．０５から０．２Ｗ／ｍＫの熱伝導性として理解されるべきであり、前述の範囲は単に説明のためのものであり、限定的に理解されるべきでなく、従って、明らかに、より低い熱伝導性も含む。従って、本実施形態によると、フェルール自体は、断熱体として作用する。しかし、例えば好適なセラミック材料等の実際の使用でフェルールに適した材料は、非常に高価で取り扱いが難しい。従って、フェルールは、追加の断熱材料と組み合わせて使用されることが好ましい。フェルールは、追加的に又は代替的に、管体の内側に断熱材料を配置するための手段として主として機能する。この点で、外縁部の間の領域において、例えば、フェルールは、ジャケット内側表面上、より好ましくは、ジャケット外側表面上に、長手方向つまり軸方向に延び、従って特にフェルールのジャケット外側表面と少なくとも１つの直管の内壁表面との間に受け空洞を形成する、環状凹部を備える。従って、受け空洞は、例えば、環状、中空円筒形状を有し、フェルールのジャケット外側表面と管体の内壁表面との間に形成され、フェルールの長手方向において、フェルールの対応する側壁により境界付けられることが好ましい。この空洞は、空気を充たすと断熱体の役割を果たすことができる。軸方向において、受け空洞は、少なくとも管板の厚さ全体に渡って、言い換えると、直管内の流体の流れの方向に見て、入口管板の前側と後ろ側の間の領域全体にわたって延びることが好ましい。
【００１５】
フェルールは、そのジャケット外側表面と少なくとも１つの管体の内壁表面の間に、特に受け空洞の領域に、断熱デバイスの一部として、断熱体、つまり断熱本体をさらに備えることが好ましい。従って、本実施形態によると、入口管板のレベルで管体の内側にフェルールを用いて動かないように保持された追加デバイスが設けられる。一般的に、かかるデバイスは、低熱伝導性を示す。従って、本文脈において、断熱体は、低熱伝導性を有して、管体の内側から直管へ、従って管板への半径方向の熱伝導を防止するか、又は少なくとも大幅に低減する、良好な断熱特性を有する装置と理解される。この目的のために、断熱体は、単一部品又は複数部品の構成要素としてデザインできる。さらに、単一材料からなる断熱体は、多くの異なる材料からなる断熱体と同様に、一般的に想到しうる。本質的態様は、断熱体が、一方で、フェルールにより管板の領域に保持するのに好適であり、他方で、熱伝導を低減する又は概ね防止する、ということである。
【００１６】
具体的に、断熱体は、フェルールにより積極的及び／又は非積極的方法で少なくとも１つの管の内側に固定された断熱本体とすることができる。従って、フェルールは、断熱体が、運転中、直管内側で、入口管板のレベルで意図した位置に保持されることを保証するという、主として位置決め機能を有する。この目的に対して、フェルールは、例えば、管体の内壁表面との摩擦接続を用いて動かないように保持する様式でデザインされる。断熱体自体は、フェルールのジャケット外側表面と管体の内壁表面との間に配置された、特に上述した受け空洞内に配置された、例えば環状凹部としてデザインされた、フェルールとして又は少なくともフェルール状の全体構造を有するものとして実装することもできる。
【００１７】
断熱本体は、低熱伝導性を有する材料からなることが好ましい。この点で、単一又は複数層の、特にセラミックの断熱紙の使用は、特に好適であることが分かっている。かかる断熱紙は、一方で、平坦であり、従って、フェルールと管との間の領域への挿入に適している。他方、断熱紙は、良好な伝導特性を有する。かかる断熱紙は、耐火性セラミック繊維を含み、より好ましくは４５−６０％のＳｉＯ2と４０−５５％のＡｌ2Ｏ3の化学組成を有する、セラミック繊維紙である。この百分率は、具体的には％［ｍ／ｍ］を意味する重量％として理解されたい。
【００１８】
空間的条件に対して、断熱本体のデザインは、例えば、少なくとも１つの管体の内壁表面に対して平坦に置かれる及び／又は、同時に積極的及び／又は非積極的方法で少なくとも部分的にフェルールのジャケット外側表面に接して置かれるように、フェルールに適合されることが好ましい。半径方向における管板に向かう考え得る最大の断熱効果を得るために、断熱本体は、フェルールのジャケット外側表面と管体の内壁表面との間の隙間を完全に埋めることが好ましい。
【００１９】
直管が入口管板内に配置された領域における半径方向の熱伝導を阻止し、従って熱応力の発生を効果的に防止するために、少なくとも直管が入口管板内に配置された区画において、断熱本体が少なくとも１つの管体の内壁表面を覆うことが有利であると分かっている。従って、断熱本体は、少なくとも入口管板のレベルに対応する領域において、少なくとも１つの直管の内壁表面を覆うことが好ましい。フェルールと断熱本体は、互いに対して、少なくとも断熱本体が、管体の長手方向に見て管板の厚さ全体の全体にわたって延びるようにデザインされる。このことは、断熱本体とフェルールが、いかなる場合でも断熱本体が入口管板のレベルでそれぞれの直管内に配置されることを保証するために必要な長さよりも、はるかに長くデザインされることも意味する。しかし、同時に、フェルールと断熱本体全体のサイズ及び寸法は、フェルールにより生ずる流動抵抗を最小化するために、極力小さく保持されることが好ましい。
【００２０】
断熱デバイスは、さらに、入口管板の上流の入口領域に向かって直管から突出することが好ましい。本実施形態によると、断熱デバイスは、このように直管から突出し、この領域で、半径方向における入口管板に対する直接の熱伝達を低減する。さらに、断熱デバイスは、入口領域内に、直管の長手方向軸に対して半径方向に周方向に延び、入口管板の入口側の表面上に配置される断熱カラー、つまり熱シールドを備えることができ、熱シールドについては、以下により詳しく説明する。これは、入口管板の前面に向かって流れる流体からの熱伝達を低減する役割を担う。
【００２１】
特に入口管板の熱への曝露をさらに低減するために、管束型熱交換器は、一次流体（具体的には、冷却されることになるガスタービン冷却空気）の流れの方向に見て、入口管板の上流の熱シールドを備えることが好ましい。熱シールドの基本的目的は、直接それに向かって流れる一次流体により生じる望まれない熱伝達に対して、入口管板の前面側を、従って、入口管板全体を保護することである。熱シールドは、冷却されることになる流体の流れの方向に見て、入口管板の上流に配置される。その結果、一方で、熱シールドは入口側から得られる熱をほとんど阻止するか又は少なくとも急激に低減させ、他方で、入口管板は、圧力容器の内側に面した裏面側から冷却されるので、運転中、入口管板の平均温度は著しく低下する。この領域で、入口管板は、二次流体、具体的には冷却用の水と直接接する。入口管板に対する応力、変形及び結果として生じる損傷は、この方法で大幅に低減できる。
【００２２】
本発明による管束型熱交換器は、管束型熱交換器の直管の管端部が、入口管板から熱シールドの外側表面（本文脈における外側表面は、入口管板から離れる方向に向く熱シールドの表面を指す）までは完全に延びず、その前に、理想的には入口管板の厚さを定める境界内で終端するように、デザインされることが好ましい。フェルールとしてデザインされた断熱デバイスは、それ自体断熱体として又は断熱体に取り付けるための手段として機能し、熱シールドの入口領域から入口管板の下流の領域まで延びるようにデザインすることが好ましい。従って、本実施形態によると、フェルールは、熱シールドの方向において、直管から突出する。これにより、直管を、一次流体の流れの方向に見て、熱シールドの上流の領域から空間的に離して配置することが可能になり、この領域における熱伝達を低減することにさらに寄与する。
【００２３】
熱シールド自体の具体的デザインは様々とすることができる。通常、熱シールドは、パネル状の全体形状を有する。熱シールドは、より好ましくは真空形成の、セラミック繊維パネルを備えることが好ましい。本文脈において、セラミック繊維は、無機の、非金属材料で製作された繊維と理解されたい。このセラミック繊維は、アルミナ又は炭化ケイ素繊維型式、具体的には前述の繊維型式を含む混合繊維であることがより好ましい。セラミック繊維パネルは、４５−６０％のＳｉＯ2及び４０−５５％のＡｌ2Ｏ3の化学組成を有することが好ましい。かかる百分率は、具体的には重量％として理解されたい。従って、「セラミック繊維パネル」という用語は、パネル状の全体デザインを有し、単一部品又は複数部品として実装できる、セラミック繊維全体を指す。パネル状デザインは、セラミック繊維板が、平面に直角な方向よりも、平面において大幅により遠くに延びることを意味する。セラミック繊維パネルは、理想的には、その表面が入口管板に対して平らに接するように配置される。
【００２４】
熱シールドは、直管に対応する通路開口部を備えることが好ましい。このことは、熱シールドの各通路開口部が、管束型熱交換器の直管のそれぞれに割り当てられることを意味する。従って、通路開口部は、一次流体の流れの方向に見て、熱シールドの上流領域と、直管の内部空間との間の流れ接続を与える。従って、断熱デバイスは、入口管板から離れる方向を向く側から、入口管板のレベルに対応する領域に至るまで、それぞれの直管内に延びるようにデザインされる。
【００２５】
熱シールドは、理想的には、入口管板に直接取り付けられる。このために、熱シールドを入口管板に直接取り付ける目的のために、好適な保持手段が設けられる。これにより、比較的コンパクトなデザインと、同時に熱伝導の効率的防止とを得ることができる。この目的のため、保持手段は、セラミック繊維板を入口管板の前に固定するよう実装され、この目的のためにボルト接続、保持ブラケット及び／又は保持板を備える。
【００２６】
より具体的に、保持デバイスは、入口管板の外縁部に沿って同軸に延びるようにデザインすることができる。代替的に又は追加的に、保持デバイスは、管板表面にわたって分散させることもできる。本質的なことは、保持デバイスは、熱シールドを入口管板の外側表面に安定して確実に取り付け、同時に管体に対する及び管体の中への流れ結合に影響を与えないようにすることである。
【００２７】
取り付け目的のために、例えば、ねじ結合を使用でき、好ましくは、単一部品又は複数部品として実装できる保持板を、入口管板から離れる方向に向く熱シールドの側に追加的に設けることができ、保持板は、ワッシャに相当し、熱シールドが外れることを防止する。ねじ結合は、ねじ付きスタッドボルトをさらに備えることが好ましく、スタッドボルトを用いて、保持板を入口管板に締結することができる。この点の別の本質的態様は、上述したフェルール及び保持板は、繊維がセラミック繊維要素から緩んで管体及び／又はチャンバに入るのを防止するために、できる限り緊密に取り付けることである。
【００２８】
全体的構造に関して、管束型熱交換器は、ガスタービン発電所又はガス及び蒸気タービン発電所におけるガスタービン冷却空気の冷却用に、より具体的には、冷却されることになる、少なくとも４５０℃、より具体的には少なくとも４７０℃乃至５５０℃の入口温度を有する冷却空気の冷却用にデザインされることが好ましい。特にこれら施設において、管板は、極端な熱応力に頻繁に曝されるので、上述の有利な効果は、本明細書で非常に明確に示される。別の好ましい用途は、例えばアンモニア工場の合成ガス冷却器等の、化学プロセスにおけるプロセスガス冷却器である。
【００２９】
本発明の別の態様は、上述の管束型熱交換器を備えるガスタービン冷却空気用冷却器に関する。本発明による、かかるガスタービン冷却空気用冷却器は、ガスタービン発電所又はガス及び蒸気タービン発電所における加熱されたガスタービン冷却空気の冷却に特に好適である。しかし、上述の管束型熱交換器を備えるプロセスガス冷却器も、本発明の範囲に含まれる。
【００３０】
従って、本発明の別の態様は、上述のガスタービン冷却空気用冷却器を備えるガスタービン発電所又はガス及び蒸気タービン発電所に関する。
【００３１】
最終的に、本発明は、具体的には本発明によるガスタービン発電所又はガス及び蒸気タービン発電所における、本発明による管束型熱交換器を備えた本発明によるガスタービン冷却空気用冷却器を用いた、加熱された冷却空気の冷却方法、及び本発明によるプロセスガス冷却器を用いた、加熱されたプロセスガスの冷却方法にさらに関する。
【００３２】
図面に示される例示的実施形態を参照して、本発明を以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】管束型熱交換器の断面図である。
【図２】図１に示す領域Ｂの上面図である。
【図３】ガスタービン冷却空気用冷却器の側面図である。
【図４】図１及び図３に示す領域Ｂの長手方向断面図である。
【図５】図４に示す領域Ａの拡大詳細図である。
【図６】図５に示すフェルールの上面図である。
【図７】線Ａ−Ａで取った図６に示すフェルールの断面図である。
【図８】断熱紙で作製され、フェルールとしてデザインされた断熱体を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図示の実施形態は様々とすることができるが、図面において、同様の構成要素及び同様の機能の構成要素は、同様の参照番号によって示される。
【００３５】
図１は、一般的管束型熱交換器１の断面図を示す。基本構成要素には、外側ケーシング３の壁により定められる圧力容器２６の内部空間４と、冷却されることになる一次流体の入口側ＥＳ１から流体の出口側ＡＳ１まで延び、前端及び後端区画においてそれぞれの管板２により支持される直管５と、内部空間４の内側の直管５の外側表面に沿って流れる二次流体（特に冷却水）用の入口側ＥＳ２及び出口側ＡＳ２とが含まれる。直管は、フェライト系ステンレス鋼、本実施形態においては、具体的には材料番号１．４５１０（ＤＩＮ  ＥＮ１００８８−１：２００５に準拠）又はＴＰ４３９（ＡＳＭＥ）を有する鋼材で作製される。本実施形態における外側ケーシング３は、非合金鋼からなり、本実施形態においては具体的には材料番号Ｐ３５５ＮＨ（ＤＩＮ  ＥＮ１００２８−３）を有する鋼材からなる。一次流体（具体的には冷却されることになる空気）は、管板２の上流の入口側ＥＳ１から流入し、矢印ａの方向に直管５に流入し、直管５内で、圧力容器２６の内部空間４を通って案内され、次いで、更に別の管板２（出口管板２６）を通って、出口領域ＡＳ１を経由して排出される。二次流体（具体的には水）は、矢印ｂの方向に第２の入口側ＥＳ２を通って管束型熱交換器１の圧力容器２６の内部空間４に入り、直管５の外側表面（ケーシング側とも呼ばれる）の周りを流れて、第２の出口側ＡＳ２を通って内部空間４から出る。熱は、内部空間４において２つの流体間で伝達され、より具体的には、一次流体は冷却され、二次流体は加熱される。
【００３６】
図２は、図１の点線の枠で示した領域Ｂの、一次流体の流れａの方向に見た、上面図である。図４は、この領域の拡大断面図である。図２は、一次流体の流れの方向に見た、入口管板２ａの上流に配置された熱シールドの構造を示し、これについては以下により詳しく説明する。
【００３７】
図３は、直列に接続された２つの管束型熱交換器を備えるガスタービン冷却空気用二段式冷却器２７（又は二段式プロセスガス冷却器）のデザインを概略的に示す。冷却されることになる空気は、ＥＳ１を経由してガスタービン冷却空気用冷却器２７に入り、第１の管束型熱交換器１のプレチャンバ２５を通り、第１の管束型熱交換器１の入口管板２ａに向かって流れ、そこで複数の直管５に分配され、第１の圧力容器２６を通り、単に概略的に示される出口管板２ｂを通って、第２の管束型熱交換器１の第２のプレチャンバ２５へ流れる。上面図において、一次流体（冷却されることになる冷却空気）の流れの方向に見ると、管板２ａは、図２に示す構成に対応する。第２のプレチャンバ２５において、冷却空気は、本質的に第１の管束型熱交換器１と同一の構成要素を備える第２の管束型熱交換器１の入口管板２ａ（単に概略的に示す）を経由して、２度目の分配が行われる。しかしながら、以下に述べるように、熱に対する直管５の保護のための構造的手段は、第２の管束型熱交換器１に対しては必要でない場合がある。冷却空気は、出口管板２ｂを通って出た後、空気チャンバ２８に集められ、次いで、ＡＳ１に向かう方向に、詳細には説明しない出口を介して排出され、その後、ガスタービン発電所（図面にも示されない）におけるガスタービンを冷却するために使用される。本発明に対して特に関連するのは、一次流体の流れの方向に見た、第１の管束型熱交換器１の第１の入口管板２ａの領域のデザインである。さらに、図３に示すガスタービン冷却空気用冷却器２７は、管束型熱交換器１の各々について、それぞれの冷却水入口ＥＳ２及びそれぞれの冷却水出口ＡＳ２を備える。管束型熱交換器１が蒸発器として使用されることが好ましい場合、管束型熱交換器の圧力容器２６の各々は、それぞれの蒸気出口ＳＴを備え、発生した蒸気は、蒸気出口を介して、排熱ボイラ―に排出すること、又は更に別の用途においてプロセス蒸気として使用することができる。その場合、冷却水が完全に蒸発するので、出口ＡＳ２は必要ではなく省略することができる。単に明確さのために、図３は、水出口ＡＳ２及び蒸気出口ＳＴを示す。
【００３８】
管板２ａ及び２ｂ並びに外壁３は、一緒に内部空間４を定め、複数の直管５が、内部空間４を通って、その端部はそれぞれ管板２ａ及び２ｂの各々の内部に突出する。直管５は、長手方向軸Ｌ（図５）に沿って直線で延びる。運転中、一次流体（具体的には冷却されることになるガスタービン冷却空気）は、入口管板２ａから出口管板２ｂに向かう方向に、直管５を通って流れる。二次流体（例えば水）は、中空円筒型外壁３により定められる内部空間４を通って流れる。異なる温度を有し、管束型熱交換器１を通って流れる２つの流体の結果として、高温の流体（通常一次流体）は冷たくなるが、低温の流体（通常二次流体）は加熱される。管体５並びに管板２における、特に入口管板２ａ及びガスタービン冷却空気用冷却器全体における熱応力を防止するために又は少なくとも低減するために、より具体的にはフェルールとしてデザインされる断熱デバイスが、入口管板２ａの領域において、直管端部の内側に配置され、断熱デバイスに関しては図５を参照して以下により詳細に説明する。
【００３９】
図４は、管束型熱交換器１の、特に図１及び図３に示す入口管板２ａのレベルにおける、入口領域Ｂのデザインを示す。本文脈における「入口管板２ａのレベルにおける」とは、流れａの方向に見て、入口管板２ａの厚さｄ２（図５）の境界内の領域を指す。熱シールド１９は、一次流体（例えば、図３に示すガスタービン冷却空気用冷却器２７の冷却空気）の流れａの方向に見て、管板２ａの前面側７の上流に配置される。この円盤状要素は、厚さｄ１を有する。熱シールド１９の本質的構成要素は、セラミック繊維パネル２９及び保持デバイス３０であり、保持デバイス３０を用いて、セラミック繊維板２９が入口管板２ａの入口側に取り付けられる。保持手段３０は、保持ボルト及び保持板３１を備える。保持板３１の表面は、セラミック繊維パネル２９の外側表面に接し、保持ボルト２０は、保持板３１及びセラミック繊維板２９の両方を通って延び、入口管板２ａに締結される。従って、セラミック繊維板２９は、入口管板２ａの外側表面、つまり前面上に直接接する。従って、熱シールド１９は、全体として、特に管板２ａの前面７用の熱保護デバイスを構成する。従って、一次流体は、入口管板２ａの外側表面に対して直接流れることができない。直径Ｄ１を有する熱シールド１９は、流れａの方向に見て、入口管板２ａの表面積全体にわたって延びる。
【００４０】
直管５に挿入され、断熱デバイスとして機能するフェルール８は、管板２から熱シールド１９の外側表面まで、熱シールド１９の表面の上に分散された受け開口部６を通って延びる。断熱デバイスの構造及び機能性は、以下により詳細に説明する。
【００４１】
管束型熱交換器１の内部空間４を境界付ける入口管板２ａは、一次流体の流れの方向に見て、熱シールド１９の下流に配置される。さらに、入口管板２ａは、管束型熱交換器１の内部空間４全体にわたって延びる。管板２は、本質的に、直管５の前部（入口管板２ａ）及び後部（出口管板２ｂ）の領域における、複数の直管５のための支持要素である。複数の通路開口部２１は、直管５の数に対応し、一次流体の流れの方向に見て、側面に直交する方向に、長手方向軸Ｌに沿って管板２を通って延びる。従って、管束型熱交換器１のそれぞれの直管５は、図２の上面図に示すように、入口管板２ａの通路開口部２１のそれぞれに割り当てられる。
【００４２】
管板２の厚さｄ２全体にわたる温度伝達、つまり、通路開口部２１の長手方向軸Ｌに対して半径方向における直管５の内部２２からの熱伝導を低減させるために、フェルールとしてデザインされた断熱デバイスは、管内に配置され、流れａの方向に見て、熱シールド１９から、管板２の厚さｄ２全体を通り、管板２を超えて延びる。従って、一次流体は、直管５とは直接接触せず、厚さｄ１を有する熱シールド１９及び厚さｄ２を有する入口管板を通って流れる際に、フェルール８の内側を案内される。この点で、直管は、プレチャンバ２５までは到達せず、熱シールドに覆われた入口管板２ａの外側表面領域までしか延びないことが好ましい。
【００４３】
フェルール８の具体的デザインは、特に図６及び図７に見ることができる。その全体的形状について、フェルール８は、本質的に、中空円筒型本体としてもデザインされる。フェルール８は、流れａの方向に見て、複数の層を備えるようにデザインされた支持区画１０、断熱体区画１１及び支持区画１２を備え、この順番で設けられる。断熱体区画は、図８に示す本例示的実施形態では、フェルールの形状に巻かれた断熱紙である、断熱体１３を収容するようにデザインされる。断熱体１３は、以下により詳細に説明する方法で、クランプされ、フェルール８により直管５内部に保持される。
【００４４】
支持区画１０において、フェルール８は、半径方向に外向きに突出する支持カラー１４を有する。この領域において、フェルール８は、直管５の内径Ｄ３より大きい直径Ｄ２を有する。従って、前面側で直管５に挿入されると、フェルール８は、その支持カラー１４が挿入の方向に保持板３１に接し、この積極的嵌合により直管５へのそれ以上の挿入は阻止される（図５）。これにより、入口管板２ａに対して直管５の内側に、フェルール８を正確に位置決めすることを保証することが可能になる。
【００４５】
フェルール８の例示的な実施形態において、断熱体区画１１は、本質的に、フェルールの外周部に沿って延びる環状凹部１５により特徴付けられる。この凹部は、支持区画１０及び１２の間の領域において、フェルール８の周りに延びる。言い換えると、フェルールは、そのジャケット外側に関して、直管５の内径Ｄ３より小さい外径Ｄ４を有するようにデザインされる。その結果、フェルール８のジャケット外側表面と直管５の内壁表面１６との間に、中空円筒形状の空洞１７が定められる。この空洞は断熱体１３を収容する役割を担い、管板２の領域における直管５の長手方向軸Ｌから始まる外向き半径方向に見て、次の構造：一次流体−フェルール８−断熱体１３−直管５−入口管板２ａが得られる。これは、一次流体から入口管板２ａに向かう熱伝達が、入口管板２ａの厚さｄ２全体を通して断熱体１３により低減され、管板２に対する熱応力が、従来の構成と比較して、この領域で大幅に低下することを示す。
【００４６】
流れａの方向に見て、断熱体区画１１には、最終的に更に別の支持区画１２が続く。この領域で、フェルールは、直管５の内径に対応する直径Ｄ３を有し、従って、フェルールは、この領域において、積極的方法又は実施形態によっては非積極的方法で、直管５の内壁表面に接する。従って、支持区画１０及び１２は、対応する側壁１８によって、その上流及び下流に空洞１７の境界を定める。
【００４７】
従って、一方で、フェルール８の全体的デザインにより、これを入口側から管体５の内部に挿入することが可能になる。フェルール８は、このように管体に挿入することができる。他方で、支持カラー１４は、フェルール８をある程度まで直管５に挿入できることを保証する。従って、本発明の別の本質的態様は、特に、上述し以下に図面でより詳細に説明する、２つの支持区画１０及び１２のデザインである。
【００４８】
区画１２におけるフェルールのデザインに関する別の本質的態様は、フェルールのジャケット内側表面が平坦化されるように、又は外縁部２３に向かって下流方向にジャケット外側表面に向かってテーパ付けされるようにデザインすることである。断面で見ると、フェルールのジャケット内側表面は、フェルール８のジャケット外側表面と、鋭角βを形成する。その結果、フェルールの内径Ｄ５から直管５の内径Ｄ３への移行は、急激には生じず、平坦化された又はテーパ付けされた領域に沿って一定の様式で発生する。
【００４９】
図５の断面図は、熱シールド１９を備える実施形態において、断熱体１３と一緒に管体に挿入された場合のフェルール８を示す。図５に示すように、フェルール８は、直管５に挿入されると、熱シールド１９の上流前面側から入口管板の後面側に到達するように、直管５の長手方向軸Ｌに沿って延びる。
【００５０】
熱シールド１９は、管板２の前面側７に向かって流れる一次流体からの直接の熱伝達をほぼ完全に取り除く。加えて、管板２ａのレベルで直管内に配置された断熱デバイスにより、直管５を通って流れる流体から直管への直接的な熱伝達は、この領域において大幅に低減されるか又は事実上取り除かれる。その結果、直管５への熱応力は、冷却されることになる流入流体の領域において及び入口管板２ａの厚さ全体にわたって概ね低減される。これにより、直管５の許容温度を低下させ、最終的には、冷却されることになる流体（具体的には、ガスタービン冷却空気用冷却器の加熱された冷却空気）が４５０℃より高く、最大５５０℃までの温度を有する場合であっても、具体的には、上記で特に有利として特定された鋼種の、より具体的には、１．４５１０（ＤＩＮ  ＥＮ）又はＴＰ４３９（ＡＳＭＥ）のフェライト系ステンレス鋼で直管を作製することができる。これらの鋼材は、例えば１．４３０１（ＤＩＮ  ＥＮ）といった、この関連において本明細書で使用される従来のオーステナイト系鋼材と比較して、より好ましい（つまり小さい）熱膨張係数により特徴付けられ、同時に、はるかに高いＳＣＣへの耐性を示す。その結果、いわゆるケーシング補償器は、図３に示すガスタービン冷却空気用冷却器の場合、完全に省くことができる。従来、ケーシング補償器は、典型的には、２つの管束型熱交換器１の間の領域及び出口空気チャンバ２８の領域にも配置され、特に圧力容器及び直管に使用された材料の異なる熱膨張係数から頻繁に生じる、ガスタービン冷却空気用冷却器内の長手方向応力を補償する役割を担っていた。直管５及び圧力容器用の材料の上述の選択により、ケーシング補償器が必要でなくなる程度まで、長手方向応力が低減される。同時に、断熱デバイス及び熱シールドの特定のデザインにより、直管５及び入口管板２ａの熱解放が達成され、４５０℃を超える、具体的には４７０℃を超え最大５５０℃までの範囲の入口温度を有する一次流体であっても上手く恒久的に冷却することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１：管束型熱交換器
２：管板
２ａ：入口管板
２ｂ：出口管板
３：外側ケーシング
４：内部空間
５：直管
８：フェルール
１７：空洞
２３、２４：外縁部
２６：圧力容器
ＥＳ１、ＥＳ２：入口
ＡＳ２、ＳＴ：出口
【図１】
2015114100.tif 000003
【図２】
2015114100.tif 000004
【図３】
2015114100.tif 000005
【図４】
2015114100.tif 000006
【図５】
2015114100.tif 000007
【図６】
2015114100.tif 000008
【図７】
2015114100.tif 000009
【図８】
2015114100.tif 000010
【外国語明細書】
2015114100000001.pdf